CN114038455A - 一种智能语音手术器械箱及其控制系统 - Google Patents

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CN114038455A CN202110729618.1A CN202110729618A CN114038455A CN 114038455 A CN114038455 A CN 114038455A CN 202110729618 A CN202110729618 A CN 202110729618A CN 114038455 A CN114038455 A CN 114038455A
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陈玉杰
董丽
姜宝华
付诗丹
黄帅
王雲锌
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Abstract

本发明公开了一种智能语音手术器械箱及其控制系统，包括底座，底座的顶部转动贴合转盘，底座的内腔固定安装安装框，安装框内固定卡接舵机，舵机的输出轴固定连接转盘的底面，转盘的中心固定安装中心轴，中心轴的顶部固定安装上端盖，中心轴外侧的上端盖和转盘间滑动卡接多个扇形盒，扇形盒的内腔中部固定安装分隔块，分隔块的底面与转盘的顶面间安装移动机构，上端盖顶面固定安装控制器。手术器械放置在扇形盒内，通过控制器自动控制舵机的转动，从而带动转盘转动，实现扇形盒的切换，再通过移动机构推动扇形和伸出，便于拿取和放置器械。

Description

一种智能语音手术器械箱及其控制系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体为一种智能语音手术器械箱及其控制系统。
背景技术
我国治疗医学水平日益提高，手术室作为整个医院的重要技术场所，也须迎合当今社会信息化发展的需要，目前手术时内的器械均需通过护士等辅助人员进行实现排放，使用时需要通过护士快速查找对应器械并递给手术医生，使用后也需要护士放置在固定位置，整个过程完全依靠护士的记忆力及熟练程度完成快速操作过程，其需要的经验强度高，新手护士难以满足手术过程中的熟练度要求，为此我们提出一种智能语音手术器械箱及其控制系统用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能语音手术器械箱及其控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能语音手术器械箱，包括底座，所述底座的顶部转动贴合转盘，所述底座的内腔固定安装安装框，所述安装框内固定卡接舵机，所述舵机的输出轴固定连接转盘的底面，所述转盘的中心固定安装中心轴，所述中心轴的顶部固定安装上端盖，所述中心轴外侧的上端盖和转盘间滑动卡接多个扇形盒，所述扇形盒的内腔中部固定安装分隔块，所述分隔块的底面与转盘的顶面间安装移动机构，所述上端盖顶面固定安装控制器。
优选的一种实施案例，所述舵机的输出轴的轴线、中心轴的轴线、转盘的轴线和底座的轴线均重合，所述中心轴为中空圆柱结构。
优选的一种实施案例，所述移动机构包括导向块和导向槽，所述转盘上固定安装多个导向块，所述分隔块处的扇形盒底面开有导向槽，所述导向槽滑动卡接导向块，所述中心轴靠近导向块的外壁开有电机安装孔，所述电机安装孔内固定卡接减速电机的一端，所述导向槽靠近中心轴的一端顶部开有连接槽，所述减速电机的另一端卡接连接槽，所述减速电机的输出轴固定安装齿轮，所述连接槽的侧壁固定安装齿条，所述齿条啮合齿轮。
一种智能语音手术器械箱的控制系统，包括：
驱动模块，所述驱动模块电连接控制中心模块，所述驱动模块用于驱动舵机和移动机构，所述舵机带动转盘旋转切换扇形盒，所述移动机构带动扇形盒移动，使得扇形盒伸出拿取器械或放入器械；
语音识别模块，所述语音识别模块通过串口通信形式连接控制中心模块，所述语音识别模块用于识别使用者语音信息，并转换为数字信息发送至控制中心，便于通过语音控制扇形盒的切换和伸出；
显示模块，所述显示模块电连接控制中心模块，所述显示模块用于手术过程中实时显示用到的工具名称，并且在手术后还可根据查询需要，通过按键显示手术中使用的器械过程；
电源模块，所述电源模块用于整个控制系统的电源提供，保证系统运行；
控制中心模块，所述控制中心模块协调上述模块进行工作，用于数据调用命令在其权限内的各数据库内调用相应的数据，并将这些控制命令发送到对应的模块。
优选的一种实施案例，所述驱动模块包括舵机伺服模块和电机驱动模块，其中，
所述舵机伺服模块采用LD-27MG舵机实现转盘的旋转动作，所述舵机的转动由PWM脉冲波高电平占空比来控制，每经一个脉冲信号，舵机作出反应进行旋转，控制中心收到语音指令后，通过舵机伺服魔块控制舵机旋转到固定位置，所述舵机伺服模块的输出被控量是转盘旋转的角度，根据输入语音指令的不同来改变旋转角度，角度变化范围是0-270°；
所述电机驱动模块采用TT马达130直流减速电机和L298N电机驱动芯片组成，实现扇形盒的推出动作，所述驱动芯片属于双H桥2路式控制，通过对标准逻辑电平进行控制，将需要反馈的信息反馈给控制中心模块，实现减速电机的运行状态正反转方式变化和速度调节，实现扇形盒的推出和滑入。
优选的一种实施案例，所述语音识别模块选用LD3320识别芯片，通过DSP 命令系统，通过训练、识别和失真测度的工作过程，将识别到的使用者语音特征值存储为数个关键词，以字符串的形式存储至语音识别模块，待再次输入语音信息时，比较关键词库和语音信息即可识别生效，快速将语音信息转化为数字信息发送至控制中心模块，满足智能语音手术器械箱的语音控制需要。
优选的一种实施案例，所述显示模块采用TFT-LCD液晶显示器，并电连接控制按钮，所述控制中心模块采用STM32型单片机，满足驱动、语音、显示等多模块的同步控制，运算速度较快、功耗较低。
优选的一种实施案例，所述电源模块包括蓄电池和外接电源，所述蓄电池采用7.4V蓄电池，所述蓄电池电连接舵机，所述外接电源为USB外接电源，所述控制中心模块由USB数据线外接电脑、充电宝进行供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过控制中心模块电连接驱动模块和语音识别模块，通过对语音识别模块进行训练、识别，从而在手术过程中，使用者直接说出器械名称，语音识别模块即可识别语音信号，并发送至控制中心模块，控制中心模块根据信号控制驱动模块，驱动模块通过舵机伺服模块控制舵机的转动角度，从而带动转盘转动，将相应的扇形盒转至使用者处，然后通过电机驱动模块带动减速电机转动，从而通过齿轮和齿条将扇形盒推出，便于取用和存放器械，从而满足手术时器械的快速更换要求；
2、通过机械结构的设计、电路原理图的绘制、整体实物的搭建以及各类功能的全面调试，保证了系统的稳定性和可行性，系统搭建便捷，具有推广和使用价值。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明构结构爆炸图；
图3为本发明图2中A处结构放大结构示意图；
图4为本发明系统示意图；
图5为本发明STM32F103RCT6单片机电路示意图；
图6为本发明JTAG/SWD接口电路示意图；
图7为本发明舵机转角与脉宽关系示意图；
图8为本发明电机驱动模块的H桥驱动电路示意图；
图9为本发明电机驱动模块的驱动芯片电路示意图；
图10为本发明LD3320语音识别芯片电路示意图；
图11为本发明语音识别模块电路示意图；
图12为本发明LD3320语音识别芯片识别原理示意图；
图13为本发明系统工作流程图。
图14为本发明舵机子程序流程图。
图中：1、底座；2、转盘；3、安装框；4、舵机；5、扇形盒；6、移动机构；61、导向块；62、导向槽；63、连接槽；64、减速电机；65、齿轮；66、齿条；7、分隔块；8、上端盖；9、控制器；10、中心轴；11、电机安装孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-14，本发明提供一种技术方案：一种智能语音手术器械箱，包括底座1，底座1的顶部转动贴合转盘2，底座1的内腔固定安装安装框3，安装框3内固定卡接舵机4，舵机4的输出轴固定连接转盘2的底面，转盘2的中心固定安装中心轴10，中心轴10的顶部固定安装上端盖8，中心轴10外侧的上端盖8和转盘2间滑动卡接多个扇形盒5，扇形盒5的内腔中部固定安装分隔块7，分隔块7的底面与转盘2的顶面间安装移动机构6，上端盖8顶面固定安装控制器9。手术器械放置在扇形盒5内，通过控制器9自动控制舵机4的转动，从而带动转盘2转动，实现扇形盒5的切换，再通过移动机构6推动扇形和伸出，便于拿取和放置器械。
舵机4的输出轴的轴线、中心轴10的轴线、转盘2的轴线和底座1的轴线均重合，中心轴10为中空圆柱结构。
移动机构6包括导向块61和导向槽62，转盘2上固定安装多个导向块61，分隔块7处的扇形盒5底面开有导向槽62，导向槽62滑动卡接导向块61，中心轴10靠近导向块61的外壁开有电机安装孔11，电机安装孔11内固定卡接减速电机64的一端，导向槽62靠近中心轴10的一端顶部开有连接槽63，减速电机64的另一端卡接连接槽63，减速电机63的输出轴固定安装齿轮65，连接槽 63的侧壁固定安装齿条66，齿条66啮合齿轮65，控制器9驱动减速电机63转动，减速电机63带动齿轮65转动，从而带动齿条66移动，齿条66带动扇形盒5沿导向块61滑动，实现推出和滑入。
一种智能语音手术器械箱的控制系统，包括：
驱动模块，驱动模块电连接控制中心模块，驱动模块用于驱动舵机4和移动机构6，舵机4带动转盘2旋转切换扇形盒5，移动机构6带动扇形盒5移动，使得扇形盒5伸出拿取器械或放入器械；
语音识别模块，语音识别模块通过串口通信形式连接控制中心模块，语音识别模块用于识别使用者语音信息，并转换为数字信息发送至控制中心，便于通过语音控制扇形盒5的切换和伸出；
显示模块，显示模块电连接控制中心模块，显示模块用于手术过程中实时显示用到的工具名称，并且在手术后还可根据查询需要，通过按键显示手术中使用的器械过程；
电源模块，电源模块用于整个控制系统的电源提供，保证系统运行；
控制中心模块，控制中心模块协调上述模块进行工作，用于数据调用命令在其权限内的各数据库内调用相应的数据，并将这些控制命令发送到对应的模块。
进一步的，驱动模块包括舵机伺服模块和电机驱动模块，其中，
舵机伺服模块采用LD-27MG舵机实现转盘2的旋转动作，舵机的转动由PWM 脉冲波高电平占空比来控制，每经一个脉冲信号，舵机作出反应进行旋转，控制中心收到语音指令后，通过舵机伺服魔块控制舵机旋转到固定位置，舵机伺服模块的输出被控量是转盘旋转的角度，根据输入语音指令的不同来改变旋转角度，角度与脉宽关系如图7所示，角度变化范围是0-270°；
进一步的，舵机伺服模块的软件设计主要思路是配置控制模块定时器和 GPIO的复合功能，利用STM32的定时器产生20ms的脉冲频率，再将PWM脉冲信号传输至舵机伺服模块。利用PWM控制舵机的子程序流程图如图14所示。具体设计过程如下：
(1)系统初始化和舵机归中。进行系统初始化，并设置手术器械箱启动后 1号扇形工具区的位置为默认旋转到的固定位置。
(2)接收指令。单片机接收到语音模块识别到的数据指令后向舵机发出信号。
(3)改变占空比。当手术器械箱接收到语音识别指令后，根据指令改变占空比，改变的范围即为已设置好的PWM波高电平占空比。针对1、2、3、4号扇形工具区分别转动的0°、90°、180°、270°四个不同角度设置不同的PWM波的高电平占空比。
(4)保持占空比。根据是否保持旋转到的角度决定是否保持占空比。若保持角度，则返回主程序进行下一步动作；若不保持角度，则返回等待接收语音指令。
电机驱动模块采用TT马达130直流减速电机和L298N电机驱动芯片组成，实现扇形盒的推出动作，驱动芯片属于双H桥2路式控制，通过对标准逻辑电平进行控制，将需要反馈的信息反馈给控制中心模块，以其中一个H桥电路为例，电路如图8所示，主要由电机、三极管以及逻辑门电路(“与”门和“非”门)组成，由“与”门控制电路的开断状态，2个“非”门实现同侧只有1个三极管导通，L298N电机驱动模块电路如图9所示，智能语音手术器械箱设计用到2个L298N电机驱动芯片，一个驱动器的IN1-IN4输入引脚与控制中心模块单片机的PA11、PA12、PC8、PC9引脚相连，另一个驱动芯片的IN1-IN4输入引脚与控制中心模块单片机的PA0-PA3引脚相连，实现电机正反转；ISENA、ISEN B引脚通过采集电流的电阻后接地，作为测控方面的引出；MOTORA(OUT1、OUT2)、 MOTORB(OUT3、OUT4)对应的4个输出引脚分别连接2个TT直流减速电机； ENA、ENB使能引脚与控制中心模块单片机的PA8、PA9引脚相连，控制电机的通断状态，同时实现直流电机的速度调节，实现减速电机的运行状态正反转方式变化和速度调节，实现扇形盒的推出和滑入。
STM32控制中心输出脉冲信号给2个L298N电机驱动模块，从而控制4个电机的运行状态。结合EN使能端，改变IN1、IN2或IN3、IN4的输入状态，即可实现不同的旋转运行状态。
以其中1个电机驱动模块为例，驱动模块的ENA、ENB使能端分别决定1、2 号电机是否开始驱动，当ENA、ENB输出为高电平时才能开启驱动电机的模式； IN1和IN2、IN3和IN4输入端逻辑电平的两两组合分别决定1、2号电机的输出状态(停止、正转、反转、制动)。另一个驱动模块的驱动方式同理。驱动控制方式及输出电机状态表如表1所示，
表1电机驱动控制方式表
Figure RE-GDA0003374533220000081
Figure RE-GDA0003374533220000091
进一步的，语音识别模块选用LD3320识别芯片，通过DSP命令系统，通过训练、识别和失真测度的工作过程，将识别到的使用者语音特征值存储为数个关键词，以字符串的形式存储至语音识别模块，待再次输入语音信息时，比较关键词库和语音信息即可识别生效，快速将语音信息转化为数字信息发送至控制中心模块，采集到的声音信息传入MIC麦克风，随后传入LD3320语音模块，经过对频率谱密度分析、语音特征量采集后开始进行识别，再将分析的语音输入信息传入MUC微控制单元，以拼音串的形式，与已建立的语音集合库内的关键词信息进行比较，最后找出匹配率最高的词语输出，识别原理如图12所示，满足智能语音手术器械箱的语音控制需要。
进一步的，当LD3320识别到语音指令信息后，通过串口给STM32单片机发送有关数据，单片机的串口接收到数据后进行分析处理，LD3320语音识别芯片电路如图10所示，语音识别模块电路如图11所示，LD3320芯片在某个时钟边沿触发后进行数据的采集，这个边沿决定于串行空闲状态以及时钟跳边沿的种类，实际设计中，LD3320芯片的P7-P0引脚连接语音控制中心的P0.0-P0.7 引脚，STC11L08XE型单片机的RXD、TXD引脚分别连接STM32单片机的PA2、PA3 引脚。
进一步的，训练和识别方法如下；
(1)训练：通过多次训练，形成手术箱独有的语音集合库。医生发出语音指令后，处理手术医生语音输入的信息，主要处理加窗、分帧等，再进行特征参数量提取，主要包含共振峰、周期和自相关函数等参数，最后通过多次训练，产生模型，形成手术箱自己的语音集合库，并保存模型；
(2)识别：拥有了语音集合库后，手术医生再次输入语音信息，预处理和特征提取后，再次构建语音模型，并与语音集合库中的模型进行比对，最终输出识别结果。
显示模块采用TFT-LCD液晶显示器，并电连接控制按钮，控制中心模块采用STM32型单片机，满足驱动、语音、显示等多模块的同步控制，运算速度较快、功耗较低。
电源模块包括蓄电池和外接电源，蓄电池采用7.4V蓄电池，蓄电池电连接舵机，由于舵机转动过程中消耗电流较大，所以设计过程中避免了与控制中心模块的STM32单片机共用同一路电源供电，舵机供电方式采用7.4V蓄电池单独电源供电，外接电源为USB外接电源，控制中心模块由USB数据线外接电脑、充电宝进行供电，语音识别模块和2个L298N电机驱动模块连接STM32控制中心模块，直接由STM32中心控制中心模块供电；4个直流减速电机连接2个L298N 电机驱动模块，间接由STM32芯片供电。
进一步的，控制中心模块的STM32型单片机为STM32F103RCT6单片机，电路图如图5所示，其JTAG/SWD接口电路如图6所示，STM32单片机作为系统的控制中心，4组VCC-GND引脚连接用于滤波的电容；PA6、PA7、PB0-PB15、PC6 -PC9、GND引脚与显示模块相连；PA0-PA3、PA11、PA12、PC8、PC9、GND引脚与2个电机驱动模块相连；PA10引脚与舵机的信号控制线相连；PA2、PA3、 GND引脚与语音模块控制中心相连，间接实现对语音识模块进行控制。
进一步的，STM32单片机输出PWM脉冲宽度调制信号作用于舵机上，通过信号线进入转向器，产生直流偏置电压，将直流偏置电压与转向器内部的标准工作电压进行比较，得到工作电压差输出。
系统上电之后，进行系统初始化，STM32接收有关手术工具名称的语音指令后，判断是否可以被识别，若指令与以已设定某个关键词信息相吻合，则识别成功；反之不被识别，识别成功后手术箱转动一定角度到固定位置，推出对应的扇形工具区，同时记录手术名称，术后需示查询在进行显示，其流程如图13 所示。
工作原理：本发明采用STM32型单片机作为控制中心模块，通过控制中心模块电连接驱动模块和语音识别模块，通过对语音识别模块进行训练、识别，从而在手术过程中，使用者直接说出器械名称，语音识别模块即可识别语音信号，并发送至控制中心模块，控制中心模块根据信号控制驱动模块，驱动模块通过舵机伺服模块控制舵机4的转动角度，从而带动转盘2转动，将相应的扇形盒5转至使用者处，然后通过电机驱动模块带动减速电机64转动，从而通过齿轮65和齿条66将扇形盒5推出，便于取用和存放器械，从而满足手术时器械的快速更换要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种智能语音手术器械箱，包括底座(1)，其特征在于：所述底座(1)的顶部转动贴合转盘(2)，所述底座(1)的内腔固定安装安装框(3)，所述安装框(3)内固定卡接舵机(4)，所述舵机(4)的输出轴固定连接转盘(2)的底面，所述转盘(2)的中心固定安装中心轴(10)，所述中心轴(10)的顶部固定安装上端盖(8)，所述中心轴(10)外侧的上端盖(8)和转盘(2)间滑动卡接多个扇形盒(5)，所述扇形盒(5)的内腔中部固定安装分隔块(7)，所述分隔块(7)的底面与转盘(2)的顶面间安装移动机构(6)，所述上端盖(8)顶面固定安装控制器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种智能语音手术器械箱，其特征在于：所述舵机(4)的输出轴的轴线、中心轴(10)的轴线、转盘(2)的轴线和底座(1)的轴线均重合，所述中心轴(10)为中空圆柱结构。
3.根据权利要求1所述的一种智能语音手术器械箱，其特征在于：所述移动机构(6)包括导向块(61)和导向槽(62)，所述转盘(2)上固定安装多个导向块(61)，所述分隔块(7)处的扇形盒(5)底面开有导向槽(62)，所述导向槽(62)滑动卡接导向块(61)，所述中心轴(10)靠近导向块(61)的外壁开有电机安装孔(11)，所述电机安装孔(11)内固定卡接减速电机(64)的一端，所述导向槽(62)靠近中心轴(10)的一端顶部开有连接槽(63)，所述减速电机(64)的另一端卡接连接槽(63)，所述减速电机(63)的输出轴固定安装齿轮(65)，所述连接槽(63)的侧壁固定安装齿条(66)，所述齿条(66)啮合齿轮(65)。
4.一种智能语音手术器械箱的控制系统，其特征在于，包括：
驱动模块，所述驱动模块电连接控制中心模块，所述驱动模块用于驱动舵机(4)和移动机构(6)，所述舵机(4)带动转盘(2)旋转切换扇形盒(5)，所述移动机构(6)带动扇形盒(5)移动，使得扇形盒(5)伸出拿取器械或放入器械；
语音识别模块，所述语音识别模块通过串口通信形式连接控制中心模块，所述语音识别模块用于识别使用者语音信息，并转换为数字信息发送至控制中心，便于通过语音控制扇形盒(5)的切换和伸出；
显示模块，所述显示模块电连接控制中心模块，所述显示模块用于手术过程中实时显示用到的工具名称，并且在手术后还可根据查询需要，通过按键显示手术中使用的器械过程；
电源模块，所述电源模块用于整个控制系统的电源提供，保证系统运行；
控制中心模块，所述控制中心模块协调上述模块进行工作，用于数据调用命令在其权限内的各数据库内调用相应的数据，并将这些控制命令发送到对应的模块。
5.根据权利要求4所述的一种智能语音手术器械箱的控制系统，其特征在于：所述驱动模块包括舵机伺服模块和电机驱动模块，其中，
所述舵机伺服模块采用LD-27MG舵机实现转盘(2)的旋转动作，所述舵机的转动由PWM脉冲波高电平占空比来控制，每经一个脉冲信号，舵机作出反应进行旋转，控制中心收到语音指令后，通过舵机伺服魔块控制舵机旋转到固定位置，所述舵机伺服模块的输出被控量是转盘旋转的角度，根据输入语音指令的不同来改变旋转角度，角度变化范围是0-270°；
所述电机驱动模块采用TT马达130直流减速电机和L298N电机驱动芯片组成，实现扇形盒的推出动作，所述驱动芯片属于双H桥2路式控制，通过对标准逻辑电平进行控制，将需要反馈的信息反馈给控制中心模块，实现减速电机的运行状态(正反转方式)变化和速度调节，实现扇形盒的推出和滑入。
6.根据权利要求4所述的一种智能语音手术器械箱的控制系统，其特征在于：所述语音识别模块选用LD3320识别芯片，通过DSP命令系统，通过训练、识别和失真测度的工作过程，将识别到的使用者语音特征值存储为数个关键词，以字符串的形式存储至语音识别模块，待再次输入语音信息时，比较关键词库和语音信息即可识别生效，快速将语音信息转化为数字信息发送至控制中心模块，满足智能语音手术器械箱的语音控制需要。
7.根据权利要求4所述的一种智能语音手术器械箱的控制系统，其特征在于：所述显示模块采用TFT-LCD液晶显示器，并电连接控制按钮，所述控制中心模块采用STM32型单片机，满足驱动、语音、显示等多模块的同步控制，运算速度较快、功耗较低。
8.根据权利要求4所述的一种智能语音手术器械箱的控制系统，其特征在于：所述电源模块包括蓄电池和外接电源，所述蓄电池采用7.4V蓄电池，所述蓄电池电连接舵机，所述外接电源为USB外接电源，所述控制中心模块由USB数据线外接电脑、充电宝进行供电。
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