CN109674535A - 一种位置姿态导航器具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种位置姿态导航器具。该位置姿态导航器具包括连接机构和导航机构，所述连接机构设置成与待导航对象相对固定；所述导航机构包括本体和至少三个反光组件，所述本体固定连接于所述连接机构，所述至少三个反光组件凸出连接于所述本体的表面，且设置于待导航对象外，所述至少三个反光组件的空间布局不对称，以用于确定所述待导航对象在空间中的位置及姿态。采用本发明所提供的位置姿态导航器具，能较为简便地获取待导航对象的姿态和动作，以便于对待导航对象进行后续操作。

Description

一种位置姿态导航器具

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种位置姿态导航器具。

背景技术

在实际生活和工作过程中，人们无法准确地获取外侧存在遮挡物的物体的具体位置和姿态变化信息，这使得人们在对该物体进行后续操作时存在较大难度。例如，在骨科手术过程中，标准的治疗方法是在患者腹部两侧切出创口，以通过前述创口对患者实施手术，但是由于较难获取患者体内待修复骨骼的实际位置和具体姿态，造成整台手术的难度极大。

发明内容

(一)本发明要解决的技术问题是：对于外侧存在遮挡物的物体，其具体位置和姿态变化信息较难获取。

(二)技术方案

为了实现上述技术问题，本发明提供了一种位置姿态导航器具，其包括：

连接机构，所述连接机构设置成与待导航对象相对固定；

导航机构，所述导航机构包括本体和至少三个反光组件，所述本体固定连接于所述连接机构，所述至少三个反光组件凸出连接于所述本体的表面，且设置于待导航对象外，所述至少三个反光组件的空间布局不对称，以用于确定所述待导航对象在空间中的位置及姿态。

可选地，本发明所提供的位置姿态导航器具还包括显影部，所述显影部与所述反光组件相对固定，所述显影部设置成和待导航对象在特定环境下一体成像。

可选地，所述显影部设置有至少三个，且与所述至少三个反光组件一一对应配合。

可选地，所述显影部的外表面和所述反光组件的外表面均为球型结构，且对应配合的所述显影部设置于所述反光组件内，二者的球心重合。

可选地，本发明所提供的位置姿态导航器具还包括动作传感器，所述动作传感器安装于所述本体内。

可选地，所述动作传感器为惯性模块。

可选地，所述连接机构和所述本体可拆卸连接。

可选地，所述连接机构和所述本体一体成型。

可选地，所述至少三个反光组件均设置于所述本体背离所述连接机构的一侧。

可选地，本发明所提供的位置姿态导航器具还包括支架，所述反光组件和所述本体分别连接于所述支架的相对两端。

(三)有益效果

本发明所提供的位置姿态导航器具便于人们获取外侧存在遮挡物的物体的具体位置和姿态变化信息。例如，该位置姿态导航器具可以应用于骨科手术中，在手术过程中，通过切开极小的创口即可将连接机构伸入患者体内，从而将整个位置姿态导航器具固定在待修复的骨骼上；并且，通过获取导航机构中位于患者体外的至少三个反光组件的空间布局情况，可以确定待修复的骨骼这一待导航对象在空间中的位置和姿态信息，进而，根据位置姿态导航器具的位置和姿态变化情况，可以对应了解位于患者体内的待修复骨骼的位置和姿态变化情况，这可以在一定程度上降低手术难度，提升手术的精准程度。另外，本发明所提供的位置姿态导航器具还可以用于其他方面，借助这种位置姿态导航器具可以使工作人员较为容易获取外表存在遮挡物的物体的具体位置和姿态变化信息。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例所提供的位置姿态导航器具的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的位置姿态导航器具中导航机构的示意图；

图3是图2示出的导航机构在另一角度的结构示意图；

图4是图2示出的导航机构中部分结构的示意图；

图5是图4示出的结构在另一方向上的示意图；

图6是图4示出的结构在再一方向上的示意图；

图7是图4示出的结构中部分结构的示意图；

图8是本发明实施例所提供的位置姿态导航器具中本体的结构示意图；

图9是本发明实施例所提供的位置姿态导航器具中反光组件的结构示意图；

图10是本发明实施例所提供的位置姿态导航器具中连接机构的一种结构示意图；

图11是本发明实施例所提供的位置姿态导航器具中连接机构的另一种结构示意图。

附图标记

1-连接机构；

11-固定部；

12-连接部；

121-基底；

122-卡爪；

2-导航机构；

21-本体；

211-下壳体；

212-盖体；

22-反光组件；

23-锁紧部；

231-锁紧螺母；

24-显影部；

25-支架；

251-卡凸。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供一种位置姿态导航器具，其包括连接机构1和导航机构2，导航机构2包括本体21和至少三个反光组件22，本体21固定连接于连接机构1上，通过连接机构1，还可以将整个位置姿态导航器具固定在待导航对象上，从而当待导航对象的位置发生变化，或者导航对象的姿态发生改变，均会对应改变导航机构2的位置和姿态；同时，导航机构2中至少三个反光组件22的空间布局不对称，且该至少三个反光组件22设置于待导航对象外，从而通过获取该至少三个反光组件22的在空间中的位置变化以及姿态变化，即可对应获取待导航对象的位置变化和姿态变化信息，从而无论待导航对象的所在何处，外侧是否存在遮挡物，借助本发明所提供的位置姿态导航器具，均可以较为容易地获取待导航对象的位置和姿态变化信息；并且，所获取到的待导航对象的位置和姿态变化信息相对精确。

具体地，连接机构1的材质可以根据该位置姿态导航器具的实际使用场景确定，连接机构1可以采用金属或塑料等硬质材料制成，以保证导航机构2与待导航对象之间在相对固定关系具有较高的可靠性；可选地，本发明所提供的位置姿态导航器具可以应用于骨科手术中，在这种情况下，连接机构1则可以由医用不锈钢制成，且其可以为杆状结构，沿连接机构1的长度方向，连接机构1的一端可以连接有导航机构2，另一端可以伸入至患者体内，与待修复的骨骼连接，可选地，连接机构1的另一端可以设置成尖头状结构，以便于与骨骼等待导航对象连接。可选地，连接机构1用于与骨骼等待导航对象连接的一端也可以设置有螺纹，从而在应用于骨科手术等场景时，可以通过在骨骼等待导航对象上开设螺纹孔，完成固设整个连接机构1的工作。对此本文不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况确定连接机构1的具体结构。

导航机构2的本体21可以由塑料等材料制成，反光组件22可以由反光材料制成，反光组件22的形状可以根据其自身相对本体21的位置对应选定，如反光组件22可以为球型或者为立方体等形状，至少三个反光组件22的具体设置位置可以根据实际情况确定，以尽可能防止在该位置姿态导航器具的工作过程中出现反光组件22被完全遮挡的问题，进而保证通过该至少三个反光组件22基本可以确定待导航对象的位置和姿态。另外，反光组件22可以设置有多于三个，例如，图1示出的位置姿态导航器具中即设置有四个反光组件22，这可以进一步提升对待导航器具的位置和姿态的监控精度。可选地，在监测导航机构2中反光组件22的过程中，可以通过光线捕捉设备和虚拟现实计算机对反光组件22的具体位置和不同反光组件22之间的相对位置进行检测及监控，虚拟现实计算机可以通过光线捕捉设备所捕捉到的各反光组件22所反射出的光线，确定出该位置姿态导航器具在空间的位置和姿态，进而确定与位置姿态导航器具固定连接的骨骼等待导航对象在空间的位置以及姿态，相应地，当待导航对象的位置或姿态发生变化时，多个反光组件22的位置和姿态也会对应发生变化，通过光线捕捉设备和虚拟计算机计算机可以对应判断出待导航对象的位置和姿态。

一种具体的优选实施方式是，如图2和3所示，反光组件22可以设置有四个，且可以使导航机构2中的本体21的形状为近似长方体等结构，且使四个反光组件22均连接在本体21上，在这种情况下，四个反光组件22的朝向均可以不同；如图2所示，四个反光组件22可以分别连接在本体21的四个侧面上。相对来说，在本体21平放时，可以使两个反光组件22朝上设置，另外两个反光组件22中，可以使其中一个反光组件22朝左，另一个反光组件22朝右，显然，上述四个反光组件22中，任意两个之间均不存在平面对称或中心对称的关系，从而保证四个反光组件22的空间布局均不对称，且还可以在一定程度上降低一个或多个反光组件22被遮挡的概率，从而进一步提升导航工作的准确性。

进一步地，当应用场景中包含两个或两个以上的待导航对象时，可以使两个位置姿态导航器具分别对应固定连接在两个待导航对象上，从而形成两组组合结构，为了保证该两组组合结构之间的实际位置关系与虚拟现实计算机所形成的虚拟结构内的两个组件之间的位置关系相同，还可以借助其他设备同时对前述两组组合结构进行一体建模，以将两组组合结构同时囊括在同一3D模型结构内，进而无论两个待导航对象之间的实际位置关系如何变化，由于两个待导航对象上均固定连接有本发明所提供的位置姿态导航器具，从而通过光线捕捉设备对两个导航机构2的位置和姿态进行捕捉，并在虚拟现实计算机内形成对应的虚拟结构，也可以确定两个待导航对象在现实空间内的位置和姿态变化信息。

具体地，可以通过3D(3 Dimensions，三维)全息扫描设备对两个分别固定有位置姿态导航器具的待导航对象的具体结构，以及两组结构之间的相对位置关系进行瞬时扫描，并随即形成3D模型。例如，在骨科手术过程中，可以先通过连接机构1分别将两个(或多个)位置姿态导航器具对应固定在两个(或多个)待修复的骨骼上，然后可以通过CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)设备对骨骼和位置姿态导航器具进行整体扫描，从而形成包括骨骼和位置姿态导航器具的3D模型，且在模型建立的同时，虚拟现实计算机可以通过光线捕捉设备所捕捉到的各位置姿态导航器具上的至少三个反光组件22所反射出的光线情况，建立与前述3D模型结构和位置关系均相同的虚拟结构，然后，无论患者的位置发生怎样的改变，虚拟现实计算机均可以通过光线捕捉设备所捕捉的导航机构2的位置和姿态变化信息，对应改变前述3D模型的具体结构，以及不同骨骼(即待导航对象)之间的相对位置关系，进而在后续手术的过程中，无需再次对患者进行CT扫描或X光拍摄，工作人员也可以通过前述虚拟计算机所形成的虚拟结构的变化情况，获取患者体内两个(或多个)待修复骨骼的之间的相对位置关系和姿态变化；并且，工作人员还可以通过操控该位置姿态导航器具，实现对将两个(或多个)待修复骨骼进行复位手术的目的，且当虚拟结构内两个(或多个)结构完成复位对接时，即可认为患者体内的两个(或多个)待修复骨骼也对应完成复位，此时可以进行下一步手术操作，如打钢板等。

为了保证该位置姿态导航器具在CT扫描或x光等条件下能显示清晰可靠的图像，可选地，如图7所示，本发明所提供的位置姿态导航器具还可以包括显影部24，在位置姿态导航器具的组装过程中，可以使显影部24和反光组件22相对固定，显影部24用于在设定环境下(如CT设备下)和待导航对象一体成像，且由于显影部24与反光组件22之间的相对位置关系始终保持不变，从而即便反光组件22不能在前述设定环境下形成清晰的图像，在显影部24的作用下，也可以通过显影部24代表整个位置姿态导航器具与待导航对象在设定环境性一体成像，从而建立精确的、清晰的模型结构；并且，在完成模型建立过程之后，通过检测与显影部24相对固定的反光组件22的位置和姿态变化，也可以基本保证虚拟模型后续结构改变的准确性，进而为工作人员提供精准的导航作用。

具体地，显影部24可以由金属材料制成，金属材料可以在绝大多数环境(放射或常规环境)下显影，其具体形状可以根据实际情况确定，且显影部24可以设置有一个，也可以设置有多个，通过设置多个显影部24可以进一步提升虚拟模型在建立及改变过程中的精准程度。当然，对于特定环境的不同，用于制作显影部24的材料也可以不同，对此，本领域技术人员可以根据实际情况选定。

更具体地，显影部24可以设置有至少三个，且至少三个显影部24与至少三个反光组件22一一对应配合，另外，如图7和图9所示，可以使显影部24的外表面和反光组件22的外表面均为球型结构，且使显影部24设置于反光组件22内，并使二者的球心重合，这基本可以保证所建立的虚拟模型具有较高的精确程度，且在该模型结构的后续变化过程中，由于显影部24和反光组件22的球心重合，从而无论整个位置姿态导航器具的位置或姿态如何改变，反光组件22也可以完全替代显影部24作为整个模型结构的改变源。

进一步地，在同一场景下所使用的多个位置姿态导航器具的结构可以完全相同，如两个(或多个)待导航对象之间的相对位置关系仅存在微小的变化。反之，而当待导航对象之间的相对位置关系存在较大的变化，为了保证个位置姿态导航器具与待导航对象之间的特定对应关系的一致性，可选地，不同的位置姿态导航器具上，多个反光组件22的空间布局情况不同，进而在通过虚拟现实计算机对多个位置姿态导航器具进行建模的过程中，能通过其各自上的反光组件22的空间布局情况，使多个位置姿态导航器具均具有特定性。

进一步地，本发明所提供的位置姿态导航器具还可以包括动作传感器(图中未示出)，动作传感器可以安装在本体21内。具体地，本体21内可以设置有空腔，且本体21可以由两部分组成，如图4、图5、图6和图8所示，本体21可以包括下壳体211和盖体212，二者相互扣合，可以形成用于容纳前述动作传感器的空腔，且下壳体211和盖体212之间可以采用可拆卸连接的方式固定连接，以便于安装动作传感器。动作传感器用于监测整个位置姿态导航器具的动作情况，如速度和加速度等；并且，通过所检测到的加速度等信息，该动作传感器(或虚拟现实计算机)可以判断出整个位置姿态导航器具的动作方向及动作幅度；并且，该动作传感器可以将所检测出的前述动作方向和幅度等信息传输至虚拟现实计算机内，从而进一步辅助虚拟现实计算机根据反光组件22所反馈的光线信息改变所建立的虚拟模型的具体结构，这可以进一步提升虚拟现实计算机在改变前述虚拟模型过程中的精确程度。更具体地，动作传感器可以为惯性模块，采用惯性模块可以较为精准地采集到整个位置姿态导航器具的动作方向和动作幅度大小等信息，以保证所形成的虚拟模型的精准程度。

可选地，连接机构1与本体21之间可以通过可拆卸连接的方式固定连接，从而提升在某些场景下连接机构1与待导航对象之间连接过程的便利性，如本发明所提供的位置姿态导航器具可以应用于骨科手术中，在手术过程中，可以先将连接机构1连接在待修复的骨骼上，然后再将导航机构2连接在连接机构1上，从而防止出现整个位置姿态导航器具与待修复的骨骼之间的连接过程存在较大的难度的问题。

具体地，如图11所示，连接机构1可以包括固定部11和连接部12，固定部11用于与待导航对象相对固定，连接部12与固定部11固定连接，连接部12和本体21之间可以通过卡接、插接或螺纹连接等可拆卸连接方式中的任一种，与导航机构2中本体21形成固定连接关系。

可选地，连接部12可以设置有卡持腔，从而将导航机构2安装在卡持腔内，卡持腔的形状和形成方式可以根据导航机构2的具体结构等实际情况确定，此处不作限定。

具体地，如图11所示，连接部12可以包括基底121和卡爪122，卡爪122连接在基底121上，从而形成卡持腔，以将如图8所示的本体21安装于卡持腔内，采用这种方式形成卡持腔可以简化整个连接部12的结构复杂程度；并且，还可以在一定程度上降低导航机构2的本体21与连接机构1之间的连接难度。进一步地，在安装导航机构2的过程中，通过向卡爪122施加一定的力，使卡爪122产生一定的变形，即可将导航机构2安装于卡持腔内，而当导航机构2完全落入卡持腔之后，卡爪122在自身弹力的作用下产生复位动作，进而与导航机构2卡持配合，以保证整个连接机构1与导航机构2之间能形成可靠的相对固定关系。

优选地，卡爪122可以设置有多个，多个卡爪122均连接在基底121上，且为了进一步提升卡持效果，可以使多个卡爪122围绕基底121的轴线间隔设置在基底121上，以从多个方向同时为导航机构2提供卡持作用，从而进一步提升连接机构1和导航机构2之间的连接可靠性。

可选地，如图3和图10所示，导航机构2上可以设置有锁紧部23，进而在连接机构1连接于待导航对象上之后，可以借助锁紧部23将整个导航机构2固设于连接机构1上。为了保证连接机构1与导航机构2之间具有更为可靠的固定连接关系，可选地，导航机构2的锁紧部23上可以设置有锁紧螺母231，以在连接机构1与导航机构2连接完成之后，可以通过调节锁紧螺母231的锁紧程度，进一步提升连接机构1与导航机构2之间的固定连接关系的可靠性，以进一步提升导航工作的精确性。另外，连接机构1上还可以设置有限位孔(图中未示出)，且使锁紧螺母231伸入前述限位孔内，以进一步提升连接机构1和导航机构2之间的连接可靠性。进一步地，还可以使限位孔的轴向与连接机构1的轴向垂直，以使锁紧锁母231与限位孔之间的限位配合关系，对连接机构1和导航机构2之间连接可靠性带来进一步的提升效果。

为了保证位置姿态导航器具具有更高的精度，可选地，本体21和连接机构1可以采用一体成型的方式形成，从而保证连接机构1与导航机构2之间具有更为可靠的连接稳定性，从而在进行姿态导航的过程中，保证导航机构2能随连接机构1所产生的动作产生相同的动作，或者随连接机构1的姿态改变，产生相应的姿态改变动作，进而通过监控导航机构2中至少三个反光组件22的动作和姿态变化，即可对应获取待导航对象的动作和姿态变化情况，使整个导航过程具有较高的精确程度。

为了防止在姿态导航过程中，因反光组件22与待导航对象之间互相接触或干涉，而对导航过程产生不利影响，和/或污染或破坏待导航对象，可选地，至少三个反光组件22均可以设置在本体21背离在连接机构1的一侧；也就是说，所有反光组件22均设置在本体21背离待导航对象的一侧，这可以基本防止反光组件22与待导航对象之间互相干涉而破坏待导航对象，且可以保证导航过程的精准程度。

为了进一步防止在导航过程中出现反光组件22被本体21等部件遮挡的问题，可选地，本发明所提供的位置姿态导航器具还可以包括支架25，支架25的两端分别连接反光组件22和本体21，从而使反光组件22进一步远离本体21，防止出现姿态导航过程中因反光组件22被遮挡而降低导航工作的精准程度。

可选地，支架25和本体21可以通过一体成型的方式形成，这可以进一步提升反光组件22与本体21之间相对固定关系的可靠性；具体地，支架25和本体21均可以采用塑料材料采用一体注塑形成，支架25可以为锥杆状结构，且支架25的两端中，直径大的一端可以连接在本体21上，从而通过增大连接面积，进一步提升支架25与本体21之间的连接可靠性，直径小的一端可以用于连接反光组件22，进而，只需在反光组件22上开设一个较小的孔即可将反光组件22安装在支架25上，从而在反光组件22的表面积不变的情况下，提升反光组件22中用于反光的表面积的大小，以进一步降低反光组件22在工作过程被完全遮挡的概率。

进一步地，支架25上可以设置有用于安装显影部24的结构，如图7所示，可以在支架25远离本体21的一端形成容纳腔(图中未示出)，从而将显影部24安装在前述容纳腔内，在显影部24为球型结构的情况下，容纳腔也可以为半球状结构；为了保证显影部24能固定设置于容纳腔内，可选地，显影部24可以通过粘接等方式安装在容纳腔内；或者，可以在容纳腔的外侧设置卡凸251等结构，从而通过卡凸251将显影部24固定在容纳腔内；相应地，在显影部24安装于前述容纳腔内之后，可以将反光组件22套设于支架25远离本体21的一端端部(也即显影部24的安装端)，且使反光组件22的球型表面的球心与显影部24的球心重合，具体地，反光组件22可以通过卡接等方式固定连接在支架25的端部。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种位置姿态导航器具，其特征在于，包括：

连接机构，所述连接机构设置成与待导航对象相对固定；

导航机构，所述导航机构包括本体和至少三个反光组件，所述本体固定连接于所述连接机构，所述至少三个反光组件凸出连接于所述本体的表面，且设置于待导航对象外，所述至少三个反光组件的空间布局不对称，以用于确定所述待导航对象在空间中的位置及姿态。

2.根据权利要求1所述的位置姿态导航器具，其特征在于，还包括显影部，所述显影部连接于所述本体，且与所述反光组件相对固定，所述显影部设置成和待导航对象在设定环境下一体成像。

3.根据权利要求2所述的位置姿态导航器具，其特征在于，所述显影部设置有至少三个，且与所述至少三个反光组件一一对应配合。

4.根据权利要求3所述的位置姿态导航器具，其特征在于，所述显影部的外表面和所述反光组件的外表面均为球型结构，且对应配合的所述显影部设置于所述反光组件内，二者的球心重合。

5.根据权利要求1所述的位置姿态导航器具，其特征在于，还包括动作传感器，所述动作传感器安装于所述本体内。

6.根据权利要求5所述的位置姿态导航器具，其特征在于，所述动作传感器为惯性模块。

7.根据权利要求1所述的位置姿态导航器具，其特征在于，所述连接机构和所述本体可拆卸连接。

8.根据权利要求1所述的位置姿态导航器具，其特征在于，所述连接机构和所述本体一体成型。

9.根据权利要求1所述的位置姿态导航器具，其特征在于，所述至少三个反光组件均设置于所述本体背离所述连接机构的一侧。

10.根据权利要求1所述的位置姿态导航器具，其特征在于，还包括支架，所述反光组件和所述本体分别连接于所述支架的相对两端。