CN112297035B - 一种用于b超机器人的六维操控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于B超机器人的六维操控装置，属于机器人技术领域。本发明用于B超机器人的六维操控装置包括控制笔和控制箱两大部分，所述控制笔由医生手持并在控制箱的面板上滑动，能够检测并传输笔的姿态信息，所述控制箱能够获取并传输其与笔尖接触点的位置信号和压力信号。本发明提的六维操控装置，可以对机器人的六个主动自由度进行操控，且其具有操作难度小、低成本、可控性好的特点。

Description

一种用于B超机器人的六维操控装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种操控装置，具体涉及一种用于B超机器人的六维操控装置。

背景技术

近年来，机器人在工业、农业、服务业迅速发展，同时在医疗领域也已得到推广应用。随着机器人控制技术的不断发展，机器人的操控方式逐渐不局限于操作面板、操作手柄，并向着控制更多自由度的方向发展。在医疗领域，医疗机器人对操控的安全性、准确度、灵活度的要求非常高，例如医疗服务机器人、穿刺机器人、B超机器人、血管介入机器人等，而现有的操控方式大多只适合于操控三自由度机器人，对于多自由度机器人的控制方式十分匮乏，大大限制了医疗机器人的发展。

近年来出现的3D鼠标、Force Dimension力反馈装置等设备，虽然可以输出六维控制信息，但存在操作难度大、成本高等问题，使用者不经过培训难以熟练掌握控制方法。

发明内容

鉴于上述现有的六维操控装置的不足，本发明的目的在于提供一种用于B超机器人的六维操控装置，其具有易操作、低成本、可控性好的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于B超机器人的六维操控装置，用于操控B超机器人的六自由度机械臂的运动，其包括控制笔和控制箱两大部分，所述控制笔由医生手持并在控制箱的面板上滑动，能够检测并传输笔的姿态信息，所述控制箱能够获取并传输其与控制笔接触点的位置信号和压力信号。

进一步地，所述控制笔包括含内部打印组件的笔体外壳、激光发射模块、IMU模块、自复位按钮开关。所述笔体外壳能够封装控制笔的内部元器件及线路，所述激光发射模块用于标定控制笔和控制箱的接触位置，所述IMU模块能够获取控制笔的姿态信息，所述自复位按钮开关用于控制机械臂末端在工具坐标系Z轴方向的移动。更进一步地，所述控制笔还包括尼龙万向球和螺丝螺母连接件；所述尼龙万向球用于减小控制笔在控制箱上滑动时的摩擦阻力，所述螺丝螺母连接件用于控制笔各个元器件的连接固定。进一步地，所述控制笔设计成贴合手掌的曲面形状。

进一步地，所述控制箱分为内箱体和外箱体两部分，内箱体可在外箱体中上下弹性滑动，内箱体中部安装有鱼眼相机，内箱体底部和外箱体底部之间安装有压力传感器；所述压力传感器能检测到控制笔按压在控制箱上的压力并控制控制笔打开激光发射模块；所述鱼眼相机能采集控制笔在控制箱上的位置信息并输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号；所述压力传感器还可以输出机械臂沿Z轴的移动信号。

进一步地，所述激光发射模块在工作时，会发射红色激光，激光照射在控制箱表面产生一个亮斑，控制箱中的鱼眼相机通过对图像进行处理可以得到相机视野中的亮斑位置信息。移动控制笔，亮斑在控制箱表面的移动信息由鱼眼相机传输到机械臂，控制机械臂水平面内沿X轴和Y轴的移动。

进一步地，所述IMU模块安装在控制笔顶部，用于检测控制笔的姿态角信息，所述姿态角包括绕X轴、绕Y轴和绕Z轴的姿态角，IMU模块检测得到的三轴姿态角信息发送到六自由度机械臂，建立起从控制笔到机械臂末端的姿态映射。

进一步地，所述IMU模块每次的初始位姿是固定的，即可使IMU模块初始化的坐标系和机械臂自身坐标系建立起固定的映射关系，所以控制笔对于机械臂的姿态控制是绝对映射的关系。

进一步地，所述控制箱包括硅胶层、透明亚克力板、鱼眼相机、压缩弹簧、弹簧限位槽、滑轨滑块模组、压力传感器、内箱体和外箱体。所述内箱体、外箱体均无上盖。所述鱼眼相机安装在内箱体中部，所述透明亚克力板盖在内箱体上，所述硅胶层平铺在透明亚克力板上。

进一步地，所述硅胶层、透明亚克力板、鱼眼相机和内箱体构成控制箱内部活动部分，内箱体和外箱体在侧壁上通过所述滑轨滑块模组连接，滑轨固定在外箱体内侧，滑块固定在内箱体内侧，以内箱体为主的活动部分可以沿着滑轨上下滑动。

进一步地，所述弹簧限位槽固定在外箱体内壁上，所述弹簧放置在弹簧限位槽内，内箱体的外壁上设计有对应于弹簧限位槽的凸缘部分，内箱体下滑时，凸缘部分会压缩弹簧限位槽内的压缩弹簧，从而使内箱体下滑时产生阻尼作用。

进一步地，所述压力传感器安装在内箱体底部和外箱体底部之间。

进一步地，所述六维操控装置闲置状态时，由于压缩弹簧的阻尼作用，以内箱体为主的活动部分下滑到一定位置即会悬停，通过选择合适的压缩弹簧，内箱体对压力传感器的压力保持在一个比较小的值。使用时，医生手握控制笔按压在硅胶层上，医生对硅胶层的压力大小会被压力传感器检测到。

进一步地，只有当压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿X轴、Y轴移动的阈值一时，激光发射模块才会打开，此时控制箱内部的鱼眼相机会检测到亮斑并输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号。当控制笔从硅胶层上移开时，压力小于阈值一，激光发射模块关闭并停止输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号。

进一步地，当压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿Z轴移动的阈值二时，会输出机械臂沿Z轴的移动信号，具体地，是沿Z轴并向着靠近病人方向移动，直至机械臂末端的力矩传感器检测到B超探头与人体皮肤接触力达到系统预设最大值时停止移动，此时如果再加大控制笔按压硅胶层的力，机械臂也不会再移动。

进一步地，所述自复位按钮开关位于控制笔中部偏下位置，当按钮被手指按下，并且手指始终保持按下按钮的状态时，控制笔会持续输出机械臂沿Z轴移动的信号，具体地，是沿Z轴并向着远离病人方向移动。当手指移开时，按钮会自动复位，此时机械臂则会停止移动。

进一步地，若压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿Z轴移动的阈值二时，同时按下自复位按钮开关，此时则不会输出Z轴移动信号，机械臂在Z轴方向不会移动。

进一步地，所述激光发射模块、IMU模块和笔体外壳三者的中心轴线共线。

进一步地，IMU模块、自复位按钮开关、激光发射模块、鱼眼相机和压力传感器分别通过数据线连接到工控机上，各部件(传感器、模块或元器件)由工控机供电，采集的信息通过数据线发送到工控机，工控机的指令也通过数据线发送到各部件。例如，当压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿X轴、Y轴移动的阈值一时，压力传感器将压力信息发到工控机，工控机控制打开激光发射模块，鱼眼相机检测到激光发射模块发射的激光产生的亮斑信息，鱼眼相机将亮斑移动信息发到工控机，工控机输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号控制机械臂移动。

进一步地，工控机的电源接口连接220v外接电源，通过数据线连接六维操控装置的各部件，工控机使用引线连接机械臂，工控机通过引线给机械臂供电并传输控制指令。

本发明的有益效果是：

1、利用IMU姿态传感器建立操作手柄(控制笔)到机械臂末端的绝对映射关系，使机械臂的姿态控制更加直观、简易。

2、利用压缩弹簧提供的阻尼作用，使医生对机械臂Z轴的运动控制具有更好的交互体验。

3、控制笔设计成贴合手掌的曲面形状，易于握持，增加了操作的舒适度。

4、利用成熟稳定的通用传感器获取了多种控制信号，使得整套装置可靠性更高，成本相对较低，并且损耗部件容易更换。对比摇杆、3D鼠标等传统操作方式，控制笔舒适的握持操作过程更符合医生的使用习惯。同时，控制箱表面采用类似于人体皮肤触感的硅胶材料，使整个操作过程更贴近于真实的人体触碰过程。

附图说明

图1是本发明所述六维操控装置的整体外形图；

图2是本发明所述六维操控装置的结构剖视图；

图3是本发明所述六维操控装置的控制笔的零件爆炸示意图；

图4是本发明所述六维操控装置的控制箱的零件爆炸示意图；

图5是本发明所述六维操控装置的控制箱的工作原理图；

图6是本发明所述六维操控装置的使用情景示意图；

其中，1-控制笔，2-控制箱，3-操作台，11-IMU模块，12-笔体外壳，13-自复位按钮开关，14-激光发射模块，15-尼龙万向球，121-IMU密封盖，122-笔体外壳左部分，123-笔体外壳右部分，124-激光模块锁紧盖，125-中心连接体；21-硅胶层，22-亚克力板，23-压缩弹簧，24-弹簧限位件，25-滑块，26-滑轨，27-内箱体，28-外箱体，29-鱼眼相机，30-压力传感器；

图2、4中鱼眼相机29上方所示为相机视野。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案更加清晰明了，下面结合附图和实施例，对本发明提供的一种用于B超机器人的六维操控装置进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

一种用于B超机器人的六维操控装置，其整体外形图如图1所示，包括控制笔1和控制箱2两大部分。

如图2和3所示，控制笔1包括IMU模块11、含内部打印组件的笔体外壳12、自复位按钮开关13、激光发射模块14、两个尼龙万向球15和螺丝螺母连接件，还包括IMU密封盖121、激光模块锁紧盖124、中心连接体125。

笔体外壳12分为笔体外壳左部分122和笔体外壳右部分123。

IMU模块11安装在笔体外壳12顶部，IMU密封盖121从上方盖住IMU模块11，避免IMU模块11在使用过程中碰撞损坏。

自复位按钮开关13使用扁螺母安装在笔体外壳12侧壁上，自复位按钮开关13的引脚接线从笔体外壳12内部引至顶部出线口，最后连接上主控制器。

中心连接体125中部设有柱形槽，激光发射模块14安装在柱形槽中，上方用激光模块锁紧盖124盖住卡死，激光模块锁紧盖124和中心连接体125用螺丝连接固定。中心连接体125设有两个用于安装尼龙万向球15的安装孔，尼龙万向球15通过安装孔安装在中心连接体125上。中心连接体125安装在笔体外壳12底部。

如图2和4所示，控制箱2包括硅胶层21、透明亚克力板22、压缩弹簧23、弹簧限位槽24、滑块25、滑轨26、内箱体27、外箱体28、鱼眼相机29、压力传感器30。

内箱体27和外箱体28均无上盖。

内箱体27底板中部设有用于安装鱼眼相机29的安装孔，鱼眼相机29通过安装孔安装在内箱体27中，透明亚克力板22盖在内箱体27上，硅胶层21平铺在透明亚克力板22上。

外箱体28内壁中部固定有滑轨26，内箱体27外壁中部固定有与滑轨26匹配的滑块25，内箱体27和外箱体28在侧壁上通过所述滑轨滑块模组连接。硅胶层21、透明亚克力板22、鱼眼相机29和内箱体27构成控制箱2的内部活动部分，可以沿着外箱体28内壁上的滑轨26上下滑动。

外箱体28内壁两侧上部固定有弹簧限位槽24，压缩弹簧23放置在弹簧限位槽24内，内箱体27外壁上设有对应于弹簧限位槽24的凸缘部分。内箱体27下滑时，凸缘部分会压缩弹簧限位槽24内的压缩弹簧23，从而使内箱体27下滑时产生阻尼作用。压力传感器30安装在内箱体27底部和外箱体28底部之间。

IMU模块11、自复位按钮开关13、激光发射模块14、鱼眼相机29和压力传感器30分别通过数据线连接到工控机上，各部件(传感器、模块或元器件)由工控机供电，采集的信息通过数据线发送到工控机，工控机的指令也通过数据线发送到各部件。例如，当自复位按钮开关13没有被按下时，一直给工控机发送低电平信号，当自复位按钮开关13被按下时，会给工控机发送高电平信号。

工控机的电源接口连接220v外接电源，通过数据线连接六维操控装置的各部件，工控机使用专用引线连接机械臂，专用引线由机械臂生产厂商提供，工控机通过专用引线给机械臂供电并传输控制指令。

所述的用于B超机器人的六维操控装置安装过程为：

安装控制笔1：将两个尼龙万向球15安装到中心连接体125上；将激光发射模块14安装在中心连接体125的柱形槽中，用激光模块锁紧盖124盖住，拧上螺丝；将自复位按钮开关13、安装有激光发射模块14与尼龙万向球15的中心连接体125和IMU模块11通过笔体外壳12上的内部打印组件进行封装，盖上IMU密封盖121，再通过螺丝螺母固定。

安装控制箱2：先把鱼眼相机29安装在内箱体27底部的安装孔上，把滑块25安装在内箱体27外壁上，然后把压力传感器30安装在外箱体28的底部，把滑轨26和弹簧限位槽24安装在外箱体28的内壁上，把压缩弹簧23放置于弹簧限位槽24内，然后把内箱体27上的滑块25对准外箱体28的滑轨26缓慢安装上去，最终内箱体27会嵌入到外箱体28内部。最后在内箱体27上盖上亚克力板22，在亚克力板22上铺上硅胶层21。相关安装方式可以为通过螺母安装。

安装的过程中，同时通过数据线将相应部件连接到工控机上。

所述的用于B超机器人的六维操控装置的工作原理图如图5所示。装置接通电源后，IMU模块11、压力传感器30和自复位按钮开关13立刻处于工作状态，只有当压力传感器30检测到的压力值超过设定阈值一时，才会打开激光发射模块14发射红外激光，红外光线照射在硅胶层21上形成的红色光斑被鱼眼相机29识别，进而检测到控制笔1的移动信号，最终装置获得的控制笔1的姿态以及位移信息会发送到工控机，由工控机处理之后转换为机械臂的运动指令并发送到机械臂，从而实现医生控制机械臂在病人身体上进行B超诊断。

使用所述的用于B超机器人的六维操控装置时，医生手持握控制笔1中部偏下位置，大拇指放在自复位按钮开关13附近，IMU模块11在手掌上方，控制笔1底部的尼龙万向球15和硅胶层21接触。硅胶层21和压缩弹簧23在医生向下按压时都会有阻尼作用，控制箱2内的压力传感器30会实时监测医生的按压力的大小并输出到控制系统。

所述的用于B超机器人的六维操控装置使用方便，具有操作真实感。控制笔1移动时尼龙万向球15在硅胶层21上滚动，有助于减小摩擦力，使医生使用时更加方便。医生手握控制笔1在控制箱2的硅胶层21上向下按压并移动，硅胶层21会有一定的弹性变形，给医生一种按压到人体皮肤的感觉，增强医生的操作真实感。

所述的用于B超机器人的六维操控装置的使用情景示意图如图6所示，控制箱2被放置在操作台3凹槽中，使控制箱2上的硅胶层21和操作台3的表面刚好在同一平面，医生坐在操作台一侧，手持控制笔1在硅胶层21上对控制笔1进行姿态和位置的调整，即可控制机械臂做出相应的诊断动作。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于B超机器人的六维操控装置，用于操控B超机器人的六自由度机械臂的运动，其特征在于：包括控制笔和控制箱两大部分，所述控制笔在控制箱的面板上滑动，能够检测并传输笔的姿态信息，所述控制箱能够获取并传输其与控制笔接触点的位置信号和压力信号；

所述控制笔包括含内部打印组件的笔体外壳、激光发射模块、IMU模块、自复位按钮开关；所述笔体外壳能够封装控制笔的内部元器件及线路，所述激光发射模块用于标定控制笔和控制箱的接触位置，所述IMU模块能够获取控制笔的姿态信息，所述自复位按钮开关用于控制机械臂末端在工具坐标系Z轴方向的移动；

所述控制箱分为内箱体和外箱体两部分，内箱体可在外箱体中上下弹性滑动，内箱体中部安装有鱼眼相机，内箱体底部和外箱体底部之间安装有压力传感器；所述压力传感器能检测到控制笔按压在控制箱上的压力并控制控制笔打开激光发射模块；所述鱼眼相机能采集控制笔在控制箱上的位置信息并输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号；所述压力传感器还可以输出机械臂沿Z轴的移动信号；

所述控制箱包括硅胶层、透明亚克力板、鱼眼相机、压缩弹簧、弹簧限位槽、滑轨滑块模组、压力传感器、内箱体和外箱体；

所述内箱体、外箱体均无上盖；

所述鱼眼相机安装在内箱体中部，所述透明亚克力板盖在内箱体上，所述硅胶层平铺在透明亚克力板上；

所述硅胶层、透明亚克力板、鱼眼相机和内箱体构成控制箱内部活动部分，内箱体和外箱体在侧壁上通过所述滑轨滑块模组连接，滑轨固定在外箱体内侧，滑块固定在内箱体外侧，以内箱体为主的活动部分可以沿着滑轨上下滑动；

所述弹簧限位槽固定在外箱体内壁上，所述弹簧放置在弹簧限位槽内，内箱体的外壁上设计有对应于弹簧限位槽的凸缘部分，内箱体下滑时，凸缘部分会压缩弹簧限位槽内的压缩弹簧，从而使内箱体下滑时产生阻尼作用；

所述压力传感器安装在内箱体底部和外箱体底部之间。

2.如权利要求1所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：所述激光发射模块在工作时，会发射红色激光，激光照射在控制箱表面产生一个亮斑，控制箱中的鱼眼相机通过对图像进行处理可以得到相机视野中的亮斑位置信息；移动控制笔，亮斑在控制箱表面的移动信息由鱼眼相机传输到机械臂，控制机械臂水平面内沿X轴和Y轴的移动。

3.如权利要求1所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：所述IMU模块安装在控制笔顶部，用于检测控制笔的姿态角信息，所述姿态角包括绕X轴、绕Y轴和绕Z轴的姿态角，IMU模块检测得到的三轴姿态角信息发送到六自由度机械臂，建立起从控制笔到机械臂末端的姿态映射。

4.如权利要求1所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：所述控制笔的激光发射模块、IMU模块和笔体外壳三者的中心轴线共线；

所述控制笔还包括尼龙万向球和螺丝螺母连接件；所述尼龙万向球用于减小控制笔在控制箱上滑动时的摩擦阻力，所述螺丝螺母连接件用于控制笔各个元器件的连接固定；优选的，所述控制笔设计成贴合手掌的曲面形状。

5.如权利要求3所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：所述IMU模块每次的初始位姿是固定的，可使IMU模块初始化的坐标系和机械臂自身坐标系建立起固定的映射关系。

6.如权利要求1所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：六维操控装置闲置状态时，由于压缩弹簧的阻尼作用，以内箱体为主的活动部分下滑到一定位置即会悬停，控制笔按压在硅胶层上，硅胶层的压力大小会被压力传感器检测到。

7.如权利要求6所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：当压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿X轴、Y轴移动的阈值一时，激光发射模块会被打开，此时控制箱内部的鱼眼相机才会检测到亮斑并输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号；当控制笔从硅胶层上移开时，压力小于阈值一，激光发射模块关闭并停止输出机械臂沿X轴、Y轴的移动信号；

当压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿Z轴移动的阈值二时，会输出机械臂沿Z轴靠近病人方向移动的信号，直至机械臂末端的力矩传感器检测到B超探头与人体皮肤接触力达到系统预设最大值时停止移动。

8.如权利要求1所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：所述自复位按钮开关位于控制笔中部偏下位置，当按钮被手指按下，并且手指始终保持按下按钮的状态时，控制笔会持续输出机械臂沿Z轴远离病人方向移动的信号；当手指移开时，按钮会自动复位，此时机械臂则会停止移动。

9.如权利要求6所述的用于B超机器人的六维操控装置，其特征在于：若压力传感器检测到控制笔按压在硅胶层上的压力超过设置的控制机械臂沿Z轴移动的阈值二时，同时按下自复位按钮开关，则不会输出Z轴移动信号，机械臂在Z轴方向不会移动。

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