基于误差标定的医疗机器人视觉跟踪方法研究-CORE.PDFVIP

2 机电技术 2011 年 6 月 基于误差标定的医疗机器人视觉跟踪方法研究* 朱晓明 席文明 (厦门大学机电工程系，福建 厦门 361005) 摘 要：影像在疾病诊断和手术计划中占有重要地位，随着机器人技术的发展以及微创手术的广泛采用，影像与机 器人构成一体，形成计算机集成外科手术系统。影像不仅是疾病诊断的重要工具，它也对手术机器人进行定位、引导， 对手术器械进行跟踪和控制。由于视觉和机器人具有各自的坐标系统，它们之间存在误差，当在视觉空间控制机器人运 动时，该误差会映射到机器人的轨迹上。在前期手术计划、机器人视觉控制、自动显微操作的研究成果基础上，研究计 算机集成外科中的手术机器人轨迹精确控制问题。采用机器人在视觉空间的运动误差对视觉系统和机器人系统间的坐标 系误差进行标定，从而精确控制机器人的轨迹。误差标定方法只需要让机器人走三个点就可以完成系统坐标标定。在实 验中，利用视觉系统控制机器人运动，模仿微创手术中对机器人末端器械的导引，结果表明，采用递归标定方法可以将 机器人的轨迹误差控制在 2 个像素范围内。 关键词：医疗机器人；视觉跟踪；误差标定 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2011)03-002-04 随着影像技术、计算机图形学技术、虚拟现 致[7-8] 。 实技术、机器人技术的发展，在外科手术中出现 当前，在视觉控制中，普遍采用基于图像的视 了一种新的手术模式—— 计算机集成外科手术 觉跟踪方法[9-10]，该方法利用特征点与目标点的 系统。不同于传统的手术模式，计算机集成外科 距离差驱动机器人运动，通过在每个采样周期中 手术过程为：手术前利用影像（包括核磁共振成 对机器人运动方向的调整，消除机器人与视觉系 像、CT 成像、X 射线成像、超声成像），借助于 统坐标间的误差，该方法图像处理量大，系统实 计算机图形学技术，在计算机中构造手术区域的 时性差，机器人轨迹精度取决于视觉系统的采样 三维虚拟模型，在该模型上完成外科手术计划。 频率，上述特点使得该跟踪方法并不适用于对医 在手术过程中，借助于实时视觉系统对虚拟模型 疗机器人的控制。 上产生的手术计划进行修正，对机器人末端的手 本文发展一种误差标定方法[11]，该方法通过 术器械进行引导并完成手术，最后，利用影像技 建立误差矩阵方程，然后利用视觉系统的闭环特 术评估手术结果。计算机集成外科概念提出者， 性求取该矩阵，从而将系统各部分的位置误差调 霍普金斯大学的 R. H. Taylor 教授认为[1] ：在未来 整到误差矩阵中。整个标定过程由软件自动完 20 年计算机集成外科对医学的影响，就像过去 成，简单快捷。在该标定方法的基础上，可利用 20 年计算机集成制造对制造业的影响一样。 基于位置的视觉跟踪方法对机器人进行控制，使 在计算机集成外科中，影像和视觉不仅用于 系统获得更好的实时性和精度，满足医疗机器人 诊断、计划，也用于机器人的定位、引导和控制。 对图像处理的速度要求。 在内窥镜手术中，内窥镜支撑机器人必须控制内 1 误差标定概念 窥镜实时跟踪手术器械或者内窥镜对手术机器 人进行视觉控制[2-4] 。在放射性粒子植入中，需 将视觉系统安装在工作台上，机器人末端处 要利用超声图像或核磁共振图像对植入针进行 于视觉系统视场内，当在视觉空间控制机器人运 精确控制，从而将粒子正确植入肿瘤，