[发明专利]一种模拟手术刀空间定位方法及设备

权利要求书

1.一种模拟手术刀空间定位设备，其特征在于，

包括活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3、模拟手术刀S4、万向转动轴S5、万向转动轴S6、万向转动轴S7、万向转动轴S8和固定座S9组成；

所述活动臂S1通过所述万向转动轴S5与所述固定座S9连接，所述活动臂S1通过所述万向转动轴S6与所述活动臂S2连接，所述活动臂S2通过所述万向转动轴S7与所述活动臂S3连接，所述活动臂S3通过所述万向转动轴S8与所述模拟手术刀S4连接；

所述活动臂S1包括姿态检测模块S101、蓝牙SOC处理器模块S102、电源模块S103；所述姿态检测模块S101采用九轴运动姿态检测传感器，用于捕捉活动臂S1运动过程中的空中姿态；所述蓝牙SOC处理器模块S102用于获取所述活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4的运动姿态数据，进行数据融合计算，获得模拟手术刀S4的空中位置定位信息，并把该空中位置定位信息通过蓝牙通信发送给其他的应用系统使用；

所述活动臂S2包括姿态检测模块，用于捕捉活动臂S2运动过程中的姿态；

所述活动臂S3包括姿态检测模块，用于捕捉活动臂S3运动过程中的姿态；

所述模拟手术刀S4包括姿态检测模块和校准按键，用于捕捉模拟手术刀S4运动过程中的姿态，所述校准按键用于实现对所述模拟手术刀S4空间定位设备的初始位置校准；

所述姿态检测模块使用九轴惯性传感器，该九轴惯性传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴磁强传感器；

所述万向转动轴，用于为活动臂提供绕万向转动轴心在三维空间进行大范围的转动活动；

所述蓝牙SOC处理器模块，是一款集成了MCU中央处理器和蓝牙通信功能的单一SOC芯片，用于采集所述转动臂中的三个姿态检测模块数据和光栅编码模块编码信号 进行模拟手术刀S4的空间定位算法处理，并通过蓝牙通信把计算出的模拟手术刀S4空间定位信息发送给外部应用系统；

所述姿态检测模块S101、姿态检测模块S201、姿态检测模块S301、姿态检测模块S401、和校准按键S402、电源模块S103通过导线与蓝牙SOC处理器模块S102连接。

2.一种模拟手术刀空间定位方法，其特征在于，

包括以下步骤，

步骤一，将权利要求1所述模拟手术刀S4空间定位设备的活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4保持水平且使活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4在同一条轴线上，形成一条直线，同时使得活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3内置的姿态检测模块和模拟手术刀S4内置的姿态检测模块均保持正面朝上；启动模拟手术刀S4空间定位设备工作，按模拟手术刀S4的校准按钮，进行模拟手术刀S4空间定位设备初始位置姿态校准；

步骤二，获取活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4内置的各个姿态检测模块四元数姿态数据，转化成欧拉角姿态数据，根据该欧拉角姿态数据确定活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4的空中姿态和方向；

步骤三，获取活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4内置的各个姿态检测模块的重力加速度数据，根据重力在加速度传感器三个轴上的矢量分量，可分别计算出活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和模拟手术刀S4与水平面的夹角；

设活动臂S1与水平面夹角为α，活动臂S2与水平面夹角为β，活动臂S3与水平面夹角为δ，模拟手术刀S4与水平面夹角为θ；

根据所述活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3、模拟手术刀S4与万向转动轴的连接关系，

设固定座S9为点O，万向转动轴S6为点A，万向转动轴S7为点B，万向转动轴S8为点C，模拟手术刀S4活动端为D，以O为坐标原点建立发明技术方案设备各部分夹角坐标系xOy；

设活动臂S1与x轴夹角为α，活动臂S2与x轴夹角为β，活动臂S3与x轴夹角为δ，模拟手术刀S4与x轴夹角为θ；

设AB与BO的夹角为，BO与y轴夹角为，BO与x轴夹角为q，CO与x轴夹角为Ψ，BO与CO夹角为p；

设活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3的长度均为L，模拟手术刀S4的长度为H，活动臂S2顶端到固定座S9的距离为M，活动臂S3顶端到固定座S9的距离为N，模拟手术刀S4顶端到固定座S9的距离为X；

根据坐标系xOy中三角形角度关系，具有以下公式成立：

--（1）

--（2）

---（3）

---（4）

---（5）

---（6）

---(7)

---(8)

由公式（1）到公式（8）可计算M、N和X, 根据所述模拟手术刀S4、活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3和固定座之间为刚性的连接，结合模拟手术刀S4和活动臂S1、活动臂S2、活动臂S3中姿态检测模块实时捕捉的姿态数据，实现了对模拟手术刀S4的空间位置精确定位；

以上所述本发明模拟手术刀S4空间定位方法的步骤中，某些步骤可以进行先后顺序的调换，不影响模拟手术刀S4空间定位方法最终结果。