CN113598815A - 一种用于远程超声诊断的末端装置及主从控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于远程超声诊断的末端装置及主从控制方法，末端装置包括静平台、柔性支链、动平台以及驱动装置，静平台用于安装在移动载体上，静平台上旋转对称设有三个驱动装置，每一个驱动装置都与一条柔性支链上端相连，所述三条柔性支链下端的自由端均与动平台活动连接，构成一个三自由度并联机构，通过驱动装置和三条柔性支链的协调作用下，所述动平台能模拟医生在进行超声诊断时手腕的动作，所述动平台上还设有用于安装超声探头的安全装置，通过所述安全装置还能保护探头与患者之间接触力不会过大。本发明还提供了一种远程超声诊断系统的主从控制方法，通过医师操作台与仿形手柄的设计，能最大程度还原医师超声诊断时的操作习惯。

Description

一种用于远程超声诊断的末端装置及主从控制方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种超声诊断装置，具体涉及一种用于远程超声诊断的末端装置及主从控制方法。

背景技术

在常规的超声检测中，通常都需要超声医师手持超声探头，将探头放置于患者身体的监测区域，然后在该区域内改变探头的位置，通过电脑上显示的影像定位患者需检测的器官。在检测过程中，需要保持与患者体表的良好接触，保证超声探头以一定的角度在患者体表运动，同时，为了获得优质的超声影像，还需要保证超声探头与患者皮肤间有一定的接触力，但为了避免伤害到患者，该力不能过大。因此，对于用于检测的超声机器人末端，有如下的要求：首先，能够快捷地在监测区域移动，便于探查器官的位置；其次，需要能够在一定角度范围内灵活改动探头的角度，以获取目标脏器完整的超声影像；最后，还需要对探头与患者皮肤的接触力进行限制，保证其在安全的力的范围能拥有良好的稳定性，而在超过安全力后，能迅速减小探头与患者皮肤的接触力，从而避免对患者造成伤害。

传统的超声机器人手腕多直接固定在机械臂末端，灵活度较低，且机械臂较为昂贵，占用空间大，无法在许多位置，如狭小的救护车、偏远地区配置；部分采用串联式末端，运动部分质量大，惯性较大，误差累积较大，部分结构受力不均匀；部分末端手腕采取被动柔性，在检查时不便于调整至所需角度。因此，需要一种并联主动的超声机器人末端手腕以更有效地完成检测。

随着计算机通讯技术的发展，远程控制超声机器人进行超声诊断技术逐渐成为计算机医学影像技术和自动化检测技术的重要领域。超声机器人诊断通过医师对超声机器人进行实时的操作，并实时返回图像等信息，达到远程控制超声机器人进行检测的目的。使用远程控制超声机器人进行超声诊断的好处在于：使超声医师无需亲临患者所在处即可完成检测，充分发挥经验丰富的专业超声医师作用，减少医疗资源不均的现象；医师通过遥操作手柄对超声探头进行控制，姿势轻松，能很好地避免长期工作带来的劳损；很好地分隔患者和医师，减少了潜在的传染疾病的风险。但是，在远程控制过程中，医师往往需要使用和自己的习惯及经验不同的操作方式，如使用控制板、游戏手柄等，这就使医师的诊断经验无法得到充分利用，熟练掌握这些装置需要大量的学习成本，因此，设计一种更加符合医师操作习惯控制方法，如主从控制，成为当下研究的热点。

发明内容

本发明的主要目的是希望提供一种采用并联结构的远程超声诊断机器人的末端装置，来解决现有的串联式末端装置，运动部分质量大，惯性较大，误差累积较大以及部分结构受力不均匀的技术问题；并且还希望通过提供一种远程超声诊断的主从控制方法，使得超声医师能以自己习惯的方式对该末端手腕进行控制。

本发明是这样实现的：

一种用于远程超声诊断的末端装置，其特征在于：包括静平台、柔性支链、动平台以及驱动装置，所述静平台用于安装在移动载体上，所述静平台上旋转对称设有三个伺服电机作为驱动装置，每一个驱动装置都与一条柔性支链上端相连，三条柔性支链下端的自由端均与所述动平台活动连接，从而一起构成了一个两转一移三自由度并联机构，通过驱动装置和三条柔性支链的协调作用下，能使所述动平台模拟医生进行超声诊断时手腕的动作，所述动平台末端还设有用于安装超声探头的安全装置，通过所述安全装置还能保护探头与患者之间接触力不会过大。

优选的，每一条所述的柔性支链都包括有上连杆、下连杆和四个关节，所述上连杆的内端与伺服电机的输出轴相连构成第一关节，上连杆的外端与下连杆的上端通过第二关节相连；第四关节为虎克铰，所述虎克铰包括第一支座、第二支座、第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴在端部固定在一起形成相互垂直的直角形，第一转轴可自由转动的安装在第一支座内，第二转轴可自由转动的安装在第二支座内，所述第一支座外端通过第三关节与下连杆的下端相连，第二支座下端固定在动平台上；第一关节、第二关节和第三关节为转动副，且三个关节的转动轴相互平行；第二转轴的轴线垂直于动平台所在平面；第一转轴和第三关节的转动轴均平行于动平台所在平面，且两者相互垂直，使得第一转轴、第二转轴和第三关节的转轴两两相互垂直。

优选的，所述安全装置包括有基座和探头夹持装置，所述基座为一个安装在所述动动平台上的凹型块，所述基座内设有能快速拆卸的探头夹持装置，所述探头夹持装置包括两个对称设置的夹持滑块，超声探头则被可拆卸紧固夹持在两个夹持滑块中间。

优选的，所述基座的两内侧面对称设置有一对导轨，所述夹持滑块上设有与所述导轨位置相对应导轨槽，所述夹持滑块通过导轨和导轨槽滑动安装在所述基座上。

优选的，所述夹持滑块的夹持面为弧形且采用柔性材料制成的弧形，两个夹持滑块之间通过螺栓固定相连，能够对不同大小和型号的超声探头进行夹持。

优选的，所述夹持滑块上还设置有斜槽，所述基座上也设有与所述斜槽位置相对应顶珠孔和弹簧，所述弹簧上还连接有顶珠，弹簧一端与顶珠孔底部固连，一端与球状顶珠固连，顶珠的初始位置高于顶珠孔表面。

本发明还提供了一种远程超声诊断系统，包括主控端、从动端和上位机，所述主控端包括操作台和仿形手柄，所述从动端包括携带上述末端装置的移动载体；其中，所述操作台包括外箱和内箱，外箱和内箱之间采用弹簧悬置并安装有压力传感器，外箱上表面铺有模仿人体皮肤触感的硅胶层；所述仿形手柄外形被制作成类似于超声探头的形状，保证医师在握持时能够拥有与常规超声检测相似的手感，同时所述仿形手柄上设有能获取其姿态信息的IMU模块，通过IMU模块能获取所述仿形手柄的姿态信息。在所述末端装置和上述硬件设备的基础上。

所述的一种远程超声诊断系统的主从控制方法的具体步骤为：步骤一：医师将仿形手柄按压在操作台上，根据所述操作台上压力传感器采集到的压力信号，判断进入工作状态；步骤二：IMU开始采集仿形手柄的姿态信息，并在上位机中转为从动端中动平台的姿态信息；步骤三：通过从动端逆运动学能将从动端中动平台的姿态转换为驱动装置的转动角度；步骤四：上位机发出相应的信号控制对应的驱动装置转动一定角度，从而完成主从控制过程。

本发明有益效果是：本发明提供的这种用于远程超声诊断的末端装置采用的是并联机构，这种结构微动精度高，运动负荷小，不仅能够完成超声诊断所需常规末端手腕运动，并且本发明还提供了一种用于远程超声诊断机器人的主从控制方法，能使得超声医师直接以自己习惯的方式对该末端手腕进行控制，无需付出额外的学习成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于远程超声诊断的末端装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于远程超声诊断的末端装置中安全装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于远程超声诊断的末端装置中安全装置的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于远程超声诊断的末端装置中顶珠顶入斜槽时的工作原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种用于远程超声诊断的末端装置中顶珠被压进顶珠孔时的工作原理示意图。

图中：1-静平台，2-横梁，3-驱动装置，4-上连杆，5-下连杆，6-第一关节，7-第二关节，8-第三关节，9-第四关节，91-第一支座，92-第二支座，93-第一转轴，94-第二转轴，10-动平台，11-基座，12-夹持滑块，13-夹持面，14-夹持孔，15-紧固螺栓，16-导轨，17-导轨槽，18-超声探头，19-斜槽，20-顶珠，21-凹槽底面，22-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种用于远程超声诊断的末端装置，采用的是一种三自由度并联机构，如图1所示，所述的末端装置包括有静平台1、柔性支链、动平台10、驱动装置3以及安全装置，所述静平台1上设有安装孔位，通过所述安装孔位可以将所述末端装置安装到机械臂、龙门等常见移动装置的移动载体上，所述静平台1上以120°均匀分布设有三个横梁2，所述每一个横梁2上都安装有一个驱动装置3，在本实施例中，所述驱动装置3采用的是伺服电机，通过螺栓固定安装在所述横梁2上；每一个伺服电机都与一条柔性支链相连，所述三条柔性支链下部的自由端同时与所述动平台10活动连接，具体的，所述每条柔性支链包括上下两个连杆和四个关节，所述上连杆4的内端直接固定在伺服电机的输出轴上，构成第一关节6，上连杆4和下连杆5之间通过第二关节7进行连接，所述下连杆5的通过第三关节8与第四关节9的一端相连，所述第四关节9的另一端则与动平台10连接，其中，所述的第一关节6、第二关节7和第三关节8为转动副，三个关节的转动轴相互平行，且与动平台10且互相平行，所述的第四关节9采用的是虎克铰，所述虎克铰包括第一支座91、第二支座92、第一转轴93和第二转轴94，第一转轴93和第二转轴94在端部固定在一起形成相互垂直的直角形，第一转轴93通过转动副(或轴承)安装在第一支座91内，第二转轴94通过转动副(或轴承)安装在第二支座92内，所述第一支座91外端通过第三关节8与下连杆5相连，第二支座92下端固定在动平台10上，并且第二转轴94的轴线垂直于动平台10所在平面，也就是说第一转轴93、第二转轴94和第三关节8的转轴两两相互垂直；第一转轴93的轴线平行于动平台10所在平面，且与第三关节8的转动轴垂直。通过伺服电机能驱动所述上连杆4进行摆动，在三条柔性支链的协调作用下，能使动平台10实现上下方向移动，俯仰转动及摆动转动三种运动方式，刚好可以模拟医生在进行超声诊断时手腕的动作。

如图2和图3所示，所述动平台10末端设有安全装置，所述安全装置用于安装超声探头18，所述安全装置包括有基座11和探头夹持装置，具体的，所述基座11为一个凹型块，所述基座11的凹槽底面21上设有螺纹孔，通过螺栓能将所述基座11安装到所述动平台10上，所述基座11的凹槽内部用于安装探头夹持装置；所述探头夹持装置用于对超声探头18进行夹持固定，包括有两个对称设置的夹持滑块12，所述夹持滑块12的夹持面13是采用柔性材料制成的弧形，从而能够对不同大小和型号的超声探头18进行夹持；为了方便对超声探头18进行更换，所述两个夹持滑块12上还对称开设有夹持孔14，将所述超声探头18放置到两个夹持滑块12中间后通过在所述夹持孔14中设置紧固螺栓15就能将所述超声探头18紧紧夹持固定住；当所述超声探头18被所述夹持滑块12夹持固定住之后，为了方便所述夹持装置的安装，所述基座11的两内侧面对称设置有一对导轨16，所述夹持滑块12上也设有与导轨16位置相对应导轨槽17，通过所述导轨16和导轨槽17能够实现所述夹持滑块12在所述基座11上的快速拆卸和安装。

如图3所示，为了防止超声探头18与患者身体接触力过大，所述夹持滑块12外侧的非夹持面13上还设置有斜槽19，所述基座11上还设有与所述斜槽19位置相对应顶珠孔和弹簧22，所述弹簧22上连接有顶珠20，弹簧22一端与顶珠孔底部固连，另一端与一个球状的顶珠20固连，所述顶珠20的初始位置高过顶珠孔表面。

如图4和图5所示，安装时，通过将所述探头夹持装置沿着导轨16插入到所述基座11中，此时所述顶珠20在压力的作用下会被夹板倒角推入顶珠孔中，当夹板运动至斜槽19与顶珠孔对齐时，顶珠20弹出，将夹板卡在顶珠孔位置，从而完成超声探头18的快速安装和定位；当医生在进行远程超声诊断时，若超声探头18与患者身体接触力小于安全装置的限制力时，由于斜槽19法线和弹簧22压缩方向之间的压力角过大，导致弹簧22压缩方向的力分量很小，则顶珠20无法克服弹簧22预压缩产生的弹力进入顶珠孔中，当接触力逐渐增大，超过安全装置的限制力时，斜槽19给予顶珠20的弹簧22压缩方向分力大于此时弹簧22与压缩产生的弹力，顶珠20会被压入顶珠孔中，从而使探头夹持装置越过顶珠孔向上运动，卸掉多余的力，进而防止超声探头18与患者身体接触力过大。

本发明还提供了一种远程超声诊断系统，包括主控端、从动端和上位机，所述主控端包括操作台和仿形手柄，所述从动端包括上述末端装置和移动载体；其中，所述操作台包括外箱和内箱，外箱和内箱之间采用弹簧悬置并安装有压力传感器，外箱上表面铺有硅胶层，能尽量还原模仿人体皮肤触感；所述仿形手柄外形被制作成类似于超声探头18的形状，保证医师在握持时能够拥有与常规超声检测相似的手感，同时所述仿形手柄末端安装有IMU模块，通过IMU模块能获取所述仿形手柄的姿态信息。

在所述远程超声诊断系统的基础上，本发明还提供了一种用于远程超声诊断的主从控制方法，具体步骤为：

步骤一：医师将仿形手柄按压在操作台上，根据所述操作台上压力传感器采集到的压力信号，判断进入工作状态；

步骤二：IMU开始采集仿形手柄的姿态信息，并在上位机中转为从动端中动平台10的姿态信息；

步骤三：通过从动端逆运动学能将从动端中动平台10的姿态转换为驱动装置3的转动角度；

步骤四：上位机发出相应的信号控制对应的驱动装置3转动一定角度，从而完成主从控制过程。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 (8)

1.一种用于远程超声诊断的末端装置，其特征在于：包括静平台、柔性支链、动平台以及驱动装置，所述静平台用于安装在移动载体上，所述静平台上旋转对称设有三个伺服电机作为驱动装置，每一个驱动装置都与一条柔性支链上端相连，三条柔性支链下端的自由端均与所述动平台活动连接，构成一个三自由度并联机构，所述动平台用于安装超声探头。

2.如权利要求1所述的一种用于远程超声诊断的末端装置，每一条所述的柔性支链都包括有上连杆、下连杆和四个关节，所述上连杆的内端与伺服电机的输出轴相连构成第一关节，上连杆的外端与下连杆的上端通过第二关节相连；第四关节为虎克铰，所述虎克铰包括第一支座、第二支座、第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴在端部固定在一起形成相互垂直的直角形，第一转轴可自由转动的安装在第一支座内，第二转轴可自由转动的安装在第二支座内，所述第一支座外端通过第三关节与下连杆的下端相连，第二支座下端固定在动平台上；第一关节、第二关节和第三关节为转动副，且三个关节的转动轴相互平行；第二转轴的轴线垂直于动平台所在平面；第一转轴和第三关节的转动轴均平行于动平台所在平面，且两者相互垂直，使得第一转轴、第二转轴和第三关节的转轴两两相互垂直。

3.如权利要求2所述的一种用于远程超声诊断的末端装置，其特征在于：所述动平台末端设有用于安装超声探头的安全装置，所述安全装置包括基座和探头夹持装置，所述基座为一个安装在所述动动平台上的凹型块，所述基座内设有能快速拆卸的探头夹持装置，所述探头夹持装置包括两个对称设置的夹持滑块，所述超声探头则被可拆卸夹持安装在两个所述夹持滑块中间。

4.如权利要求3所述的一种用于远程超声诊断的末端装置，其特征在于：所述基座的两内侧面对称设置有一对导轨，所述夹持滑块上设有与所述导轨位置相对应导轨槽，所述夹持滑块通过导轨和导轨槽滑动安装在所述基座上。

5.如权利要求3所述的一种用于远程超声诊断的末端装置，其特征在于：所述夹持滑块的夹持面是采用柔性材料制成的弧形，两个夹持滑块之间通过螺栓固定相连，能对不同大小和型号的超声探头进行夹持。

6.如权利要求4所述的一种用于远程超声诊断的末端装置，其特征在于：所述夹持滑块上还设置有斜槽，所述基座上也设有与所述斜槽位置相对应顶珠孔和弹簧，所述弹簧上还连接有顶珠，弹簧一端与顶珠孔底部固连，一端与球状顶珠固连，顶珠的初始位置高于顶珠孔表面。

7.一种远程超声诊断系统，其特征在于：包括主控端、从动端和上位机，所述主控端包括操作台和仿形手柄，所述从动端包括携带权利要求1-6任意一项所述末端装置的移动载体；其中，所述操作台包括外箱和内箱，外箱和内箱之间采用弹簧悬置并安装有压力传感器，外箱上表面铺有模仿人体皮肤触感的硅胶层；所述仿形手柄外形被制作成类似于超声探头的形状，所述仿形手柄上设有能获取其姿态信息的IMU模块。

8.一种利用权利要求7所述远程超声诊断系统的主从控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：医师将仿形手柄按压在操作台上，根据所述操作台上压力传感器采集到的压力信号，判断进入工作状态；

步骤二：IMU开始采集仿形手柄的姿态信息，并在上位机中转为从动端中动平台的姿态信息；

步骤三：通过从动端逆运动学能将从动端中动平台的姿态转换为驱动装置的转动角度；

步骤四：上位机发出相应的信号控制对应的驱动装置转动一定角度，从而完成主从控制过程。

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