[發(fā)明專(zhuān)利]一種人體自動(dòng)超聲掃描機(jī)器人、控制器及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910665363.X
• 申請(qǐng)日: 2019-07-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110488745B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付莊;沈運(yùn);費(fèi)健;謝榮理
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B19/19
• 分類(lèi)號(hào): G05B19/19
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀;趙楠

本發(fā)明提供一種人體自動(dòng)超聲掃描機(jī)器人、控制器及控制方法，控制器包括前饋控制器、位置控制器、力位混合控制器和姿態(tài)矯正器，控制所持超聲檢測(cè)探頭保持接觸力恒定、摩擦力一定、姿態(tài)適應(yīng)皮膚外輪廓運(yùn)動(dòng)，前饋控制器控制超聲檢測(cè)探頭沿著預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)；位置控制器控制機(jī)器人本體的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；力位混合控制器控制超聲檢測(cè)探頭和人體皮膚表面接觸力恒定以及摩擦力在一定范圍內(nèi)；姿態(tài)矯正器矯正超聲檢測(cè)探頭姿態(tài)使其更符合皮膚外輪廓。本發(fā)明采用壓力和摩擦反饋，保證了超聲檢測(cè)探頭與病人皮膚之間的接觸力基本恒定，減輕了病人因?yàn)閽呙枇Χ葞?lái)的痛苦；摩擦力反饋和歷史掃描軌跡同時(shí)修正超聲檢測(cè)探頭姿態(tài)，適應(yīng)不同輪廓的皮膚表面。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人人機(jī)協(xié)作領(lǐng)域及順應(yīng)性控制技術(shù)，具體地，涉及一種人體自動(dòng)超聲掃描機(jī)器人、控制器及控制方法。

背景技術(shù)

醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)利用了不同組織結(jié)構(gòu)對(duì)超聲聲束的聲阻抗差異來(lái)獲取不同的反射信號(hào)，從而得到生物組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。與其他醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比，超聲成像不但成像速度快、計(jì)量累積誤差小，而且超聲波不會(huì)對(duì)人體造成輻射或引起疼痛，在價(jià)格上還遠(yuǎn)低于X射線斷層掃描和核磁共振，因此在臨床上已經(jīng)成為一種成熟且實(shí)用的病癥檢查方式，在乳腺、甲狀腺、膀胱等人體組織器官上有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)下主流的超聲掃描由醫(yī)護(hù)人員手動(dòng)進(jìn)行，在面對(duì)大量病患時(shí)經(jīng)常造成醫(yī)護(hù)人員工作量劇增，不但影響醫(yī)護(hù)人員身心健康，也影響其工作質(zhì)量，更容易加劇醫(yī)患矛盾。此外，人工掃描在掃描方法和力度上不盡相同，一方面造成了掃描方式的不規(guī)范，為后續(xù)的超聲圖像診斷造成了不便，另一方面人手對(duì)超聲檢測(cè)探頭和皮膚表面的接觸力不能量化，過(guò)大的接觸力會(huì)造成病人的不適。

與此同時(shí)，協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人機(jī)協(xié)作的概念已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度。據(jù)高工產(chǎn)研機(jī)器人研究所數(shù)據(jù)顯示，近四年來(lái)全球協(xié)作機(jī)器人銷(xiāo)量年均復(fù)合增速已經(jīng)接近70％，預(yù)計(jì)至2020年全球協(xié)作機(jī)器人銷(xiāo)量將達(dá)5萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模將突破84億元。不過(guò)，人機(jī)協(xié)作在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域還不普遍，因此也具有廣闊的應(yīng)用前景。

經(jīng)檢索，發(fā)現(xiàn)公開(kāi)號(hào)為CN105877780A的中國(guó)專(zhuān)利，公開(kāi)了一種全自動(dòng)超聲掃描儀及掃描檢測(cè)方法，包括：超聲波探頭；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)超聲波探頭運(yùn)動(dòng)；柔性結(jié)構(gòu)，超聲波探頭安裝在柔性結(jié)構(gòu)上，該柔性結(jié)構(gòu)使超聲波探頭在掃描時(shí)始終順沿皮膚表面的曲線并和皮膚表面保持垂直。一種全自動(dòng)超聲掃描檢測(cè)方法，包括以下步驟：使用全自動(dòng)超聲掃描儀順沿皮膚表面的曲線并和皮膚表面保持垂直進(jìn)行掃描，獲取待掃描器官的N組二維圖像，N為大于等于2的整數(shù)；將獲取的N組二維圖像進(jìn)行重建得到三維立體數(shù)字圖像。該發(fā)明中，全自動(dòng)超聲掃描儀的柔性結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)的效果，可根據(jù)人體的不同曲線實(shí)時(shí)調(diào)整掃描軌跡和探頭角度，確保超聲波探頭貼著皮膚表面掃描并保持和皮膚表面垂直，提高了掃描圖像質(zhì)量。

但是，上述專(zhuān)利存在以下問(wèn)題，1.柔性結(jié)構(gòu)本身占用空間大，諸多的零件則減少了設(shè)備的壽命和使用的穩(wěn)定性；2.固定的硬件結(jié)構(gòu)限制了掃描皮膚的形狀，無(wú)法貼合與結(jié)構(gòu)曲率相差很大的皮膚；3.彈簧在掃描的過(guò)程中剛度變化有限，不能完成曲面復(fù)雜、剛度變化的貼合任務(wù)；4.壓力傳感器只能近似測(cè)量皮膚法向的壓力，不能監(jiān)測(cè)和改善其他方向的受力情況。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種人體自動(dòng)超聲掃描機(jī)器人、控制器及控制方法。

根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面，提供一種控制器，所述控制器包括前饋控制器、位置控制器、力位混合控制器和姿態(tài)矯正器；其中：

所述前饋控制器，根據(jù)設(shè)定的路徑控制所述超聲檢測(cè)探頭移動(dòng)至路徑的起始點(diǎn)，并在所述超聲檢測(cè)探頭與皮膚的接觸方向上沿趨向于預(yù)設(shè)接觸力的方向緩慢移動(dòng)，直到所述超聲檢測(cè)探頭與皮膚到達(dá)預(yù)設(shè)接觸力，以及控制所述超聲檢測(cè)探頭沿著預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)；所述前饋控制器輸出端連接所述位置控制器的輸入端，所述前饋控制器將運(yùn)動(dòng)方向的位移增量數(shù)據(jù)輸出到所述位置控制器；