一种用于辅助超声检查的柔性执行器、连接装置及机器人

摘要

本发明公开一种用于辅助超声检查的柔性执行器，包括柔性体、连通管；所述柔性体内开设有第一空腔，连通管安装于柔性体端部，且连通管的一端贯通至第一空腔；所述连通管用于将外部的液体或气体导入至第一空腔，进而经压强驱动柔性体产生形变；所述柔性体内还安装有防径向膨胀机构，防径向膨胀机构用于在柔性体产生形变时，限制其径向膨胀，只能在柔性体轴向上进行伸缩运动。本发明可以辅助医疗人员进行超声检查或其他医学注射等工作，以提高诊断效率及精准度。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性机器人技术领域，尤其涉及一种用于辅助超声检查的柔性执行器、连接装置及机器人。

背景技术

伴随着社会老龄化趋势的加速、重大疾病发病率攀升，临床对医疗检查的质量及覆盖领域要求更高。而超声，以其无辐射、适用性广等特点，成为临床首选的医学影像检查手段之一。但由于医疗资源分配不均、相关人才紧缺等因素，医疗机构亟须设备的智能化扩展，以提高诊断效率及精准度，因此，急需一种用于辅助超声检查的柔性机器人来辅助医生诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于辅助超声检查的柔性执行器、连接装置及机器人，以辅助医疗人员进行超声检查或其他医学注射等工作，以提高诊断效率及精准度。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种用于辅助超声检查的柔性执行器，包括柔性体、连通管；所述柔性体内开设有第一空腔，连通管安装于柔性体端部，且连通管的一端贯通至第一空腔；所述连通管用于将外部的液体或气体导入至第一空腔，进而经压强驱动柔性体产生形变；所述柔性体内还安装有防径向膨胀机构，防径向膨胀机构用于在柔性体产生形变时，限制其径向膨胀，只能在柔性体轴向上进行伸缩运动。

进一步地，所述第一空腔沿柔性体长度方向开设于其内部；所述防径向膨胀机构采用可伸缩的材料制成，防径向膨胀机构套设于第一空腔的外侧，且其两端与柔性体的两端内壁连接。

进一步地，所述防径向膨胀机构可采用以下机构中的任意一种：弹簧、伸缩网管。

进一步地，所述柔性体包括柔性管、两密封端盖；所述第一空腔开设于柔性管的内部，两密封端盖分别布置于柔性管的一端并将其密封；所述连通管安装于其中一密封端盖上。

进一步地，所述柔性体采用可产生形变的柔性材料制成。

为实现上述目的，还提供一种用于辅助超声检查的柔性连接装置，包括底板、顶板，以及若干上述的柔性执行器；若干所述柔性执行器活动连接于底板和顶板之间，且每一柔性执行器还均连接一压力传感器，压力传感器用于监测柔性执行器的内部压强。

进一步地，所述顶板和底板上还均安装有若干连接关节，且每一连接关节均至少拥有两个自由度；若干所述柔性执行器在圆周方向上间隔排列布置于底板与顶板之间，且每一柔性执行器的两端分别经一连接关节与底板和顶板对应活动连接。

进一步地，所述连接关节采用以下机构中的任意一种：球体转动接头、万向节接头。

为实现上述目的，还提供一种用于辅助超声检查的柔性机器人，包括机械臂RCM机构，以及上述的柔性连接装置；所述机械臂RCM机构与柔性连接装置驱动连接，柔性连接装置的顶板或底板用于安装超声检测设备。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

1)柔性执行器内设有防径向膨胀机构，可用于在柔性体产生形变时，限制其径向膨胀，只能在柔性体轴向上进行伸缩运动，进而可确保基于该柔性执行器制造的柔性机器人控制超声检测设备工作时，其作用的位置和力更加简单精确；

2)柔性连接装置设有6个柔性执行器，且每一柔性执行器均连接一压力传感器，可提供六轴力和力矩的反馈，而无需借助其他传感设备，使用方便，且可降低成本；

3)柔性机器人设有机械臂RCM机构，自动化程度高，在应用于超声检查时，可提高检测效率及检测精度。

附图说明

图1为本发明的柔性机器人的结构示意图；

图2为本发明的柔性连接装置的立体图；

图3为本发明的柔性执行器在不同压强驱动下的外部结构对比示意图；

图4为本发明的柔性执行器在不同压强驱动下的内部结构对比示意图；

图5为本发明的柔性执行器的内部压力方向示意图；

图6为本发明的其中一实施例中，柔性执行器伸长量与其内部压强的关系示意图；

图7为本发明的其中一实施例中，柔性连接装置的运动方向示意图；

其中，附图标识说明：

1—柔性执行器； 2—防径向膨胀机构；

3—底板； 4—顶板；

5—连接关节； 6—机械臂RCM机构；

7—柔性连接装置； 11—柔性管；

12—密封端盖； 13—连通管；

14—第一空腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1至7所示，本发明提供一种用于辅助超声检查的柔性执行器，包括柔性体、连通管13；所述柔性体内开设有第一空腔14，连通管13安装于柔性体端部，且连通管13的一端贯通至第一空腔14；所述连通管13用于将外部的液体或气体导入至第一空腔14，进而经压强驱动柔性体产生形变；所述柔性体内还安装有防径向膨胀机构2，防径向膨胀机构2用于在柔性体产生形变时，限制其径向膨胀，只能在柔性体轴向上进行伸缩运动。

其中，所述第一空腔14沿柔性体长度方向开设于其内部；所述防径向膨胀机构2采用可伸缩的材料制成，防径向膨胀机构2套设于第一空腔14的外侧，且其两端与柔性体的两端内壁连接；所述防径向膨胀机构2可采用以下机构中的任意一种：弹簧、伸缩网管；所述柔性体包括柔性管11、两密封端盖12；所述第一空腔14开设于柔性管11的内部，两密封端盖12分别布置于柔性管11的一端并将其密封；所述连通管13安装于其中一密封端盖12上；所述柔性体采用可产生形变的柔性材料制成。

还提供一种用于辅助超声检查的柔性连接装置，包括底板3、顶板4，以及若干上述的柔性执行器1；若干所述柔性执行器1活动连接于底板3和顶板4之间，且每一柔性执行器1还均连接一压力传感器，压力传感器用于监测柔性执行器1的内部压强。

其中，所述顶板4和底板3上还均安装有若干连接关节5，且每一连接关节5均至少拥有两个自由度；若干所述柔性执行器1在圆周方向上间隔排列布置于底板3与顶板4之间，且每一柔性执行器1的两端分别经一连接关节5与底板3和顶板4对应活动连接；所述连接关节5采用以下机构中的任意一种：球体转动接头、万向节接头。

还提供一种用于辅助超声检查的柔性机器人，包括机械臂RCM机构6，以及上述的柔性连接装置7；所述机械臂RCM机构6与柔性连接装置7驱动连接，柔性连接装置7的顶板4或底板3用于安装超声检测设备。

本发明工作原理：

继续参照图1至7所示，其中一实施例中，本发明提供了一种柔性执行器，柔性执行器1采用可产生形变的柔性材料制成，如硅胶，橡胶与部分高分子材料等，柔性执行器1内部还有压力腔道(第一空腔14)，当压力腔道内的压力改变时，柔性执行器1会产生形变，同时，在柔性执行器1内部设置了防径向膨胀机构2，该机构可在柔性体产生形变时，限制其径向膨胀，只能在柔性体轴向上进行伸缩运动，其采用可伸缩的材料制成，如弹簧、伸缩网管，或其他螺旋、网状、管状结构等；具体地，参照图3和图4中的(a)和(b)所示，P1和P2表示液体或气体不同的压强输入状态，其中，P2状态下所输入的气体或液体的压强大于P1状态下所输入的气体或液体的压强，因此，P2状态下的柔性执行器1在轴向上的伸长量大于P1；轴向上的伸长量是由第一空腔14内的压强差产生的，如图5所示，当通过连通管13向第一空腔14施加液体或气体时，第一空腔14的内部压强将被施加于第一空腔14的内壁上，进而会导致柔性体产生体积膨胀，为避免柔性体在径向上膨胀，在其外侧设置了如弹簧、伸缩网管等可伸缩的防径向膨胀机构2，限制其径向膨胀，只能在柔性体轴向上进行伸缩运动，如图6所示，为柔性执行器1的伸长量与其内部压强的关系图，根据柔性执行器1所用结构、材料的不同，其柔性执行器1的伸长量与其内部的压强可呈线性或非线性关系。

另一实施例中，本发明还提供一种柔性连接装置，且在该实施例中，柔性执行器1的数量设置为6个(柔性执行器1的数量可被设计为允许对应数量运动轴运动与对应数量轴数的力传感的机构，如该实施例中，柔性执行器1的数量设置为6个，可提供6个自由度的移动)，柔性机器人是基于该6个柔性执行器1并联而设计的，可进行六个自由度的移动；具体地，6个柔性执行器1在圆周方向上间隔排列布置于底板3与顶板4之间，且且每一柔性执行器1的两端分别经一连接关节5与底板3和顶板4对应活动连接；该连接关节5至少具有两个自由度，可采用球体转动接头或万向节接头等；由于设置了连接关节5，该六足并联机构中的柔性执行器1只可以进行轴向的伸长及缩短，具体应用时，可将外部的超声检测设备安装于顶板4或底板3上，基于柔性执行器1的工作原理，该超声检测设备与人体间的接触是顺从且贴合的。

另一实施例中，本发明还提供一种柔性机器人，该柔性机器人被设计为在多轴运动及施加外部力、力矩时仅产生轴向压力，该机器人包括机械臂RCM机构6和柔性连接装置7，该机械臂RCM机构6具有三个自由度，可以扩大柔性机器人的工作空间，另外，该柔性机器人可以实现空间中六轴的自由运动与反馈控制，且由于压力传感器(压力传感器与柔性执行器1的连通管13连接，可监测柔性管11的内部压强，并依据该内部压强进行柔性连接装置7末端受力监控，即柔性连接装置7的末端姿态可利用柔性管11内部的第一空腔14的压强进行控制)和可变形的柔性执行器1的存在(超声检测设备的位置和姿态可由柔性执行器1的体积反馈计算得到，由于柔性执行器1内部的第一空腔14的大小是确定的，即其横截面大小保持不变，故可通过外部测量机构测量其长度，即可得到充入第一空腔14内液体或气体的体积，测量机构可采用线性位移电位计、电机编码器等其他测量设备，其内部体积和内部压力之间的关系可通过校准程序预先得到，因此，可以通过将来自压力传感器的压力反馈值与来自体积测量的内部压力之间的压力相减来测量由外力引起的压差，进而基于压差来计算接触力、扭矩)，该柔性机器人可测量空间中六轴的力与扭矩，具体地：

参照图7所示，该柔性机器人的运动学逆解方式为：首先由公式f

f

式中，b

P

由柔性机器人的硬度矩阵(K)和相对运动(P

F＝KJΔρ

柔性机器人硬度矩阵与柔性机器人雅各比矩阵皆为6x6矩阵，当柔性执行器1的伸长量与压强值成线性关系时，标定矩阵(C＝KJ)可由六轴上的标定结果确定；该柔性机器人在空间六轴上自由移动及转动的同时，实现了六轴力传感的功能，且由于同时具有这两种功能，此柔性机器人可进行力反馈控制下的运动，从而实现与被检测对象身体的轻柔接触。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。