一种应用于远程心脏彩超机器人的操作手系统及方法

摘要

本发明公开了一种应用于远程心脏彩超机器人的操作手系统及方法，系统与心脏彩超机器人网络连接，包括控制手柄、电阻屏以及嵌入式计算机；控制手柄与嵌入式计算机线路连接，电阻屏与嵌入式计算机线路连接；心脏彩超机器人包括机械臂，机械臂末端设有压力传感器；控制手柄包括使能按钮、陀螺仪以及线性马达；线性马达用于根据压力传感器数据产生不同的震动反馈；控制手柄与电阻屏配合，使用时触碰电阻屏使电阻屏相应位置电压发生变化；电阻屏，用于根据屏幕上电压值变化来检测控制手柄与电阻屏接触点的坐标。本发明根据机器人端反馈的受力状况，利用不同的震动模式，可以让医生从手部感觉了解远端机器人与患者的交互状态。

说明书

技术领域

本发明属于人机交互技术领域，具体涉及一种应用于远程心脏彩超机器人的操作手系统及方法。

背景技术

随着医疗技术的发展，心脏彩超检测技术以其简单便携、成本低以及无副作用，在医院的应用越来越广泛。但是由于经济发展和优质医疗资游分布的不均匀，很多地区的人民还无法进行高质量的心脏彩超检查。通过远程心脏彩超检测系统在病人端配置远程机器人由专家医生远程操控进行心脏彩超诊断实现资游共享，可解决基层医院、偏远地区资游匮乏的不足。

现有的对病人端配置远程机器人的操控装置包括串联式、串并联式和笔式等，主要功能是采集操作者的动作，并量化为电信号输出，进而机器人的工作。例如，笔式遥控操作装置利用陀螺仪的输出获得手柄的姿态，利用电阻屏的输出获得手柄的位置，从而捕捉到操作者的动作，实现控制机器人的工作。

然而，现有的操控系统没有针对心脏彩超检测这一场景设计不同的震动反馈模式，对于远端机器人与患者的力交互状态缺乏提醒，导致医生无法准确获取到机器人端反馈的受力情况。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种应用于远程心脏彩超机器人的操作手系统及方法，在手柄中嵌入震动马达，让操作者通过手柄的震动反馈直接感知远程机器人的状态，克服现有操作手系统的反馈不足的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用于远程心脏彩超机器人的操作手系统，与心脏彩超机器人网络连接，包括控制手柄、电阻屏以及嵌入式计算机；

控制手柄与嵌入式计算机线路连接，电阻屏与嵌入式计算机线路连接；

心脏彩超机器人包括机械臂，机械臂末端设有压力传感器，用于收集机械臂末端与患者接触的压力数据；

控制手柄包括使能按钮、陀螺仪以及线性马达；线性马达用于根据压力传感器数据产生不同的震动反馈；

控制手柄与电阻屏配合，使用时触碰电阻屏使电阻屏相应位置电压发生变化；

电阻屏，用于根据屏幕上电压值变化来检测控制手柄与电阻屏接触点的坐标；

工作时，控制手柄与电阻屏配合，获取空间位置信息，空间位置信息通过数据转换后传输至嵌入式计算机，嵌入式计算机将数据传输至心脏彩超机器人，实现控制机器人的机械臂进行相应的运动。

进一步的，线性马达根据压力传感器数据产生不同的震动反馈，具体为：

将机械臂末端与人体的接触分为多种情况，包括：

情况一：未接触；

情况二：恰好接触；

情况三：已接触且压力稳定；

情况四：已接触，压力逐渐增大且压力正常；

情况五：已接触，压力逐渐减少且压力正常；

情况六：已接触且压力过大；

设当前压力传感器采集的机械臂末端与人体之间受力为F，F的范围为[0，F

情况一：F＝0；

情况二：F不等于0且Δt时间间隔之前F等于0；

情况三：F不等于0且|ΔF|＜δ，ΔF为压力传感器间隔Δt采集的两个压力值的差；

情况四：当F不等于0且ΔF＜-δ；

情况五：当F不等于0且ΔF＞δ；

情况六：当F不等于0且F＞Fl。

进一步的，根据机械臂末端与人体的接触的6种情况，线性马达产生不同的震动，设线性马达当前震动强度为M，M的范围为[0，m]，m为线性马达最大震动强度，则具体为：

当发生情况一时，线性马达的震动强度为0；

当发生情况二时，线性马达以

当发生情况三时，线性马达的震动强度M按照公式(1)进行逐步衰减，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

其中，′是上一个时间间隔的震动强度；

当发生情况四时，线性马达的震动强度M按照公式(2)进行逐步衰减，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

当发生情况五时，线性马达的震动强度M按照公式(3)进行逐步增强，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

当发生情况六时，线性马达按照最大震动强度m持续震动，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

进一步的，控制手柄还包括壳体，使能按钮设置在壳体上，用于驱动机器人工作，按动使能按钮才能驱动机器人运动。

进一步的，线性马达和陀螺仪均安装在壳体的内部；

陀螺仪用于获取控制手柄的姿态，形成姿态数据以用于控制机械臂的姿态。

进一步的，电阻屏设有触碰电压阈值，用于防止误触，当控制手柄触碰电阻屏且产生的电压大于阈值时，电阻屏才将检测控制手柄与电阻屏接触点的坐标。

进一步的，操作手系统工作时，以陀螺仪处于初始状态控制手柄触碰电阻屏的第一个点作为初始点，机械臂末端的初始位置以初始点作为参考位置；通过控制手柄与电阻屏配合控制机械臂移动有两种方式，具体为：

点击控制方式，使用控制手柄点击电阻屏上一个相对于初始点的位置，根据该位置与初始点的相对坐标，同步机械臂末端移动到与参考位置相对应的位置；

拖动控制方式，使用控制手柄在初始点周围进行拖动，并在某一方向进行累加，在哪个方向累加，机械臂末端就会向哪个方向移动，提起控制手柄时机械臂末端会重新复位之前的相对位置，实现机械臂末端移动。

本发明还包括基于提供的操作手系统的方法，包括以下步骤：

S1、系统初始化，包括设定陀螺仪和电阻屏的初始状态以及初始参数；

S2、按下使能按钮，系统开始工作，首先检测陀螺仪是否处于初始状态，如果并不处于初始状态，则再次执行步骤S1，否则进入步骤S3；

S3、操作控制手柄进行心脏彩超，期间检测陀螺仪X、Y、Z方向是否有发生转动，同时检测电阻屏是否发生电压变化；

S4、当检测到陀螺仪X、Y、Z方向有发生转动，测量陀螺仪X、Y、Z方向转动的偏移角，判断偏移角变化速度是否小于安全值，若小于，则输出陀螺仪X、Y、Z方向转动的偏移角至嵌入式计算机；若不小于，则使偏移角的变换速度等于最大安全值，输出陀螺仪X、Y、Z方向转动的偏移角至嵌入式计算机；

当检测电阻屏发生电压变化，判断此时触碰电压是否大于触碰电压阈值，若大于，则判断电阻屏是否已经设置初始点，若已经设置，则根据点击或拖动的控制方式，输出坐标信息至嵌入式计算机；

若触碰电压不大于触碰电压阈值，则视为误触，忽略该次电压变化；若电阻屏并未设置初始点，则将本次电压变化的接触点设定为初始点；

S5、嵌入计算机根据传输的数据，将数据传输至心脏彩超机器人，实现控制机器人的机械臂进行相应的运动；

S6、重复步骤S3-S6，实现远程控制心脏彩超机器人进行彩超工作。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明根据远程机器人与患者接触反馈的受力状况，对线性马达设计了6种不同的震动模式，操作时根据不同的受力情况进行不同的震动，可以让医生直接根据震动模式感知到远端机器人与患者的交互状态，更好地进行远程控制机器人进行心脏彩超。

附图说明

图1是本发明系统的示意图；

图2是本发明方法的流程图；

附图标号说明：1-控制手柄；2-电阻屏；3-嵌入式计算机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明，一种应用于远程心脏彩超机器人的操作手系统，与心脏彩超机器人网络连接，包括控制手柄1、电阻屏2以及嵌入式计算机3；

控制手柄通过信号传输线与嵌入式计算机线路连接，电阻屏通过usb传输线与嵌入式计算机线路连接；

心脏彩超机器人包括机械臂，机械臂末端设有压力传感器，用于收集机械臂末端与患者接触的压力数据；

控制手柄包括壳体、使能按钮、陀螺仪以及线性马达；使能按钮设置在壳体上，线性马达和陀螺仪均安装在壳体的内部；

使能按钮用于驱动机器人工作，按动使能按钮才能驱动机器人运动；

线性马达用于根据压力传感器数据产生不同的震动反馈；

陀螺仪用于获取控制手柄的姿态，形成姿态数据以用于控制机械臂的姿态。

控制手柄与电阻屏配合，使用时触碰电阻屏使电阻屏相应位置电压发生变化；

电阻屏，用于根据屏幕上电压值变化来检测控制手柄与电阻屏接触点的坐标；电阻屏设有触碰电压阈值，用于防止误触，当控制手柄触碰电阻屏且产生的电压大于阈值时，电阻屏才将检测控制手柄与电阻屏接触点的坐标。

工作时，控制手柄与电阻屏配合，获取空间位置信息，空间位置信息通过数据转换后传输至嵌入式计算机，嵌入式计算机将数据传输至心脏彩超机器人，实现控制机器人的机械臂进行相应的运动。

线性马达根据压力传感器数据产生不同的震动反馈，具体为：

将机械臂末端与人体的接触分为多种情况，包括：

情况一：未接触；

情况二：恰好接触；

情况三：已接触且压力稳定；

情况四：已接触，压力逐渐增大且压力正常；

情况五：已接触，压力逐渐减少且压力正常；

情况六：已接触且压力过大；

设当前压力传感器采集的机械臂末端与人体之间受力为F，F的范围为[0，F

情况一：F＝0；

情况二：F不等于0且Δt时间间隔之前F等于0；

情况三：F不等于0且|ΔF|＜δ，ΔF为压力传感器间隔Δt采集的两个压力值的差；

情况四：当F不等于0且ΔF＜-δ；

情况五：当F不等于0且ΔF＞δ；

情况六：当F不等于0且F＞Fl。

根据机械臂末端与人体的接触的6种情况，线性马达产生不同的震动，设线性马达当前震动强度为M，M的范围为[0，m]，m为线性马达最大震动强度，则具体为：

当发生情况一时，线性马达的震动强度为0；

当发生情况二时，线性马达以

当发生情况三时，线性马达的震动强度M按照公式(1)进行逐步衰减，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

其中，′是上一个时间间隔的震动强度；

当发生情况四时，线性马达的震动强度M按照公式(2)进行逐步衰减，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

当发生情况五时，线性马达的震动强度M按照公式(3)进行逐步增强，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

当发生情况六时，线性马达按照最大震动强度m持续震动，每次震动的时长为Δt，时间间隔是Δt

在本实施例中，操作手系统工作时，以陀螺仪处于初始状态控制手柄触碰电阻屏的第一个点作为初始点，机械臂末端的初始位置以初始点作为参考位置；通过控制手柄与电阻屏配合控制机械臂移动有两种方式，具体为：

点击控制方式，使用控制手柄点击电阻屏上一个相对于初始点的位置，根据该位置与初始点的相对坐标，同步机械臂末端移动到与参考位置相对应的位置；

拖动控制方式，使用控制手柄在初始点周围进行拖动，并在某一方向进行累加，在哪个方向累加，机械臂末端就会向哪个方向移动，提起控制手柄时机械臂末端会重新复位之前的相对位置，实现机械臂末端移动。

如图2所示，在本实施例中，系统的工作流程包括以下步骤：

S1、系统初始化，包括设定陀螺仪和电阻屏的初始状态以及初始参数；

S2、按下使能按钮，系统开始工作，首先检测陀螺仪是否处于初始状态，如果并不处于初始状态，则再次执行步骤S1，否则进入步骤S3；

S3、操作控制手柄进行心脏彩超，期间检测陀螺仪X、Y、Z方向是否有发生转动，同时检测电阻屏是否发生电压变化；

S4、当检测到陀螺仪X、Y、Z方向有发生转动，测量陀螺仪X、Y、Z方向转动的偏移角，判断偏移角变化速度是否小于安全值，若小于，则输出陀螺仪X、Y、Z方向转动的偏移角至嵌入式计算机；若不小于，则使偏移角的变换速度等于最大安全值，输出陀螺仪X、Y、Z方向转动的偏移角至嵌入式计算机；

当检测电阻屏发生电压变化，判断此时触碰电压是否大于触碰电压阈值，若大于，则判断电阻屏是否已经设置初始点，若已经设置，则根据点击或拖动的控制方式，输出坐标信息至嵌入式计算机；

若触碰电压不大于触碰电压阈值，则视为误触，忽略该次电压变化；若电阻屏并未设置初始点，则将本次电压变化的接触点设定为初始点；

S5、嵌入计算机根据传输的数据，将数据传输至心脏彩超机器人，实现控制机器人的机械臂进行相应的运动；

S6、重复步骤S3-S6，实现远程控制心脏彩超机器人进行彩超工作。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。