[發明專利]一種用于醫療遙操作的觸覺人機交互裝置

有效

• 申請號: 202010818848.0
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN112043388B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 李淼;鄧旭畑;鄧智峰;雷自偉;肖曉暉
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: A61B34/35
• 分類號: A61B34/35
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊宏偉

本發明公開了一種用于醫療遙操作的觸覺人機交互裝置，包括控制模塊、觸控筆和觸控平臺，觸控筆包括一個筆尖和用于實時監測其姿態的姿態傳感器，觸控平臺至少包括一個識別層、一個支撐層和一個相機，識別層采用在軟質材料上標記規則網格的方式制成，支撐層用于支撐識別層，為硬質透明層；當筆尖接觸識別層時，識別層相應區域的網格會發生變形，所述控制模塊通過相機捕捉到網格的變化，從而識別接觸力大小，并通過筆尖的發光元件識別接觸位置，并結合觸控筆的姿態進行人機交互。本發明主要面向醫療機器人的遠程控制領域，操作方式符合醫療過程中醫生的操作習慣，可輸出操作過程中的位姿和壓力信號，動作靈敏且成本較低，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于機器人遙操作技術領域，涉及一種觸覺控制裝置，特別涉及一種用于醫療遙操作的觸覺人機交互裝置。

背景技術

近年來，機器人在工業、農業、服務業迅速發展，同時在醫療領域也已得到推廣應用。隨著機器人控制技術和遠程通信技術的不斷發展，機器人操控逐漸擺脫傳統的面對面控制方式，處于交互控制方式下的主、從式遙操作機器人技術成為研究熱點。在醫療領域，現有的醫療機器人側重往智能化、服務化、小型化的方向發展，例如醫療服務機器人、穿刺機器人、介護機器人、B超機器人、血管介入機器人，而遠程控制的醫療機器人相對較少，一個重要原因是缺少合適的醫療遙操作裝置。

常用的遠程操作裝置包括：搖桿、3D鼠標、力反饋設備等。上述裝置存在明顯缺陷：搖桿的結構較為簡單，控制指令較少，難以實現對遠程醫療機器人多自由度運動的控制，而多搖桿的控制方式則增大操作難度；3D鼠標的輸出信號雖然包括六個自由度的信息，但是只能實現開環遙操作控制，無法為操作者提供力反饋，交互感和臨場感較差；力反饋設備滿足多自由度信號輸出，同時可以為操作者提供豐富的反饋信號，但是設備的成本過高且體積較大。

發明內容

鑒于上述現有遠程操作裝置的不足，本發明的目的在于提供一種用于醫療遙操作的觸覺人機交互裝置，具有精準的位姿和壓力傳感器，實現多自由度運動控制和操作壓力控制，體積小且成本低，同時具有符合醫療操作邏輯的人機交互方式。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用于醫療遙操作的觸覺人機交互裝置，其特征在于：包括控制模塊、觸控筆和觸控平臺，所述觸控筆包括一個筆尖和用于實時監測其姿態的姿態傳感器，所述觸控平臺至少包括一個識別層、一個支撐層和一個相機，所述識別層采用在軟質材料上標記規則網格的方式制成，所述支撐層用于支撐識別層，為硬質透明層，所述相機安裝于支撐層下方，所述相機和姿態傳感器均與控制模塊相連；當筆尖接觸識別層時，識別層相應區域的網格發生變形，所述控制模塊可通過相機捕捉網格的變化，采用視覺識別技術處理網格的變形信號，從而識別筆尖與識別層的接觸力大小和接觸位置，并結合觸控筆的姿態進行人機交互。

進一步地，所述識別層包括標記層和位于標記層下方的軟質透明層，所述網格采用轉印的方式刻畫在標記層下表面，標記層采用接觸式安裝在軟質透明層上，軟質透明層安裝在支撐層上。

進一步地，所述網格轉印的方法如下：

在一張光潔的紙上平鋪一層轉印紙，在轉印紙上用筆繪畫出規則的網格線，繪畫完成后揭開轉印紙，下層紙張上留下網格線的油墨痕跡，在硅膠的表面涂敷轉印膏后，將留有油墨痕跡的紙面輕蓋于硅膠表面，并對整個紙張背面輕微按壓，揭開紙張后即在硅膠層上留下轉印的網格。

進一步地，所述標記層采用硅膠材料制成，所述軟質透明層采用透明硅膠材料制成。

進一步地，所述觸控筆的筆尖設有發光元件，觸控筆內設有用于控制發光元件是否發光的發光控制器，當筆尖接觸識別層時，控制模塊通過相機捕捉到接觸壓力信號，且通過姿態傳感器獲取姿態信號，即馬上發出動作信號給發光控制器，發光控制器控制打開發光元件，通過相機捕捉發光元件來對筆尖與識別層接觸位置進行精確識別。所述控制模塊根據觸控平臺的壓力信號和筆桿的姿態信號，通過發光控制器控制紅色LED燈的開關狀態，能夠保證觸控筆與觸控平臺接觸時才產生位置信號。