CN117159142A - 一种多点式导航探针定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点式导航探针定位装置及定位方法，涉及医疗器械技术领域，该定位装置包括：探针盒，设置有探针阵列，每个探针可在竖直方向上伸缩运动；当非测量状态时，每个探针在竖直方向上的初始位置相同；当测量状态时，每个探针根据待测对象的表面轮廓在竖直方向上伸缩变化；标定器，与探针盒固定连接，用于标定多点式导航探针定位装置的基础位置；定位器，通过标定器的基础位置建立基础坐标系，依据基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的伸缩变化量，定位探针阵列中的每个探针的位置坐标。本发明能够通过多个探针的探测，实现对于待测对象的多点位定位，可通过一次定位得到待测对象的整个外轮廓坐标。

Description

一种多点式导航探针定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种多点式导航探针定位装置及定位方法。

背景技术

骨科手术机器人，又被称为骨科手术导航定位器，其设计思路都是利用患者术前/术中的影像学资料，规划手术路径，并通过机械臂的导向作用，指导医师沿规划好的手术路径完成手术，可以说，骨科手术导航定位器的一个重要功能就是导航和定位。

而在传统技术中，骨科手术机器人只能通过探针对待测对象进行点定位，如想得知待测对象的外轮廓坐标，则需要通过多次测量才能得到，整体测量速度较慢，不利于后续手术操作。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中的至少一个问题，提供一种多点式导航探针定位装置及定位方法。

为实现上述目的，本发明的一种多点式导航探针定位装置，包括：

探针盒，其内部设置有探针阵列，所述探针阵列中的每个探针可在竖直方向上伸缩运动；当非测量状态时，所述探针阵列中的每个探针在竖直方向上的初始位置相同；当测量状态时，所述探针阵列中的每个探针根据待测对象的表面轮廓在竖直方向上伸缩变化；

标定器，与所述探针盒固定连接，用于标定多点式导航探针定位装置的基础位置；

定位器，通过所述标定器的基础位置建立基础坐标系，依据所述基础坐标系、所述探针的初始位置信息和所述探针的伸缩变化量，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标。

优选地，所述探针阵列中的每个探针的顶部连接有弹性伸缩部，弹性伸缩部的上端固定在探针盒上，所述探针通过所述弹性伸缩部在所述探针盒内伸缩运动；

所述弹性伸缩部上设有滑动变阻器，所述滑动变阻器将所述弹性伸缩部的伸缩变化转化为电阻变化；

定位器根据所述基础坐标系、所述探针的初始位置信息和所述探针引起的电阻变化，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标。

优选地，所述滑动变阻器包括固定在所述弹性伸缩部上端的第一导电部、固定在所述弹性伸缩部下端的第二导电部、以及设置在所述第一导电部和所述第二导电部之间的电阻线圈。

优选地，所述弹性伸缩部的上端设置有第一固定部，所述第一导电部设置在所述第一固定部上；所述弹性伸缩部的下端设置有第二固定部，所述第二导电部设置在所述第二固定部上。

优选地，所述探针盒内设置有容纳所述探针阵列的通孔阵列，所述通孔阵列中的每个通孔包括上部通孔和下部通孔，并且所述上部通孔的直径大于所述下部通孔；

所述弹性伸缩部设置在所述上部通孔内，所述下部通孔的顶端限制所述弹性伸缩部向下方的移动，所述探针穿过并露出所述下部通孔。

优选地，在所述探针盒的顶部还设置有堵盖，所述堵盖与所述探针盒固定连接，所述堵盖限制所述弹性伸缩部在所述上部通孔内向上方的移动。

优选地，所述第一导电部与所述第二导电部设置为铜圈。

为实现上述目的，本发明还提供一种根据上述的一种多点式导航探针定位装置的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取多点式导航探针定位装置的初始位置标识，根据该初始位置标识建立基础坐标系；

获取每个探针根据待测对象的表面轮廓的伸缩变化量引起的电阻变化数据，依据所述基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的电阻变化数据，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标。

优选地，依据所述基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的电阻变化数据，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标的步骤，包括：

获取每个探针对应的滑动变阻器在探针收缩前后的电阻值；

根据所述探针收缩前后的电阻值，计算该探针的收缩量；

根据所述基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的收缩量，定位所述探针的位置坐标。

优选地，根据下式计算探针的位置坐标：

Z_ij测＝Z_ij-ΔZ_ij

其中，表示每个探针的收缩量；

Z_ij表示非测量状态时每个探针在基础坐标系的初始高度坐标；

i和j表示探针在探针盒的行列位置编号；

L表示弹性伸缩部未收缩时探针在外的长度；

r表示探针未收缩时滑动变阻器的电阻线长度；

R表示探针收缩后滑动变阻器的电阻线长度；

Z_ij测表示测量状态时每个探针在基础坐标系上的实际高度坐标。

本发明的一种多点式导航探针定位装置及定位方法，能够快速准确的获取待测对象的轮廓坐标，从而实现手术对象的快速、精准的定位待测对象。

附图说明

图1是本申请一个实施例提供的多点式导航探针定位装置的结构示意图；

图2是本申请一个实施例提供的探针、弹性伸缩部的结构示意图；

图3是本申请一个实施例提供的探针盒的剖视图；

图4是本申请一个实施例提供的标定器的结构示意图；

图5是本申请一个实施例提供的多点式导航探针定位装置的使用状态图；

图6是本申请另一实施例提供的多点式导航探针定位方法的流程图；

附图说明：探针盒10，通孔101，上部通孔1011，下部通孔1012，堵盖102，探针20，固定块201，标定器30，架体301，反光球302，握把303，弹性伸缩部40。

具体实施方式

现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。

图1是本申请一个实施例提供的多点式导航探针定位装置的结构示意图，如图1所示，本发明的一种多点式导航探针定位装置，包括：

探针盒10，其内部设置有探针阵列，探针阵列中的每个探针20可在竖直方向上伸缩运动；当非测量状态时，探针阵列中的每个探针20在竖直方向上的初始位置相同；当测量状态时，探针阵列中的每个探针20根据待测对象的表面轮廓在竖直方向上伸缩变化；

标定器30，与探针盒20固定连接，用于标定多点式导航探针定位装置的基础位置；

定位器(图中未示出)，通过标定器30的基础位置建立基础坐标系，依据基础坐标系、探针20的初始位置信息和探针20的伸缩变化量，定位探针阵列中的每个探针20的位置坐标。

具体地，标定器30设置在探针盒10外侧，通过螺栓与探针盒10固定连接，探针盒10内存在有探针阵列，探针阵列中设置有多个探针20，探针20插入于探针盒10内，一端位于探针盒10内，另一端伸出探针盒10，可与待测对象接触；

定位器为定位装置的外配设备，其可以是单片机、数字信号处理器、CPLD、FPGA等微控制器或微处理器，定位器分别与标定器30、探针20通信连接，能够检测标定器30的所在位置，并建立基础坐标系，能够检测到探针20的伸缩变化，并依据探针20发生的伸缩变化和基础坐标系同时测定多个探针20伸缩变化后的坐标，以此得到待测对象的轮廓坐标，整体装置能够精确、快速的进行定位，为后续手术提供基础。

图2是本申请一个实施例提供的探针、弹性伸缩部的结构示意图，参见图2：

探针阵列中的每个探针20的顶部连接有弹性伸缩部40，弹性伸缩部40的上端固定在探针盒10上，探针20通过弹性伸缩部40在探针盒10内伸缩运动；

弹性伸缩部40上设有滑动变阻器(图中未示出)，滑动变阻器将弹性伸缩部40的伸缩变化转化为电阻变化；

定位器根据基础坐标系、探针20的初始位置信息和探针20引起的电阻变化，定位探针阵列中的每个探针20的位置坐标。

具体地，弹性伸缩部40可以设置为弹簧，在探针20的一端设置有固定块201，探针20通过固定块201插入弹簧内，实现探针20与弹簧的固定连接；

对于定位器而言，当弹簧发生伸缩变化时，其伸缩变化不易被探针盒10外界的定位器检测到，进而无法实现探针20的定位操作，因此，本发明在探针盒10内还设置有滑动变阻器，滑动变阻器固定于弹簧上，当弹簧被压缩时，滑动变阻器能够将弹簧的压缩变化转换为电阻变化，而该电阻变化则容易被外界的定位器检测到，通过该种设置，定位器能够根据电阻变化测定探针20的坐标，进而得到待测对象的外轮廓坐标。

需要注意的是，该滑动变阻器并不是将传统技术中所谓的滑动变阻器应用于此处，而是类似于滑动变阻器功能的结构，只要是能够通过两端之间的距离变化反应电阻变化的，均可以在本方案中进行使用。

进一步地，如图2所示，滑动变阻器包括固定在弹性伸缩部40上端的第一导电部、固定在弹性伸缩部40下端的第二导电部、以及设置在第一导电部与第二导电部之间的电阻线圈。

弹性伸缩部40的上端设置有第一固定部，第一导电部设置在第一固定部上；弹性伸缩部40的下端设置有第二固定部，第二导电部设置在第二固定部上。

具体地，第一导电部与第二导电部可以是铜圈，而弹性伸缩部40为弹簧，两个铜圈分别位于弹簧两端的第一固定部和第二固定部上，实现弹簧与铜圈的固定连接，形成类似于滑动变阻器的结构。当弹性伸缩部40被压缩时，位于弹性伸缩部40两端的铜圈之间的距离减小，而铜圈又靠电阻线圈连接，铜圈的间距变化会导致两铜圈间的电阻线圈数发生变化，从而使得两个铜圈间电阻变化，这种变化会反映在定位器中，从而定位器能够通过每个探针20上弹簧收缩量的不同计算每个探针20针头处的坐标，进而完成导航定位。

进一步地，图3是本申请一个实施例提供的探针盒的剖视图，如图3所示：

探针盒10内设置有容纳探针阵列的通孔阵列，通孔阵列中的每个通孔101包括上部通孔1011和下部通孔1012，并且上部通孔1011的直径大于下部通孔1012；

弹性伸缩部40设置在上部通孔1011内，下部通孔1012的顶端限制弹性伸缩部40向下方的移动，探针20穿过并露出下部通孔1012。

具体地，在本发明的实施方式中，探针盒10底部尺寸为60×60mm，呈长方体结构，在其内设置有贯穿探针盒10两相对侧面的通孔101，通孔101共设100个，10×10均匀分布在探针盒10内。

同时，探针盒10还包括堵盖102，其大小与探针盒10的外轮廓匹配，当堵盖102与探针盒10固定连接时，堵盖102能够密封通孔101的一端。

弹性伸缩部40位于通孔101内，其一端被堵盖102限制移动，另一端被通孔101自身结构限制移动，而探针20则从探针盒10外侧插入至通孔101，与弹性伸缩部40固定连接。

进一步地，弹性伸缩部40位于上部通孔1011内，探针20插入下部通孔1012，一端与弹性伸缩部40固定连接，另一端露出下部通孔1012。

在本发明的实施方式中，上部通孔1011的直径为2mm，下部通孔1012的直径为1mm，两者之间一体成型连接，在上部通孔1011与下部通孔1012的连接处形成凸台；

探针20通过固定块201与弹簧固定连接，固定块201与弹簧均位于上部通孔1011内，固定块201的直径介于上部通孔1011与下部通孔1012之间，因此，能够通过凸台对固定块201进行阻挡，从而限制弹簧从上部通孔1011靠近下部通孔1012的一端移出。

进一步地，图4是本申请一个实施例提供的标定器的结构示意图，如图4所示：

标定器30包括与探针盒10固定连接的架体301，以及设置在架体301上的多个反光球302，反光球302用于建立基础坐标系。

架体301上设置有握把303，握把303上设置有摩擦条纹。

具体地，在本发明的实施方式中，架体301设置为四边形，其也可以是其他形状，架体301与探针盒10固定连接，架体301能够限制弹性伸缩部40从上部通孔1011远离下部通孔1012的一端移出；

在架体301一侧设置有握把303，握把303与架体301固定连接，能够方便用户对标定器30进行抓取，进而抓取整个定位装置，方便用户使用，同时在握把303上设置有摩擦条纹，能够增加用户的摩擦力，进而使得用户可以稳固抓取。

在架体301上设置有多个第一固定孔，在堵盖102上同样设置有多个与之配合的第二固定孔，在第一固定孔与第二固定孔的内壁上均设置有螺纹，架体301可通过螺栓与堵盖102固定连接。

在架体301上设置有多个反光球302，在本发明的实施方式中，反光球302设置在架体301的四个边角位置，当然，反光球302也可以设置在架体301上的其他任意位置。

当标定器30与探针盒10固定连接后，并且用户将定位装置与待测对象对应放置时，定位器可通过反光球302建立基础坐标系，便于后续探针20的坐标确认。

进一步地，图5是本申请一个实施例提供的多点式导航探针定位装置的使用状态图，如图5所示：

本发明的定位装置的工作原理为：因待测对象表面的高低不等，因此，当定位装置与待测对象对应放置后，将定位装置水平放下，探针20的针头会接触待测对象的表面，进而使得弹性伸缩部40被压缩，使得探针20也会高低不等，这样高低不等的情况下会使每个探针20上的弹性伸缩部40的伸缩量不同，进而使得滑动变阻器产生不同的电阻变化，定位器接收到的电阻变化也不同，因此可根据电阻变化计算每个探针20的伸缩量，由于定位装置为水平下移，其只发生了高度方向的变化，因此，可根据探针20的伸缩量计算每个探针20伸缩后的坐标，进而得到待测对象整个外轮廓的坐标，完成导航定位。

进一步地，图6是本申请另一实施例提供的多点式导航探针定位方法的流程图，如图6所示：

为实现上述目的，本发明还提供一种多点式导航探针定位装置的定位方法，其方法包括：

步骤S101，获取多点式导航探针定位装置的初始位置标识，根据该初始外置标识建立基础坐标系；

步骤S102，获取每个探针20根据待测对象的表面轮廓的伸缩变化量引起的电阻变化数据，依据基础坐标系、探针20的初始位置信息和探针20的电阻变化数据，定位探针阵列中的每个探针20的位置坐标。

具体地，在步骤S101中，定位装置使用时需与待测对象对应放置，对应放置后，需保证定位装置稳定，此时，定位器可通过定位装置的当时位置建立基础坐标系，便于后续探针20坐标的定位。

在本发明的实施方式中，如图5所示，本发明的定位装置位于待测对象的正上方，因此，当基础坐标系建立完成后，水平下移定位装置，使得探针20与待测对象的不平整表面接触，待定位装置下移一定距离后，探针盒10上的探针20发生不同程度的伸缩变化，弹性伸缩部40发生不同程度的弹性形变，进而使得每个滑动变阻器50产生不同的电阻变化。

进一步地，在步骤S102中，依据基础坐标系、探针20的初始位置信息和探针20的电阻变化数据，定位探针阵列中的每个探针20的位置坐标的步骤，包括：

步骤S1021，获取每个探针20对应的滑动变阻器在探针20收缩前后的电阻值，其计算公式为：

其中，R表示未收缩时铜圈间总电阻值，r表示弹簧收缩后铜圈间电阻值；

ρ表示电阻线材料的电阻率；

L_电阻线表示探针未收缩时两铜圈间的电阻线长度，l_电阻线表示探针收缩后两铜圈间的电阻线长度；

S表示电阻线的横截面积。

步骤S1022，根据探针20收缩前后的电阻值，计算该探针20的收缩量，其计算公式为：

其中，表示每个探针的收缩量变化；

i，j表示探针盒10×10矩阵中的每个探针的编号。

步骤S1023，根据基础坐标系、探针20的初始位置信息和探针20的收缩量，定位探针20的位置坐标，其计算公式为：

Z_ij测＝Z_ij-ΔZ_ij；

其中，Z_ij测表示每个探针测量时的每个点的坐标；

Z_ij表示每个探针未收缩时在基础坐标系的坐标。

在步骤S1023中，由于每个探针20在收缩变化后相应的只发生了Z方向上的变化，因此，可通过探针20伸缩前减去伸缩的变化值，即可得到探针20伸缩后的探针20的坐标值。

需要注意的是，本发明的定位装置也可位于待测对象的其他方位，当定位器进行基础坐标系的建立时，其是以定位装置当时的放置方向、位置进行建立的，并不会一直是传统意义上的空间坐标系，而当定位装置向靠近或远离待测对象的方向移动时，仍只会发生Z方向的变化。

综上所述，本发明的装置包括探针盒10，在探针盒10内设置多个探针20，探针20可进行弹性伸缩，探针盒10上设置有标定器30，定位器可根据标定器30建立基础坐标系，并根据探针20的弹性伸缩同时测量每一个探针20的坐标位置，进而能够快速、一次性的得到待测对象的轮廓坐标，实现快速、精准的定位，使得后续的手术更为精准、安全、快速；

同时，探针盒10内还设置有弹性伸缩部40，其具体可以是弹簧，探针20与弹簧固定连接，进而实现探针20的伸缩运动；在弹性伸缩部40上还设有滑动变阻器，其可将弹性伸缩部40的伸缩变化转换为电阻变化，有利于定位器检测；滑动变阻器具体可以设置为分别固定于弹簧两端的铜圈，以及连接两个铜圈的电阻线圈，当探针20触碰到待测对象时，弹簧被压缩，两个铜圈之间的距离缩短，从而使得两个铜圈间的电阻线圈数发生变化，使得两个铜圈间电阻改变，定位器能够检测到电阻变化，并根据电阻变化值计算出每个探针20压缩后的坐标，完成导航定位，整体定位装置简单，定位方法容易，制造成本低，能够通过多点位的探测快速得到整个待测对象的轮廓坐标。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

应理解，本发明的发明内容及实施例中各步骤的序号的大小并不绝对意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

Claims (10)

1.一种多点式导航探针定位装置，其特征在于，包括：

探针盒，其内部设置有探针阵列，所述探针阵列中的每个探针在竖直方向上伸缩运动；当非测量状态时，所述探针阵列中的每个探针在竖直方向上的初始位置相同；当测量状态时，所述探针阵列中的每个探针根据待测对象的表面轮廓在竖直方向上伸缩变化；

标定器，与所述探针盒固定连接，用于标定多点式导航探针定位装置的基础位置；

定位器，通过所述标定器的基础位置建立基础坐标系，依据所述基础坐标系、所述探针的初始位置信息和所述探针的伸缩变化量，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种多点式导航探针定位装置，其特征在于：所述探针阵列中的每个探针的顶部连接有弹性伸缩部，弹性伸缩部的上端固定在探针盒上，所述探针通过所述弹性伸缩部在所述探针盒内伸缩运动；

所述弹性伸缩部上设有滑动变阻器，所述滑动变阻器将所述弹性伸缩部的伸缩变化转化为电阻变化；

定位器根据所述基础坐标系、所述探针的初始位置信息和所述探针引起的电阻变化，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标。

3.根据权利要求2所述的一种多点式导航探针定位装置，其特征在于，所述滑动变阻器包括固定在所述弹性伸缩部上端的第一导电部、固定在所述弹性伸缩部下端的第二导电部、以及设置在所述第一导电部和所述第二导电部之间的电阻线圈。

4.根据权利要求3所述的一种多点式导航探针定位装置，其特征在于，所述弹性伸缩部的上端设置有第一固定部，所述第一导电部设置在所述第一固定部上；所述弹性伸缩部的下端设置有第二固定部，所述第二导电部设置在所述第二固定部上。

5.根据权利要求2所述的一种多点式导航探针定位装置，其特征在于，所述探针盒内设置有容纳所述探针阵列的通孔阵列，所述通孔阵列中的每个通孔包括上部通孔和下部通孔，并且所述上部通孔的直径大于所述下部通孔；

所述弹性伸缩部设置在所述上部通孔内，所述下部通孔的顶端限制所述弹性伸缩部向下方的移动，所述探针穿过并露出所述下部通孔。

6.根据权利要求5所述的一种多点式导航探针定位装置，其特征在于，在所述探针盒的顶部还设置有堵盖，所述堵盖与所述探针盒固定连接，所述堵盖限制所述弹性伸缩部在所述上部通孔内向上方的移动。

7.根据权利要求3所述的一种多点式导航探针定位装置，其特征在于，所述第一导电部与所述第二导电部为铜圈。

8.一种多点式导航探针定位装置的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取多点式导航探针定位装置的初始位置标识，根据该初始位置标识建立基础坐标系；

获取每个探针根据待测对象的表面轮廓的伸缩变化量引起的电阻变化数据，依据所述基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的电阻变化数据，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标。

9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，依据所述基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的电阻变化数据，定位所述探针阵列中的每个探针的位置坐标的步骤，包括：

获取每个探针对应的滑动变阻器在探针收缩前后的电阻值；

根据所述探针收缩前后的电阻值，计算该探针的收缩量；

根据所述基础坐标系、探针的初始位置信息和探针的收缩量，定位所述探针的位置坐标。

10.根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于，根据下式计算探针的位置坐标：

其中，表示每个探针的收缩量；

Z_ij表示非测量状态时每个探针在基础坐标系的初始高度坐标；

i和j表示探针在探针盒的行列位置编号；

L表示弹性伸缩部未收缩时探针在外的长度；

r表示探针未收缩时滑动变阻器的电阻线长度；

R表示探针收缩后滑动变阻器的电阻线长度；

Z_ij测表示测量状态时每个探针在基础坐标系上的实际高度坐标。