空间定位装置及定位方法、矫正器、矫正方法与流程

本发明涉及三维空间位置定位技术领域，尤其涉及的是一种空间定位装置及定位方法、矫正器、矫正方法。

背景技术：

在较多的领域中，需要对一些位置点进行空间位置追踪定位，例如在医疗领域中，需要对一些钻孔点、解剖位置点、特征检测点等位置点进行三维位置追踪定位，将检测出的定位位置数据化之后，可实现后续的自动化控制或数据处理等，所以通常需要通过空间定位装置来实现位置标定及检测定位。

目前，实现三维位置点追踪定位的方式，通常是直接在需要定位的位置处设置标记件，但是，存在一些位置不便于进行直接的标记定位，例如是较为隐僻的位置，无法设置标记件或者标记件容易被遮挡无法检测到，因而需要改进空间标定装置来对这些位置来进行空间定位。

此外，空间标定装置因为制造误差、或温湿度变化、或老化、或摔等变形等等因素，会产生尺寸误差，无法保证定位的准确性，因而需要对空间标定装置进行矫正，否则就只能报废重新制作，而目前没有较好的矫正器可以对空间标定装置进行矫正。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种空间定位装置，包括：板结构及至少三个标记件；所述板结构包括尖端部和标记板面部；各个所述标记件设置在所述标记板面部上，且与所述尖端部之间的间距不等。

根据本发明的一个实施例，所述板结构为不显影材质，所述标记件为显影材质；和/或，所述标记件为反光标记件。

根据本发明的一个实施例，所述标记件为球状结构。

本发明还提供一种空间定位装置的矫正器，所述空间定位装置为如前述实施例中任意一项所述的空间定位装置，该矫正器包括：

尖端容置结构，用以容置所述板结构的尖端部，且使所述板结构能够在一定角度范围内绕其尖端部运动；

空间位置识别装置，用以检测所述板结构上的标记件，以确定所述标记件的空间位置。

根据本发明的一个实施例，所述尖端容置结构包括：

尖端连接部，其上开设有容置槽，以配合容置所述板结构的尖端部；

球关节座，包括球体和座体，所述球体可活动配合设置在所述座体的球坑中，所述球体与所述尖端连接部连接固定，使所述板结构能够在一定角度范围内绕其尖端部运动。

根据本发明的一个实施例，所述容置槽延伸至所述球体的球心位置处，使得所述尖端部的最尖端位于所述球体的球心位置处。

根据本发明的一个实施例，所述空间位置识别装置为：双目视觉系统；或，至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头；或，至少两个位于不同角度进行扫描的x光扫描装置。

根据本发明的一个实施例，还包括控制器，所述控制器包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

获取通过空间位置识别装置检测的所述板结构在一定角度范围内绕其尖端部运动时各个标记件运动轨迹上的若干空间位置；

以空间位置到尖端部位置的距离相同或趋近为分组标准，将获取的空间位置进行分组，得到每个标记件的一组空间位置；

对每个标记件的一组空间位置进行球面拟合，得到每个标记件的球面公式；

提取每个标记件的球面公式中的半径，作为每个标记件到尖端部的矫正距离。

根据本发明的一个实施例，所述运动轨迹通过以下运动方式确定：

以尖端部位置为两个相互垂直且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构绕所述各个轴线进行转动，得到各个标记件的运动轨迹；

或，以尖端部位置为四个相互呈45度夹角且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构绕各个轴线进行转动，得到各个标记件的运动轨迹；

或，控制板结构环绕与水平面垂直且过尖端部位置的轴线进行运动，得到各个标记件的运动轨迹。

根据本发明的一个实施例，若所述空间位置识别装置为双目视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头，则在板结构运动时，设有标记件的板面的朝向使得标记件始终能够被所述双面视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头检测识别。

本发明还提供一种空间定位装置的定位方法，所述空间定位装置为如前述实施例中任意一项所述的空间定位装置，该定位方法包括以下步骤：

a1：用所述板结构的尖端部点选待定位空间位置；

a2：检测定位所述板结构上的标记件的位置；

a3：选取至少三个标记件的位置，确定各个标记件与尖端部的距离，计算以每个标记件的位置为球心，及对应标记件与尖端部的距离为半径的球面公式；

a4：根据求得的至少三个球面公式确定各唯一点，为各球面的交点、或距离各球面表面最近点，作为尖端部的定位点。

本发明还提供一种空间定位装置的矫正方法，所述空间定位装置为如前述实施例中任意一项所述的空间定位装置，该矫正方法包括以下步骤：

b1：控制所述板结构在一定角度范围内绕其尖端部运动，同时通过空间位置识别装置检测各个标记件运动轨迹上的若干空间位置；

b2：获取各个标记件运动轨迹上的若干空间位置；

b3：以空间位置到尖端部位置的距离相同或趋近为分组标准，将获取的空间位置进行分组，得到每个标记件的一组空间位置；

b4：对每个标记件的一组空间位置进行球面拟合，得到每个标记件的球面公式；

b5：提取每个标记件的球面公式中的半径，作为每个标记件到尖端部的矫正距离。

根据本发明的一个实施例，所述运动轨迹通过以下运动方式确定：

以尖端部位置为两个相互垂直且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构绕所述各个轴线进行转动，得到各个标记件的运动轨迹；

或，以尖端部位置为四个相互呈45度夹角且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构绕各个轴线进行转动，得到各个标记件的运动轨迹；

或，控制板结构环绕与水平面垂直且过尖端部位置的轴线进行运动，得到各个标记件的运动轨迹。

根据本发明的一个实施例，若所述空间位置识别装置为双目视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头，则在板结构运动时，设有标记件的板面的朝向使得标记件始终能够被所述双面视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头检测识别。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

空间定位装置中，将板结构设置为具有尖端部和标记板面部，从而可以通过尖端部去点选待定位空间位置点，而在标记板面部上设置与尖端部不等距的至少三个标记件，由于各个标记件与尖端部的间距关系是已知的，从而可以通过检测标记件的空间位置来确定尖端部的空间位置，实现尖端部点选的空间位置点定位，可以实现在不方便放置标记件或通过标记件来测定空间位置的情况中的空间位置点定位，适用场景更广，更方便；

空间定位装置的定位方法，采用检测到的至少三个标记件的空间位置及与尖端部之间的距离，来确定相应数量的球面，从而根据几个球面之间的关系来计算得到尖端部的位置，从而确定待定位空间位置，计算方式简单，可定位不易标记的位置点；

矫正器中，尖端容置结构可以实现板结构绕尖端部运动，通过空间位置识别装置可以识别运动轨迹中的标记件的不同空间位置点，由于标记件运动过程中尖端部的位置固定，因而根据这些空间位置点可以确定与标记件相对位置确定的尖端部之间的间距，从而可以实现标记件与尖端部之间的间距关系校正，使得定位更准确。

附图说明

图1为本发明一实施例的空间定位装置及其矫正器的立体结构示意图；

图2为本发明一实施例的空间定位装置及其矫正器的剖面结构示意图；

图3为本发明一实施例的空间定位装置的定位方法的流程示意图；

图4为本发明一实施例的空间定位装置的矫正方法的流程示意图。

图中标记说明：

1-板结构，11-标记板面部，12-尖端部，2-标记件，31-尖端连接部，32-球体，33-座体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1和图2，空间定位装置包括：板结构1及至少三个标记件2。可以理解，标记件2与板结构1的材质不同，标记件2作为板结构1上的标记物，显然能够被空间位置识别装置识别出来。

板结构1包括尖端部12和标记板面部11，尖端部12和标记板面部11可以为一体成型结构，当然不限于此。尖端部12是指尖锐的端部，该部位可以伸入到标记板面部11不易进入的位置或不易放置标记件2的位置处，具体尖锐程度不限，只要能够点选待定位的空间位置即可。各个标记件2设置在标记板面部11上，设置方式可以是贴附或镶嵌等不限，且各个标记件2与尖端部12之间的间距不等。

如图2所示，尖端部12呈角状，可以用尖锐的端部去点选所需要定位的空间位置点。标记板面部11可以为板面结构，具体形状不限，只要使得各个标记件位于一个板面上即可，为了便于操作，可以相对尖端部12而言具有较长的长度，具体长度不限。标记板面部11上布置的标记件最好是不共线地排布，可以提高定位精确度。在图中，标记件2为四个，当然不限于此，标记件2的分布越散越好，当然也要受到板面大小约束。

空间定位装置中，将板结构1设置为具有尖端部12和标记板面部11，从而可以通过尖端部12去点选待定位空间位置点，而在标记板面部11上设置与尖端部12不等距的至少三个标记件2，由于各个标记件2与尖端部12的间距关系是已知的，从而可以通过检测标记件2的空间位置来确定尖端部12的空间位置，实现尖端部12点选的空间位置点定位，可以实现在不方便放置标记件或通过标记件来测定空间位置的情况中的空间位置点定位，适用场景更广，更方便。

空间定位装置可以用在不同的需要定位的场合中，当然，不同场合中的空间位置识别装置可以有所不同，标记件2的材质可以根据需要进行相应的调整，具体不限，只要能够被空间位置识别装置识别出即可。

可选的，板结构1为不显影材质，标记件2为显影材质，可以通过x光扫描装置来扫描检测标记件2。标记件2也可以为反光标记件，可以被双目视觉系统或摄像镜头等光学装置检测识别出来，例如可以是黑白相间的同心圆圈等反光标记物。当然，标记件2也可以是可显影的反光标记件，例如在钢球外侧涂布反光标记。

优选的，标记件2为球状结构，可以镶嵌固定在标记板面部11上，特别在x光扫描情况下，球状结构可以在任意角度下呈圆形，扫描时标记板面部11可以任意布置，操作起来更方便，定位精度也更好。

参看图3，本发明还提供一种空间定位装置的定位方法，空间定位装置为如前述实施例中任意一项所述的空间定位装置，该定位方法包括以下步骤：

a1：用所述板结构的尖端部点选待定位空间位置；

a2：检测定位所述板结构上的标记件的位置；

a3：选取至少三个标记件的位置，确定各个标记件与尖端部的距离，计算以每个标记件的位置为球心，及对应标记件与尖端部的距离为半径的球面公式；

a4：根据求得的至少三个球面公式确定各唯一点，为各球面的交点、或距离各球面表面最近点，作为尖端部的定位点。

下面对本发明实施例的空间定位装置的定位方法进行详细的描述。

在步骤a1中，采用前述实施例的空间定位装置，将板结构1的尖端部12移动到待定位空间位置处，将尖端部12点选到需要定位的位置点，可以将该尖端部12与待定位空间位置实现点接触，当然，后续转动及半径的计算都是以该接触点作为尖端部12执行的。

在尖端部12放置好之后执行步骤a2，检测定位板结构上1的标记件2的位置。可以通过双目视觉系统；或，至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头；或，至少两个位于不同角度进行扫描的x光扫描装置等来检测标记件的空间位置。例如，可以通过双目视觉系统，检测标记件2的空间位置，采用双目视觉系统定位空间点的位置是现有技术，在此不再赘述。当然，检测时，最好使得标记板面部11保持静态且设有标记件2的一面朝向双目视觉系统。

检测好各标记件2的空间位置之后执行步骤a3，选取至少三个标记件2的位置，确定各个标记件2与尖端部12的距离，计算以每个标记件2的位置为球心，及对应标记件2与尖端部12的距离为半径的球面公式，可以得到至少三个不同的球面公式。

具体的，计算尖端部12位置原理如下，标记件2的空间位置为b1，b2，b3，…bn，它们与尖端部12的距离分别为r1，r2，r3，…rn(固设的)。则尖端部12位于以b1为球心、r1为半径的b1r1球面上，同时还位于以b2为球心、r2为半径的b2r2球面上和以b3为球心、r3为半径的b3r3球面上。有三个以上球面，便可以确定唯一点，为三(或更多)个球交点，或距离三(更多)个球表面的最近点。

因而，在计算得到各个标记件2对应的球面公式后执行步骤a4，根据求得的至少三个球面公式确定各唯一点，为各球面的交点、或距离各球面表面最近点，作为尖端部12的定位点。计算得到尖端部12的位置点，也即计算得到了该尖端部12所点选的空间位置点，实现空间位置定位。

空间定位装置的定位方法，采用检测到的至少三个标记件2的空间位置及与尖端部12之间的距离，来确定相应数量的球面，从而根据几个球面之间的关系来计算得到尖端部12的位置，从而确定待定位空间位置，计算方式简单，可定位不易标记的位置点。

继续参看图1和图2，本发明还提供一种空间定位装置的矫正器，所述空间定位装置为如前述实施例中任意一项所述的空间定位装置。该矫正器包括：尖端容置结构及空间位置识别装置(图中未示出)。

尖端容置结构用以容置板结构的尖端部12，且使板结构1能够在一定角度范围内绕其尖端部12运动，由于是绕尖端部12运动，因而标记件2的运动轨迹是在一个球面上，由于标记件2与尖端部12的间距不同，因而不同标记件2的运动轨迹位于不同的球面上。尖端容置结构只要能够实现板结构1的尖端部能够位于其中，不至于在运动过程中尖端部12轻易移动，且板结构1可以绕尖端部12运动即可。

空间位置识别装置用以检测板结构1上的标记件，以确定标记件2的空间位置，由于标记件2在板结构1运动的过程中也相应的运动，空间位置识别装置当然也能识别出运动在不同位置的标记件，从而可以得到标记件2的多个空间位置。

矫正器中，尖端容置结构可以实现板结构1绕尖端部12运动，通过空间位置识别装置可以识别运动轨迹中的标记件2的不同空间位置点，由于标记件2运动过程中尖端部12的位置固定，因而根据这些空间位置点可以确定与标记件2相对位置确定的尖端部12之间的间距，从而可以实现标记件2与尖端部12之间的间距关系校正，使得定位更准确。

在一个实施例中，尖端容置结构可以包括：尖端连接部31及球关节座。球关节座，包括球体32和座体33，座体33上具有球坑，球体32可以在球坑内自由转动，实现球关节的功能。

尖端连接部31上开设有容置槽，以配合容置板结构1的尖端部12，容置槽例如是卡槽，将尖端部12卡固在其中。球体32可活动配合设置在座体33的球坑中，球体32与尖端连接部31连接固定，使板结构1能够在一定角度范围内绕其尖端部12运动。

通过尖端连接部31及球关节座来实现板结构1绕尖端部运动，球关节座的座体33可以与外部体连接固定，保证运动过程时不移动，使各个标记件2仅发生绕点(尖端部12)的球面运动，使得标记件2的位置检测更准确。

优选的，参看图2，容置槽延伸至球体32的球心位置处，使得尖端部12的最尖端位于球体32的球心位置处。由于尖端部12是一立体结构，因而在板结构1运动过程中，势必有部分也会随之运动，因而尽可能地将尖端部12的最尖端位于球体32的球心位置处，从而保证无论球体32如何转动、板结构1如何运动，球心位置必然是不会动的，保证尖端部12的最尖端位置不移动，使得矫正准确度更高。

空间位置识别装置可以为：双目视觉系统；或，至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头；或，至少两个位于不同角度进行扫描的x光扫描装置。

双目视觉系统可以检测运动过程中标记件的不同空间位置，采用双目立体视觉三维测量原理定位空间点的位置是现有技术，在此不再赘述，可以控制定时检测采集空间位置数据。采用不同角度的摄像镜头拍摄与采用不同角度的x光扫描装置扫描的原理类似，都是通过不同角度下的二维图像中的标记件2位置及摄像镜头或x光扫描装置之间的位置关系，确定标记件2在三维空间中的位置点，只是x光扫描装置得到的是x光图像。

在一个实施例中，矫正器还可以包括控制器(图中未示出)。控制器包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

获取通过空间位置识别装置检测的所述板结构1在一定角度范围内绕其尖端部运动时各个标记件2运动轨迹上的若干空间位置；

以空间位置到尖端部位置的距离相同或趋近为分组标准，将获取的空间位置进行分组，得到每个标记件2的一组空间位置；

对每个标记件2的一组空间位置进行球面拟合，得到每个标记件2的球面公式；

提取每个标记件2的球面公式中的半径，作为每个标记件2到尖端部12的矫正距离。

板结构1绕其尖端部12运动的具体轨迹不限，只要使得空间位置识别装置检测到的标记件2运动轨迹上的若干空间位置能够用来拟合呈出球面方程即可。

由于不同标记件2离尖端部12的距离不同，而尖端部12的位置是不变的，因而可以以该距离作为分组标准，将距离相同的或者趋近(容许一定误差范围)的空间位置归为一组，从而每个标记件2都有一组空间位置，各自进行后续的计算。

以其中一个标记件2为例，由于板结构1绕尖端部12运动的过程中，尖端部12位置不变，标记件2的运动轨迹始终是位于一个球面上的，可以通过多个不同位置点来拟合得到该球面公式。

具体的，先确定球面模型：球心坐标(a，b，c)，半径r的球，空间求方程如(1)：

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝r²(1)

将公式(1)进行展开：x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+a²+b²+c²＝r²(2)

接着，令a＝2a，b＝2b，c＝2c，d＝a²+b²+c²-r²

x²+y²+z²-ax-by-cz+d＝0(3)，待求的参数是a，b，c，d；

通过空间位置识别装置检测得到球面上一组点的空间坐标：(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，...，(xn，yn，zn)；将这些点位置代入公式(3)，并写成矩阵得到(4)：

求解：

得到从而确定了该标记件2运动的球面公式及相应的半径r，该半径r即为矫正的标记件2与尖端部12之间的间距。其他标记件2也是如此获得相应的球面公式及半径，在此不再展开赘述。

在运动时，尽可能用少而有规律的运动轨迹得到最有用的空间位置点，当然，运动的幅度越大则其波及的球面范围更大，数据更准确。优选的，运动轨迹通过以下运动方式确定：

方式一：以尖端部12位置为两个相互垂直且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构1绕所述各个轴线进行转动，得到各个标记件2的运动轨迹；以球关节座的座体33放置面为水平面，从上至下俯视时，该方式形成的标记件2的两条运动轨迹呈正交分布，在一条运动轨迹上可以来回多次，此过程中空间位置识别装置周期地进行空间位置检测；由于绕两个相互垂直的轴线进行转动，因而得到的空间位置数据没有对方轴线上的分量，使得单轴线上的数据量最全，精度更高。

方式二：以尖端部12位置为四个相互呈45度夹角且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构1绕各个轴线进行转动，得到各个标记件2的运动轨迹；以球关节座的座体33放置面为水平面，从上至下俯视时，该方式形成的两条运动轨迹呈米字分布，填补在方式一中两垂直轴线之间的数据量，进一步提高精度。

方式三：控制板结构1环绕与水平面垂直且过尖端部12位置的轴线进行运动，得到各个标记件2的运动轨迹，板结构1的运动轨迹近似为一个锥面，各个标记件1的运动轨迹为锥面上的不同高度的环形轨迹，使得运动轨迹分布区域更广，数据较全的基础上，运动方式简单，速度快。

优选的，若所述空间位置识别装置为双目视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头，则在板结构1运动时，设有标记件2的板面的朝向使得标记件1始终能够被所述双面视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头检测识别。

空间位置识别装置或各摄像镜头检测时，使得标记板面部11设有标记件2的一面最好始终朝向双目视觉系统或各个摄像镜头，可以是正对或斜对，只要能够使得双目视觉系统或各个摄像镜头能够检测到各个标记件即可。x光扫描装置则不限，由于其透视功能，无论如何朝向均可以检测到。

参看图4，本发明还提供一种空间定位装置的矫正方法，所述空间定位装置为如前述实施例中任意一项所述的空间定位装置，该矫正方法包括以下步骤：

b1：控制所述板结构在一定角度范围内绕其尖端部运动，同时通过空间位置识别装置检测各个标记件运动轨迹上的若干空间位置；

b2：获取各个标记件运动轨迹上的若干空间位置；

b3：以空间位置到尖端部位置的距离相同或趋近为分组标准，将获取的空间位置进行分组，得到每个标记件的一组空间位置；

b4：对每个标记件的一组空间位置进行球面拟合，得到每个标记件的球面公式；

b5：提取每个标记件的球面公式中的半径，作为每个标记件到尖端部的矫正距离。

根据本发明的一个实施例，所述运动轨迹通过以下运动方式确定：

以尖端部位置为两个相互垂直且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构绕所述各个轴线进行转动，得到各个标记件的运动轨迹；

或，以尖端部位置为四个相互呈45度夹角且处于水平面上的轴线的交点，控制板结构绕各个轴线进行转动，得到各个标记件的运动轨迹；

或，控制板结构环绕与水平面垂直且过尖端部位置的轴线进行运动，得到各个标记件的运动轨迹。

根据本发明的一个实施例，若所述空间位置识别装置为双目视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头，则在板结构运动时，设有标记件的板面的朝向使得标记件始终能够被所述双面视觉系统或至少两个位于不同角度进行拍摄的摄像镜头检测识别。

关于本发明的空间定位装置的矫正方法的具体内容可以参看前述实施例中空间定位装置的矫正器的描述内容，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。