CN115570571A - 超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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韩冬
付中涛
张少华
王能
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张武
张宁
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Abstract

本发明涉及超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；通过超声探头获取行进路径是否存在限位条件；若存在急转弯条件和/或限位条件，根据超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；根据插值步长，逐步调整超声探头的运动状态。本发明实施例提供的超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质，其中该方法通过判断超声探头是否存在急转弯和/或限位的情况，如果有则通过计算当前位置与最终停止和/或转向位置之间的距离，顺序计算每一步的插值步长，保证了超声扫描机器人运动可靠性。

Description

超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及超声扫描技术领域，尤其涉及一种超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
现有超声扫描机器人，尤其是采用分离式设计的超声扫描机器人，利用医生端所使用的仿形探头对病人端所使用的超声探头进行通信连接并控制移动，从而实现对病灶区域的扫描。
但病人端所使用的超声探头在实际扫描的过程中，由于采用机械臂与超声探头联动的方式进行扫描，因此在病灶处尤其是边缘区域会出现急转弯、限位的情况，采用急停方式将会对机械臂的平稳性以及病人的身体造成损伤，因此需要一种针对超声扫描机器人的可靠的运动规划方法。
发明内容
本发明提供一种超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质，目的在于保证超声探头运动过程中的可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种超声扫描机器人运动规划方法，包括：
根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；
通过超声探头获取行进路径是否存在限位条件；
若存在急转弯条件和/或限位条件，根据超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；
根据插值步长，逐步调整超声探头的运动状态。
可选地，超声探头相邻时刻的位置信息包括当前位置信息，相同时间间隔下的前一时刻位置信息以及下一时刻位置信息；
急转弯条件包括是位移急转弯条件和/或是姿态急转弯条件。
可选地，根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件，具体包括：
分别获取当前位置信息与前一时刻位置信息的第一差值以及下一时刻位置信息与当前位置信息的第二差值；
计算第一差值与第二差值的向量夹角；
若向量夹角大于夹角阈值，存在急转弯。
可选地，计算插值步长，具体包括：
计算当前位置与目标位置的距离值；
若距离值小于超声探头的加-制动距离阈值，计算得到插值步长；
若距离值大于超声探头的加-制动距离阈值，比较加-制动时间周期与超声探头的加速运动时间，确定运动时间，计算得到插值步长；其中加速运动时间是包含加速运动的运动时间周期。
可选地，若加-制动时间周期大于加速运动时间，则选定加速运动时间为运动时间；
若加-制动时间周期小于加速运动时间，则选定加-制动时间周期为运动时间。
可选地，计算插值步长之后，还包括根据运动周期，调整插值步长。
可选地，限位条件包括碰撞、角度限制以及位置限制。
第二方面，本发明实施例提出了一种超声扫描机器人运动规划装置，应用第一方面所提出的超声扫描机器人运动规划方法，包括：
急转弯判定模块，用于根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；
限位判定模块，用于通过超声探头获取行进路径是否存在限位条件；
插值步长计算模块，用于存在急转弯条件和/或限位条件，根据超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；
运动状态调整模块，用于根据插值步长，逐步调整超声探头的运动状态。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，电子设备包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现如本发明任意实施例提供的超声扫描机器人运动规划方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如本发明任意实施例提供的超声扫描机器人运动规划方法。
本发明实施例提供的超声扫描机器人运动规划方法、装置、设备及存储介质，其中该方法通过判断超声探头是否存在急转弯和/或限位的情况，如果有则通过计算当前位置与最终停止和/或转向位置之间的距离，顺序计算每一步的插值步长，保证了超声扫描机器人运动可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划方法中判定急转弯条件的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划方法中计算插值步长的流程图；
图4是本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划方法中判定加-制动时间周期与加速运动时间的流程图；
图5是本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划设备的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划方法中位移急转弯的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划方法中姿态急转弯的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
现阶段所使用的超声扫描机器人由于采用机械臂与超声探头联动的方式进行扫描，因此在病灶处尤其是边缘区域会出现急转弯、限位的情况，采用急停方式将会对机械臂的平稳性以及病人的身体造成损伤，因此需要一种针对超声扫描机器人的可靠的运动规划方法。
实施例一
本发明针对以上不足，提出一种超声扫描机器人运动规划方法，如图1所示，包括：
S10：根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件。急转弯的判断过程中需要在超声探头的移动位置上添加过渡点，该过渡点是超声探头在减速至速度为0的点，并在此过渡点上完成移动方向的转换。
通常在判定急转弯的过程中采用位移急转弯条件和/或姿态急转弯的两种判定方式。两者的区别在于姿态急转弯是在超声扫描机器人所属工具坐标系为基础，利用旋转矩阵将超声探头在相邻时刻内的向量转移到工具坐标系，在此坐标系下进行判断。
在判定位移急转弯的情况下，如图2所示，上述步骤S10具体包括：
S11：分别获取当前位置信息与前一时刻位置信息的第一差值以及下一时刻位置信息与当前位置信息的第二差值；
具体地，设定前一时刻位置信息为Ptar0，当前位置信息Pcur以及下一时刻位置信息Ptar，分别计算第一差值I1以及第二差值I2。
I1＝Pcur-Ptar0
I2＝Ptar-Pcur
S12：计算第一差值与第二差值的向量夹角；
夹角计算公式如下：
Figure BDA0003910181970000051
S13：若向量夹角θp大于夹角阈值εp，存在急转弯。一种可选的实施方式如εp取值为120°，第一差值I1以及第二差值I2的矢量方向如图7所示。
同理，在判定姿态急转弯的过程中，首先在超声扫描机器人所属工具坐标系的Z轴方向布置点Q(0,0,-d)，并通过该工具坐标系下的旋转矩阵将前一时刻位置信息为Ptar0，当前位置信息Pcur以及下一时刻位置信息Ptar转换为工具坐标系下的位置信息，即：
Rtar0＝Ptar0·Q
Rcur＝Pcur·Q
Rtar＝Ptar·Q
其中，Rtar0、Rcur、Rtar分别表示工作坐标系下前一时刻位置信息、前位置信息、下一时刻位置信息。
工具坐标下计算对应的第一差值R1与第二差值R2：
R1＝Rcur-Rtar0
R2＝Rtar-Rcur
对应的夹角计算公式如下：
Figure BDA0003910181970000061
当θr大于该工具坐标系下夹角阈值εr，则认定存在姿态急转弯。工具坐标系下夹角阈值εr取值为120°，即超声探头当前时刻的移动方向与下一时刻的移动方向之间的夹角的取值，如图8所示。
这里需要补充的是，在判定存在位移急转弯和/或姿态急转弯的情况时，过渡点可以被理解为在当前Pcur位置情况下继续滑行一端距离dm下所得到的点。
S20：通过超声探头获取行进路径是否存在限位条件；该限位条件包括碰撞、角度限制以及位置限制等情况。判定的方式的主要通过可以是设置于超声探头末端的摄像头，或者传感器等。
S30：若存在急转弯条件和/或限位条件，根据超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；这里需要说明的是，采用插值步长，通常在当前位置与过渡点之间逐步进行插值，并针对每一步的插值步长进行调整。
具体地，如图3所示，计算插值步长的过程包括：
S31：计算当前位置与目标位置的距离值；上述目标位置可以看作是过渡点，因而该距离值即为从前位置到完全停止位置的距离。通常情况下，该距离中包括了加速距离、匀速距离以及减速距离(制动距离)。并且上述加速距离、匀速距离以及减速距离(制动距离)具有一个整体的距离阈值，即加-加-制动距离阈值。
S32：若距离值小于超声探头的加-制动距离阈值，计算得到插值步长；其中假设距离值为DT，加-制动距离阈值为Sacc-dec，当DT<Sacc-dec时，表明该距离中不能包括有加速、匀速过程，仅采用减速过程。则插值步长为：n＝(1+Vdec·tM)·ni
其中Vdec表示减速过程的速度，tM表示对应的加-制动时间周期。得到的插值步长为一步的步长，继而顺序计算后续的插值步长。
S33：若距离值大于超声探头的加-制动距离阈值，比较加-制动时间周期tM与超声探头的加速运动时间tacc，确定运动时间，计算得到插值步长；其中加速运动时间是包含加速运动的运动时间周期。这里需要说明的是，tM是一个系统预设值，表示加速-匀速-减速的最小时间值。
其中，如图4所示，S331：若加-制动时间周期大于加速运动时间tM>tacc，则选定加速运动时间为运动时间；
n＝(1+Vdec·tacc)·ni
S332：若加-制动时间周期小于加速运动时间tM<tacc，则选定加-制动时间周期tM为运动时间，即：
n＝(1+Vdec·tM)·ni
之后通过令tM＝tM+1，计算得到下一步的插值步长。
S40：根据插值步长，逐步调整超声探头的运动状态。根据上述计算得到的每一步插值步长，驱动机械臂及对应连接的超声探头进行移动。
这里还需要指出的是，计算插值步长之后，还包括根据运动周期，调整插值步长。这是由于存在周期波动的影响，将会使机械臂产生抖动现象，因此通过校正实际的控制周期与期望的控制周期的比值，插值步长的数量，即：
nn＝(Tcl/Tdl)·n
其中Tcl表示实际的控制周期，Tdl表示期望的控制周期。
本发明实施例提供的超声扫描机器人运动规划方法，通过判断超声探头是否存在急转弯和/或限位的情况，如果有则通过计算当前位置与最终停止和/或转向位置之间的距离，顺序计算每一步的插值步长，保证了超声扫描机器人运动可靠性。
实施例二
本发明还提出了一种超声扫描机器人运动规划装置，如图5所示，包括：
急转弯判定模块01，用于根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；其中，急转弯条件包括是位移急转弯条件和/或是姿态急转弯条件。
急转弯判定模块01用以被执行以下操作：
分别获取当前位置信息与前一时刻位置信息的第一差值以及下一时刻位置信息与当前位置信息的第二差值；
计算第一差值与第二差值的向量夹角；
若向量夹角大于夹角阈值，存在急转弯。
限位判定模块02，用于通过超声探头获取行进路径是否存在限位条件；其中限位条件包括碰撞、角度限制以及位置限制。
插值步长计算模块03，用于存在急转弯条件和/或限位条件，根据超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；
插值步长计算模块03被配置以执行以下操作：
计算当前位置与目标位置的距离值；
若距离值小于超声探头的加-制动距离阈值，计算得到插值步长；
若距离值大于超声探头的加-制动距离阈值，比较加-制动时间周期与超声探头的加速运动时间，确定运动时间，计算得到插值步长；其中加速运动时间是包含加速运动的运动时间周期。
其中，若加-制动时间周期大于加速运动时间，则选定加速运动时间为运动时间；
若加-制动时间周期小于加速运动时间，则选定加-制动时间周期为运动时间。并且在计算插值步长之后，还包括根据运动周期，调整插值步长。
运动状态调整模块04，用于根据插值步长，逐步调整超声探头的运动状态。
本发明实施例所提供的一种超声扫描机器人运动规划装置，采用与超声扫描机器人运动规划方法相同的技术手段，达到相同的技术效果，这里不再赘述。
实施例三
图6为本发明实施例提供的一种超声扫描机器人运动规划设备的结构示意图，如图6所示，该超声扫描机器人运动规划设备包括处理器610、存储器620、输入装置630和输出装置640；超声扫描机器人运动规划设备中处理器610的数量可以是一个或多个，图6中以一个处理器610为例；超声扫描机器人运动规划设备中的处理器610、存储器620、输入装置630和输出装置640可以通过总线或其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。
存储器620作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的超声扫描机器人运动规划方法对应的程序指令/模块(例如，急转弯判定模块、限位判定模块、边插值步长计算模块和运动状态调整模块)。处理器610通过运行存储在存储器620中的软件程序、指令以及模块，从而执行超声扫描机器人运动规划设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的超声扫描机器人运动规划方法。
存储器620可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器620可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器620可进一步包括相对于处理器610远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至超声扫描机器人运动规划设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置630可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与超声扫描机器人运动规划设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置640可包括显示屏等显示设备。
实施例四
本发明实施例四还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种超声扫描机器人运动规划方法，包括：
根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；
通过超声探头获取行进路径是否存在限位条件；
若存在急转弯条件和/或限位条件，根据超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；
根据插值步长，逐步调整超声探头的运动状态。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的超声扫描机器人运动规划方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
值得注意的是，上述超声扫描机器人运动规划设备的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，包括：
根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；
通过所述超声探头获取行进路径是否存在限位条件；
若存在急转弯条件和/或限位条件，根据所述超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；
根据所述插值步长，逐步调整所述超声探头的运动状态。
2.根据权利要求1所述的超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，所述超声探头相邻时刻的位置信息包括当前位置信息，相同时间间隔下的前一时刻位置信息以及下一时刻位置信息；
所述急转弯条件包括是位移急转弯条件和/或是姿态急转弯条件。
3.根据权利要求2所述的超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，所述根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件，具体包括：
分别获取所述当前位置信息与所述前一时刻位置信息的第一差值以及所述下一时刻位置信息与所述当前位置信息的第二差值；
计算所述第一差值与第二差值的向量夹角；
若所述向量夹角大于夹角阈值，存在急转弯。
4.根据权利要求1所述的超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，所述计算插值步长，具体包括：
计算所述当前位置与所述目标位置的距离值；
若所述距离值小于所述超声探头的加-制动距离阈值，根据所述距离值计算得到插值步长；
若所述距离值大于所述超声探头的加-制动距离阈值，比较加-制动时间周期与所述超声探头的加速运动时间，确定运动时间，计算得到所述插值步长；其中所述加速运动时间是包含加速运动的运动时间周期。
5.根据权利要求4所述的超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，若所述加-制动时间周期大于所述加速运动时间，则选定所述加速运动时间为所述运动时间；
若所述加-制动时间周期小于所述加速运动时间，则选定所述加-制动时间周期为所述运动时间。
6.根据权利要求1所述的超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，所述计算插值步长之后，还包括根据运动周期，调整所述插值步长。
7.根据权利要求1所述的超声扫描机器人运动规划方法，其特征在于，所述限位条件包括碰撞、角度限制以及位置限制。
8.超声扫描机器人运动规划装置，其特征在于，包括：
急转弯判定模块，用于根据超声探头相邻时刻的位置信息，判定是否存在急转弯条件；
限位判定模块，用于通过所述超声探头获取行进路径是否存在限位条件；
插值步长计算模块，用于存在急转弯条件和/或限位条件，根据所述超声探头当前位置信息与目标位置信息，计算插值步长；
运动状态调整模块，用于根据所述插值步长，逐步调整所述超声探头的运动状态。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一所述的超声扫描机器人运动规划方法。
10.一种包含计算机可执行指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-7中任一所述的超声扫描机器人运动规划方法。
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