CN109129471A - 一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统及方法，包括：主从控制部分、动作传感器部分；主从控制部分包括主控制模块和从控制模块；所述主控制模块位于远程端，所述从控制模块位于机械手装置端，所述主控制模块通过SPI转以太网实时与所述从控制模块信息交互；所述动作传感器位于所述主控制模块端，实时高精度采集操作者的手势姿态；所述主控制模块将接收的动作传感器采集的手势信息实时传递给位于手术现场端的从控制模块端，从控制模块根据手势信息控制所述机械手装置进行相应的动作；在主从控制器之间还进行实时的视频和音频交互。本发明可让高水平医生远程实施比如手术等医疗措施，为实现远程医疗措施提供了一种新的思路。

Description

一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统及方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统及方法。
背景技术
随着现代工业在细分领域的快速发展，机械手(臂)在工业现场也发挥着越来越大的作用。机械手速度快，精度高，效率高，性能稳定，可以代替人工从事点焊、喷漆、搬运和装配等重复性作业，在汽车行业、微电子行业以及核工业领域发挥着巨大的、不可替代的作用。近年来，随着人类对深海、外太空领域的探索不断加深，以及核工业、生化工业的迅猛发展，远程操作(遥操作)机械手逐渐成为人工智能领域方面的热门课题。传统的远程操作机械手主要用于核工业和战地排爆，其人机交互过程需要主从对称机械手完成，即操作者对主机械手进行操作，远程控制从机械手随动，完成操作意图。随着新兴人机交互技术的发展和机械手向民用领域延伸，控制指令的采集方式也呈现多样化趋势：操作者可以在电脑上以鼠标或键盘指令的形式控制，也可通过数据手套、身体运动传感器或者表面肌电信号传感器等将人体运动转化为控制信号，这在很大程度上摆脱了复杂的机械操作，使得机械手的操作更为简便直观。值得注意的是，在以上人机交互方式中，基于鼠标和键盘操作的传统交互方式灵活性差，而新兴的数据手套传感器等佩戴式器件价格昂贵，很难在有效推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种医疗用途远程手势控制机械手，以解决背景技术所提到的问题。本发明技术方案如下：
一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，包括：主从控制部分、动作传感器部分；
所述主从控制部分包括主控制模块和从控制模块；所述主控制模块位于远程端，所述从控制模块位于机械手装置端，所述主控制模块实时与所述从控制模块信息交互；
所述动作传感器位于所述主控制模块端；所述主控制模块将接收的动作传感器采集的手势信息实时传递给位于现场的从控制模块端，从控制模块根据手势信息控制所述机械手装置进行相应的动作。
进一步，所述主控制模块包括主控制器，以及与其相邻的数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱；
所述数字摄像头和麦克风采集动作传感器使用者的图像和声音并通过主控制器实时传出给从控制模块；
所述数字显示器和音箱用于显示和播放从控制端实时反馈给主控制器端操作者的信息，供主控制器端操作者进行下一步的操作。
进一步，所述从控制模块包括从控制器，以及与其相连的数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱、电机驱动模块以及存储设备；
所述数字摄像头和麦克风用于采集从控制模块端的视频和音频信息，并通过从控制器实时发送给主控制模块端；
所述数字显示器和音箱用于显示和播放主控制模块端实时发送过来的主控制器端操作者的信息；
所述电机驱动模块与机械手装置里的电机相连，根据从控制器发出的控制命令控制电机进行相应转动；
所述存储设备用于存储主控制模块端发来的手势动作数据以及所有的音频和视频数据。
进一步，还包括电源模块；所述电源分别给主控制模块和从控制模块供电。
进一步，所述主控制模块端和所述从控制模块端均采用意法半导体32位微处理器STM32F107VCT6。
进一步，所述动作传感器采用为Leap motion传感器，以每秒超过200帧的速度跟踪采集手指移动数据。
进一步，位于远程端的主控制模块和位于手术现场端的从控制模块之间通过SPI转以太网进行通信。
进一步，所述机械手装置包括伺服电机和机械手臂；其中，伺服电机本身能够具备发出脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，与伺服电机接受的脉冲形成闭环呼应；符合此条件时，控制系统发出一定数量的脉冲给伺服电机，同时又收到相同数量的脉冲回来，实现精确的控制伺服电机转动。
根据所述用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，本发明提出的远程控制方法如下：
步骤1，主控制端操作人员手持医疗器械并进行操作，动作传感器高速采集到操作人员的手势信息，并把该手势信息通过IIC方式传送给主控制器；
步骤2，主控制器把接收到的手势信息通过SPI转以太网的通信方式将该手势信息传送给位于手术现场端的从控制器；
步骤3，，从控制器将该手势信息解码后通过串口发送命令给伺服电机驱动模块；
步骤4，伺服电机驱动模块发出指令控制机械手装置的伺服电机运转进而对机械手实施与主控制端操作人员相同的手势控制；
进一步，实施步骤1-4的同时，主控制器和从控制器两端分别采集音频和视频信号实时传输给对方，使得两端的操作者实时获得最新状况并进行下一步的动作；并将手势数据和音频、视频数据保存。
本发明的有益效果：
本发明针对目前某些疑难杂症患者因本地医院能力限制而高水平医院医生因为无法在短时间到达患者医院而无法手术的问题，以及一些患者需要尽快手术而地区医院没有能力手术的问题设计的一种用于医疗领域的手势远程控制机器手的控制装置。本发明可让高水平医生远程实施一些包括手术在内的医疗措施，本发明的Leap motion动作传感器具有高达200帧每秒的高采样速度以及1/100mm采样精度。基于两个STM32F107的控制部分将主控制端和从控制端通过高速SPI转以太网进行数据通信，保证控制阶段的实时性，主控制器用于Leap motion手势数字信号采集，图像音频的采集和传输。而从控制器主要用于机械手的姿态，速度和位置的控制和图像音频的采集以反馈给主控制端。本发明具有采集手势动作灵敏的高、控制精度高、性能可靠、运算处理能力强、实施传输图像、实时操作等优点，为实现远程医疗措施研究提供了一种新的思路。
本发明提出一种远程手势控制机械手的控制系统装置，本发明采用Leap motion动作传感器，该传感器以每秒超过200帧的速度跟踪采集手指移动数据。它远比现有的运动数据采集技术更为精确，用户可通过自然手势完成人机交互，符合人机交互技术发展的方向。能适应和处理不同光影变化，手势变形和抖动，以及类肤色区域的干扰来识别出动态手势，采集到的数据经过控制器处理后可经过网络远程实施传输，有效解决了不同医院之间高水平医生无法快速流通的问题。机械手端控制器接受到动作传感器端数据后将生成多路信号控制伺服电机实现机械手姿态，进而控制包括手术刀在内的医疗器械对患者进行医治。集成于机械手上的摄像头和麦克风将机械手操作画面和声音实时传输回动作传感器端。可让操作者实时感知患者信息。
附图说明
图1为本发明远程手势控制机械手的模块结构示意图。
具体实施方式
本发明包括动作传感器部分，双芯片控制部分和机械手装置部分。
所述动作传感器部分为Leap motion传感器，所述Leap motion传感器可追踪全部10根手指，精度高达1/100毫米，以每秒超过200帧的速度跟踪采集手指移动数据。它远比现有的运动控制技术更为精确。
所述双芯片控制部分包括主控制模块和从控制模块。所述主控制模块和从控制模块通过SPI转以太网进行通信。所述主控制模块包括主控制器、数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱。所述主控制器选用意法半导体公司的32位微处理器互联型STM32即STM32F107VCT6,最高时钟频率72MHz，具有丰富的硬件接口资源以及强大的DMA控制方式。所述数字摄像头和麦克风采集动作传感器使用者的图像和声音并通过主控制模块实时传出给从控制模块，在从控制模块的显示器显示使用者画面，便于沟通。所述主控制端数字显示器和音箱显示和播放从控制端实时反馈给主控制端操作者的信息，便于主控制端操作者进行下一步的操作。所述从控制模块包括从控制器、数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱、SD卡、电机驱动模块和电源。所述从控制器采用和主控制器相同的芯片，所述数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱等功能和主控器端的对应部件的功能相同，均为实现图像和声音的同步互相传输，以实现医疗信息的交流。所述SD卡采用高容量数据存储卡，在存取手势动作数据的同时可存储音频和视频数据，所述电机驱动模块与从控制器之间进行信号隔离处理，为伺服电机提供驱动，所述电源为主控制器和从控制器供电，设计时进行了电源隔离处理。
所述机械手装置包括伺服电机，机械手臂，所述伺服电机模块转子转速受从控制器给出的输入信号控制，并能快速反应，具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的脉冲信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，用于为机械臂提供动力，伺服模块(servo mechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。
进一步的，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，因此和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，形成闭环，如此，系统就会再发出一定数量的脉冲给伺服电机，同时又收到相同数量的脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
进一步的，所述伺服电机模块受从控芯片控制，主控芯片在图像采集识别模块(摄像头)采集识别到手势动作后通过从控制芯片控制伺服电机模块做出相应的反馈和动作进而实现驱动机械手臂。
所述机械手臂采用夹持作业，将提前准备好的包括手术刀止血钳在内的医疗器械抓取，抓取医疗器械用途,实现模拟人手部操作功能。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示本发明手势控制机械手硬件结构包括主控制器、从控制器、动作传感器、数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱、SD卡、电机驱动模块、伺服电机模块、机械手、医疗器械、电源。
所述主控制器主要用于接收和处理采集的动作传感器的手势信号，视频采集模块和音频采集模块采集的视频音频信号传送给主控制器，由主控制器对此信号做出处理后传输给从控制器，与此同时将接受到的从控制器传输的图像和音频信号接受并处理后显示给主控制器端的操作使用者，供其使用。
所述从控制器主要完成伺服电机控制、图像和音频采集、数据存储，在主控芯片端图像采集识别模块采集识别到手势动作后传输给从控制芯片,从控制芯片将发出指令控制伺服电机模块做出相应的反馈和动作进而实现驱动机械手臂，机械手臂再抓取医疗器械实现手术等目的，与此同时从控制芯片将主控制端的视频和音频信号传输给从控制端在场医疗人员，以备可能出现的意外让在从控制端的医疗人员做出迅速反应。
所述主控制器和从控制器之间通过SPI接口转以太网进行通信，将主控制端采集的数据与从控制端的数据实时传输和交换，用于机械手的远程控制。
所述动作传感器将采集手势的模拟信号转换为数字信号并通过IIC与主控制器进行连接通信，将数据传输给主控制器，其采样的精度将直接决定着机械手控制精度。
所述数字摄像头和麦克风主要用于采集图像和音频数据并传输给控制器端，其通过采集主控制器端和从控制器端的图像音频数据并交换到对方端供给本发明使用者作为操作依据和参考。
所述数字显示器和音箱主要用于将数字摄像头和麦克风4采集的图像和音频数据显示在给操作人员指导和修正其操作。
所述SD卡主要用于将手势控制数据和视频音频数据作为医疗数据保存,与此同时可将其存入数据库中作为对比参考,可用于改善机器手的操作效果。
所述电机驱动模块接收从控制器发来的控制信号并发出驱动伺服电机电机的信号,伺服电机接收到信号后改变自己的运转方式和速度。
所述伺服电机模块通过接收电机驱动模块的信号调整自己的运转方式和速度,进而将其控制的机械手各个部件之间实现可控旋转进而实现姿态控制。
所述机械手作为主要机械部分将通过伺服电机来提供驱动力,其主要功能为模仿人手部动作抓取包括手术刀止血钳在内的医疗器械。
所述医疗器械包括手术刀止血钳等,主要用于被机械手抓取以实现包括手术在内的一些医疗措施
所述电源主要用于给整个系统提供稳定的电力，保证系统正常可靠的工作。
本发明的工作原理：首先主控制端操作人员手持医疗器械并进行操作，动作传感器高速采集到手势信息，主控制器再把接受到的手势信息通过SPI转以太网将该手势信息传送给从控制器，从控制器解码后通过串口发送命令给伺服电机驱动模块,伺服电机驱动模块发出指令控制伺服电机运转进而对机械手进行与主控制端操作人员相同的姿态控制。与此同时主控制器和从控制器分别采集音频像和视频信号传输给对方，便于操作者实时查看最新状况。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，包括：主从控制部分、动作传感器部分；
所述主从控制部分包括主控制模块和从控制模块；所述主控制模块位于远程端，所述从控制模块位于机械手装置端，所述主控制模块实时与所述从控制模块信息交互；
所述动作传感器位于所述主控制模块端；所述主控制模块将接收的动作传感器采集的手势信息实时传递给位于现场的从控制模块端，从控制模块根据手势信息控制所述机械手装置进行相应的动作。
2.根据权利要求1所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，所述主控制模块包括主控制器，以及与其相邻的数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱；
所述数字摄像头和麦克风采集动作传感器使用者的图像和声音并通过主控制器实时传出给从控制模块；
所述数字显示器和音箱用于显示和播放从控制端实时反馈给主控制器端操作者的信息，供主控制器端操作者进行下一步的操作。
3.根据权利要求1所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，所述从控制模块包括从控制器，以及与其相连的数字摄像头和麦克风、数字显示器和音箱、电机驱动模块以及存储设备；
所述数字摄像头和麦克风用于采集从控制模块端的视频和音频信息，并通过从控制器实时发送给主控制模块端；
所述数字显示器和音箱用于显示和播放主控制模块端实时发送过来的主控制器端操作者的信息；
所述电机驱动模块与机械手装置里的电机相连，根据从控制器发出的控制命令控制电机进行相应转动；
所述存储设备用于存储主控制模块端发来的手势动作数据以及所有的音频和视频数据。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，还包括电源模块；所述电源分别给主控制模块和从控制模块供电。
5.根据权利要求1所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，所述主控制模块端和所述从控制模块端均采用意法半导体32位微处理器STM32F107VCT6。
6.根据权利要求1所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，所述动作传感器采用为Leap motion传感器，以每秒超过200帧的速度跟踪采集手指移动数据。
7.根据权利要求1所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，位于远程端的主控制模块和位于手术现场端的从控制模块之间通过SPI转以太网进行通信。
8.根据权利要求1所述的一种用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统，其特征在于，所述机械手装置包括伺服电机和机械手臂；其中，伺服电机本身能够具备发出脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，与伺服电机接受的脉冲形成闭环呼应；符合此条件时，控制系统发出一定数量的脉冲给伺服电机，同时又收到相同数量的脉冲回来，实现精确的控制伺服电机转动。
9.根据权利要求1-8任一项所述用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制系统的远程控制方法，其特征在于，
步骤1，主控制端操作人员手持医疗器械并进行操作，动作传感器高速采集到操作人员的手势信息，并把该手势信息通过IIC方式传送给主控制器；
步骤2，主控制器把接收到的手势信息通过SPI转以太网的通信方式将该手势信息传送给位于手术现场端的从控制器；
步骤3，，从控制器将该手势信息解码后通过串口发送命令给伺服电机驱动模块；
步骤4，伺服电机驱动模块发出指令控制机械手装置的伺服电机运转进而对机械手实施与主控制端操作人员相同的手势控制。
10.根据权利要求9所述的用于医疗领域的机械手装置的远程手势控制方法，其特征在于，实施步骤1-4的同时，主控制器和从控制器两端分别采集音频和视频信号实时传输给对方，使得两端的操作者实时获得最新状况并进行下一步的动作。
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