【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机器人辅助b超检测系统及控制方法。
技术介绍
1、调查表明，大部分因心脏相关疾病死亡的人士呈现出突然性、难以及时抢救等特点，抢救及时的病人也存在预后较差的问题。另外，对早期病发状况的忽视可能会导致心律衰竭等其它相关并发症。因此，对于与心脏相关疾病的及时发现及准确诊断至关重要。
2、对心脏相关疾病的诊断传统上采用结合医生经验与仪器测量的方式，常见的测量包含心脏x片、心脏ct检查、心脏核磁共振检查(mri)等，其中b超检查方式是一种较优的方式，具有便携、无创、可操作性的优点，同时又比较简单、便宜。通过b超检查方法可对心脏的心腔结构及心脏功能有无异常进行准确诊断。
3、在b超诊断过程中，医护人员需要手动方式地将b超探头按压在患者心脏部位。为了确保采图质量，需要保证b超探头在一定时间内以恒力与病人心脏接触，同时需要医生频繁变动探头姿态以达到准确测量的目的。整个过程较为繁琐，给医护人员的体力和操作经验提出了很高的要求。在实际采图中，经常出现采集结果不满足诊断要求的结果，往往需要循环操作多次，效率极为低下。
4、此外，传统的机器人点位控制方式中，为了确保精度，机器人表现出较大的刚性，较小的位置误差会导致特别大的接触力，如果在b超检测用机器人中采用这样的控制方式，对机器人及检查对象安全不利。
5、针对上述情况，迫切需要一种能辅助医护人员进行b超图片采集的装置。研发一套将b超检测仪器与执行机构相结合的装置，充分利用机电控制的最新研究成果，实现有效辅助医护人员对病人心脏部位的有效彩
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本申请提出了一种机器人辅助b超检测系统，该机器人辅助b超检测系统辅助操作人员采集检查对象的b超影像，其特征在于，该机器人辅助b超检测系统包括：b超探头，所述b超探头用于按压接触所述检查对象并发送、接收用于检查的超声波；执行端力传感器，所述执行端力传感器的固定端与协作臂的法兰盘端相连接，执行端力传感器的加载端用于安装b超探头，执行端力传感器用于检测b超探头末端的接触力和力矩；手动推杆端力传感器，其中，手动推杆端力传感器的固定端与协作臂的法兰盘端相连接，手动推杆端力传感器的加载端固定有推杆，手动推杆端力传感器适于检测施加在推杆上的手动操作力和力矩；协作臂运动控制系统，所述协作臂运动控制系统被设计用于根据执行端力传感器检测到的b超探头末端的接触力和力矩基于柔顺控制算法控制b超探头和协作臂跟随操作人员对于协作臂的牵引；在判定手动推杆端力传感器检测到的手动操作力或力矩的方向与数值满足期望条件时，停止协作臂的运动；在判定执行端力传感器检测到的b超探头末端的接触力或力矩高于预设阈值时，停止协作臂末端的移动直至判定接触力/力矩在预设范围之内时才恢复运动；在协作臂末端的b超探头被操作人员移动至心脏期望位姿时，自动控制b超探头沿着法向移动直至b超探头与检查对象之间的接触力为期望值，然后基于柔顺控制算法使b超探头跟随由于检查对象呼吸而造成的心脏起伏始终保持接触力为期望值。
2、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的一种优选实施形式，手动推杆端力传感器的加载端通过柔性联轴器连接推杆。柔性联轴器用作提供被动柔顺的保护机构。
3、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的一种优选实施形式，机器人辅助b超检测系统还包括人机交互系统，人机交互系统通过有线或无线方式与协作臂运动控制系统相通信，以输入控制指令和输出状态信息。
4、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的一种优选实施形式，执行端力传感器的固定端和手动推杆端力传感器的固定端互不耦合地分别固定在协作臂的法兰盘端。优选的是，执行端力传感器的固定端和手动推杆端力传感器的固定端通过协作臂的同一法兰盘刚性连接。
5、根据本专利技术的另一方面，本专利技术还涉及一种上述机器人辅助b超检测系统的控制方法，其中，在机器人辅助b超检测系统启动后，判断是否从人机交互系统接收到恒力跟随指令，如果是，则基于柔顺控制算法保持b超探头在法向上与检查对象恒力接触，接触力为期望值；如果否，则判断施加推杆上的手动操作力或力矩是否高于预设阈值，如果高于预设阈值则停止协作臂末端的移动，如果不高于预设阈值则基于柔顺控制算法保证b超探头跟随操作人员的牵引。
6、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的控制方法的一种优选实施形式，推杆的手动操作引起的位姿增量和b超探头根据柔顺控制算法的主动柔顺控制增量叠加地影响b超探头的运动。
7、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的控制方法的一种优选实施形式，按照如下公式表示的阻抗控制方法控制b超探头的位姿：
8、
9、其中，δf是期望接触力/力矩与实际接触力/力矩之间的力/力矩偏差，δx是通过阻抗控制算法得到的位姿增量，和分别是δx的一阶和二阶导数，m、b、k分别为质量、阻尼、刚度系数。
10、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的控制方法的一种优选实施形式，手动操作b超探头以采集理想情况下的接触力/力矩，设置m、b、k的各种数值，通过计算机仿真所采集的接触力/力矩所对应的位置曲线、速度曲线以及加速度曲线，选择变化平滑且超调最少的曲线对应的m、b、k数值作为最佳的阻抗控制参数，其中，在选定最佳的阻抗控制参数之后，根据下列公式实现恒力控制与运动跟随：
11、
12、其中，δf是期望接触力/力矩与实际接触力/力矩之间的力/力矩偏差，δx是通过阻抗控制算法得到的位姿增量，和分别是δx的一阶和二阶导数，m、b、k分别为质量、阻尼、刚度系数。
13、根据本专利技术的机器人辅助b超检测系统的控制方法的一种优选实施形式，基于期望力和实际力之间的力偏差对位姿增量阈值及对应速率阈值进行自适应调节，其中，设定位姿增量阈值及对应速率阈值，通过b超探头上的接触力判定接触状态，在判定为接触时，计算期望力和实际力之间的力偏差的绝对值，计算对应的位姿增量的一阶导数和二阶导数，并进行pid自适应调节；在判定为未接触时，位姿增量阈值及对应速率阈值不改变，沿用之前的数值。
14、本专利技术的有益效果在于，采用六维力传感器对b超探头末端的接触力和力矩进行高精度检测，并采用柔顺控制算法形成闭环控制，以达到恒力按压的目的。为了在自由空间灵活控制b超探头到达期望位置，同时考虑到安全性及接触状态中相关手动操作需求，将推杆固定在第二个力传感器负载端，并将整体连接在协作臂法兰盘端，在实际使用中，医护人员手动拖动协作臂末端，力传感器对手动操作力和力矩进行检测，基于柔顺控制实现b超探头跟随医护人员操作意图的运动，便于自由空间中b超探头随着协作臂灵活运动至操作位置，同时可节省操作人员体力。
15、另外，也可以在操作过程中通过推杆手动方式触发机器人急停，停止操作过程，以提高整体系统安全系数。同时，还可以在手动推杆操作方式中限定b超探头的接触力和力矩的范围，在超出预设阈值时，系统自动停止协作臂末端移动，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种机器人辅助B超检测系统，该机器人辅助B超检测系统辅助操作人员采集检查对象的B超影像，其特征在于，该机器人辅助B超检测系统包括：
2.根据权利要求1所述的机器人辅助B超检测系统，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的机器人辅助B超检测系统，其特征在于，所述机器人辅助B超检测系统还包括人机交互系统，所述人机交互系统通过有线或无线方式与所述协作臂运动控制系统相通信，以输入控制指令和输出状态信息。
4.根据权利要求1或2所述的机器人辅助B超检测系统，其特征在于，所述执行端力传感器的固定端和所述手动推杆端力传感器的固定端互不耦合地分别固定在所述协作臂的法兰盘端。
5.根据权利要求4所述的机器人辅助B超检测系统，其特征在于，所述执行端力传感器的固定端和所述手动推杆端力传感器的固定端通过所述协作臂的同一法兰盘刚性连接。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的机器人辅助B超检测系统的控制方法，其特征在于，
7.根据权利要求6所述的机器人辅助B超检测系统的控制方法，其特征在于，所述推杆的手动操作引起的位姿增量和所
8.根据权利要求6所述的机器人辅助B超检测系统的控制方法，其特征在于，按照如下步骤确定质量系数m、阻尼系数b和刚度系数k：
9.根据权利要求6所述的机器人辅助B超检测系统的控制方法，其特征在于，基于期望力和实际力之间的力偏差对位姿增量阈值及对应速率阈值进行自适应调节，
10.根据权利要求6所述的机器人辅助B超检测系统的控制方法，其特征在于，在超过一定时间未获取有效力传感器数据时，停止所述协作臂末端的移动直至判定接触力/力矩在预设范围之内时才恢复运动。
...【技术特征摘要】
1.一种机器人辅助b超检测系统，该机器人辅助b超检测系统辅助操作人员采集检查对象的b超影像，其特征在于，该机器人辅助b超检测系统包括：
2.根据权利要求1所述的机器人辅助b超检测系统，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的机器人辅助b超检测系统，其特征在于，所述机器人辅助b超检测系统还包括人机交互系统，所述人机交互系统通过有线或无线方式与所述协作臂运动控制系统相通信，以输入控制指令和输出状态信息。
4.根据权利要求1或2所述的机器人辅助b超检测系统，其特征在于，所述执行端力传感器的固定端和所述手动推杆端力传感器的固定端互不耦合地分别固定在所述协作臂的法兰盘端。
5.根据权利要求4所述的机器人辅助b超检测系统，其特征在于，所述执行端力传感器的固定端和所述手动推杆端力传感器的固定端通过所述协作臂的同一法兰盘刚性连接。
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