CN109581651A - 一种用于医疗机器人的激光扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有激光线焦点调整功能、光点投射功能的激光扫描装置，适合安装于医疗机器人上以进行三维扫描和定位。包括外壳、快拆座、工业相机、镜头、激光器、光学模组。光学模组包括筒壳、凹透镜、凸透镜、极靴、伸缩吊筒、伸缩线圈、小法兰、大法兰、偏转弹丝、偏转镜筒、偏转透镜。该激光扫描装置的输出激光可切换为线型截面或圆形截面。线型激光的焦点位置可调节，提高了患者体表外形数据的扫描精度。圆形激光的输出方向可调节，用于根据软件指令投射至患者体表，引导医生验证和观察手术定位情况。

Description

一种用于医疗机器人的激光扫描装置
【技术领域】
本发明提供一种用于医疗机器人的激光扫描装置，特别是涉及一种用于医疗手术机器人导航定位的激光扫描装置，属于激光扫描技术领域。
【背景技术】
在医疗机器人中，使用三维扫描方法获取患者体表外形数据是保证手术定位、精确操作的关键。激光扫描技术具有测量精度高、不易受环境光干扰等优点。现有的激光扫描装置功能单一，无法调节激光线宽度，不适应医疗机器人应用的需要。
【发明内容】
(一)本发明的目的
基于此，有必要针对医疗机器人的应用需求，提供一种用于医疗机器人的激光扫描装置，它是一种具有激光线焦点调整功能、进针光点投射功能的激光扫描装置。
(二)技术方案
本发明一种用于医疗机器人的激光扫描装置，它包括外壳(10)、快拆座(20)、工业相机(30、32)、镜头(31、33)、激光器(70)、光学模组(80)；它们相互之间的关系是：所述快拆座(20)固定于所述外壳(10)上方，所述工业相机(30、32)分别安装在所述外壳(10)的两端，所述镜头(31、33)分别安装在所述工业相机(30、32)的下方；所述激光器(70)位于所述外壳(10)的上方对称中心处，并连接在所述快拆座(20)的下方；所述光学模组(80)与所述激光器(70)下方同心共轴连接；
所述外壳(10)由塑料制成，将装置各部分包裹并固定；所述快拆座(20)上设有卡槽和螺纹孔，可根据需求固定在机械臂或丝杠导轨上，可按要求选用现有产品；所述工业相机(30、32)为800万像素以上的高清相机，帧率不低于10fps，可按要求选用现有产品；所述镜头(31、33)与所述工业相机(30、32)配套，通过标准卡口连接，其焦距取决于扫描平面的位置，按要求选用现有产品；所述激光器(70)为小型半导体可见光激光器，外形为圆柱形，可按要求选用现有产品。
所述光学模组(80)包括筒壳(800)、凹透镜(81)、凸透镜(82)、极靴线圈(83)、伸缩吊筒(84)、伸缩线圈(85)、小法兰(86)、大法兰(87)、偏转弹丝(88)、偏转镜筒(89)、偏转透镜(90)；它们相互之间的关系是：所述激光器(70)固定在该筒壳(800)上；所述伸缩吊筒(84)套在该激光器(70)外，上端固定于该激光器(70)上；所述伸缩线圈(85)紧密绕于该伸缩吊筒(84)外；所述凹透镜(81)固定于该激光器(70)的内部末端；所述凸透镜(82)固定于该小法兰(86)和大法兰(87)之间，并与之同心共轴；所述偏转弹丝(88)的周向均布于该大法兰(87)的外缘，下端固定在该偏转镜筒(89)的上端面；所述偏转透镜(90)同心共轴固定在该偏转镜筒(89)的内部；所述四个极靴线圈(83)周向均布于偏转镜筒(89)，固定于该筒壳(800)的下端；
所述筒壳(800)为空心圆柱形，侧面中部对称地周向开有四个方形散热孔；所述凹透镜(81)为双面凹球面镜；所述凸透镜(82)为双面凸球面镜，该凹透镜(81)与该凸透镜(82)的半径相等，焦距接近；所述伸缩吊筒(84)由弹簧钢丝绕制成螺旋形；所述伸缩线圈(85)由漆包线绕制于该伸缩吊筒(84)外；该伸缩线圈(85)通以电流后，该伸缩吊筒(84)缩短，使得该凹透镜(81)和凸透镜(82)之间的距离增加，等效焦距变大，射出激光束宽度增大；所述小法兰(86)为盘状，内圈车削有圆台，圆台内径与透镜外径相等，所述大法兰(87)为盘状，外径比该小法兰(86)稍大，内圈车削有圆台；该大法兰(87)与该小法兰(86)可夹住该凸透镜(82)；所述偏转弹丝(88)为弧形，向该偏转镜筒(89)的轴心弯曲；所述偏转镜筒(89)内有环形槽，可嵌入偏转透镜(90)；所述极靴线圈(83)有四个，为漆包线绕铁芯而成，其轴沿该偏转镜筒(89)的径向；所述偏转透镜(90)由边缘部分和中心部分粘接组合而成，该边缘部分为单面凹透镜，该中心部分为柱透镜；
所述光学模组(80)中的极靴线圈(83)通以电流后，吸引该偏转镜筒(89)扭转，带动该偏转透镜(90)移动，则激光经边缘部分的凹透镜(81)折射，向相应方向偏转；控制极靴线圈(83)的电流大小，可以控制激光的偏转角度；
在其中一个实施方式中，所有透镜使用火石玻璃；
在其中一个实施方式中，所述激光器发射波长为650nm。
(三)本发明的优点及功效
上述用于医疗机器人的激光扫描装置具有的有益效果为：该激光扫描装置的输出激光可切换为线型截面或圆形截面，线型激光的焦点位置可调节，提高了患者体表外形数据的扫描精度；圆形激光的输出方向可调节，用于根据软件指令投射至患者体表，引导医生验证和观察手术定位情况。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为一实施方式的激光扫描装置的外形示意图。
图2为该装置内部结构示意图。
图3(a)(b)为光学模组的结构示意图。
图4为偏转透镜结构示意图。
图5为本装置挂载于机械臂上的示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
图1中：
10-外壳、20-快拆座、30-工业相机、31-镜头、32-工业相机、33-镜头、80-光学模组
图2中：
11-连接片、13-固定片、20-快拆座、30-工业相机、31-镜头、32-工业相机、33-镜头、70-激光器、80-光学模组
图3(a)中：
70激光器、800-筒壳、90-偏转透镜
图3(b)中：
70-激光器、81-凹透镜、82-凸透镜、83-极靴线圈、84-伸缩吊筒、85-伸缩线圈、86-小法兰、87-大法兰、88-偏转弹丝、89-偏转镜筒、90-偏转透镜
图4中：
91-边缘部分、92、93-中心柱状透镜
【具体实施方式】
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
结合图1和图2所示，一实施方式的一种三维扫描装置，包括外壳10、连接片11、快拆座20、工业相机30、镜头31、工业相机32、镜头33、激光器70、光学模组80。其中，快拆座20固定于外壳10上方，工业相机30、32分别通过固定片13安装在外壳10两端，镜头31、33安装在工业相机30、32下方，激光器70固定于外壳10上方对称中心处，并通过连接片11固定在快拆座20下方，光学模组80与激光器70下方同心共轴连接。
扫描装置工作时，激光器70接通电源产生激光束(可见光波段)，光束的截面为圆形或接近圆形。激光束射入光学模组80。光学模组80内部光学组件可根据设定的输出模式，将激光截面变换为圆型或线型射出。在圆型模式下，光学模组80可根据设定，通过径向移动内部光学组件，改变射出圆型光束的方向。在线型模式下，光学模组80可根据设定，通过轴向移动内部光学组件，改变线型光束的焦点位置。从光学模组80射出的光线投射至目标物体上，漫反射光线经过镜头31、33，成像于工业相机30、32感光靶面上。图像通过数据线传输至计算机。计算机中使用检测算法提取激光线的位置，并通过几何三角方法解算出所投射激光线的三位坐标。
上述实施方式中，由于工业相机30、32和激光器70、光学模组80都直接或间接连接在外壳10上，工作中以上各部件相对位置姿态保持不变，故几何三角方法解算时的参数可预先设定为固定值。
结合图3(a)和图3(b)所示，光学模组80包括筒壳800、凹透镜81、凸透镜82、极靴线圈83、伸缩吊筒84、伸缩线圈85、小法兰86、大法兰87、偏转弹丝88、偏转镜筒89、偏转透镜90。激光器70固定在筒壳800上。伸缩吊筒84为硅钢丝材料绕制为螺旋形，套在激光器70外，上端固定于激光器70，下端固定于小法兰86。伸缩线圈85紧密绕于伸缩吊筒84外，不可相对滑动。凹透镜81固定于激光器70内部末端。凸透镜82固定于小法兰86和大法兰87之间，并与之同心共轴。具体的，小法兰86和大法兰87上可以开设数个沿圆周均布的螺钉孔，穿过螺钉孔的螺钉将小法兰86和大法兰87压紧在一起，并夹住凸透镜82。四根偏转弹丝88周向均布，上端固定在大法兰87外缘，下端固定在偏转镜筒89上端面。偏转透镜90同心共轴固定在偏转镜筒89内部。四个极靴线圈83周向均布，环绕偏转镜筒89，固定于筒壳800下端。极靴线圈83接通电源可产生磁性吸引偏转镜筒89克服偏转弹丝88的弹力扭转，带动偏转透镜90偏转。
结合图4所示，在一些实施方式中，偏转透镜90由边缘部分91和中心部分92、93粘接组合而成。边缘部分91为单面凹透镜。中心部分92为柱透镜。中心部分93为柱透镜且与92的光轴方向平行。
优选的，偏转弹丝88材料为65Mn弹簧钢或55CrMnA弹簧钢。
优选的，激光器70发射波长为650nm。
在一些实施方式中，快拆座20可以使用螺栓连接，也可以使用卡槽结构连接。
作为本发明进一步的方案，可以将本装置挂载于机械臂上使用，如图5所示。
作为本发明再进一步的方案，可以将本装置挂载于丝杠导轨上使用。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种用于医疗机器人的激光扫描装置，其特征在于：它包括外壳(10)、快拆座(20)、工业相机(30、32)、镜头(31、33)、激光器(70)、光学模组(80)；它们相互之间的关系是：所述快拆座(20)固定于该外壳(10)上方，所述工业相机(30、32)分别安装在该外壳(10)的两端，所述镜头(31、33)分别安装在该工业相机(30、32)的下方；所述激光器(70)位于该外壳(10)的上方对称中心处，并连接在该快拆座(20)的下方；所述光学模组(80)与该激光器(70)下方同心共轴连接；
所述外壳(10)由塑料制成，将装置各部分包裹并固定；所述快拆座(20)上设有卡槽和螺纹孔，能根据需求固定在机械臂及丝杠导轨两者之一上，能按要求选用现有产品；所述工业相机(30、32)为高清相机，帧率不低于10fps，能按要求选用现有产品；所述镜头(31、33)与所述工业相机(30、32)配套，通过标准卡口连接，其焦距取决于扫描平面的位置，按要求选用现有产品；所述激光器(70)为小型半导体可见光激光器，外形为圆柱形，能按要求选用现有产品；
所述光学模组(80)包括筒壳(800)、凹透镜(81)、凸透镜(82)、极靴线圈(83)、伸缩吊筒(84)、伸缩线圈(85)、小法兰(86)、大法兰(87)、偏转弹丝(88)、偏转镜筒(89)、偏转透镜(90)；它们相互之间的关系是：所述激光器(70)固定在该筒壳(800)上；所述伸缩吊筒(84)套在该激光器(70)外，上端固定于该激光器(70)上；所述伸缩线圈(85)紧密绕于该伸缩吊筒(84)外；所述凹透镜(81)固定于该激光器(70)的内部末端；所述凸透镜(82)固定于该小法兰(86)和大法兰(87)之间，并与之同心共轴；所述偏转弹丝(88)的周向均布于该大法兰(87)的外缘，下端固定在该偏转镜筒(89)的上端面；所述偏转透镜(90)同心共轴固定在该偏转镜筒(89)的内部；所述四个极靴线圈(83)周向均布于偏转镜筒(89)，固定于该筒壳(800)的下端；
所述筒壳(800)为空心圆柱形，侧面中部对称地周向开有四个方形散热孔；所述凹透镜(81)为双面凹球面镜；所述凸透镜(82)为双面凸球面镜，该凹透镜(81)与该凸透镜(82)的半径相等，焦距接近；所述伸缩吊筒(84)由弹簧钢丝绕制成螺旋形；所述伸缩线圈(85)由漆包线绕制于该伸缩吊筒(84)外；该伸缩线圈(85)通以电流后，该伸缩吊筒(84)缩短，使得该凹透镜(81)和凸透镜(82)之间的距离增加，等效焦距变大，射出激光束宽度增大；所述小法兰(86)为盘状，内圈车削有圆台，圆台内径与透镜外径相等，所述大法兰(87)为盘状，外径比该小法兰(86)稍大，内圈车削有圆台；该大法兰(87)与该小法兰(86)能夹住该凸透镜(82)；所述偏转弹丝(88)为弧形，向该偏转镜筒(89)的轴心弯曲；所述偏转镜筒(89)内有环形槽，能嵌入偏转透镜(90)；所述极靴线圈(83)有四个，为漆包线绕铁芯而成，其轴沿该偏转镜筒(89)的径向；所述偏转透镜(90)由边缘部分和中心部分粘接组合而成，该边缘部分为单面凹透镜，该中心部分为柱透镜；
所述光学模组(80)中的极靴线圈(83)通以电流后，吸引该偏转镜筒(89)扭转，带动该偏转透镜(90)移动，则激光经边缘部分的凹透镜(81)折射，向相应方向偏转；控制极靴线圈(83)的电流大小，能控制激光的偏转角度。
2.根据权利要求1所述的一种用于医疗机器人的激光扫描装置，其特征在于：
所述工业相机的像素为800万像素以上。
3.根据权利要求1所述的一种用于医疗机器人的激光扫描装置，其特征在于：
该激光扫描装置所使用的凹透镜、凸透镜，都是使用火石玻璃材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种用于医疗机器人的激光扫描装置，其特征在于：
该激光扫描装置所使用的激光器，其发射波长为650nm。
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