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1、 ICS 25.040.30 CCS J 28 团体标准 T/CI 2142023 基于光学定位的种植牙机器人精准定位系统 Positioning accuracy standard of dental implant robot base on optical tracking system 2023-12-07 发布 2023-12-07 实施 中国国际科技促进会 发 布 T/CI 2142023 I 目次 前言.II 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 种植牙机器人系统设计.1 通则.1 4.1 系统组成.2 4.2 系统主要指标.2 4.3 5 种植牙机器人应
2、用要求.2 6 种植牙机器人主要坐标系标定.2 种植牙系统坐标系.2 6.1 基于光学定位系统的坐标系.2 6.2 参考文献.5 T/CI 2142023 II 前言 本文件按照GB/T 1.12020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。本文件起草单位：安徽集萃智造机器人科技有限公司、江苏集萃智能制造技术研究所有限公司、江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
3、海波、骆敏舟、郑素娟、刘 琳、李怀奇、王红星、韩 磊。T/CI 2142023 1 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/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 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/T 36008-2018 机器人与机器人装备
4、 协作机器人 GB/T 39005-2020 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 36008-2018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 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 system 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
5、具末端为参照的坐标系。3.5 CT 坐标系 CT coordinate system 以CT生成的图像为参照的坐标系。3.6 种植牙体系 dental implant system 设计用于配合在一起的种植体组件。3.7 植入精度 dental implant 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 通则 4.1 T/CI 2142023 2 种植牙机器人采用GB/T 36008-2018规定的协作机器人，利用其与人
6、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。系统组成 4.2 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，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
7、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。系统主要指标 4.3 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、任意位置的高清晰断层影像；b)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
8、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 39005-2020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 0.3 mm R
9、MSE；延迟 15 ms-25 ms；刷新率最低为 60 Hz；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GBT 36008-2018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/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
10、力；其中碰撞力阈值为 3N，发生碰撞后的响应时间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 种植牙系统坐标系 6.1 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。基于光学定位系统的坐标系 6.2 T/CI 2142023 3 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
11、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：T1=xm1 xm0ym1 ym0zm1 zm00 xm2 xm0ym2 ym0
12、zm2 ym00 xm3 xm0ym3 ym0zm3 zm00 xm0ym0zm01 (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（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：P3D 仿射=T11P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 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：T2=xc1 xc0yc1 yc0zc1 zc00 xc2 xc0yc2 yc0zc2 y
13、c00 xc3 xc0yc3 yc0zc3 zc00 xc0yc0zc01 (4)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：P光学=T21P3D 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=T21T11P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：T3=T21T11 (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
14、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：T4=xr1 xr0yr1 yr0zr1 zr00 xr2 xr0yr2 yr0zr2 yr00 xr3 xr0yr3 yr0zr3 zr00 xr0yr0zr01 (9)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：P机器人仿射=T41P机器人 (10)T/CI 2142023 4 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
15、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：T4=xcr1 xcr0ycr1 ycr0zcr1 zcr00 xcr2 xcr0ycr2 ycr0zcr2 ycr00 xcr3 xcr0ycr3 ycr0zcr3 zcr00 xcr0ycr0zcr01 (12)其转换公式可表示为：P机器人仿射=T51P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=T4T51P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：T6=T4T51(16)6.2.6 图像坐标系机器人坐标系 由
16、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)其中公式（18），是图像坐标系到机器人坐标系的转换关系矩阵，可实现3D模型上的任意点位置坐标映射到机器人坐标系下。T/CI 2142023 5 参考文献 1 GB/T 39633-2020 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 牙科学 种植体系统及相关过程的术语 3 YY/T 1689-2019 牙科学 牙种植体的标示系统 4 YY/T 0521-2018 牙科学 种植体 骨内牙种植体动态疲劳试验 5 ISO 10451:2010 牙种植系统技术文件的内容 6 ISO/TS 13498-2011 种植体/骨内牙移植系统的连接部分的接头扭力试验 7 ISO 14801-2016 骨内牙种植体的动态加载试验 8 ISO 16498:2013 临床使用的最小牙种植体数据集 9 ISO/TR 18130-2016 对骨内牙种植体的种植体/种植体基台连接进行循环扭转载荷下的螺钉松动试验