CN111452051A - 一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统，包括水平运动控制部分和机械臂动作控制部分；水平运动控制部分包括安装于机器人底部的两个万向轮、安装于机器人顶部的导航摄像头，两个万向轮分别由直流电机驱动，机械臂动作控制部分包括摄像机、机械臂，机械臂包括相铰接的大臂和小臂，大臂的后端铰接于机器人上，摄像机安装于小臂的前端，大臂和小臂分别由步进电机驱动。本发明通过判断目标与机器人的距离和水平偏角，完成对目标进行追踪和定位，提高机器人对目标的定位精度和追踪效率。

Description

一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统

技术领域

本发明涉及智能医疗的技术领域，尤其是涉及一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统。

背景技术

目前，国内外对医疗机器人的研究已经相对成熟，关键理论和技术有着较好的基础。医疗机器人的使用与传统的医疗方式相比有着其独特的优势，其具有操作稳定、执行准确、工作强度大等特点，主要体现在以下几个方面：（1）减少医护工作中的人力成本，节省人力资源；在传统的医疗领域，医护工作的特点是工作强度高，对医护工作者的操作有着高精度的要求。在一些重复性、高强度的环境中，引入医疗服务机器人可以减轻医护工作者的工作压力，也可以降低在医疗服务过程中的人工成本；（2）医疗服务机器人使医护工作更加的安全。传统医护工作中，医护工作者可能需要面对一些高辐射、高病毒感染风险的环境，通过使用机器人来代替医生在危险环境里的工作，可以避免这些不利影响。（3）医疗机器人的操作更加准确高效，以一般的外科手术为例，人的操作不可避免会受到环境和自身状态的影响，而机器人则可以完全按照指示工作，可以保证准确无误，缩短手术时间，降低手术的风险，同时也可以降低病患的损伤和负担，提高医疗服务的水平。

医疗机器人的运动控制系统是重要核心部件，其直接影响着机器人应用的可靠性和体验感。机器人的控制方法主要分为两个方面，第一个方面是运动控制，机器人通过控制电机来达到目标动作、状态，例如轮式平衡机器人通过控制驱动轮的电机转速实现调整自身速度，调节自身重心的平衡状态。第二个方面是通过传感器完成环境感知，完成机器人对自身状态和周围环境的认知和判断，以规划机器人的动作。

鉴于此，为了满足皮肤病分诊机器人的实际控制需求，亟需研发设计一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统，通过判断目标与机器人的距离和水平偏角，完成对目标进行追踪和定位，提高机器人对目标的定位精度和追踪效率。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统，包括水平运动控制部分和机械臂动作控制部分；

所述水平运动控制部分包括安装于机器人底部的两个万向轮、安装于机器人顶部的导航摄像头，两个万向轮分别由直流电机驱动，导航摄像头所采集图像的中心点与目标之间的水平偏角为θ，θ＝arcsin（S/E），式中E为目标在画面中的水平偏移距离，S为机器人与目标之间的直线距离；当目标边界框小于阈值时，计算得出所述水平偏角θ，机器人正常前进，当目标边界框大于阈值时，机器人已接近目标，即停止前进运动；

所述机械臂动作控制部分包括摄像机、具有二维自由度的机械臂，机械臂包括相铰接的大臂和小臂，大臂的后端铰接于机器人上，摄像机安装于小臂的前端，大臂和小臂分别由步进电机驱动；小臂前端的摄像机打开后，机器人通过底部两个万向轮的不同转速以调整水平角度的偏差，调整完成后摄像机检测目标边界框的大小，目标边界框较小时则步进电机带动大臂作前伸动作，拉近机器人与目标之间的距离，目标边界框增大至设定值时则大臂停止动作，即实现调整目标与机器人之间的距离和水平角度的偏差；步进电机驱动小臂相对目标作竖直方向的纠偏，以实现摄像机对目标的追踪和定位拍照。

通过采用上述技术方案，该运动控制系统分为水平运动控制部分和机械臂动作控制部分，水平运动控制部分是通过导航摄像头采集的患者脸部视频流传输至主控计算机，经过人脸检测方式识别人脸在画面中的大小和位置，来判断目标与机器人的距离和水平偏角并输出相应的控制信号，直流电机的驱动模块接收该控制信号，完成对机器人的移动速度、方向控制。机械臂动作控制部分是通过摄像机采集的患者手部视频流传输至主控计算机，经过深度学习目标方式完成对患者手部的检测，再通过判断目标与机器人的距离和水平偏角并输出相应的控制信号，步进电机的驱动模块接收该控制信号，控制大臂动作以拉近机器人与目标之间的距离，再控制小臂动作对目标进行追踪，并使用摄像机对其患处进行拍照。通过判断目标与机器人的距离和水平偏角，完成对目标进行追踪和定位，提高机器人对目标的定位精度和追踪效率。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：当目标边界框小于阈值时，所述水平偏角θ较小时机器人快速前进且调整角度较弱，水平偏角θ较大时机器人慢速前进，调整水平角度后再加速前进。

通过采用上述技术方案，机器人的追踪对象是人脸，通过人脸在画面中的大小和位置，来判断目标与机器人的距离和水平偏角，机器人是否前进由检测到的目标与机器人的距离决定。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述机器人包括移动平台、单片机、主控计算机以及用于采集患者脸部视频流的导航摄像头，移动平台上安装具有二维自由度的机械臂，机械臂的前端安装有用于采集患者手部视频流的摄像机，导航摄像头、摄像机分别与主控计算机的输入接口相连，主控计算机与单片机之间建立协同通信，单片机与驱动所述移动轮的直流电机、驱动所述机械臂动作的步进电机相控制连接，传输至主控计算机的脸部视频流经过人脸检测技术处理后，输出用于控制移动平台转向和移动的控制信号，传输至主控计算机的手部视频流经深度学习目标处理后，完成患者手部的检测。

通过采用上述技术方案，通过人脸检测技术找到皮肤病患者的位置，控制机器人移动到目标位置，然后通过深度学习目标方式，完成对手部的检测功能，最后皮肤病患者通过手部来指示患处，并指引机器人的机械臂对目标进行追踪与拍照。导航摄像头采集的患者脸部视频流、摄像机采集的患者手部视频流传输至主控计算机，分别经过人脸检测方式和深度学习目标方式输出相应的控制信号，并通过单片机和主控计算机之间的协同通信，完成对机器人的移动速度、方向和机械臂的动作控制。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述单片机为Arduino单片机，主控计算机与单片机之间通过串行接口建立协同通信。

通过采用上述技术方案，Arduino单片机能够独立完成参数的设定功能，同时串行接口的方式适用于主控计算机与单片机之间的数据传输，节省了传输线的使用。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述移动平台底部安装有两个万向轮和两个行走轮，两个万向轮分别由所述直流电机带动。

通过采用上述技术方案，直流电机的驱动模块接收单片机输出的控制信号，两个万向轮分别由两个直流电机驱动，从而实现移动平台的移动和转向。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述移动平台顶部安装有三脚架，所述导航摄像头安装于三脚架的顶部。

通过采用上述技术方案，移动平台顶部安装的三脚架可以自由调节高度，从而满足对不同身高的患者使用要求。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述直流电机的驱动模块为L298N驱动模块，所述步进电机的驱动模块是DM542驱动模块。

通过采用上述技术方案，直流电机在使用时，将单片机产生的PWM波输入到L298N驱动模块从而控制转速，高低电平的组合输入方式以控制直流电机转速方向，同时实现移动平台的转向目的；DM542驱动模块适用于直流电压输入，且电压范围为24～50VDC。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述L298N驱动模块连接有6根信号接线，6根信号接线分为两组，每组的信号接线分别为方向正、方向负和使能。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述DM542驱动模块连接有6根信号线，分别为方向正负、脉冲正负和使能正负。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1.本发明的运动控制系统分为水平运动控制部分和机械臂动作控制部分，水平运动控制部分是通过导航摄像头采集的患者脸部视频流传输至主控计算机，经过人脸检测方式识别人脸在画面中的大小和位置，来判断目标与机器人的距离和水平偏角并输出相应的控制信号，直流电机的驱动模块接收该控制信号，完成对机器人的移动速度、方向控制。机械臂动作控制部分是通过摄像机采集的患者手部视频流传输至主控计算机，经过深度学习目标方式完成对患者手部的检测，再通过判断目标与机器人的距离和水平偏角并输出相应的控制信号，步进电机的驱动模块接收该控制信号，控制大臂动作以拉近机器人与目标之间的距离，再控制小臂动作对目标进行追踪，并使用摄像机对其患处进行拍照，便于进行后续的症状诊断，提高了皮肤病患者的分诊效率；

2.本发明的通过人脸检测技术找到皮肤病患者的位置，控制机器人移动到目标位置，然后通过深度学习目标方式，完成对手部的检测功能，最后皮肤病患者通过手部来指示患处，并指引机器人的机械臂对目标进行追踪与拍照。导航摄像头采集的患者脸部视频流、摄像机采集的患者手部视频流传输至主控计算机，分别经过人脸检测方式和深度学习目标方式输出相应的控制信号，并通过单片机和主控计算机之间的协同通信，完成对机器人的移动速度、方向和机械臂的动作控制；

3.本发明的移动平台的追踪对象是人脸，通过人脸在画面中的大小和位置，来判断目标与机器人的距离和水平偏角，机器人是否前进由检测到的目标与机器人的距离决定。直流电机在使用时，将单片机产生的PWM波输入到L298N驱动模块从而控制转速，高低电平的组合输入方式以控制直流电机转速方向，同时实现移动平台的转向目的；DM542驱动模块适用于直流电压输入，且电压范围为24～50VDC。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图。

图2是本发明的机器人结构示意图。

附图标记：1、移动平台；2、单片机；3、主控计算机；4、导航摄像头；5、机械臂；51、大臂；52、小臂；6、摄像机；7、直流电机；8、步进电机；9、万向轮；10、行走轮；11、三脚架；12、L298N驱动模块；13、DM542驱动模块；14、机器人。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2，为本发明公开的一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统，包括水平运动控制部分和机械臂动作控制部分；水平运动控制部分包括安装于机器人14底部的两个万向轮9、安装于机器人14顶部的导航摄像头4，两个万向轮9分别由直流电机7驱动，导航摄像头4所采集图像的中心点与目标之间的水平偏角为θ，θ＝arcsin（S/E），式中E为目标在画面中的水平偏移距离，S为机器人14与目标之间的直线距离；当目标边界框小于阈值时，计算得出水平偏角θ，机器人14正常前进，水平偏角θ较小时机器人14快速前进且调整角度较弱，水平偏角θ较大时机器人14慢速前进，调整水平角度后再加速前进。当目标边界框大于阈值时，机器人14已接近目标，即停止前进运动；机械臂动作控制部分包括摄像机6、具有二维自由度的机械臂5，机械臂5包括相铰接的大臂51和小臂52，大臂51的后端铰接于机器人14上，摄像机6安装于小臂52的前端，大臂51和小臂52分别由步进电机8驱动；小臂52前端的摄像机6打开后，机器人14通过底部两个万向轮9的不同转速以调整水平角度的偏差，调整完成后摄像机6检测目标边界框的大小，目标边界框较小时则步进电机8带动大臂51作前伸动作，拉近机器人14与目标之间的距离，目标边界框增大至设定值时则大臂51停止动作，即实现调整目标与机器人14之间的距离和水平角度的偏差；步进电机8驱动小臂52相对目标作竖直方向的纠偏，以实现摄像机6对目标的追踪和定位拍照。

参照图2，机器人14包括移动平台1、单片机2、主控计算机3，移动平台1底部安装有两个万向轮9和两个行走轮10，两个万向轮9分别由直流电机7带动。移动平台1顶部安装有三脚架11，导航摄像头4安装于三脚架11的顶部，机械臂5的前端安装有用于采集患者手部视频流的摄像机6，导航摄像头4、摄像机6分别与主控计算机3的输入接口相连，主控计算机3与单片机2之间通过串行接口建立协同通信，单片机2为Arduino单片机，单片机2与驱动万向轮9的直流电机7、驱动机械臂5动作的步进电机8相控制连接，传输至主控计算机3的脸部视频流经过人脸检测技术处理后，输出用于控制移动平台1转向和移动的控制信号，传输至主控计算机3的手部视频流经深度学习目标处理后，完成患者手部的检测。

参照图1，单片机2与驱动万向轮9的直流电机7、驱动机械臂5动作的步进电机8相控制连接，传输至主控计算机3的脸部视频流经过人脸检测技术处理后，输出用于控制移动平台1转向和移动的控制信号，传输至主控计算机3的手部视频流经深度学习目标处理后，完成患者手部的检测。直流电机7的驱动模块为L298N驱动模块12，步进电机8的驱动模块是DM542驱动模块13，L298N驱动模块12连接有6根信号接线，6根信号接线分为两组，每组的信号接线分别为方向正、方向负和使能。DM542驱动模块13连接有6根信号线，分别为方向正负、脉冲正负和使能正负。

本实施例的实施原理为：（1）机器人14的导航摄像头4采集患者脸部视频流，主控计算机3基于OpenCV人脸检测方式获得人脸宽度与阈值的偏差值，根据偏差值的大小向单片机2发送相应的控制信号，直流电机7接收控制信号后带动移动平台1实时转向和移动，直至机器人14移动至患者的正面；（2）机械臂5上的摄像机6采集患者手部视频流，主控计算机3通过深度学习目标方式实现患者手部的检测识别，以检测手部的各种手势动作和手部状态的稳定度；（3）机器人14的机械臂5根据患者手部的位置变化，实时动作以追踪患者手部的位置，直至检测到手部处于稳定状态，再依据检测到患者手部的指示动作，控制摄像机6对准患者手部指示的患处进行定位拍照，获得的患处照片信息与皮肤病数据库进行分析对比后，输出相应的分诊指导结果。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于，包括水平运动控制部分和机械臂动作控制部分；

所述水平运动控制部分包括安装于机器人(14)底部的两个万向轮(9)、安装于机器人(14)顶部的导航摄像头(4)，两个万向轮(9)分别由直流电机(7)驱动，导航摄像头(4)所采集图像的中心点与目标之间的水平偏角为θ，θ＝arcsin（S/E），式中E为目标在画面中的水平偏移距离，S为机器人(14)与目标之间的直线距离；当目标边界框小于阈值时，计算得出所述水平偏角θ，机器人(14)正常前进，当目标边界框大于阈值时，机器人(14)已接近目标，即停止前进运动；

所述机械臂动作控制部分包括摄像机(6)、具有二维自由度的机械臂(5)，机械臂(5)包括相铰接的大臂(51)和小臂(52)，大臂(51)的后端铰接于机器人(14)上，摄像机(6)安装于小臂(52)的前端，大臂(51)和小臂(52)分别由步进电机(8)驱动；小臂(52)前端的摄像机(6)打开后，机器人(14)通过底部两个万向轮(9)的不同转速以调整水平角度的偏差，调整完成后摄像机(6)检测目标边界框的大小，目标边界框较小时则步进电机(8)带动大臂(51)作前伸动作，拉近机器人(14)与目标之间的距离，目标边界框增大至设定值时则大臂(51)停止动作，即实现调整目标与机器人(14)之间的距离和水平角度的偏差；步进电机(8)驱动小臂(52)相对目标作竖直方向的纠偏，以实现摄像机(6)对目标的追踪和定位拍照。

2.根据权利要求1所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于，当目标边界框小于阈值时，所述水平偏角θ较小时机器人(14)快速前进且调整角度较弱，水平偏角θ较大时机器人(14)慢速前进，调整水平角度后再加速前进。

3.根据权利要求1所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于，所述机器人(14)包括移动平台(1)、单片机(2)、主控计算机(3)以及用于采集患者脸部视频流的导航摄像头(4)，移动平台(1)上安装具有二维自由度的机械臂(5)，机械臂(5)的前端安装有用于采集患者手部视频流的摄像机(6)，导航摄像头(4)、摄像机(6)分别与主控计算机(3)的输入接口相连，主控计算机(3)与单片机(2)之间建立协同通信，单片机(2)与驱动所述移动轮的直流电机(7)、驱动所述机械臂(5)动作的步进电机(8)相控制连接，传输至主控计算机(3)的脸部视频流经过人脸检测技术处理后，输出用于控制移动平台(1)转向和移动的控制信号，传输至主控计算机(3)的手部视频流经深度学习目标处理后，完成患者手部的检测。

4.根据权利要求3所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于，所述单片机(2)为Arduino单片机(2)，主控计算机(3)与单片机(2)之间通过串行接口建立协同通信。

5.根据权利要求3所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于：所述移动平台(1)底部安装有两个万向轮(9)和两个行走轮(10)，两个万向轮(9)分别由所述直流电机(7)带动。

6.根据权利要求5所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于：所述移动平台(1)顶部安装有三脚架(11)，所述导航摄像头(4)安装于三脚架(11)的顶部。

7.根据权利要求1所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于：所述直流电机(7)的驱动模块为L298N驱动模块(12)，所述步进电机(8)的驱动模块是DM542驱动模块(13)。

8.根据权利要求7所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于：所述L298N驱动模块(12)连接有6根信号接线，6根信号接线分为两组，每组的信号接线分别为方向正、方向负和使能。

9.根据权利要求7所述的皮肤病分诊机器人的运动控制系统，其特征在于：所述DM542驱动模块(13)连接有6根信号线，分别为方向正负、脉冲正负和使能正负。

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