CN107978367B - 一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，通过PC机和力触觉交互设备作为主机操作端，在医生端供医生操作，触诊机器人作为从机操作端，在病人端实施触诊，然后进行人体组织几何模型，并将将碰撞检测与形变计算的模型分离，采用改进的质点‑弹簧/阻尼器模型进行形变计算，提高了力触觉再现的真实性和实时性。

Description

一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法
技术领域
本发明属于医疗机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法。
背景技术
医疗机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，从1988年开始，加拿大、英国、美国、德国、意大利、比利时、日本、荷兰、瑞士、中国等国家纷纷展开对脑外科手术机器人、内窥镜手术机器人、脑神经显微外科机器人，以及巡诊机器人、康复机器人、医疗服务机器人等医疗机器人的研究。
然而，现有的医疗机器人尤其是远程诊疗机器人在触觉临场感的生成及再现方面，存在着触觉临场感系统的构建和实现过程复杂、实时性和交互性不理想、反馈力的计算量较大等不足，难以满足当前的实际需要。其次，触觉信息的丢失使医生难以全面了解病人的情况，容易造成误操作。
因此，要想真实地模拟医生对患者实施诊疗的过程，医疗机器人必须能够实时在医生端操作平台重现患者的反馈力和触觉感知信息，使医生获得更加准确而清晰的触觉感受。力触觉再现技术是解决医疗机器人触觉临场感不足、提高医疗机器人实用性的有效方法。力触觉再现的实现对远程医疗机器人的发展和医疗水平的提高有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，基于虚拟现实的远程诊疗机器人实现人体组织建模，从而实现力触觉的再现。
为实现上述发明目的，本发明一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、搭建远程诊疗机器人系统
远程诊疗机器人系统主要包括PC机、力触觉交互设备和诊疗机器人；其中，PC机与力触觉交互设备通过电缆连接作为主机操作端，供医生操作控制，诊疗机器人作为从机操作端，供触诊病人；主机操作端与从机操作端通过无线网络互联通信，当接收到主机操作端的操作指令后，通过诊疗机器人的末端执行器来执行操作；
(2)、建立人体组织几何模型
根据患者病灶部位，利用现有的人体体素数据在用PC机上搭建一个虚拟环境中的人体组织几何模型；
(3)、诊疗机器人结合人体组织几何模型进行触诊
(3.1)、医生通过主机操作端向诊疗机器人发送触诊指令，触诊机器人收到触诊指令后，通过诊疗机器人的末端执行器来执行操作，并通过末端执行器上佩戴的穿戴式力触觉交互设备反馈被触诊处的力反馈信号至主机操作端；
(3.2)、碰撞检测：当诊疗机器人的末端执行器触摸到触诊处时，在人体组织几何模型中利用混合包围盒算法进行碰撞检测，获取到最终的碰撞位置A、碰撞位移x；
(3.3)、搭建改进型质点-弹簧模型
(3.3.1)、设诊疗机器人的末端执行器与触诊处刚刚接触的O点为碰撞点，以碰撞点为中心，先将人体组织划分为一系列半径为r,2r,3r,...的同心圆，共m层同心圆，每个同心圆依次离散化为4个，8个，16个，......，2m+1个点质；
(3.3.2)、假定与力触觉交互设备直接交互的碰撞质点下悬挂了一个m层的质点-弹簧/阻尼器，每层的弹簧/阻尼并联连接，而半径为r的同心圆上的所有质点下悬挂了m-n层弹簧/阻尼器，半径为2r的同心圆上的所有质点下悬挂了m-k层弹簧/阻尼器，n、m均为常数，且k＞n，以此类推，设置各个同心圆上的质点下悬挂的弹簧/阻尼的层数；
(3.3.3)、将碰撞点由O点移动到最终的碰撞位置A处，计算某个质点下的弹簧/阻尼器的弹簧力和阻尼力的合力；
设各层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数有如下关系：
Figure BDA0001485352390000021
Figure BDA0001485352390000031
其中，p,q均为小于1的常数，Ki和
Figure BDA0001485352390000036
分别表示第i层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数，i＝1,2,…,m；
设所有弹簧的形变都相同，则最终的碰撞位置A处所受的力为：
Figure BDA0001485352390000032
其中，K1、
Figure BDA0001485352390000037
表示第一层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数；
半径为r的同心圆上的质点
Figure BDA0001485352390000033
所受的作用力
Figure BDA0001485352390000034
为：
Figure BDA0001485352390000035
其中，i＝1，j＝1,2,3,4；
同理，以此类推，计算出其余各同心圆上的质点所受的作用力；
(3.4)、将各个质点所受的作用力作为该质点的形变反馈到改进型质点-弹簧模型中，得到修正后的形变质点-弹簧模型；
(4)、力触觉再现
将修正后的形变质点-弹簧模型通过PC机实时显示，显示出人体组织的形变状况，供医生查看，同时将质点所受的作用力输入到主机操作端的力触觉交互设备上，医生通过力触觉交互设备可感受反馈力，实现力触觉再现。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，通过PC机和力触觉交互设备作为主机操作端，在医生端供医生操作，触诊机器人作为从机操作端，在病人端实施触诊，然后进行人体组织几何模型，并将将碰撞检测与形变计算的模型分离，采用改进的质点-弹簧/阻尼器模型进行形变计算，提高了力触觉再现的真实性和实时性。
同时，本发明基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法还具有以下有益效果：
(1)、将虚拟现实技术应用于远程医疗中，不管患者距离医院有多远，医生都能获得较为真实的病人各项生理特征以便及时作出诊断；
(2)、本发明具有虚拟现实技术的多感知性、浸润性、交互性等优点，能够提供更真实，更准确的多自由度力触觉反馈，可以大大改善远程诊疗机器人的触诊效果，有效减少医生误操作。
(3)、本发明将碰撞检测的模型与形变计算模型分离，加速了碰撞检测的效率，提高了力触觉再现的实时性，通过改进的质点-弹簧/阻尼器模型提高的力触觉再现的真实性。
附图说明
图1是本发明基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉系统框图；
图2是本发明基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法流程图；
图3是质点分割示意图；
图4是质点-弹簧/阻尼器模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉系统框图。
在本实施例中，如图1所示，基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉系统主要包括：PC机、力触觉交互设备、触诊机器人。
PC机包括硬盘，显卡，驱动等实现虚拟现实部分必要的软硬件条件，而虚拟现实部分又包括人体组织模型，检测力触觉交互设备的虚拟代理与人体组织模型是否发生碰撞的碰撞检测模块，发生碰撞后的形变计算模块等。
PC机与力触觉交互设备通过电缆连接作为主机操作端，供医生操作控制，诊疗机器人作为从机操作端，供触诊病人；主机操作端与从机操作端通过无线网络互联通信，当接收到主机操作端的操作指令后，通过诊疗机器人的末端执行器来执行操作；
在本实施例中，触诊机器人手臂的末端执行器为手指，手指上带有穿戴式力触觉交互设备。其中，主机操作端的力触觉交互设备采用的是杰魔公司的Geomagic Touch设备。Geomagic Touch力触觉交互设备通过IEEE 1394FireWire与PC机相连。手指上带有穿戴式力触觉交互设备采用CyberGlove数据手套。
构建人体腿部模型并实现虚拟场景的初始化。本实施例中，人体腿部模型采用基于几何的建模方法，即利用Visible Human数据集提供的人体体素数据建立人体腿部模型。整个系统的搭建都是基于Geomagic Touch力触觉交互设备配套的Open Haptics工具套件。
下面我们结合图2，对本发明一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法进行详细说明具体，包括以下步骤：
S1、按照图1所示搭建远程诊疗机器人系统。
S2、建立人体腿部几何模型
根据患者病灶部位，利用现有的人体体素数据在用PC机上搭建一个虚拟环境中的人体腿部几何模型；
S3、诊疗机器人结合人体腿部几何模型进行触诊
S3.1、医生通过主机操作端向诊疗机器人发送触诊指令，触诊机器人收到触诊指令后，通过诊疗机器人的手指来触诊病人的腿部，并通过手指上佩戴的穿戴式力触觉交互设备反馈被触诊处的力反馈信号至主机操作端；
S3.2、碰撞检测：当诊疗机器人的手指触摸到病人腿部时，在人体腿部几何模型中利用混合包围盒算法进行碰撞检测，先用球形包围盒(Sphere)快速排除两者空间上的不相交的对象，再构造带方向的包围盒OBB(Oriented Bounding Box)做精确的碰撞检测，获取到最终的碰撞位置A、碰撞位移x；
S3.3、搭建改进型质点-弹簧模型
S3.3.1、设诊疗机器人的手指与病人腿部刚刚接触的O点为碰撞点，如图3所示，以碰撞点为中心，先将病人腿部组织划分为一系列半径为r,2r,3r,...的同心圆，共m层同心圆，每个同心圆依次离散化为4个，8个，16个，......，2m+1个点质；
S3.3.2、假定与力触觉交互设备直接交互的碰撞质点下悬挂了一个m层的质点-弹簧/阻尼器，如图4所示，每层的弹簧/阻尼并联连接，而半径为r的同心圆上的所有质点下悬挂了m-n层弹簧/阻尼器，半径为2r的同心圆上的所有质点下悬挂了m-k层弹簧/阻尼器，n、m均为常数，且k＞n，在本实施例中，取r＝2(mm),n＝1,k＝2，以此类推，设置各个同心圆上的质点下悬挂的弹簧/阻尼的层数；
S3.3.3、将碰撞点由O点移动到最终的碰撞位置A处，计算某个质点下的弹簧/阻尼器的弹簧力和阻尼力的合力；
设各层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数有如下关系：
Figure BDA0001485352390000061
Figure BDA0001485352390000062
其中，p,q均为小于1的常数，Ki和
Figure BDA0001485352390000065
分别表示第i层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数，i＝1,2,…,m；在本实施例中p＝2/3，q＝2/3，K1＝2，
Figure BDA0001485352390000066
m＝6
设所有弹簧的形变都相同，则最终的碰撞位置A处所受的力为：
Figure BDA0001485352390000063
其中，K1、
Figure BDA0001485352390000069
表示第一层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数；
半径为r的同心圆上的质点
Figure BDA0001485352390000067
所受的作用力
Figure BDA0001485352390000068
为：
Figure BDA0001485352390000064
其中，i＝1，j＝1,2,3,4；
同理，以此类推，计算出其余各同心圆上的质点所受的作用力；
S3.4、将各个质点所受的作用力作为该质点的形变反馈到改进型质点-弹簧模型中，得到修正后的形变质点-弹簧模型；
S4、力触觉再现
将修正后的形变质点-弹簧模型通过PC机实时显示，显示出病人腿部组织的形变状况，供医生查看，同时将质点所受的作用力输入到主机操作端的力触觉交互设备上，医生通过力触觉交互设备可感受反馈力，实现力触觉再现。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、搭建远程诊疗机器人系统
远程诊疗机器人系统包括PC机、力触觉交互设备和诊疗机器人；其中，PC机与力触觉交互设备通过电缆连接作为主机操作端，供医生操作控制，诊疗机器人作为从机操作端，供触诊病人；主机操作端与从机操作端通过无线网络互联通信，当接收到主机操作端的操作指令后，通过诊疗机器人的末端执行器来执行操作；
(2)、建立人体组织几何模型
根据患者病灶部位，利用现有的人体体素数据在用PC机上搭建一个虚拟环境中的人体组织几何模型；
(3)、诊疗机器人结合人体组织几何模型进行触诊
(3.1)、医生通过主机操作端向诊疗机器人发送触诊指令，触诊机器人收到触诊指令后，通过诊疗机器人的末端执行器来执行操作，并通过末端执行器上佩戴的穿戴式力触觉交互设备反馈被触诊处的力反馈信号至主机操作端；
(3.2)、碰撞检测：当诊疗机器人的末端执行器触摸到触诊处时，在人体组织几何模型中利用混合包围盒算法进行碰撞检测，获取到最终的碰撞位置A、碰撞位移x；
(3.3)、搭建改进型质点-弹簧模型
(3.3.1)、设诊疗机器人的末端执行器与触诊处刚刚接触的O点为碰撞点，以碰撞点为中心，先将人体组织划分为一系列半径为r,2r,3r,...的同心圆，共m层同心圆，每个同心圆依次离散化为4个，8个，16个，......，2m+1个点质；
(3.3.2)、假定与力触觉交互设备直接交互的碰撞质点下悬挂了一个m层的质点-弹簧/阻尼器，每层的弹簧/阻尼并联连接，而半径为r的同心圆上的所有质点下悬挂了m-n层弹簧/阻尼器，半径为2r的同心圆上的所有质点下悬挂了m-k层弹簧/阻尼器，k、n、m均为常数，且k＞n，以此类推，设置各个同心圆上的质点下悬挂的弹簧/阻尼的层数；
(3.3.3)、将碰撞点由O点移动到最终的碰撞位置A处，计算某个质点下的弹簧/阻尼器的弹簧力和阻尼力的合力；
设各层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数有如下关系：
Figure FDA0003046139760000021
Figure FDA0003046139760000022
其中，p,q均为小于1的常数，Ki和KDi分别表示第i层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数，i＝1,2,…,m；
设所有弹簧的形变都相同，则最终的碰撞位置A处所受的力为：
Figure FDA0003046139760000023
其中，K1、
Figure FDA0003046139760000024
表示第一层弹簧/阻尼器的弹性系数和阻尼系数；
半径为r的同心圆上的质点
Figure FDA0003046139760000025
所受的作用力
Figure FDA0003046139760000026
为：
Figure FDA0003046139760000027
其中，i＝1，j＝1,2,3,4；
同理，以此类推，计算出其余各同心圆上的质点所受的作用力；
(3.4)、将各个质点所受的作用力作为该质点的形变反馈到改进型质点-弹簧模型中，得到修正后的形变质点-弹簧模型；
(4)、力触觉再现
将修正后的形变质点-弹簧模型通过PC机实时显示，显示出人体组织的形变状况，供医生查看，同时将质点所受的作用力输入到主机操作端的力触觉交互设备上，医生通过力触觉交互设备可感受反馈力，实现力触觉再现。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的远程诊疗机器人力触觉再现方法，其特征在于，所述的诊疗机器人的末端执行器为诊疗机器人的手指，穿戴式力触觉交互设备佩戴中手指上。
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