无接触测量的光电测距系统
专利汇可以提供无接触测量的光电测距系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种无 接触 测量的光电测距系统。该系统包括：发 光源 、光路转换模 块 、被测物即手术工具、 图像采集 与处理模块、数据通讯 接口 。发光源发出的光线经光路转换模块的若干次折射及反射，照射到手术工具上，并反射回来，进入图像采集与处理模块的CMOS图像 传感器 中。当手术工具移动时，CMOS图像传感器录得连续的图像，然后数字 信号 处理器对连续两张图片进行对比分析处理，以判断手术工具移动的方向和位移。本 发明 适用于需要采用无接触测量方式的精确测距环境，完全可以应用于脊椎 微创手术 机器人 手术工具的测量。该系统的主要优点是：实现了手术工具的无接触测量；保证了手术的无菌环境；具有快速、测距精确的特点；结构简单、可靠、产品化 水 平高。，下面是无接触测量的光电测距系统专利的具体信息内容。
1、一种无接触测量的光电测距系统，其特征在于该系统包括：
发光源：用于为光电测距系统提供光源；
光路转换模块：将发光源发出的光经过折射和反射后照射到被测物表面；
被测物：为光电测距系统测量的对象，用于将光路转换模块照射到被测物表面的光反射到图 像采集与处理模块；
图像采集与处理模块：用于接收被测物表面反射的光线，并进行成像、记录被测物移动轨迹 以及对被测物移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，最后得出移动方向和移动距离的数据；
数据通讯接口：用于将图像采集与处理模块得出的被测物移动方向和移动距离的数据发送给 上层控制单元。
2、根据权利要求1所述的光电测距系统，其特征在于所述的光路转换模块包括：
光源会聚透镜：用于将光源发出的光线进行会聚；
第一反射镜：设置在光源会聚透镜的光轴上，用于反射光源会聚透镜透射的测量光线；
第二反射镜：设置在第一反射镜的反射光线上，用于将第一反射镜反射的测量光线反射到被 测物表面上；
成像透镜：设置在被测物表面反射的光线上，用于将被测物表面反射的光线会聚并在图像采 集与处理模块上进行成像。
3、根据权利要求2所述的光电测距系统，其特征在于所述的光路转换模块中的光源会聚透 镜、第一反射镜、第二反射镜和成像透镜采用光学材料制成整体式光路转换模块。
4、根据权利要求1所述的光电测距系统，其特征在于所述的图像采集与处理模块包括：
CMOS图像传感器：用于接收经成像透镜会聚的被测物表面反射的光线后并成像；
数字信号处理器：用于记录由CMOS图像传感器对被测物表面的成像，并对被测物移动轨迹 上摄取的一系列图像进行分析处理，最后得出被测物移动方向和移动距离的数据；
控制寄存器：用于保存测量结果及数字信号处理器的配置文件；
通讯接口：用于将数字信号处理器得出的被测物移动方向和移动距离的数据发送给上层控制 单元。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的光电测距系统，其特征在于所述的被测物为手术工 具，该手术工具固定在手术工具固定机构上，该固定机构包括：线路板座，线路板座上开有一个 用于放置手术工具的移动凹槽，移动凹槽的底部开有一个用于通过光电测距系统中光路转换模块 发射的测量光线的通光孔，移动凹槽的上面放置有一个防止手术工具移位及脱出的滑片，该滑片 由固定在线路板座上的线路板座盖片固定，并由线路板座盖片上设置的滚珠压簧定位机构定位， 滑片上设有至少两个用于与滚珠压簧定位机构匹配的定位凹坑。
【技术领域】：
本发明属于测量技术领域，特别涉及一种无接触测量的光电测距系统。
【背景技术】：
目前，医疗机器人技术的研究已经成为国际机器人领域的前沿研究热点之一，其中医疗外科 机器人的研究最为突出。近年来，医务工作人员与科学工程技术人员紧密配合，研究开发了许多 类型的医用外科手术机器人系统，有的己经应用于临床实践。如美国Intuitive Surgical公司开发的 DaVinci外科手术机器人系统和以色列Mazor公司推出的“脊柱助理”脊柱手术用机器人等。
微创外科手术是指经非传统手术途径并借助医学影像等特殊手术器械和仪器对疾患进行诊断 和治疗的微创技术和方法，其目的在于将医源性创伤减小到最低程度，同时获得最佳疗效。脊柱 微创外科手术也具有前面所述微创外科手术的问题，而且脊柱的病变位置与重要生命器官相邻， 手术精度要求高，对医生提出了更高的要求。高精度的手术定位技术始终是限制脊柱微创外科手 术推广的瓶颈。目前脊柱微创外科手术只能在我国的一些大医院开展。
机器人技术是解决上述问题的重要方法。利用机器人的高精度、稳定性和可控性，来完成手 术的定位，为医生手术搭建一个稳固的手术操作平台，改变了过去医生只能凭借主观判断和积累 的手术经验来完成手术的局面，能够减少人为因素引起的手术误差，提高手术质量。
在脊椎微创手术机器人实施手术的过程中，需要测量手术工具进入人体的距离，但手术环境 对测量方式有着自身的特殊要求，如不得接触手术工具；需要保护手术工具的无菌环境；较高的 测量精度等，因此无法采用常规的测量方式。
【发明内容】：
本发明目的是解决微创手术机器人在实施手术过程中无法采用常规的测量方式对手术工具进 入人体的距离进行测量的问题，提供一种无接触测量的光电测距系统。
本发明利用光电测量技术，通过专门设计的机构可以满足上述的测量要求。这项发明适用于 需要采用无接触测量方式的精确测距环境，完全可以应用于脊椎微创手术机器人手术工具的测量。
本发明提供的无接触测量的光电测距系统包括：
发光源：用于为光电测距系统提供光源；
光路转换模块：将发光源发出的光经过折射和反射后照射到被测物表面；
被测物：为光电测距系统测量的对象，用于将光路转换模块照射到被测物表面的光反射到图 像采集与处理模块；
图像采集与处理模块：用于接收被测物表面反射的光线，并进行成像、记录被测物移动轨迹 以及对被测物移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，最后得出移动方向和移动距离的数据；
数据通讯接口：用于将图像采集与处理模块得出的被测物移动方向和移动距离的数据发送给 上层控制单元。
以上所述的光路转换模块包括：
光源会聚透镜：用于将光源发出的光线进行会聚；
第一反射镜：设置在光源会聚透镜的光轴上，用于反射光源会聚透镜透射的测量光线；
第二反射镜：设置在第一反射镜的反射光线上，用于将第一反射镜反射的测量光线反射到被 测物表面上；
成像透镜：设置在被测物表面反射的光线上，用于将被测物表面反射的光线会聚并在图像采 集与处理模块上进行成像。
该光路转换模块中的光源会聚透镜、第一反射镜、第二反射镜和成像透镜可以采用光学材料 制成整体式光路转换模块。
所述的图像采集与处理模块包括：
CMOS图像传感器：用于接收经成像透镜会聚的被测物表面反射的光线后并成像；
数字信号处理器：用于记录由CMOS图像传感器对被测物表面的成像，并对被测物移动轨迹 上摄取的一系列图像进行分析处理，最后得出被测物移动方向和移动距离的数据；
控制寄存器：用于保存测量结果及数字信号处理器的配置文件。
通讯接口：用于将数字信号处理器得出的被测物移动方向和移动距离的数据发送给上层控制 单元。
本发明所述的被测物为手术工具，该手术工具固定在手术工具固定机构上，该固定机构包括： 线路板座，线路板座上开有一个用于放置手术工具的移动凹槽，移动凹槽的底部开有一个用于通 过光电测距系统中光路转换模块发射的测量光线的通光孔，移动凹槽的上面放置有一个防止手术 工具移位及脱出的滑片，该滑片由固定在线路板座上的线路板座盖片固定，并由线路板座盖片上 设置的滚珠压簧定位机构定位，滑片上设有至少两个用于与滚珠压簧定位机构匹配的定位凹坑。
本发明的优点和积极效果：
本发明实现了手术工具的无接触测量；保证了手术的无菌环境；具有快速、测距精确的特点； 结构简单、可靠、产品化水平高。本发明满足了手术环境的基本要求，是利用机器人进行脊椎微 创手术的基础，为手术的顺利完成提供了必要条件，具有很好的应用前景。
【附图说明】：
图1是手术工具固定机构立体图；
图2是本发明无接触测量的光电测距系统方框示意图；
图3是图像采集与处理模块方框示意图；
图4是光电测距系统工作原理示意图；
图5是采用整体式光路转换模块的光电测距系统工作原理示意图；
图6是本发明无接触测量的光电测距系统电路连接参考图。
图中，1线路板座，2滑片，3滚珠压簧定位机构，4线路板座盖片，5底座，6手术工具，7PCB 板，8图像采集与处理模块，9发光源，10光源会聚透镜，11第一反射镜，12第二反射镜，13成 像透镜，14整体式光路转换模块。
【具体实施方式】：
实施例1：
本项发明所述的无接触测量的光电测距系统主要由两部分构成：
第一部分：光电测距电路模块，如图2所示，
光电测距电路模块利用光电技术原理实现了无接触式精确测距。主要由以下四个核心部分构 成(见图2)：发光源，光路转换模块，图像采集与处理模块，数据通讯接口。
发光源：由LED发光二极管与驱动电路组成，驱动电路驱动LED发光二极管发出红色单光 源可见光，为后面的模块提供光源。
光路转换模块：由一个透镜器件组来完成(见图4)，包括：光源会聚透镜10：用于将光源 发出的光线进行会聚；第一反射镜11：设置在光源会聚透镜的光轴上，用于反射光源会聚透镜透 射的测量光线；第二反射镜12：设置在第一反射镜的反射光线上，用于将第一反射镜反射的测量 光线反射到被测物(本例指手术工具)表面上；成像透镜13：设置在被测物表面反射的光线上， 用于将被测物表面反射的光线会聚并在图像采集与处理模块上进行成像。
该光路转换模块中的光源会聚透镜、第一反射镜、第二反射镜和成像透镜可以采用光学材料 制成整体式光路转换模块14，如图5所示。
此透镜器件组根据光线的折射与反射原理，将光线经过若干次的折射与反射，使光线通过上 述线路板座1上的移动凹槽底部的通光孔照射到手术工具6表面上，然后将手术工具表面反射回 的一部分光线，通过透镜器件组后传输到图像采集与处理模块。
图像采集与处理模块(见图3)：包括CMOS图像传感器，用于接收经成像透镜会聚的被测 物表面反射的光线后并成像；数字信号处理器，用于记录由CMOS图像传感器对被测物表面的成 像，并对被测物移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，最后得出被测物移动方向和移动距 离的数据；控制寄存器，用于保存测量结果及数字信号处理器的配置文件；通讯接口：用于将数 字信号处理器得出的被测物移动方向和移动距离的数据发送给上层控制单元。
图像采集与处理模块中的CMOS图像传感器在接收到手术工具表面反射回的光线后即可成 像，这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。虽然手术工 具是由同一种材料制成的精细均匀的针状物体，但是表面并不是绝对光滑的，而是粗糙的，同时 由于光感应器具有较高分辨率，因此，采集到的连贯图像并非完全一样，并且有很明显的差异。 最后利用图像处理模块中的数字信号处理器对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过 对这些图像上特征点位置的变化进行分析，比较连续两幅图像的差异，来判断手术工具的移动方 向和移动距离，从而完成手术工具移动距离的测量。
光电测距系统具体电路包括采用图像采集与处理芯片PAN3101，晶振，以及若干电阻电容构 成的外围电路等，具体连接电路参见图6。
第二部分，手术工具固定机构，
手术工具固定机构由四部分构成：1线路板座，2滑片，3滚珠压簧定位机构，4线路板座盖 片。
线路板座上开有一个用于放置手术工具6的移动凹槽，使手术工具可以在移动凹槽中自由的 上下移动。此器件将手术工具保护在其中，使手术工具不与外界相接触，有效的保证了工具的无 菌环境；移动凹槽的底部开有一个用于通过光电测距系统中光路转换模块发射的测量光线的通光 孔，用于将测量光线照射在手术工具上；移动凹槽的上面放置有一个防止手术工具移位及脱出的 滑片2，该滑片由固定在线路板座1上的线路板座盖片4固定，并由线路板座盖片上设置的滚珠压 簧定位机构3定位，滚珠压簧定位机构设置在线路板座盖片的上方，内部置有弹簧和滚珠，弹簧 与滚珠一起起着固定滑片的作用。滑片在线路板座与线路板座盖片之间穿过，可以自由滑动，滑 片上设有至少两个用于与滚珠压簧定位机构匹配的定位凹坑，用于滚珠吃进定位。
本发明中的集成有光电测距电路模块的电路板、发光源、图像采集与处理芯片以及光路转换 模块等，均固定在PCB板7上。
使用时，将手术工具放入线路板座的移动凹槽后，推下滑片，滚珠落入定位凹坑，滑片固定， 此时手术工具即可在凹槽中上下移动。手术完成后，拉开滑片，滚珠落入另一个定位凹坑，固定 滑片，此时即可取下手术工具，使手术工具可以随病人自由行走。
根据本发明所设计的机构，手术工具只能做上下移动，因此它只能沿着图像采集与处理模块 的某一方向(如X轴方向)移动，所以手术工具的移动方向只有沿此方向的正向与负向正两种， 计算得到的移动的点数使用一个带符号字节进行存储，放在寄存器中。如果为正，则手术工具沿 正向移动了一定距离，反之，则手术工具沿负向移动了一定的距离。此处理模块具有测距精度高 的特点，可达到每厘米315点数，即每变化315点数，手术工具移动10mm，计算精度可达0.032mm。
在得到手术工具位移后，通过数据通讯接口发送给上层控制单元。数据通讯采用串行的方式， 在收到上层控制单元发出的查询命令后，立即发送手术工具的位移。
实施例2、测距过程：
下面通过一次完整的测距实例说明本发明。
如图1所示，将手术工具放入线路板座1上的移动凹槽中，推下滑片2，滚珠压簧定位机构3 内的弹簧推动滚珠吃进，嵌入滑片上的定位凹坑中，将手术工具固定，使手术工具可以在凹槽中 自由的上下移动，在CPU下达命令后，缓缓进入人体，此时就可利用图4所示原理完成测距工作。
图4是电路测距模块测距方法原理图，如图4所示，主要有几个核心部件：1线路板座，5底 座，6手术工具，7PCB板，8图像采集与处理模块，9发光源，10光源会聚透镜，11第一反射镜， 12第二反射镜，13成像透镜。
14整体式光路转换模块。
发光源9模块中的驱动电路驱动LED发光二极管发出单色可见光，光线经过光路转换模块中 的光源会聚透镜10、第一反射镜11、第二反射镜12的若干次折射以及反射，以一定角度射出， 通过底座5与线路板座1的凹槽底部的通光孔，照射到手术工具6上，并反射回来，再经过光路 转换模块中的成像透镜13，进入图像采集与处理模块8中的CMOS图像传感器(光线走行路线由 图4中所示)。当手术工具移动时，CMOS图像传感器录得连续的图像，然后数字信号处理器对连 续两张图片进行对比分析处理，以判断手术工具移动的方向和位移。如手术工具向图中内侧移动， 图像处理模块就会相应计算出手术工具沿正向移动的数值，即手术工具进入人体的距离，并将数 据通过数据通讯接口送出，交给上层控制单元处理。反之，如手术工具向图中外侧移动，传感器 就会相应计算出手术工具沿负向移动的数值，即手术工具移出人体的距离，并将数据发送，交给 上层控制单元。
根据测距电路模块所测得的数据，可以控制手术工具进入人体的距离，保证手术的顺利完成。
在手术完成后，可以拉下滑片2，滚珠嵌入滑片另一个定位凹坑中，固定滑片，取下手术工具， 此时手术工具就可随病人自由行走，完成以后的工作。
综上，本项发明就是利用光电测量技术，通过专门设计的机构进行无接触测量的精确测距方 式，除可应用于脊椎微创手术机器人手术工具的测量外，还可应用于其它类似环境，有着很好的 应用前景。
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