CN117442359A - 一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统及方法，本发明涉及无影灯控制领域，包括管理中心和图像采集模块，所述管理中心通信连接有运动控制模块，所述图像采集模块通信连接有图像处理模块，所述图像处理模块通信连接有调光控制模块，所述图像采集模块包括双目相机和激光测距仪，所述图像采集模块用于识别无影灯灯头中心到手术位置的三维信息，为运动控制模块轨迹规划和闭环控制提供依据，本发明通过机械臂等运动部件，完成运动学建模，对安装灯头后的双臂进行运动空间分析，根据实际应用场景的约束条件来限定各关节角的变化范围，保证灯臂能够轻巧地实现预设光照任务。
Description
技术领域
本发明涉及无影灯控制领域，具体是一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统及方法。
背景技术
手术无影灯是医院手术室必备的重要医疗设备之一，其光照位置及亮度能否及时调整将影响到手术的正常进行，无影度等性能好坏将直接关系到手术的质量和病人的健康生命安全。目前国内社区和农村医疗普遍使用的医疗照明灯具光源基本上都是卤素灯，由于其存在的众多问题已经不能完全满足手术的要求，而新的LED医疗手术无影灯虽然很好的解决了部分矛盾，但是始终没有改变传统手术室无影灯的机械结构和使用方式。
手术环境往往是一种具有特殊无菌需求的环境，但在手术过程中医护人员不可避免地要进行一些非患口接触类的人工操作：如随着手术位置、手术步骤的变更，需要实时调整无影灯的照射角度、灯光亮度等光照情况；医生的头、手和器械均会对手术区域造成遮挡形成阴影，需要调整灯架姿态及时消除遮挡阴影等。传统的无影灯系统配有拉动式位置调节器和手动亮度调节器，这种人工处理方式不仅耗时费力，而且容易造成手术环境污染和增加感染风险；同时，这种调节依赖于操作者的自身经验，具有一定的模糊性，无影灯系统的实时性、精确性不够高，可能会影响手术的正常进行，为此，现提供一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统及方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，包括管理中心和图像采集模块，所述管理中心通信连接有运动控制模块，所述图像采集模块通信连接有图像处理模块，所述图像处理模块通信连接有调光控制模块；
所述图像采集模块包括双目相机和激光测距仪，所述图像采集模块用于识别无影灯灯头中心到手术位置的三维信息，为运动控制模块轨迹规划和闭环控制提供依据；
所述图像处理模块包括图像增强单元和图像恢复单元，使得图像的纹理特征更加清晰，进而达到更好的运动目标检测效果；
所述调光控制模块用于完成对被遮挡区域的光照补偿；
所述运动控制模块包括机械臂、无影灯和手术床，所述机械臂与无影灯通过串口通讯连接，所述无影灯与手术床之间同步配合运动，所述运动控制模块用于避免机械臂在移动无影灯的探照过程中出现奇异位姿，所述无影灯作为光源照亮患者的手术部位，并消除因医生的遮挡而产生的阴影，达到无影的效果，所述机械臂为六自由度机械臂；
所述机械臂为串联式机械臂，根据机械臂的自由度配置和结构尺寸，运用D-H参数法表示机械臂的运动，得到运动学模型，基于运动学模型，列出双臂机器人的D-H参数表并计算齐次变换矩阵，根据机械臂的基础机械结构设计，可以列出机械臂的主要结构参数及零位状态下各关节角度，利用正运动学可以建立无影灯末端位置、姿态与各驱动关节变量的关系表达式，利用逆运动学在给定末端位姿前提下，通过代数变换求解各个关节变量。
优选地，所述机械臂包括旋臂和平衡臂，所述旋臂用于实现无影灯的角度旋转，所述平衡臂用于实现无影灯的上下俯仰运动，使得无影灯可以运动到工作空间的任意位置，所述无影灯安装在机械臂的末端。
优选地，所述运动控制模块的工作空间计算过程为：
先从每个关节取值方法区域内随意遍历并选取，而后利用正向运动学方程可得出关节空间到工作空间的映射，求出机械臂末端的一个三维点，在各个关节角的角度范围内，当每个关节变量的随意取值一定多时，把每个得到的三个坐标点标记起来，则可得到机械臂的实际工作空间，也就是所有可达三维点的集合。
优选地，所述图像增强单元用于凸出图像中感兴趣的部分，提高其对比度，从而获得视觉上更为直观的图像。
优选地，所述图像恢复单元利用退化模型来复原或重建原图。
一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制的方法，包括以下步骤：
首先进行准备任务：
步骤一：双臂坐标系配准；
步骤二：机械臂手眼标定；
步骤三：目标光照位置识别与定位；
步骤四：轨迹规划；
随后进行协同任务：
步骤一：主臂移动到目标位置；
步骤二：从臂移动到补光照射为止；
所述准备任务主要为照射目标位置提供引导信息，识别遮挡情况，便于运动控制模块进行预调光、运动路径规划等操作，所述协同任务将运动控制模块中的机械臂在共同表达的坐标系下各自按照路径规划，不干涉无碰撞地达到到目标位置的运动操作，所述双臂包括主机械臂和从机械臂，通过操纵主机械臂跟随特定的运动轨迹，而从机械臂跟随主机械臂运动。
优选地，所述准备任务中步骤四的轨迹规划流程包括以下步骤：
首先对机械臂的双臂坐标系进行配准，使得两个机械臂在同一坐标系下表示，再任意一个同步运动周期内，通过读取主臂、从臂的起点坐标和主臂的协同运动参数，给定主臂的运动目标点后，双臂系统运动控制器对主臂运动轨迹进行插补，获得主臂的协同运动轨迹与相应的运动参数，然后根据双臂协同运动的约束关系可以计算并规划出从臂协同运动轨迹与相应运动参数，最后将双臂运动轨迹进行数据校正，发送同步运动序列到机械臂，完成双臂在一个同步运动周期内的动作。
优选地，根据机械臂的结构参数，并利用机械臂的正运动学构建机械臂与无影灯的骨架模型，然后利用基本集合体构建机械臂与无影灯的动态骨架包围盒模型，根据在机械臂的运动过程中，实时读取每个关节角度，利用正运动学驱动动态骨架包围盒跟踪真实机械臂运动，并通过距离描述函数实时监测设定包围盒件的最小距离，从而将机械臂关节间距离检测简化为包围盒间距离检测，当机械臂互相靠近且达到设定的安全距离时，及时通过控制系统对机器人运动进行干涉，避免机械臂自身发生碰撞，防止机械臂在运动过程中，双臂之间以及单臂和基座之间发生碰撞，进而需要考虑机械臂上所有可能发生碰撞的点，并在运动过程中实时求取可能碰撞点之间的最小距离。
优选地，所述准备任务中步骤三的具体工作过程中为：
首先利用双目相机将采集到的图像进行校正，随后利用投影原理计算出手术区域的遮挡物在光斑上遮挡区域，以及需调节的无影灯的所在位置，然后将运动物体进行特征匹配得到视差图像，根据视差图像在OpenGL中实现对运动遮挡物外轮廓的三维点重建，然后计算光照位置的导航信息，进而完成调光操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过机械臂等运动部件，完成运动学建模，对安装灯头后的双臂进行运动空间分析，根据实际应用场景的约束条件来限定各关节角的变化范围，保证灯臂能够轻巧地实现预设光照任务。
2.本发明根据所使用无影灯的光学条件，针对不同手术部位的光照需求，规划出不同的光照任务，以确定双臂上无影灯的光照配合模式，以及照射位置、光强与显色指数等光学参数，根据无影灯的光照配合模式，确定双臂协同操作的自然与人工约束关系，建立其协同操作运动学模型，保证两机械臂在运动过程中不会造成干涉、引起碰撞，通过轨迹规划的算法，使得智能无影灯能够精准快速地到达预设光照位置，求解双臂机器人各自的运动路径，针对运动过程中可能存在的速度、加速度突变及运动不同步问题进行解决。
3.本发明针对不同的患者及手术情况，提取有效视觉信息以实现运动导航与光照调节，对光照导航系统工作原理进行研究，分别确定双目相机、病灶位置、手术器械等信息的标定方法，建立三维坐标系并完成立体匹配，通过图像处理算法对光照位置进行识别定位。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的轨迹规划流程图；
图3为本发明的方法流程图；
具体实施方式
如图1-图3所示，一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，包括管理中心和图像采集模块，管理中心通信连接有运动控制模块，图像采集模块通信连接有图像处理模块，图像处理模块通信连接有调光控制模块；
图像采集模块包括双目相机和激光测距仪，图像采集模块用于识别无影灯灯头中心到手术位置的三维信息，为运动控制模块轨迹规划和闭环控制提供依据；
图像处理模块包括图像增强单元和图像恢复单元，使得图像的纹理特征更加清晰，进而达到更好的运动目标检测效果；
调光控制模块用于完成对被遮挡区域的光照补偿；
运动控制模块包括机械臂、无影灯和手术床，机械臂与无影灯通过串口通讯连接，无影灯与手术床之间同步配合运动，运动控制模块用于避免机械臂在移动无影灯的探照过程中出现奇异位姿，无影灯作为光源照亮患者的手术部位，并消除因医生的遮挡而产生的阴影，达到无影的效果，机械臂为六自由度机械臂；
机械臂为串联式机械臂，根据机械臂的自由度配置和结构尺寸，运用D-H参数法表示机械臂的运动，得到运动学模型，基于运动学模型，列出双臂机器人的D-H参数表并计算齐次变换矩阵，根据机械臂的基础机械结构设计，可以列出机械臂的主要结构参数及零位状态下各关节角度，利用正运动学可以建立无影灯末端位置、姿态与各驱动关节变量的关系表达式，利用逆运动学在给定末端位姿前提下，通过代数变换求解各个关节变量。
机械臂包括旋臂和平衡臂，旋臂用于实现无影灯的角度旋转，平衡臂用于实现无影灯的上下俯仰运动，使得无影灯可以运动到工作空间的任意位置，无影灯安装在机械臂的末端。
运动控制模块的工作空间计算过程为：
先从每个关节取值方法区域内随意遍历并选取，而后利用正向运动学方程可得出关节空间到工作空间的映射，求出机械臂末端的一个三维点，在各个关节角的角度范围内，当每个关节变量的随意取值一定多时，把每个得到的三个坐标点标记起来，则可得到机械臂的实际工作空间，也就是所有可达三维点的集合。
图像增强单元用于凸出图像中感兴趣的部分，提高其对比度，从而获得视觉上更为直观的图像。
图像恢复单元利用退化模型来复原或重建原图。
一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制的方法，包括以下步骤：
首先进行准备任务：
步骤一：双臂坐标系配准；
步骤二：机械臂手眼标定；
步骤三：目标光照位置识别与定位；
步骤四：轨迹规划；
随后进行协同任务：
步骤一：主臂移动到目标位置；
步骤二：从臂移动到补光照射为止；
准备任务主要为照射目标位置提供引导信息，识别遮挡情况，便于运动控制模块进行预调光、运动路径规划等操作，协同任务将运动控制模块中的机械臂在共同表达的坐标系下各自按照路径规划，不干涉无碰撞地达到到目标位置的运动操作，双臂包括主机械臂和从机械臂，通过操纵主机械臂跟随特定的运动轨迹，而从机械臂跟随主机械臂运动。
准备任务中步骤四的轨迹规划流程包括以下步骤：
首先对机械臂的双臂坐标系进行配准，使得两个机械臂在同一坐标系下表示，再任意一个同步运动周期内，通过读取主臂、从臂的起点坐标和主臂的协同运动参数，给定主臂的运动目标点后，双臂系统运动控制器对主臂运动轨迹进行插补，获得主臂的协同运动轨迹与相应的运动参数，然后根据双臂协同运动的约束关系可以计算并规划出从臂协同运动轨迹与相应运动参数，最后将双臂运动轨迹进行数据校正，发送同步运动序列到机械臂，完成双臂在一个同步运动周期内的动作。
根据机械臂的结构参数，并利用机械臂的正运动学构建机械臂与无影灯的骨架模型，然后利用基本集合体构建机械臂与无影灯的动态骨架包围盒模型，根据在机械臂的运动过程中，实时读取每个关节角度，利用正运动学驱动动态骨架包围盒跟踪真实机械臂运动，并通过距离描述函数实时监测设定包围盒件的最小距离，从而将机械臂关节间距离检测简化为包围盒间距离检测，当机械臂互相靠近且达到设定的安全距离时，及时通过控制系统对机器人运动进行干涉，避免机械臂自身发生碰撞，防止机械臂在运动过程中，双臂之间以及单臂和基座之间发生碰撞，进而需要考虑机械臂上所有可能发生碰撞的点，并在运动过程中实时求取可能碰撞点之间的最小距离。
准备任务中步骤三的具体工作过程中为：
首先利用双目相机将采集到的图像进行校正，随后利用投影原理计算出手术区域的遮挡物在光斑上遮挡区域，以及需调节的无影灯的所在位置，然后将运动物体进行特征匹配得到视差图像，根据视差图像在OpenGL中实现对运动遮挡物外轮廓的三维点重建，然后计算光照位置的导航信息，进而完成调光操作。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，其特征在于，包括管理中心和图像采集模块，所述管理中心通信连接有运动控制模块，所述图像采集模块通信连接有图像处理模块，所述图像处理模块通信连接有调光控制模块；
所述图像采集模块包括双目相机和激光测距仪，所述图像采集模块用于识别无影灯灯头中心到手术位置的三维信息，为运动控制模块轨迹规划和闭环控制提供依据；
所述图像处理模块包括图像增强单元和图像恢复单元，使得图像的纹理特征更加清晰，进而达到更好的运动目标检测效果；
所述调光控制模块用于完成对被遮挡区域的光照补偿；
所述运动控制模块包括机械臂、无影灯和手术床，所述机械臂与无影灯通过串口通讯连接，所述无影灯与手术床之间同步配合运动，所述运动控制模块用于避免机械臂在移动无影灯的探照过程中出现奇异位姿。
2.根据权利要求1所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，其特征在于，所述机械臂包括旋臂和平衡臂，所述旋臂用于实现无影灯的角度旋转，所述平衡臂用于实现无影灯的上下俯仰运动，使得无影灯可以运动到工作空间的任意位置，所述无影灯安装在机械臂的末端。
3.根据权利要求1所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，其特征在于，所述运动控制模块的工作空间计算过程为：
先从每个关节取值方法区域内随意遍历并选取，而后利用正向运动学方程可得出关节空间到工作空间的映射，求出机械臂末端的一个三维点，在各个关节角的角度范围内，当每个关节变量的随意取值一定多时，把每个得到的三个坐标点标记起来，则可得到机械臂的实际工作空间，也就是所有可达三维点的集合。
4.根据权利要求1所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，其特征在于，所述图像增强单元用于凸出图像中感兴趣的部分，提高其对比度，从而获得视觉上更为直观的图像。
5.根据权利要求1所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制系统，其特征在于，所述图像恢复单元利用退化模型来复原或重建原图。
6.一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先进行准备任务：
步骤一：双臂坐标系配准；
步骤二：机械臂手眼标定；
步骤三：目标光照位置识别与定位；
步骤四：轨迹规划；
随后进行协同任务：
步骤一：主臂移动到目标位置；
步骤二：从臂移动到补光照射为止；
所述准备任务主要为照射目标位置提供引导信息，识别遮挡情况，便于运动控制模块进行预调光、运动路径规划等操作，所述协同任务将运动控制模块中的机械臂在共同表达的坐标系下各自按照路径规划，不干涉无碰撞地达到到目标位置的运动操作，所述双臂包括主机械臂和从机械臂，通过操纵主机械臂跟随特定的运动轨迹，而从机械臂跟随主机械臂运动。
7.根据权利要求6所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制的方法，其特征在于，所述准备任务中步骤四的轨迹规划流程包括以下步骤：
首先对机械臂的双臂坐标系进行配准，使得两个机械臂在同一坐标系下表示，再任意一个同步运动周期内，通过读取主臂、从臂的起点坐标和主臂的协同运动参数，给定主臂的运动目标点后，双臂系统运动控制器对主臂运动轨迹进行插补，获得主臂的协同运动轨迹与相应的运动参数，然后根据双臂协同运动的约束关系可以计算并规划出从臂协同运动轨迹与相应运动参数，最后将双臂运动轨迹进行数据校正，发送同步运动序列到机械臂，完成双臂在一个同步运动周期内的动作。
8.根据权利要求7所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制的方法，其特征在于，根据机械臂的结构参数，并利用机械臂的正运动学构建机械臂与无影灯的骨架模型，然后利用基本集合体构建机械臂与无影灯的动态骨架包围盒模型，根据在机械臂的运动过程中，实时读取每个关节角度，利用正运动学驱动动态骨架包围盒跟踪真实机械臂运动，并通过距离描述函数实时监测设定包围盒件的最小距离，从而将机械臂关节间距离检测简化为包围盒间距离检测，当机械臂互相靠近且达到设定的安全距离时，及时通过控制系统对机器人运动进行干涉，避免机械臂自身发生碰撞。
9.根据权利要求6所述的一种基于双臂协同控制的医用无影灯控制的方法，其特征在于，所述准备任务中步骤三的具体工作过程中为：
首先利用双目相机将采集到的图像进行校正，随后利用投影原理计算出手术区域的遮挡物在光斑上遮挡区域，以及需调节的无影灯的所在位置，然后将运动物体进行特征匹配得到视差图像，根据视差图像在OpenGL中实现对运动遮挡物外轮廓的三维点重建，然后计算光照位置的导航信息，进而完成调光操作。
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