T-CI 214-2023 基于光学定位的种植牙机器人精准定位系统

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25.040.30学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载CCS

J

28 T/CI

214—2023基于光学定位的种植牙机器人精准定位系统Positioning

of

dental

base

tracking

发

布学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载 前言

.................................................................................

II1

...............................................................................

12 规范性引用文件

.....................................................................

13 术语和定义

.........................................................................

14 种植牙机器人系统设计

...............................................................

14.1 通则

...........................................................................

14.2 系统组成

.......................................................................

24.3 系统主要指标

...................................................................

25 种植牙机器人应用要求

...............................................................

26 种植牙机器人主要坐标系标定

.........................................................

26.1 种植牙系统坐标系

...............................................................

26.2 基于光学定位系统的坐标系

.......................................................

2参考文献

..............................................................................

5学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载 本文件按照GB/T

—《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由安徽集萃智造机器人科技有限公司提出。本文件由中国国际科技促进会归口。苏精准医疗科技有限公司、江苏省口腔医院、东南大学附属中大医院、南京市口腔医院。本文件主要起草人：吴海波、骆敏舟、郑素娟、刘 琳、李怀奇、王红星、韩 磊。II学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载1 范围本文件规定了基于光学定位的种植牙机器人的系统设计、应用要求及主要坐标系标定。本文件适用于GB/T

36008-2018所述协作机器人，本文件不适用于非工业机器人，尽管其提供的安全性原则也可能被用于其他类型机器人。2 规范性引用文件文件。GB/T

机器人与机器人装备

协作机器人GB/T

工业机器人视觉集成系统通用技术要求3 术语和定义GB/T

界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1光学定位系统 optical

tracker高精度双目红外光学系统，应用于医疗手术等环境。3.2光学定位坐标系

optical

tracker

coordinate

以光学定位系统为参照的坐标系。3.3世界坐标系 world

coordinate

system以协作机器人的基座为参照的坐标系。3.4机器人末端坐标系

tool

center

point

coordinate

system以机器人的工具末端为参照的坐标系。3.5CT

坐标系

CT

system以CT生成的图像为参照的坐标系。3.6种植牙体系

dental

system设计用于配合在一起的种植体组件。3.7植入精度

accuracy种植体植入牙槽骨的位置和姿态准确性。3.8实时轨迹规划

real-time

trajectory

planning在种植过程中，机器人随视觉信标位姿变化而实时规划运行轨迹。4 种植牙机器人系统设计4.1 通则学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载种植牙机器人采用GB/T

规定的协作机器人，利用其与人共融的安全特性，在末端夹持种植手机，直接工作于牙槽骨位置。4.2 系统组成4.2.1

CT

TCP坐标、光学定位仪的坐标和口腔

CT

产生的图像坐标，通过坐标转换达到统一。4.2.2 首先患者口腔

DICOM

CT

确定种植体埋入深度；通过

图像处理将患者种植位置信息确定，上传给主控系统。4.2.3 光学定位仪通过信标部件，实现了关键位姿信息的确定，包括患者牙槽骨种植部位的位姿信息和机器人所持刀具位姿信息；注意此处的患者牙槽骨位姿为随动的信号；患者会自觉和不自觉的抖动，也会产生肌肉抽搐等生理性反应；此时，光学定位仪需要把这些信息实时上传给主控系统。4.2.4 协作机器人作为主要的执行机构，起到了牙槽骨钻孔等主要的动作执行；在此过程中，机器人的主动安全性，依靠光学定位仪和协作机器人本身的力传感器来实现。4.3 系统主要指标4.3.1 口腔

机应用于种植牙机器人系统的口腔CT机，应满足以下指标：a)

具备三维重建算法，逐层显示任一界面图像，提供任意角度、任意位置的高清晰断层影像；b)

在

18s

内旋转

度完成数据采集，快速获取三维影像；c)

3D

和

技术影像系统：

3D

影像中重建头颅侧位影像。4.3.2 光学定位仪应用于种植牙机器人的光学定位仪，应满足GB/T

第6章要求，并满足以下指标：a)

光学定位系统使用双目红外光学定位技术，可测量出固定在被追踪物体上的主动或被动标记点的

坐标；b)

通过系统算法，可实时获得在测量区域内的多个被标记物体的位置和姿态六自由度数据，数据输出为定位坐标

y,

z)、方位角、欧几里德变换矩阵；c)

系统软件采用图形化界面，具有

3D

建模、标记点编辑、6D

工具制作、

接口等功能；d)

性能指标：

mm

RMSE；延迟

15

ms；刷新率最低为

60

0.5m

-

5m

(锥型测量区域)。5 种植牙机器人应用要求应用于种植牙的协作机器人，应满足GB∕T

中应用要求，并满足以下指标：a)

有效负载分别为

5kg

以上

,有效工作半径

900mm

b)

至少包含高达

2

个数字输入输出端口和

2

个模拟量输入输出端口；c)

机器人运行速度高；肩、肘、腕和基座关节的旋转速度都不低于

度/秒，工具端速度分别为

1.5m/s；d)

绝对精度高达

0.3mm；重复定位精度高达

0.03mm，满足高精度应用场合；e)

启动碰撞检测功能，能够智能感知冲撞力和挤压力；其中碰撞力阈值为

3N应时间≤0.1s，以最大程度的保护安全；f)

机械臂表面满足医疗器械卫生要求。6 种植牙机器人主要坐标系标定6.1 种植牙系统坐标系种植牙系统有3个主要的坐标系：CT坐标系、机器人坐标系和光学定位坐标系。6.2 基于光学定位系统的坐标系ｗｗ．ｂ兔ｗ学兔ｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023ｗｗ．ｂ兔ｗ学兔ｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载6.2.1 光学定位系统的五个坐标系3D的关系。6.2.2 图像坐标系—

模型仿射坐标系y利用在3D模型上粘贴不少于4个标记点建立一个3D4个标记y点建立参考坐标系，任选其中一个标记点M0（xm0,

ym0,

）作为参考坐标系原点，且平行于图像3D模型仿射坐标系相对于CTx、、z轴上平移距离为、、zm0，其沿x、y、z轴旋转为0。和其他三个标记点M1（xm1,

ym1,

M2（xm2,

ym,2,

zm2（xm3,

ym3,

zm3）建立仿射关系，从3D模型放射坐标系到图像坐标系的映射矩阵可表示为如下：

xm1

−xm0

xm2

−xm0

xm3

−xm0

xm0T1T1

=

[

m1

−ym0

ym2

−ym0

ym3

−ym0

ym0zm1

−zm0

zm2

−ym0

zm3

−zm0

zm0

]

(1)0 0 0 1这样3D模型仿射坐标系和图像坐标系建立了一一对应的关系，则图像坐标系中的任意一点P（ymp,

3D模型上都有唯一的一点与之对应，其转换公式可表示为：P3D

仿射

=

TP图像(2)P图像

=

T1P3D

仿射(3)6.2.3 3D

模型仿射坐标系—双目摄像机光学坐标系摄像机光学坐标系到3D模型仿射坐标系的转换矩阵：xc1

−xc0

xc2

−xc0

xc3

−xc0

xc0T2T2

=

[

c1

−yc0

yc2

−yc0

yc3

−yc0

yc0zc1

−zc0

zc2

−yc0

zc3

−zc0

zc0

](4)0 0 0 1这样双目摄像机光学坐标系和3D3D模型上的任意一点在双目摄像机光学坐标系上都有唯一的一点与之对应，其转换公式可表示为：P光学

=

TP3D

仿射(5)P3D

仿射

=

T2P光学(6)由公式（5）和公式（6）关系可求得图像坐标系中的点对应到摄像机光学坐标系下的映射关系为：P光学

=

TTP图像

=

T3P(7)其中图像坐标系到摄像机坐标系的映射矩阵为：T3

=

TT

(8)6.2.4 机器人坐标系—机器人仿射坐标系到机器人仿射坐标系之间的转换矩阵：xr1

−xr0

xr2

−xr0

xr3

−xr0

xr0T4T4

=

[

r1

−yr0

yr2

−yr0

yr3

−yr0

yr0zr1

−zr0

zr2

−yr0

zr3

−zr0

zr0

](9)0 0 0 1坐标系上都有唯一的一点与之对应，其转换公式可表示为：P机器人仿射

=

TP机器人(10)学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载P机器人

=

T4P机器人仿射

(11)6.2.5 机器人仿射坐标系—双目摄像机光学坐标系的映射到双目摄像机光学坐标系中，其转换关系矩阵为：xcr1

−xcr0

xcr2

−xcr0

xcr3

−xcr0

xcr0T4T4

=

[

cr1

−ycr0

ycr2

−ycr0

ycr3

−ycr0

ycr0zcr1

−zcr0

zcr2

−ycr0

zcr3

−zcr0

zcr0

](12)其转换公式可表示为：

0

0

0

1P机器人仿射

=

TP机器人(13)P光学

=

T2P机器人仿射(14)由以上关系可求得机器人坐标系中的点对应到摄像机光学坐标系下的映射关系为：P机器人

=

T4TP

=

T6P光学(15)其中光学坐标系到摄像机坐标系的映射矩阵为：T6

=

T4T(16)6.2.6 图像坐标系—机器人坐标系由图像坐标系到摄像机光学坐标系的转换关系T3，光学坐标系到机器人坐标系的转换关系T6，故可求得图像坐标系上的点到机器人坐标系的转换关系：P机器人

=

T6T3P图像

=

T7P图像(17)T7

=

T6T3(18)183D模型上的任意点位置坐标映射到机器人坐标系下。学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载参 考 文

献[1]

GB/T

协作机器人用一体式伺服电动机系统通用规范[2]

YY/T

1619-2018 牙