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为什么光学追踪系统的高速度和低延迟在机器人手术中如此重要?

2021-08-23 16:51娱乐 人已围观

简介光学跟踪系统是机器人的眼睛。可以说,如果你想要一个机器人快速准确地移动,你需要高效的眼睛!这部分是正确的。但是,您需要考虑其他元素才能拥有一个高效的系统。首先,让我们尝...

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光学跟踪系统是机器人的眼睛。可以说,如果你想要一个机器人快速准确地移动,你需要高效的眼睛!这部分是正确的。但是,您需要考虑其他元素才能拥有一个高效的系统。首先,让我们尝试类比人类抓握物体时的手眼协调。

我们生活在一个三维的世界,但我们的视网膜只能在二维中捕捉它。立体视觉是一种大脑皮层过程,它在心理上重建了一个三维世界,这个三维世界通过视网膜从环境中捕获光而简化为二维世界。更正式地说,立体视觉是基于双目视差线索计算物体的立体感和深度。

为了拿起一个物体,我们必须首先估计它的形状和它相对于我们身体的位置。立体视觉可以明确地确定这些属性,因为眼睛聚散度指定了一个物体的以自我为中心的距离,而双眼视差决定了它的 3D(3 维)结构。

Liesbeth Mazyn 通过分析具有单眼、正常和弱立体视觉能力的受试者捕捉移动网球的效率,做了一个非常简单的心理物理实验。

 

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实验结果如下:

 

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事实证明,球越快,就越有必要拥有良好的立体视觉。

无论是人还是机器人,立体视觉系统的质量都会影响完成移动任务的速度。实际上,机器人的眼睛需要良好的准确性(或真实性)。相反,机器人应该能够移动得足够快!

视觉服务

视觉伺服主要是指利用视觉数据来控制机器人的运动。视觉伺服可以被描述为一种闭环控制算法,其误差是根据视觉测量来定义的。该控制方案的主要目标是减少误差并驱动机器人关节角度作为位姿(方向和位置)误差的函数。

这种类型的控制回路经常应用于需要物体检测、伺服、对齐和抓取的物体操纵任务。

以下流程图展示了视觉伺服系统的基本构建块:

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很容易理解,减少这个控制回路(上图中的光学跟踪系统块)的处理时间将使机器人移动得更快。实际上,它转化为光学跟踪系统的延迟。该指标主要基于成像传感器的读出速度、图像处理时间以及与视觉伺服控制回路系统通信通道的实时能力。

想象一下,您的机器人以 1m/s 的速度线性移动,而您的跟踪系统的延迟为 33ms。当控制回路接收到位姿信息时,机器人实际上已经移动了 33 毫米。但是,如果跟踪系统的延迟为 4ms,则移动将仅为 4mm。

选择跟踪系统不是基于其速度而是基于其延迟。

机器人辅助手术

有两个系列的机器人辅助手术应用。一种更类似于远程操作,外科医生自己进行视觉伺服,例如 Intuitive Surgical 的达芬奇系统。我们现在将关注另一种类型的机器人,这些机器人需要实时自动补偿解剖结构的运动。

在典型的骨科手术中,机器人用于在假体植入之前准确放置螺钉或切割/雕刻骨骼。通常,首先将标记固定在患者身上,以便机器人可以在解剖结构移动的情况下调整其运动。第二个标记以相对于末端执行器的已知姿势(机器人的远端位置,如钻或锯)放置在手术器械上。机器人将按照手术前或干预期间实现的计划进行操作

结果的质量主要取决于以下因素:

• 跟踪生态系统的真实性,包括光学跟踪系统的准确性、基准技术、标记的几何设计、

• 配准过程(数字解剖与物理解剖的对齐),

• 机器人视觉控制回路补偿患者运动的能力,

较低的延迟不仅会提高反馈回路后机器人位置校正的准确性,而且还会使操作更快。

结论

在构建机器人应用程序时,考虑光学跟踪系统的性能很重要。但是,还应考虑机器人结构的实际效率,以及其他组件,如基准技术和标记的几何形状。配准过程也会对整体误差产生很大影响,应予以考虑。最后,应考虑人体工程学和可用性考虑,因为机器人在手术过程中肯定需要人工合作。

参考

Mazyn, L.I.N., Lenoir, M., Montagne, G. et al. The contribution of stereo vision to one-handed catching. Exp Brain Res 157, 383–390 (2004).

https://doi.org/10.1007/s00221-004-1926-x


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