《基于光学定位的种植牙机器人精准定位系统》

ICS25.040.30

CCSJ28

团体标准

T/CIXXXX—XXXX

基于光学定位的种植牙机器人精准定位系

统

Positioningaccuracystandardofdentalimplantrobotbaseonopticaltrackingsystem

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国国际科技促进会发布

T/CIXXXX—XXXX

基于光学定位的种植牙机器人精准定位系统

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/T36008-2018所述协作机器人，而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

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T39005-2020工业机器人视觉集成系统通用技术要求

GB/T36008-2018机器人与机器人装备协作机器人

3术语和定义

GB/T36008-2018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opticaltracker

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opticaltrackercoordinatesystem

以光学定位系统为参照的坐标系。

3.3

世界坐标系worldcoordinatesystem

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toolcenterpointcoordinatesystem

以机器人的工具末端为参照的坐标系。

3.5

CT坐标系CTcoordinatesystem

以CT生成的图像为参照的坐标系。

3.6

种植牙体系dentalimplantsystem

设计用于配合在一起的种植体组件。

3.7

植入精度dentalimplantaccuracy

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-timetrajectoryplanning

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

1

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种植牙机器人采用GB/T36008-2018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系统主要部件包括协作机器人、光学定位仪、口腔CT；整个运行过程需要将协作机器人末端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CT扫描件生成DICOM格式，患者头部种植牙的位置信息和牙槽骨信息，医生通过

CT确定种植体埋入深度；通过CT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，确定患者的位置和牙槽骨的位姿信息；注意此处的患者位置和牙槽

骨位姿为随动的信号；患者会自觉和不自觉的运动，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CT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wjxlgod高清晰断

层影像；

b)应在18s内旋转360度完成数据采集，快速获取三维影像；

c)3D和2D技术影像系统：3D影像、曲面断层、头颅侧位影像；从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/T39005-2020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3D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(x,y,z)、方位角、欧几里德变换矩阵；

c)系统软件采用抗干扰算法，如抖动处理、有效屏蔽可见光环境干扰等，进一步保证系统精度。

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、API接口等功能；

d)性能指标：精度0.3mmRMSE；延迟15ms-25ms；刷新率最低为60Hz；追踪范围一般在

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∕T36008-2018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以上；

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180度/秒，工具端速度分别

为1.5m；

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，发生碰撞后相应时间≤0.1s，最大程度

的保护安全。

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

2

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6.2.1光学定位系统的五个坐标系

基于光学定位系统中有五个坐标系，即计算机图像坐标系、双目摄像机光学坐标系、机器人坐标系、

3D模型仿射坐标系和机器人仿射坐标系。通过坐标系之间的变换可建立图像坐标系到机器人坐标系之间

的关系。

6.2.2图像坐标系—3D模型仿射坐标系

利用在3D模型上粘贴不少于4个标记点建立一个3D模型仿射坐标系，利用不在同一平面内的4个标记

点建立参考坐标系，任选其中一个标记点M0（xm0,ym0,zm0）作为参考坐标系原点，且平行于CT图像

坐标系的三个坐标轴方向，则3D模型仿射坐标系相对于CT图像坐标系发生了平移和旋转，其分别在x、y、

z轴上平移距离为xm0、ym0、zm0，其沿x、y、z轴旋转为0。和其他三个标记点M1（xm1,ym1,zm1）、

M2（xm2,ym,2,zm2）、M3（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−xm0xm2−xm0xm3−xm0xm0

ym1−ym0ym2−ym0ym3−ym0ym0

T1=[]············································(1)

zm1−zm0zm2−ym0zm3−zm0zm0

0001

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（xmp,

ymp,zmp）在3D模型上都有唯一的一点与之对应，其转换公式可表示为：

−1(2)

P3D仿射=T1P图像·····································································

(3)

P图像=T1P3D仿射······································································

6.2.33D模型仿射坐标系—双目摄像机光学坐标系

通过双目摄像机做光学定位计算，同样求得四个标记点在光学坐标系下的坐标位置，同样可以建立

摄像机光学坐标系到3D模型仿射坐标系的转换矩阵：

xc1−xc0xc2−xc0xc3−xc0xc0

yc1−yc0yc2−yc0yc3−yc0yc0

T2=[]················································(4)

zc1−zc0zc2−yc0zc3−zc0zc0

0001

这样双目摄像机光学坐标系和3D模型仿射坐标系建立了一一对应的关系，则3D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：

−1(5)

P光学=T2P3D仿射·····································································

(6)

P3D仿射=T2P光学······································································

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：

−1−1

P光学=T2T1P图像=T3P图像···························································(7)

其中图像坐标系到摄像机坐标系的映射矩阵为：

−1−1

T3=T2T1······································································(8)

6.2.4机器人坐标系—机器人仿射坐标系

仿照以上的转换关系，在机器人末端选取四个标记点，作为机器人的标记点，可建立机器人坐标系

到机器人仿射坐标系之间的转换矩阵：

xr1−xr0xr2−xr0xr3−xr0xr0

yr1−yr0yr2−yr0yr3−yr0yr0

T4=[]·················································(9)

zr1−zr0zr2−yr0zr3−zr0zr0

0001

这样机器人坐标系和机器人仿射坐标系建立了一一对应的关系，则机器人的任意一点在机器人仿射

坐标系上都有唯一的一点与之对应，其转换公式可表示为：

−1

P机器人仿射=T4P机器人·······························································(10)

3

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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

可建立机器人仿射坐标系和双目摄像机光学坐标系之间的对应关系，机器人上的每个点都可以唯一

的映射到双目摄像机光学坐标系中，其转换关系矩阵为：

xcr1−xcr0xcr2−xcr0xcr3−xcr0xcr0

ycr1−ycr0ycr2−ycr0ycr3−ycr0ycr0

T4=[]·········································(12)

zcr1−zcr0zcr2−ycr0zcr3−zcr0zcr0

0001

其转换公式可表示为：

−1

P机器人仿射=T5P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：

−1

P机器人=T4T5P光学=T6P光学·························································(15)

其中光学坐标系到摄像机坐标系的映射矩阵为：

−1

T6=T4T5··········································································(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·················