CN107209003B - 用于机器人校准和监测的激光测量仪 - Google Patents

Abstract

提供一种非接触式和准确的装置及其使用方法以校准和验证机器人手臂和相关附件的校准。该装置使用激光测量仪来校准并随后验证机器人手臂、数字化仪、或机器人工具的校准。与光接收器通信的光发射器近于垂直固定于与第二光接收器通信的第二光发射器，形成偏移小距离的两个光学测微计，形成小的间隙d以产生具有两个截然不相交的测量平面的测量空隙。一个测量平面测量目标物在第一轴线方向上的位置和尺寸，另一个测量平面测量目标物在第二轴线方向上的位置和尺寸。目标物的位置和尺寸在两个轴线方向的测量空隙内测量。

Description

用于机器人校准和监测的激光测量仪

相关申请的交叉引用

本申请主张于2015年5月14日提交的序列号为62/161,708的美国临时申请以及2015年2月13日提交的序列号为62/116,191的美国临时申请的优先权；其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明通常涉及计算机辅助外科系统的领域，更具体地涉及一种新的有用的装置和方法，用于验证机器人手臂和机器人工具的校准以进行全关节置换术。

背景技术

自主计算机辅助手术系统通常由附接到基座的机器人手臂组成。机器人手臂执行在手术前或手术中产生的一组指令，以帮助使用者执行特定的医疗程序。其中一个这样的系统是ROBODOC^TM手术系统(THINK Surgical，Fremont，CA)，其帮助使用者精确地研磨股骨腔以在全髋关节置换术(THA)中容纳植入物。如图1A和图1B所示，ROBODOC^TM手术系统101通常由机器人基座103、由各种连接和关节105组成的机器人手臂、具有工具末端108的工具107和数字化仪109组成。数字化仪109为一个被动机械臂，其具有探针末端110的数字化仪探针。数字化仪109用于收集骨头上的一组点以使用机器人坐标系来配准骨骼坐标系。

为了确保以亚毫米精确度创建骨腔，机器人手臂、数字化仪109以及工具都需要在紧密的操作参数内。通常，机器人手臂和数字化仪109首次安装在客户的现场时由制造商进行校准。运动参数(kinematic parameters)被更新以考虑包括联合级错误(joint-levelerrors)、运动学建模误差以及非几何误差的任何错误。随后，在每个医疗程序之前，验证该校准以确保系统的精确度。

使用许多不同的外部测量装置和方法来校准或验证机器人手臂的校准，包括将工具末端(tool tip)接触参考部件、激光三角测量以及卡尺。由于许多这些技术已经被用于工业机器人，因为手术设置和严格的监管要求，所以它们在计算机辅助手术系统中的使用受到限制。例如，ROBODOC^TM手术系统使用参考板。参考板具有多个参考点，该参考点在非常紧密的公差内间隔已知的距离。工具末端108和数字化仪末端110被引导到每个参考点的中心。使用数字化仪109或机器人101的运动学(例如，Denavit-Hartenberg(DH)参数，编码器值))在每个参考点处记录数字化仪末端110和工具末端108的位置。如果参考点的已知位置之间的差异在由运动学测量的指定公差内，则验证机器人和数字化仪的校准。程序化步骤通常是耗时的，并且需要可以进一步增加成本的附加硬件(即，参考部件、校准探针、光学跟踪系统)。另外，在手术前验证校准时，外部测量工具必须是无菌的；这导致增加一次性用品和/或灭菌考虑。

另外，手术系统通常需要维护和调整以确保操作参数正常工作。但是，维护通常仅在指定的时间间隔或出现明显的错误或系统故障时执行。

因此，在计算机辅助外科系统中存在一种用于校准和验证机器人和机器人工具的快速方法的需要。还存在一种在校准验证期间保持无菌环境的需要。甚至还需要向使用者提供在故障之前调整或提供对外科系统的维护的反馈。

发明内容

用于机器人手臂和相关附件校准的激光测量仪，包括与第一接收器相通信的第一测微计、和与第二接收器相通信的第二测微计，其中第一测微计与第二测微计相偏移以在第一测微计和第一接收器之间以及在第二测微计与第二接收器之间的空间中产生具有两个不相交的测量平面的测量空隙。两个不相交的测量平面形成测量目标物在“y”轴方向上的第一位置和尺寸的第一平面和测量目标物在“x”轴方向上的第二位置和尺寸的第二平面，其中目标物的位置和尺寸在“x”轴方向和“y”轴方向的测量空隙内被测量。

使用本文教导的激光测量仪验证机器人手臂的校准的方法包括通过使机器人手臂的端部执行器(end effector)通过形成在第一测微计和第二测微计之间的测量空隙至少一次来执行机器人手臂的初始校准，并且从第一测微计和第二测微计记录和存储端部执行器在测量空隙内的位置。来自初始校准程序的端部执行器的记录位置用作比较工具，以在随后的校准程序中验证机器人手臂校准。

附图说明

结合以下附图进一步描述本发明，其旨在显示本发明的某些方面，但不应被解释为对本发明的实践的限制。

图1A和1B为ROBODOC^TM手术系统的主要部件的侧视图和正视图；

图2A和2B为根据本发明的实施例的激光测量仪的正视图和侧视图；

图3为根据本发明的实施例的光学测微计与机器人计算机的连接的示意性框图；

图4为根据本发明的实施例的验证机器人手臂的校准的方法的流程图；

图5为根据本发明的实施例的由测量空隙收集的工具末端位置的x-y曲线；

图6A和6B示出了根据本发明的实施例的透视图中的深度测量仪的两种配置；

图7为根据本发明的实施例的测量球形末端直径作为时间的函数的曲线图；

图8A为在切割器和套筒之间具有间隙的骨切割工具的侧视图；

图8B为根据本发明的实施例的图8A的工具轮廓随时间推移的曲线图；

图9为根据本发明的实施例执行机器人校准验证的说明性流程图；以及

图10为根据本发明的实施例执行具有偏斜的工具方向的机器人校准验证的说明性流程图。

具体实施方式

本发明具有实用性，作为一种用户友好的、快速的、非接触的以及准确的装置和方法可用于校准和验证在医疗程序中使用的机器人手臂的校准。本发明的各种实施例的以下描述并不旨在限制本发明于这些具体实施例，而是使得本领域技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本发明。

但是应该理解的是，在实施例中设置了值的范围，该范围旨在不仅仅包括该范围的端点值，还包含该范围的中间值，是明确包含在该范围中的，并且由该范围的最后有效数字改变。举例来说，从1到4的列举范围旨在包括1～2、1～3、2～4、3～4以及1～4。

如本文所使用的，术语“通信”用于指通过无线或电连接发送或接收数据或能量，除非另有说明。这种“通信”可以通过在本领域中众所周知的手段实现，例如以太网电缆、BUS电缆、Wi-Fi、WLAN、蓝牙等。“通信”也可以使用其全部内容通过引用并入本文的序列号为62/083,052和62/111,016的美国临时专利所述的可见光实现。

应当理解的是，对于ROBODOC^TM手术系统，用于医疗或工业应用的任何自主的、半自主的机器人系统都可以受益于本文公开的装置和方法。在本说明书的上下文中，如图1所例示的机器人系统具有基座103，其具有通过旋转和/或棱柱形接头105连接的各种连杆以操纵端部执行器或工具107，以执行某种功能。“工具”可以为任何主动地、半主动地、被动地、触觉地、和/或通过至少一个连杆和关节(即，机器人手臂、数字化仪)手动操纵的仪器。“工具”可以是，例如，探针、球磨机、平切机、钻头、锯、刀片或毛刺。工具107可以具有用于在工件上接触或进行工作的工具末端108。机器人系统101可以包括诸如监视器111的使用者界面，以显示使用者指令、操作参数、程序工作流程、机器人状态、函数错误、指导命令、以及显示工具107相对于工件的实时位置。使用者界面也可以是例如可以与机器人系统通信的抬头显示单元(HUD)、谷歌眼镜、智能电话、和/或智能手表。使用者可以通过使用示例性地包括操纵杆、移动电话、垂饰(pendant)、鼠标、键盘、脚踏板或通过触摸监视器111的输入机构与机器人系统进行交互或接口。这样的输入可以示例性地包括例如指导命令、选择在整个程序工作流程中给出的各种提示、选择某一医疗程序、指定其他外部组件/设备的位置、辅助解剖结构登记、配置光学跟踪系统、以及在医疗程序之前、期间、和/或之后需要的其他任何输入。

这样的机器人系统及其应用的更详细的描述可以在美国专利5,086,401、美国专利8,287,522、WO 19/97009929、美国专利5,408,409、以及美国专利8,469,947中找到。此类机器人系统的进一步描述也可以在文献中找到，其中包括：Beasley，R。“医疗机器人：当前系统与研究方向”，机器人学报，2012卷，2012年7月。

本文公开的装置和方法另外涉及光学测微计的使用。术语“光学测微计”是指与间隔开一距离的光学接收器相通信的光发射装置，以产生测量空隙(measuring void)。光学测微计能够测量测量空隙内目标物的尺寸和位置。光学测微计的非限制性说明性示例包括IG系列多用途CCD激光测微计和IB系列激光Thrubeam^TM传感器(Keyence，Itasca，IL)。光发射装置发射诸如紫外线、可见光、或红外能量的电磁辐射能，这里也称为光发射。然而，应当理解，可以发射和使用除了光能以外示例性地包括超声波或磁力在内的其它形式的能量来检测的目标物的位置和/或尺寸。接收器可以类似地是任何相应的检测装置，例如光电二极管、CCD照相机、CMOS照相机、磁场传感器、换能器等。

激光测量仪

现在参考附图，图2A和图2B是根据本发明的实施例的激光测量仪201的正视图和侧视图。激光测量仪201可用于提供用于校准和随后验证机器人手臂、数字化仪、或机器人工具的校准的各种方法。与光接收器205通信的光发射器203几乎垂直固定于与第二光接收器209相通信的第二光发射器207。两个光学测微计产生具有两个测量平面213和215的测量空隙211。一个测量平面213测量目标物在第一轴线方向(例如，“y”轴方向)上的位置和尺寸，另一测量平面215测量目标物在第二轴线方向(例如，“x”轴方向)上的位置和尺寸。因此，可以在“x”轴方向和“y”轴方向上的测量空隙211内测量目标物的位置和尺寸。如图2B所示，光学测微计偏移小的距离d，以在两个测量平面213和215之间产生小的间隙206。因此，激光测量仪具有两个截然不相交的测量平面。利用这种间隙，可以用机器人计算机编程各种方法和/或数学运算，以获得关于机器人手臂或机器人工具107的位置、尺寸和/或方向的附加信息。

在具体的发明实施例中，如图3所示，光学测微计301和303分别与放大器305和307相通信。放大器305和307连接到与机器人计算机311相通信的通信单元309。机器人计算机311可以是机器人控制计算机、实时监控计算机、处理器、控制器、和/或硬件、软件和/或固件的任何组合的任意一种。机器人系统101可以由单个机器人计算机组成或者具有彼此相通信的多个机器人计算机。光学测微计(301、303)、放大器(305、307)、以及通信单元309可以容纳在壳体(未示出)中并且附接到机器人基座103或与机器人基座103集成。机器人基座103可以具有用于激光测量仪201的各种附接点以适应不同的医疗过程或使得容易地进入测量空隙211。例如，ROBODOC^TM手术系统基于手术侧(例如，左股骨或右股骨)相对于患者定向。激光测量仪201可以在容易允许工具107通过测量空隙211的位置附接到基座103，而不会根据医疗程序干扰操作区域中的系统的其他部件或其他工具。机器人计算机进一步编程有在机器人基座103上的每个附接点处测量空隙211的总坐标(在几毫米内)。

激光测量仪201还可以结合或固定到机器人101。例如，激光测量仪201可以在机器人基座103内的限定位置处制造而成。机器人计算机311可以被编程为激光测量仪201的特定位置。激光测量仪201的位置也可以由使用者后制造手动地在机器人计算机311中更新或调整。

深度测量仪

为了确保光学测微计在穿过测量空隙211时精确地测量目标物的正确坐标和大小，可以执行激光测量仪校准程序。在医疗应用中使用的任何坐标测量机都需要校准标准。在激光测量仪201的制造期间，两个测量平面可能不会精确地彼此相互垂直固定，两个平面之间的距离d、间隙206也不会相同。因此，在使用之前需要确定测微计测量的精确度、以及平面之间的角度偏移和距离d。

在具体的发明实施例中，两个平面之间的距离可以使用图6A中示出的深度测量仪601测量。不同高度的销605配置在板603上，其中销高度和位置在严格的公差范围内制造。可以通过本领域已知的附加程序(例如，坐标测量机)来进一步验证和确认高度和销位置。板603的外部尺寸可以根据激光测量仪201的外部尺寸制造，以允许深度测量仪601容易地插入或附着到其上。为了测量平面之间的间隙206的距离d，将板603组装到测量空隙211。在两个测量平面中将测量一些销605。由于销位置和高度在板603上相对于彼此是已知的，所以穿过两个平面的最短高度的销(多个)表示间隙206的距离d。间隙的距离d可以在测量空隙211内变化，并且由于销605的已知配置和在测量空隙211中测量的对应坐标可以相应地确定。已知的间隙距离d可用于如下面所描述的进一步的校准和校准验证。

如图6B所示，深度测量仪607可以配置有锥体609和/或锥形结构。多个锥体609或锥形结构可以配置成对角地跨过板，使得一个椎体沿着光发射的线性路径不会阻挡或施加在第二椎体上加成阴影。椎体的宽度在椎体的任何给定高度处是已知的，这是基于制造公差和在深度测量仪607制造之后产生的任何附加验证程序(即，坐标测量机，卡尺)。当深度测量仪607固定到激光测量仪201上时，在“x”和“y”方向上测量椎体609或圆锥体的宽度。基于宽度测量值，可以确定两个测量平面之间的间隙。例如，一个椎体的“x”宽度测量值可以是5个单位，“y”宽度测量值可以是3个单位。根据椎体的已知斜率、椎体的侧角、或在深度测量仪验证程序中确定的任何其他几何信息(例如，使用坐标测量机或卡尺找到锥体的斜率)，可以计算测量平面之间的间隙206的距离d。应当理解的是，由于椎体609的宽度随椎体609高度的变化而变化，椎体609或具有较浅斜率的锥形结构可提供更好的分辨率。

为了确保或考虑到宽度测量值中的任何误差，已知的和验证的直径的圆柱体611可以与板603一起结合。在特定实施例中，可以使用具有不同直径的多个圆柱体。如果圆柱体(多个)的“x”和“y”宽度的测量值与验证的真实直径相匹配，则光学测微计是精确的。如果测量值超出圆柱体(多个)的真实值，则可以校准光学测微计以减少或消除差值。如果“x”宽度测量值和“y”宽度测量值是不同的，则两个测量平面可能有角度偏移并且不完全垂直，在这种情况下，一个或两个测微计可被校准。然后可以存储“x”宽度测量值和“y”宽度测量值之间的比率、转换或校正因子，以定义两个平面之间的角平面关系以备将来使用。

在两个测量平面可以成角度地偏移的情况下，两个测量平面之间的间隙206可以根据工具107或目标物通过测量空隙211的位置而变化。然而，在特定的发明实施例中，可以在间隙内创建参考平面以用于外科系统的校准和校准验证。因为深度测量仪601、以及607分别包含不同形状、物理坐标、以及高度的元素605、以及609、611，所有x、y和z坐标可以被考虑。使用三个x、y和z坐标，可以在三维空间中定义一个平面。例如，深度测量仪607示例性地包括对角地放置在板603上的三个椎体。当深度测量仪607固定到激光测量仪201上时，一个光学测微计测量三个“x”坐标，另一个光学测微计测量三个“y”坐标。从椎体609宽度测量值用于获得如前所述的间隙距离d、和/或每个销605的位置和高度，可定义三个“z”坐标。三个“z”坐标可以存储为测量的和/或确定的间隙大小d的一半，可以表示两个测量平面之间的中心。从三组坐标中可以在测量空隙211内定义一个平面。所定义的平面提供了相对于彼此关联两个固定测量平面的参考标准。一旦激光测量仪201被校准(即，宽度测量值是精确的，坐标测量值是准确的，平面相对于彼此的方向是已知的并且相关，两个测量平面之间的间隙是已知的)可以执行各种有益的过程。

使用激光测量仪坐标校准验证

在具体的发明实施例中，用于验证机器人手臂的校准的方法在图4中总体示出。可以使用本领域熟知的任何传统技术来初始地校准机器人手臂，说明性地包括先前描述的参考板校准(方框401)。初始校准完成后，工具107通过激光测量仪201(方框403)。在具体实施例中，工具107自动地通过激光测量仪201，而无需使用者辅助。通过输入机构的方式，使用者可以指定机器人计算机，其中激光测量仪201附接在机器人基座103上(例如，激光测量仪201位于机器人基座103的左侧或右侧)。在另一个具体实施例中，工具107可以由使用者手动地定位到激光测量仪201，使得当工具107处于测量空隙211的大致位置时，机器人约束工具107并主动控制自动地将工具107通过测量空隙211。机器人计算机可以用特定的关节角度、坐标、控制器速度、以及一个或多个工具尺寸进行预编程，以使工具107通过测量空隙211。

继续图4的方法，工具107通过测量空隙211至少三次以收集至少三个不同点。在具体的发明实施例中，工具末端108可以是包含球形中心形状的球形。可以对机器人进行编程，使工具107在间隔编程距离的三个不同点处通过测量空隙211。光学测微计可以测量“x”和“y”位置。例如，可以在图5中看到由测量空隙211收集的一个点。位置和几何形状由在“y”方向上不存在光发射的测微计确定为501，“x”方向为503。如图5所示的示例性实施例中，一个光学测微计将工具末端108在“y”方向上的位置测量为7.5，另一个光学测微计将工具末端108在“x”方向上的位置测量为12.5，对应于在激光测量仪坐标的一个工具末端中心点(12.5，7.5)。可以通过随后将工具107通过激光测量仪201至少总共三个点来收集两个和/或多个附加点。然后由机器人计算机计算三点之间的关系。例如，机器人计算机可以在点之间构建三角形，从而计算三角形的边长和角度。将点和所计算的关系记录并存储在机器人计算机中供以后使用(方框405)。

在第一次医疗程序完成之后(方框407)，通常在执行随后的程序之前机器人101需要重新校准或使用耗时且昂贵的技术(即，参考板上的参考点)重新验证校准(方框409)。然而，在本发明方法的实施例中，工具107可以通过激光测量仪201至少三次以收集至少三个点(方框411)。如在第一程序中，机器人计算机计算三个点之间的关系，例如三角形，以及相应的边长和角度。随后将机器人计算机将在第一程序中收集的点之间的关系与在第二过程中收集的点的关系进行比较(判定方框413)。如果点之间的关系在某个允许的阈值内匹配(判定方框413为是)，则机器人可以继续执行新的医疗程序(方框415)。如果该比较超出该阈值(判定方框413为否)，则需要如第一程序中使用的传统技术重新校准或校准重新校验机器人(方框401)。

将从第一程序收集的点的计算关系用作任何随后的程序的比较。激光测量仪201的优点在于，激光测量仪201可以重新定位在机器人系统上，并仍然通过校准验证(方框413)。由于光学测微计相对于彼此固定，所以激光测量仪坐标系保持不变。因此，只要在随后的程序中在测量空隙211内收集的点之间的关系与在第一程序中所计算的点的关系相匹配，则校准保持准确。例如，在第一程序中，机器人计算机在三维空间中计算第一点(2,4)、第二点(3,5)以及第三点(4,3)。可以计算点之间的边长和角度。如果在随后的程序中，机器人计算机计算第一点(3,5)、第二点(4,6)以及第三点(4,5)，点之间的边长和角度仍然与第一程序相匹配。由于机器人编程为以相对于彼此已知的距离和角度的三个不同点通过激光测量仪201的测量空隙211，所以机器人仍然是准确的，而不管由光学测微计测得的坐标如何。激光测量仪201提供了一种快速简单的验证工具，以确保机器人在操作参数内。因此，消除了用传统技术进行重新校准(方框401)的需要，并且下一个外科手术可以开始节省显著的操作时间。

在本发明方法的具体实施例中，具有球形形状的工具末端108可以附接到机器人手臂的端部。如图7所示，球的中心可以由测量空隙211确定。当工具末端108作为时间的函数通过两个光学测微计时，测量球体的轮廓。例如，当工具末端108穿过第一光学测微计时，球体在“x”方向上的轮廓将被捕获，直到其达到最大值701，其表示在该相应方向上球体的直径。当工具107保持通过测量空隙211时，其将到达下一个测量平面，在该测量平面上再次捕获工具末端轮廓。第二测量平面中的最大值703表示球体在“y”方向上的直径。可以计算两个方向上的最大值的一半以确定球体的中心点或在这种情况下工具末端108的中心点。这可能是确定和验证用于校准的工具末端108的中心点的确切位置所必需的。再次，可以遵循图4中的概述的方法，其中可以收集三个工具中心点。因此，确保针对第一程序和每个随后的程序测量工具末端108的中心点。两个平面705中心的平面也可以通过使用从深度测量仪601、607测量的间隙206的距离d来确定，或者通过当它通过测量空隙211时已知臂的速度和工具末端108的直径。

在具体的发明实施例中，工具107可以传送到测量空隙211中，其中机器人编程为以特定形状移动工具107。例如，工具107放置在测量空隙211内，其中机器人计算机编程为跟踪已知尺寸的形状，例如弧、圆、椭圆、三角形或正方形。在跟踪期间测量工具107的“x”和“y”位置，其中机器人计算机可以计算或将模型拟合到形状。此外，机器人计算机可以计算用作随后的程序的比较关系的形状的法向量。例如，如果第一程序中的跟踪圆的直径与任何随后的程序中的跟踪圆的直径相匹配(方框413)，则可以开始新的程序(方框415)。

在具体的发明实施例中，通过光学测微计测量的其他信息可以用于附加的校准验证。例如，机器人计算机可以使用图4的方法，而光学测微计另外测量工具几何形状(即，圆柱形工具，工具的直径，球形工具)作为附加验证检查。工具几何形状还可以提供与测量空隙211内的工具方向的有关信息。如果在第一程序中，工具107的尺寸测量为4个单位，随后的程序测量为4.5个单位的大小，则工具107可以定向成使得其阻挡对接收器的附加光发射，这可以是机器人不再在其操作参数内的指示。即使两个测量平面成角度地偏移，具有深度测量仪601和607的校准过程已经解释了这种不匹配，因此可以准确地确定工具或目标物是否处于一定角度。工具107可以由机器人101进一步链接以匹配工具107的实际直径，使得可以进一步验证校准(参见下面的使用意外定向工具的校准验证)。

在具体的发明实施例中，时间或使用印记(use stamp)可以与初始机器人校准或校准验证相关联(方框401)。时间或使用印记确保机器人被校准，或者在经过很多程序之后或经过指定时间之后，使用传统技术(例如，参考板)来验证校准。例如，如果显示在十个外科程序之后，所收集的点的关系不再在初始程序的容许范围之内，则可以在九个程序时设置为时间或使用印记，以使使用者重新校准或验证机器人的校准(方框401)。图4的方法然后可以重复，直到时间或使用印记再次过期。

使用激光测量仪坐标和机器人坐标校准验证

可以使用激光测量仪坐标系和机器人系统坐标系来执行另一校准。通常，两个光学测微计具有固定的关系，因此具有它们自己的激光测量仪坐标系统。如前所述，可以用深度测量仪601和607校准激光测量仪坐标的精确度。从光学测微计收集的数据可以用机器人计算机处理，或者激光测量仪201可以具有与机器人计算机通信的单独的计算机/控制器。为了简单起见，机器人计算机或激光测量仪计算机/控制器在下文中将被称为硬件/软件，除非另有规定。

在具体的发明实施例中，如图9所示，机器人101可以由制造商在客户现场进行初始校准，以确保更新机器人的未来使用的所有运动学参数。然后，工具107可以自动地、半自动地或手动地通过激光测量仪201的测量空隙211(方框901)。硬件/软件可以编程或存储至少三个指定的激光测量仪坐标位置。指定的激光测量仪坐标是指在测量空隙坐标内的“x”和“y”位置。例如，硬件/软件可以存储对应于由“x”光学测微计束215和“y”光学测微光束213(“x”，“y”)记录的位置，例如，位置(1,1)、(5,5)和(7,3)。机器人101可以知道附接到机器人101的激光测量仪201的总体位置/方向(在几毫米内)。机器人可以自动地将工具107通过激光测量仪201到达第一存储的指定的激光测量仪坐标。然后，光学测微计可以测量工具107在测量空隙211内的位置，并确定实际的工具位置是否与存储的指定的激光测量仪坐标相匹配(方框903)。如果工具位置与存储的激光测量仪坐标位置不匹配，则计算：

1、测量空隙211内测量的实际工具位置，以及

2、存储的指定的激光测量仪坐标

之间的差值(方框905)然后，机器人可以使用所计算的差值(例如，所计算出的差值的矢量和量级)将工具107链接到存储的激光测量仪坐标(方框907)。应当理解的是，可以类似地使用用于将工具107链接到存储的激光测量仪坐标位置的其他搜索算法。对于示例，机器人101可以将测量空隙211内的工具107链接，其可以连续地最小化两个位置之间的差值，直到实现匹配或最佳匹配。一旦通过光学测微计测量的工具107的实际位置与存储的指定的激光测量仪坐标的实际位置匹配或最佳匹配，则硬件/软件然后可以记录和存储工具107的位置和/或方向和/或使用正向运动学的机器人坐标(方框909)中的机器人关节/连杆105。硬件/软件可以执行该程序，直到三个不同的位置/方向被记录并存储在机器人坐标中(方框911)。然后如前所述，硬件/软件可以计算三个存储的坐标之间的边长和/或角度(方框913)。如果边长和/或角度与使用该方法的先前校准相匹配校准公差或处于校准公差之内(方框915)，则校准已被验证并且可以执行该程序(方框919)。然而，如果边长和/或角度与从先前校准预期的不匹配，则系统可能需要维护或者应执行传统的校准技术(方框917)。

附加坐标信息

此外，在特定的发明实施例中，可以通过利用使工具末端108来回穿过测量空隙211的方法来任意地和/或附加地考虑工具末端108的“z”位置。例如，如果工具末端108是如关于图4所述的球体，机器人可以通过第二光学测微计将工具末端108链接，直到测量出球体的实际直径和/或最大直径。这也表示球体的中心。然后，机器人可以远离第二光学测微计而将工具末端108链接，直至第一光学测微计测量出实际直径和/或最大直径。这也表示球体的中心。随后，通过知道光学测微计在哪里对准球体的中心，机器人然后可以将工具末端108直接地关联在两个光学测微计之间(即，在光学测微计的间隙206内)，以获得可重复的“z”位置。在特定的发明实施例中，可以通过将球体的中心定位在第一光学测微计或第二光学测微计内的实际直径和/或最大直径处来确定“z”位置。因此，如果需要，可以在空间中指定“z”位置，并且与整个说明书中描述的各种方法和实施例一起使用。

例如，如图9所示，一旦工具107在激光测量仪坐标中处于指定的“x”和“y”位置，则机器人可以将工具链接，使得球体的中心位于间隙206的中心内。随着工具107在现在指定的“x”和“y”激光测量仪位置(方框903)以及工具末端108处于已知重复的“z”位置(如刚才所述)，硬件/软件可以记录和存储在机器人坐标的工具位置(方框909)。因此，无论激光测量仪201位于机器人101的何处，三个“x”、“y”和“z”位置可以存储在机器人坐标中，测量和比较的边长和/或角度、以及校准可以被验证。然而，可能不需要所有三个“x”、“y”和“z”坐标来成功验证校准。

使用意外定向工具进行校准验证

可能存在激光测量仪201位于机器人101上的情况，由此当使工具107通过测量空隙211时，所测量的直径与工具107的实际直径不匹配。例如，垂直通过测量空隙211的圆柱形工具107将提供工具107的实际直径的测量值(在给定的公差内)。如果光学测微计测量更大的直径(即，工具107在光学接收器上铸造椭圆形)，则工具107可以不垂直定向于测量空隙211。深度测量仪601、607可以用于校准两个光学测微计之间的任何差值和/或角度偏移，使得可以知道工具107是否实际上定向不正确，或者是否是两个测量平面布置的函数。因此，在特定的发明实施例中，可以执行附加和/或可选步骤来验证机器人101的校准。如图10所示，当工具107穿过激光测量仪201的测量空隙211时(方框1001)，可以测量工具107的直径并将其与工具107的实际已知直径进行比较(方框1003)。如果工具107的测量直径与已知工具直径的规定公差相匹配或处于规定的公差内，则校准验证过程可以继续。例如，硬件/软件可以确定工具107是否处于指定的激光测量仪坐标(方框903)，其中图9的剩余步骤可以开始。

然而，如果工具107的测量直径不匹配已知工具直径的指定公差或超出已知工具直径的指定公差，则硬件/软件可以将深度量规校准与所测量的工具直径进行比较(方框1005)。如果，从深度测量仪校准中确定光学测微计平面实际上有角度偏移，则可以应用校准比率或转换(transformation)来重新得到准确的读数。校准比率和/或转换可以如之前用深度测量仪601、607所描述的那样计算。如果校准比率或转换然后提供与已知直径的指定公差相匹配或处于已知直径的指定公差内的测量的工具直径，则校准验证方法可以继续(方框903)。如果，在应用校准比率或转换之后，并且所测量的工具直径不对应于实际直径，则工具107的方向可能偏斜。在这种情况下，硬件/软件可以链接工具107，使得所测量的工具直径与通过深度测量仪601和607的校准确定的测量角度的角度偏移相匹配和/或相一致。一旦工具107正确地定向，可以使用本文描述的任何方法来验证校准。应当理解的是，图10中描述的附加和/或可选步骤可与图9中描述的每个指定的激光测量仪坐标、以及说明书中概述的任何其他程序一起使用。

激光测量仪201和硬件/软件可以被编程为执行与系统的精确度相关的附加任务，包括但不限于工具几何精确度验证、转换矩阵精确度验证、以及全机器人校准验证，而不需要任何额外的外部测量设备。可以使用各种方法来利用激光测量仪201的间隙206和测微计的采样率，来获得关于通过测量空隙211的机器人系统和工具的附加信息。

工具和数字化仪转换

在具体的发明实施例中，某些机器人手术系统使用数字化仪109来记录相对于机器人系统的坐标系的解剖结构的坐标系。数字化仪可以是机械的或光学的跟踪。数字化仪探针110的坐标系可能需要已知相对于工具末端108的坐标系。这可以通过将数字化仪109的末端和机器人工具107定位在一个或多个位置实现，然后计算适当的转换矩阵。通过将数字化仪探针110附接到机器人工具107并且通过激光测量仪201的测量空隙211，可以分别从数字化仪109和机器人的运动学在数字化仪109的坐标系和机器人101的坐标系之间产生转换矩阵。

如上所述，类似的工具可以与球形末端一起使用以计算工具末端108的中心点。在特定的发明实施例中，数字化仪探针末端和机器人工具末端108之间的偏移可以由光学测微计测量。然后可以将所测量的偏移量减去到空间中的公共单个点用于机器人工具末端位置和数字化仪探针末端位置。如果两个末端都确定在空间中相同的位置，那么也可以计算和知道相对于机器人101的坐标系的数字化仪109的坐标系。由于数字化仪末端与机器人末端108和各种关节和连杆的正向运动学，可以相对于彼此精确地知道坐标。已知相对于彼此的所有坐标系是执行精确和准确的医疗程序的必要条件。

工具尺寸和安装验证

在许多机器人系统中，工具107必须精确地附接在机器人101上，使得工具107的几何形状可以由机器人计算机精确地描述和已知。例如，如图8A所示，切割骨骼的切割器801组装在附接到机器人手臂的套筒803中。切割器和套筒之间的小工具间隙805使用去除测量仪(go no-go gauge)来测量的。如果工具间隙805太大或太小，则切割器可能没有被适当地安装到套筒中。通过使用激光测量仪201测量工具间隙805的尺寸，可以提供快速和容易的非接触式方法，以确保切割器被正确地安装。通过在工具107通过激光测量仪201时对其尺寸进行取样，测量工具间隙805。如图8B所示，当工具轮廓通过第一测微计807然后再通过第二测微计809时测量其时间。如果工具间隙805的尺寸在允许的限度内，则该程序可以继续。如果工具间隙805太大或较小，则机器人上的提示或指示器可以通知使用者切割器30未被正确地安装。

全机器人校准

在具体的发明实施例中，也可以使用激光测量仪201来实现机器人手臂的全校准。通常，全校准涉及在不同位置和方向(POSES)处的空间中的机器人手臂定位点。通过使用以各种机器人位置和方向在测量空隙211内定位一个或多个点的方法，可以使用在不同POSES处定位这些点的误差来更新用于全校准的运动参数。例如，由于两个测量平面已经相对于彼此校准，所以可以准确地确定进入测量空隙211的工具107的角度。基于工具107进入测量空隙211的角度，两个光学测微计中的任意一个的宽度测量值将改变。随着工具107的角度从正常增加到测量平面，光学测微计的宽度测量值增加。可以产生工具107的宽度测量值和工具107的角度之间的关系，使得可以计算工具107的实际角度并将其与机器人定向于工具107的角度进行比较。因此，机器人可以将端部执行器放置在各种POSES的测量空隙211中，以适当地更新运动学参数。

另外，由于测微计的高采样率，可以记录工具107打破两个平面所需的时间。工具107可以被编程为以“x”mm/s通过激光测量仪201。测微计可以在工具107通过第一测量平面之前开始进行测量。然后，机器人计算机可以记录工具末端108以指定的速度打破两个平面所需的时间。经过的时间记录并存储在机器人计算机内(方框405)。通过使用速度、时间以及激光测量仪201，可以在其编码器限度内校准机器人。例如，编码器只能具有在“n”个单位内测量的分辨率，但是使用测微计的高采样率，机器人可以以远低于“n”个单位的分辨率进行校准。

机器人功能和维护

在具体的发明实施例中，激光测量仪201可以用于监视机器人的功能状态。通过经过并突然停止激光测量仪201内的工具107，可以创建可以表示机器人部件如何作用的轮廓。当工具107突然停止时，来自工具107的振动由测微计记录。振动可以具有对应于系统的鲁棒性的特定轮廓。如果随着时间的推移，轮廓的形式开始变化或偏离以前的轮廓，这可能表明，例如，系统中的皮带正在磨损、电机运行不正常、编码器可能需要更新、以及可能需要固定或更换的任何其他组件。因此，在实际组件需要更换之前，系统本身可以检查是否需要进行任何所需的维护或校准。

类似地，操作参数和功能状态可以通过跟踪测量空隙211内的特定形状来监测。在制造和校准机器人之后，校准激光测量仪，机器人可以在测量空隙211内精确地呈圆形移动端部执行器。该形状被存储并用作比较，以确定机器人随着时间的推移是否良好。在给定数量的机器人程序之后，可以指示机器人在测量空隙211内再现相同的圆。如果该圆与先前存储的圆相匹配，则机器人可能以与首次脱离装配线时相同的精确度运行。然而，如果跟踪圆有轻微偏差，则机器人的操作参数或功能性可能会磨损。例如，皮带可能会磨损、紧固件可能会丢失、电机也可能不会被驱动、运动参数可能已经漂移、或其他参数可能会不利地影响机器人的性能。因此，通过执行跟踪程序，可以提供预警标志或信号来提醒使用者维护问题。

其它实施例

虽然在前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量变化。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制所描述的实施例的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现示例性实施例或多个示例性实施例的方便的路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其法定等同物所阐述的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (7)

1.一种用于校准机器人手臂或附接其上的工具的激光测量仪，包括：

第一光发射器，配置为与第一光接收器相通信，以形成确定平面测量的第一方向的第一光学测微计；以及

第二光发射器，配置为与第二光接收器相通信，以形成确定平面测量的第二方向的第二光学测微计，

所述的第一光学测微计在与所述的第二光学测微计相关的固定位置上沿与所述的第一方向和第二方向垂直的第三方向偏移已知间隙，以在所述的第一光发射器和所述的第一光接收器之间与所述的第二光发射器和第二光接收器之间确定的空间创建具有平面测量的第一方向和平面测量的第二方向的测量空隙，当定位在测量空隙内或通过测量空隙时，获得关于机器人手臂或附接到机器人手臂上的工具的位置或尺寸的校准数据；以及

机器人计算机，配置成执行校准数据校准或验证机器人手臂的校准的方法，执行验证机器人手臂的校准的方法包括：

执行所述的机器人手臂的初始校准；

使所述的机器人手臂的端部执行器通过所述的测量空隙三次，以获得所述的端部执行器的三个测量位置；

计算和存储三维空间中的三个测量位置之间的一组边长和一组角度；以及

使用来自所述的初始校准步骤的存储的一组边长和一组角度作为比较工具，以在随后的校准程序中验证机器人手臂的校准。

2.根据权利要求1所述的激光测量仪，其特征在于，所述的平面测量的第一方向为测量目标物在“y”轴方向上的第一位置和第一尺寸的第一平面，所述的平面测量的第二方向为测量所述的目标物在“x”轴方向上的第二位置和第二尺寸的第二平面；以及其中在测量空隙内的“z”轴方向测量所述的目标物的第三位置和第三尺寸。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的激光测量仪，其特征在于，所述的第一光接收器和所述的第二光接收器为包括光电二极管、CCD照相机或CMOS照相机中的至少一个的检测装置。

4.根据权利要求1或2所述的激光测量仪，其特征在于，还包括用于容纳所述的第一光学测微计和所述的第二光学测微计的壳体，用于附接于所述的机器人，其中所述的测量空隙的一组坐标相对于所述的机器人的坐标系是已知。

5.根据权利要求1所述的激光测量仪，其特征在于，还包括至少一个放大器，其连接到与机器人相通信的所述第一光学测微计和所述第二光学测微计中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的激光测量仪，其特征在于，所述的机器人配置为用于医疗或工业应用的自主或半自主机器人系统。

7.根据权利要求5所述的激光测量仪，其特征在于，所述的机器人计算机预处理数学运算以在定位于测量空隙内或穿过测量空隙时获得关于机器人手臂或附接到机器人手臂的工具的方向、速度、加速度的一组信息。

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