具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

图1为现有双目定位跟踪器一实施例的结构示意图，如图1所示双目定位跟踪器100包括面壳101、背壳105和两个光源102。光源102包含若干红外灯珠，用于发射红外光线，形成红外光场(基于可见光成像的双目定位跟踪器不包含光源102)，两个摄像头组件103包含感光芯片，镜头和滤光片等，其安置于电路基板104上。电路基板104包含计算单元，用于实时处理摄像头获取的影像并计算被跟踪目标的位置与姿态信息，这些信息包含三个位置信息以及三个姿态信息。双目定位跟踪器仅能识别出现在两个摄像头摄像范围重叠区域的被跟踪目标，即需要被跟踪目标同时出现在两个摄像头的拍摄视野中，这导致跟踪视野显著小于单摄像头时的情形。如图3所示的双目跟踪设置包含摄像头301,302，该设置下仅区域303可以保证同时被两个摄像头301,302观察到，即为双目定位跟踪器有效定位跟踪区域303。

图2为本发明设备采用的单目定位跟踪器的分解图。图2所示，单目定位跟踪器200包含第一外壳201、第二外壳205和光源202。光源202包含若干红外灯珠，用于发射红外光线，形成红外光场(基于可见光成像的单目定位跟踪器不包含光源202)，一个摄像机203，其包含感光芯片，镜头和滤光片等，摄像机203安置在电路基板204上。电路基板204或包含计算单元，用于计算被跟踪目标的位置与姿态信息，亦或具备通讯接口将摄像机采集到的图像通过通讯接口(此处的通讯接口可以是实体线路连接，如：USB和网线等，或无线连接，如：wifi和蓝牙等)发送给计算机，由计算机计算被跟踪目标的位置与姿态信息，这些信息包含三个位置信息以及三个姿态信息。电路基板204还具备针对光源202的功率调整模块(未示出，例如使用常见的可调节的恒流源调整光源电流值)，其可以控制光源202的亮度，从而控制光场强度，该功率调整模块可以通过软件(如控制单元)输入参数设置，实现对光源功率的动态调整。单目定位跟踪能识别出现在其视野中的全部目标，不受双目系统需要被跟踪目标被两个摄像机同时识别的约束，因此跟踪范围更大，跟踪距离更近，同时体积与重量仅为双目系统的一半甚至更小。

单目定位的一种示例方法如下：

1)标定摄像机，获取其内参(包括：但不限于焦距和成像中心坐标)和镜头畸变参数(包括：但不限于径向畸变和切向畸变)；

2)采集图像，利用阈值分割算法去除图像背景，对非背景区域进行八邻域连通区域标记，并计算出每一个标记的连通区域的中心(在图像上的二维像素坐标)作为一个标记点；

3)依据连通区域的面积大小和椭圆程度去除图像上的伪标记点；

4)依次任取四个或以上连通区域的标记点形成标记组合，与被跟踪目标上的标记点(被跟踪目标包含四个或以上标记，这些标记之间的相对位置坐标已知)实际几何特征进行二维与三维匹配(例如：常用的PNP单目视觉定位算法)，并利用匹配结果将被跟踪目标标记点对应的三维坐标转换至三维摄像机坐标系，再利用步骤1中获取的摄像机内参和畸变参数将三维摄像机坐标系下的标记点重新投影到摄像机成像平面，而得到虚拟二维像素坐标，计算这些虚拟二维像素坐标(即重投影结果)与其在实际摄像形成的摄像机图像上实际位置的距离作为重投影误差(这里的实际位置指所选取的标记组合中各标记点的实际位置)；

5)取重投影误差最小的匹配结果计算被跟踪目标在单目定位跟踪器坐标系下的位置与姿态。(匹配结果中已包含被跟踪目标在单目定位跟踪器坐标系下的位置与姿态，此处仅需从匹配结果矩阵中提取对应参数)

以上各个步骤之间并不存在必然的先后执行的关系，可以是并行的。

当单目定位跟踪器靠近被跟踪目标时(此处的靠近指距离较近，譬如距离在0～25cm内)，可能识别出大量的伪标记点，这些伪标记点通过前述单目定位方法步骤3)依然不能很好的去除，残余的伪标记点数量过多将导致计算步骤4)和步骤5)耗费的时间过长，而无法及时的提供计算结果。为此，本实施例还采用以下方法，减小剩余伪标记点的数量，同时保证手术过程的顺利进行，如：但不限于

1)将单目定位跟踪器置于被跟踪目标附近(0～25cm内)；

2)启动单目定位跟踪器开始采集一帧图像，并进入单目定位跟踪器的计算过程

3)根据去除伪标记点后剩余的标记点数量，计算标记组合的总排列组合数，并估算遍历组合的计算代价，譬如：计算时间。

4)当计算代价超过预设值时(譬如为保证定位跟踪器每秒输出30次数据，需要在33毫秒内完成所有遍历，并输出结果，可选取预设值为33ms内的某个值)，则进入步骤5)，否则，进入步骤7)；

5)控制单元通过动态调整单目定位跟踪器中光源的功率(譬如图2中的红外光源202)，动态调整光场中光线的强弱(这里的调整可以是线性调整，譬如等比例逐渐减弱)；

6)重新开始步骤2)、步骤3)及步骤4)，并开始循环，直至步骤4)中的计算代价小于预设值时停止循环，若在设定的时间值内(譬如1分钟)不能达到小于预设值，则控制单元报告错误，提示用户设备故障；

7)控制单元将使用当前设定的光源的功率值进行后续的持续单目定位跟踪计算。

图4为自动化手术设备上所采用的双操作臂一实施例的结构示意图。如图4所示，双主动臂系统400包括第一主动臂401和第二主动臂402构成，两个主动臂被安装在共同的基座407上，此处成90度安装，两个主动臂都具备6个旋转自由度，譬如两个UniversalRobots UR3，第一主动臂401的末端安装有6自由度力/力矩传感器405和手术工具406(此处示例为一个电动钻)。第二主动臂402末端安装有单目定位跟踪器403，其对准被跟踪目标404。基于前文提及的实施例，单目定位跟踪器403可以靠近(0～25cm内)被跟踪目标404，从而减少被跟踪目标被其它物体遮挡导致摄像头无法拍摄目标，从而造成手术中断的可能。被跟踪目标404被固定在目标手术区域408上，其包括若干反光标记4041，本实施例中为4个，这种反光标记可以在摄像机形成的图像上具有明显的规则边界，可以较容易被计算机程序识别并用于计算标记中心，最终用于确定被跟踪目标404的空间位置与姿态。

以下是实现双操作臂系统坐标系统一的一种实施方式：单目定位跟踪器403与第二主动臂402的操作末端之间存在预先设定的机械安装关系，手术工具406与第一主动臂401的操作臂末端存在预先设定的机械安装关系，第一主动臂401与第二主动臂402之间以预先设定的机械安装关系固定在基座407上。以上的预先设定的安装关系是在产品设计阶段即明确的一种安装关系，此处并不限制为任何一种唯一的安装关系。第一主动臂401的基坐标系与其对应的操作末端之间根据机器人的运动学原理，存在参数化(譬如D-H参数)的位置关系，这属于机器人学中的常识内容(参考：John J.Craig著，负超等译《机器人学导论》第三章)，同样，第二操作臂402的基座标系与其操作末端之间亦存在参数化关系，因而，通过以上的安装关系及参数化关系，可以实现将手术工具406的空间位置与姿态直接转化至单目定位跟踪器403坐标系下，同时可以实现将单目定位跟踪器403观测视野所在的坐标系转化至第一主动臂401的基坐标系，因而可以实现根据单目定位跟踪器403跟踪识别被跟踪目标404的位置与姿态，由控制单元发送命令使得第一主动臂401驱动手术工具406到达单目定位跟踪器403视野下由被跟踪目标404所确定(如：固定连接)的手术部位408上的某一个位置与姿态。此时，手术部位408正处于利于实施手术的位置或姿态，随后即可完成预定的工作，如：但不限于钻、磨和切割等。

由于主动臂采用电机在计算机控制下实现自主运动，其设备造价或成本较高。因此，本实施例中还采用被动型机械臂(或称：被动臂)以部分或全部替代主动臂。被动型机械臂是指由机械连杆组合而成，连杆之间的连接可以是转动副或移动副，连杆之间连接处具备连杆间相对角度或位移测量装置，可以测量连杆之间因转动或移动产生的相对角度或相对位移值；但不具备电机和减速机等，自重也更轻，虽无法达到通过计算机编程驱动电机让机械臂运动的目的，但可以在被人为施加一定的外力时运动。被动型机械臂遵循与主动型机械臂相同的运动学计算模型，既可以使用相同的方法计算被动型机械臂的正解及逆解，这种计算属于该领域常识性内容。(参考：John J.Craig著，负超等译《机器人学导论》第三章)

图5为自动化手术设备上所采用的双操作臂另一实施例的结构示意图。如图5所示，其为一个主动臂与一个被动臂的双操作臂机构500，其包含6自由度第一主动臂401(如：Universal Robots UR3)，被动臂502，第一主动臂401与被动臂502被固定安装在共同的基座507上，本实施例中呈180度安装；被动臂502包含3个被动旋转自由度，即第一关节5021、第二关节5022和第三关节5023。第一主动臂401的操作臂末端安装有6自由度的力/力矩传感器405，手术工具406(此处示例为一个电动钻)。被动臂502的操作臂末端安装了单目定位跟踪器503，其对准被跟踪识别目标404。基于前文提及的实施例，单目定位跟踪器503可以靠近(0～25cm内)被跟踪目标404，从而减少被跟踪目标被其它物体遮挡导致摄像头无法拍摄目标，从而造成手术中断的可能。被跟踪目标404由若干反光标记4041构成，此处为4个，被跟踪目标404被固定在目标手术区域408上。

以下是实现以上双操作臂实施例坐标系统一的一种方式：单目定位跟踪器503与被动臂502的操作末端之间存在预先设定的机械安装关系，手术工具506与第一主动臂401的操作臂末端存在预先设定的的机械安装关系，第一主动臂401与被动臂502之间以预先设定的机械安装关系固定在基座507上。以上的预先设定的安装关系是在产品设计阶段即明确的安装关系，此处并不限制为任何一种唯一的安装关系。安装第一主动臂401与被动臂502的基座507与其对应的各自操作末端之间根据机器人的运动学原理，存在参数化的位置关系，这属于机器人学中的常识内容。因而，通过以上的安装关系及参数化关系，可以实现将手术工具406的空间位置与姿态直接转化至单目定位跟踪器503坐标系下，同时可以实现将单目定位跟踪器503观测视野所在的坐标系转化至第一主动臂401的基坐标系，因而可以实现根据单目定位跟踪器503所跟踪目标404的位置与姿态，由计算单元发送命令使得第一主动臂401驱动手术工具406到达单目定位跟踪器503视野下由被跟踪目标404(如：固定连接)所确定的手术部位408上某一个位置与姿态，此时，手术部位408正处于利于实施手术的位置或姿态，随后即可完成预定的工作，如：但不限于钻、磨和切割等。

被跟踪目标与目标手术区域存在刚性的安装关系，比如：刚性较强的骨组织，可以视被跟踪目标与目标手术区域为一个刚体。本实施例中，双操作臂手术机器人系统在运行时可以仅使用一个被跟踪目标，用于定位追踪目标手术区域。这种特点优于目前同类手术机器人普遍使用的两个被跟踪目标(一个固定在手术工具上，用于定位追踪手术工具，另一个固定在患者手术部位，用于定位追踪目标手术区域)。这主要是因为手术工具相对于其对应的单目定位跟踪器的空间位置与姿态可由前文描述的坐标关系确定。

本实施例中的被动型机械臂，其包含的连杆间相对角度或位移测量装置可以是连续的测量装置，或者固定的若干个角度或位移的测量装置。所述连续的测量装置，即可以连续不间断测量输出某一角度或直线位置区间的一定的角度或位移变化数值，这里的一定的角度或位移变化体现于测量装置的测量分辨率。所述的固定的若干个角度或位移的测量装置，即连杆到达某一个角度位置或位移位置后，触发该位置的位置开关，实现位置的信号输出，这里的位置开关之间存在预设的角度或位移变化值。一种连续的测量装置可以是角度或位移编码器，例如：磁编码器，位置开关可以是行程开关，这类编码器或行程开关已广泛运用于常规工业领域。

图6为使用磁编码器的连续测量的装置一实施例的示意图。如图6所示，连续测量装置600包括第一连接件601、第二连接件602、磁编码器读头安装面603、磁编码器码盘安装面604、读头605和码盘606。第一连接件601和第二连接件602系机械连杆的两端连接处，当其之间相对转动时，读头605不断读取并输出码盘606上的位置测量信号。

图7为使用行程开关的固定位置测量装置一实施例的示意图。如图7所示，固定位置测量装置700包括第三连接件701、第四连接件702、触头705和两个行程开关706。第三连接件701和第四连接件702为机械连杆的两端连接处，当转动发生时，触头705撞击行程开关706中的任何一个都将触发开关信号，提示到达该位置。

单目定位跟踪器包含电子元件，其不方便直接用于常规的灭菌方法(如：蒸汽灭菌将破坏内部构成)，同时因为其靠近手术目标区域，进入了手术无菌区域，可能对手术部位造成病菌感染，因而需要在手术时对其进行无菌隔离，以保证手术区域的无菌。本实施例还提供一种无菌隔离装置，用于与单目跟踪定位器组合，实现对跟踪定位器前端面的无菌隔离。该装置包括隔离框架本体，光学透明材料以及紧固装置。隔离框架本体可以是塑料制成的一次性医疗用具，也可以是金属材质可反复灭菌消毒，其具备可以容纳单目定位跟踪器前端合适的腔。光学透明材料如：透明玻璃和塑料等。一种材质如：PET，具有较好的透光性，可以用于本实施例涉及的应用场景中，作为一次性使用医疗用具。框架本体用于固定光学透明材料，同时包含紧固装置，可以在单目定位探头安装进入无菌隔离装置后，用于锁定两者之间的配合。单目跟踪器的后端，可以使用常规的手术室用无菌防护套进行隔离(这种保护套被广泛运用于手术室用于隔离医疗设备，如：医用显微镜等)，以保证跟踪器整体被无菌隔离。

图8为无菌隔离装置一实施例的示意图。如图8所示，隔离装置本体8011、透明玻璃材质8012和夹紧装置8013构成无菌隔离装置。本体8011具有配合单目定位跟踪器前端的通孔8014，透明玻璃材质8012用于遮挡通孔8014，在保证光线穿过的同时，实现无菌隔离。跟踪器200装入无菌隔离装置后，夹紧装置8013用于紧固两者之间的配合，使其不易发生松动，这种紧固可以是多种形式，如锁扣形式，磁性吸引等。无菌隔离装置整体可以制造成一次性无菌医疗用具，在使用后丢弃，防止病菌感染。

无菌隔离装置被安装到单目定位跟踪器后，将改变跟踪器已有的光学成像物理情况，透明材质材料将对光发生吸收，反射或者折射，影响对目标识别时的定位精度，因此在对摄像机的内部参数(如：焦距，畸变和中心等)进行标定时，需要考虑到透明材质的影响。本实施例中将无菌隔离装置安装到跟踪器上并紧固后，再进行摄像机标定确定摄像机内参，以此补偿透明材质造成的影响。计算机在获得定位跟踪器中的摄像头成像标定结果后，使用以上的标定结果进行计算，以保证对目标识别定位的准确性。