专利名称：点线面定位多功能探针及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定位探针，尤其涉及一种新型点、线、面定位多功能探针及其应用，可用于机器人辅助外科手术及其它探测定位场合。属于先进制造与自动化领域。
背景技术：
八十年代中期以来，机器视觉技术逐渐成熟完善，人们能够在许多场合感知和获得被遮挡物体的形状和位置信息。在机器人外科手术中，术中假体的安放位置、切割与开孔的精度都直接关系到手术的完成质量。手术中切割工具的位置、方向也直接决定着手术完成的精度。在所有这些因素中，物体的定位起着至关重要的作用，物体定位决定着物体的坐标位置、以及不同坐标系的相互转换关系。人工膝关节置换术中，手术工具切割时的方位全由医生根据经验控制掌握，专用定位模板只能提供一定程度上的精度保证，人为因素仍然很大，是主要的误差来源。传统方法中，定位时医生手持探针，尖端点在生理特征点上，用立体视觉技术得到三个标志物中心的坐标信息，由三点之间的不同距离辨别出顶部标志物和中部标志物；用两个中部标志物中心的坐标信息定出顶部标志物中心到探针尖端的空间矢量方向，这样就可以根据顶部标志物中心的坐标信息和顶部到尖端的已知距离计算出此时探针尖端所指的点的坐标信息(如文献Hardin R.W..Imaging fusion aids brain surgeons.SPIE，2000，11-5所述)。这种定位方法的精确程度受制于探针的制造工艺，要保证三个圆球标志物中心同探针尖端共线非常困难。传统方法中大量存在的是点的定位，即由探针直接对工具或股骨上的某点进行点取来获得该点的三维坐标，但在实际环境中，大量存在的是物体的点，线，面及其组成的各种几何结构，用传统探针对点的测量方法来获得线与平面将会产生很大的误差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足和缺点，提出一种点、线、面定位多功能探针及其应用，探针结构简单，使用方法灵活，能有效解决机器人外科手术及其它定位场合中的点、直线边缘与平面的定位问题，提高定位效率。
为实现这样的目的，本发明所设计的多功能探针由探针上支架与下支架，四个红外二极管以及定位针、定位槽、定位面组成。上支架与下支架互相垂直呈丁字型结构相连，三个二极管分布在上支架，成一直线分布，第四个二极管位于探针下支架，其与上支架中间一个二极管的连线垂直于上支架上三个二极管形成的直线，四个二极管非等间距布置在同一个平面上，下支架的四个面均开有定位槽，下支架未端的四个平面为探针定位面，定位槽位于第四个红外二极管的下方，定位面的上方，探针的定位针位于下支架底部，与下支架以可拆卸方式相连，以方便安装不同长度的定位针。
利用本发明探针上的四个红外二极管及定位针可进行对物体点的定位，利用四个红外二极管及定位槽可进行对物体边缘直线的定位，利用四个红外二极管及定位面可进行对物体平面的定位。
使用时，首先对探针的定位针、定位槽与定位面进行标定。根据四个红外二极管建立探针坐标系，同时求出探针坐标系与摄像机坐标系之间的关系。将定位针点取任意物体的表面，并将探针以针尖为球心转动三次以上，根据四个二极管在摄像机坐标系中的坐标可以确定针尖在摄像机坐标系中的位置，由于探针坐标系与摄像机坐标系间的关系已知，所以可以确定针尖在探针坐标系中的位置。将探针的定位槽对齐任意物体的直线边缘，并将探针以定位槽为轴转动三次以上，根据四个二极管在摄像机坐标系中的坐标可以确定定位槽在摄像机坐标系的直线方程，由于探针坐标系与摄像机坐标系间的关系已知，所以可以得到定位槽在探针坐标系中的位置。将探针的定位面对齐任意物体的平面，并将探针沿定位面滑动三次以上，根据四个二极管在摄像机坐标系中的坐标可以确定定位面在摄像机坐标系的平面方程，由于探针坐标系与摄像机坐标系间的关系已知，所以可以确定定位面在探针坐标系中的位置，这样就完成了探针的定位针、定位槽、定位面的标定。
将定位针、定位槽、定位面分别对准所要定位物体的点、直线边缘或平面，通过摄像机可以得到探针坐标系与摄像机坐标系的关系，由于此时定位针、定位槽、定位面在探针坐标系中的位置已知，所以可以直接得到定位针、定位槽、定位面在摄像机坐标系中的位置，从而完成对物体点、线、面的定位。
本发明所设计的探针集点、线、面定位于一体，结构简单，方法灵活、实现容易。本发明的探针只需进行一次标定后就可以直接用来对物体的点、直线边缘、平面进行定位，提高了定位的效率。本发明所设计的探针集多种定位方法于一体，有效的避免了传统探针仅使用点定位来获得直线与平面时所产生的误差。同时由于本发明所设计的探针利用了计算机视觉原理进行定位，也有效的避免了探针制造工艺带来的各种误差。
图1为本发明的多功能探针结构示意图。
图1中，1为上支架，2为下支架，3为四个红外二极管，4为定位槽，5为定位面，6为定位针。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步的详细描述。
本发明设计的多功能定位探针结构如图1所示，探针的上支架1与下支架2互相垂直呈丁字型结构相连，四个红外发光二极管A，B，C，D组成四个标志点，其中A，B，C三个二极管依次位于探针上支架1，尽量成一直线分布，第四个二极管D位于探针下支架2，第四个二极管D与第二个二极管B的连线BD尽量与上支架上三个二极管ABC形成的直线垂直，且A，B，C，D应尽量位于同一个平面上，同时为了便于确定探针坐标系，四个二极管为非等间距布置，即上支架中间的二极管B与其余三个二极管之间的间距|AB|，|BC|，|BD|互不相等。第四个红外二极管下方的下支架四个面上均开有定位槽4，可以方便探针在各个方位进行直线定位，应尽量在工艺上保证定位槽4的直线性。下支架未端的四个平面为探针定位面5，在工艺上应尽量保证定位面5的平面性。探针的定位针6位于下支架2底部，与下支架以可拆卸方式相连，以方便安装不同长度的定位针。
使用时，首先对探针的定位针6、定位槽4与定位面5进行标定。通过A，B，C，D四个二极管建立探针坐标系，从而可以求出探针坐标系与摄像机坐标系间的关系。将定位针针尖G点取任意物体的表面，并将探针以G为球心转动三次以上，根据四个二极管在摄像机坐标系中的坐标可以确定G在摄像机坐标系的位置，由于探针坐标系与摄像机坐标系间的关系已知，所以可以确定G在探针坐标系中的位置，从而完成定位针的标定。
将探针的定位槽F1F2对齐任意物体的直线边缘，并将探针以F1F2为轴转动三次以上，根据四个二极管在摄像机坐标系中的坐标可以确定F1F2在摄像机坐标系的直线方程，由于探针坐标系与摄像机坐标系间的关系已知，所以可以确定F1F2在探针坐标系中的位置，同理也可获得其它三个面上的定位槽在探针坐标系中的位置，从而完成定位槽的标定。
将探针的定位面E1E2E3E4对齐任意物体的平面，并将探针沿E1E2E3E4滑动三次以上，在此应保证滑动过程既有平动又有转动，根据四个二极管在摄像机坐标系中的坐标可以确定E1E2E3E4在摄像机坐标系的平面方程，由于探针坐标系与摄像机坐标系间的关系已知，所以可以确定E1E2E3E4在探针坐标系中的位置，同理也可获得其它三个面上的定位面在探针坐标系中的位置，从而完成探针定位面的标定。
对探针标定后，定位针、定位槽、定位面在探针坐标系中的位置均已确定。将定位针点取所要定位物体的点，通过摄像机可以得到探针坐标系与摄像机坐标系的关系，由于此时定位针在探针坐标系中的位置已知，所以可以直接得到定位针在摄像机坐标系中的位置，从而完成对物体点的定位；将探针定位槽点对齐所要定位物体的直线边缘，通过摄像机可以得到探针坐标系与摄像机坐标系的关系，由于此时定位槽在探针坐标系中的位置已知，所以可以直接得到物体直线边缘在摄像机坐标系中的位置，从而完成对物体边缘的定位；将探针定位面对齐所要定位物体的平面，通过摄像机可以得到探针坐标系与摄像机坐标系的关系，由于此时定位面在探针坐标系中的位置已知，所以可以直接得到物体平面在摄像机坐标系中的位置，从而完成对物体平面的定位。
权利要求
1.一种点线面定位多功能探针，其特征在于由上支架(1)、下支架(2)、红外发光二极管(3)、定位针(6)、定位槽(4)和定位面(5)组成，上支架(1)与下支架(2)互相垂直呈丁字型结构相连，四个二极管(A，B，C，D)组成四个标志点，其中三个二极管(A，B，C)位于探针上支架且成直线分布，第四个二极管(D)位于探针下支架(2)，第四个二极管(D)与上支架中第二个二极管(B)的连线(BD)垂直于上支架上三个二极管(ABC)形成的直线，四个二极管(A，B，C，D)非等间距布置在同一个平面上，第四个二极管(D)下方的下支架四个面上均开有定位槽(4)，下支架未端的四个平面为探针定位面(5)，探针的定位针(6)位于下支架(2)底部，并与下支架(2)以可拆卸方式相连。
2.一种权利要求1的点线面定位多功能探针的应用，其特征在于用于机器人外科手术中的点定位、直线边缘定位及平面定位。
全文摘要
本发明涉及一种点线面定位多功能探针及其应用，探针由上支架与下支架，四个红外二极管以及定位针、定位槽、定位面组成，上支架与下支架互相垂直呈丁字型结构相连，四个二极管组成四个标志点，其中三个二极管位于探针上支架且成直线分布，第四个二极管位于探针下支架，其与上支架中间二极管的连线垂直于上支架上三个二极管形成的直线，四个二极管非等间距布置在同一平面上。下支架四个面均开有定位槽，下支架末端有探针定位面，探针底部的定位针与下支架以可拆卸方式相连。本发明的探针结构简单，集点、线、面定位于一体，只需进行一次标定后就可以直接用来完成机器人外科手术中的点定位、直线边缘定位及平面定位，提高了定位的效率。
文档编号A61B19/00GK1559353SQ20041001686
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月11日 优先权日2004年3月11日
发明者刘宏建, 罗毅, 刘允才 申请人:上海交通大学