CN114001753A - 一种输入信号补偿系统及其方法、抖动模拟输出系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输入信号补偿系统及其方法、抖动模拟输出系统及其方法。所述输入信号补偿系统包括抖动信号采集装置，佩戴在用户需要进行抖动信号采集的部位，用于采集抖动信号；输入信号采集装置，用于采集用户操作的机械手的输入信号；上位机，接收所述抖动信号和所述输入信号，并据此进行反向补偿滤波得到补偿信号。通过补偿信号控制机械臂的运动，消除了操作过程中因人手抖动造成的机械臂的运动误差、提高了手术准确率。所述抖动模拟输出系统包括所述抖动信号采集装置。

Description

一种输入信号补偿系统及其方法、抖动模拟输出系统及其 方法

技术领域

本发明涉及信号补偿技术领域，尤其涉及一种输入信号补偿系统及其方法、抖动模拟输出系统及其方法。

背景技术

在手术机器人系统中，医生操作控制台机械手时候会手抖，医生手的抖动会带动机械手的抖动，从而将抖动叠加到系统的输入上，跟随机械手运动的机械臂的也随着机械手抖动而抖动。

这种抖动会造成手术过程中操作结果的不确定，给手术带来很大的操作难度。因此，操作机械臂需要将医生的输入信号进行补偿式滤波，将抖动信号和实际输入信号进行有效的识别并分离。

发明内容

针对手的抖动会给手术过程带来操作误差、降低手术操作的精度的问题，本发明一方面提出了一种输入信号补偿系统及其方法用于消除人手抖动造成的机械臂运动误差，本发明另一方面提供一种包括输入信号补偿系统的抖动采集装置的抖动模拟输出系统及其方法用于模拟出人手抖动，以测试控制台手术机械臂滤波效果，进一步辅助提高手术准确率，从而能够实时的将传输给机械臂的输入信号中的噪声信号消除，同时不影响机械臂的响应速度。

技术方案：

一种输入信号补偿系统，包括：

抖动信号采集装置，佩戴在用户需要进行抖动信号采集的部位，用于采集抖动信号；

输入信号采集装置，用于采集用户操作的机械手的输入信号；

上位机，接收所述抖动信号和所述输入信号，并据此进行反向补偿滤波得到补偿信号。

所述抖动信号采集装置包括用于采集用户相关部位的抖动信号的传感器及将所述抖动信号传输至上位机的无线传输模块。

所述传感器为陀螺仪。

所述陀螺仪为6轴电子陀螺仪。

所述无线传输模块为蓝牙模块或Wifi模块。

所述抖动信号采集装置还包括基座、固定安装在基座上的电池，所述传感器和所述无线传输模块设置在所述基座上并与所述电池电性连接。

所述抖动信号采集装置还包括设置在基座两侧的佩戴带。

所述反向滤波补偿的具体步骤为：上位机将所述抖动信号取反得到反向信号，然后将该反向信号与所述输入信号进行叠加得到叠加信号。

所述反向滤波的步骤还包括：将所述叠加信号通过低通滤波器和频点陷波对噪声信号进行滤除得到所述补偿信号。

一种输入信号补偿系统的方法，包括：

(1)在用户需要进行抖动信号采集的部位佩戴所述抖动采集装置，用户对机械手进行操作；

(2)输入信号采集装置实时采集机械手的输入信号并发送至上位机，输入信号采集装置采集到的输入信号包括机械手的实际输入信号和人手抖动产生的抖动信号；

(3)抖动采集装置同步实时采集用户操作时因手抖产生的抖动信号，并发送至上位机；

(4)上位机根据所述输入信号和所述抖动信号进行反向补偿滤波得到补偿信号。

所述反向滤波补偿的具体步骤为：上位机将所述抖动信号取反得到反向信号，然后将该反向信号与所述输入信号进行叠加得到叠加信号。

所述叠加信号的计算如下：

设机械手实际输入信号为S(n)、实际抖动信号为N(n)，信号采集装置采集到的输入信号中的噪声信号、抖动信号采集装置采集的抖动信号与实际抖动信号存在的差异信号分别为D₁(n)、D₂(n)；则信号采集装置采集到的输入信号Y(n)为：

Y(n)＝S(n)+N(n)+D₁(n)

抖动信号采集装置采集到的抖动信号C(n)为：

C(n)＝N(n)+D₂(n)

则反向补偿后的叠加信号G(n)为：

G(n)＝Y(n)-C(n)＝S(n)+N(n)+D₁(n)-N(n)-D₂(n)＝S(n)+D₁(n)-D₂(n)

所述反向滤波的步骤还包括：将叠加信号通过低通滤波器和频点陷波对噪声信号进行滤除得到所述补偿信号。

所述补偿信号H(n)的计算如下：

H(n)＝a*G(n)+(1-a)*G(n-1)

其中，G(n)为当前反向补偿后的叠加信号，a为滤波系数，G(n-1)上一次反向补偿后的叠加信号。

一种抖动模拟输出系统，包括前述抖动信号采集装置、控制板和模拟输出组件，所述抖动信号采集装置包括基座、固定安装在基座的电池及传感器，所述控制板与所述锂电池和所述传感器连接，并实时接收所述传感器采集的所述抖动信号并保存，所述模拟输出组件包括与所述基座连接的支架及安装至所述支架的三个电机，三个电机的轴线两两相互垂直，每个电机的电机轴上均设有偏心轮。

所述支架包括相互垂直设置并连接的两块侧板以及固定安装在两侧板顶端的顶板，所述电机分别安装至所述两侧板和所述顶板。

一种抖动模拟输出方法，包括：

(1)将所述抖动采集装置佩戴在需要采集抖动信号的部位，采集用户相关部位的抖动信号，并将该抖动信号发送至上位机；

(2)上位机将抖动信号分解为X、Y、Z三个方向的抖动信号X(t)、Y(t)、Z(t)，并分别通过快速傅里叶变换，将抖动的时阈信号转换得到频域信号F(W1)、F(W2)、F(W3)；

其中，F(W1)＝F{X(t)}，F(W2)＝F{Y(t)}，F(W3)＝F{Z(t)}；

F{X(t)}、F{Y(t)}、F{Z(t)}分别表示将抖动信号X(t)、Y(t)、Z(t)通过傅里叶变化转换得到的频率信号；

(3)通过排序算法找出X、Y、Z三个方向上的幅度最大的频点fx、fy、fz，并分别将此点作为对应方向上震动的基频，计算得到各个轴输出的模拟震动频率：

其中，fx＝Max(F(W1))，fy＝Max(F(W2))，fz＝Max(F(W3))；

Max(F(W1))、Max(F(W2))、Max(F(W3))分别表示频域信号F(W1)、F(W2)、F(W3)在频率范围内幅度最大的频点；

(4)将步骤(3)得到的模拟震动频率发送至电机，控制对应方向上的电机产生和基频一致的抖动频率从而合成模拟的抖动信号。

有益效果：

本发明通过抖动信号采集装置采集医生手部抖动信号、通过输入信号采集装置采集机械手的输入信号，并将抖动信号和输入信号发送给上位机，上位机针对该两种信号进行反向补偿滤波得到补偿信号，通过补偿信号控制机械臂的运动，消除了操作过程中因人手抖动造成的机械臂的运动误差、提高了手术准确率。

另外，包含了本发明输入信号补偿系统中的抖动信号采集装置的抖动模拟输出系统可以模拟出人手抖动，能够用来测试控制台手术机械臂滤波效果，进一步辅助提高手术准确率。

附图说明

图1为本发明装置的爆炸图；

图2为本发明装置的正视图；

图3为本发明装置的立体图；

图4为本发明装置的局部示意图；

图5为本发明的输入信号补偿方法的流程图；

图6为本发明的抖动模拟输出的流程图。

图中，1、佩戴带，2、基座，3、锂电池，4、传感器，5、控制板，6、模拟输出组件；

61、支架，62、X方向电机，63、Y方向电机，64、Z方向电机，65、偏心轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

手术机器人由控制台机械手、上位机、输入信号补偿系统、机械臂组成，其中，医生操控机械手，上位机将机械手的运动信息传递至机械臂使机械臂进行对应的运动而进行手术，输入信号补偿系统将医生因手抖产生的抖动信号进行识别、分离和补偿式过滤，从而防止因医生手抖造成的误操作。

本发明的输入信号补偿系统包括上位机及抖动采集装置，更具体的，参照图1所示，本发明的抖动采集装置包括基座2、固定安装在基座2上的锂电池3、传感器4及用于采集机械手的运动信号的输入信号采集装置(未图示)。在基座2两端分别固定安装有佩戴带1，通过该佩戴带1将抖动采集装置佩戴在需要进行抖动采集的部位，例如：用户的手腕；传感器4与锂电池3电连接，并通过锂电池3为其供电。在传感器4上还安装有无线传输模块，并通过无线传输模块与上位机连接，传感器4实时采集用户手臂的抖动信号，然后通过无线传输模块发送至上位机中。无线传输模块可以是蓝牙模块或Wifi模块。

本发明揭示的实施例中，采用陀螺仪作为采集用户抖动信号的传感器4，但本发明并不限于此，本发明可以采用其他具有类似功能的传感器，如振动传感器等。

本发明提供了一种输入信号补偿方法，包括如下步骤：

(1)在用户需要进行抖动信号采集的部位，例如手腕，佩戴抖动采集装置，用户对机械手进行操作；

(2)输入信号采集装置采集机械手的运动信号作为数输入信号发送至上位机，输入信号采集装置采集到的输入信号包括机械手的实际输入信号和人手抖动的噪声信号；

(3)抖动采集装置的传感器4实时采集用户操作时的抖动信号，并发送至上位机；

(4)上位机根据输入信号采集装置发送的输入信号和抖动采集装置发送的抖动信号进行反向补偿滤波得到补偿信号，并根据补偿信号控制机械臂的运动以进行手术。

其中，通过反向补偿滤波得到补偿信号的具体步骤为：

在统一时序下，由于人手操作的实际输入信号属于低频信号，人手的抖动信号相对于人手操作的实际输入信号来说频率较高，系统采样频率和数据传输周期远高于人手抖动频率，故上位机在与抖动采集装置的传感器4通过无线模块连接后，以无线模块的通讯周期为时钟的统一时序的时钟周期内，由于指令运算时间延时，将顺延指令运算的时间作为统一时序的起点，并据此通过前述传感器4采集抖动信号；

上位机按照机械手的时序，同一时刻将此时刻前述传感器4采集的抖动信号取反得到反向信号，经过放大或者衰减后，此反向信号与输入信号采集装置采集到的输入信号中的噪声信号大小相等方向相反，因此，同一时刻输入信号采集装置采集到的输入信号和前述传感器4采集的抖动信号取反后的反向信号叠加后，输入信号中由于人手抖动带来的噪声信号基本被消除；

由于输入信号采集装置采集到的噪声信号和前述传感器4采集的抖动信号均与人手抖动产生的实际抖动信号会存在一些差异，输入信号和反向信号叠加后，这些差异部分仍然会有部分以噪声形式存在，故叠加后的叠加信号需要通过低通滤波器和频点陷波对残留的噪声信号进行滤除，从而输出不含噪声信号的补偿信号。

设机械手实际输入信号为S(n)、人手抖动产生的实际抖动信号为N(n)，输入信号采集装置采集到的输入信号中的噪声信号、抖动信号采集装置采集的抖动信号与实际抖动信号存在的差异信号分别为D₁(n)、D₂(n)；则信号采集装置采集到的输入信号Y(n)为：

Y(n)＝S(n)+N(n)+D₁(n)

抖动信号采集装置采集到的抖动信号C(n)为：

C(n)＝N(n)+D₂(n)

则反向补偿后的叠加信号G(n)为：

G(n)＝Y(n)-C(n)＝S(n)+N(n)+D₁(n)-N(n)-D₂(n)＝S(n)+D₁(n)-D₂(n)

由于输入信号采集装置采集的噪声信号和前述传感器4采集的抖动信号与实际抖动信号存在的差异不大，D₁(n)-D₂(n)幅度较小且频率较高，则通过低通滤波运算H(n)＝a*G(n)+(1-a)*G(n-1)即可将该差异信号滤除。

其中，G(n)为当前反向补偿后的叠加信号，a为滤波系数，G(n-1)上一次反向补偿后的叠加信号；则经过滤波后输出的补偿信号H(n)与机械手的实际输入信号S(n)基本一致。

本发明通过抖动信号采集装置采集医生手部抖动信号、通过输入信号采集装置采集机械手的输入信号，并将抖动信号和输入信号发送给上位机，上位机针对该两种信号进行反向补偿滤波得到补偿信号，通过补偿信号控制机械臂的运动，消除了操作过程中因人手抖动造成的机械臂的运动误差、提高了手术准确率。

包括本发明的抖动信号采集装置的抖动模拟输出系统可以模拟出震动输出，用于测试操作过程中每个用户的手抖动的特异性，因此需要多次抖动来测试输入。本发明还提供一种包括前述抖动信号采集装置的抖动模拟输出系统以模拟人手抖动，可以模拟出有手抖的操作者来测试机械手时的手抖信号，从而方便调测机械手的滤波性能。

如图1、2、4所示，本发明抖动模拟输出系统包括前述抖动采集装置、上位机、固定安装在基座2上的控制板5和模拟输出组件6。其中，控制板5分别与锂电池3和传感器4连接，并通过锂电池3供电，并实时接收传感器4采集的抖动信号并保存。模拟输出组件6包括固定安装在基座2上的支架61，支架61包括相互垂直设置并连接的两块侧板以及固定安装在两侧板顶端的顶板，在两侧板和顶板上均开设有安装槽，安装槽内均安装有电机。以垂直于其中一侧板的方向作为X轴、垂直于顶板的方向作为Z轴、与X轴、Z轴正交的方向为Y轴建立坐标系，两侧板和顶板上安装的电机的轴线分别平行于X轴、Z轴和Y轴，三个电机分别定义为X方向电机62、Y方向电机63及Z方向电机64，在每一电机的电机轴上均固定安装有偏心轮65。当各电机旋转时，其电机轴上安装的偏心轮65会产生一个离心力，从而在每个电机的输出轴上产生不同频率的震动，震动频率和震动幅度可以通过控制电机的转速实现。

在需要进行手臂抖动模拟时，首先通过陀螺仪采集XYZ三个方向的抖动信号，三个方向的抖动信号分别通过快速傅里叶变换，将抖动时阈信号转换到频域信号，通过排序算法找出XYZ三个方向上的最大震动的幅度点，将此点作为震动的基频，并作为各个轴输出的模拟震动频率，通过电机驱动XYZ方向上的电机，产生和基频一致的抖动频率从而合成模拟的抖动信号。

本发明的抖动模拟输出系统的方法如下：

(1)将抖动采集装置佩戴在需要采集抖动信号的部位，例如手腕，通过传感器4采集用户相关部位的抖动信号，并通过无线传输模块发送至上位机；

(2)上位机将抖动信号分解为X、Y、Z三个方向的抖动信号X(t)、Y(t)、Z(t)，并分别通过快速傅里叶变换，将抖动的时阈信号转换得到频域信号F(W1)、F(W2)、F(W3)；

其中，F(W1)＝F{X(t)}，F(W2)＝F{Y(t)}，F(W3)＝F{Z(t)}；

F{X(t)}、F{Y(t)}、F{Z(t)}分别表示将抖动信号X(t)、Y(t)、Z(t)通过傅里叶变化转换得到的频率信号；

(3)通过排序算法找出X、Y、Z三个方向上的幅度最大的频点fx、fy、fz，并分别将此点作为对应方向上震动的基频，计算得到各个轴输出的模拟震动频率：

其中，fx＝Max(F(W1))，fy＝Max(F(W2))，fz＝Max(F(W3))；

Max(F(W1))、Max(F(W2))、Max(F(W3))分别表示频域信号F(W1)、F(W2)、F(W3)在频率范围内幅度最大的频点；

Y、Z方向上的模拟震动频率fy、fz同理计算得到；

(4)将步骤(3)得到的模拟震动频率发送至电机，控制对应方向上的电机产生和基频一致的抖动频率从而合成模拟的抖动信号；

计算各个轴输出的模拟震动频率具体为：通过各个方向的频点计算出对应方向上偏心轮轴的转速，进而计算得到对应方向上电机输出的模拟震动频率。

包含了本发明输入信号补偿系统中的抖动信号采集装置的抖动模拟输出系统可以模拟出人手抖动，能够用来测试控制台手术机械臂滤波效果，进一步辅助提高手术准确率。

本发明中，采用的陀螺仪具体为6轴电子陀螺仪。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种输入信号补偿系统，其特征在于：包括：

抖动信号采集装置，佩戴在用户需要进行抖动信号采集的部位，用于采集抖动信号；

输入信号采集装置，用于采集用户操作的机械手的输入信号；

上位机，接收所述抖动信号和所述输入信号，并据此进行反向补偿滤波得到补偿信号。

2.根据权利要求1所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述抖动信号采集装置包括用于采集用户相关部位的抖动信号的传感器及将所述抖动信号传输至上位机的无线传输模块。

3.根据权利要求2所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述传感器为陀螺仪。

4.根据权利要求3所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述陀螺仪为6轴电子陀螺仪。

5.根据权利要求2所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述无线传输模块为蓝牙模块或Wifi模块。

6.根据权利要求2所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述抖动信号采集装置还包括基座、固定安装在基座上的电池，所述传感器和所述无线传输模块设置在所述基座上并与所述电池电性连接。

7.根据权利要求6所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述抖动信号采集装置还包括设置在基座两侧的佩戴带。

8.根据权利要求1所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述反向滤波补偿的具体步骤为：上位机将所述抖动信号取反得到反向信号，然后将该反向信号与所述输入信号进行叠加得到叠加信号。

9.根据权利要求8所述的输入信号补偿系统，其特征在于：所述反向滤波的步骤还包括：将所述叠加信号通过低通滤波器和频点陷波对噪声信号进行滤除得到所述补偿信号。

10.一种如权利要求1所述的输入信号补偿系统的方法，其特征在于，包括：

(1)在用户需要进行抖动信号采集的部位佩戴所述抖动采集装置，用户对机械手进行操作；

(2)输入信号采集装置实时采集机械手的输入信号并发送至上位机，输入信号采集装置采集到的输入信号包括机械手的实际输入信号和人手抖动产生的抖动信号；

(3)抖动采集装置同步实时采集用户操作时因手抖产生的抖动信号，并发送至上位机；

(4)上位机根据所述输入信号和所述抖动信号进行反向补偿滤波得到补偿信号。

11.根据权利要求10所述的输入信号补偿系统的方法，其特征在于：所述反向滤波补偿的具体步骤为：上位机将所述抖动信号取反得到反向信号，然后将该反向信号与所述输入信号进行叠加得到叠加信号。

12.根据权利要求1所述的输入信号补偿系统的方法，其特征在于：所述叠加信号的计算如下：

设机械手实际输入信号为S(n)、实际抖动信号为N(n)，信号采集装置采集到的输入信号中的噪声信号、抖动信号采集装置采集的抖动信号与实际抖动信号存在的差异信号分别为D₁(n)、D₂(n)；则信号采集装置采集到的输入信号Y(n)为：

Y(n)＝S(n)+N(n)+D₁(n)

抖动信号采集装置采集到的抖动信号C(n)为：

C(n)＝N(n)+D₂(n)

则反向补偿后的叠加信号G(n)为：

G(n)＝Y(n)-C(n)＝S(n)+N(n)+D₁(n)-N(n)-D₂(n)＝S(n)+D₁(n)-D₂(n)。

13.根据权利要求12所述的输入信号补偿系统的方法，其特征在于：所述反向滤波的步骤还包括：将叠加信号通过低通滤波器和频点陷波对噪声信号进行滤除得到所述补偿信号。

14.根据权利要求13所述的输入信号补偿系统的方法，其特征在于：所述补偿信号H(n)的计算如下：

H(n)＝a*G(n)+(1-a)*G(n-1)

其中，G(n)为当前反向补偿后的叠加信号，a为滤波系数，G(n-1)上一次反向补偿后的叠加信号。

15.一种抖动模拟输出系统，其特征在于：包括如权利要求1所述的抖动信号采集装置、控制板和模拟输出组件，所述抖动信号采集装置包括基座、固定安装在基座的电池及传感器，所述控制板与所述锂电池和所述传感器连接，并实时接收所述传感器采集的所述抖动信号并保存，所述模拟输出组件包括与所述基座连接的支架及安装至所述支架的三个电机，三个电机的轴线两两相互垂直，每个电机的电机轴上均设有偏心轮。

16.根据权利要求15所述的抖动模拟输出系统，其特征在于：所述支架包括相互垂直设置并连接的两块侧板以及固定安装在两侧板顶端的顶板，所述电机分别安装至所述两侧板和所述顶板。

17.一种应用权利要求15所述的抖动模拟输出系统的方法，其特征在于，包括：

(1)将所述抖动采集装置佩戴在需要采集抖动信号的部位，采集用户相关部位的抖动信号，并将该抖动信号发送至上位机；

(2)上位机将抖动信号分解为X、Y、Z三个方向的抖动信号X(t)、Y(t)、Z(t)，并分别通过快速傅里叶变换，将抖动的时阈信号转换得到频域信号F(W1)、F(W2)、F(W3)；

其中，F(W1)＝F{X(t)}，F(W2)＝F{Y(t)}，F(W3)＝F{Z(t)}；

F{X(t)}、F{Y(t)}、F{Z(t)}分别表示将抖动信号X(t)、Y(t)、Z(t)通过傅里叶变化转换得到的频率信号；

(3)通过排序算法找出X、Y、Z三个方向上的幅度最大的频点fx、fy、fz，并分别将此点作为对应方向上震动的基频，计算得到各个轴输出的模拟震动频率：

其中，fx＝Max(F(W1))，fy＝Max(F(W2))，fz＝Max(F(W3))；

Max(F(W1))、Max(F(W2))、Max(F(W3))分别表示频域信号F(W1)、F(W2)、F(W3)在频率范围内幅度最大的频点；

(4)将步骤(3)得到的模拟震动频率发送至电机，控制对应方向上的电机产生和基频一致的抖动频率从而合成模拟的抖动信号。

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