CN111658003B - 一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置 - Google Patents

一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，该装置包括相机支架、扭力调整机构和探头转臂三部分，本发明安装在不少于六自由度的协作型机械臂末端法兰上，采用扭簧加载驱动探头转动的方式实现超声探头加载在人体上获取超声图像和移动扫查。本发明扭簧隔离了机械臂扫查作业对人体的刚性加载，一方面避免了刚性接触对人体的冲击伤害，另一方面调整了加载过程的刚性曲线，给稳压控制提供了支撑。最后，装置布局了三轴力传感器与RGB‑D相机，为力控制与视觉伺服超声扫查提供了解决方案，以确保机器人辅助医学超声扫查的安全、可靠和高质量成像。

Description

一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置
技术领域
本发明涉及医疗机器人领域，细分为医学超声扫查领域，尤其是机器人辅助的人体脊柱超声扫查，具体涉及一种具有调压能力的医学超声扫查装置。
背景技术
传统医学超声扫查的方式为手持式人工超声扫查，由医师手持超声探头在病人相应身体部位扫查以获取病人检查部位三维结构特征。现有发展起来的机器人辅助超声扫查设备采取机械扫查，克服了人工扫查容易疲劳、手抖、施加压力不稳而影响超声成像质量的缺点，但超声探头的固定方式上通常采用简单的刚性固定，主要存在以下问题：1、在机械式的扫查过程中由于收不到的反馈或反馈延迟可能带来病人的皮肤组织损伤甚至是危险；2、由于患者身体的复杂性(背部曲线形状)和组织的形变，难以搜集有效的信息控制调整探头；3、探头缺乏及时调整可能得不到较好的扫查图像。
发明内容
为了实现机器人辅助超声扫查过程中超声探头对病人施加压力的稳定，保持扫查过程中超声探头与病人身体的良好的相对位置姿态(超声探头与人体扫查表面垂直接触)，防止出现超声过程中的安全隐患(拉伤肌肉组织、卡死在病人身体特殊骨节处等)，本发明提供一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，以确保机器人辅助医学超声扫查的安全、可靠和高质量成像。
本发明针对现有技术的不足所采用的技术方案是：一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，包括扭力调整机构组件和探头转臂组件两部分；
所述扭力调整机构组件包括基座组件和手调旋钮组件；
所述基座组件包括基座、长筒件、短轴、扭簧；所述手调旋钮组件包括扭簧锁块、旋钮端块；
所述长筒件为空心筒状结构，左侧一端具有凹槽口，嵌入所述基座上的柱状凸起，所述长筒件与所述基座固定连接，右侧另一端内部具有阶梯型收口；长筒件内部从左到右依次串接短轴、扭簧和扭簧锁块；旋钮端块扣在长筒件右端部并实现锁紧；
所述探头转臂组件包括转臂和超声探头；
所述转臂主体为一圆筒结构，与长筒件(4)转动连接，圆筒侧壁上具有夹臂，所述夹臂与超声探头固定连接，所述圆筒一侧端面具有横梁，横梁位于所述长筒件左端凹槽口中，使得转臂的横梁的转动角度受到长筒件的凹槽口的限制；横梁中间设有与短轴左端相适应的孔，所述短轴左端铣平面并插进横梁中，横梁轴向抵住短轴，传递短轴的转动至转臂。
进一步地，所述基座底部具有若干个安装孔，通过安装孔与机械臂的末端法兰固定连接。
进一步地，所述长筒件内部从左到右依次串接短轴、扭簧和扭簧锁块，具体为：所述短轴右侧端面与所述扭簧锁块左侧均具有U型槽；所述扭簧两端内折，一端嵌入所述短轴的U型槽，另一端嵌入所述扭簧锁块U型槽；扭簧的刚度介于人体松弛状态的肌肉和骨头的刚度之间；所述扭簧锁块通过肩部封装在所述长筒件的内部阶梯型收口处，与旋钮端块固定相接。
进一步地，所述长筒件外部分为左右两段圆柱面，中间通过轴肩分隔；所述转臂与长筒件外部左段圆柱面之间安装有滑动轴承；
进一步地，所述基座组件还包括转臂压紧弹簧、棘轮环和紧定螺丝；
所述转臂压紧弹簧安装在短轴上，通过作用力将转臂推向长筒件一侧；
所述棘轮环套在所述长筒件外部右段外圆柱面，左侧靠紧轴肩，通过所述紧定螺丝与长筒件锁紧，保持相对静止，棘轮环右侧具有棘齿。
进一步地，所述手调旋钮组件还包括棘轮旋钮、棘轮压紧弹簧；所述棘轮旋钮为圆筒状，右侧内部具有两个凸块，旋钮端块外圆柱面右端设凸缘，左端设有对称分布的两个槽口；所述凸块与旋钮端块的左端两个槽口相对应，所述凸块与槽口为滑动连接，起到传递转动和辅助导向的作用；棘轮旋钮左侧另一端分布有环形轴向棘齿，内部设收口，封住内部布置的所述棘轮压紧弹簧，并且棘齿与棘轮环的棘齿啮合；所述棘轮旋钮左侧套在长筒件外部右段外圆柱面上，右侧套在所述旋钮端块外圆柱面上，与长筒件和旋钮端块滑动连接，滑动行程受到旋钮端块右端的凸缘限制。
进一步地，所述棘轮压紧弹簧安装在棘轮旋钮内部左端收口和右端凸块之间，当所述棘轮旋钮推向所述旋钮端块凸缘时，所述旋钮端块左端将嵌入所述棘轮旋钮内部并压缩棘轮压紧弹簧，使棘轮旋钮受到反作用力推向所述棘轮环。
进一步地，所述棘轮旋钮为尼龙结构，当受到挤压时能够形成椭圆形使内侧凸块彼此远离，从而将所述棘轮压紧弹簧置入。
进一步地，所述探头转臂组件还包括压力传感器安装块、三轴力传感器、探头座、探头固定块和手旋螺丝；
所述夹臂与超声探头固定连接具体如下：
所述压力传感器安装块夹在所述转臂的夹臂之间，压力传感器安装块在远离所述转臂的面设凹槽，固定安装三轴力传感器；
所述探头座具有U型结构，与同样具有U型结构的探头固定块抱合，所述探头座U型结构的底部安装在所述三轴力传感器上，所述超声探头夹在探头座和探头固定块之间，通过两个所述手旋螺丝实现固定。
进一步地，一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置还包括相机支架组件，所述相机支架组件包括相机支架、Realsense相机；
所述相机支架固定在基座上；所述相机支架为L型结构，所述Realsense相机固定在L型结构外侧。
本发明的有益效果是，本发明在机械臂控制本装置夹持超声探头到达人体背部上方，末端旋转关节旋转驱动超声探头旋转下降压紧人体背部时，将经历一个末端旋转关节与超声探头同步转动、发生相对转动、回到同步转动三个阶段。由于人体给探头的反作用力，探头反向转动压迫扭簧，扭簧受到单向转动的棘轮旋钮限制。探头的压力可由棘轮旋钮进行调节：设置合适触发压力，此时在扭簧的作用下，转臂转到活动空间的下限位。随着机械臂末端旋转关节的转动，当探头对人体压力未达到触发压力时，转臂与机械臂的末端法兰不发生相对转动；当探头对人体的压力超过触发压力时，转臂与机械臂的末端法兰发生相对转动，此时触发压力的值已经将人体体表组织压紧，由于骨骼组织刚度较大，随着机械臂末端关节的转动，超声探头不发生明显转动，而主要是转臂与机械臂的末端法兰发生相对转动，实现柔性加载在人体背部上。当转臂转到活动空间的上限位，此时压力达到止动压力(止动压力＝触发压力+扭簧刚度系数×转臂转动空间角度)，转臂与机械臂的末端法兰因无法发生进一步相对转动而保持相对静止，此时超声探头与机械臂的末端法兰再次进行同步转动。棘轮旋钮相当于一个取样框，能够自如框选探头工作压力的范围(触发压力～止动压力)。扫查过程中探头能够在扭簧的驱动下维持探头与体表的接触，压力波动由扭簧的刚度与机械臂的末端法兰与人体背部相对位置决定，在设计的转臂活动转角内，压力都稳定在触发压力到止动压力之间，这有效保持了扫查过程中压力的稳定和安全。也可以借助机械臂的控制算法实现更加精确的恒压控制。超声探头在身材偏瘦的病人身体上扫查的过程中，遇到骨节不平突起处探头能够自适应地转动调节而不会卡死，保障了病人的安全与舒适。
附图说明
图1为超声扫查装置爆炸图；
图2为超声扫查装置侧视图；
图3为装置自由视图；
图4为超声扫查装置剖视图；
图5为超声扫查装置机构原理图；
图6为扭簧工作曲线说明图。
图中：1.基座，2.相机支架，3.Realsense相机，6.转臂压紧弹簧，5.短轴，14.滑动轴承，7.扭簧，12.棘轮环，4.长筒件，10.棘轮旋钮，11.棘轮压紧弹簧，12.扭簧锁块，13.旋钮端块，14.紧定螺丝，15.转臂，16.压力传感器安装块，17.三轴力传感器，18.探头座，19.探头固定块，20.手旋螺丝，21.超声探头，22.机械臂的末端法兰，23.人体背部，24.基座组件，25.手调旋钮组件，26.探头转臂组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-4所示，本发明提供了一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，包括扭力调整机构组件和探头转臂组件两部分；
所述扭力调整机构组件包括基座组件24和手调旋钮组件25；
所述基座组件24包括基座1、长筒件4、短轴5、转臂压紧弹簧6、扭簧7、棘轮环12和紧定螺丝13；所述手调旋钮组件25包括扭簧锁块8、旋钮端块9；棘轮旋钮10、棘轮压紧弹簧11；
所述基座1底部具有环形阵列分布的四个安装孔，可固定在机械臂的末端法兰22上。
所述长筒件4为空心筒状结构，左侧一端具有凹槽口，嵌入所述基座1上的柱状凸起，所述长筒件4与所述基座1固定连接，右侧另一端内部具有阶梯型收口；长筒件4内部从左到右依次串接短轴5、扭簧7和扭簧锁块8；所述短轴5右侧端面与所述扭簧锁块8左侧均具有U型槽；所述扭簧7两端内折，一端嵌入所述短轴5的U型槽，另一端嵌入所述扭簧锁块8同样的U型槽；扭簧7的刚度介于人体松弛状态的肌肉和骨头的刚度之间；所述扭簧锁块8通过肩部封装在所述长筒件4的内部阶梯型收口处，与旋钮端块9固定相接；旋钮端块9扣在长筒件4右端部并实现锁紧；所述长筒件4外部分为左右两段圆柱面，中间通过轴肩分隔；所述转臂15与长筒件4外部左段圆柱面之间安装有滑动轴承14；
所述转臂压紧弹簧6安装在短轴5上，通过作用力将转臂15推向长筒件4一侧；
所述棘轮环12套在所述长筒件4外部右段外圆柱面，左侧靠紧轴肩，通过所述紧定螺丝13与长筒件4锁紧，保持相对静止，右侧设棘齿扣住靠近的棘轮旋钮10。
所述棘轮旋钮10为圆筒状，右侧内部具有两个凸块，旋钮端块9外圆柱面右端设凸缘，左端设有对称分布的两个槽口；所述凸块与旋钮端块9的左端两个槽口相对应，所述凸块与槽口为滑动连接，起到传递转动和辅助导向的作用；棘轮旋钮10左侧另一端分布有环形轴向棘齿，内部设收口，封住内部布置的所述棘轮压紧弹簧11；所述棘轮旋钮10左侧套在长筒件4外部右段外圆柱面上，右侧套在所述旋钮端块9外圆柱面上，与长筒件4和旋钮端块9滑动连接，滑动行程受到旋钮端块9右端的凸缘限制。所述棘轮旋钮10为尼龙结构，当受到挤压时能够形成椭圆形使内侧凸块彼此远离，从而将所述棘轮压紧弹簧11置入。
所述棘轮压紧弹簧11安装在棘轮旋钮10内部左端收口和右端凸块之间，当所述棘轮旋钮10推向所述旋钮端块9凸缘时，所述旋钮端块9左端将嵌入所述棘轮旋钮10内部并压缩棘轮压紧弹簧11，使棘轮旋钮10受到反作用力推向所述棘轮环12。
所述棘轮环12的止动方向为从有棘齿一端往无棘齿一端看的逆时针方向，从而支撑所述转臂15顺时针旋转带动所述超声探头21顺时针旋转下压，当抵御所述棘轮压紧弹簧11压力推动所述棘轮旋钮10往旋钮端块9一侧运动时，即可脱离棘轮环12对其的扣合，从而可以灵活转动。
所述探头转臂组件26包括转臂15和超声探头21；压力传感器安装块16、三轴力传感器17、探头座18、探头固定块19和手旋螺丝20；
所述转臂15主体为一圆筒结构，圆筒侧壁上具有夹臂，所述圆筒一侧端面具有横梁，横梁位于所述长筒件4左端凹槽口中，使得转臂15的横梁的转动角度受到长筒件4的凹槽口的限制；横梁中间设有与短轴5左端相适应的孔，所述短轴5左端铣平面并插进横梁中，横梁轴向抵住短轴5，传递短轴5的转动至转臂15。
所述压力传感器安装块16夹在所述转臂15的夹臂之间，压力传感器安装块16在远离所述转臂15的面设凹槽，固定安装三轴力传感器17；
所述探头座18具有U型结构，与同样具有U型结构的探头固定块19抱合，所述探头座18U型结构的底部安装在所述三轴力传感器17上，所述超声探头21夹在探头座18和探头固定块19之间，通过两个所述手旋螺丝20实现固定。
本发明提供的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置还包括相机支架组件，所述相机支架组件包括相机支架2、Realsense相机3；
所述相机支架2固定在基座1上；所述相机支架2为L型结构，所述Realsense相机3固定在L型结构外侧。
【实施例1】
整个超声扫查装置通过基座1上四个环形阵列分布的安装孔固定在UR5(Universal Robot公司的一款产品协作型机器手)机械臂的末端法兰22，用于人体背部脊柱的扫查成像。
医院根据所使用的直探头或者曲面探头选择合适的探头固定块19，将探头21放置于探头座18上，后侧贴紧探头座曲面，如必要可在探头座贴合面贴海绵胶带或者给探头缠绕防水胶带以消除贴合间隙，改善夹持效果。然后将探头固定块19与探头座18的通孔对齐，插入手旋螺栓旋转固定，注意探头座18在两侧的通孔末端有的槽口可卡入螺母，拆卸探头时不必将螺栓完全旋出，可在螺栓的螺帽处附手柄旋松即可。
机器人辅助医学超声图像采集过程中，机器手控制本发明装置下降到人体扫查部位上方，以背部扫查，病人采取俯卧姿态躺在手术床上为例，机器手末端法兰旋转，带动本装置探头旋转贴到人体背部23。
本装置的转动关系如图5所示，基座组件24与UR5机械臂的末端法兰保持同步旋转，手调旋钮组件25在医生调整好合适的触发压力之后相对于基座组件24不发生旋钮。由于扭簧受到加载，扭矩传递至探头转臂组件26，使得探头转臂组件达到下限位，相对与基座组件24不发生旋转。
继续转动机械手的末端法兰22，由于放松状态下人体肌肉组织较软，肌肉会发生形变，探头继续下压，若无本装置，随着肌肉组织被压紧探头抵住脊柱，随着末端法兰旋转，压力会骤然增加，直到压伤病人，压力与机械臂转动角度关系曲线如图6的L1所示。机械手通过本装置夹持探头，在压力达到触发压力后，探头转臂组件26与基座组件24发生相对转动，扭簧将发生形变，机械手末端法兰旋转与压力的增加将遵循扭簧的特性曲线，扭簧的特性曲线如图6的L2所示。摆臂15随着扭簧形变而转动，行程设计为50°左右，在50°的范围内，压力的变化约为4N。医生可以旋动棘轮旋钮10，调节力变化的窗口，如调节到力从8N增加到12N的窗口段，如图6的windows1所示。随着机械臂在人体上方移动，由于人体背部起伏，机械臂与扫查区域的距离产生改变，摆臂15会产生旋转保持探头贴紧人体，完成扫查作业。注意实时监控机械臂末端转动的空间，或者设置机械臂的末端关节22的软件限位，不可使转臂15达到活动空间的上限位造成压力突然增加危害病人安全。
【实施例2】
本发明设置了三轴力传感器采集超声探头21加载到人体上的压力。医学超声扫查系统的开发者也可以开发力控制的程序，根据压力控制机械臂末端法兰的旋转，实现恒定压力的控制。扭簧的特性曲线使得扫查过程刚性曲线变得平缓，为恒力控制提供支撑。
【实施例3】
本发明设置了Realsense深度相机3，医学超声扫查系统的开发者也可以根据相机得到的点云数据控制机械臂自动化作业，运动到人体上方进行扫查。
【实施例4】
当作业场景需要机械臂拥有较大刚性时，本发明也可以单独作为扫查过程的安全措施。只需要通过调整棘轮旋钮10，使得触发压力加载到一个安全限制值，如16N，那么机械臂作业时，只有作用到人体的力超过16N时，本发明才工作在扭簧特性曲线段，转臂15发生转动，提供50°的旋转裕度，防止对病人超声安全隐患。医疗机器人作业环境复杂，机械上可靠的安全措施是必要的。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，包括扭力调整机构组件和探头转臂组件两部分；
所述扭力调整机构组件包括基座组件(24)和手调旋钮组件(25)；
所述基座组件(24)包括基座(1)、长筒件(4)、短轴(5)、扭簧(7)；所述手调旋钮组件(25)包括扭簧锁块(8)、旋钮端块(9)；
所述长筒件(4)为空心筒状结构，外部分为左右两段圆柱面，左侧一端具有凹槽口，嵌入所述基座(1)上的柱状凸起，所述长筒件(4)与所述基座(1)固定连接，右侧另一端内部具有阶梯型收口；长筒件(4)内部从左到右依次串接短轴(5)、扭簧(7)和扭簧锁块(8)；旋钮端块(9)扣在长筒件(4)右端部并实现锁紧；
所述基座组件(24)还包括转臂压紧弹簧(6)、棘轮环(12)和紧定螺丝(13)；
所述转臂压紧弹簧(6)安装在短轴(5)上，通过作用力将转臂(15)推向长筒件(4)一侧；
所述棘轮环(12)套在所述长筒件(4)外部右段外圆柱面，左侧靠紧轴肩，通过所述紧定螺丝(13)与长筒件(4)锁紧，保持相对静止，棘轮环(12)右侧具有棘齿；
所述探头转臂组件(26)包括转臂(15)和超声探头(21)；
所述转臂(15)主体为一圆筒结构，与长筒件(4)转动连接，圆筒侧壁上具有夹臂，所述夹臂与超声探头(21)固定连接，所述圆筒一侧端面具有横梁，横梁位于所述长筒件(4)左端凹槽口中，使得转臂(15)的横梁的转动角度受到长筒件(4)的凹槽口的限制；横梁中间设有与短轴(5)左端相适应的孔，所述短轴(5)左端铣平面并插进横梁中，横梁轴向抵住短轴(5)，传递短轴(5)的转动至转臂(15)。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述基座(1)底部具有若干个安装孔，通过安装孔与机械臂的末端法兰(22)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述长筒件(4)内部从左到右依次串接短轴(5)、扭簧(7)和扭簧锁块(8)，具体为：所述短轴(5)右侧端面与所述扭簧锁块(8)左侧均具有U型槽；所述扭簧(7)两端内折，一端嵌入所述短轴(5)的U型槽，另一端嵌入所述扭簧锁块(8)U型槽；扭簧(7)的刚度介于人体松弛状态的肌肉和骨头的刚度之间；所述扭簧锁块(8)通过肩部封装在所述长筒件(4)的内部阶梯型收口处，与旋钮端块(9)固定相接。
4.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述长筒件(4)外部的左右两段圆柱面中间通过轴肩分隔；所述转臂(15)与长筒件(4)外部左段圆柱面之间安装有滑动轴承(14)。
5.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述手调旋钮组件(25)还包括棘轮旋钮(10)、棘轮压紧弹簧(11)；所述棘轮旋钮(10)为圆筒状，右侧内部具有两个凸块，旋钮端块(9)外圆柱面右端设凸缘，左端设有对称分布的两个槽口；所述凸块与旋钮端块(9)的左端两个槽口相对应，所述凸块与槽口为滑动连接，起到传递转动和辅助导向的作用；棘轮旋钮(10)左侧另一端分布有环形轴向棘齿，内部设收口，封住内部布置的所述棘轮压紧弹簧(11)，并且棘齿与棘轮环(12)的棘齿啮合；所述棘轮旋钮(10)左侧套在长筒件(4)外部右段外圆柱面上，右侧套在所述旋钮端块(9)外圆柱面上，与长筒件(4)和旋钮端块(9)滑动连接，滑动行程受到旋钮端块(9)右端的凸缘限制。
6.根据权利要求5所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述棘轮压紧弹簧(11)安装在棘轮旋钮(10)内部左端收口和右端凸块之间，当所述棘轮旋钮(10)推向所述旋钮端块(9)凸缘时，所述旋钮端块(9)左端将嵌入所述棘轮旋钮(10)内部并压缩棘轮压紧弹簧(11)，使棘轮旋钮(10)受到反作用力推向所述棘轮环(12)。
7.根据权利要求5所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述棘轮旋钮(10)为尼龙结构，当受到挤压时能够形成椭圆形使内侧凸块彼此远离，从而将所述棘轮压紧弹簧(11)置入。
8.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，所述探头转臂组件还包括压力传感器安装块(16)、三轴力传感器(17)、探头座(18)、探头固定块(19)和手旋螺丝(20)；
所述夹臂与超声探头(21)固定连接具体如下：
所述压力传感器安装块(16)夹在所述转臂(15)的夹臂之间，压力传感器安装块(16)在远离所述转臂(15)的面设凹槽，固定安装三轴力传感器(17)；
所述探头座(18)具有U型结构，与同样具有U型结构的探头固定块(19)抱合，所述探头座(18)U型结构的底部安装在所述三轴力传感器(17)上，所述超声探头(21)夹在探头座(18)和探头固定块(19)之间，通过两个所述手旋螺丝(20)实现固定。
9.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的可调压医学超声扫查装置，其特征在于，该装置包括相机支架组件，所述相机支架组件包括相机支架(2)、Realsense相机(3)；
所述相机支架(2)固定在基座(1)上；所述相机支架(2)为L型结构，所述Realsense相机(3)固定在L型结构外侧。
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