标定方法、装置、计算机设备和存储介质与流程

1.本技术涉及机械臂控制技术领域，特别是涉及一种标定方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。


背景技术：

2.随着机械臂控制技术的发展，对机械臂的控制精度要求越来越高。由于机械臂的控制精度和理论设计模型可能会存在一定的误差。为了使机械臂达到与理论设计模型一致，提高机械臂的控制精度，机械臂在装配后需要进行标定工作。
3.传统的标定方法，一般采用双目相机对标记点进行拍摄从而实现对机械臂的标定。然而，这种标定方法往往需要从多角度拍摄大量的照片来进行坐标对比和坐标转换，存在标定精度不高的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对传统标定方法存在标定精度不高的问题，提供一种能够提高标定精度的标定方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
5.第一方面，本技术提供了一种标定方法。所述方法包括：
6.获取理论穿刺路径；
7.根据理论穿刺路径控制机械臂运动；
8.在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；
9.根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果；其中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；或者，理论穿刺路径基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。
10.在其中一个实施例中，与机械臂固定连接的底板治具上安装有靶点靶标球，获取理论穿刺路径，包括：
11.将机械臂末端上的至少三个靶标球中的其中一个作为目标靶标球；
12.确定机械臂末端的穿刺中心，将目标靶标球与穿刺中心的连线上获取一个虚拟点作为穿刺起点；
13.采集底板治具上的靶点靶标球的靶点位置作为穿刺终点；虚拟点模拟的穿刺起点、以及由底板治具上的靶点靶标球的靶点位置所作为的穿刺终点，用于构建理论穿刺路径。
14.在其中一个实施例中，与机械臂固定连接的底板治具上安装有入针点靶标球和靶点靶标球，理论穿刺路径由入针点靶标球和靶点靶标球确定；根据理论穿刺路径控制机械臂运动，包括：
15.获得对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的目标图像；
16.根据目标图像中机械臂末端的靶标球的位置，工具坐标系中机械臂末端的靶标球
的位置，构建图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵；
17.根据第一转换矩阵，将目标图像中底板治具上的入针点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺起点，将目标图像中底板治具上的靶点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺终点；
18.根据工具坐标系下的穿刺起点和穿刺终点构建规划穿刺路径；
19.根据规划穿刺路径控制机械臂运动。
20.在其中一个实施例中，机械臂末端上的靶标球包括第一靶标球和第二靶标球；获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径，包括：
21.采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的两个靶标球，获得实际空间中第一靶标球的实际位置和实际空间中第二靶标球的实际位置；
22.将从实际空间中第一靶标球的实际位置，到实际空间中第二靶标球的实际位置间的直线，作为实际穿刺路径。
23.在其中一个实施例中，标定方法还包括：
24.在标定结果表征不合格的情况下，调整机械臂的参数，基于调整参数后的机械臂返回根据理论穿刺路径控制机械臂运动的步骤继续执行，直至任一次标定结果表征合格时结束流程。
25.在其中一个实施例中，机械臂末端上安装有至少三个靶标球，机械臂与底板治具固定连接，底板治具上安装有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同。
26.在其中一个实施例中，机械臂的末端装配有移动靶标治具，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球，获取理论穿刺路径包括：
27.获取随机信息，并根据随机信息控制机械臂随机运动，随机运动结束后采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息；
28.根据随机运动结束后采集的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点；
29.根据虚拟出的给定穿刺起点和给定穿刺终点确定理论穿刺路径。
30.在其中一个实施例中，根据理论穿刺路径控制机械臂运动，包括：
31.根据给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，得到机械臂关节角度；
32.通过机械臂关节角度控制机械臂运动。
33.在其中一个实施例中，在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径，包括：
34.在机械臂运动结束后，根据移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点；
35.根据虚拟出的实际穿刺起点和实际穿刺终点，确定实际穿刺路径。
36.第二方面，本技术还提供了一种标定系统，其特征在于，所述系统包括：
37.机械臂，与底板治具固定连接，或者，机械臂末端装配有移动靶标治具；其中，底板治具上安装有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球；在机械臂与底板治具固定连接时，机械臂末端上安装有至少三个靶标球；
38.跟踪仪，用于扫描机械臂末端上的两个靶标球，并将两个靶标球在实际空间中的实际位置传输至上位机，其中，两个靶标球在实际空间中的实际位置用于确定实际穿刺路径；或者，跟踪仪，用于采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，并传输至上位机，移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息用于确定实际穿刺路径；
39.上位机，用于根据接收的位置信息，执行上述标定方法，以得到机械臂标定结果。
40.第三方面，本技术还提供了一种标定装置。所述装置包括：
41.理论穿刺路径获取模块，用于获取理论穿刺路径；其中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；或者，理论穿刺路径基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；
42.控制模块，用于根据所述理论穿刺路径控制机械臂运动；
43.实际穿刺路径获取模块，用于在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；
44.结果获取模块，用于根据所述实际穿刺路径和所述理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。
45.第四方面，本技术还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
46.获取理论穿刺路径；
47.根据理论穿刺路径控制机械臂运动；
48.在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；
49.根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果；
50.其中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；或者，理论穿刺路径基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。
51.第五方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
52.获取理论穿刺路径；
53.根据理论穿刺路径控制机械臂运动；
54.在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；
55.根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果；
56.其中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；或者，理论穿刺路径基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。
57.第六方面，本技术还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
58.获取理论穿刺路径；
59.根据理论穿刺路径控制机械臂运动；
60.在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；
61.根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果；
62.其中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；或者，理论穿刺路径基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。
63.上述标定方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，通过获取理论穿刺路径；理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；根据理论穿刺路径控制机械臂运动；在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。由于机械臂运动的过程，机械臂理论上能够达到的位置与实际上到达的位置可能存在一定的偏差，基于理论穿刺路径和实际穿刺路径的偏差，能够获得准确的机械臂标定结果，有利于提高机械臂的标定精度。
附图说明
64.图1为一个实施例中标定方法的应用环境图；
65.图2为一个实施例中标定方法的流程示意图；
66.图3为一个实施例中s202的子流程示意图；
67.图4为另一个实施例中s204的子流程示意图；
68.图5为另一个实施例中s202的子流程示意图；
69.图6为一个实施例中构建工具坐标系的示意图；
70.图7为一个实施例中s206的子流程示意图；
71.图8为一个实施例中标定系统的组成结构示意图；
72.图9为一个实施例中机械臂与底板治具的结构示意图；
73.图10为一个实施例中机械臂末端的结构示意图；
74.图11为另一个实施例中标定系统的组成结构示意图；
75.图12为另一个实施例中机械臂与底板治具的结构示意图；
76.图13为一个实施例中移动靶标治具的结构示意图；
77.图14为一个实施例中固定靶标治具的结构示意图；
78.图15为一个实施例中机械臂的结构示意图；
79.图16为一个实施例中机械臂的四个关节运动的示意图；
80.图17为一个实施例中对机械臂以及底板治具进行扫描的示意图；
81.图18为一个实施例中底板治具的示意图；
82.图19为另一个实施例中机械臂末端的结构示意图；
83.图20为一个实施例中机械臂运动的示意图；
84.图21为一个实施例中理论穿刺路径的示意图；
85.图22为一个实施例中机械臂标定方法的总体流程示意图；
86.图23为一个实施例中手眼标定的组成结构示意图；
87.图24为一个实施例中手眼标定以及机械臂标定的总体流程示意图；
88.图25为另一个实施例中机械臂运动的示意图；
89.图26为一个实施例中实际路径与理论路径的偏差的示意图；
90.图27为一个实施例中对激光跟踪仪进行校准的示意图；
91.图28为一个实施例中对激光跟踪仪进行校准的流程示意图；
92.图29为一个实施例中dh标定方法的流程示意图；
93.图30为一个实施例中机械臂的零位示意图；
94.图31为一个实施例中对机械臂进行手眼标定的方法示意图；
95.图32为一个实施例中机械臂以及底板治具结构的俯视示意图；
96.图33为一个实施例中标定装置的结构框图；
97.图34为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
98.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
99.本技术实施例提供的标定方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，终端101通过机械臂102上的控制系统控制机械臂102运动。机械臂102上安装有与机械臂相关的靶标球103。理论穿刺路径以及实际穿刺路径可以通过光学跟踪仪104跟踪与机械臂相关的靶标球103得到，或者通过激光跟踪仪105跟踪与机械臂相关的靶标球103得到。终端101获取理论穿刺路径；理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，目标图像为对机械臂102和底板治具一起进行扫描得到的图像；根据理论穿刺路径控制机械臂102运动；在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球103确定的实际穿刺路径；根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。其中，终端101可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑等。终端101还可以为上位机。
100.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种标定方法，以该方法应用于图1中的终端101为例进行说明，包括以下步骤：
101.s202，获取理论穿刺路径；其中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；或者，理论穿刺路径基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。
102.其中，机械臂是一种可编程的机械手臂，机械臂通过关节连接，可以旋转运动或者平移运动。底板治具与机械臂固定连接。靶标球是安装在机械臂上的具有示踪作用的球体。
103.理论穿刺路径是实际空间中机械臂理论上能够到达的位置。终端获取理论穿刺路径。理论穿刺路径可以通过至少一种方法获取得到。
104.在一些实施例中，与机械臂相关的靶标球安装在机械臂末端，与机械臂相关的靶标球包括至少三个。靶标球的材质包括高密度金属球。示例性地，靶标球可以为钛球。底板治具上部署有靶点靶标球。目标图像为采用图像扫描设备对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像。图像扫描设备可以为ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)扫描设备。高密度金属球能够在图像扫描设备中得到清晰的影像。与机械臂相关的靶标球可以被激光跟踪仪识别到，并检测到靶标球的实时位置。终端在目标图像上规划出穿刺路径，将图像上的穿刺路径映射到实际空间中，即得到实际空间中的理论穿刺路径。示例性地，规划
出的穿刺路径可以由终端基于目标图像中靶点靶标球的位置规划得到，理论穿刺路径即为靶点靶标球由目标图像映射至实际空间得到的位置。
105.在另一些实施例中，机械臂的末端装配有移动靶标治具，与机械臂相关的靶标球安装在移动靶标治具上。与机械臂相关的靶标球包括至少三个。靶标球为反光球。反光球可以为带有反光标记的球。与机械臂相关的靶标球可以被光学跟踪仪识别，并跟踪到靶标球的实时位置。终端基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。理论穿刺路径即为实际空间中虚拟构建得到的位置。
106.s204，根据理论穿刺路径控制机械臂运动。
107.其中，理论穿刺路径是实际空间中的位置，终端通过机械臂中的控制系统，控制机械臂运动到实际空间中的理论穿刺路径。
108.在一些实施例中，终端将理论穿刺路径由实际空间转换到工具坐标系下，得到工具坐标系下的理论穿刺路径。终端将工具坐标系下的理论穿刺路径发送至机械臂的控制系统，由控制系统控制机械臂运动到工具坐标系下的理论穿刺路径。其中，工具坐标系是基于与机械臂相关的靶标球建立的坐标系。
109.在另一些实施例中，终端将理论穿刺路径由实际空间转换到机械臂坐标系下，得到机械臂坐标系下的理论穿刺路径。终端将机械臂坐标系下的理论穿刺路径发送至机械臂的控制系统，由控制系统控制机械臂运动到机械臂坐标系下的理论穿刺路径。其中，机械臂坐标系是在机械臂上建立的坐标系。
110.s206，在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径。
111.其中，机械臂运动结束指的是终端根据理论穿刺路径控制机械臂运动，机械臂运动到理论穿刺路径，并停止运动的时刻。
112.实际穿刺路径是实际空间中机械臂运动到的位置。终端在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径。根据与机械臂相关的靶标球的不同类型，实际穿刺路径的确定方法包括至少一种。
113.在一些实施例中，实际穿刺路径可以是由安装在机械臂末端的靶标球的位置确定。安装在机械臂末端的靶标球的位置可以是激光跟踪仪检测得到。
114.在另一些实施例中，实际穿刺路径可以是由与机械臂末端装配的移动靶标治具上的靶标球的位置虚拟构建得到。移动靶标治具上的靶标球的位置可以是光学跟踪仪检测得到。
115.s208，根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。
116.其中，实际穿刺路径与理论穿刺路径的偏差，具体可以是实际穿刺路径所在直线与理论穿刺路径所在直线间的夹角。终端根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。
117.在一些实施例中，终端可确定至少一条理论穿刺路径，对于每条理论穿刺路径，终端可根据该理论穿刺路径控制机械臂运动，在机械臂运动结束后，得到该条理论穿刺路径所对应的实际穿刺路径，从而根据理论穿刺路径与实际穿刺的偏差确定标定结果。
118.在一些实施例中，终端可比较每个偏差与偏差阈值的大小，进而基于偏差大于偏差阈值的数量，确定标定结果。比如，终端在检测到存在至少一条理论穿刺路径所对应的偏差大于偏差阈值时，就判断标定结果不合格；在检测到存在全部的理论穿刺路径所对应的
偏差均小于等于偏差阈值时判断标定结果合格。在其他的实施例中，终端还可在检测到超过半数的理论穿刺路径所对应的偏差大于偏差阈值时，判断标定结果不合格；在检测到超过小于半数的规划穿刺路径所对应的偏差小于等于偏差阈值时，判断标定结果合格。
119.在一些实施例中，针对每条理论穿刺路径，终端均可多次执行步骤s204-s208，以得到多次偏差测试结果。进而基于至少一条理论穿刺路径的中每条理论穿刺路径所对应的多次偏差测试结果，确定标定结果。示例性地，可取多次偏差测试结果中的平均值或中位数或众数，作为与该理论穿刺路径对应的偏差，本技术实施例对此不作限定。
120.上述标定方法中，通过获取理论穿刺路径；理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；根据理论穿刺路径控制机械臂运动；在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。由于机械臂运动的过程，机械臂理论上能够达到的位置与实际上到达的位置可能存在一定的偏差，基于理论穿刺路径和实际穿刺路径的偏差，能够获得准确的机械臂标定结果，有利于提高机械臂的标定精度。
121.在一个实施例中，如图3所示，与机械臂固定连接的底板治具上安装有靶点靶标球，获取理论穿刺路径，包括：
122.s302，将机械臂末端上的至少三个靶标球中的其中一个作为目标靶标球。
123.其中，机械臂末端上的至少三个靶标球按照一定的顺序部署，终端将机械臂末端上的至少三个靶标球中的其中一个作为目标靶标球。
124.s304，确定机械臂末端的穿刺中心，将目标靶标球与穿刺中心的连线上获取一个虚拟点作为穿刺起点。
125.其中，穿刺中心是实际空间中机械臂末端上的一个位置点。终端确定一条机械臂上目标靶标球与穿刺中心之间的连线，并在目标靶标球与穿刺中心的连线上选取一个虚拟点作为穿刺起点。穿刺起点到目标靶标球具有固定的位置关系。终端通过激光跟踪仪采集机械臂末端上目标靶标球的位置，结合穿刺起点到目标靶标球的固定位置关系，得到穿刺起点在实际空间中的位置。
126.s306，采集底板治具上的靶点靶标球的靶点位置作为穿刺终点；虚拟点模拟的穿刺起点、以及由底板治具上的靶点靶标球的靶点位置所作为的穿刺终点，用于构建理论穿刺路径。
127.其中，终端通过激光跟踪仪采集底板治具上的靶点靶标球的靶点位置，将通过激光跟踪仪采集到的底板治具上的靶点靶标球的靶点位置作为穿刺终点。终端将穿过虚拟点模拟的穿刺起点、以及由底板治具上的靶点靶标球的靶点位置所作为的穿刺终点的直线作为理论穿刺路径。
128.本实施例中，通过将机械臂末端上的至少三个靶标球中的其中一个作为目标靶标球，并确定机械臂末端的穿刺中心。由于目标靶标球与穿刺中心都是机械臂上的固定位置点，因此，虚拟点的位置是确定的，基于确定的虚拟点进行标定，有利于提高标定精度。
129.在一个实施例中，如图4所示，与机械臂固定连接的底板治具上安装有入针点靶标球和靶点靶标球，理论穿刺路径由入针点靶标球和靶点靶标球确定；根据理论穿刺路径控
制机械臂运动，包括：
130.s402，获得对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的目标图像。
131.其中，目标图像是采用图像扫描设备对和底板治具一起进行扫描得到的图像。图像扫描设备具体可以是ct设备、mri(nuclear magnetic resonance imaging，核磁共振成像)设备、pet(positron emission computed tomography，正电子发射型计算机断层显像)设备、扫描仪或其他带有扫描功能的设备。终端获得对和底板治具一起进行扫描得到的目标图像。
132.在一些实施例中，靶标球的材质为高密度金属钛，利用金属钛制作的靶标球，在ct设备中可以扫描得到靶标球的伪影，让从而确定出机械臂末端的靶标球以及底板治具上的靶标球的准确位置。
133.s404，根据目标图像中机械臂末端的靶标球的位置，工具坐标系中机械臂末端的靶标球的位置，构建图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵。
134.其中，工具坐标系是基于机械臂末端的至少三个靶标球构建。具体地，机械臂末端的至少三个靶标球所在的平面、机械臂末端的任意两个靶标球的中点，以及经过该中点的该平面的法线构成了工具坐标系。
135.终端根据目标图像中机械臂末端的靶标球的位置，与工具坐标系中机械臂末端的靶标球的位置进行坐标系转换，得到图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵。
136.s406，根据第一转换矩阵，将目标图像中底板治具上的入针点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺起点，将目标图像中底板治具上的靶点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺终点。
137.其中，底板治具上包括入针点靶标球和靶点靶标球，入针点靶标球和靶点靶标球的高度不同。终端根据靶标球目标图像中的位置可以确定出底板治具上的入针点靶标球和靶点靶标球。
138.终端将目标图像中的入针点靶标球的位置乘以，图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵，得到入针点靶标球在工具坐标系下的位置。穿刺起点即为入针点靶标球在工具坐标系下的位置。
139.同样地，终端将目标图像中的靶点靶标球的位置乘以，图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵，得到靶点靶标球在工具坐标系下的位置。穿刺终点即为靶点靶标球在工具坐标系下的位置。
140.s408，根据工具坐标系下的穿刺起点和穿刺终点构建规划穿刺路径；根据规划穿刺路径控制机械臂运动。
141.其中，终端将穿过工具坐标系下的穿刺起点和工具坐标系下的穿刺终点所在的直线作为规划穿刺路径。规划穿刺路径为工具坐标系下的位置，终端将规划穿刺路径发送至机械臂的控制系统，由控制系统控制机械臂运动到规划穿刺路径。
142.本实施例中，通过对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的目标图像，以及工具坐标系中机械臂末端的靶标球的位置，构建图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵，进而将目标图像中入针点靶标球以及靶点靶标球的位置转换到工具坐标系下，分别作为穿刺起点和穿刺终点，穿刺起点到穿刺终点构成的规划穿刺路径为工具坐标系下的位置，这种通过图像中的靶标球位置转换到工具坐标下的位置，有利于机械臂按照工具坐标系下的
规划穿刺路径运动。
143.在一个实施例中，机械臂末端上的靶标球包括第一靶标球和第二靶标球；获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径，包括：采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的两个靶标球，获得实际空间中第一靶标球的实际位置和实际空间中第二靶标球的实际位置；将从实际空间中第一靶标球的实际位置，到实际空间中第二靶标球的实际位置间的直线，作为实际穿刺路径。
144.其中，激光跟踪仪是对空间中目标物体进行跟踪并测量目标物体的位置信息的高精度测量仪器。采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的靶标球，获得实际空间中第一靶标球的实际位置和实际空间中第二靶标球的实际位置。终端将从实际空间中第一靶标球的实际位置，到实际空间中第二靶标球的实际位置间的直线，作为实际穿刺路径。
145.本实施例中，采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的靶标球，从而得到靶标球在实际空间中的位置。由于激光跟踪仪具有较高的精度，基于激光跟踪仪获得的各个靶标球的实际位置具有较高的准确性，实际穿刺路径是第一靶标球的实际位置到第二靶标球的实际位置间的直线，基于实际穿刺路径进行标定，有利于提高标定的精度。
146.在一个实施例中，标定方法包括：获取示教器上的位置点的第一坐标、以及位置点在激光跟踪仪下的第二坐标；确定第一坐标和第二坐标的差值；若差值处于预设差值范围内，则确定激光跟踪仪完成校准。
147.具体地，示教器是进行激光跟踪仪校准的设备，示教器安装在机械臂末端。示教器上的位置点的数量包括至少一个。激光跟踪仪测量至少一个位置点的坐标，作为位置点在激光跟踪仪下的第二坐标。具体地，终端获取示教器上的位置点的第一坐标、以及位置点在激光跟踪仪下的第二坐标。将第一坐标和第二坐标求差，获得第一坐标和第二坐标的差值。判断差值是否处于预设差值范围内，若差值处于预设差值范围内，则确定激光跟踪仪完成校准。若差值不在预设差值范围内，则返回获取示教器上的位置点的第一坐标、以及位置点在激光跟踪仪下的第二坐标的步骤，直到差值处于预设差值范围内。
148.本实施例中，通过示教器上的位置点的第一坐标和位置点在激光跟踪仪下的第二坐标的差值，判断差值是否在预设差值范围内来确定激光跟踪仪是否完成校准。这种激光跟踪仪的校准方法能够保证激光跟踪仪保持较高的测量精度，有利于提高机械臂的标定精度。
149.在一个实施例中，获取实际空间中由穿刺起点和穿刺终点构成的理论穿刺路径，包括：采用激光跟踪仪扫描底板治具上的靶点靶标球，获得穿刺终点在实际空间中的位置；获取穿刺起点在实际空间中的位置；将从穿刺起点在实际空间中的位置，到穿刺终点在实际空间中的位置构成的直线作为理论穿刺路径。
150.其中，在穿刺起点对应机械臂末端上的目标靶标球与穿刺中心的连线上的虚拟点的情况下，由于虚拟点与目标靶标球具有固定的位置关系，采用激光跟踪仪扫描目标靶标球得到实际位置，终端将目标靶标球的实际位置，加上虚拟点与目标靶标球具有固定的位置关系，得到虚拟点在实际空间中的位置。穿刺起点在实际空间中的位置即为该虚拟点在实际空间中的位置。
151.在穿刺起点对应底板治具上的入针点靶标球的情况下，穿刺起点在实际空间中的位置即为采用激光跟踪仪扫描入针点靶标球得到的实际位置。
152.采用激光跟踪仪扫描底板治具上的靶点靶标球，获得穿刺终点在实际空间中的位置。
153.终端将实际空间中从穿刺起点的位置到穿刺终点的位置的直线作为理论穿刺路径。
154.本实施例中，穿刺终点在实际空间中的位置通过激光跟踪仪扫描得到。穿刺起点在实际空间中的位置分两种情况，基于激光跟踪仪，采用不同的方法得到。由于激光跟踪仪具有较高的精度，基于激光跟踪仪获得的各个靶标球的实际位置具有较高的准确性，理论穿刺路径是实际空间中穿刺起点到穿刺终点的直线，基于理论穿刺路径进行标定，有利于提高标定的精度。
155.在一个实施例中，标定方法还包括：在标定结果表征不合格的情况下，调整机械臂的参数，基于调整参数后的机械臂返回根据理论穿刺路径控制机械臂运动的步骤继续执行，直至任一次标定结果表征合格时结束流程。
156.其中，机械臂的参数指的是描述机械臂关节连杆之间位置角度关系的参数，包括连杆长度、连杆偏移、连杆扭转以及关节转角。标定结果包括标定合格和标定不合格。标定不合格表示实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差过大。
157.在标定结果表征不合格的情况下，需要调整机械臂的参数，采用调整参数后的机械臂重新进行运动。即基于调整参数后的机械臂返回根据理论穿刺路径控制机械臂运动的步骤继续执行。从而，终端将控制机械臂中的控制系统根据理论穿刺路径控制调整参数后的机械臂继续运动。直到任一次标定结果表征合格时结束流程。
158.本实施例中，在标定结果表征不合格，即偏差过大的情况下，可以通过调整机械臂的参数，重新运动到理论穿刺路径指示的位置，直到任一次标定结果表征合格时结束流程，能够保证调整后的机械臂的参数满足标定结果合格的要求，有利于提高标定结果的准确度以及标定的精度。
159.在一个实施例中，标定方法还包括：机械臂末端上部署有至少三个靶标球，底板治具上部署有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同。
160.其中，机械臂末端上部署有至少三个靶标球。至少三个靶标球可以用来构建工具坐标系。任意两个靶标球之间的直线可以用来模拟机械臂进行穿刺时的真实路径。底板治具上部署有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球和入针点靶标球之间的直线可以用来模拟机械臂进行穿刺时需要运动到的目标路径。靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同，能够用来在目标图像以及实际空间中区分这两类靶标球。
161.本实施例中，机械臂末端上部署有至少三个靶标球，底板治具上部署有两类靶标球，基于机械臂末端上以及底板治具上的靶标球可以模拟机械臂穿刺时的真实路径以及目标路径，采用靶标球模拟的方法能够提高的标定精度。底板治具上的两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同，基于两类靶标球的不同高度，能够在目标图像以及实际空间中区分这两类靶标球，有利于提高机械臂的标定精度。
162.在一个实施例中，标定方法包括：对调整参数后的机械臂进行dh标定，包括：对调
整参数后的机械臂进行单轴重复性测试，在单轴重复性测试通过后进行单轴绝对定位精度测试；在单轴绝对定位精度测试通过后，进行参数辨识、零位标定和手眼标定，并根据参数辨识、零位标定和手眼标定的结果确定是否满足预设精度要求；在满足预设精度要求的情况下，确定dh标定通过。
163.具体地，单轴重复性测试是通过重复性验证机械臂到达某一个位置的准确性，从而验证机械臂的结构的稳定可靠性。单轴绝对定位精度测试是通过测试机械臂到达某一位置与理论位置之间的偏差来验证机械臂的绝对精度的测试。终端对调整参数后的机械臂进行单轴重复性测试，在单轴重复性测试通过后进行单轴绝对定位精度测试。
164.参数辨识是基于运动学模型和误差模型通过合理的数值算法辨识机械臂的参数的过程。零位标定是验证机械臂到达零位的准确性的测试方法。手眼标定是获取机械臂与实际位置测量装置之间的坐标转换关系的测试方法。终端确定参数辨识、零位标定和手眼标定的结果是否满足预设精度要求。
165.在参数辨识、零位标定和手眼标定的结果中的任一结果满足预设精度要求，则终端确定dh标定通过。
166.本实施例中，通过对调整参数后的机械臂进行单轴重复性测试、单轴绝对定位精度测试、参数辨识、零位标定和手眼标定，从而在任一结果满足预设精度要求的情况下，确定dh标定通过。这种方法根据多组测试的测试结果来判断dh标定是否通过，有利于提高dh标定结果的准确性，基于dh标定通过的机械臂参数进行标定，有利于提高的标定精度。
167.在一个实施例中，如图5所示，机械臂的末端装配有移动靶标治具，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球，获取理论穿刺路径包括：
168.s502，获取随机信息，并根据随机信息控制机械臂随机运动，随机运动结束后采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息。
169.其中，随机信息指的是随机生成的机械臂的关节角度。终端将随机信息发送至机械臂的控制系统，控制系统按照随机信息控制机械臂运动。在终端根据随机信息控制机械臂随机运动结束后，即机械臂运动到随机信息指示的关节角度，并停止运动后，终端采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息。在一些实施例中，移动靶标治具上的至少三个靶标球为反光球，终端获取光学跟踪仪跟踪移动靶标治具上的至少三个靶标球，得到移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息。
170.s504，根据随机运动结束后采集的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点。
171.其中，由于移动靶标治具上的至少三个靶标球可以构建工具坐标系，构建的工具坐标系如图6所示。移动靶标治具上的至少三个靶标球所在的平面上的两个轴分别作为x轴和z轴，其中，z轴为至少三个靶标球中的两个靶标球的直线所在的坐标轴，x轴为穿过工具坐标系的原点，且垂直于z轴的坐标轴。将穿过工具坐标系的坐标原点的平面法线作为y轴。
172.终端在随机运动结束后，采集的至少三个靶标球的位置信息，在基于至少三个靶标球的位置信息构建的工具坐标系的x轴上，选取两个不同的位置点分别作为给定穿刺起点和给定穿刺终点。因此，给定穿刺起点和给定穿刺终点是基于随机运动结束后采集的至少三个靶标球的位置信息，在空间中虚拟出的。基于构建的工具坐标系，终端可以获得工具坐标系下给定穿刺起点的坐标，以及工具坐标系下给定穿刺终点的坐标。又由于，移动靶标
治具上的至少三个靶标球的位置信息是由光学跟踪仪跟踪移动靶标治具上的至少三个靶标球得到，至少三个靶标球在工具坐标系上，终端可以获得工具坐标系与光学跟踪仪坐标之间的转换关系，进而得到光学跟踪仪坐标下的给定穿刺起点的坐标，以及光学跟踪仪坐标下的给定穿刺终点的坐标。光学跟踪仪坐标下的给定穿刺起点的坐标即为实际空间中给定穿刺起点的位置，光学跟踪仪坐标下的给定穿刺终点的坐标即为实际空间中给定穿刺终点的位置。
173.s506，根据虚拟出的给定穿刺起点和给定穿刺终点用于确定理论穿刺路径。
174.其中，终端将穿过虚拟出的给定穿刺起点与给定穿刺终点的直线确定为理论穿刺路径。理论穿刺路径是实际空间中的虚拟位置。
175.本实施例中，通过随机信息控制机械臂随机运动，在随机运动结束后，根据采集的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点，进而确定理论穿刺路径。由于理论穿刺路径是基于随机信息控制机械臂得到，理论穿刺路径的获取方法简单高效，有利于提高机械臂的标定效率。
176.在一个实施例中，根据理论穿刺路径控制机械臂运动，包括：根据给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，得到机械臂关节角度；通过机械臂关节角度控制机械臂运动。
177.其中，运动学逆解是根据已给定的满足工作要求的机械臂的位置信息，求解机械臂的各关节的运动参数的过程。终端根据给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，得到机械臂关节角度。具体地，终端获取经过dh(由denavit和hartenberg提出的机器人运动建模的方法)标定得到的机械臂参数，结合给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，计算得到机械臂关节角度。给定穿刺起点和给定穿刺终点是光学跟踪仪采集的实际空间中的位置点。
178.由于，终端进行运动学逆解需要采用机械臂坐标系下的位置点，因此，终端需要获取光学跟踪仪坐标系到机械臂坐标系的转换关系。在一些实施例中，光学跟踪仪坐标系到机械臂坐标系的转换关系可以通过机械臂的手眼标定获得。将给定穿刺起点乘以光学跟踪仪坐标系到机械臂坐标系的转换关系，得到机械臂坐标系下给定穿刺起点的坐标。将给定穿刺终点乘以光学跟踪坐标系到机械臂坐标系的转换关系，得到机械臂坐标系下给定穿刺终点。终端根据机械臂参数，结合机械臂坐标系下给定穿刺起点的坐标以及机械臂坐标系下给定穿刺终点，计算得到机械臂关节角度。
179.终端将机械臂关节角度发送至机械臂的控制系统，通过控制系统控制机械臂按照机械臂关节角度运动。若dh标定出的机械臂参数是准确的，则通过运动学逆解处理得到的机械臂关节角度应该与随机信息中的关节角度相同。而实际中，dh标定出的机械臂参数往往存在一定的误差，基于dh标定出的机械臂参数，通过运动学逆解处理得到的机械臂关节角度，与随机信息中的关节角度不同。基于运动学逆解处理得到的机械臂关节角度控制机械臂运动到的位置，将与给定穿刺起点和给定穿刺终点确定的理论穿刺路径存在偏差。
180.本实施例中，根据给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，得到机械臂关节角度，进而控制机械臂运动。由于，机械臂关节角度是由给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理得到，机械臂关节角度的获取方法简单。同时，基于机械臂关节角度控制机械臂运动有利于提高机械臂的标定效率。
181.在一个实施例中，如图7所示，在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径，包括：
182.s702，在机械臂运动结束后，根据移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点。
183.其中，机械臂运动结束指的是终端根据运动学逆解处理得到的机械臂关节角度控制机械臂运动结束的时刻。终端在机械臂运动结束后，根据移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点。具体地，终端在机械臂运动结束后，终端采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息。在一些实施例中，移动靶标治具上的至少三个靶标球为反光球，终端获取光学跟踪仪跟踪移动靶标治具上的至少三个靶标球，得到移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息。
184.终端基于移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息建立新的工具坐标系，在新的工具坐标系的x轴上选取两个虚拟点分别作为实际穿刺起点和实际穿刺终点。实际穿刺起点和实际穿刺终点分别为实际空间中的两个虚拟位置点。
185.s704，根据虚拟出的实际穿刺起点和实际穿刺终点，确定实际穿刺路径。
186.其中，终端将通过虚拟出的实际穿刺起点和实际穿刺终点的直线确定为实际穿刺路径。实际穿刺路径为实际空间中的位置。
187.本实施例中，通过在机械臂运动结束后，根据移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点，进而确定实际穿刺路径。实际穿刺路径是直接通过移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息虚拟出的，实际穿刺路径的获取方法简单高效，有利于提高机械臂的标定效率。
188.在一个实施例中，机械臂的末端装配有移动靶标治具，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球。
189.其中，机械臂的末端装配有移动靶标治具，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球，机械臂运动时能够带动移动靶标治具上的至少三个靶标球。基于移动靶标治具上的至少三个靶标球可以虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点，并确定理论穿刺路径，还可以虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点，并确定实际穿刺路径。
190.本实施例中，理论穿刺路径和实际穿刺路径都是基于机械臂的末端装配的移动靶标治具上的至少三个靶标球虚拟得到，机械臂的标定方法简单，高效，能够提高机械臂的标定效率。
191.为详细说明本方案中标定方法及效果，下面以一个最详细实施例进行说明：
192.针对机械臂的标定方法，终端获取理论穿刺路径。理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像。终端根据理论穿刺路径控制机械臂运动，在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径。根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。
193.理论穿刺路径是实际空间中机械臂理论上能够运动到的位置，终端获取理论穿刺路径的方法包括至少一种。
194.在一些实施例中，理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至
实际空间得到，其中，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像。如图8所示为一个实施例中标定系统的组成结构示意图。机械臂102末端上安装有至少三个靶标球103，机械臂与底板治具106固定连接，底板治具106上安装有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同。
195.如图9所示为机械臂102与底板治具106的结构示意图，其中，机械臂102末端上的靶标球103有三个，底板治具106上的靶标球包括五个入针点靶标球107和两个靶点靶标球108。入针点靶标球107在底板治具106上的高度高于靶点靶标球108在底板治具106上的高度。终端101将通过入针点靶标球107和靶点靶标球108之间的直线确定为理论穿刺路径。如图10所示为机械臂末端的结构示意图。
196.在另一些实施例中，理论穿刺路径是基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。与机械臂相关的靶标球为机械臂末端上的安装的至少三个靶标球。终端将机械臂末端上的至少三个靶标球中的其中一个作为目标靶标球。确定机械臂末端的穿刺中心，将目标靶标球与穿刺中心的连线上获取一个虚拟点作为穿刺起点。采集底板治具上的靶点靶标球的靶点位置作为穿刺终点；虚拟点模拟的穿刺起点、以及由底板治具上的靶点靶标球的靶点位置所作为的穿刺终点，用于构建理论穿刺路径。
197.在又一些实施例中，理论穿刺路径是基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到。如图11所示为另一个实施例中标定系统的组成结构示意图。标定系统包括终端101、机械臂102、光学跟踪仪104、移动靶标治具109、固定靶标治具110以及机械臂基座111组成。如图12所示为另一个实施例中机械臂以及靶标治具的结构示意图。机械臂102的末端装配有移动靶标治具109和固定靶标治具110，移动靶标治具109上安装有至少三个靶标球。固定靶标治具110固定在地面上，用于检测光学跟踪仪意外移动。可以理解的是，移动靶标治具109安装至机械臂102的末端上，和机械臂102一并发生移动，其中，移动靶标治具109和机械臂102之间具有已知的固定位置关系。如图13所示为移动靶标治具的结构示意图。移动靶标治具109可拆卸的安装于机械臂的末端，优选的，移动靶标治具109上靠近穿刺中心的两个目标靶标球之间的连线的中心和穿刺中心重合。
198.如图14所示为固定靶标治具的结构示意图。结合图14和图11可知，光学跟踪仪104在检测到固定靶标治具110的位置发生变化时，表明光学跟踪仪104的相对位置发生了移动。光学跟踪仪104还用于检测与机械臂相关的移动靶标治具109上的目标靶标球在实际空间中的位置。具体地，终端101获取随机信息，并根据随机信息控制机械臂随机运动。其中随机信息是随机生成的机械臂的关节角度。随机运动结束后采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息。根据随机运动结束后采集的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点。根据虚拟出的给定穿刺起点和给定穿刺终点确定理论穿刺路径。
199.接下来，终端根据理论穿刺路径控制机械臂运动。由于理论路径的获取方法不同，终端根据理论穿刺路径控制机械臂运动的方法包括至少一种。如图15所示为机械臂的结构示意图，采用标准dh方法构建机械臂运动学模型，可以包括16个机械臂参数。如图16所示为机械臂的四个关节运动的示意图，其中，关节1以xy轴移动，关节2以x轴前后伸缩，关节3以yz轴旋转，关节4以z轴上下摆动。
200.在一些实施例中，终端获得对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的目标图像。
如图17所示为对机械臂以及底板治具进行扫描的示意图。采用ct设备112对机械臂102以及底板治具106进行扫描，得到目标图像。
201.根据目标图像中机械臂末端的靶标球的位置，工具坐标系中机械臂末端的靶标球的位置，构建图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵。根据第一转换矩阵，将目标图像中底板治具上的入针点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺起点，将目标图像中底板治具上的靶点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺终点。根据工具坐标系下的穿刺起点和穿刺终点构建规划穿刺路径，根据规划穿刺路径控制机械臂运动。
202.如图18所示，底板治具106上的机械臂定位结构113和机械臂固定抱箍114用来将机械臂固定在的固定位置。如图17和图18所示，底板治具106和机械臂102共同于ct设备112中进行成像，因此，底板治具106靠近ct设备112的前端优选采用非金属材料。其中，底板治具106的前端是指设置靶点靶标球108和入针点靶标球107的部分。
203.如图19所示为机械臂末端的结构示意图，其中，图中四个圆形位置是放置靶标球的位置，圆形位置中的圆弧形凹槽115后置吸附磁铁，用于快速定位靶标球，磁铁提供固定吸力，方便定位安装，定位插销116用于快速与末端定位，方便治具安装。在一些实施例中，四个圆形位置中位于上方的圆形位置放置一个靶标球，位于下方的三个圆形位置中的任意位置放置一个靶标球。在一些实施例中，根据规划穿刺路径控制机械臂运动是控制机械臂运动到底板治具的靶标球上方的规划穿刺路径上。
204.如图20所示，图a为系统控制机械臂运动到底板治具的靶标球上方的正视方向的示意图，图b为系统控制机械臂运动到底板治具的靶标球上方的俯视方向的示意图。终端根据规划穿刺路径向系统发送控制指令，以指示系统根据规划穿刺路径控制机械臂运动，以使得机械臂末端上安装的靶标球落在底板治具的靶标球上方。
205.如图21所示为理论穿刺路径的示意图，其中a1、a2、a3、a4以及a5表示入针点靶标球，b1-b5表示靶点靶标球，a1-a5分别与b1-b5之间的连线即为理论穿刺路径。在机械臂运动结束后，获取实际空间中由穿刺起点和穿刺终点构成的理论穿刺路径。具体地，采用激光跟踪仪扫描底板治具上的靶点靶标球，获得穿刺终点在实际空间中的位置，获取穿刺起点在实际空间中的位置，将从穿刺起点在实际空间中的位置，到穿刺终点在实际空间中的位置构成的直线作为理论穿刺路径。同时，采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的至少三个靶标球，获得实际空间中第一靶标球的实际位置和实际空间中第二靶标球的实际位置，将从实际空间中第一靶标球的实际位置，到实际空间中第二靶标球的实际位置间的直线，作为实际穿刺路径。在测量理论穿刺路径和实际穿刺路径的过程中，还可以重复测试各个靶标球的实际位置，将多次重复测试的各个靶标球的实际位置求平均，得到理论穿刺路径和实际穿刺路径具有更高的准确性，有利于提高标定的精度。
206.在另一些实施例中，终端根据给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，得到机械臂关节角度，通过机械臂关节角度控制机械臂运动。机械臂可以通过机械臂上的至少一个关节实现旋转、移动、伸缩、或者上下摆动。如图22所示为机械臂标定方法的总体流程示意图。在控制机械臂运动之前通过机械臂的手眼标定获取到机械臂参数。如图23所示为手眼标定的组成结构示意图。机械臂手眼标定的目的是建立光学跟踪仪坐标系与机械臂坐标系之间的转换关系，进行手眼标定需要移动靶标治具109、光学跟踪仪104以及机
械臂102。如图24所示为手眼标定以及机械臂标定的总体流程示意图。流程图主要包括两个部分，左侧框图为机械臂参数标定流程，右侧框图为采用标定后的机械臂参数进行机械臂标定的流程。机械臂标定方法主要是通过机械臂随机运动，将随机运动到的给定位置来作为运动学逆解的输入，再根据运动学逆解的结果，运动到新位置，比较给定位置与新位置的误差来得到机械臂标定结果。具体地，机械臂首先根据产生的随机信息，进行第一次运动，运动到位后，光学跟踪仪采集移动靶标治具上的三个反光球位置信息。根据三个反光球，虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点。基于给定穿刺起点和给定穿刺终点，以及机械臂标定得到的机械臂参数，通过运动学逆解，计算得到机械臂关节角度。机械臂根据计算出的关节角度再次运动，运动到位后，光学跟踪仪采集移动靶标治具上的三个反光球的位置信息，根据三个反光球，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点。循环上述过程，不断记录数据，直到数据量足够，再根据给定穿刺起点和给定穿刺终点确定理论穿刺路径，根据实际穿刺起点和实际穿刺终点确定实际穿刺路径，基于理论穿刺路径与实际穿刺路径的偏差得到机械臂的标定结果。如图25所示为机械臂运动到理论穿刺路径的示意图。
207.在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径。基于与机械臂相关的靶标球的不同情况，实际穿刺路径的获取方法包括至少一种。
208.在一些实施例中，在与机械臂相关的靶标球为机械臂末端上安装的至少三个靶标球时，终端采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的两个靶标球，获得实际空间中第一靶标球的实际位置和实际空间中第二靶标球的实际位置。将从实际空间中第一靶标球的实际位置，到实际空间中第二靶标球的实际位置间的直线，作为实际穿刺路径。
209.在另一些实施例中，在与机械臂相关的靶标球为机械臂的末端装配的移动靶标治具上的至少三个靶标球时，终端将在机械臂运动结束后，根据移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点，根据虚拟出的实际穿刺起点和实际穿刺终点，确定实际穿刺路径。
210.最后，终端根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。如图6所示为实际穿刺路径与理论穿刺路径的偏差的示意图。具体地，实际穿刺路径与理论穿刺路径的偏差，具体可以是实际穿刺路径所在直线与理论穿刺路径所在直线间的夹角。
211.在一些实施例中，终端可确定至少一条理论穿刺路径，对于每条理论穿刺路径，终端可根据该理论穿刺路径控制机械臂运动，在机械臂运动结束后，得到该条理论穿刺路径所对应的实际穿刺路径，从而根据理论穿刺路径与实际穿刺的偏差确定标定结果。
212.在一些实施例中，终端可比较每个偏差与偏差阈值的大小，进而基于偏差大于偏差阈值的数量，确定标定结果。比如，终端在检测到存在至少一条理论穿刺路径所对应的偏差大于偏差阈值时，就判断标定结果不合格；在检测到存在全部的理论穿刺路径所对应的偏差均小于等于偏差阈值时判断标定结果合格。在其他的实施例中，终端还可在检测到超过半数的理论穿刺路径所对应的偏差大于偏差阈值时，判断标定结果不合格；在检测到超过小于半数的规划穿刺路径所对应的偏差小于等于偏差阈值时，判断标定结果合格。
213.在一些实施例中，针对每条理论穿刺路径，终端均可多次执行得到多个偏差测试结果。进而基于至少一条理论穿刺路径的中每条理论穿刺路径所对应的多次偏差测试结果，确定标定结果。示例性地，可取多次偏差测试结果中的平均值或中位数或众数，作为与该理论穿刺路径对应的偏差，本技术实施例对此不作限定。
214.如图27所示为对激光跟踪仪进行校准的示意图，激光跟踪仪的校准方法包括获取示教器117上的位置点的第一坐标、以及位置点在激光跟踪仪105下的第二坐标；确定第一坐标和第二坐标的差值；若差值处于预设差值范围内，则激光跟踪仪105完成校准。如图28所示为对激光跟踪仪进行校准的流程示意图。
215.标定方法还包括：在标定结果表征不合格的情况下，调整机械臂的参数，基于调整参数后的机械臂返回根据规划穿刺路径向系统发送控制指令，以指示系统根据规划穿刺路径控制机械臂运动的步骤继续执行，直至任一次标定结果表征合格时结束流程。
216.如图29所示为dh标定方法的流程示意图。对调整参数后的机械臂进行dh标定包括：对调整参数后的机械臂进行单轴重复性测试，在单轴重复性测试通过后进行单轴绝对定位精度测试；在单轴绝对定位精度测试通过后，进行参数辨识、零位标定和手眼标定，并根据参数辨识、零位标定和手眼标定的结果确定是否满足预设精度要求；在满足预设精度要求的情况下，确定dh标定通过。如图30所示为的零位示意图，零位为机械臂位于底板治具的正上方的位置。如图31所示为对进行手眼标定的方法示意图，其中，手眼标定包括四个坐标系：base坐标系(机械臂坐标系)、end坐标系(末端坐标系)、tool坐标系(工具坐标系)以及nav坐标系(跟踪仪坐标系)，其中，nav坐标系转换到base坐标系的变换关系如下：
[0217][0218]
式中，为end坐标系到base坐标系的转换关系，该变换关系可以通过正运动学获得，前置条件为已完成参数辨识，为tool坐标系到end坐标系的转换关系，该变换关系未知，为tool坐标系转换到nav坐标系，该变换关系是已知的，可以通过激光跟踪仪读数获得。其中nav坐标系指的是激光跟踪仪坐标系，激光跟踪仪采集各个靶标球的在实际空间中的位置，将各个靶标球的在实际空间中的位置，分别与tool坐标系转换到nav坐标系相乘，得到各个靶标球的在工具坐标系中的位置。
[0219]
如图32所示为一个实施例中机械臂和底板治具结构的俯视示意图。其中，底板治具的固定机械臂的一端采用碳钢材质，具体地，可以为q235型号的碳钢，底板治具的固定靶标球的一端采用高分子材质，具体地，可以为pom(polyoxymethylene，聚甲醛树脂)，靶标球采用金属钛材质。对进行扫描采用ct设备。考虑到ct扫描金属会出现伪影，同时，又要保证对机械臂有足够强度的支撑，底板治具采用拼接结构。碳钢是具有高强度的金属，用于支撑机械臂。pom高分子材质具有良好的耐疲劳性和抗冲击性，可以确保固定在底板治具上的靶标球的位置精度。金属钛是高密度的金属材质，方便ct设备扫描出伪影，同时高分子材质在ct设备扫描下不会出现伪影，有利于ct图像中获取清晰准确的靶标球的位置。
[0220]
上述标定方法，通过获取理论穿刺路径；理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；根据理论穿刺路径控制机械臂运动；在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。由于机械臂运动的过程，机械臂理论上能够达到的位置与实际上到达的位置可能存在一定的偏差，基于理论穿刺路径和实际穿刺路径的偏差，能够获得准确的机械臂标定结果，有利于提高机械臂的标定精度。
[0221]
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0222]
基于同样的发明构思，本技术实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的标定方法的标定装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个标定装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于标定方法的限定，在此不再赘述。
[0223]
在一个实施例中，提供了一种标定系统，包括：机械臂，与底板治具固定连接，或者，机械臂末端装配有移动靶标治具；其中，底板治具上安装有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球；在机械臂与底板治具固定连接时，机械臂末端上安装有至少三个靶标球；跟踪仪，用于扫描机械臂末端上的两个靶标球，并将两个靶标球在实际空间中的实际位置传输至上位机，其中，两个靶标球在实际空间中的实际位置用于确定实际穿刺路径；或者，跟踪仪，用于采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，并传输至上位机，移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息用于确定实际穿刺路径；上位机，用于根据接收的位置信息，执行上述标定方法，以得到机械臂标定结果。
[0224]
其中，在一些实施例中，标定系统包括：机械臂，与底板治具固定连接，其中，底板治具上安装有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同，机械臂末端上安装有至少三个靶标球。跟踪仪，跟踪仪为激光跟踪仪，激光跟踪仪用于扫描机械臂末端上的两个靶标球，并将两个靶标球在实际空间中的实际位置传输至上位机，其中，两个靶标球在实际空间中的实际位置用于确定实际穿刺路径。上位机，用于根据接收的位置信息，执行上述标定方法，以得到机械臂标定结果。
[0225]
在一些实施例中，标定系统还包括：图像扫描设备，用于对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的目标图像。
[0226]
在另一些实施例中，标定系统包括：机械臂，机械臂末端装配有移动靶标治具；其中，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球。跟踪仪，跟踪仪为光学跟踪仪，光学跟踪仪用于采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，并传输至上位机，移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息用于确定实际穿刺路径。上位机，用于根据接收的位置信息，执行上述标定方法，以得到机械臂标定结果。在一个实施例中，如图33所示，提供了一种标定装置100，包括：理论穿刺路径获取模块120、控制模块140、实际穿刺路径获取模块160和结果获取模块180，其中：
[0227]
理论穿刺路径获取模块120，用于获取理论穿刺路径；所述理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，所述目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；
[0228]
控制模块140，用于根据理论穿刺路径控制机械臂运动；
[0229]
实际穿刺路径获取模块160，用于在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；
[0230]
结果获取模块180，用于根据所述实际穿刺路径和所述理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。
[0231]
上述标定装置，通过获取理论穿刺路径；理论穿刺路径通过在目标图像中规划得到穿刺路径后，映射至实际空间得到，或者，基于与机械臂相关的靶标球在实际空间中的位置进行虚拟构建得到；其中，目标图像为对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的图像；根据理论穿刺路径控制机械臂运动；在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径；根据实际穿刺路径和理论穿刺路径的偏差，确定机械臂标定结果。由于机械臂运动的过程，机械臂理论上能够达到的位置与实际上到达的位置可能存在一定的偏差，基于理论穿刺路径和实际穿刺路径的偏差，能够获得准确的机械臂标定结果，有利于提高机械臂的标定精度。
[0232]
在一个实施例中，在与机械臂固定连接的底板治具上安装有靶点靶标球，获取理论穿刺路径方面，理论穿刺路径获取模块120还用于：将机械臂末端上的至少三个靶标球中的其中一个作为目标靶标球；确定机械臂末端的穿刺中心，将目标靶标球与穿刺中心的连线上获取一个虚拟点作为穿刺起点；采集底板治具上的靶点靶标球的靶点位置作为穿刺终点；虚拟点模拟的穿刺起点、以及由底板治具上的靶点靶标球的靶点位置所作为的穿刺终点，用于构建理论穿刺路径。
[0233]
在一个实施例中，在与机械臂固定连接的底板治具上安装有入针点靶标球和靶点靶标球，理论穿刺路径由入针点靶标球和靶点靶标球确定；根据理论穿刺路径控制机械臂运动方面，控制模块140还用于：获得对机械臂和底板治具一起进行扫描得到的目标图像；根据目标图像中机械臂末端的靶标球的位置，工具坐标系中机械臂末端的靶标球的位置，构建图像坐标系与工具坐标系间的第一转换矩阵；根据第一转换矩阵，将目标图像中底板治具上的入针点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺起点，将目标图像中底板治具上的靶点靶标球的位置转换成工具坐标系下的位置以作为穿刺终点；根据工具坐标系下的穿刺起点和穿刺终点构建规划穿刺路径；根据规划穿刺路径控制机械臂运动。
[0234]
在一个实施例中，在机械臂末端上的靶标球包括第一靶标球和第二靶标球；获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径方面，实际穿刺路径获取模块160还用于：采用激光跟踪仪扫描机械臂末端上的两个靶标球，获得实际空间中第一靶标球的实际位置和实际空间中第二靶标球的实际位置；将从实际空间中第一靶标球的实际位置，到实际空间中第二靶标球的实际位置间的直线，作为实际穿刺路径。
[0235]
在一个实施例中，标定装置100还用于：在标定结果表征不合格的情况下，调整机械臂的参数，基于调整参数后的机械臂返回根据理论穿刺路径控制机械臂运动的步骤继续执行，直至任一次标定结果表征合格时结束流程。
[0236]
在一个实施例中，标定装置100还用于：机械臂末端上安装有至少三个靶标球，机械臂与底板治具固定连接，底板治具上安装有两类靶标球，两类靶标球包括靶点靶标球和入针点靶标球，靶点靶标球的高度与入针点靶标球的高度不同。
[0237]
在一个实施例中，在机械臂的末端装配有移动靶标治具，移动靶标治具上安装有
至少三个靶标球，获取理论穿刺路径方面，理论穿刺路径获取模块120还用于：获取随机信息，并根据随机信息控制机械臂随机运动，随机运动结束后采集移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息；根据随机运动结束后采集的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出给定穿刺起点和给定穿刺终点；根据虚拟出的给定穿刺起点和给定穿刺终点确定理论穿刺路径。
[0238]
在一个实施例中，在根据理论穿刺路径控制机械臂运动方面，控制模块140还用于：根据给定穿刺起点和给定穿刺终点进行运动学逆解处理，得到机械臂关节角度；通过机械臂关节角度控制机械臂运动。
[0239]
在一个实施例中，在机械臂运动结束后，获取由与机械臂相关的靶标球确定的实际穿刺路径方面，实际穿刺路径获取模块160还用于：在机械臂运动结束后，根据移动靶标治具上的至少三个靶标球的位置信息，虚拟出实际穿刺起点和实际穿刺终点；根据虚拟出的实际穿刺起点和实际穿刺终点，确定实际穿刺路径。
[0240]
在一个实施例中，标定装置100还用于机械臂的末端装配有移动靶标治具，移动靶标治具上安装有至少三个靶标球。
[0241]
上述标定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0242]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图34所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口、显示单元和输入装置。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口、显示单元和输入装置通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、移动蜂窝网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种标定方法。
[0243]
本领域技术人员可以理解，图34中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0244]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
[0245]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
[0246]
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
[0247]
需要说明的是，本技术所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关
国家和地区的相关法律法规和标准。
[0248]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read-only memory，rom)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(reram)、磁变存储器(magnetoresistive random access memory，mram)、铁电存储器(ferroelectric random access memory，fram)、相变存储器(phase change memory，pcm)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(random access memory，ram)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(static random access memory，sram)或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，dram)等。本技术所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本技术所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
[0249]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0250]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。