高精度光学导航设备及其热影响精度补偿方法与流程

1.本发明涉及导航设备技术领域，具体是一种高精度光学导航设备及其热影响精度补偿方法。


背景技术：

2.近些年，手术机器人由于其精确性和安全性的优点，为各类外科，骨科，牙科手术提供一种全新的选择。经过一段时间的发展，手术机器人的相关技术日趋成熟，其在临床使用率逐年提高。
3.在定位方式中较为广泛的应用有光学定位和电磁定位，其中光学导航型手术机器人广泛使用双目红外定位跟踪器识别光学标志物，实现对手术目标的跟踪定位，光学定位具有精度高、使用方便、不受电磁环境干扰等优点。
4.目前市面上的光学导航设备图像帧率低，自身发热量低，现市面上光学导航设备的极限工作温度最大只能达到 10℃～ 30℃，局限在手术室的温度，普遍不做温度补偿处理，精度受温度影响比较大。如果采用图像帧率高，实时性高的fpga芯片，由于fpga芯片发热量远超过现有芯片，芯片发热会对导航精度产生严重干扰。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种，高精度光学导航设备及其热影响精度补偿方法，设备采用fpga芯片，图像帧率高，实时性高，增加散热设计和温度算法补偿，使导航设备使用温度扩展至 5℃～ 35℃，在各温度点均能满足高精度要求。
6.本发明提供了一种高精度光学导航设备，包括壳体以及设置在壳体内的主控板、电源板、龙骨、拍照设备和激光灯指示灯板，所述拍照设备具有两组，分别安装在龙骨两端，包括传感器板、感光传感器、镜头和补光灯组件，其中两个拍照设备分别与主控板连接，通过主控板控制补光灯组件进行拍照补光，然后由固定在龙骨上的感光传感器和镜头拍照，把捕捉到的反光球照片上传至主控板，计算出反光球在空间中具体的位置；所述主控板采用fpga芯片，主控板贴合壳体内表面安装，主控板上设置有温度传感器。
7.进一步改进，所述的壳体包括前壳和后壳，前壳和后壳材料为铝合金，导热系数201w/(m*k)。
8.进一步改进，所述的后壳外部设计有散热齿，后壳内表面均匀涂覆有微米级厚度的纳米碳材料，fpga芯片设计在后壳散热齿对应位置。
9.进一步改进，所述的龙骨选用热膨胀系数不大于11.4
×
10-6
(1/℃)的碳钢材料。
10.本发明还提供了一种高精度光学导航设备的热影响精度补偿方法，包括以下步骤：
11.1)主控板通过温度检测传感器实时检测设备腔内的温度为t0；
12.2)光学导航设备在室温启动预热，对反光球进行标定，温度传感器实时检测设备腔内温度t
t
，温升δt＝t
t-t0,温度升高为正值，降低为负值；
13.3)设龙骨两端两个传感器板的物理中心原始距离为l0，龙骨材料的热膨胀系数为a
l
，则龙骨的膨胀量e为：e＝l0×al
×
δt；
14.3)通过算法实时计算传感器板中心的距离l
t
,l
t
＝l0 e,反光球的深度z由如下公式计算：
[0015][0016]
其中f为镜头焦距，d为两个相机图像的像素视差，d
x
为像素尺寸，即像元尺寸；
[0017]
4)通过对温度的实时反馈补偿算法，实时计算传感器板中心的距离，减小温度对设备精度的影响。
[0018]
本发明有益效果在于：
[0019]
1、高精度光学导航设备采用fpga芯片，图像帧率高，实时性高，而且应用的环境温度范围较广。
[0020]
2、通过散热设计以降低腔内温度，进而降低温度对导航设备精度的影响。
[0021]
3、在导航设备增加温度算法补偿，使导航设备使用温度扩展至 5℃～ 35℃，在各温度点均能满足高精度要求。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0023]
图1为光学导航设备爆炸图正面示意图；
[0024]
图2为光学导航设备爆炸图背面示意图；
[0025]
图3为散热及精度补偿方法流程图；
[0026]
图中：01.后壳，02.主控板，03.电源板，04.温度传感器，05.传感器板，06.镜头，07.龙骨，08.补光灯组件，09.激光灯指示灯板，10.前壳。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
本发明提供了一种高精度光学导航设备，包括壳体以及设置在壳体内的主控板02、电源板03、龙骨07、拍照设备和激光灯指示灯板09，所述拍照设备具有两组，分别安装在龙骨07两端，包括传感器板05、感光传感器、镜头06和补光灯组件08，其中两个拍照设备分别与主控板连接，通过主控板控制补光灯组件进行拍照补光，然后由固定在龙骨上的感光传感器和镜头拍照，把捕捉到的反光球照片上传至主控板，计算出反光球在空间中具体的位置；所述主控板02采用fpga芯片，主控板02贴合壳体内表面安装，主控板上设置有温度传感器04。
[0029]
光学导航设备的工作原理如下：通过主控板控制补光灯组件进行拍照补光，然后由固定在龙骨上的感光传感器和镜头拍照，把捕捉到的反光球照片上传至主控板，通过算法的运算，可以计算出反光球在空间中具体的位置，然后把反光球具体的三维坐标信息传输到手术设备控制中心即可。
[0030]
光学导航设备的图像帧率较高，平均可以达到100帧/秒，所以fpga芯片发热量大，芯片热耗达12w。需要对设备进行散热设计以降低腔内温度，进而降低温度对导航设备精度的影响。所述的壳体包括前壳10和后壳01，前壳10和后壳01材料均为铝合金，牌号为6063-t6,导热系数201w/(m*k)，后壳01外部设计有散热齿以增加散热面积。众所周知，导热热阻与距离成正比例关系，因此离芯片中心较远的位置散热效果很差；后壳01内表面设有一层纳米碳涂层材料，将微米级厚度的纳米碳材料均匀涂布在铝合金壳体上，利用碳原子间(5300w/(m*k))的高导热性能进行热传导，再由碳原子高热辐射效能，将热能转换为红外射频，增强均热及散热能力。主控板02上发热最大的fpga芯片设计贴合在后壳01散热齿对应位置，通过后壳01的纳米碳涂层材料和后壳铝合金材料，快速把fpga芯片的热量导到后壳外表面，散发在空气中，最终降低设备腔内温度，减小温度对精度的影响。
[0031]
但上述散热措施并不能消除腔内温度的变化，只要使用环境温度发生变化，与标定温度不一，温度影响就一直存在，需要增加补偿算法以降低影响。
[0032]
热膨胀系数是量度固体材料热膨胀程度的物理量。是单位长度、单位体积的物体，温度升高1℃时，其长度或体积的相对变化量。可用平均线膨胀系数α或平均体积膨胀系数β表示：
[0033]
或
[0034]
式中l、v分别为试样原始长度(mm)和原始体积(mm^3)，δl、δv分别为温度由t1(℃)上升到t2(℃)时试样的相对伸长和体积的变化量。在一般情况下，β≈3α，因此实用上采用线膨胀系数α
l
来表示。它随材料的组成和温度的变化而异，是固体材料受热冲击时反映其性能变化的物理参数。
[0035]
主控板02上设有温度检测传感器04，可以实时检测设备腔内的温度；两个传感器板05固定在龙骨07上，两个传感器板的物理中心原始距离为l0,为了减小温度对距离l0的影响，龙骨07的材料选用常用金属材料里面，热线膨胀系数较小的碳钢材料，碳钢材料的线膨胀系数为11.4
×
10-6
(1/℃)，龙骨的膨胀量为；
[0036]
e(膨胀量)＝l0(长度)
×al
(系数)
×
δt(温升)
[0037]
光学导航设备在室温启动预热，然后对反光球进行标定，主控板02上的温度传感器04检测标定时候设备腔内的温度为t0；设备在使用前开机预热，在使用的过程中，主控板02上的温度传感器04实时检测设备腔内温度t
t
，温升δt＝t
t-t0,温度升高为正值，降低为负值；膨胀量e＝a
l
×
δt,通过算法实时计算传感器板中心的距离l
t
,l
t
＝l0 e,反光球的深度z由如下公式计算：
[0038][0039]
其中l
t
为传感器板的中心距离，f为镜头焦距，d为两个相机图像的像素视差，d
x
为像素尺寸，即像元尺寸。
[0040]
通过对温度的实时反馈补偿算法，算法实时计算传感器板中心的距离，减小温度对设备精度的影响，使得设备可以在 5℃～ 35℃范围下使用，提高产品的适用范围。
[0041]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。