一种三维空间测量装置制造方法
【专利摘要】本发明开了一种三维空间测量装置，该装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器；磁场发生器包含若干个线圈，不同线圈通不同频率的交流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器将检测到的交变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，集中控制单元综合控制线圈的磁场的发生，并将该信号传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器的三维位置和方向数据，通过显示器显示出软管的三维形状及位置。采用多频弱磁场确定一维磁场传感器的三维方位，具有成本低，体积小等特点。
【专利说明】一种三维空间测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三维方位测量装置，尤其涉及采用电磁的方法同时测量多个三维 位置传感器方位的测量装置。
【背景技术】
[0002] 近距离磁场被用于三维方位检测已经有超过四十年的历史。在这种检测系统中， 磁场发生器利用多个电磁线圈产生不同位置，不同方向的电磁场。磁场传感器可以检测到 这种磁场，并可以建立测量值和磁场传感器相对方位的方程组。通过数值求解该方程组，能 计算出该传感器相对磁场发生器的方位。不过现有的这类系统，特别是一些早期的系统，大 量的依赖复杂的模拟信号滤波和跟踪，导致系统的成本高，并且不适合多传感器的同时定 位。有的系统采用多维磁场传感器（即对二个及以上方向都敏感的磁场传感器），这样的传 感器体积大成本高。还有的系统限制传感器只能在一个或有限的几个方向上运动。另外现 有的系统采用分时磁场驱动磁场发生器的各个线圈，使得系统的测量速度较低。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于，克服现有技术的缺陷，提供采用多频弱磁场确定一维磁场传感 器（即只对单一方向敏感的磁场传感器）的三维方位，使测量速度快可以达到25Hz以上， 并可以达到磁场传感器的成本低，体积小，没有辐射，并可以进行非可见测量的三维空间测 量装置。
[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种三维空间测量装置，其 特征在于，所述装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器、磁场发生器、信号处理单元、 集中控制单元、计算装置和显示器；磁场发生器包含若干个线圈按照不同位置不同方向排 列，不同线圈通不同频率的交流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器将检测到的交 变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，信号处理单元将磁场传感器的电信号转换为 数字信号，集中控制单元综合控制所述线圈的磁场的发生，同时接收信号处理单元的数字 信号，并将该数字信号传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理 单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器的三维位置和方向数据，并将处理 后的该磁场传感器三维数据构建出三维图形，再通过显示器显示出软管的三维形状及位 置。
[0005] 其中优选的技术方案是，所述磁场传感器为电感线圈，将若干个电感线圈均布在 软管内，将每个线圈的两端通过插座与信号处理单元连接，所述软管依据使用需要可构成 任意三维空间的曲线结构。
[0006] 优选的技术方案还有，所述磁场发生器的线圈的轴向均在同一平面内。
[0007] 优选的技术方案还有，所述线圈至少被分为两组，由测得的磁场传感器的位置来 确定驱动哪组磁场发生器的线圈发出电磁信号。
[0008] 优选的技术方案还有，所述磁场发生器中安装有一个或多个监测磁场传感器，其 信号用来监测所述磁场发生器的磁场。
[0009] 优选的技术方案还有，所述磁场传感器为霍尔传感器，或为磁阻传感器。
[0010] 进一步优选的技术方案还有，所述信号处理单元的电路板与所述磁场发生器的线 圈的轴向平面位于同一平面内。
[0011] 进一步优选的实施方案还有，所述磁场发生器的不同线圈的不同频率交流电的频 率由相同的参考频率合成。
[0012] 优选的技术方案还有，所述计算装置为嵌入式计算机，所述磁场发生器、信号处理 单元、集中控制单元、嵌入式计算机和显示器分别设置在可移动装置上，在所述移动装置上 设有底座、立柱和操作台，将嵌入式计算机和信号处理单元置于底座上，将显示器设置在操 作台上，在操作台上还设有调节旋钮，所述磁场传感器通过插座与该移动装置相连。
[0013] 优选的技术方案还有，所述软管内的若干个磁场传感器可以随其软管插入内窥镜 的取样通道，从而测量该内窥镜的三维形状及位置。
[0014] 本发明的优点及有益效果是：该三维空间测量装置可以用于非接触非可视的三维 方位测量，例如医疗器械的三维形状跟踪，虚拟现实的控制以及远程控制等。其中一个应用 就是由若干磁场传感器构成软管状的三维形状传感装置，这种三维形状传感装置的外套软 管插入到内窥镜的钳道中，外套软管的形状就是内窥镜钳道的形状，钳道的形状就是内窥 镜的形状，所以通过测量该三维形状传感器可以得知内窥镜的三维形状。并通过该发明的 装置实时显示内窥镜的三维形状。再由于该装置采用多频弱磁场确定一维磁场传感器（即 只对单一方向敏感的磁场传感器）的三维方位，使测量速度快可以达到25Hz以上，并可以 达到磁场传感器的成本低，体积小，没有辐射，并可以进行非可见测量等效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明三维空间测量装置中三维形状传感器的结构示意图；
[0016] 图2为本发明三维空间测量装置的总体结构示意图；
[0017] 图3为本发明三维空间测量装置中磁场发生器线圈的结构示意图；
[0018] 图4为本发明三维空间测量装置中磁场发生器线圈的结构示意图；
[0019] 图5为本发明三维空间测量装置中Z轴电磁线圈磁场示意图；
[0020] 图6为本发明三维空间测量装置中Y轴电磁线圈磁场示意图；
[0021] 图7为本发明三维空间测量装置中传感器方位矢量分解图；
[0022] 图8为本发明三维空间测量装置中三维方位测量及应用装置的框图；
[0023] 图9为本发明三维空间测量装置中三维方位测量及内窥镜应用装置的框图；
[0024] 图10本发明三维空间测量装置中磁场发生器线圈的磁场强度变换示意图。
[0025] 图11为本发明三维空间测量装置中的磁场传感器的一个实例。
[0026] 图中：12_容纳磁场传感器的软管，13-连接磁场传感器的电气插头，14-磁场传感 器，21-显示器，22-操作旋钮，23-传感器插座，24-底座，25-立柱，31-磁场发生器线圈骨 架，32-绕在该骨架上的导线，41-磁场发生器底板，42-磁场发生器的线圈，43-监测磁场传 感器。
【具体实施方式】
[0027] 本发明是一种三维空间测量装置，该装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器 14、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器21 ;磁场发生器包含的 若干个磁场发生器的线圈42按照不同位置与不同方向排列，所述线圈42通不同频率的交 流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器14将检测到的交变磁场转化为电信号并传 送至信号处理单元，信号处理单元将磁场传感器14的电信号转换为数字信号，集中控制单 元综合控制所述线圈42磁场的发生，同时接收信号处理单元的数字信号，并将该数字信号 传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传 感器信号计算出所述磁场传感器14的三维位置和方向数据，并将处理后的磁场传感器14 的三维数据构建出三维图形，再通过显示器21显示出软管的三维形状及位置。
[0028] 本发明中优选的实施方案是，所述磁场传感器14为电感线圈，将若干个电感线圈 分布在软管内，将每个所述线圈的两端通过传感器插座23与信号处理单元连接，所述软管 依据使用需要可构成任意三维空间的曲线结构。
[0029] 本发明中优选的实施方案还有，所述磁场发生器的线圈42的轴向均在同一平面 内。
[0030] 本发明中优选的实施方案还有，所述线圈至少被分为两组，由测得的磁场传感器 14的位置来确定驱动哪组磁场发生器的线圈42发出电磁信号。
[0031] 本发明中优选的实施方案还有，所述磁场发生器中安装有一个或多个监测磁场传 感器43,其信号用来监测所述磁场发生器14的磁场。
[0032] 本发明中优选的实施方案还有，所述监测磁场传感器43为霍尔传感器，或为磁阻 传感器。
[0033] 本发明中进一步优选的实施方案还有，所述信号处理单元的电路板与所述磁场发 生器的线圈42的轴向平面位于同一平面内。
[0034] 本发明中进一步优选的实施方案还有，所述磁场发生器的所述线圈42的不同频 率交流电的频率由相同的参考频率合成。
[0035] 本发明中优选的实施方案还有，所述计算装置为嵌入式计算机，所述磁场发生器、 信号处理单元、集中控制单元、嵌入式计算机和显示器21分别设置在可移动装置上。
[0036] 本发明中进一步优选的实施方案还有，在所述移动装置上设有底座24、立柱25和 操作台，将嵌入式计算机和信号处理单元置于底座24上，将显示器21设置在操作台上，在 操作台上还设有调节旋钮，所述磁场传感器14通过传感器插座23与所述移动装置相连。
[0037] 本发明中优选的实施方案还有，所述软管内的若干个磁场传感器14可以随其软 管插入内窥镜的取样通道，从而测量该内窥镜的三维形状及位置。
[0038] 实施例1
[0039] 该三维空间测量装置采用多频弱磁场确定一维磁场传感器（即只对单一方向敏 感的磁场传感器）的三维方位，因为采用多频磁场，所以测量速度快可以达到25Hz以上，而 一维磁场传感器的成本低，体积小，该装置没有辐射，可以进行非可见测量。
[0040] 当导线通过电流时，其周围会产生磁场。对于一个由导线绕制成的线圈并延Z轴 放置，如图5所示，如果某点P到线圈的距离R》线圈直径D时，该P点由所述线圈42产生 的磁场可以近似为偶极子磁场。其P点的偶极子磁场为，
[0041]
【权利要求】
1. 一种三维空间测量装置，其特征在于，所述装置包括设置在软管内的若干个磁场传 感器、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器；磁场发生器包含若 干个线圈按照不同位置不同方向排列，不同线圈通不同频率的交流电后产生不同频率的交 变磁场，磁场传感器将检测到的交变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，信号处理 单元将磁场传感器的电信号转换为数字信号，集中控制单元综合控制所述线圈的磁场的发 生，同时接收信号处理单元的数字信号，并将该数字信号传送给计算装置，计算装置由集中 控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器 的三维位置和方向数据，并将处理后的该磁场传感器三维数据构建出三维图形，再通过显 示器显示出软管的三维形状及位置。
2. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场传感器为电感线圈， 将若干个电感线圈分布在软管内，将每个线圈的两端通过插座与信号处理单元连接，所述 软管依据使用需要可构成任意三维空间的曲线结构。
3. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场发生器的线圈的轴 向均在同一平面内。
4. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述线圈至少被分为两组，由 测得的磁场传感器的位置来确定驱动哪组磁场发生器的线圈发出电磁信号。
5. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场发生器中安装有一 个或多个监测磁场传感器，其信号用来监测所述磁场发生器的磁场。
6. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述监测磁场传感器为霍尔 传感器，或为磁阻传感器。
7. 如权利要求3所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述信号处理单元的电路板 与所述磁场发生器的线圈的轴向平面位于同一平面内。
8. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场发生器的不同线圈 的不同频率交流电的频率由相同的参考频率合成。
9. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述计算装置为嵌入式计算 机，所述磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、嵌入式计算机和显示器分别设置在可 移动装置上，在所述移动装置上设有底座、立柱和操作台，将嵌入式计算机和信号处理单元 置于底座上，将显示器设置在操作台上，在操作台上还设有调节旋钮，所述磁场传感器通过 插座与该移动装置相连。
10. 如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述软管内的若干个磁场传 感器可以随其软管插入内窥镜的取样通道，从而测量该内窥镜的三维形状及位置。
【文档编号】G01B7/00GK104048593SQ201410301433
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】耿得力, 谢志鹏 申请人:广州市易轩生物科技有限公司