一種醫療機器人dh參數標定方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種醫療機器人DH參數標定方法。
【背景技術】
[0002] 機器人標定技術是機器人領域的重要技術之一，用于校正由于機器人加工與裝配 過程中帶來的誤差。
[0003] 現有的機器人標定技術方法主要基于激光跟蹤儀、三維坐標測量儀等設備。一方 面，這類設備價格昂貴、操作復雜；另一方面，而且這些方法主要針對工業機器人，旨在提高 機器人的重復定位精度，其僅能通過目標點的位置信息建立誤差方程，無法使用姿態信息， 因而具有局限性而且絕對定位精度有限。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種醫療機器人DH參數標定方法，其操作簡單、成本較低，且 可有效提尚絕對定位精度。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0006] -種醫療機器人DH參數標定方法，包括：
[0007] 建立醫療機器人的運動學模型和相機的成像模型；
[0008] 基于醫療機器人的運動學模型與相機的成像模型確定的系統位置信息和姿態信 息，來建立誤差方程；
[0009] 根據誤差方程確定最優化問題的目標函數，通過求解目標函數取得最小值時的參 數取值，來確定最優的機器人DH參數，即實現機器人參數的標定。
[0010] 進一步的，所述建立醫療機器人的運動學模型和相機的成像模型包括：
[0011] 使用DH參數建模方法對醫療機器人建立運動學模型，最終建立一DH模型參數表；
[0012] 相機的成像模型是基于小孔成像的模型，并加以非線性修正得到；其中，在標定 時，以棋盤格標定板作為相機的檢測物體，把標定板所在的坐標系作為世界坐標系。
[0013] 進一步的，所述基于醫療機器人的運動學模型與相機的成像模型確定的系統位置 f目息和姿態?目息，來建立誤差方程包括：
[0014] 根據DH參數建模方法對機器人建立運動學模型，獲得矩陣「$與穸表達式：
[0017] 式中，c表示余弦函數，s'表示正弦函數，叫-丨為為均為DH參數；
[0018] 根據建立的醫療機器人的運動學模型和相機的成像模型，獲得下式：
[0019] \T[TlT=y'
[0020] 其中，中包含了20個未知的DH參數，和已知的關節角增量；，是相機坐標系和 工具坐標系的轉換矩陣；7是相機坐標系和世界坐標系的轉換矩陣；，是機器人坐標系和 世界坐標系的轉換矩陣；
[0021] 根據相機的成像模型建模方法，可得出下式，從而計算出相機坐標系和世界坐標 系的轉換矩陣.7^
[0023] 其中，（Ui，Vi)是像素坐標，（Xwi，Ywi，Z wi)是世界坐標系下的坐標，s是比例因子，Ml 是相機的內部參數，M2是相機的外部參數，i = l，2...N，表示采集數據的組數;在根據張正 友標定法得到Ml矩陣后，通過Ml和標定板的已知信息計算各組M2,該式中的M2即為相機坐 標系和世界坐標系的轉換矩陣f;
[0024] 在參數均為理想值條件下，〗Γ:7·7等于夕，但是由于系統各部分的實際值與理想 值存在誤差，導致二者并不相等，從而建立誤差方程：
[0025] 設是X是待標定的參數組成的向量，改變N次關節角度，使相機從不同的位姿拍攝 標定板，得到機器人關節角度數據;設：
[0028]以F代替，進行計算，得到誤差方程組ε，其中第k個誤差方程ek表示為：
[0030] 其中，111=1，2,3;11 = 1，2,3,4;1^ = 1，2，...，12\叱
[0031] 進一步的，根據誤差方程確定最優化問題的目標函數，通過求解目標函數取得最 小值時的參數取值，來確定最優的機器人DH參數包括：
[0032] 最優化問題的目標函數，通過矩陣表示為：
[0034] 使用最優化庫函數1 sqnon 1 in對目標函數進行求解，根據取得最小值時的參數取 值，來確定最優的機器人DH參數。
[0035] 由上述本發明提供的技術方案可以看出，通過建立標定模型、推導誤差方程和最 小化目標函數并求解，從而實現醫療機器人DH參數標定;其不僅操作方法簡單且成本較低， 適合醫療機器人，同時，還可有效提高絕對定位精度。
【附圖說明】
[0036] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 附圖。
[0037] 圖1為本發明實施例提供的一種醫療機器人DH參數標定方法的流程圖；
[0038] 圖2為本發明實施例提供的標定前的誤差分布示意圖；
[0039] 圖3為本發明實施例提供的標定后的誤差分布示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發明的保護范圍。
[0041] 圖1為本發明實施例提供的一種醫療機器人DH參數標定方法的流程圖。如圖1所 示，其主要包括如下步驟：
[0042] 步驟11、建立醫療機器人的運動學模型和相機的成像模型。
[0043] 1、醫療機器人的運動學模型。
[0044] 本發明實施例中，使用DH參數建模方法對醫療機器人建立運動學模型，最終建立 一 DH模型參數表。DH參數建模是一種通用的機器人建模方法，在每一個連桿上均建立坐標 系。
[0045] 2、相機的成像模型。
[0046]相機的成像模型是基于小孔成像的模型，并加以非線性修正得到；其中，在標定 時，以棋盤格標定板作為相機的檢測物體，把標定板所在的坐標系作為世界坐標系。
[0047] 在建立了醫療機器人的運動學模型和相機的成像模型后，可以得到兩個模型之間 的四個坐標系：機器人坐標系、工具坐標系、相機坐標系和世界坐標系；這些模型和坐標系 構成了標定系統，即是標定模型。
[0048] 步驟12、基于醫療機器人的運動學模型與相機的成像模型確定的系統位置信息和 姿態?目息，來建立誤差方程。
[0049] 根據DH參數建模方法對機器人建立運動學模型，獲得矩陣與表達式：
[0052] 式中，c表示余弦函數，s'表示正弦函數，均為DH參數；
[0053]根據建立的醫療機器人的運動學模型和相機的成像模型，獲得下式：
[0055] 其中，°5Γ中包含了20個未知的DH參數，和已知的關節角增量；5εΓ是相機坐標系和 工具坐標系的轉換矩陣；$是相機坐標系和世界坐標系的轉換矩陣；，是機器人坐標系和 世界坐標系的轉換矩陣；
[0056] 根據相機的成像模