CN115607283B - 一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，包括与双肩骨刀可拆卸连接的校准块；安装在校准块上的第一参考阵列；安装在双肩骨刀上的第二参考阵列；安装有第三参考阵列的光学探针，用于获取校准块上多个验证点的位置信息；用于捕捉获取第一参考阵列、第二参考阵列和第三参考阵列位姿信息的定位相机；与定位相机连接的计算机，用于构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型，并根据定位相机获取的位姿信息对虚拟场景下双肩骨刀三维模型的位姿进行校准。本发明通过设计与双肩骨刀配合的校准块，实现对虚拟场景坐标系下双肩骨刀的位姿校准，使虚拟场景坐标系下双肩骨刀的位姿与真实定位相机坐标系下双肩骨刀的位姿高度匹配。

Description

一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械定位技术领域，尤其涉及一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置及方法。

背景技术

随着计算机视觉、图像处理、跟踪定位等技术的快速发展，计算机辅助手术导航成为外科手术的重要研究方向之一。它已经运用于骨科、腔镜等手术中，并且因其精确、高效、低辐射等特点使其在临床实践中逐渐得到广泛应用。

增强现实技术是一种将虚拟物体与真实场景无缝衔接的技术，它可以在屏幕上把虚拟世界套在现实世界中并进行互动。基于增强现实的手术导航系统能够在术中实时地呈现患者膝关节区域与手术器械的相对位置，并且可以对二者的位置进行跟踪检测。

在光学导航的手术治疗中，为确保手术的精准性，虚拟影像场景中的手术器械模型位姿需要与医生操持的真实器械位姿高度匹配。传统手术器械导航实现方式如下：

光学导航式的手术器械会在器械上固连一个参考阵列，该参考阵列上固连若干反光球，这些反光球球心位置构成坐标系F，手术器械的几何外形在坐标系F下的描述由硬件设计参数可知；手术中各反光球位置能够被定位相机侦测，定位系统通过反光球球心位置，在空间中重建坐标系F，进而确立相机所在空间坐标系F’与F的转换关系；手术器械的几何外形在坐标系F’下的描述可以通过手术器械的几何外形在坐标系F下的描述以及F’与F的转换关系得到；至此，在以F’为世界坐标系的虚拟场景中，手术器械的模型得以绘制，且该模型与虚拟世界坐标系的相对关系和真实器械与真实定位相机的相对关系高度匹配。

上述传统手术器械导航方法存在如下问题：

限于参考阵列的制成与组装的有限精度，由硬件设计获得的器械几何外形在其参考阵列坐标系下的描述与真实器械与真实参考阵列的相对关系存在不可忽略的误差，即器械设计模型的场景坐标系与同一场景中参考阵列坐标系的转换关系不准确；从而导致真实手术器械的末端位置与根据设计参数得到的手术器械末端在参考阵列坐标系中的位置存在大于1mm的误差，同时虚拟场景中的手术器械末端位姿与真实器械的末端位姿不匹配，容易导致操作者误判。另外，由于导航式手术器械与其参考阵列高度绑定，一旦参考阵列的反光球排布改变，或参考阵列与器械的安装方式发生改变，需要回到硬件工程数据，重新获取手术器械模型在参考阵列坐标系下的几何描述，操作繁琐，且容易因为认为排错反光球顺序而出错。

发明内容

本发明提出一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置及方法，解决了现有技术中因参考阵列的制成与组装的有限精度，导致虚拟场景中的手术器械末端位姿与真实器械的末端位姿不匹配的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一方面，提供了一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，包括：

与双肩骨刀可拆卸连接的校准块，校准块与双肩骨刀具有唯一的组合关系，当校准块与双肩骨刀组合后，其相对位置关系恒定不变；

安装在校准块上的第一参考阵列；

安装在双肩骨刀上的第二参考阵列；

安装有第三参考阵列的光学探针，用于获取校准块上多个验证点的位置信息；

用于捕捉获取第一参考阵列、第二参考阵列和第三参考阵列位姿信息的定位相机；

与定位相机连接的计算机，用于构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型，并根据定位相机获取的位姿信息对虚拟场景下双肩骨刀三维模型的位姿进行校准。

本发明通过设计与双肩骨刀配合的校准块，并在校准块上安装参考阵列及标记多个验证点，通过光学探针获取校准块上多个验证点在定位相机坐标系下的位置信息，从而得到虚拟场景坐标系与真实定位相机坐标系的转换关系，实现对虚拟场景坐标系下双肩骨刀的位姿校准，使虚拟场景坐标系下双肩骨刀的位姿与真实定位相机坐标系下双肩骨刀的位姿高度匹配，从而消除了因参考阵列的制成与组装的有限精度，导致虚拟场景中的手术器械末端位姿与真实器械的末端位姿不匹配的问题。

作为本发明优选的方案，所述第一参考阵列、第二参考阵列和第三参考阵列均包括定位支架以及安装在定位支架上的多个反光球，所述定位反光球的数量不少于3个，且多个定位反光球为不对称排布。

作为本发明优选的方案，所述校准块包括校准公块和校准母块，校准公块与校准母块的铰接端通过销轴铰接，校准公块与校准母块的开合端通过第一锁紧件可拆卸连接；校准公块的底面轮廓与双肩骨刀的刀刃顶面轮廓相配，校准母块的顶面轮廓与双肩骨刀的刀刃底面轮廓相配，这种设计是为了使得校准块与刀刃的贴合更加紧密，保证校准块与双肩骨刀组合后其相对位置关系唯一，从而提高了双肩骨刀位姿校准的精度。

作为本发明优选的方案，所述校准母块的顶面上设有第一定位柱和至少一组第二定位柱，第一定位柱的位置与双肩骨刀的刀刃末端位置对应；每组第二定位柱设有两个，且分别位于双肩骨刀的刀刃两侧，刀刃的两侧刚好与两个第二定位柱抵接；通过第一定位柱和至少一组第二定位柱对双肩骨刀的位置进行约束，可以保证双肩骨刀每次与校准块组合后其相对位置关系唯一，提高了双肩骨刀位姿校准的精度，且便于双肩骨刀与校准块的安装，可快速将双肩骨刀定位到校准母块上的指定位置，提高了安装效率。

作为本发明优选的方案，所述第一定位柱的高度低于刀刃末端的厚度，所述第二定位柱的高度低于刀刃对应部位的厚度，这种设计可以避免校准公块与校准母块锁紧后，校准公块的底面与定位柱顶面抵接，从而导致双肩骨刀没有与校准块固定的问题，提高了双肩骨刀与校准块安装的牢固性。

作为本发明优选的方案，所述第一锁紧件包括活节螺栓、固定销、平垫片和蝶型螺母，所述校准母块的开合端设有安装槽，活节螺栓的螺栓头活动嵌设在安装槽内，固定销穿过螺栓头的通孔后安装在安装槽相对的两侧内壁上；平垫片和蝶型螺母依次安装在活节螺栓的螺杆上；所述校准公块的开合端设有与第一锁紧件配合的锁紧槽，活节螺栓的螺杆通过平垫片、蝶型螺母与锁紧槽可拆卸连接；活节螺栓可绕固定销转动，当需要打开校准块时，只需拧松蝶型螺母，再将活节螺栓绕固定销顺时针转动，直到活节螺栓的螺杆脱离锁紧槽即可将校准公块与校准母块的开合端分离；当需要锁紧校准块时，先将校准公块与校准母块的开合端闭合，再将活节螺栓绕固定销逆时针转动，直到活节螺栓的螺杆完全进入锁紧槽后，再拧紧蝶型螺母即可实现校准块的锁紧。本发明的锁紧件拆装时，无需拆下蝶型螺母，只需拧紧或拧松即可，可实现校准块与骨刀的快速拆装，提高了拆装效率。

作为本发明优选的方案，所述校准公块的开合端对应锁紧槽端口的位置设有限位条，通过设置限位条，可以避免校准块锁紧后平垫片从校准公块的开合端沿锁紧槽的端面滑出，可以起到防脱的作用，进一步提高了校准块锁紧的牢固性。

作为本发明优选的方案，所述第二参考阵列通过连接件、夹具可拆卸安装在双肩骨刀的手柄上，夹具的内部轮廓与手柄的外部轮廓相配；夹具包括上夹具、下夹具和第二锁紧件，连接件的两端分别与第二参考阵列、上夹具连接；上夹具、下夹具套在手柄外部后通过第二锁紧件锁紧固定；所述第二锁紧件与第一锁紧件的结构相同，夹具拆装时无需拆下蝶型螺母，只需拧紧或拧松即可实现夹具与手柄的快速拆装，提高了拆装效率。

作为本发明优选的方案，所述手柄的外壁沿轴向设有若干防滑槽，所述夹具的内壁设有若干与防滑槽相配的防滑齿；通过在夹具的内壁设置与手柄外壁防滑槽相配的防滑齿，可实现夹具内壁与手柄外壁的紧密连接，防止夹具锁紧后其内壁与手柄的外壁之间发生前后窜动，提高了夹具与手柄连接的稳定性。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准方法，包括以下步骤：

构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型；

定义：虚拟场景坐标系为F1；定位相机坐标系为F2；第一参考阵列坐标系为F3；第二参考阵列坐标系为F4；

获取在F1中校准块三维模型上三个验证点的设计坐标值分别为p1、p2和p3，三个验证点不在同一条直线上；

当校准块与双肩骨刀分离时，通过定位相机获取第一参考阵列在F2中的位姿矩阵为T1；

保持校准块的三维位姿不变，在F2下通过光学探针获取校准块上三个验证点的测量坐标值分别为p1’、p2’和p3’；

当校准块与双肩骨刀结合后，通过定位相机获取第一参考阵列在F2中的位姿矩阵为T2，第二参考阵列在F2中的位姿矩阵为T3；

利用p1、p2、p3建立校准块三维模型验证点坐标系F5，计算得到F1至F5的转换矩阵为T4；

利用p1’、p2’、p3’建立校准块实体验证点坐标系F6，计算得到F2至F6的转换矩阵为T5；

根据坐标系之间的矩阵转换关系，计算F4至F1的转换矩阵T6为：

T6=（T3*T5）/（T1*T2*T4）

利用转换矩阵T6对虚拟场景坐标系下双肩骨刀三维模型的位姿进行修正：

pi’=T6*pi

其中，pi=（xi,yi,zi）为双肩骨刀三维模型修正前的位姿；pi’=（xi’,yi’,zi’）为双肩骨刀三维模型修正后的位姿；i=（1,2,3,…，n），n为双肩骨刀三维模型的总顶点数。

有益效果

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过设计与双肩骨刀配合的校准块，并在校准块上安装参考阵列及标记多个验证点，通过光学探针获取校准块上多个验证点在定位相机坐标系下的位置信息（本发明中由于验证点与校准块是一体加工的，其实物与设计参数的误差极小，远小于1mm，因此可以忽略不计），从而得到虚拟场景坐标系与真实定位相机坐标系的转换关系，实现对虚拟场景坐标系下双肩骨刀的位姿校准，使虚拟场景坐标系下双肩骨刀的位姿与真实定位相机坐标系下双肩骨刀的位姿高度匹配，从而消除了因参考阵列的制成与组装的有限精度，导致虚拟场景中的手术器械末端位姿与真实器械的末端位姿不匹配的问题；

（2）本发明中由于实际模型几何特征的校准是通过量测校准块的验证点实现，光学参考阵列的位姿只是计算中间量，而校准块验证点本身的误差可以忽略不计，因此第二参考阵列的安装位置可以根据使用者使用需求（骨刀手柄可握持长度）调整，调整后再利用校准块进行校准即可正常使用，无需返回设计工程数据重新调校几何参数；提升了第二参考阵列安装自由度的同时，相对减少了校准块的复杂度，故双肩骨刀只要能够与其参考阵列固连，就能通过重新用校准块校准的方式获取所需坐标转换关系。

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的附图；

图1为本发明一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置的结构示意图；

图2为本发明中校准块打开后的内部结构的示意图；

图3为本发明中校准块未锁紧时的状态示意图；

图4为本发明中校准块锁紧时的状态示意图；

图5为本发明中夹具与手柄未锁紧时的状态示意图；

图6为本发明中夹具与手柄锁紧时的状态示意图；

图7为本发明中当校准块与双肩骨刀分离时，通过定位相机获取第一参考阵列位姿矩阵的状态示意图；

图8为本发明中当校准块与双肩骨刀分离时，通过光学探针获取校准块上三个验证点的测量坐标值的状态示意图；

图9为本发明中当校准块与双肩骨刀组合时，通过定位相机获取第一参考阵列及第二参考阵列的位姿矩阵的状态示意图；

图中：1、双肩骨刀；2、校准块；3、第一参考阵列；4、第二参考阵列；5、光学探针；6、第三参考阵列；7、验证点；8、定位相机；9、校准公块；10、校准母块；11、销轴；12、第一锁紧件；13、刀刃；14、手柄；15、第一定位柱；16、第二定位柱；17、活节螺栓；18、固定销；19、平垫片；20、蝶型螺母；21、安装槽；22、锁紧槽；23、限位条；24、连接件；25、夹具；26、上夹具；27、下夹具；28、第二锁紧件；29、防滑槽；30、防滑齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本实施例提供了一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，包括：

与双肩骨刀1可拆卸连接的校准块2，校准块2与双肩骨刀1具有唯一的组合关系，当校准块2与双肩骨刀1组合后，其相对位置关系恒定不变；

安装在校准块2上的第一参考阵列3；

安装在双肩骨刀1上的第二参考阵列4；

安装有第三参考阵列6的光学探针5，用于获取校准块2上3个验证点7（具体数量可根据实际情况做出适应性改变，3个验证点不在一条直线上）的位置信息；

用于捕捉获取第一参考阵列3、第二参考阵列4和第三参考阵列6位姿信息的定位相机8；

与定位相机8连接的计算机，用于构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型，并根据定位相机8获取的位姿信息对虚拟场景下双肩骨刀三维模型的位姿进行校准。

作为本实施例优选的方案，所述第一参考阵列3、第二参考阵列4和第三参考阵列6均包括定位支架以及安装在定位支架上的4个反光球，且4个定位反光球为不对称排布。

参考图2所示，作为本实施例优选的方案，所述校准块2包括校准公块9和校准母块10，校准公块9与校准母块10的铰接端通过销轴11铰接，校准公块9与校准母块10的开合端通过第一锁紧件12可拆卸连接；校准公块9的底面轮廓与双肩骨刀1的刀刃13顶面轮廓相配，校准母块10的顶面轮廓与双肩骨刀1的刀刃13底面轮廓相配，这种设计是为了使得校准块2与刀刃13的贴合更加紧密，保证校准块2与双肩骨刀1组合后其相对位置关系唯一，从而提高了双肩骨刀1位姿校准的精度。

作为本实施例优选的方案，所述校准母块10的顶面上设有第一定位柱15和两组第二定位柱16（第二定位柱的数量可根据实际需求设置），第一定位柱15的位置与双肩骨刀1的刀刃13末端位置对应；每组第二定位柱16设有两个，且分别位于双肩骨刀1的刀刃13两侧，刀刃13的两侧刚好与两个第二定位柱16的侧壁抵接，刀刃13的末端中点（该位置为内凹形）刚好与第一定位柱15的侧壁抵接；通过第一定位柱15和两组第二定位柱16对双肩骨刀1的位置进行约束，可以保证双肩骨刀1每次与校准块2组合后其相对位置关系唯一，提高了双肩骨刀1位姿校准的精度，且便于双肩骨刀1与校准块2的安装，可快速将双肩骨刀1定位到校准母块10上的指定位置，提高了安装效率。

作为本实施例优选的方案，所述第一定位柱15的高度低于刀刃13末端的厚度，所述第二定位柱16的高度低于刀刃13对应部位的厚度，这种设计可以避免校准公块9与校准母块10锁紧后，校准公块9的底面与定位柱顶面抵接，从而导致双肩骨刀1没有与校准块2固定的问题，提高了双肩骨刀1与校准块2安装的牢固性。

参考图3、4所示，作为本实施例优选的方案，所述第一锁紧件12包括活节螺栓17、固定销18、平垫片19和蝶型螺母20，所述校准母块10的开合端设有安装槽21，活节螺栓17的螺栓头活动嵌设在安装槽21内，固定销18穿过螺栓头的通孔后安装在安装槽21相对的两侧内壁上；平垫片19和蝶型螺母20依次安装在活节螺栓17的螺杆上；所述校准公块9的开合端设有与第一锁紧件12配合的锁紧槽22，活节螺栓17的螺杆通过平垫片19、蝶型螺母20与锁紧槽22可拆卸连接；活节螺栓17可绕固定销18转动，当需要打开校准块2时，只需拧松蝶型螺母20，再将活节螺栓17绕固定销18顺时针转动，直到活节螺栓17的螺杆脱离锁紧槽22即可将校准公块9与校准母块10的开合端分离；当需要锁紧校准块2时，先将校准公块9与校准母块10的开合端闭合，再将活节螺栓17绕固定销18逆时针转动，直到活节螺栓17的螺杆完全进入锁紧槽22后，再拧紧蝶型螺母20即可实现校准块2的锁紧。本发明的锁紧件拆装时，无需拆下蝶型螺母20，只需拧紧或拧松即可，可实现校准块2与骨刀的快速拆装，提高了拆装效率。

作为本实施例优选的方案，所述校准公块9的开合端对应锁紧槽22端口的位置设有限位条23，通过设置限位条23，可以避免校准块2锁紧后平垫片19从校准公块9的开合端沿锁紧槽22的端面滑出，可以起到防脱的作用，进一步提高了校准块2锁紧的牢固性。

参考图5、6所示，作为本实施例优选的方案，所述第二参考阵列4通过连接件24、夹具25可拆卸安装在双肩骨刀1的手柄14上，夹具25的内部轮廓与手柄14的外部轮廓相配；夹具25包括上夹具26、下夹具27和第二锁紧件28，连接件24的两端分别与第二参考阵列4、上夹具26连接；上夹具26、下夹具27套在手柄14外部后通过第二锁紧件28锁紧固定；所述第二锁紧件28与第一锁紧件12的结构相同，夹具25拆装时无需拆下蝶型螺母，只需拧紧或拧松即可实现夹具25与手柄14的快速拆装，提高了拆装效率。

作为本实施例优选的方案，所述手柄14的外壁沿轴向设有若干防滑槽29，所述夹具的内壁设有若干与防滑槽29相配的防滑齿30；通过在夹具的内壁设置与手柄14外壁防滑槽29相配的防滑齿30，可实现夹具内壁与手柄14外壁的紧密连接，防止夹具锁紧后其内壁与手柄14的外壁之间发生前后窜动，提高了夹具与手柄14连接的稳定性。

作为本实施例优选的方案，所述手柄14的径向上侧及下侧沿轴向分别开设平面，防滑槽29则设置于手柄14的径向前侧及后侧，防滑齿30则设置于夹具25内部前侧壁及后侧壁上，夹具25内部上侧壁及下侧壁分别设有相抵面；夹具25通过防滑齿30与防滑槽29轴向定位连接，通过相抵面与平面径向定位连接，这种定位连接方式可以防止夹具25与手柄14之间发生周向转动或轴向窜动，提高了夹具25与骨刀安装的牢固性。

相应地，本实施例还提供了一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准方法，包括以下步骤：

构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型；

定义：虚拟场景坐标系为F1；定位相机坐标系为F2；第一参考阵列坐标系为F3；第二参考阵列坐标系为F4；

获取在F1中校准块三维模型上三个验证点的设计坐标值分别为p1、p2和p3，三个验证点不在同一条直线上；

p1：(x1, y1, z1)

p2：(x2, y2, z2)

p3：(x3, y3, z3)

参考图7所示，当校准块2与双肩骨刀1分离时，通过定位相机8获取第一参考阵列3在F2中的位姿矩阵为T1；

参考图8所示，保持校准块2的三维位姿不变，在F2下通过光学探针5获取校准块2上三个验证点7的测量坐标值分别为p1’、p2’和p3’；

p1’：(x1’, y1’, z1’)

p2’：(x2’, y2’, z2’)

p3’：(x3’, y3’, z3’)

参考图9所示，当校准块2与双肩骨刀1结合后，通过定位相机8获取第一参考阵列3在F2中的位姿矩阵为T2，第二参考阵列4在F2中的位姿矩阵为T3；

利用p1、p2、p3建立校准块三维模型验证点坐标系F5，具体过程如下：

利用以如下方式计算三个向量v1、v2、v3：

v1= p2-p1 = (x2-x1, y2-y1, z2-z1)

v2= p3-p1 = (x3-x1, y3-y1, z3-z1)

v3 = v1×v2

利用v1、v3计算三个单位向量a、b、c作为校准块三维模型验证点坐标系F5的单位坐标轴（x,y,z）；

a = v1/|v1| = (a1,a2,a3)

b = v3/|v3| = (b1,b2,b3)

c = a×b = (c1,c2,c3)

则F1至F5的转换矩阵T4为：

利用p1’、p2’、p3’建立校准块实体验证点坐标系F6，具体过程如下：

利用以如下方式计算三个向量v1’、v2’、v3’：

v1’= p2’-p1’ = (x2’-x1’, y2’-y1’, z2’-z1’)

v2’= p3’-p1’ = (x3’-x1’, y3’-y1’, z3’-z1’)

v3’ = v1’×v2’

利用v1’、v3’计算三个单位向量a’、b’、c’作为校准块实体验证点坐标系F6的单位坐标轴（x’,y’,z’）；

a ’= v1’/|v1’| = (a1’,a2’,a3’)

b ’= v3’/|v3’| = (b1’,b2’,b3’)

c ’= a’×b’ = (c1’,c2’,c3’)

则F2至F6的转换矩阵T5为：

计算F3至F6的转换矩阵为：T5/T1

计算F3至F1的转换矩阵为：T5/（T1*T4）

计算F4至F3的转换矩阵为：T3/T2

计算F4至F1的转换矩阵T6为：

T6=（T3*T5）/（T1*T2*T4）

利用转换矩阵T6对虚拟场景坐标系下双肩骨刀三维模型的位姿进行修正：

pi’=T6*pi

其中，pi=（xi,yi,zi）为双肩骨刀三维模型修正前的位姿；pi’=（xi’,yi’,zi’）为双肩骨刀三维模型修正后的位姿；i=（1,2,3,…，n），n为双肩骨刀三维模型的总顶点数。

本发明中校准块2与双肩骨刀1的参考阵列只起到相对定位作用，实际模型的几何关系描述通过校准块2上的三处验证点7的坐标系在虚拟场景坐标系与真实定位相机坐标系中两次采集，从而关联虚拟场景坐标系与真实定位相机坐标系；且由于验证点7与校准块2是一体加工的，其实物与设计参数的误差极小（远小于1mm），因此可以忽略不计；基于此，本发明中所获取的双肩骨刀三维模型在其参考阵列坐标系下的描述和真实双肩骨刀几何外形在其参考阵列坐标系下的描述精确对应，不会受到双肩骨刀参考阵列与校准块参考阵列制成与组装误差的影响。

另外，本发明中由于实际模型几何特征的校准是通过量测校准块2的验证点7实现，光学参考阵列的位姿只是计算中间量，而校准块验证点本身的误差可以忽略不计，因此第二参考阵列4的安装位置可以根据使用者使用需求（骨刀手柄可握持长度）调整，调整后再利用校准块2进行校准即可正常使用，无需返回设计工程数据重新调校几何参数；提升了第二参考阵列4安装自由度的同时，相对减少了校准块2的复杂度，故双肩骨刀1只要能够与其参考阵列固连，就能通过重新用校准块2校准的方式获取所需坐标转换关系，对参考阵列的安装要求较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (9)

1.一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，包括：

与双肩骨刀（1）可拆卸连接的校准块（2）；

所述校准块（2）包括校准公块（9）和校准母块（10），校准公块（9）与校准母块（10）的铰接端通过销轴（11）铰接，校准公块（9）与校准母块（10）的开合端通过第一锁紧件（12）可拆卸连接；校准公块（9）的底面轮廓与双肩骨刀（1）的刀刃（13）顶面轮廓相配，校准母块（10）的顶面轮廓与双肩骨刀（1）的刀刃（13）底面轮廓相配；

安装在校准块（2）上的第一参考阵列（3）；

安装在双肩骨刀（1）上的第二参考阵列（4）；

安装有第三参考阵列（6）的光学探针（5），用于获取校准块（2）上多个验证点（7）的位置信息；

用于捕捉获取第一参考阵列（3）、第二参考阵列（4）和第三参考阵列（6）位姿信息的定位相机（8）；

与定位相机（8）连接的计算机，用于构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型，并根据定位相机（8）获取的位姿信息对虚拟场景下双肩骨刀三维模型的位姿进行校准。

2.如权利要求1所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述第一参考阵列（3）、第二参考阵列（4）和第三参考阵列（6）均包括定位支架以及安装在定位支架上的多个反光球。

3.如权利要求1所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述校准母块（10）的顶面上设有第一定位柱（15）和至少一组第二定位柱（16），第一定位柱（15）的位置与双肩骨刀（1）的刀刃（13）末端位置对应；每组第二定位柱（16）设有两个，且分别位于双肩骨刀（1）的刀刃（13）两侧；通过第一定位柱（15）和至少一组第二定位柱（16）对双肩骨刀（1）的位置进行约束。

4.如权利要求3所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述第一定位柱（15）的高度低于刀刃（13）末端的厚度，所述第二定位柱（16）的高度低于刀刃（13）对应部位的厚度。

5.如权利要求1所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述第一锁紧件（12）包括活节螺栓（17）、固定销（18）、平垫片（19）和蝶型螺母（20），所述校准母块（10）的开合端设有安装槽（21），活节螺栓（17）的螺栓头活动嵌设在安装槽（21）内，固定销（18）穿过螺栓头的通孔后安装在安装槽（21）相对的两侧内壁上；平垫片（19）和蝶型螺母（20）依次安装在活节螺栓（17）的螺杆上；所述校准公块（9）的开合端设有与第一锁紧件（12）配合的锁紧槽（22），活节螺栓（17）的螺杆通过平垫片（19）、蝶型螺母（20）与锁紧槽（22）可拆卸连接。

6.如权利要求5所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述校准公块（9）的开合端对应锁紧槽（22）端口的位置设有限位条（23）。

7.如权利要求1所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述第二参考阵列（4）通过连接件（24）、夹具（25）可拆卸安装在双肩骨刀（1）的手柄（14）上，夹具（25）的内部轮廓与手柄（14）的外部轮廓相配；夹具（25）包括上夹具（26）、下夹具（27）和第二锁紧件（28），连接件（24）的两端分别与第二参考阵列（4）、上夹具（26）连接；上夹具（26）、下夹具（27）套在手柄（14）外部后通过第二锁紧件（28）锁紧固定。

8.如权利要求7所述一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，所述手柄（14）的外壁沿轴向设有若干防滑槽（29），所述夹具的内壁设有若干与防滑槽（29）相配的防滑齿（30）。

9.一种光学导航式双肩骨刀的位姿校准方法，基于权利要求1至8中任一项所述光学导航式双肩骨刀的位姿校准装置，其特征在于，包括以下步骤：

构建虚拟场景下的双肩骨刀三维模型和校准块三维模型；

定义：虚拟场景坐标系为F1；定位相机坐标系为F2；第一参考阵列坐标系为F3；第二参考阵列坐标系为F4；

获取在F1中校准块三维模型上三个验证点的设计坐标值分别为p1、p2和p3，三个验证点不在同一条直线上；

当校准块（2）与双肩骨刀（1）分离时，通过定位相机（8）获取第一参考阵列（3）在F2中的位姿矩阵为T1；

保持校准块（2）的三维位姿不变，在F2下通过光学探针（5）获取校准块（2）上三个验证点（7）的测量坐标值分别为p1’、p2’和p3’；

当校准块（2）与双肩骨刀（1）结合后，通过定位相机（8）获取第一参考阵列（3）在F2中的位姿矩阵为T2，第二参考阵列（4）在F2中的位姿矩阵为T3；

利用p1、p2、p3建立校准块三维模型验证点坐标系F5，计算得到F1至F5的转换矩阵为T4；

利用p1’、p2’、p3’建立校准块实体验证点坐标系F6，计算得到F2至F6的转换矩阵为T5；

根据坐标系之间的矩阵转换关系，计算F4至F1的转换矩阵T6为：

T6=（T3*T5）/（T1*T2*T4）

利用转换矩阵T6对虚拟场景坐标系下双肩骨刀三维模型的位姿进行修正：

pi’=T6*pi

其中，pi=（xi,yi,zi）为双肩骨刀三维模型修正前的位姿；pi’=（xi’,yi’,zi’）为双肩骨刀三维模型修正后的位姿；i=（1,2,3,…，n），n为双肩骨刀三维模型的总顶点数。

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