【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗辅助装置，具体为一种微创手术仿真训练器械定位装置与定位方法。
技术介绍
1、微创手术技术以其创伤小、恢复快的优势，已经成为现代医学中不可或缺的一部分。然而，微创手术对医生的操作精度要求极高，尤其是在手术器械的定位和控制方面。为了提高手术精度，微创手术仿真训练系统应运而生，能够模拟实际手术环境，帮助医生在虚拟环境中进行操作训练。
2、现有的微创手术仿真训练系统通常依赖单一传感器或传统的视觉定位方法。这些方法在实际应用中存在精度不足和实时性差的问题，尤其是在复杂手术场景下，难以满足高精度定位的要求。为了克服这些不足，采用多传感器协同定位的方案成为一种有效的技术手段。通过结合角度传感器、位移传感器等不同类型的传感器，可以显著提高定位精度和可靠性。
3、现有的多传感器协同定位方法依赖于精确的标定和数据融合技术。然而，如何在复杂和动态的手术环境中实时、准确地获取器械位姿信息，仍然是技术难题。因此，亟需一种新型的微创手术仿真训练器械定位装置，并结合先进的多传感器协同定位方法，来解决现有技术中的精度和实时性问题。
技术实现思路
1、本部分的目的在于概述本专利技术的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
2、因此，本专利技术的目的是提供一种微创手术仿真训练器械定位装置与定位
3、为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
4、一种微创手术仿真训练定位装置，其包括：
5、实验台，其具有支撑轴杆；
6、第一旋转平台，对称设置在所述支撑轴杆上，并可绕所述支撑轴杆旋转；
7、第二旋转平台，安装在所述第一旋转平台上，并可绕所述第一旋转平台水平旋转；
8、微创手术器械，贯穿所述第二旋转平台，并可相对所述第二旋转平台伸缩；
9、vr眼镜，供操作者佩戴；
10、其中，所述第一旋转平台内置用于测量微创手术器械的俯仰角度变化的俯仰角传感器，所述第二旋转平台内置用于测量微创手术器械的偏航角度变化的偏航角传感器以及测量微创手术器械深度变化的位移传感器，且所述第二旋转平台前端设置有一个用于测量微创手术器械的翻滚角度变化的翻滚角传感器。
11、一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，具体步骤如下：
12、s1、零位标定：确定俯仰角传感器、偏航角传感器、翻滚角传感器和位移传感器的初始电压值，并将微创手术器械调整到基准位置，以建立零位参考并确保虚拟微创手术器械和实际微创手术器械的坐标系的初始对齐；
13、s2、精度标定：通过已知物理量与俯仰角传感器、偏航角传感器、翻滚角传感器和位移传感器电压拟合线性关系，计算比例系数，并建立实际微创手术器械与虚拟微创手术器械之间的坐标系变换关系；
14、s3、实时定位：根据俯仰角传感器、偏航角传感器、翻滚角传感器和位移传感器输出电压和标定公式，计算实际微创手术器械的俯仰角、偏航角、深度和翻滚角，并将这些位姿数据转换到虚拟器械坐标系；
15、s4、虚拟同步：将计算出的位姿变化传输至虚拟环境，实时更新虚拟微创手术器械的位置，并保持实际微创手术器械与虚拟微创手术器械坐标系的一致性。
16、作为本专利技术所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法的一种优选方案，其中，步骤s1中，零位标定具体步骤如下：
17、首先，将微创手术器械调整到基准位置，确保所有传感器处于静止状态，此时，微创手术器械的实际位姿为：
18、
19、记录此时俯仰角传感器、偏航角传感器、翻滚角传感器和位移传感器的初始电压值，其中，为俯仰角的实际值，为偏航角的实际值，为翻滚角的实际值，为深度的实际值，俯仰角传感器初始电压为，偏航角传感器初始电压为，翻滚角传感器初始电压为，位移传感器初始电压为；
20、通过坐标变换矩阵，将实际微创手术器械的坐标系转换到虚拟微创手术器械的坐标系，将虚拟微创手术器械坐标系的原点与实际微创手术器械坐标系的原点对齐，变换矩阵如下：
21、
22、其中，是3x3的旋转矩阵，表示从实际器械坐标系到虚拟器械坐标系的旋转变换，是3x1的平移向量，表示两坐标系之间的平移关系。
23、作为本专利技术所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法的一种优选方案，其中，步骤s2中，精度标定的具体步骤如下：
24、通过实验测量在不同实际位姿变化下，俯仰角传感器、偏航角传感器、翻滚角传感器和位移传感器输出电压的变化情况，建立电压与实际位姿变化的线性关系，得到如下比例系数和偏置项：；
25、其中：和分别表示俯仰角的电压变化率和偏差，和分别表示偏航角的电压变化率和偏差，和分别表示翻滚角的电压变化率和偏差，和分别表示深度的电压变化率和偏差；
26、根据线性拟合的结果，传感器输出电压与实际位姿变化之间的关系可表示为：
27、
28、其中：分别为俯仰角传感器、偏航角传感器、翻滚角传感器和位移传感器实时输出电压；分别表示俯仰角、偏航角、翻滚角和深度的实际变化值。
29、作为本专利技术所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法的一种优选方案，其中，步骤s3中，实时定位的具体步骤如下：
30、首先，基于零位标定过程中记录的初始位姿：
31、；
32、通过每一时刻的实时电压变化计算的位姿增量，逐步更新实际器械的当前位姿，其中，每一时刻的实际微创手术器械位姿由上一时刻的位姿与当前计算的位姿增量之和决定，其公式如下：
33、
34、其中，分别为上一时刻实际微创手术器械的俯仰角、偏航角、翻滚角和深度位置。
35、作为本专利技术所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法的一种优选方案，其中，步骤s4中，虚拟同步的具体步骤如下：
36、利用坐标系变换矩阵，将实际微创手术器械的位姿变化转换到虚拟微创手术器械的坐标系中，确保虚拟环境中的微创手术器械与实际微创手术器械的运动保持一致：
37、
38、其中，为实际器械的位姿，为虚拟器械的位姿。
39、与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：
40、1、本专利技术提供的微创手术仿真训练器械定位装置及其定位方法显著提升了手术器械定位的精准性和实时性。通过多传感器协同测量俯仰角、偏航角、翻滚角和深度等空间位姿参数，并结合零位标定和精度标定方法，有效解决了手术器械在复杂空间运动中的高精度定位难题。该方法能够确保本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种微创手术仿真训练定位装置，其特征在于，包括：
2.一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，由权利要求1所述的一种微创手术仿真训练定位装置实现，其特征在于，具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，其特征在于，步骤S1中，零位标定具体步骤如下：
4.根据权利要求2所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，其特征在于，步骤S2中，精度标定的具体步骤如下：
5.根据权利要求2所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，其特征在于，步骤S3中，实时定位的具体步骤如下：
6.根据权利要求2所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，其特征在于，步骤S4中，虚拟同步的具体步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种微创手术仿真训练定位装置，其特征在于，包括：
2.一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，由权利要求1所述的一种微创手术仿真训练定位装置实现，其特征在于，具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器协同定位的微创手术仿真训练器械定位方法，其特征在于，步骤s1中，零位标定具体步骤如下：
4.根据权利要求2所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：师为礼，于嘉宇，曲峰，魏国栋，苗语，何巍，蒋振刚，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：
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