CN114905502B - 机械臂控制方法及系统、工控机及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种机械臂控制方法，包括：根据基座力传感器的感测数据校准所述基座力传感器并计算所述基座力传感器的合力；根据末端力传感器的感测数据校准所述末端力传感器；当所述基座力传感器的合力大于碰撞力阈值时，控制所述机械臂回到零点位置；当所述基座力传感器的合力小于或者等于所述碰撞力阈值时，计算所述基座力传感器和所述末端力传感器之间的感测数据差值；根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定机械臂是否处于正常工作模式；及当确定所述机械臂处于非正常工作模式时，触发碰撞力保护机制。本申请还提供一种机械臂控制系统、工控机及存储介质。本申请能够在机械臂使用过程确保使用安全。
Description
技术领域
本申请涉及计算机技术领域，具体涉及一种机械臂控制方法及系统、工控机及存储介质。
背景技术
机械手臂在医疗的应用场景中，安全是需要考虑的最重要的问题。若机械臂碰撞力不够灵敏，在检测敏感部位时容易对患者造成伤害。例如，在远程超声诊断系统中，病人端的末端六维力传感器以上的机械臂部位跟人体碰撞，则需要一个比较大的碰撞力才能让机械臂停止。
协作机械臂的碰撞可以靠电机电流检测。然而，当机械臂的不同位置受到相同的外力时，因杠杆原理，电机输出的扭矩大小是不一样的。所以这种碰撞检测方法从原理上会有一定的误差，单纯靠协作机械臂，碰撞检测灵敏度不会特别高。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提出一种机械臂控制方法及系统、工控机及存储介质，能够保证使用过程的安全性。
所述机械臂控制方法，用于对机械臂的使用安全进行管控，该机械臂的一端设置有基座力传感器，另一端设置有末端力传感器，所述末端力传感器直接或者间接地连接一探头，所述方法包括：获取所述探头的信息，并根据所述探头的信息确定一个最大保护力和一个碰撞力阈值；获取所述基座力传感器的第一感测数据和所述末端力传感器的第一感测数据；控制所述机械臂运动，并获取所述基座力传感器的第二感测数据和所述末端力传感器的第二感测数据；根据所述末端力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第一校准数据，并基于所述第一校准数据校准所述末端力传感器，以及根据所述基座力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第二校准数据，并基于所述第二校准数据校准所述基座力传感器并计算所述基座力传感器的合力；当所述基座力传感器的合力大于所述碰撞力阈值时，控制所述机械臂回到零点位置；当所述基座力传感器的合力小于或者等于所述碰撞力阈值时，计算所述基座力传感器和所述末端力传感器之间的感测数据差值；根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式；及当确定所述机械臂处于非正常工作模式时，触发对所述机械臂的力保护机制。
可选地，所述对所述机械臂的力保护机制包括：当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力时，控制所述机械臂停止运动。
可选地，所述对所述机械臂的力保护机制还包括：当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力的持续时长大于预设时长时，控制机械臂回到零点位置，并发出相关警示。
可选地，所述基座力传感器的第一感测数据包括X轴方向的压力值Fx0、Y轴方向的压力值Fy0、Z轴方向的压力值Fz0；所述基座力传感器的第二感测数据包括X轴方向的压力值Fx、Y轴方向的压力值Fy、Z轴方向的压力值Fz；所述末端力传感器的第一感测数据包括X轴方向的压力值fx0、Y轴方向的压力值fy0、Z轴方向的压力值fz0；所述末端力传感器的第二感测数据包括X轴方向的压力值fx、Y轴方向的压力值fy、Z轴方向的压力值fz；其中，所述第一校准数据包括Δfx、Δfy、Δfz，其中，Δfx＝fx-fx0；Δfy＝fy-fy0；Δfz＝fz-fz0；该方法基于Δfx、Δfy、Δfz校准所述末端力传感器的零点；其中，所述第二校准数据包括ΔFx、ΔFy、ΔFz，其中，ΔFx＝Fx-Fx0；ΔFy＝Fy-Fy0；ΔFz＝Fz-Fz0；该方法基于ΔFx、ΔFy、ΔFz校准所述基座力传感器的零点。
可选地，所述感测数据差值包括第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3，其中，d1＝|ΔFx-Δfx|，d2＝|ΔFy-Δfy|，d3＝|ΔFz-Δfz|；所述根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式包括：当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3中任意一者大于预设值时，确定所述机械臂处于非正常工作模式；及当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3均小于或等于所述预设值时，确定所述机械臂处于正常工作模式。
可选地，该方法还包括：在获取到所述末端力传感器的感测数据之后，将所述末端力传感器的感测数据转换为所述基座力传感器的极坐标系中的数据；及对所述末端力传感器的感测数据以及所述基座力传感器的感测数据进行滤波处理。
所述工控机包括存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中所存储的计算机程序时实现所述机械臂控制方法。
所述机械臂控制系统，用于对机械臂的使用安全进行管控，该系统包括工控机、与该工控机通过交换机分别通讯连接的末端力传感器、机械臂主机以及基座力传感器；所述机械臂的一端设置所述基座力传感器，另一端设置所述末端力传感器，所述末端力传感器直接或者间接地连接一探头，所述机械臂主机获取所述探头的信息，并根据所述探头的信息确定一个碰撞力阈值；所述机械臂主机将所述探头的信息发送给所述工控机；所述工控机接收所述探头的信息，并根据所述探头的信息确定一个最大保护力；所述机械臂主机获取所述基座力传感器的第一感测数据；所述工控机获取所述末端力传感器的第一感测数据；所述工控机控制所述机械臂运动，并获取所述末端力传感器的第二感测数据，所述机械臂主机获取所述基座力传感器的第二感测数据；所述工控机根据所述末端力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第一校准数据，并基于所述第一校准数据校准所述末端力传感器；所述机械臂主机根据所述基座力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第二校准数据，并基于所述第二校准数据校准所述基座力传感器；所述机械臂主机还将所述第二校准数据发送给所述工控机；所述机械臂主机还基于所述第二校准数据计算所述基座力传感器的合力；当所述基座力传感器的合力大于所述碰撞力阈值时，所述机械臂主机控制所述机械臂回到所述零点位置；所述工控机接收所述第二校准数据，并基于所述第一校准数据和所述第二校准数据计算感测数据差值；所述工控机根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式；当确定所述机械臂处于非正常工作模式时，所述工控机基于所述第二校准数据计算所述基座力传感器的合力；及当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力时，所述工控机控制所述机械臂停止运动。
可选地，当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力的持续时长大于预设时长时，所述工控机还控制机械臂回到零点位置，并发出相关警示。
所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述机械臂控制方法。
本申请实施例中所述的机械臂控制方法及系统、工控机及存储介质，能够保证机械臂在整个使用过程的使用安全。具体地，对于机械臂本身保护力过低的问题，通过增加基座力传感器实时检测机械臂的碰撞力，提高碰撞检测精度；通过基座力传感器的碰撞检测与末端力传感器的配合使用，在较小碰撞力时，可以智能的区分使末端力控还是碰撞检测；此外，在出现基座力传感器或末端力传感器无法正常运行时，可以保证整个系统的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本申请较佳实施例提供的机械臂控制系统的应连接框图。
图2示意了机械臂与基座力传感器和末端力传感器的连接示意图。
图3是本申请较佳实施例提供的工控机的框图。
图4是本申请较佳实施例提供的机械臂主机的框图。
图5是本申请较佳实施例提供的机械臂控制方法的第一流程图。
图6是本申请较佳实施例提供的机械臂控制方法的第二流程图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
参阅图1所示，为本申请较佳实施例提供的机械臂控制系统的连接框图。请同时参阅图2所示，图2示意了机械臂与基座力传感器和末端力传感器的连接示意图。本实施例中，机械臂控制系统100用于对机械臂200在使用过程中的使用安全进行管控。本实施例中，所述机械臂200可以为六轴协作机械臂或者六轴以上的协作机械臂。
本实施例中，机械臂控制系统100包括工控机1、与该工控机1通过交换机2分别通讯连接的末端力传感器3、机械臂主机4以及基座力传感器5。本实施例通过该交换机2将所述工控机1、末端力传感器3、机械臂主机4以及基座力传感器5的IP地址设置为同一网段，有利通讯信号的传输。另外，本实施例的图1中示出的电压24V为举例说明，不应解释为对本申请的限制。需要说明的是，所述工控机1与末端力传感器3、机械臂主机4以及基座力传感器5之间的通信不限于网络通信方式，也可以是串口通信、CAN(Controller Area Network)通信和EtherCAT(Ethernet Control Automation Technology)通信方式。
结合图2所示，本本实施例中，所述机械臂200的一端设置所述基座力传感器5，另一端设置所述末端力传感器3，所述末端力传感器3直接或者间接地连接一探头(图中未示意)。本实施例中，所述工控机1或者所述机械臂主机4可以控制所述机械臂200移动所述探头对患者执行医学超声检测。在一个实施例中，所述机械臂200可以为远程超声诊断系统中用于在病人端对患者进行超声检查时所使用的机械臂。需要说明的是，远程超声诊断系统通常可以分为医生端和病人端。病人端响应医生端发送过来的位置姿态信号控制机械臂带动探头以进行超声检测。本实施例中，所述末端力传感器3和基座力传感器5为压力传感器。当与所述末端力传感器3直接或间接连接的探头与患者接触时，所述末端力传感器3用于感测该探头与患者之间的压力值。所述基座力传感器5用于感测所述机械臂200的压力值。
在一个实施例中，所述末端力传感器3采用三维坐标系，所述基座力传感器5采用基坐标系。也即末端力传感器3、基座力传感器5可以都采用笛卡尔坐标系。
参阅图3所示，本申请的较佳实施例中，所述工控机1包括互相之间电气连接的存储器11、至少一个处理器12。参阅图4所示，所述机械臂主机4包括互相之间电气连接的存储器41、至少一个处理器42。
本领域技术人员应该了解，图3示出的工控机1和图4示出的机械臂主机4的结构并不构成本申请实施例的限定。所述工控机1和机械臂主机4还可以分别包括比图示更多或更少的其他硬件或者软件，或者不同的部件布置。例如，所述工控机1和机械臂主机4还可以分别包括显示屏。
在一些实施例中，所述工控机1和机械臂主机4分别包括一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的终端，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路、可编程门阵列、数字处理器及嵌入式设备等。
需要说明的是，所述工控机1和机械臂主机4仅为举例，其他现有的或今后可能出现的电子产品如可适应于本申请，也应包含在本申请的保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在一些实施例中，所述存储器11和存储器41可以分别用于存储计算机程序的程序代码和各种数据。例如，所述存储器11可以用于存储安装在所述工控机1中的机械臂使用安全管控系统110，并在工控机1的运行过程中实现高速、自动地完成程序或数据的存取。所述存储器41可以用于存储安装在所述机械臂主机4中的机械臂使用安全管控系统410，并在机械臂主机4的运行过程中实现高速、自动地完成程序或数据的存取。所述存储器11和存储器41可以是包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM)、电子擦除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他存储介质。
在一些实施例中，所述至少一个处理器12和至少一个处理器42可以分别由集成电路组成。例如，可以分别由单个封装的集成电路所组成，也可以是分别由多个相同功能或不同功能封装的集成电路所组成，包括一个或者多个中央处理器(Central Processingunit，CPU)、微处理器、数字处理芯片、图形处理器及各种控制芯片的组合等。所述至少一个处理器12是所述工控机1的控制核心(Control Unit)，利用各种接口和线路连接整个工控机1的各个部件，通过运行或执行存储在所述存储器11内的程序或者模块，以及调用存储在所述存储器11内的数据，以执行工控机1的各种功能和处理数据，例如，对所述机械臂200的使用安全进行管控的功能(具体细节后面介绍)。所述至少一个处理器42是所述机械臂主机4的控制核心(Control Unit)，利用各种接口和线路连接整个机械臂主机4的各个部件，通过运行或执行存储在所述存储器41内的程序或者模块，以及调用存储在所述存储器41内的数据，以执行机械臂主机4的各种功能和处理数据，例如对所述机械臂200的使用安全进行管控的功能(具体细节后面介绍)。
在本实施例中，机械臂使用安全管控系统110和机械臂使用安全管控系统410可以分别包括一个或多个模块，所述一个或多个模块分别存储在所述存储器11和存储器41中，并分别由至一个或多个处理器(本实施例分别为处理器12和处理器42)执行，以完成本申请。本申请所称的模块是能够完成一特定功能的计算机程序的程序段。
图5是本申请较佳实施例提供的机械臂控制方法的第一流程图。
本实施例以所述机械臂控制方法应用于远程超声诊断系统为例进行说明。通常来讲，远程超声诊断系统会包括通过远程通讯连接的医生端和病人端。本实施例以所述机械臂控制方法应用于病人端的工控机1中为例说明书。对于需要进行机械臂控制的工控机1，可以直接在工控机1上集成本申请的方法所提供的用于机械臂控制的功能，或者以软件开发工具包(Software Development Kit，SDK)的形式运行在工控机1上。
如图5所示，所述机械臂控制方法具体包括以下步骤，根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略。
步骤S1、所述工控机1获取探头的信息，并根据探头的信息确定一个最大保护力Fmax和一个碰撞力阈值F_Rmax。
在一个实施例中，所述探头的信息包括所述探头的型号。不同型号的探头用于检测的类别可以不同。在一个实施例中，不同类别的检测所对应的机械臂200的最大保护力不同。
以所述探头用于检测甲状腺浅表为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为20N；以所述探头用于检测腹部为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为60N；以所述探头用于检测心脏为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为40N。
在一个实施例中，所述碰撞力阈值等于所述最大保护力与预设的一个力值之和。在一个实施例中，所述预设的力值根据实际需要设置，例如该预设的力值为20，即F_Rmax＝Fmax+20。
在一个实施例中，所述工控机1还可以将所获取的探头的信息与医生端所选取的探头的信息进行比较，当两者一致时，则确定所述机械臂200所夹持的所述探头正确，然后开始执行步骤S2。当两者不一致时，则确定所述机械臂200所夹持的所述探头有误，发出提示。
在一个实施例中，医生端可以将所选取的探头的信息发送给所述工控机1。
步骤S2、所述工控机1获取所述基座力传感器5的第一感测数据和所述末端力传感器3的第一感测数据。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的第一感测数据包括X轴方向的压力值Fx0、Y轴方向的压力值Fy0、Z轴方向的压力值Fz0。所述末端力传感器3的第一感测数据包括X轴方向的压力值fx0、Y轴方向的压力值fy0、Z轴方向的压力值fz0。
步骤S3、所述工控机1控制所述机械臂200运动，获取所述基座力传感器5的第二感测数据和所述末端力传感器的第二感测数据。
在一个实施例中，所述工控机1响应医生端发送的机械臂200的位置姿态信号来控制所述机械臂200运动。需要说明的是，当所述机械臂200启动后所述工控机1响应医生端发送的位置姿态信号控制所述机械臂200运动之前，所述工控机1于机械臂200运动到零点位置时获取所述基座力传感器5的第二感测数据和所述末端力传感器3的第二感测数据。还需要说明的是，当从步骤S7回到步骤S3时，所述工控机1是基于所述机械臂200当前所在位置来获取所述基座力传感器5当前所感测的数据和所述末端力传感器3当前所感测的数据。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的第二感测数据包括X轴方向的压力值Fx、Y轴方向的压力值Fy、Z轴方向的压力值Fz。所述末端力传感器3的第二感测数据包括X轴方向的压力值fx、Y轴方向的压力值fy、Z轴方向的压力值fz。
在一个实施例中，所述工控机1还将所述末端力传感器3的感测数据(即所述末端力传感器3的第一感测数据和第二感测数据)转换为所述基座力传感器5的极坐标系中的数据。
具体地，所述工控机1根据如下公式对所述末端力传感器3的感测数据进行转换：其中：FE-B表示末端力传感器3在基座力传感器5的极坐标系中的数值；/>表示末端力传感器3中的坐标到基座力传感器5中的坐标的转换矩阵，/>可以由机械臂200实时姿态确定；FE表示末端力传感器3在该末端力传感器3的三维坐标系中的数值。
在一个实施例中，所述工控机1还对所述末端力传感器3的感测数据以及所述基座力传感器5的感测数据(即所述基座力传感器5的第一感测数据和第二感测数据)进行滤波处理，减少机械臂200本身抖动对所述感测数据产生的影响。
步骤S4、所述工控机1根据所述末端力传感器3的第一感测数据和第二感测数据获得第一校准数据，并基于所述第一校准数据校准所述末端力传感器3。所述工控机1根据所述基座力传感器5的第一感测数据和第二感测数据获得第二校准数据，并基于所述第二校准数据校准所述基座力传感器5并计算所述基座力传感器5的合力。
在一个实施例中，所述第一校准数据包括Δfx、Δfy、Δfz，其中，Δfx＝fx-fx0；Δfy＝fy-fy0；Δfz＝fz-fz0。所述工控机1基于Δfx、Δfy、Δfz校准所述末端力传感器3的零点。
在一个实施例中，所述第二校准数据包括ΔFx、ΔFy、ΔFz，其中，ΔFx＝Fx-Fx0；ΔFy＝Fy-Fy0；ΔFz＝Fz-Fz0。所述工控机1基于ΔFx、ΔFy、ΔFz校准所述基座力传感器5的零点。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的合力
步骤S5、所述工控机1判断所述基座力传感器5的合力是否大于所述碰撞力阈值。当所述基座力传感器的合力大于所述碰撞力阈值时，执行步骤S12，所述工控机1控制所述机械臂回到所述零点位置，并发相关的警示。当所述基座力传感器的合力小于或者等于所述碰撞力阈值时，执行步骤S6。
步骤S6、当所述基座力传感器5的合力小于或者等于所述碰撞力阈值时，所述工控机1计算所述基座力传感器5和所述末端力传感器3之间的感测数据差值。
在一个实施例中，所述感测数据差值包括第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3，其中，d1＝|ΔFx-Δfx|，d2＝|ΔFy-Δfy|，d3＝|ΔFz-Δfz|。
步骤S7、所述工控机1根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂200是否处于非正常工作模式。当确定所述机械臂200处于正常工作模式时，回到步骤S3。当确定所述机械臂200处于非正常工作模式时，触发对所述机械臂200的力保护机制，执行步骤S9。
需要说明的是，执行步骤S9至步骤S12也即是对所述机械臂200实施力保护机制。
在一个实施例中，所述根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂200是否处于非正常工作模式包括：
当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3中任意一者大于预设值(例如6N)时，确定所述机械臂200处于非正常工作模式；及
当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3均小于或等于所述预设值时，确定所述机械臂200处于正常工作模式。
步骤S9、当确定所述机械臂200处于非正常工作模式时，所述工控机1判断所述基座力传感器5的合力是否大于所述最大保护力。当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力时，执行步骤S10。当所述基座力传感器5的合力小于或者等于所述最大保护力时，回到步骤S6。
步骤S6涉及d1、d2、d3的计算，计算d1时需利用ΔFx和Δfx，计算d2需用到ΔFy和Δfy，计算d3需用到ΔFz和Δfz。需要说明的是，当再回到步骤S6时，该ΔFx、ΔFy、ΔFz是利用所述基座力传感器5的所述第一感测数据以及该基座力传感器5当前所感测的第三感测数据(在X轴方向的压力值Fx1、Y轴方向的压力值Fy1、Z轴方向的压力值Fz1)来计算的。同样地，Δfx、Δfy、Δfz是利用所述末端力传感器3的所述第一感测数据以及该末端力传感器3当前所感测的第三感测数据(X轴方向的压力值fx1、Y轴方向的压力值fy1、Z轴方向的压力值fz1)来计算的。即Δfx＝fx1-fx0；Δfy＝fy1-fy0；Δfz＝fz1-fz0。ΔFx＝Fx1-Fx0；ΔFy＝Fy1-Fy0；ΔFz＝Fz1-Fz0。
步骤S10、当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力时，所述工控机1控制所述机械臂200停止运动，即使得所述机械臂200静止。
具体地，所述工控机1可以通过屏蔽机械臂200的位置姿态信号，从而使得机械臂200停止运动。
在一个实施例中，当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力时，所述工控机1还统计所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长。
步骤S11、所述工控机1判断所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长是否大于预设时长(例如500毫秒)。当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长大于所述预设时长时，执行步骤S12。当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长小于或者等于所述预设时长时，回到步骤S6。
步骤S12、当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长大于预设时长时，所述工控机1控制机械臂200回到所述零点位置，并发出相关警示。
在一个实施例中，所述工控机1可以发出保护力值过大的警示。以本申请应用于远程超声诊断系统为例，所述工控机1还可以向医生端发出保护力值过大的通知，由此所述医生端可以进行相应的提示，提示保护力值过大。
图6是本申请较佳实施例提供的机械臂控制方法的第二流程图。
本实施例以所述机械臂控制方法应用于远程超声诊断系统为例进行说明。通常来讲，远程超声诊断系统会包括通过远程通讯连接的医生端和病人端。病人端的主控机1和机械臂主机4通过控制机械臂200携带探头改变与患者的接触位置来实现对患者的超声检测。也即，对于需要进行机械臂控制的主控机1以及机械臂主机4而言，可以分别直接在主控机1以及机械臂主机4上对应集成本申请的方法所提供的用于机械臂控制的功能，或者以软件开发工具包(Software Development Kit，SDK)的形式分别运行在主控机1以及机械臂主机4上。
如图6所示，所述机械臂控制方法具体包括以下步骤，根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略。
为清楚说明本申请，结合图6，下面先对主控机1所执行的主要步骤作说明：
步骤S31、所述工控机1接收所述机械臂主机4发送的探头的信息。
在一个实施例中，所述探头的信息包括所述探头的型号。不同型号的探头用于检测的类别可以不同。
步骤S32、所述工控机1根据所述探头的信息确定一个最大保护力。
在一个实施例中，不同类别的检测所对应的机械臂200的最大保护力不同。
以所述探头用于检测甲状腺浅表为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为20N；以所述探头用于检测腹部为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为60N；以所述探头用于检测心脏为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为40N。
步骤S33、所述工控机1获取所述末端力传感器3的第一感测数据。
在一个实施例中，所述末端力传感器3的第一感测数据包括X轴方向的压力值fx0、Y轴方向的压力值fy0、Z轴方向的压力值fz0。
步骤S34、所述工控机1响应医生端发送的位置姿态信号控制机械臂200运动。
步骤S35、所述工控机1获取所述末端力传感器3的第二感测数据。
需要说明的是，当所述机械臂200启动后，所述工控机1响应医生端发送的位置姿态信号控制所述机械臂200运动之前，所述工控机1于所述机械臂200运动到零点位置时获取所述末端力传感器3的第二感测数据。还需要说明的是，当从步骤S38回到步骤S34再回到步骤S35时，所述工控机1是基于所述机械臂200当前所在位置来获取所述基座力传感器5当前所感测的数据和所述末端力传感器3当前所感测的数据。
在一个实施例中，所述末端力传感器3的第二感测数据包括X轴方向的压力值fx、Y轴方向的压力值fy、Z轴方向的压力值fz。
步骤S36、所述工控机1根据所述末端力传感器3的第一感测数据和第二感测数据获得第一校准数据，并基于所述第一校准数据校准所述末端力传感器3。
在一个实施例中，所述第一校准数据包括Δfx、Δfy、Δfz，其中，Δfx＝fx-fx0；Δfy＝fy-fy0；Δfz＝fz-fz0。所述工控机1基于Δfx、Δfy、Δfz校准所述末端力传感器3的零点。
步骤S37、所述工控机1接收所述机械臂主机4发送的基座力传感器4的第二校准数据，并基于所述第一校准数据和所述第二校准数据计算感测数据差值。
在一个实施例中，所述感测数据差值包括第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3，其中，d1＝|ΔFx-Δfx|，d2＝|ΔFy-Δfy|，d3＝|ΔFz-Δfz|。
步骤S38、所述工控机1根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式。当确定所述机械臂200处于正常工作模式时，回到步骤S34。当确定所述机械臂200处于非正常工作模式时，触发对所述机械臂200的力保护机制，执行步骤S39。
需要说明的是，执行步骤S39至步骤S43也即是对所述机械臂200实施力保护机制。
在一个实施例中，所述根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂200是否处于非正常工作模式包括：
当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3中任意一者大于预设值(例如6N)时，确定所述机械臂200处于非正常工作模式；及
当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3均小于或等于所述预设值时，确定所述机械臂200处于正常工作模式。
步骤S39、当确定所述机械臂200处于非正常工作模式时，所述工控机1基于所述第二校准数据计算所述基座力传感器5的合力。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的合力
步骤S40、所述工控机1判断所述基座力传感器5的合力是否大于所述最大保护力。当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力时，执行步骤S41。当所述基座力传感器5的合力小于或者等于所述最大保护力时，回到步骤S37。
需要说明的是，步骤S38涉及d1、d2、d3的计算，计算d1时需利用ΔFx和Δfx，计算d2需用到ΔFy和Δfy，计算d3需用到ΔFz和Δfz。需要说明的是，当当回到步骤S37，流程再行执行到步骤S38时，该ΔFx、ΔFy、ΔFz是利用所述基座力传感器5的所述第一感测数据以及该基座力传感器5当前所感测的数据(例如该基座力传感器5当前所感测的数据包括：在X轴方向的压力值Fx1、Y轴方向的压力值Fy1、Z轴方向的压力值Fz1)来计算的。同样地，Δfx、Δfy、Δfz是利用所述末端力传感器3的所述第一感测数据以及该末端力传感器3当前所感测的数据(例如该末端力传感器3当前所感测的数据包括：X轴方向的压力值fx1、Y轴方向的压力值fy1、Z轴方向的压力值fz1)来计算的。即Δfx＝fx1-fx0；Δfy＝fy1-fy0；Δfz＝fz1-fz0。ΔFx＝Fx1-Fx0；ΔFy＝Fy1-Fy0；ΔFz＝Fz1-Fz0。
步骤S41、当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力时，所述工控机1控制所述机械臂200停止运动，即使得所述机械臂200静止。
具体地，所述工控机1可以通过屏蔽机械臂200的位置姿态信号从而使得机械臂200停止运动。
在一个实施例中，当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力时，所述工控机1还统计所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长。
步骤S42、所述工控机1判断所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长是否大于预设时长(例如500毫秒)。当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长大于所述预设时长时，执行步骤S43。当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长小于或者等于所述预设时长时，回到步骤S40。
步骤S43、当所述基座力传感器5的合力大于所述最大保护力的持续时长大于预设时长时，所述工控机1控制机械臂200回到所述零点位置，并发出相关警示。
在一个实施例中，所述工控机1可以发出保护力值过大的警示。以本申请应用于远程超声诊断系统为例，所述工控机1还可以向医生端发出保护力值过大的通知，由此所述医生端可以进行相应的提示，提示保护力值过大。
下面对机械臂主机4所执行的主要步骤作说明：
步骤S51、所述机械臂主机4获取所述探头的信息，将所述探头的信息发送给所述工控机1。
在一个实施例中，所述探头的信息包括所述探头的型号。不同型号的探头用于检测的类别可以不同。
具体地，不同型号的探头安装到所述机械臂200会触发输出不同的信号，由此，所述机械臂主机4可根据所输出的信号来确定探头的信息。步骤S52、所述机械臂主机4根据所述探头的信息确定一个碰撞力阈值F_Rmax。
在一个实施例中，不同类别的检测所对应的机械臂200的最大保护力不同。
以所述探头用于检测甲状腺浅表为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为20N；以所述探头用于检测腹部为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为60N；以所述探头用于检测心脏为例，则所述最大保护力Fmax可以确定为40N。
在一个实施例中，所述碰撞力阈值等于所述最大保护力与预设的一个力值之和。在一个实施例中，所述预设的力值根据实际需要设置，例如该预设的力值为20，即F_Rmax＝Fmax+20。
在一个实施例中，在执行步骤S52之前所述机械臂主机4还根据所获取的所述探头的信息确定所述机械臂200所夹持的探头(也即是与所述末端力传感器3连接的探头)是否正确。
具体地，所述机械臂主机4可以将步骤S51中所获取的探头的信息与医生端所选取的探头的信息进行比较，当两者一致时，则确定所述机械臂200所夹持的探头正确，然后开始执行步骤S52。当两者不一致时，则确定所述机械臂200所夹持的探头有误，发出提示。
在一个实施例中，医生端可以将所选取的探头的信息发送给所述机械臂主机4。
步骤S53、所述机械臂主机4获取所述基座力传感器5的第一感测数据。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的第一感测数据包括X轴方向的压力值Fx0、Y轴方向的压力值Fy0、Z轴方向的压力值Fz0。
需要说明的是，所述基座力传感器5的第一感测数据是所述机械臂主机4启动的时候所获取的初始值。
步骤S54、所述机械臂主机4获取所述基座力传感器5的第二感测数据。
需要说明的是，当所述机械臂200启动后响应医生端发送的位置姿态信号运动之前，所述机械臂主机4首先于所述机械臂200运动到了零点位置时获取所述基座力传感器5的第二感测数据。还需要说明的是，当从步骤S58回到步骤S54时，所述机械臂主机4是基于所述机械臂200当前所在位置来获取所述基座力传感器5当前所感测的数据。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的第二感测数据包括X轴方向的压力值Fx、Y轴方向的压力值Fy、Z轴方向的压力值Fz。
步骤S55、所述机械臂主机4根据所述基座力传感器5的第一感测数据和第二感测数据获得第二校准数据，并基于所述第二校准数据校准所述基座力传感器5。
在一个实施例中，所述第二校准数据包括ΔFx、ΔFy、ΔFz，其中，ΔFx＝Fx-Fx0；ΔFy＝Fy-Fy0；ΔFz＝Fz-Fz0。所述机械臂主机4基于ΔFx、ΔFy、ΔFz校准所述基座力传感器5的零点。
步骤S56、所述机械臂主机4将所述第二校准数据发送给所述工控机1。
步骤S57、所述机械臂主机4基于所述第二校准数据计算所述基座力传感器5的合力。
在一个实施例中，所述基座力传感器5的合力
步骤S58、所述机械臂主机4判断所述基座力传感器5的合力是否大于所述碰撞力阈值。当所述基座力传感器5的合力大于所述碰撞力阈值时，执行步骤S59。当所述基座力传感器5的合力小于或者等于所述碰撞力阈值时，回到步骤S54。
需要说明的是，当回到步骤S54时，所述机械臂主机4所获取的所述基座力传感器5的第二感测数据是指该基座力传感器5当前所感测的数据。
步骤S59、当所述基座力传感器5的合力大于所述碰撞力阈值时，所述机械臂主机4控制所述机械臂200回到所述零点位置。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的计算机可读存储介质，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种机械臂控制方法，用于对机械臂的使用安全进行管控，其特征在于，该机械臂的一端设置有基座力传感器，另一端设置有末端力传感器，所述末端力传感器直接或者间接地连接一探头，所述方法包括：
获取所述探头的信息，并根据所述探头的信息确定一个最大保护力和一个碰撞力阈值；
获取所述基座力传感器的第一感测数据和所述末端力传感器的第一感测数据；
控制所述机械臂运动，并获取所述基座力传感器的第二感测数据和所述末端力传感器的第二感测数据；
根据所述末端力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第一校准数据，并基于所述第一校准数据校准所述末端力传感器，以及根据所述基座力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第二校准数据，并基于所述第二校准数据校准所述基座力传感器并计算所述基座力传感器的合力；
当所述基座力传感器的合力大于所述碰撞力阈值时，控制所述机械臂回到零点位置；
当所述基座力传感器的合力小于或者等于所述碰撞力阈值时，计算所述基座力传感器和所述末端力传感器之间的感测数据差值；
根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式；及
当确定所述机械臂处于非正常工作模式时，触发对所述机械臂的力保护机制。
2.如权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述对所述机械臂的力保护机制包括：
当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力时，控制所述机械臂停止运动。
3.如权利要求2所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述对所述机械臂的力保护机制还包括：
当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力的持续时长大于预设时长时，控制机械臂回到零点位置，并发出相关警示。
4.如权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述基座力传感器的第一感测数据包括X轴方向的压力值Fx0、Y轴方向的压力值Fy0、Z轴方向的压力值Fz0；所述基座力传感器的第二感测数据包括X轴方向的压力值Fx、Y轴方向的压力值Fy、Z轴方向的压力值Fz；所述末端力传感器的第一感测数据包括X轴方向的压力值fx0、Y轴方向的压力值fy0、Z轴方向的压力值fz0；所述末端力传感器的第二感测数据包括X轴方向的压力值fx、Y轴方向的压力值fy、Z轴方向的压力值fz；
其中，所述第一校准数据包括Δfx、Δfy、Δfz，其中，Δfx＝fx-fx0；Δfy＝fy-fy0；Δfz＝fz-fz0；该方法基于Δfx、Δfy、Δfz校准所述末端力传感器的零点；
其中，所述第二校准数据包括ΔFx、ΔFy、ΔFz，其中，ΔFx＝Fx-Fx0；ΔFy＝Fy-Fy0；ΔFz＝Fz-Fz0；该方法基于ΔFx、ΔFy、ΔFz校准所述基座力传感器的零点。
5.如权利要求4所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述感测数据差值包括第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3，其中，d1＝|ΔFx-Δfx|，d2＝|ΔFy-Δfy|，d3＝|ΔFz-Δfz|；
所述根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式包括：
当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3中任意一者大于预设值时，确定所述机械臂处于非正常工作模式；及
当所述第一差值d1、第二差值d2、以及第三差值d3均小于或等于所述预设值时，确定所述机械臂处于正常工作模式。
6.如权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，该方法还包括：
在获取到所述末端力传感器的感测数据之后，将所述末端力传感器的感测数据转换为所述基座力传感器的极坐标系中的数据；及
对所述末端力传感器的感测数据以及所述基座力传感器的感测数据进行滤波处理。
7.一种工控机，所述工控机包括存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中所存储的计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述机械臂控制方法。
8.一种机械臂控制系统，用于对机械臂的使用安全进行管控，其特征在于，该系统包括工控机、与该工控机通过交换机分别通讯连接的末端力传感器、机械臂主机以及基座力传感器；所述机械臂的一端设置所述基座力传感器，另一端设置所述末端力传感器，所述末端力传感器直接或者间接地连接一探头，
所述机械臂主机获取所述探头的信息，并根据所述探头的信息确定一个碰撞力阈值；所述机械臂主机将所述探头的信息发送给所述工控机；
所述工控机接收所述探头的信息，并根据所述探头的信息确定一个最大保护力；
所述机械臂主机获取所述基座力传感器的第一感测数据；
所述工控机获取所述末端力传感器的第一感测数据；
所述工控机控制所述机械臂运动，并获取所述末端力传感器的第二感测数据，所述机械臂主机获取所述基座力传感器的第二感测数据；
所述工控机根据所述末端力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第一校准数据，并基于所述第一校准数据校准所述末端力传感器；
所述机械臂主机根据所述基座力传感器的第一感测数据和第二感测数据获得第二校准数据，并基于所述第二校准数据校准所述基座力传感器；所述机械臂主机还将所述第二校准数据发送给所述工控机；所述机械臂主机还基于所述第二校准数据计算所述基座力传感器的合力；当所述基座力传感器的合力大于所述碰撞力阈值时，所述机械臂主机控制所述机械臂回到零点位置；
所述工控机接收所述第二校准数据，并基于所述第一校准数据和所述第二校准数据计算感测数据差值；
所述工控机根据所述感测数据差值与预设的阈值之间的比较确定所述机械臂是否处于非正常工作模式；
当确定所述机械臂处于非正常工作模式时，所述工控机基于所述第二校准数据计算所述基座力传感器的合力；及
当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力时，所述工控机控制所述机械臂停止运动。
9.如权利要求8所述的机械臂控制系统，其特征在于，当所述基座力传感器的合力大于所述最大保护力的持续时长大于预设时长时，所述工控机还控制机械臂回到零点位置，并发出相关警示。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任意一项所述机械臂控制方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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