一种用于远程超声检查的便携式遥操作手持装置的制作方法

1.本发明涉及远程超声技术领域，尤其是一种用于远程超声检查的便携式遥操作手持装置。


背景技术：

2.随着医疗技术的发展，超声波检测技术以其简单便携、成本低以及无副作用，在医院的应用越来越广泛。但是由于经济发展和优质医疗资源分布的不均匀，很多地区的人民还无法进行高质量的超声检查。通过远程超声检查系统，在病患端配置检查机器人，由医生远程操控检查机器人进行超声诊断实现资源共享，可解决偏远、基层地区资源匮乏的不足。
3.经检索，中国专利公开号为cn108065959a的远程超声诊疗系统，其中，采用多节机械臂调节超声探头的位置，利用控制器远程控制多节机械臂空间移动以调节所述超声探头位置，利用远程控制台与所述超声诊疗主机通信以指示所述多节机械臂空间移动；所述控制器包括具有三平移自由度的运动平台和具有三转动自由度的遥控手柄；所述运动平台上设有监测该运动平台三自由度平移距离的增量式编码器；所述遥控手柄上设有用于监测该遥控手柄转动角度位置的角度位置传感器。该专利的控制器即遥操作装置结构复杂且笨重，需要借助很多辅助设备进行操作，不方便携带和安装。
4.经检索，中国专利授权号为cn108994861b的远程超声操作手装置及远程超声检测系统，其中，操作手底部通过触摸下方的位置传感器获取操作手的空间位置信息，即，操作手必须在设有位置传感器的触摸屏上进行移动，获取操作手的空间位置信息，不是一体化的结构，不方便携带和安装。
5.经检索，中国专利公开号为cn110993087a的一种远程超声扫描操纵设备及方法，其中，模拟超声探头即遥操作装置需要在模拟皮肤平台上操作，获取模拟超声探头在模拟皮肤平台表面的二维坐标，并基于该二维坐标远程控制超声探头在皮肤上的运动，不是一体化的结构，不方便携带和安装。
6.另外，现有的遥操作装置与从端远程扫查机器人技术多采用位置映射和多段力控映射方法，位置映射无法确保从端远程扫查机器人运动的连续性，多段力控映射无法确保末端力的连续性。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于远程超声检查的便携式遥操作手持装置，结构简单，便于携带，能够确保从端扫查机器人的整个运动过程的连续性，能够确保超声探头与人体之间接触力的连续性，以及能够提供更直观的力反馈效果。
8.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
9.一种用于远程超声检查的便携式遥操作手持装置，手持装置包括：壳体，设置于壳体上的速度采集模块、角速度采集模块、力采集模块、数据处理模块、按压模块、力反馈模块；
10.所述速度采集模块用于获取手持装置在工作面上移动的速度信息；
11.所述角速度采集模块用于获取手持装置在空间中旋转的角速度信息；
12.所述力采集模块与按压模块相连接，用于获取按压模块所受到的按压力，按压模块所受到的按压力即为手持装置的按压力；
13.所述速度采集模块、角速度采集模块、力采集模块均与数据处理模块相连接，分别将手持装置在工作面上移动的速度信息和在空间中旋转的角速度信息，以及手持装置的按压力发送给数据处理模块，并通过数据处理模块发送给从端扫查机器人，实现对从端扫查机器人的远程控制；
14.数据处理模块还用于接收从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力，即接收超声探头的实际接触力，并将超声探头的实际接触力发送给力反馈模块；所述力反馈模块用于对超声探头的实际接触力进行实时反馈。
15.手持装置上设有usb接口，利用该usb接口进行供电；且数据处理模块还利用该usb接口进行数据传输。
16.所述速度采集模块采用光电式速度传感器，设置于壳体中；所述壳体上开设有速度检测窗口，光电式速度传感器的光电检测端通过速度检测窗口进行光电检测，获取手持装置在工作面上移动的速度信息。
17.所述力反馈模块包括：显示屏；所述显示屏与数据处理模块相连接，获取手持装置的按压力和超声探头的实际接触力；所述显示屏用于对手持装置的按压力、超声探头的实际接触力进行实时显示，以及对二者之间的差值进行实时显示。
18.所述力反馈模块还包括：振动模块；所述振动模块与数据处理模块相连接，获取手持装置的按压力和超声探头的实际接触力之间的差值；所述振动模块用于根据该差值的大小产生振动，若该差值大于某个设定阈值，则振动模块产生振动，且差值越大，振动强度越大。
19.手持装置利用在工作面上移动的速度信息控制从端扫查机器人的末端执行器在水平面上的移动，手持装置利用在在空间中旋转的角速度信息控制从端扫查机器人的末端执行器在空间中的姿态运动。
20.手持装置利用按压力控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向移动，使得从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力，即超声探头的实际接触力达到手持装置的按压力。
21.手持装置在工作面上移动，所述工作面为人体皮肤模型表面或人体皮肤表面或任意工作台面。
22.手持装置还包括：控制模块；
23.所述控制模块用于进行模式选择，包括力控制模式、姿态控制模式；所述控制模块与数据处理模块相连接，将所选择的模式通过数据处理模块发送给从端扫查机器人，控制从端扫查机器人的末端执行器在所选择的模式下进行运动；
24.在力控制模式下，控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向自动移动，使得从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力，即超声探头的实际接触力达到手持装置的按压力；
25.在姿态控制模式下，控制从端扫查机器人的末端执行器在空间中的姿态运动，使
得从端扫查机器人的末端执行器在空间中旋转的角速度与手持装置在空间中旋转的角速度一致。
26.本发明的优点在于：
27.(1)本发明的手持装置采用一体化设计，与计算机相连即可构成医生端即主端设备，结构简单，方便携带，方便在居家环境中对病人进行超声扫查。
28.(2)本发明的手持装置可以在任意工作面上进行操作，例如桌面、鼠标垫、人体皮肤模型表面或人体表面等，不需要触摸台等其他辅助设备，直接通过手持装置内部的光电式速度传感器获取其在工作面上移动的速度信息，利用该速度信息即可实现对机械臂的末端执行器在水平面上的移动控制。
29.(3)本发明的显示屏对手持装置的按压力和超声探头的实际接触力，以及该两个力差值的实时显示，使得医生能够更加直观的观察该两个力的大小，以及便于医生清晰的获知该两个力的差值，从而知晓实际接触力对按压力的跟踪误差，得到力的反馈，便于医生及时调节手持装置的按压力。
30.(4)本发明的振动模块根据手持装置的按压力和超声探头的实际接触力之间的差值大小产生振动，若该差值大于设定阈值，则振动模块产生振动，且该差值越大，振动强度越大。本发明中，振动模块根据二者差值的大小产生不同强度的振动，形成力觉反馈，便于医生及时调节手持装置的按压力。
31.(5)本发明的手持装置利用按压力控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向自动移动，确保超声探头与人体之间接触力的连续性。
32.(6)本发明的手持装置利用在工作面上移动的速度信息和在空间中旋转的角速度信息，控制从端扫查机器人的末端执行器在水平面上的移动和空间中姿态运动，采用速度映射的方式，以确保从端扫查机器人的整个运动过程的连续性。
33.(7)本发明的手持装置通过控制模式进行模式切换，提高了使用效果，便于医生操作。
附图说明
34.图1为本发明的手持装置的内部结构图。
35.图2为本发明的手持装置的外部示意图。
36.图3为本发明的手持装置的端盖示意图。
37.图4为本发明的手持装置与主端计算机之间的连接示意图。
38.图5为手持装置在鼠标垫上进行操作的示意图。
39.图6为手持装置在人体皮肤模型表面上进行操作的示意图。
40.图7为手持装置在人体皮肤表面上进行操作的示意图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
42.由图1和图2所示，本发明的一种用于远程超声检查的便携式遥操作手持装置，手持装置包括：壳体1，设置于壳体1上的速度采集模块2、角速度采集模块3、力采集模块4、振动模块5、显示屏6、数据处理模块7、控制模块8、按压模块；其中，振动模块5和显示屏6构成手持装置的力反馈模块。
43.所述手持装置为仿型超声探头，所述按压模块为设置于壳体1的一端上的端盖9，端盖9的外表面即为手持装置的按压面。
44.所述端盖9上开设有速度检测窗口91。
45.所述速度采集模块2采用光电式速度传感器，设置于壳体1中，且速度采集模块2的光电检测端与速度检测窗口91对齐，通过速度检测窗口91进行光电检测，获取手持装置在工作面上移动的速度信息。
46.所述角速度采集模块3采用姿态角速度传感器，设置于壳体1中，用于获取手持装置在空间中旋转的角速度信息，即获取手持装置在空间中绕x、y、z三个轴旋转的角速度信息。
47.其中，x、y轴构成水平面，z轴为垂直于水平面的竖直方向，手持装置在工作面移动的速度信息即包括在x轴上的速度信息和在y轴上的速度信息。
48.所述力采集模块4与端盖9相连接，用于采集端盖9的外表面即手持装置的按压面所受到的按压力，即获取手持装置的按压力。
49.所述速度采集模块2、角速度采集模块3、力采集模块4均与数据处理模块7相连接，分别将手持装置在工作面上移动的速度信息和在空间中旋转的角速度信息，以及手持装置的按压力发送给数据处理模块7。
50.所述数据处理模块7与主端计算机之间采用有线或无线的方式通信连接，主端计算机与从端扫查机器人之间5g通信连接。
51.数据处理模块7通过主端计算机向从端扫查机器人发送手持装置在工作面上移动的速度信息和在空间中旋转的角速度信息，以及手持装置的按压力，从端扫查机器人的末端执行器根据手持装置在工作面上移动的速度信息和在空间中旋转的角速度信息以及手持装置的按压力进行运动，从而实现手持装置对从端扫查机器人的远程控制，具体如下所示：
52.手持装置利用在工作面上移动的速度信息控制从端扫查机器人的末端执行器在水平面上的移动，使得从端扫查机器人末端上的超声探头在水平面上的移动速度与手持装置在工作面上的移动速度一致；
53.手持装置利用在空间中旋转的角速度信息控制从端扫查机器人的末端执行器在空间中的姿态运动，使得从端扫查机器人末端上的超声探头在空间中旋转的角速度与手持装置在空间中旋转的角速度一致；
54.手持装置利用按压力控制从端扫查机器人的末端执行器在扫查面的法向上移动，使得从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力，即超声探头的实际接触力达到手持装置的按压力；
55.手持装置还用于控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向向上或向下移动设定的距离。
56.其中，扫查面是指从端扫查机器人末端上的超声探头在人体扫查部位上进行扫查
时的扫查面，扫查面的法向即为垂直于扫查面的方向。
57.所述手持装置的数据处理模块7还通过主端计算机接收从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力，即接收超声探头的实际接触力。
58.所述振动模块5和显示屏6构成手持装置的力反馈模块，用于对超声探头的实际接触力进行实时反馈。
59.所述显示屏6与数据处理模块7相连接，获取手持装置的按压力和超声探头的实际接触力；所述显示屏6用于对手持装置的按压力、超声探头的实际接触力进行实时显示，以及对二者之间的差值进行实时显示。本发明中，显示屏6对按压力和实际接触力，以及该两个力差值的实时显示，使得医生能够更加直观的观察该两个力的大小，以及便于医生清晰的获知该两个力的差值，从而知晓实际接触力对按压力的跟踪误差，得到力的反馈，便于医生及时调节手持装置1的按压力。
60.所述振动模块5与数据处理模块7相连接，获取手持装置的按压力和超声探头的实际接触力之间的差值；所述振动模块5用于根据二者差值的大小产生振动，若二者差值大于某个设定阈值，则振动模块5产生振动，且差值越大，振动强度越大。本发明中，振动模块5根据二者差值的大小产生不同强度的振动，形成力觉反馈，便于医生及时调节手持装置1的按压力。
61.所述控制模块8用于控制超声打图和进行模式选择，模式选择包括力控制模式、姿态控制模式、上下移动控制模式；所述控制模块8与数据处理模块7相连接，将所选择的模式通过数据处理模块7，数据处理模块7通过主端计算机将所选择的模式发送给从端扫查机器人，控制从端扫查机器人的末端执行器在所选择的模式下进行运动。其中，
62.在力控制模式下，控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向自动移动，使得从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力，即超声探头的实际接触力达到手持装置的按压力；
63.在姿态控制模式下，控制从端扫查机器人的末端执行器在空间中的姿态运动，使得从端扫查机器人的末端执行器在空间中旋转的角速度与手持装置在空间中旋转的角速度一致；
64.在上下移动控制模式下，控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向移动设定的距离。
65.由图3所示，本实施例中，所述端盖9的外表面即手持装置的按压面为凸起的圆弧面，且该凸起的圆弧面上开设有速度检测窗口91；所述端盖9的内表面上设有承力连接件92；所述承力连接件92中设有速度采集模块2即光电式速度传感器的固定卡槽93，速度采集模块2设置于固定卡槽93中，且速度采集模块2的的光电检测端与速度检测窗口91对齐，用于采集手持装置在工作面上移动的速度，并将移动的速度发送给数据处理模块7。
66.由图1和图3所示，本实施例中，所述力采集模块4包括力传感器41、数据变送器42；所述力传感器41固定在壳体1中所设置的力传感器固定板43上；所述力传感器41的受力端与端盖9的内表面相连接，具体为，端盖9内部的承力连接件92的底面即远离端盖9内表面的一侧面上开设有螺栓孔94，力传感器41的受力端通过该螺栓孔94与承力连接件92的底面螺栓固定连接，承力连接件92的底面为远离端盖9内表面的一侧面；所述力传感器41受到按压力产生形变；所述力传感器41的输出端与数据变送器42相连接，用于对力传感器41产生的
形变量进行数据处理，转换为电压信号，并将该电压信号发送给数据处理模块7进行数据处理，转换为压力值，从而得到端盖9的外表面即手持装置的按压面所受到的按压力，并将该按压力发送给数据处理模块7。
67.本实施例中，所述角速度采集模块3通过螺母固定在壳体1中所设置的角速度采集模块固定板上，保证手持装置在空间中旋转时，角速度采集模块能够平稳的采集手持装置在空间中绕x、y、z三个轴旋转的角速度信息，并将该角速度信息发送给数据处理模块7。
68.本实施例中，所述振动模块5通过螺栓固定在壳体1中。
69.本实施例中，所述显示屏6采用液晶显示屏，壳体1的侧壁开设有显示屏窗口，所述显示屏6装设于壳体1侧壁上的显示屏窗口中。
70.本实施例中，所述控制模块8采用按键进行模式选择，包括力控制按键、姿态控制按键、上下移动控制按键；壳体1的侧壁还开设有按键窗口，所述控制模块8装设于壳体1侧壁上的按键窗口中。
71.本实施例中，所述数据处理模块7采用单片机，所述数据处理模块7即单片机通过固定卡槽装设在壳体1中，用于防止单片机的上下移动和晃动。所述数据处理模块7通过有线或无线的方式与主端计算机相连接。例如，通过usb、串口、蓝牙、wifi的连接方式与主端计算机相连。
72.由图4所示，本实施例中，手持装置上设有usb接口，数据处理模块7利用该usb接口与主端计算机之间有线连接，从而进行数据传输，且手持装置还利用该usb接口进行供电。
73.遥操作过程中，医生手持手持装置在桌面或鼠标垫或人体皮肤表面或人体皮肤模型表面上进行平面移动，以及手持手持装置在空间中进行旋转运动，其中，图5为手持装置在鼠标垫上进行平面移动，图6为手持装置在人体皮肤模型表面上进行平面移动，图7为手持装置在人体皮肤表面上进行平面移动，手持装置通过主端计算机将手持装置在工作面上移动的速度信息和在空间中旋转的角速度信息，以及手持装置的按压力映射至从端扫查机器人的末端执行器，对从端扫查机器人末端上在空间中的姿态运动以及在水平面上的移动进行笛卡尔空间的速度控制，实现从端扫查机器人末端上的超声探头完成手持装置的动作实时复现。
74.本实施例中，医生通过手持装置远程控制从端扫查机器人时，可按照以下步骤执行操作：
75.s1，从端扫查机器人末端上的超声探头位于离人体较远的上方时，医生手持手持装置，并长按或点按上下移动控制按键，控制从端扫查机器人的末端执行器沿扫查面的法向向下移动设定的距离；
76.当从端扫查机器人末端上的超声探头位于离人体较近的上方时，松开上下移动控制按键；
77.s2，医生将手持放置在工作面上，如桌面或鼠标垫或人体皮肤表面或人体皮肤模型表面上，手持装置在工作面上移动，手持装置将其在工作面上移动的速度信息映射至从端扫查机器人，使得从端扫查机器人的末端执行器在工作面上移动的速度，与手持装置在工作面上移动的速度一致，控制从端扫查机器人的末端执行器在水平面上的移动，调整从端扫查机器人的末端上的超声探头位于人体扫查部位的上方；
78.s3，医生长按姿态控制按键，并手持手持装置在空间中进行旋转运动，手持装置将
其在空间中旋转的角速度映射至从端扫查机器人，使得从端扫查机器人的末端执行器在空间中旋转的角速度，与手持装置在空间中旋转的角速度一致，控制从端扫查机器人的末端执行器在空间中的姿态运动，调整从端扫查机器人的末端上的超声探头对准人体扫查部位；
79.当从端扫查机器人的末端上的超声探头对准人体扫查部位时，松开姿态按键；
80.s4，医生将手持放置在工作面上，同时对手持装置的端盖9外表面施加压力，即产生手持装置的按压力；此时，点按力控制按键，手持装置将该按按压力映射给从端扫查机器人的末端执行器，控制从端扫查机器人的末端执行器沿竖直方自动向下移动，当从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位之间的接触力即超声探头的实际接触力达到手持装置的按压力时，从端扫查机器人的末端执行器自动停止沿扫查面的法向的向下运动，此时，从端扫查机器人末端上的超声探头与人体扫查部位相接触，超声探头可对人体扫查部位进行超声扫查；
81.s5，医生将手持放置在工作面上，如桌面或鼠标垫上，手持装置在工作面上移动，手持装置将其在工作面上移动的速度信息映射至从端扫查机器人，控制从端扫查机器人的末端执行器在水平面上的移动，控制从端扫查机器人的末端上的超声探头在人体扫查部位上进行扫查；
82.若角度不合适，医生可再次长按姿态控制按键，并手持手持装置在空间中进行旋转运动，控制从端扫查机器人的末端执行器在空间中的姿态运动，调整从端扫查机器人的末端上的超声探头对准人体扫查部位；
83.由于人体表面为凹凸曲面，医生可以选择按下力控制按键，从端扫查机器人的末端上的超声探头在扫查部位上移动时，超声探头的实际位置会跟随人体表面进行凹凸起伏运动；或者，医生可以选择按下上下移动控制按键，在上下移动控制模式下调节超声探头沿扫查面的法向移动设定的距离。
84.以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。