CN117731324A - 对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法和装置，属于医学检查技术领域。方法包括：通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能；实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面；结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；根据局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制。通过计算机视觉的方法实时获取检查对象的姿态和表面，充分考虑检查对象的姿态和表面形状的变化，实现了超声探头根据实时定位精准移动以及对超声探头在表面力位的混合控制，保证得到清晰的成像的同时提高检查的舒适度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及医学检查技术领域，尤其涉及一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法和装置。
背景技术
超声检查是一种常见的医疗检查方法，通过使用超声波技术来生成人体内部组织的实时图像。它在医疗领域中具有广泛的应用和重要的意义，如下所述：
1. 无创性和非放射性：超声检查是一种非侵入性的检查方法，不需要切开皮肤或使用放射线，相对于其他成像技术（如X射线和CT扫描）来说更加安全。
2. 实时成像：超声检查能够实时生成图像，医生可以在检查过程中立即观察到人体组织的结构和运动。这使得超声检查非常适用于指导诊断和指导手术操作过程。
3. 多种应用领域：超声检查广泛应用于多个医疗领域，包括妇产科、心脏病学、消化系统、肾脏、肝脏、甲状腺、血管等。它可以帮助医生检测病变、观察器官功能、评估损伤程度以及手术操作。
4. 无辐射影响：相比辐射性成像技术，如X射线和CT扫描，超声检查对患者和医务人员没有辐射影响。这对于特定人群，如孕妇和儿童，以及需要进行多次检查的患者，是一个重要的优势。
5. 低成本和广泛可及性：超声设备相对较便宜，并且在医疗机构中普遍可用。这使得超声检查在医疗资源有限的地区和发展中国家中具有重要的意义，可以提供及时的医疗服务。
总体而言，超声检查在医疗领域中具有重要的意义。结合机械臂和人工智能的机器人超声检查技术成为了非常值得关注和研究的课题。
目前，基于机器人的超声检查技术已经取得了一些进展。比如，在题目为“具有机械臂的医学成像系统”的专利以及题目为“一种超声诊断机械臂及超声诊断系统”的专利中，提出了通过机械臂控制超声波探头实现对人体组织的自动医学成像方法。但是，对于如何准确定位人体表面以及如何控制机械臂与人体表面的接触，这两件专利中并没有给出充分的说明和阐述。又比如在题目为“一种人体自动超声扫描机器人、控制器及控制方法”的专利中，提供了一种人体自动超声扫描机器人、控制器及控制方法，并公开了如下技术特征：控制器包括前馈控制器、位置控制器、力位混合控制器和姿态矫正器，控制所持超声检测探头保持接触力恒定、摩擦力一定、姿态适应皮肤外轮廓运动，前馈控制器控制超声检测探头沿着预定方向运动；位置控制器控制机器人本体的机械臂运动；力位混合控制器控制超声检测探头和人体皮肤表面接触力恒定以及摩擦力在一定范围内；姿态矫正器矫正超声检测探头姿态使其更符合皮肤外轮廓。采用压力和摩擦反馈，保证了超声检测探头与病人皮肤之间的接触力基本恒定，减轻了病人因为扫描时接触力过大带来的痛苦；摩擦力反馈和历史扫描轨迹同时修正超声检测探头姿态，适应不同轮廓的皮肤表面。该专利提供的技术方案虽然能实现人体表面的力位混合控制，但是在假设人体姿态和表面已知的情况下实现的，而并未说明如何获取人体姿态和人体表面。再比如现在市面上的产品：远程超声机器人MGIUS-R3，是全球首款实现专业医生直接远程操控超声探头，即可对病人实施远程诊断的超声设备。通过集成机器人、实时远程控制及超声影像等技术，突破了传统超声诊疗方式的局限，克服了时空障碍，改善了医疗资源分布不均衡的现状。该产品通过遥控操作的方式实现远程超声检查，其中，探头向人体表面移动以及接触力的控制等都需要超声医师手动远程完成，并不具备自动人体表面定位、移动和力位混合控制的功能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
本发明第一方面提供了一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法，包括：
通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能；
实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，所述超声探头位于所述机械臂的末端，所述检查对象的姿态和表面通过计算机视觉的方法得到；
结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；
根据所述局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制，包括：在所述局部坐标系的Z轴上对超声探头在接触表面上的进行恒力控制，同时，在所述局部坐标系的X轴和Y轴上对超声探头在接触表面进行位置、阻抗或导纳控制中的一种控制。
优选地，所述检查对象的姿态和表面采用DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet中的任意一个进行获取。
优选地，所述超声探头在接触表面上的力采用如下方法测量：通过在机械臂末端和超声探头之间安装的力传感器进行测量，或利用安装在机械臂关节处的力矩传感器来测量关节的扭矩，并通过机械臂的雅可比矩阵估算机械臂末端接触力，或通过安装在超声探头末端的应变片测量超声探头与检查对象表面的接触力。
本发明第二方面提供了一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的装置，包括：
视觉感知模块，用于通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能；
数据获取模块，用于实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，所述超声探头位于所述机械臂的末端，所述检查对象的姿态和表面通过计算机视觉的方法得到；
局部坐标系建立模块，用于结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；
力交互控制模块，用于根据所述局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制，包括：在所述局部坐标系的Z轴上对超声探头在接触表面上进行恒力控制，同时，在所述局部坐标系的X轴和Y轴上对超声探头在接触表面进行位置、阻抗或导纳控制中的一种控制。
优选地，所述检查对象的姿态和表面采用DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet中的任意一个进行获取。
优选地，所述超声探头在接触表面上的力采用如下方法测量：通过在机械臂末端和超声探头之间安装的力传感器进行测量，或利用安装在机械臂关节处的力矩传感器来测量关节的扭矩，并通过机械臂的雅可比矩阵估算机械臂末端接触力，或通过安装在超声探头末端的应变片测量超声探头与检查对象表面的接触力。
本发明第三方面提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如第一方面所述的方法。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如第一方面所述的方法。
本发明的有益效果是：本发明提供的对超声探头在接触表面上的力位实时控制的方法和装置，通过实时获取检查对象的姿态和表面，充分考虑检查对象的姿态和表面形状的变化，实现了对检查对象姿态和表面的实时定位和跟踪，进而实现了超声探头根据实时定位精准移动以及对超声探头在表面力位的混合控制，不仅能够保证超声探头在需要扫描的区域内精确地移动并以恒定的力接触检查对象，还能够保证得到清晰的成像的同时提高检查的舒适度和效率。
附图说明
图1为本发明所述对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法流程示意图；
图2为本发明所述对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的装置功能结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，该终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储器和显示屏。其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。
处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。
存储器可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。
显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。
除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法，包括：
S101，通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能。其中，摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵表示了摄像头和机械臂的相对位置和姿态的关系，使得机械臂能够根据摄像头捕捉到的视觉信息精确地定位和操作目标物体（检查对象）。这种转换为机械臂提供了能够理解和应用视觉信息的能力，使其能够有效地与周围环境进行交互。
S102，实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，所述超声探头位于所述机械臂的末端，所述检查对象的姿态和表面可以通过计算机视觉的方法得到。具体的，可以通过摄像头或相机捕获实时的画面，再基于计算机视觉实现实时检查对象的姿态和人体表面的功能，例如通过DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet等人工智能的方式获取人体姿态及其表面的信息。
S103，结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系。人体姿态和表面可以通过上述转换矩阵转化至机械臂坐标系，使得机械臂能通过摄像头或相机感知人体姿态和表面，结合机械臂末端超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；
S104，根据所述局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制，包括：在所述局部坐标系的Z轴上对超声探头在接触表面上进行恒力控制，同时，在所述局部坐标系的X轴和Y轴上对超声探头在接触表面进行位置、阻抗或导纳控制中的一种控制。
其中，所述检查对象的姿态和表面可以采用DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet等能通过人工智能的方式获取人体姿态及其表面的信息的神经网络模型中的任意一个进行获取。其中，DensePose用深度学习把2D图像坐标映射到3D人体表面上，再加上以每秒多帧的速度处理密集坐标，最后实现动态人物的精确定位和姿态估计。该技术集目标检测、姿态估计、目标部分/实例分割等多种计算机视觉任务于一身的一个综合问题。OpenPose是基于卷积神经网络和监督学习并以caffe（全称Convolutional Architecturefor Fast Feature Embedding）为框架写成的开源库，可以实现人的面部表情、躯干和四肢甚至手指的跟踪，不仅适用于单人也适用于多人，同时具有较好的鲁棒性。AlphaPose是一个精准的多人姿态估计系统，是基于自上而下的多人姿态估计项目。HRNet (High-Resolution Network)是一种用于人体姿态估计和图像分割的深度卷积神经网络。
在本发明的另一个优选实施例中，所述超声探头在接触表面上的力可以采用如下方法测量：通过在机械臂末端和超声探头之间安装的力传感器进行测量，或利用安装在机械臂关节处的力矩传感器来测量关节的扭矩，再通过机械臂的雅可比矩阵估算机械臂末端接触力，从而达到估计末端接触力的目的，或通过安装在超声探头末端的应变片测量超声探头与检查对象表面的接触力。另外，所述超声探头在接触表面上的位置可以采用如下方法测量：首先，通过S101的方式获取摄像头或相机和机械臂坐标系的转换矩阵，使得机械臂能准确感知摄像头或相机捕捉到的视觉信息。再通过S102的方式可以通过摄像头或相机捕获人体姿态和表面。然后根据S103，这些视觉信息可以转换到机械臂坐标系，再结合机械臂末端超声探头的位置，就可以确定超声探头与人体表面接触的位置和法向量。
本发明具有如下有益效果：
1.基于计算机视觉，使得机器人拥有感知人体姿态和表面的功能：
现有的机器人超声成像技术假设人体姿态和表面已知，导致这些方法的实用性大大降低。而本发明通过计算机视觉中的例如DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet中的任意一个进行获取人体姿态和表面。然后通过手眼标定的方法，将这些人体信息转换到机械臂坐标系，从而使得机械臂具有感知人体姿态和表面的功能，进而大大提高了机器人超声成像技术的实用性和鲁棒性。
2.实现了高精度的位置控制和恒定的力度控制：
相对于现有的机器人超声成像技术，本发明通过结合 DensePose 和力交互控制技术，能够实现对机械臂末端超声探头的精确位置控制和恒定的力度控制，从而确保了超声探头以恒定的力度接触人体，并在需要扫描的区域内精确地移动。这将极大地提高超声图像的质量和稳定性，也减小了对操作员技术水平的要求。
3.提高了超声检查的舒适度：
与其他需要预设扫描路径或未充分考虑人体姿态和表面变化的方法相比，本发明通过对人体姿态和表面进行实时估计，实现了友好的人机交互，提高了检查的舒适度。这种方法不仅能够保证高质量的图像，还能够避免由于超声探头压力过大或移动过快导致的检查对象不适。
4.提升了超声检查的效率：
由于本发明可以实现对机械臂末端超声探头的精确控制，因此可以更快地、更有效地对目标区域进行扫描，从而大大提高了超声检查的效率。同时，由于减小了对操作员技术水平的要求，也可以降低培训成本，进一步提高了检查的效率。
可见，本发明通过结合深度学习方法和力位混合控制技术，以实现对机械臂末端超声探头的精确位置控制和恒定的力度控制，以及对人体姿态和表面的实时估计，从而实现了高精度的位置控制和柔顺的人机交互。
实施例二
如图2所示，本发明的另一方面还包括和前述方法流程完全对应一致的功能模块架构，即本发明实施例还提供了一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的装置，包括：
视觉感知模块201，用于通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能；
数据获取模块202，用于实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，所述超声探头位于所述机械臂的末端，所述检查对象的姿态和表面通过计算机视觉的方法得到；
局部坐标系建立模块203，用于结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；
力交互控制模块204，用于根据所述局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制，包括：在所述局部坐标系的Z轴上对超声探头在接触表面上进行恒力控制，同时，在所述局部坐标系的X轴和Y轴上对超声探头在接触表面进行位置、阻抗或导纳控制中的一种控制。
其中，在所述数据获取模块中，所述检查对象的姿态和表面采用DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet中的任意一个进行获取。
进一步地，所述超声探头在接触表面上的力采用如下方法测量：通过在机械臂末端和超声探头之间安装的力传感器进行测量，或利用安装在机械臂关节处的力矩传感器来测量关节的扭矩，并通过机械臂的雅可比矩阵估算机械臂末端接触力，或通过安装在超声探头末端的应变片测量超声探头与检查对象表面的接触力。
该装置可通过上述实施例一提供的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法实现，具体的实现方法可参见实施例一中的描述，在此不再赘述。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法，其特征在于，包括：
通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能；
实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，所述超声探头位于所述机械臂的末端，所述检查对象的姿态和表面通过计算机视觉的方法得到；
结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；
根据所述局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制，包括：在所述局部坐标系的Z轴上对超声探头在接触表面上进行恒力控制，同时，在所述局部坐标系的X轴和Y轴上对超声探头在接触表面进行位置、阻抗或导纳控制中的一种控制。
2.如权利要求1所述的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法，其特征在于，所述检查对象的姿态和表面采用DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet中的任意一个进行获取。
3.如权利要求1所述的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法，其特征在于，所述超声探头在接触表面上的力采用如下方法测量：通过在机械臂末端和超声探头之间安装的力传感器进行测量，或利用安装在机械臂关节处的力矩传感器来测量关节的扭矩，并通过机械臂的雅可比矩阵估算机械臂末端接触力，或通过安装在超声探头末端的应变片测量超声探头与检查对象表面的接触力。
4.一种对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的装置，其特征在于，包括：
视觉感知模块，用于通过手眼标定获得摄像头与机械臂的坐标系转换矩阵，使得机械臂拥有视觉感知功能；
数据获取模块，用于实时获取超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，所述超声探头位于所述机械臂的末端，所述检查对象的姿态和表面通过计算机视觉的方法得到；
局部坐标系建立模块，用于结合超声探头的位置以及检查对象的姿态和表面，确定超声探头与检查对象接触表面的法向量，并以所述法向量为Z轴建立局部坐标系；
力交互控制模块，用于根据所述局部坐标系对超声探头在接触表面上进行力交互控制，包括：在所述局部坐标系的Z轴上对超声探头在接触表面上进行恒力控制，同时，在所述局部坐标系的X轴和Y轴上对超声探头在接触表面进行位置、阻抗或导纳控制中的一种控制。
5.如权利要求4所述的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的装置，其特征在于，所述检查对象的姿态和表面采用DensePose、OpenPose、AlphaPose和HRNet中的任意一个进行获取。
6.如权利要求4所述的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的装置，其特征在于，所述超声探头在接触表面上的力采用如下方法测量：通过在机械臂末端和超声探头之间安装的力传感器进行测量，或利用安装在机械臂关节处的力矩传感器来测量关节的扭矩，并通过机械臂的雅可比矩阵估算机械臂末端接触力，或通过安装在超声探头末端的应变片测量超声探头与检查对象表面的接触力。
7.一种存储器，其特征在于，存储有多条指令，所述指令用于实现如权利要求1-3任一项所述的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如权利要求1-3任一项所述的对超声探头在接触表面上的实时力交互控制的方法。
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2024
- 2024-02-21 CN CN202410192345.5A patent/CN117731324A/zh active Pending
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