一种具有触觉和视觉感知的超声检测柔性装置的制作方法

本发明属于超声机器人领域，涉及一种机器人被动柔顺技术，具体涉及一种具有触觉和视觉感知的超声检测柔性装置。

背景技术：

随着新冠肺炎的疫情的控制，当今社会意识到无接触远程服务是一项很重要的技术。疫情期间我们看见了无人消毒机器人、测温机器人、无人送餐机器人的应用案例，这些机器人落地场景出现在与我们人民群众民生息息相关的医院。由这些机器人落地场景可以看出机器人领域的相关技术不断发展，其应用范围也在不断扩大和深化，特别是在医疗领域。而新冠患者的一项重要检测指标就是胸腔积液，这就涉及到b超检测方面。疫情期间，由于检测医生人手不足，医患检查感染风险大，这对我们病患及医务人员的生命安全都存在一定概率的威胁。并且病人需要一天多次检查来判断病情是否变化，这无疑加大医生感染风险，所以b超检查机器人是我们研发的一个重要环节，其中机器人b超检测装置极其关键。医疗设备的安全性是首要设计需求，对病人本身不会造成二次伤害使我们设计的重要指标。所以在b超机器人检查流程中，控制和限制机器人末端对患者身体施加的力是及其重要的，其次，b超医生操作时会转变b超探头不同角度以便贴合皮肤使设备得到更完整、清晰的图像，这就需要我们的末端能在与探头与病人身体贴合处能柔顺的转动角度使其达到医生所需要图像的效果，这个功能需求就需要我们的机器人末端装置提供一定角度的柔性。目前市面上的研发企业着重于机器人的路径规划及力控来达到所需效果，此类公司的机器人末端装置多为固定性式连接装置，直接固定于机器人末端法兰。其b超检查实施方式通过人工远程操作，存在极大隐患，不能对病人身体起到一个缓冲保护作用，一旦程序失控容易对病患造成二次伤害。不同部位所需的探头可能更换，市场上的装置固定安装方式不便拆卸更换。

技术实现要素：

鉴于上述的现有技术存在不足，本发明提出了一种超声机器人中具有触觉和视觉感知的超声检测柔性装置的结构设计，具有自动寻位，过载保护，rx,ry,rz三方向的柔性转角及x,y,z三个方向的柔性位移的共计六维柔性，能够良好的贴服病人皮肤表面及补偿机器人运动过程抖动以及微小位移。提供一种便捷b超探头安装方式，以便更换b超探头。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有触觉和视觉感知的超声检测柔性装置，其特征在于：包括六维力矩传感器、视觉识别模块、柔性机构和超声探头固定机构，所述六维力矩传感器安装在机械人的执行末端，所述超声探头固定机构通过柔性机构安装在六维力矩传感器下端，所述视觉识别模块安装于六维力矩传感器下方，用于视觉识别，所述超声探头固定机构用于夹持b超探头；所述的视觉识别模块提供机器人自动寻位的功能，所述六维力矩传感器提供一个实施的力信号反馈。

所述柔性机构包括内支架、柔性平台和安装在内支架上的三组柔性链，所述内支架为三菱柱型壳体结构，内支架的每个面均设有一个柔性链，所述柔性链包括弹性板、滑轨、滑动板、连杆和两个轴承，所述内支架内的顶部设有向下的凸柱，两个滑轨竖直的固定在内支架上，所述滑动板通过两个滑块安装在两个滑轨上，两个轴承平行的上下分布安装在滑动板上，所述弹性板水平设置，其一端固定在内支架的凸柱上，另一端插入两个轴承之间；所述连杆上端与滑动板铰接相连，下端与柔性平台固定铰接相连，所述超声探头固定机构固定于柔性平台底部。所述弹性板具有弹性，使得b超探头底端接触病人皮肤时产生的力能够通过滑动板传导到弹性板上，通过滑块的调整使得b超探头对病人的接触力能够平稳缓慢的增长，不会造成力的骤增。弹性板从两个轴承之间的间隙穿过，所述两个轴承固定在轴承固定件上，通过弹性板和两个轴承可以消除摩擦造成的柔性干扰，使得b超探头作用力完全传递到弹性板上，从而防止了静摩擦力带动的局部刚性。

进一步地，在轴承侧还存在着轴套，其作用是给轴承进行轴向限位，阻止轴承在轴上进行滑动。

进一步地，所述内支架由顶板、底板和三个侧面组成，所述底板中间设有圆孔，每个侧面中部均设有上下方向的活动槽，所述顶板固定在六维力矩传感器下端，所述滑轨固定在活动槽两侧的棱柱上，所述连杆下端穿过底板中部的圆孔后与柔性平台相连。

进一步地，所述底板上固定有将整个内支架保护起来的外壳体，所述视觉识别模块安装在外壳体上。

进一步地，所述视觉识别模块为深度相机、激光发射器和红外相机中任意一种。

进一步地，所述柔性链的两个轴承分别为大轴承和小轴承，所述大轴承通过销轴安装在滑动板的上部，小轴承通过销轴和轴承固定件安装在滑动板的下部，所述连杆上端设有u型转动件，u型转动件的两肢通过转动副安装在销轴两侧的销轴上，所述连杆下端通过鱼眼轴承安装在球头连接件上，所述球头连接件固定在柔性平台上。

进一步地，所述滑动板上设有供弹性板自由伸出的方孔。

进一步地，所述弹性板采用弹簧钢或者高强度塑料制成。

进一步地，所述超声探头固定机构包括c型支架、立式弧形支架、压杆、丝杆和两个弧形压片，所述立式弧形支架固定在柔性平台底部，所述c型支架水平的固定在立式弧形支架底部，通过立式弧形支架的弧度使得c型支架位于柔性平台正下方，两个弧形压片相对的安装在c型支架的两肢之间，每个弧形压片均固定在一个压杆上，所述压杆通过横向滑动副安装在c型支架的两肢上，所述丝杆前端通过螺纹配合安装在压杆内，丝杆后端设有便于拧动的手柄。

进一步地，所述c型支架的两肢上设有起到止推作用的端盖，所述手柄位于端盖外侧。

进一步地，所述柔性平台采用abs材料制成。

进一步地，外壳体采用abs打印制成，以减轻整体质量和拥有优良的力学性能，整体结构的硬度及韧性，使整个结构的刚度得以保证。

本发明的有益效果是：

1、采用多角度协同柔性，使得探头检测能在固定位置柔顺的转动角度贴合病人皮肤，以获得满足要求的图像；

2、在传统力控的方式上进一步增加柔性保护机构，使得皮肤与探头间的力更加稳定，保障病人的检测效果；

3、视觉引导的导向方式提高效率，节省医生找到对应部位的时间；

4、柔性间的替换性及柔顺度调节空间大，适用范围大，可扩展性高。

附图说明

图1是本发明超声检测柔性装置的整体结构示意图；

图2是本发明超声检测柔性装置的立体分解示意图；

图3是本发明超声检测柔性装置的内部柔性机构示意图；

图4是本发明超声检测柔性装置的三并联机构中单条柔性链的结构示意图；

图5是本发明超声检测柔性装置的超声探头固定机构的结构示意图；

图6是本发明超声检测柔性装置的超声探头固定机构的剖面结构示意图。

其中，1-六维力矩传感器，2-深度相机，3-外壳体，4-柔性机构，41-内支架，411-顶板，412-底板，413-棱柱，414-圆孔，415-活动槽，416-凸柱，42-柔性链，421-弹簧钢板，422-滑轨，423-滑块，424-滑动板，425-轴承固定件，426-销轴，427-大轴承，428-小轴承，429-u型转动件，430-连杆，431-球头连接件，432-球头转动销，433-鱼眼轴承，44-超声探头固定机构，441-立式弧形支架，442-弧形压片，443-压杆，444-端盖，445-丝杆，446-手柄，447-c型支架，45-柔性平台，5-b超探头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明提供的一种超声机器人中具有触觉和视觉感知的超声检测柔性装置进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1至图6所示，一种具有触觉和视觉感知的超声检测柔性装置，包括六维力矩传感器1、视觉识别模块、柔性机构4和超声探头固定机构44，所述六维力矩传感器1安装在机械人的执行末端，所述超声探头固定机构44通过柔性机构4安装在六维力矩传感器1下端，所述视觉识别模块安装于六维力矩传感器1下方，用于视觉识别，所述超声探头固定机构44用于夹持b超探头5；

如图2至图4所示，所述柔性机构4包括内支架41、柔性平台45和安装在内支架41上的三组柔性链42，所述内支架41为三菱柱型壳体结构，内支架41的每个面均设有一个柔性链42，三组柔性链42均布安装在内支架41四周形成柔性结构；

本发明实施例中，如图3所示，所述内支架41由顶板411、底板412和三个棱柱413组成，每两个棱柱413组成一个侧面，所述底板412中间设有圆孔414，每个侧面中部均设有上下方向的活动槽415，所述顶板411固定在六维力矩传感器1下端，所述底板412上通过螺栓固定有将整个内支架41保护起来的外壳体3，所述视觉识别模块安装在外壳体3上。

如图3和图4所示，所述柔性链42包括弹性板、滑轨422、滑动板424、连杆430和两个轴承，所述内支架41内的顶部设有向下的凸柱416，两个滑轨422竖直的固定在内支架41每个面活动槽415两侧的棱柱413上，所述滑动板424通过两个滑块423分别安装在两个滑轨422上，滑动板424位于内支架41每个面外侧，两个轴承平行的上下分布安装在滑动板424上，所述弹性板水平设置，其一端固定在内支架41的凸柱416上，另一端插入两个轴承之间；所述滑动板424上设有供弹性板自由伸出的方孔，防止对弹性板变形造成干扰。

本实施例中，如图4所示，所述柔性链42的两个轴承分别为大轴承427和小轴承428，所述大轴承427通过销轴426安装在滑动板424的上部，小轴承428通过销轴426和轴承固定件425安装在滑动板424的下部，所述连杆430上端设有u型转动件429，u型转动件429的两肢通过转动副安装在小轴承428两侧的销轴426上，所述连杆430下端设有鱼眼轴承433，鱼眼轴承433通过球头转动销432安装在球头连接件431上，所述球头连接件431通过螺栓固定在柔性平台45上，所述鱼眼轴承433具有多个转动自由的，使得柔性链42具有多角度柔性。

如图5和图6所示，所述超声探头固定机构44包括c型支架447、立式弧形支架441、压杆443、丝杆445和两个弧形压片442，所述立式弧形支架441固定在柔性平台45底部(或者采用一体化3d打印制造)，所述c型支架447水平的固定在立式弧形支架441底部，通过立式弧形支架441的弧度使得c型支架447位于柔性平台45正下方，两个弧形压片442相对的安装在c型支架447的两肢之间，每个弧形压片442均固定在一个压杆443上，所述压杆443通过横向滑动副安装在c型支架447的两肢上，即c型支架447的两肢上均设有横向的滑槽，压杆443自由滑道的安装在滑槽内，所述丝杆445前端通过螺纹配合安装在压杆443内(即压杆443设有沿其长度方向螺孔)，丝杆445后端设有便于拧动的手柄446，所述c型支架447的两肢上设有起到止推作用的端盖444，所述手柄446位于端盖444外侧，拧动手柄446时，丝杆445旋转，带动压杆443在滑槽内横向移动，从而调整两个弧形压片442之间的距离，达到夹持和更换b超探头5的目的，两个弧形压片442的弧形半价一般来说应该大于b超探头5的弧形半径，便于稳定夹持和更换不同尺寸的b超探头5。

本实施例中，所述弹性板为弹簧钢板421，实际上不限于弹簧钢板421，采用高强度塑料也可以。

作为一种改进的实施例，所述内支架41的底板412上固定有将整个内支架41保护起来的外壳体3，所述视觉识别模块安装在外壳体3上。所述视觉识别模块包括但不限于深度相机2、激光发射器和红外相机中任意一种。

本发明工作原理：

本发明所述弹簧钢板421是一种定制加工的弹簧钢板421，能承受一定的来自个方向的力，在待机状态中，b超探头5可稳定地固定在机器人末端，包含但不仅限于三个弹簧钢板421来支持超声探头固定机构44及b超探头5的重量，随着特定检测需求，我们可以增减弹簧钢板421以满足所需支持力的需求。当装置处于工作状态时，b超探头5与病人的皮肤进行接触时，皮肤对探头产生反作用力，该反作用力使超声探头固定机构44产生一定的轴向运动和角度的偏转，超声探头固定机构44的轴向运动和角度的偏转传递给柔性平台45，并通过三组柔性链42转为柔性运动。进一步地，柔性平台45的运动通过鱼眼轴承433和连杆430传递到轴承固定件425，轴承固定件425连同滑动板424拉动滑块423并沿着滑轨422向上移动。在此过程中，滑块423的运动拉动与之相连的弹簧钢板421使其产生变形，而弹簧钢板421与滑动板424之间是通过轴承滚动接触，阻力较小，柔性全部由弹簧钢板421产生，从而在b超检测过程中实现了轴向柔性，这是由于弹簧钢板421具有弹性产生的。这样会使得整体的运动过程是柔性的，那么该移动也是柔性的，运动过程的力是一个渐变的过程，这就对病人身体起到一个保护作用。其中柔性平台45可以采用特制的abs材料在径向负载过大时会自动断裂，这是一种过载保护机制。检测后，施加到b超探头5上的反作用力消失，并且滑块423通过弹簧钢板421的弹性运动实现复位，随之带动滑动板424复位，也即是三组柔性链42复位。主要柔性由弹簧钢板421和带鱼眼轴承433的连杆430提供，其中弹簧钢板421的形变和鱼眼轴承433的转向共同作用提供一个六维柔性功能。

由于三组柔性机构4均匀分布在内支架41和柔性平台45四周，在b超探头5与病人皮肤进行接触时会提供一种柔性力补偿，使得b超探头5与皮肤贴附的效果得到保障。在b超探头5在同一部位转动检查时这种均布式结构通过弹簧钢板421进行接触力的柔性传递。当力超过一定范围或者角度偏差过大时，各组柔性链42中的滑块423会根据角度的偏差产生相适应的运动，以便更好地达到图像采集效果。例如，当由于b超探头5使柔性平台45向右弯曲时，最右边的滑动板424会向上移动，而另外两个柔性链42上的滑块423会向下移动，通过三个滑动板424一起工作，共同引导柔性平台45的角度转向。并且，由于各组的滑块423所固定连接的弹簧钢板421具有刚性而使得滑块423在完成移动之后，可以恢复形变到达初始位置。由此看出，当检测过程中有偏差出现时，各组机构仍然可以回到初始的运动状态。当b超探头5向不同方向偏转时，每组柔性链42都可以产生相对应的运动并且最后恢复到初始的运动状态，从而可以在检测效果上达到柔性效果，并实现径向柔性。由于在检测过程中，b超探头5与病人之间可能存在复杂接触，所以在这种情况下，采用轴向柔性和径向柔性两个灵活的功能协同工作。这意味着通过全柔性装置的配合来实现所期望的柔性效果。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照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，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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