CN110974163A - 口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法 - Google Patents

口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法。该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统包括：口腔医疗影像机器人机构，其包括：机械臂以及感光影像机；电源组件，其包括：高压电源和电压控制器；传感器组，其包括：力传感器、位移传感器、加速度传感器和磁电传感器；中央处理单元，其输入端与所述传感器组连接；以及执行器组，包括：电流控制器、机构控制器和距离控制器，所述电流控制器和距离控制器均与感光影像机连接，所述机构控制器与机械臂的各关节连接。该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法能够实现口腔拍片的患牙位置自动跟踪，辅助临床医生和技师精确操作。

Description

口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法
技术领域
本发明是关于医疗机器人领域，特别是关于一种口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法。
背景技术
由于目前口腔疾病发生率高，患者的数量激增，临床面临的巨大挑战。探索促进高质量、高稳定性影像的有效方法，是临床的迫切需要。而在口腔医疗机器人领域，我国尚处于起步阶段，只有少数医疗与研究机构在进行口腔机器人开发的尝试工作。而多传感信息融合技术是通过多类同构或异构传感器进行综合，获得比单一传感器更多的信息，形成比单一信源更可靠、更完全的融合信息。它突破单一传感器信息表达的局限性，避免单一传感器的信息盲区，提高了多源信息处理结果的质量，有利于对事物的判断和决策。在这里，传感器的概念是广义的，是指与环境匹配的各种信息获取系统。
信息融合是对来自单个或多个不同平台传感器的信息进行相关和综合，以获得更精确的目标信息和身份估计的处理过程。但在多传感器信息融合中，各传感器提供的信息都具有一定的不确定性，因此对这些信息的融合过程是一个不确定信息的推理和决策过程，不能实现口腔环境参数的全面、准确、可靠检测及拍片轨迹参数的设定，难以实现自动摆位以及精准定位，不利于辅助临床医生和技师进行精确操作。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法，其能够实现口腔拍片的患牙位置自动跟踪，辅助临床医生和技师精确操作。
为实现上述目的，本发明提供了一种口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统，包括：口腔医疗影像机器人机构，其包括：机械臂以及感光影像机，该机械臂的首端设有激光跟踪仪，所述感光影像机设置在机械臂的末端；电源组件，其包括：高压电源和与其连接的电压控制器，所述高压电源与机械臂的末端连接；传感器组，其包括：力传感器、位移传感器、加速度传感器和磁电传感器；中央处理单元，其输入端与所述传感器组连接；以及执行器组，其与所述中央处理单元的输出端连接，该执行器组包括：电流控制器、机构控制器和距离控制器，所述电流控制器和距离控制器均与感光影像机连接，所述机构控制器与机械臂的各关节连接。
在一优选的实施方式中，机械臂具有六自由度，包括：底关节、大臂、中臂、小臂以及末端关节，所述大臂的一端与底关节连接，另一端通过第一关节与中臂的一端连接；所述小臂一端通过第二关节与中臂的另一端连接，另一端连接有末端关节。
在一优选的实施方式中，传感器组与感光影像机固定连接；所述高压电源与机械臂的末端关节连接。
在一优选的实施方式中，该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统还包括：修正系统，其包括：比较器和微电流传感器，所述比较器与中央处理单元连接，所述微电流传感器分别与比较器和口腔医疗影像机器人机构连接。
本发明还提供了一种口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制方法，包括如下步骤：步骤一，设定患牙位置以及感光影像机焦距，并输入预期的影像清晰度MTF值；步骤二，通过力传感器、位移传感器、加速度传感器和电磁式传感器分别获取口腔医疗环境参数信号；步骤三，将口腔医疗环境参数信号输入中央处理单元，由中央处理单元向比较器输出影像电流的设定输出值，并匹配出反映影像参数的控制电信号，从而控制电压控制器、电流控制器、机构控制器和距离控制器来控制口腔医疗影像机器人机构拍片。
在一优选的实施方式中，中央处理单元采用模糊神经网络算法的融合系统，其融合过程包括：数据级融合、特征级融合、决策级融合。
在一优选的实施方式中，该控制方法还包括：影像电流修正步骤，其具体包括：通过微电流传感器检测出口腔医疗影像机器人机构实时的运动电流值，并将反馈信号反馈到比较器中与影像电流的设定输出值进行比较；再根据比较器的比较状况，通过电压控制器、电流控制器、机构控制器、距离控制器对口腔医疗影像机器人机构的拍片参数微调，直到比较器得到等于影像电流的设定输出值的反馈信号为止。
与现有技术相比，根据本发明的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法具有如下有益效果：该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法通过多传感器实现口腔环境参数的全面、准确、可靠检测及拍片轨迹参数的设定，进而实现感光影像机的自动摆位以及精准定位，实现口腔拍片的患牙位置自动跟踪，以辅助临床医生和技师精确操作，实现口腔医疗行为标准化。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的结构框图。
图2是根据本发明一实施方式的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的机械臂结构示意图。
图3是根据本发明一实施方式的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制框图。
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详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施例的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的具体结构包括：口腔医疗影像机器人机构、电源组件、传感器组、中央处理单元9、执行器组和修正系统。其中，传感器组用于全面、准确、可靠的检测口腔医疗环境参数，这些口腔医疗环境参数信号输入给中央处理单元9，中央处理单元9再通过执行器组控制口腔医疗影像机器人机构的拍片轨迹从而实现感光影像机的自动摆位以及精准定位，实现口腔拍片的患牙位置自动跟踪，以辅助临床医生和技师精确操作。
具体来讲，口腔医疗影像机器人机构包括：机械臂以及感光影像机23，机械臂的首端设有激光跟踪仪，用于机械臂基坐标系的标定，以减少初始位置误差。感光影像机23设置在机械臂的末端，其初始位置以激光仪标定位置为准，运动方式是跟随机械臂运动。
优选的，如图2所示，机械臂具有六自由度，包括：底关节18、大臂19、中臂20、小臂21以及末端关节22。其中，大臂19的一端与底关节18连接，另一端通过第一关节与中臂20的一端连接。小臂21一端通过第二关节与中臂20的另一端连接，另一端连接有末端关节22。
电源组件包括：高压电源17和与其连接的电压控制器12，高压电源17与机械臂的末端关节22连接。
传感器组包括：力传感器1、位移传感器2、加速度传感器3和磁电传感器4，力传感器用于检测触碰到人脸部反馈的力信号；位移传感器用于检测反映人脸部距离的位移信号；加速度传感器用于检测反映机械臂运动过程中所产生振动的加速度信号；用于拍片的感光板安装有磁感线圈，磁电传感器用于检测反映口腔内部感光板磁感线圈位置的电磁信号，以实施追踪患牙位置，最终实现口腔机器人的精准控制。
优选的，传感器组与感光影像机23固定连接。
中央处理单元9的输入端与传感器组连接，用于接收力传感器1、位移传感器2、加速度传感器3和磁电传感器4的力信号、位移信号、加速度信号、电磁信号等口腔医疗环境参数信号。
执行器组与中央处理单元9的输出端连接，包括：电流控制器13、机构控制器14和距离控制器15，其中，电流控制器13和距离控制器15均与感光影像机23连接，电流控制器13用于感光影像机的影像电流参数的选择与控制，距离控制器15用于感光影像机的拍片距离参数的选择与控制。机构控制器14与机械臂的各关节连接，用于机械臂的运动参数的选择与控制。
修正系统具体功能是将初始设定的参数与实际医疗环境反馈的参数作比较并进行修正，其包括：比较器10和微电流传感器11，其中，比较器10与中央处理单元9连接，用于接收中央处理单元输出的影像电流的设定输出值a。微电流传感器11分别与比较器和口腔医疗影像机器人机构连接，用于检测口腔医疗影像机器人机构实时的运动电流值，并将反馈信号b反馈到比较器中与影像电流的设定输出值a进行比较；根据比较器的比较状况，通过电压控制器、电流控制器、机构控制器、距离控制器对口腔医疗影像机器人机构的拍片参数微调，直到比较器得到等于影像电流的设定输出值a的反馈信号b为止，其中电压控制器、电流控制器、机构控制器、距离控制器给出拍片参数微调量分别是：管电压KV、X线量mA、机构运行速度v以及拍片距离L。
该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制框图如图3所示，其采用主从控制方式，主端控制部分通过计算机PC端发送指令操作，主端的机械臂运动状态经过时延之后传递到从端，进入从端的自适应控制模块和模糊滑模控制模块，从端机械臂的关节力矩和运动状态经过时延之后传递到主端，进入主端的自适应控制模块。通过建立正逆运动学模型，根据预定口腔的位置，计算出各个关节的角位移、角速度、角加速度，通过位移传感器2、加速度传感器3传输的信号进行运动轨迹规划，以指令形式传送给从端控制部分的微处理器，使从端机械臂末端关节22沿着期望轨迹运动，进而使感光影像机23执行口腔影像完成拍片任务。主端的控制系统根据从端传递过来的信息对主端机械臂的关节力矩进行调整。主端机械臂和从端机械臂的运动状态信息等通过时延通信通道相互传输，经过主从两端的控制器调整对主从两端机械臂进行力/位控制。
该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制方法包括如下步骤：
步骤一，设定患牙位置以及感光影像机焦距d，并输入预期的影像清晰度MTF(调制传递函数)值；其中，患牙位置用于拍片的感光板安装有磁感线圈；
步骤二，通过力传感器、位移传感器、加速度传感器和电磁式传感器分别获取口腔医疗环境参数信号(力信号、位移信号、加速度信号、电磁信号)；
步骤三，将口腔医疗环境参数信号输入中央处理单元，由中央处理单元向比较器10输出影像电流的设定输出值a，并匹配出反映影像参数的控制电信号，从而控制电压控制器、电流控制器、机构控制器和距离控制器来控制口腔医疗影像机器人机构拍片；
其中，反映影像参数的控制电信号包括：管电压KV、X线量、机构运行速度v以及拍片距离L的控制电信号，分别传送给电压控制器、电流控制器、机构控制器、距离控制器。
优选的，中央处理单元9是采用模糊神经网络算法的融合系统，其融合过程包括：数据级融合、特征级融合、决策级融合，其融合方法如下：
1)数据级融合:分别把力传感器1、位移传感器2、加速度传感器3和磁电传感器4输入的力信号、位移信号、加速度信号以及电磁信号进行数据级融合，即获得各传感器的检测值并各传感器的检测值的变化率，分析各传感器连续输出的口腔医疗环境数据是否有反常的变化以决定该数据是否可靠，从而判别各传感器是否存在失灵、噪声干扰、信号丢失等问题；
2)特征级融合:把经过数据级融合的口腔医疗环境参数数据运用二数据输入、一数据输出的4层网络结构的模糊神经网络，将不同度量的信息转换对影像质量参数影响程度的一致性描述；在网络的A层根据选择的隶属度函数进行隶属度计算，完成对网络两个输入变量的模糊化处理，B层根据数据的输入，确定规则库中规则的适用度并进行推理，推理结果在C层以加权平均方法进行非模糊化处理；
3)决策级融合:运用基于改进的BP算法神经网络，实现对各检测参数W1、W2、W3、W4权值的确定和调整，对各传感器检测数据进行加权融合处理，这样的处理原因在于口腔医疗环境参数的多变化及不确定性，最终输出适宜口腔医疗坏境的管电压KV、X线量mA、机构运行速度v以及拍片距离L。
步骤四，微电流传感器11检测出口腔医疗影像机器人机构实时的运动电流值，并将反馈信号b反馈到比较器中与影像电流的设定输出值a进行比较；
步骤五，根据比较器的比较状况，通过电压控制器、电流控制器、机构控制器、距离控制器对口腔医疗影像机器人机构的拍片参数微调，直到比较器得到等于影像电流的设定输出值a的反馈信号b为止。
由于影像清晰度MTF值与影像电流I有较好的匹配关系，且影像清晰度MTF值可以通过管电压KV、X线量mA、机构运动速度v及拍片距离L进行控制。
且管电压KV降低、X线量mA降低、机构运动速度v相应降低、拍片距离L相应降低，则影像清晰度MTF值与影像电流I下降；且管电压KV升高、X线量mA升高、机构运动速度v相应升高、拍片距离L相应升高，则影像清晰度MTF值与影像电流I提高。
将微电流传感器11检测出口腔医疗影像机器人机构实时的影像电流值的反馈信号b反馈到比较器中与设定信号a进行比较。
若b<a，则将管电压KV升高、X线量mA升高、机构运动速度v相应升高、拍片距离L相应升高，即输出正的管电压KV、X线量mA、机构运动速度v及拍片距离L信号；若b>a，则将管电压KV降低、X线量mA降低、机构运动速度v相应降低、拍片距离L相应降低，即输出负的管电压KV、X线量mA、机构运动速度v及拍片距离L信号。
综上，该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统及控制方法通过多传感器实现口腔环境参数的全面、准确、可靠检测及拍片轨迹参数的设定，进而实现感光影像机的自动摆位以及精准定位，实现口腔拍片的患牙位置自动跟踪，以辅助临床医生和技师精确操作，实现口腔医疗行为标准化。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统，其特征在于，包括：
口腔医疗影像机器人机构，其包括：机械臂以及感光影像机，该机械臂的首端设有激光跟踪仪，所述感光影像机设置在机械臂的末端；
电源组件，其包括：高压电源和与其连接的电压控制器，所述高压电源与机械臂的末端连接；
传感器组，其包括：力传感器、位移传感器、加速度传感器和磁电传感器；
中央处理单元，其输入端与所述传感器组连接；以及
执行器组，其与所述中央处理单元的输出端连接，该执行器组包括：电流控制器、机构控制器和距离控制器，所述电流控制器和距离控制器均与感光影像机连接，所述机构控制器与机械臂的各关节连接。
2.如权利要求1所述的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统，其特征在于，所述机械臂具有六自由度，包括：底关节、大臂、中臂、小臂以及末端关节，所述大臂的一端与底关节连接，另一端通过第一关节与中臂的一端连接；所述小臂一端通过第二关节与中臂的另一端连接，另一端连接有末端关节。
3.如权利要求2所述的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统，其特征在于，所述传感器组与感光影像机固定连接；所述高压电源与机械臂的末端关节连接。
4.如权利要求1所述的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统，其特征在于，该口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统还包括：修正系统，其包括：比较器和微电流传感器，所述比较器与中央处理单元连接，所述微电流传感器分别与比较器和口腔医疗影像机器人机构连接。
5.一种如权利要求4所述的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，设定患牙位置以及感光影像机焦距，并输入预期的影像清晰度MTF值；
步骤二，通过力传感器、位移传感器、加速度传感器和电磁式传感器分别获取口腔医疗环境参数信号；
步骤三，将口腔医疗环境参数信号输入中央处理单元，由中央处理单元向比较器输出影像电流的设定输出值，并匹配出反映影像参数的控制电信号，从而控制电压控制器、电流控制器、机构控制器和距离控制器来控制口腔医疗影像机器人机构拍片。
6.如权利要求5所述的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制方法，其特征在于，所述中央处理单元采用模糊神经网络算法的融合系统，其融合过程包括：数据级融合、特征级融合、决策级融合。
7.如权利要求5所述的口腔医疗影像机器人多传感信息融合控制系统的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：影像电流修正步骤，其具体包括：通过微电流传感器检测出口腔医疗影像机器人机构实时的运动电流值，并将反馈信号反馈到比较器中与影像电流的设定输出值进行比较；再根据比较器的比较状况，通过电压控制器、电流控制器、机构控制器、距离控制器对口腔医疗影像机器人机构的拍片参数微调，直到比较器得到等于影像电流的设定输出值的反馈信号为止。
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