KR20160007791A - Calibration Method of Robot for Interventional treatment - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 중력축에 대한 중력 벡터를 계산하여 계산된 중력 벡터를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택함으로써 중재시술 로봇의 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 할 수 있으며, 이에 따라 캘리브레이션의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a method of calibrating an interventional procedure robot. According to the present invention, a calibration parameter is selected by using a gravity vector calculated by calculating a gravity vector with respect to a gravity axis as a constraint, So that the accuracy of the calibration can be improved.
Description
본 발명은 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 함으로써 캘리브레이션의 정확도를 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of calibrating an interventional robot, and more particularly, to a method for improving the accuracy of calibration by correcting the gravity axis accurately during calibration of the interventional robot.
일반적으로 로봇은 산업용으로 개발되어 공장자동화의 일환으로 사용되거나, 인간이 견딜 수 없는 극한의 환경에서 인간을 대신하여 작업을 수행하는 데 사용되어 왔다. 이러한 로봇 공학분야는 근래에 들어 최첨단의 우주 개발산업에 사용되면서 발전을 거듭하여 최근에 들어서는 인간친화적인 가정용 로봇의 개발에까지 이르렀다.In general, robots have been developed for industrial use and have been used as part of factory automation or to perform tasks on behalf of humans in extreme environments that humans can not tolerate. These robotic engineering fields have recently been used in the most advanced space development industry and have been developed and developed into human-friendly home robots in recent years.
특히 의료분야에서 중재시술은 대표적인 최소침습형 의료기술로서 진단 및 치료를 포함한 광범위한 분야의 적용이 가능한 신의료기술로 급속한 발전 중이며 생검 및 고주파/냉동/알코올치료 등 바늘삽입 시술용 중재시술을 다차원 의료영상 정합 및 유도기술을 이용하여 복부 및 흉부 장기의 병소에 정확히 타겟팅 할 수 있는 로봇 시스템의 개발이 요구되고 있다.Particularly in the field of medical treatment, intervention is a typical minimally invasive medical technology, which is rapidly developing as a new medical technology that can be applied to a wide range of fields including diagnosis and treatment. It is a multidimensional medical treatment for needle insertion such as biopsy and high frequency / It is required to develop a robot system capable of accurately targeting lesions of the abdomen and chest organs using image matching and induction techniques.
이러한 중재시술 로봇의 경우 수술계획 정보에 기반한 보다 안전하고 정확한 로봇 제어가 무엇보다 중요하며, 이를 위해서는 영상장치와 로봇간의 공간정합 기술과 로봇 캘리브레이션 기술을 높은 수준으로 확보하는 것이 필수적이다.In this case, it is essential to secure a high level of space matching technology between the imaging device and the robot and the robot calibration technology.
일반적으로 로봇의 엔드이펙터 위치는 로봇 기구학 모델에 각 조인트의 회전 또는 병진 정보를 입력하여 계산할 수 있다. 하지만, 기구의 제작 오차와 자중에 의한 처짐 현상 등으로 인해 기구학 모델을 이용하여 계산한 엔드이펙터의 위치는 실제 위치와 차이가 있다. 이러한 오차를 줄이기 위해 로봇 자체의 기계적인 구조나 설계를 변경하는 것 보다 소프트웨어적으로 기구학 모델을 보정하는 것이 보다 효과적이며, 이러한 보정 작업을 캘리브레이션(Calibration)이라 한다.Generally, the position of the end effector of a robot can be calculated by inputting rotation or translation information of each joint into a robot kinematic model. However, the position of the end effector calculated using the kinematic model is different from the actual position due to the manufacturing error of the mechanism and deflection due to its own weight. To reduce this error, it is more effective to calibrate the kinematic model in software than to modify the mechanical structure or design of the robot itself, and this correction is called calibration.
도 1은 기존의 캘리브레이션 방법을 중재시술 로봇에 적용하였을 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining a problem when an existing calibration method is applied to an interventional robot.
도 1을 참조하면, 기존의 산업용 로봇에서 사용되는 캘리브레이션 방법을 중재시술 로봇에 적용하는 경우, 로봇의 작동영역 내의 복수의 위치로 로봇을 이동시키면서 기구학 모델과 조인트 각도를 이용하여 엔드이펙터의 위치를 계산하고, 이와 동시에 3차원 위치 측정장치를 이용하여 엔드이펙터의 실제 위치를 측정한 후, 계산된 위치와 실제 측정한 위치의 오차를 최소화하기 위한 로봇 기구학 모델과 베이스 좌표계 및 툴 좌표계를 수치적으로 계산하여 캘리브레이션을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, when a calibration method used in an existing industrial robot is applied to an interventional robot, a robot is moved to a plurality of positions in an operation region of the robot, and a position of the end effector is determined using a kinematic model and a joint angle The robot kinematic model, the base coordinate system and the tool coordinate system for minimizing the error between the calculated position and the actual measured position are measured numerically using a three-dimensional position measuring device Calculation can be performed.
하지만, 도 1과 같은 5자유도 스카라 타입의 중재시술 로봇의 경우 베이스 좌표계의 중력축이 회전축인 2축의 보정값에 영향을 미치기 때문에 기존의 산업용 로봇의 캘리브레이션 기술을 그대로 중재시술 로봇에 적용하면 중력축에 대한 보정이 제대로 이루어지지 않아 로봇의 위치 제어에 대한 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.
However, since the gravity axis of the base coordinate system affects the correction value of the two axes, which is the rotation axis, in the case of the 5-DOF scalar type interventional robot as shown in FIG. 1, when the conventional industrial robot calibration technique is applied to the interventional robot, The correction of the axis is not properly performed and the accuracy of the position control of the robot is deteriorated.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 중재시술 로봇의 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 함으로써 캘리브레이션의 정확도를 향상시키는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to improve the accuracy of calibration by correcting the gravity axis accurately during calibration of the interventional robot.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법은, (a) 3차원 위치 측정장치를 이용하여 베이스 평면상의 다수의 기준점의 위치를 측정하고 측정된 기준점의 위치를 기초로 중력축에 대한 중력 벡터를 계산하는 단계; (b) 여러 자세에서 3차원 위치 측정장치를 이용하여 엔드이펙터의 위치를 측정하고, 조인트 각도와 DH 파라미터를 기초로 로봇의 기구학 모델을 이용하여 엔드이펙터 위치를 계산하는 단계; (c) 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 엔드이펙터의 위치와 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 엔드이펙터 위치를 기초로 베이스 좌표계를 추정하고, 중력 벡터를 이용하여 추정된 베이스 좌표계를 보정하는 단계; (d) 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정을 위해 중력 벡터를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택하는 단계; 및 (e) 선택된 캘리브레이션 파라미터를 기초로 베이스 좌표계, 툴 좌표계 및 로봇의 기구학 모델을 보정하는 캘리브레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of calibrating an interventional robot, comprising: (a) measuring a position of a plurality of reference points on a base plane using a three-dimensional position measuring device; Calculating a gravity vector for the gravity axis as a basis; (b) measuring the position of the end effector using a three-dimensional position measuring device in various orientations, calculating an end effector position using a kinematic model of the robot based on the joint angle and the DH parameter; (c) estimating a base coordinate system based on the position of the end effector measured using the three-dimensional position measuring device and the end effector position calculated using the kinematic model of the robot, and correcting the estimated base coordinate system using the gravity vector ; (d) selecting a calibration parameter with a gravity vector as a constraint for correcting for a gravity axis at the time of calibration; And (e) performing calibration to correct the base coordinate system, the tool coordinate system, and the kinematic model of the robot based on the selected calibration parameters.
본 발명에 의하면, 중력축에 대한 중력 벡터를 계산하여 계산된 중력 벡터를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택함으로써 중재시술 로봇의 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 할 수 있으며, 이에 따라 캘리브레이션의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, by selecting a calibration parameter with the gravity vector calculated by calculating the gravity vector with respect to the gravity axis as a constraint condition, it is possible to accurately correct the gravity axis at the time of performing the calibration of the arbitration procedure robot. Accordingly, the accuracy of the calibration can be improved.
도 1은 기존의 캘리브레이션 방법을 중재시술 로봇에 적용하였을 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining a problem when an existing calibration method is applied to an interventional robot.
2 is a flowchart illustrating a method of calibrating an interventional procedure robot according to an embodiment of the present invention.
3 to 7 are views for explaining a calibration method of an interventional procedure robot according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 본 발명의 기본 개념에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.Before describing the present invention, the basic concept of the present invention will be described briefly to facilitate understanding of the present invention.
전술한 바와 같이 5자유도 스카라 타입의 중재시술 로봇의 경우 베이스 좌표계의 중력축이 2축의 보정값에 영향을 미치기 때문에 기존의 산업용 로봇의 캘리브레이션 기술을 그대로 중재시술 로봇에 적용하면 중력축에 대한 보정이 제대로 이루어지지 않아 로봇의 위치 제어에 대한 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 있다. As described above, since the gravity axis of the base coordinate system affects the correction value of the two axes in the case of the 5-degree-of-freedom scalar type interventional robot, if the existing industrial robot calibration technique is applied to the interventional robot as it is, The accuracy of the position control of the robot is deteriorated.
이를 위해 본 발명에서는 중력축에 대한 중력 벡터를 계산하여 계산된 중력 벡터를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택함으로써 중재시술 로봇의 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 하며, 이러한 본 발명의 특징은 이하에서 설명되는 실시예를 통해 보다 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. For this purpose, in the present invention, by selecting a calibration parameter by using a gravity vector calculated by calculating a gravity vector with respect to a gravity axis as a constraint, it is possible to accurately correct the gravity axis at the time of performing the calibration of the arbitration procedure robot. May be more clearly understood through the embodiments described below.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of calibrating an interventional procedure robot according to an embodiment of the present invention. FIGS. 3 to 7 illustrate a calibration method of an interventional procedure robot according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 3차원 위치 측정장치를 이용하여 베이스 평면상의 다수의 기준점(point)의 위치를 측정하고(S210), 측정된 기준점의 위치를 기초로 중력축에 대한 중력 벡터를 계산한다(S220).First, as shown in FIG. 3, the position of a plurality of points on the base plane is measured by using a three-dimensional position measuring device (S210), and a gravity vector about the gravity axis is calculated based on the position of the measured reference point (S220).
여기에서, 베이스 평면상의 다수의 기준점은 적어도 5개 이상인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that a plurality of reference points on the base plane are at least five or more.
그 다음, 도 4에 도시된 바와 같이 로봇의 자세를 바꿔가면서 여러 자세에서 3차원 위치 측정장치를 이용하여 엔드이펙터의 위치(pi)를 측정한다(S230).Next, as shown in FIG. 4, the position (p i ) of the end effector is measured by using a three-dimensional position measuring device in various poses while changing the posture of the robot (S230).
이때, 엔코더(encoder)로부터 입력되는 조인트 각도(qi)와 DH 파라미터를 기초로 로봇의 기구학 모델을 이용하여 다음의 수학식 1에 의해 엔드이펙터 위치 f(qi)를 계산한다(S240).At this time, the end effector position f (q i ) is calculated by the following
여기에서, TMB는 3차원 위치 측정장치의 좌표계에서 베이스 좌표계까지의 변환행렬, TB1은 베이스 좌표계에서 로봇의 1축 좌표계까지의 변환행렬, Ti -1,i은 로봇의 (i-1)축 좌표계에서 i축 좌표계까지의 변환행렬, TTE는 툴 좌표계에서 엔드이펙터까지의 변환행렬을 각각 나타낸다.Here, T MB is a transformation matrix from the coordinate system to the base coordinate system of the three-dimensional position measuring apparatus, T B1 is a transformation matrix from the base coordinate system to the one-axis coordinate system of the robot, T i -1, ) The transformation matrix from the axis coordinate system to the i-axis coordinate system, and T TE represents the transformation matrix from the tool coordinate system to the end effector, respectively.
이들 변환행렬은 DH 파라미터로 나타낼 수 있는데, DH 파라미터는 도 5에 도시된 바와 같이 로봇 링크 중 임의의 연속하는 두 링크 좌표계가 있을 때 두 좌표계 사이의 변환행렬을 나타내는 파라미터로서, x, y, z축의 병진 파라미터(a, b, d)와 회전 파라미터(α, β, θ)를 이용하여 변환행렬을 나타낼 수 있으며, TMB와 TTE는 일반적으로 상수이지만 본 발명에서는 캘리브레이션 대상이기 때문에 다른 변환행렬들과 같이 DH 파라미터로 나타낼 수 있다.These transformation matrices can be represented by DH parameters, which are parameters representing the transformation matrix between two coordinate systems when there are any two successive link coordinate systems of the robot link, as shown in FIG. 5, and x, y, z The conversion matrix can be expressed using the translation parameters (a, b, d) and rotation parameters (?,?,?) Of the axis. T MB and T TE are generally constants, As shown in Fig.
다음으로, 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 엔드이펙터의 위치(pi)와 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 엔드이펙터 위치 f(qi)를 기초로 다음의 수학식 2에 의해 베이스 좌표계(TMB)를 추정한다(S250). Next, based on the position (p i ) of the end effector measured by the three-dimensional position measuring device and the end effector position f (q i ) calculated using the kinematic model of the robot, The coordinate system T MB is estimated (S250).
여기에서, pi는 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 i번째 엔드이펙터의 위치를 나타내고, f(qi)는 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 i번째 엔드이펙터 위치를 나타내며, 이며, TMB는 추정된 베이스 좌표계를 나타낸다. Here, p i represents the position of the i-th end effector measured using the three-dimensional position measuring device, f (q i ) represents the position of the i-th end effector calculated using the kinematic model of the robot, And T MB represents an estimated base coordinate system.
그 다음, 중력 벡터를 이용하여 추정된 베이스 좌표계를 보정하며(S260), 이에 대하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.Next, the base coordinate system estimated using the gravity vector is corrected (S260), and a more detailed description will be given below.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 베이스 좌표계의 x축, y축, z축 중에서 어느 하나의 축(예를 들어 x축)을 중력축으로 설정하고, 베이스 좌표계에서 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터()를 중력 벡터()에 일치시킨다.First, as shown in FIG. 6, one of axes (for example, x-axis) of the x-axis, y-axis and z-axis of the base coordinate system is set as the gravitational axis and the unit vector of the axis set as the gravitational axis in the base coordinate system ) As a gravity vector ( ).
본 실시예에서는 베이스 좌표계의 x축을 중력축으로 설정하고 중력축으로 설정된 x축의 단위 벡터()를 중력 벡터()에 일치시키는 경우를 가정하여 설명한다.In this embodiment, the x-axis of the base coordinate system is set as the gravity axis and the unit vector of the x-axis set as the gravity axis ) As a gravity vector ( ), As shown in Fig.
다음으로, 중력 벡터()와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터()간의 회전 행렬 을 다음의 수학식 3에 의하여 구한다.Next, the gravity vector ( ) And the unit vector of the axis set as the gravity axis ( ) Rotation matrix Is obtained by the following equation (3).
여기에서, 는 중력축에 대한 중력 벡터, 는 베이스 좌표계에서 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터, 은 중력 벡터()와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터()간의 회전 행렬을 각각 나타낸다.From here, Is the gravity vector for the gravitational axis, Is the unit vector of the axis set as the gravity axis in the base coordinate system, Is the gravity vector ( ) And the unit vector of the axis set as the gravity axis ( ), Respectively.
다음으로, 구해진 회전 행렬 을 기초로 다음의 수학식 4에 의하여 베이스 좌표계(TMB)를 보정하여 보정된 베이스 좌표계(TMB')를 구한다.Next, the obtained rotation matrix (T MB ') by correcting the base coordinate system (T MB ) based on the following equation (4).
여기에서, TMB는 베이스 좌표계, 은 중력 벡터()와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터()간의 회전 행렬, TMB'은 중력 벡터를 이용하여 보정된 베이스 좌표계를 각각 나타낸다.Here, T MB is the base coordinate system, Is the gravity vector ( ) And the unit vector of the axis set as the gravity axis ( ), And T MB 'represents a base coordinate system corrected using gravity vectors, respectively.
그 다음, 다음의 수학식 5에 의해 중력 벡터()를 구속조건으로 하는 캘리브레이션 파라미터 선택 행렬(S)을 이용하여 캘리브레이션 파라미터를 선택한다(S270).Next, by using the following equation (5), the gravity vector (S270). The calibration parameter selection matrix S is used as a constraint.
여기에서, S는 캘리브레이션 파라미터 선택 행렬이고, a, b, d는 x, y, z축의 병진 파라미터를 나타내며, α, β, θ는 x, y, z축의 회전 파라미터를 나타낸다.Where a, b, and d represent the translation parameters of the x, y, and z axes, and?,?, And? Represent the rotation parameters of the x, y, and z axes.
상기 캘리브레이션 파라미터 선택 행렬(S)에서 원소의 값이 1이면 해당 좌표계의 파라미터가 캘리브레이션 파라미터로 선택되는 것을 의미하며, 0이면 해당 좌표계의 파라미터가 캘리브레이션 파라미터로 선택되지 않고 고정되는 것을 의미한다. 예를 들어, bB = 1은 베이스 좌표계의 y축 병진 파라미터인 b 파라미터(bB)가 캘리브레이션 파라미터로 선택되는 것을 의미하며, βB = 0은 베이스 좌표계의 y축 회전 파라미터인 β 파라미터(βB)가 캘리브레이션 파라미터로 선택되지 않고 고정되는 것을 의미한다.If the value of the element in the calibration parameter selection matrix S is 1, it means that the parameter of the corresponding coordinate system is selected as the calibration parameter, and if it is 0, the parameter of the corresponding coordinate system is fixed without being selected as the calibration parameter. For example, b B = 1 means that the b parameter (b B ), which is the y-axis translation parameter of the base coordinate system, is selected as the calibration parameter, and β B = 0 means that the y parameter (β B ) It means that it is not selected and fixed.
이와 같은 캘리브레이션 파라미터 선택 행렬(S)을 이용하여 캘리브레이션 파라미터를 선택하는 것에 대하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.The selection of the calibration parameters using the calibration parameter selection matrix S will be described in more detail as follows.
먼저, 베이스 좌표계의 경우, aB, bB, dB를 1로 설정하여 x, y, z축의 병진 파라미터를 캘리브레이션 파라미터로 선택한다. 그리고, x, y, z축의 회전 파라미터인 αB, βB, θB 중에서 중력축(예를 들어 x축)의 회전 파라미터(예를 들어 αB)를 1로 설정하여 캘리브레이션 파라미터로 선택한다.First, in the case of the base coordinate system, a B , b B , and d B are set to 1, and the x, y, and z axis translation parameters are selected as the calibration parameters. Then, set to x, y, 1 a rotational parameter (for example, α B) of the z-axis rotational parameter, α B, β B, θ B gravity axis (e.g., x-axis) in and select a calibration parameter.
이때, 중력축(예를 들어 x축)이 회전되지 않도록 중력 벡터()를 구속조건으로 하여 나머지 다른 축의 회전 파라미터(예를 들어 βB, θB )는 0으로 설정하여 캘리브레이션 파라미터로 선택하지 않고 고정시킨다.At this time, the gravity vector (for example, the x-axis) ) Is set as a constraint, and rotation parameters (for example,? B ,? B ) of the remaining axes are set to 0, and fixed without selecting as calibration parameters.
여기에서, 중력 벡터()를 구속조건으로 하여 중력축이 아닌 다른 축의 회전 파라미터를 고정시키는 이유는, 도 7에 도시된 바와 같이 캘리브레이션에 의해 중력축(예를 들어 x축)이 아닌 다른 축(예를 들어 y축 또는 z축)을 중심으로 회전이 발생하게 되면 중력축도 함께 회전되기 때문에, 중력축이 아닌 다른 축의 회전 파라미터를 0으로 고정시켜 중력축이 회전되지 않도록 하는 것이다.Here, the gravity vector ( ) Is set as a constraint, and the rotation parameters of the axes other than the gravity axis are fixed is obtained by calibrating the axes other than the gravity axes (for example, x-axis) z axis), the gravity axis is rotated together. Therefore, the rotation parameter of the axis other than the gravity axis is fixed to 0 so that the gravity axis is not rotated.
즉, 추후 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 하기 위해서 중력 벡터()를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택하는 것이다.That is, in order to correct the gravity axis accurately at the time of the later calibration, ) As a constraint, and selects a calibration parameter.
그 다음, 1축 좌표계 내지 n축 좌표계의 경우 안전성이 중요시되는 의료 로봇의 특성상 해석적인 역기구학 해의 보장과 다른 제작 오차보다 조인트 각의 오차원인이 가장 크다는 점을 감안하여 z축의 병진 파라미터인 d와, z축의 회전 파라미터인 θ만 캘리브레이션 파라미터로 선택하는 것을 기본으로 한다. 다만, 1축 좌표계와 5축(일반적으로 n축) 좌표계의 보정값은 각각 베이스 좌표계와 툴 좌표계에 영향을 받기 때문에 캘리브레이션 파라미터로 선택하지 않는다.Next, considering the characteristics of medical robots in which safety is important in the case of one axis coordinate system or n axis coordinate system, considering the fact that the cause of the error of the joint angle is larger than the guarantee of the analytical inverse kinematic solution and the other manufacturing errors, And only the rotation parameter θ of the z-axis is selected as a calibration parameter. However, the correction values of the 1-axis and 5-axis (usually n-axis) coordinate systems are not selected as calibration parameters because they are affected by the base coordinate system and the tool coordinate system, respectively.
그리고, 툴 좌표계의 경우 x, y, z축의 병진 파라미터인 a, b, d 파라미터만 캘리브레이션 파라미터로 선택한다.In the case of the tool coordinate system, only the a, b, and d parameters, which are the translation parameters of the x, y, and z axes, are selected as the calibration parameters.
상기와 같은 과정에 의해 캘리브레이션 파라미터가 선택되면, 다음의 수학식 6에 의해 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 엔드이펙터의 위치(pi)와 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 엔드이펙터 위치 f(qi)의 오차가 최소가 되도록 베이스 좌표계, 툴 좌표계 및 로봇의 기구학 모델을 보정하는 캘리브레이션을 수행한다(S280).When the calibration parameter is selected by the above process, the position (p i ) of the end effector measured using the three-dimensional position measuring device according to the following equation (6) and the end effector position calculated using the kinematic model of the robot and the error of f (q i ) is minimized, a base coordinate system, a tool coordinate system And a calibration to correct the kinematic model of the robot is performed (S280).
여기에서, TMB는 3차원 위치 측정장치에서 로봇 베이스 좌표계까지의 변환행렬, TTE는 툴 좌표계에서 엔드이펙터까지의 변환행렬, pi는 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 i번째 엔드이펙터의 위치, f(qi)는 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 i번째 엔드이펙터 위치를 각각 나타낸다.Here, T MB is a transformation matrix from the 3D position measuring apparatus to the robot base coordinate system, T TE is a transformation matrix from the tool coordinate system to the end effector, p i is an i th end effector And f (q i ) represents the position of the i-th end effector calculated using the kinematic model of the robot, respectively.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 중력 벡터를 계산하여 계산된 중력 벡터를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택함으로써 중재시술 로봇의 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정이 정확하게 이루어지도록 할 수 있으며, 이에 따라 캘리브레이션의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by selecting the calibration parameters with the gravity vector calculated by calculating the gravity vector as the constraint condition, it is possible to accurately correct the gravity axis at the time of calibration of the interventional robot. Accordingly, the accuracy of the calibration can be improved.
한편, 본 실시예에서는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 중력축이 베이스 좌표계에 의존되는 로봇의 캘리브레이션에도 활용될 수 있다.In the meantime, although the method of calibrating the interventional robot is described in the present embodiment, the present invention can be applied to the calibration of the robot whose gravity axis depends on the base coordinate system.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.The preferred embodiments of the present invention have been described above. It is to be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and alternative arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Of course.
Claims (8)
(b) 여러 자세에서 3차원 위치 측정장치를 이용하여 엔드이펙터의 위치를 측정하고, 조인트 각도와 DH 파라미터를 기초로 로봇의 기구학 모델을 이용하여 엔드이펙터 위치를 계산하는 단계;
(c) 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 엔드이펙터의 위치와 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 엔드이펙터 위치를 기초로 베이스 좌표계를 추정하고, 중력 벡터를 이용하여 추정된 베이스 좌표계를 보정하는 단계;
(d) 캘리브레이션 수행시에 중력축에 대한 보정을 위해 중력 벡터를 구속조건으로 하여 캘리브레이션 파라미터를 선택하는 단계; 및
(e) 선택된 캘리브레이션 파라미터를 기초로 베이스 좌표계, 툴 좌표계 및 로봇의 기구학 모델을 보정하는 캘리브레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
(a) measuring a position of a plurality of reference points on a base plane using a three-dimensional position measuring device and calculating a gravity vector with respect to the gravity axis based on the position of the measured reference point;
(b) measuring the position of the end effector using a three-dimensional position measuring device in various orientations, calculating an end effector position using a kinematic model of the robot based on the joint angle and the DH parameter;
(c) estimating a base coordinate system based on the position of the end effector measured using the three-dimensional position measuring device and the end effector position calculated using the kinematic model of the robot, and correcting the estimated base coordinate system using the gravity vector ;
(d) selecting a calibration parameter with a gravity vector as a constraint for correcting for a gravity axis at the time of calibration; And
(e) performing a calibration to correct the base coordinate system, the tool coordinate system, and the kinematic model of the robot based on the selected calibration parameter.
상기 (c) 단계에서,
다음의 <식 1>에 의해 베이스 좌표계를 추정하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
<식 1>
여기에서, TMB는 베이스 좌표계, pi는 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 i번째 엔드이펙터의 위치, f(qi)는 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 i번째 엔드이펙터 위치, TB1은 베이스 좌표계에서 로봇의 1축 좌표계까지의 변환행렬, Ti -1,i은 로봇의 (i-1)축 좌표계에서 i축 좌표계까지의 변환행렬, TTE는 툴 좌표계에서 엔드이펙터까지의 변환행렬을 각각 나타냄.
In claim 1,
In the step (c)
Wherein the base coordinate system is estimated by the following expression (1).
<Formula 1>
Where T MB is the base coordinate system, p i is the position of the i-th end effector measured using a three-dimensional position measuring device, f (q i ) is the position of the ith end effector calculated using the kinematic model of the robot, T B1 is the transformation matrix from the base coordinate system to the robot's 1-axis coordinate system, T i -1, i is the transformation matrix from the (i-1) axis coordinate system to the i axis coordinate system of the robot, T TE is the transformation coefficient from the tool coordinate system to the end effector Respectively.
상기 (c) 단계에서,
중력 벡터를 이용하여 추정된 베이스 좌표계를 보정할 때,
베이스 좌표계의 x축, y축, z축 중에서 어느 하나의 축을 중력축으로 설정하는 제 1 단계와,
중력축으로 설정된 축의 단위 벡터를 중력 벡터에 일치시키는 제 2 단계와,
중력 벡터와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터간의 회전 행렬을 구하는 제 3 단계와,
상기 회전 행렬을 기초로 추정된 베이스 좌표계를 보정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
In claim 1,
In the step (c)
When the estimated base coordinate system is corrected using the gravity vector,
A first step of setting one of an x-axis, a y-axis and a z-axis of the base coordinate system as a gravity axis;
A second step of matching the unit vector of the axis set as the gravity axis with the gravity vector,
A third step of obtaining a rotation matrix between a gravity vector and a unit vector of an axis set by gravity axis,
And a fourth step of correcting the estimated base coordinate system based on the rotation matrix.
상기 제 3 단계에서,
다음의 <식 2>에 의해 중력 벡터와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터간의 회전 행렬을 구하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
<식 2>
여기에서, 는 중력축에 대한 중력 벡터, 는 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터, 은 중력 벡터()와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터()간의 회전 행렬을 각각 나타냄.
In claim 3,
In the third step,
A rotation matrix between a gravity vector and a unit vector of an axis set by a gravitational axis is obtained by the following Equation (2).
<Formula 2>
From here, Is the gravity vector for the gravitational axis, Is a unit vector of the axis set as the gravity axis, Is the gravity vector ( ) And the unit vector of the axis set as the gravity axis ( ), Respectively.
상기 제 4 단계에서,
상기 회전 행렬을 기초로 다음의 <식 3>에 의해 추정된 베이스 좌표계를 보정하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
<식 3>
여기에서, TMB는 베이스 좌표계, 은 중력 벡터()와 중력축으로 설정된 축의 단위 벡터()간의 회전 행렬, TMB'은 중력 벡터를 이용하여 보정된 베이스 좌표계를 각각 나타냄.
In claim 3,
In the fourth step,
And the base coordinate system estimated by the following equation (3) is corrected on the basis of the rotation matrix.
<Formula 3>
Here, T MB is the base coordinate system, Is the gravity vector ( ) And the unit vector of the axis set as the gravity axis ( ), And T MB 'represents the base coordinate system corrected using the gravity vector, respectively.
상기 (d) 단계에서,
다음의 <식 4>에 의해 중력 벡터를 구속조건으로 하는 캘리브레이션 파라미터 선택 행렬을 이용하여 캘리브레이션 파라미터를 선택하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
<식 4>
여기에서, S는 캘리브레이션 파라미터 선택 행렬이고, a, b, d는 x, y, z축의 병진 파라미터를 나타내며, α, β, θ는 x, y, z축의 회전 파라미터를 나타냄.
In claim 1,
In the step (d)
And a calibration parameter selection matrix is selected using a calibration parameter selection matrix having a gravity vector as a constraint condition according to the following equation (4).
<Formula 4>
Where a, b, and d represent the translation parameters of the x, y, and z axes, and alpha, beta, and θ represent the rotation parameters of the x, y, and z axes.
상기 (d) 단계에서,
캘리브레이션 파라미터를 선택할 때,
베이스 좌표계의 경우, x, y, z축의 병진 파라미터를 캘리브레이션 파라미터로 선택하고, 중력축의 회전 파라미터를 캘리브레이션 파라미터로 선택하면서, 중력축이 회전되지 않도록 중력 벡터를 구속조건으로 하여 중력축이 아닌 다른 축의 회전 파라미터는 캘리브레이션 파라미터로 선택하지 않고 고정시키는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
In claim 6,
In the step (d)
When selecting the calibration parameters,
In the case of the base coordinate system, the rotation parameter of the x, y, z axis is selected as the calibration parameter, and the rotation parameter of the gravity axis is selected as the calibration parameter so that the gravity axis is not rotated, Wherein the rotation parameter is fixed without being selected as a calibration parameter.
상기 (e) 단계에서,
다음의 <식 5>에 의해 베이스 좌표계, 툴 좌표계 및 로봇의 기구학 모델을 보정하는 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 중재시술 로봇의 캘리브레이션 방법.
<식 5>
여기에서, TMB는 3차원 위치 측정장치에서 로봇 베이스 좌표계까지의 변환행렬, TTE는 툴 좌표계에서 엔드이펙터까지의 변환행렬, pi는 3차원 위치 측정장치를 이용하여 측정한 i번째 엔드이펙터의 위치, f(qi)는 로봇의 기구학 모델을 이용하여 계산된 i번째 엔드이펙터 위치를 각각 나타냄.
In claim 1,
In the step (e)
Based on the following Equation 5, the base coordinate system, the tool coordinate system And a calibration for correcting the kinematic model of the robot is performed.
≪ EMI ID =
Here, T MB is a transformation matrix from the 3D position measuring apparatus to the robot base coordinate system, T TE is a transformation matrix from the tool coordinate system to the end effector, p i is an i th end effector the location, f (q i) represents each of the i-th end effector position calculated from the kinematic model of the robot.
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