《基于光學(xué)定位的種植牙機(jī)器人精準(zhǔn)定位系統(tǒng)》

ICS25.040.30

CCSJ28

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CIXXXX—XXXX

基于光學(xué)定位的種植牙機(jī)器人精準(zhǔn)定位系

統(tǒng)

Positioningaccuracystandardofdentalimplantrobotbaseonopticaltrackingsystem

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國國際科技促進(jìn)會發(fā)布

T/CIXXXX—XXXX

基于光學(xué)定位的種植牙機(jī)器人精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

1范圍

本文件規(guī)定了基于光學(xué)定位的種植牙機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用要求及主要坐標(biāo)系標(biāo)定。

本文件適用于GB/T36008-2018所述協(xié)作機(jī)器人，而不適用于非工業(yè)機(jī)器人，盡管其提供的安全性

原則也可能被用于其他類型機(jī)器人。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T39005-2020工業(yè)機(jī)器人視覺集成系統(tǒng)通用技術(shù)要求

GB/T36008-2018機(jī)器人與機(jī)器人裝備協(xié)作機(jī)器人

3術(shù)語和定義

GB/T36008-2018界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

光學(xué)定位系統(tǒng)opticaltracker

高精度雙目紅外光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)等環(huán)境。

3.2

光學(xué)定位坐標(biāo)系opticaltrackercoordinatesystem

以光學(xué)定位系統(tǒng)為參照的坐標(biāo)系。

3.3

世界坐標(biāo)系worldcoordinatesystem

以協(xié)作機(jī)器人的基座為參照的坐標(biāo)系。

3.4

機(jī)器人末端坐標(biāo)系toolcenterpointcoordinatesystem

以機(jī)器人的工具末端為參照的坐標(biāo)系。

3.5

CT坐標(biāo)系CTcoordinatesystem

以CT生成的圖像為參照的坐標(biāo)系。

3.6

種植牙體系dentalimplantsystem

設(shè)計用于配合在一起的種植體組件。

3.7

植入精度dentalimplantaccuracy

種植體植入牙槽骨的位置和姿態(tài)準(zhǔn)確性。

3.8

實時軌跡規(guī)劃real-timetrajectoryplanning

在種植過程中，機(jī)器人隨視覺信標(biāo)位姿變化而實時規(guī)劃運行軌跡。

4種植牙機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

4.1通則

1

T/CIXXXX—XXXX

種植牙機(jī)器人采用GB/T36008-2018規(guī)定的協(xié)作機(jī)器人，利用其與人共融的安全特性，在末端夾持

種植手機(jī)，直接工作于牙槽骨位置。

4.2系統(tǒng)組成

4.2.1系統(tǒng)主要部件包括協(xié)作機(jī)器人、光學(xué)定位儀、口腔CT；整個運行過程需要將協(xié)作機(jī)器人末端TCP

坐標(biāo)、光學(xué)定位儀的坐標(biāo)和口腔CT產(chǎn)生的圖像坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換達(dá)到統(tǒng)一。

4.2.2首先患者口腔CT掃描件生成DICOM格式，患者頭部種植牙的位置信息和牙槽骨信息，醫(yī)生通過

CT確定種植體埋入深度；通過CT圖像處理將患者種植位置信息確定，上傳給主控系統(tǒng)。

4.2.3光學(xué)定位儀通過信標(biāo)部件，確定患者的位置和牙槽骨的位姿信息；注意此處的患者位置和牙槽

骨位姿為隨動的信號；患者會自覺和不自覺的運動，也會產(chǎn)生肌肉抽搐等生理性反應(yīng)；此時，光學(xué)定位

儀需要把這些信息實時上傳給主控系統(tǒng)。

4.2.4協(xié)作機(jī)器人作為主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，起到了牙槽骨鉆孔等主要的動作執(zhí)行；在此過程中，機(jī)器人

的主動安全性，依靠光學(xué)定位儀和協(xié)作機(jī)器人本身的力傳感器來實現(xiàn)。

4.3系統(tǒng)主要指標(biāo)

4.3.1口腔CT機(jī)

應(yīng)用于種植牙機(jī)器人系統(tǒng)的口腔CT機(jī)，應(yīng)滿足以下指標(biāo)：

a)具備三維重建算法，逐層顯示任一界面圖像，提供任意角度、任意位置的wjxlgod高清晰斷

層影像；

b)應(yīng)在18s內(nèi)旋轉(zhuǎn)360度完成數(shù)據(jù)采集，快速獲取三維影像；

c)3D和2D技術(shù)影像系統(tǒng)：3D影像、曲面斷層、頭顱側(cè)位影像；從3D影像中重建頭顱側(cè)位影像；

4.3.2光學(xué)定位儀

應(yīng)用于種植牙機(jī)器人的光學(xué)定位儀，應(yīng)滿足GB/T39005-2020第6章要求，并滿足以下指標(biāo)：

a)光學(xué)定位系統(tǒng)使用雙目紅外光學(xué)定位技術(shù)，可測量出固定在被追蹤物體上的主動或被動標(biāo)記

點的3D坐標(biāo)；

b)通過系統(tǒng)算法，可實時獲得在測量區(qū)域內(nèi)的多個被標(biāo)記物體的位置和姿態(tài)六自由度數(shù)據(jù)，數(shù)

據(jù)輸出為定位坐標(biāo)(x,y,z)、方位角、歐幾里德變換矩陣；

c)系統(tǒng)軟件采用抗干擾算法，如抖動處理、有效屏蔽可見光環(huán)境干擾等，進(jìn)一步保證系統(tǒng)精度。

系統(tǒng)軟件采用圖形化界面，具有3D建模、標(biāo)記點編輯、6D工具制作、API接口等功能；

d)性能指標(biāo)：精度0.3mmRMSE；延遲15ms-25ms；刷新率最低為60Hz；追蹤范圍一般在

0.5m-5m(錐型測量區(qū)域)。

5種植牙機(jī)器人應(yīng)用要求

應(yīng)用于種植牙的協(xié)作機(jī)器人，應(yīng)滿足GB∕T36008-2018中應(yīng)用要求，并滿足以下指標(biāo)：

a)有效負(fù)載分別為5kg以上,有效工作半徑900mm以上；

b)至少包含高達(dá)2個數(shù)字輸入輸出端口和2個模擬量輸入輸出端口；

c)機(jī)器人運行速度高；肩、肘、腕和基座關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度都不低于180度/秒，工具端速度分別

為1.5m；

d)絕對精度高達(dá)0.3mm；重復(fù)定位精度高達(dá)0.03mm，滿足高精度應(yīng)用場合；

e)啟動碰撞檢測功能，能夠智能感知沖撞力和擠壓力，發(fā)生碰撞后相應(yīng)時間≤0.1s，最大程度

的保護(hù)安全。

6種植牙機(jī)器人主要坐標(biāo)系標(biāo)定

6.1種植牙系統(tǒng)坐標(biāo)系

種植牙系統(tǒng)有3個主要的坐標(biāo)系：CT坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系和光學(xué)定位坐標(biāo)系。

6.2基于光學(xué)定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系

2

T/CIXXXX—XXXX

6.2.1光學(xué)定位系統(tǒng)的五個坐標(biāo)系

基于光學(xué)定位系統(tǒng)中有五個坐標(biāo)系，即計算機(jī)圖像坐標(biāo)系、雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系、

3D模型仿射坐標(biāo)系和機(jī)器人仿射坐標(biāo)系。通過坐標(biāo)系之間的變換可建立圖像坐標(biāo)系到機(jī)器人坐標(biāo)系之間

的關(guān)系。

6.2.2圖像坐標(biāo)系—3D模型仿射坐標(biāo)系

利用在3D模型上粘貼不少于4個標(biāo)記點建立一個3D模型仿射坐標(biāo)系，利用不在同一平面內(nèi)的4個標(biāo)記

點建立參考坐標(biāo)系，任選其中一個標(biāo)記點M0（xm0,ym0,zm0）作為參考坐標(biāo)系原點，且平行于CT圖像

坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸方向，則3D模型仿射坐標(biāo)系相對于CT圖像坐標(biāo)系發(fā)生了平移和旋轉(zhuǎn)，其分別在x、y、

z軸上平移距離為xm0、ym0、zm0，其沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)為0。和其他三個標(biāo)記點M1（xm1,ym1,zm1）、

M2（xm2,ym,2,zm2）、M3（xm3,ym3,zm3）建立仿射關(guān)系，從3D模型放射坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的映

射矩陣可表示為如下：

xm1?xm0xm2?xm0xm3?xm0xm0

ym1?ym0ym2?ym0ym3?ym0ym0

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

zm1?zm0zm2?ym0zm3?zm0zm0

0001

這樣3D模型仿射坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系建立了一一對應(yīng)的關(guān)系，則圖像坐標(biāo)系中的任意一點P（xmp,

ymp,zmp）在3D模型上都有唯一的一點與之對應(yīng)，其轉(zhuǎn)換公式可表示為：

?1(2)

P3D仿射=T1P圖像·····································································

(3)

P圖像=T1P3D仿射······································································

6.2.33D模型仿射坐標(biāo)系—雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系

通過雙目攝像機(jī)做光學(xué)定位計算，同樣求得四個標(biāo)記點在光學(xué)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置，同樣可以建立

攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系到3D模型仿射坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣：

xc1?xc0xc2?xc0xc3?xc0xc0

yc1?yc0yc2?yc0yc3?yc0yc0

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

zc1?zc0zc2?yc0zc3?zc0zc0

0001

這樣雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系和3D模型仿射坐標(biāo)系建立了一一對應(yīng)的關(guān)系，則3D模型上的任意一點在

雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系上都有唯一的一點與之對應(yīng)，其轉(zhuǎn)換公式可表示為：

?1(5)

P光學(xué)=T2P3D仿射·····································································

(6)

P3D仿射=T2P光學(xué)······································································

由公式（5）和公式（6）關(guān)系可求得圖像坐標(biāo)系中的點對應(yīng)到攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系下的映射關(guān)系為：

?1?1

P光學(xué)=T2T1P圖像=T3P圖像···························································(7)

其中圖像坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的映射矩陣為：

?1?1

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

6.2.4機(jī)器人坐標(biāo)系—機(jī)器人仿射坐標(biāo)系

仿照以上的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在機(jī)器人末端選取四個標(biāo)記點，作為機(jī)器人的標(biāo)記點，可建立機(jī)器人坐標(biāo)系

到機(jī)器人仿射坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣：

xr1?xr0xr2?xr0xr3?xr0xr0

yr1?yr0yr2?yr0yr3?yr0yr0

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

zr1?zr0zr2?yr0zr3?zr0zr0

0001

這樣機(jī)器人坐標(biāo)系和機(jī)器人仿射坐標(biāo)系建立了一一對應(yīng)的關(guān)系，則機(jī)器人的任意一點在機(jī)器人仿射

坐標(biāo)系上都有唯一的一點與之對應(yīng)，其轉(zhuǎn)換公式可表示為：

?1

P機(jī)器人仿射=T4P機(jī)器人·······························································(10)

3

T/CIXXXX—XXXX

P機(jī)器人=T4P機(jī)器人仿射································································(11)

6.2.5機(jī)器人仿射坐標(biāo)系—雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系

可建立機(jī)器人仿射坐標(biāo)系和雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系，機(jī)器人上的每個點都可以唯一

的映射到雙目攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系中，其轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣為：

xcr1?xcr0xcr2?xcr0xcr3?xcr0xcr0

ycr1?ycr0ycr2?ycr0ycr3?ycr0ycr0

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

zcr1?zcr0zcr2?ycr0zcr3?zcr0zcr0

0001

其轉(zhuǎn)換公式可表示為：

?1

P機(jī)器人仿射=T5P機(jī)器人·······························································(13)

P光學(xué)=T2P機(jī)器人仿射··································································(14)

由以上關(guān)系可求得機(jī)器人坐標(biāo)系中的點對應(yīng)到攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系下的映射關(guān)系為：

?1

P機(jī)器人=T4T5P光學(xué)=T6P光學(xué)·························································(15)

其中光學(xué)坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的映射矩陣為：

?1

T6=T4T5··········································································(16)

6.2.6圖像坐標(biāo)系—機(jī)器人坐標(biāo)系

由圖像坐標(biāo)系到攝像機(jī)光學(xué)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系T3，光學(xué)坐標(biāo)系到機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系T6，故可

求得圖像坐標(biāo)系上的點到機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

P機(jī)器人=T6T3P圖像=T7P圖像·················