CN113211466A - 基于惯性传感器的医用体感机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统，所述系统包括手部可穿戴设备、机器人和蓝牙模块；所述手部可穿戴设备上布置有惯性传感器，所述惯性传感器用于实时捕获使用者的手部姿态信息，并通过所述蓝牙模块传输给所述机器人；所述机器人上设置有传感器组，所述传感器组用于采集所述机器人的实时状态信息，并通过所述蓝牙模块反馈给所述手部可穿戴设备，以供使用者查看。与现有技术相比，本发明能够检测更加精细的手部动作，检测设备灵巧便携，使用低功耗蓝牙技术进行信息传输，节约了资源，并且机器人上布置的传感器组能够实时监测机器人的工作状态和异常情况等信息，并反馈给使用者，以辅助使用者更好地控制机器人，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统。
背景技术
医疗行业又是机器人近年来发展最快的应用领域之一。相较于其他应用领域，医疗领域具有自身的独特性，其诸多场景都存在危险或琐碎的工作，医护人员需要更安全、更高效的工具保障自己的人身健康安全。因此医疗领域对“高精度性”、“高可靠性”的机器人的需求始终居高不下，持续增加。
从技术背景上来讲，针对人机交互技术，国内外早有研究。例如，胡星晨、李波在2020年提出的基于Kinect的体感交互机器人(电子测量技术，2017， 40(08):139-143)，利用Kinect的骨骼追踪功能，追踪并绘制人体全身骨架信息，然后通过蓝牙接口将追踪到的人体关节角信息发送给机器人，从而使机器人模仿人的动作，实现了体感交互。
然而，现阶段体感技术的应用也存在一些不足之处。首先，已有技术中大多采用光学感测，如微软的Kinect、大疆的“晓”Spark，这些基于视觉识别的技术虽能识别人的动作，但检测设备大多不灵巧，存在体积大、结构复杂的问题，不符合线下设备越来越精简的流行趋势。其次，现有的体感技术大多是针对整个人体、大腿或手臂这些大的人体器官来进行设计，需要检测比较大的动作幅度来控制机器人完成相应的动作，对使用者不太友好。此外，在人机交互过程当中，信号采取有线的传输方式，使得机器人的控制不太灵活方便。最后，目前的技术中更多的是关注使用者对于机器人的控制，没有很好地利用机器人反馈回来的信息。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统，采用惯性传感器来代替现有的人体动作的检测方法，通过将惯性传感器布置在类似于手套的可穿戴设备上来实现手部动作检测，并采用低功耗蓝牙通信方式实现人机交互，同时通过机器人上布置的传感器来监测机器人的实时状态和异常情况等信息，并反馈给使用者，能够更好地辅助使用者控制机器人。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统，包括手部可穿戴设备、机器人和蓝牙模块；所述手部可穿戴设备上布置有惯性传感器，所述惯性传感器用于实时捕获使用者的手部姿态信息，并通过所述蓝牙模块传输给所述机器人；所述机器人上设置有传感器组，所述传感器组用于采集所述机器人的实时状态信息，并通过所述蓝牙模块反馈给所述手部可穿戴设备，以供使用者查看。
优选地，所述惯性传感器为三轴加速度计和三轴陀螺仪构成的六轴惯性传感器，所述三轴加速度计为MEMS加速度计，所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪。
优选地，所述蓝牙模块采用CC2541低功耗蓝牙模块，通过蓝牙4.0协议进行通信传输。
优选地，所述手部可穿戴设备还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于采用滑动平均滤波法对所述惯性传感器采集的初始数据进行预处理，以及采用AHRS算法对预处理后的数据进行姿态解算，得到使用者的手部姿态信息。
优选地，所述数据处理模块采用Arduino 101模块。
优选地，所述机器人上设置的传感器组包括温度传感器、湿度传感器、超声波传感器。
优选地，所述机器人包括主控模块，所述主控模块采用意法半导体ST的 STMF103芯片作为控制核心，所述芯片以ARM Cortex-M3作为内核，频率 72MHz，内部自带265KROM和48KRAM，通过外扩的Flash芯片，具有1MB 的用户程序储存空间；所述芯片同时具有16路IO输入、16路12位精度的ADC 接口、1个支持级联的CDS系列数字舵机接口以及一个蓝牙无线传输模块，同时还具有12路可配置的外部中断输入接口。
优选地，所述手部可穿戴设备为可穿戴式手套。
优选地，所述手部姿态信息包括手掌的朝向信息和手指的弯曲动作。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
(1)在检测人手部动作的设备中放弃了常用的图像处理技术而选择了惯性传感器的方法，使得能够将检测设备设计成类似手套的形式，使用者只需将它佩戴在手上，通过移动手就可以远程操纵与之配对的机器，直观方便，学习成本低。
(2)低功耗蓝牙4.0传输协议代替了有线或者其他的无线传输协议，使得整个系统变得更加的简洁方便，也使得整个设备的功耗非常低，提高了使用时间，节约了资源。
(3)以往的设计中往往只会重视使用者对机器人控制这一单向的通道的建立与优化。但本发明中的机器人能够反馈信息给使用者，使得使用者能够掌握机器人的实时状态以实现对机器人更好的控制。
(4)若将其应用于医疗领域，医护人员可以实现通过远程操纵机器对患者一些远程治疗，例如核酸检测中能够保证患者和医护人员完全隔离，大大降低医护人员在工作过程中的感染风险，大大提高医护人员的工作效率，节约医疗资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统，如图1 所示，所述系统包括手部可穿戴设备1、机器人2和蓝牙模块3；手部可穿戴设备1上布置有惯性传感器101，惯性传感器101用于实时捕获使用者的手部姿态信息，并通过蓝牙模块3传输给机器人2；机器人2上设置有传感器组201，传感器组201用于采集机器人2的实时状态信息，并通过蓝牙模块3反馈给手部可穿戴设备1，以供使用者查看。
本发明实施例中，通过布置在手部可穿戴设备1上的惯性传感器101来实时监测医护人员的手部姿态的变化，之后将获取的手部姿态信息通过低功耗无线蓝牙传输协议发送给机器人2，机器人2根据接收到的数据进行相应的动作。此外，机器人2上设置有传感器组201，能够将自身的实时状态和突发状况等信息反馈给使用者，使医用体感机器人可以更好地配合使用者，应对突发情况，适应不同需求，提高用户体验。
本发明实施例中，手部可穿戴设备1可以是可穿戴式手套等设备，所述手部姿态信息包括手掌的朝向信息和手指的弯曲动作等信息。与现有技术只能检测人体手臂或大腿等大型器官以及大幅度动作相比，本发明能够检测到更加细微的手指动作，提高检测精确度，具有更广泛的应用前景。
进一步地，惯性传感器101为三轴加速度计和三轴陀螺仪构成的六轴惯性传感器，所述三轴加速度计为MEMS加速度计，所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪。相较于传统加速度计和传统陀螺仪，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪将传感器和周边电路高度集成，具有体积小、重量轻、功耗低的优点，成本也相对低廉，但却具有较高的可靠性，性价比远超传统加速度计和传统陀螺仪。当三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成六轴惯性传感器后，可以测量出载体的角度、速度和位移等主要参数。
进一步地，蓝牙模块3采用CC2541低功耗蓝牙模块，通过蓝牙4.0协议进行通信传输。近几十年来物联网技术正不断发展，无线通信技术在各方面要求不断提高的前提下也发展到了一个较高的层次。相较于有线通信，无线通信更加灵活，性价比也更高。其中，蓝牙于2010年制定了4.0规范协议，低功耗蓝牙是其中的核心规范，这使得低功耗蓝牙相比于之前连接更加快速、待机功耗更低、峰值功率更低。
进一步地，手部可穿戴设备1还包括数据处理模块102，数据处理模块102 用于采用滑动平均滤波法对惯性传感器101采集的初始数据进行预处理，以及采用AHRS算法对预处理后的数据进行姿态解算，得到使用者的手部姿态信息。
对于惯性传感器101采集的初始数据，我们并不能够直接使用，因为在整个测量过程中，传感器会因为各种各样的原因产生误差。这些误差如果不加处理直接带入进行姿态解算将会使解算结果与实际产生偏差，因此需要对惯性传感器101直接采集的数据进行一个预处理。本发明采用的是滑动平均滤波法，这种算法易于实现且平滑度高。
对于姿态解算，本发明选取的是AHRS算法，这是一种更为简单的姿态解算方法，它由英国Bristol大学的Ph.D SebastianMadgwick提出，是一种基于多轴惯性传感器的姿态解算算法，能够通过惯性传感器的原始数据进行数据融合处理，解算出当前的空间姿态。为方便计算大多使用四元数法进行姿态解算，最后再将四元数换算成姿态角来输出。
本发明实施例中，数据处理模块102采用Arduino 101模块。Arduino 101 模块能够对采集的数据进行预处理并完成姿态解算，之后将获得的手部姿态信息通过蓝牙模块3发送出去。
进一步地，机器人2上设置的传感器组201包括温度传感器、湿度传感器、超声波传感器等一系列传感器，能够实时感知机器人2当前的工作状态及任何的突发状况。
进一步地，机器人2包括主控模块202，主控模块202采用意法半导体ST 的STMF103芯片作为控制核心，所述芯片以ARM Cortex-M3作为内核，频率可达72MHz，内部自带265KROM和48KRAM，通过外扩的Flash芯片，具有 1MB的用户程序储存空间；所述芯片同时具有16路IO输入、16路12位精度的ADC接口、1个支持级联的CDS系列数字舵机接口以及一个蓝牙无线传输模块，同时还具有12路可配置的外部中断输入接口，能够满足机器人2的控制需求。
综上所述，本发明提供的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，首先在类似于手套的手部可穿戴设备1上布置惯性传感器101，通过惯性传感,101来实现捕获使用者的手部姿态信息，例如手掌的朝向信息、手指的弯曲动作等。这里由于捕获到的初始数据存在误差不能直接使用，需要数据处理模块102对初始数据进行预处理和姿态解算，之后将获得的手部姿态信息通过蓝牙模块3传输给机器人2，机器人2的主控模块202根据所述手部姿态信息控制机器人2作出相应的动作。此外，机器人2上布置有包括温度传感器、湿度传感器、超声波传感器等在内的传感器组201，以实时监测机器人的工作状态和异常情况，并通过蓝牙模块3反馈给使用者，以帮助使用者实现更好的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下四个方面的优势：轻量化的人手部动作检测设备；低功耗蓝牙无线通信协议；机器人反馈信息的利用和在医疗过程中能够更好的保护医护人员；提高工作效率。
具体地，本发明能够带来以下有益效果：
(1)在检测人手部动作的设备中放弃了常用的图像处理技术而选择了惯性传感器的方法，使得能够将检测设备设计成类似手套的形式，使用者只需将它佩戴在手上，通过移动手就可以远程操纵与之配对的机器，直观方便，学习成本低。
(2)低功耗蓝牙4.0传输协议代替了有线或者其他的无线传输协议，使得整个系统变得更加的简洁方便，也使得整个设备的功耗非常低，提高了使用时间，节约了资源。
(3)以往的设计中往往只会重视使用者对机器人控制这一单向的通道的建立与优化。但本发明中的机器人能够反馈信息给使用者，使得使用者能够掌握机器人的实时状态以实现对机器人更好的控制。
(4)若将其应用于医疗领域，医护人员可以实现通过远程操纵机器对患者一些远程治疗，例如核酸检测中能够保证患者和医护人员完全隔离，大大降低医护人员在工作过程中的感染风险，大大提高医护人员的工作效率，节约医疗资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，包括手部可穿戴设备、机器人和蓝牙模块；所述手部可穿戴设备上布置有惯性传感器，所述惯性传感器用于实时捕获使用者的手部姿态信息，并通过所述蓝牙模块传输给所述机器人；所述机器人上设置有传感器组，所述传感器组用于采集所述机器人的实时状态信息，并通过所述蓝牙模块反馈给所述手部可穿戴设备，以供使用者查看。
2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述惯性传感器为三轴加速度计和三轴陀螺仪构成的六轴惯性传感器，所述三轴加速度计为MEMS加速度计，所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述蓝牙模块采用CC2541低功耗蓝牙模块，通过蓝牙4.0协议进行通信传输。
4.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述手部可穿戴设备还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于采用滑动平均滤波法对所述惯性传感器采集的初始数据进行预处理，以及采用AHRS算法对预处理后的数据进行姿态解算，得到使用者的手部姿态信息。
5.根据权利要求4所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述数据处理模块采用Arduino 101模块。
6.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述机器人上设置的传感器组包括温度传感器、湿度传感器、超声波传感器。
7.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述机器人包括主控模块，所述主控模块采用意法半导体ST的STMF103芯片作为控制核心，所述芯片以ARM Cortex-M3作为内核，频率72MHz，内部自带265KROM和48KRAM，通过外扩的Flash芯片，具有1MB的用户程序储存空间；所述芯片同时具有16路IO输入、16路12位精度的ADC接口、1个支持级联的CDS系列数字舵机接口以及一个蓝牙无线传输模块，同时还具有12路可配置的外部中断输入接口。
8.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述手部可穿戴设备为可穿戴式手套。
9.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的医用体感机器人系统，其特征在于，所述手部姿态信息包括手掌的朝向信息和手指的弯曲动作。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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