能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统及方法技术方案

本发明专利技术的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，包括无影灯、步进电机、第一舵机、手术刀和控制箱，步进电机、第一舵机分别驱使无影灯在X轴和Y轴方向上转动；房顶上固定有智能相机，无影灯上固定有第一陀螺仪模块；手术刀中设置有第一单片机模块、第一无线模块、第二陀螺仪模块、陀螺仪按键和相机按键；控制箱由第二单片机模块、第二无线模块组成。本发明专利技术的智能无影灯控制系统及方法，包括陀螺仪控制模式和智能相机控制模式，在两种控制模式下均可实现无影灯照射光斑对手术刀位置的跟随，解决了传统无影灯的转向需要医护人员手动拉动所带来的不便，确保了手术刀位置处的照明，保证了手术的安全、顺利进行。

【技术实现步骤摘要】
能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统及方法
本专利技术涉及一种无影灯控制系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统及方法。
技术介绍
无影灯已经成为医院必备医疗器械之一，对于医生来说，在手术室或者ICU室看到无影灯已经是很常见的一个现象了，无影灯起着非常重要的作用，可以为医生做手术时提供充足的光源。在实际做手术的过程中，医生手里的手术刀位置可能会发生变化，因此，光线聚焦的位置也要随之发生变化，才能解决光线不足的问题，这就需要医生手动拉动无影灯来改变光线聚焦的位置，但是以拉动的方式来调节无影灯位置还是很不方便的，大大影响了做手术的进程。陀螺仪模块，是一种可以测量角度变化信息的元器件，应用比较广泛，但在无影灯的应用上面比较少见；智能相机的视觉定位功能，可以快速的抓取目标的坐标位置，常用在工业生产领域，在无影灯上的应用也很少见。无影灯的自动转向问题亟待解决，有必要提供一种能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，使无影灯使用起来更加方便。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统及方法。本专利技术的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，包括无影灯、步进电机、第一舵机、手术刀和控制箱，无影灯通过灯架可升降地设置于房顶上，无影灯的下方放置有病床，步进电机、第一舵机均设置于灯架上，分别驱使无影灯在平行于病床的平面内绕相互垂直的X轴方向和Y轴方向上转动；其特征在于：所述房顶上固定有对病床区域进行图像采集的智能相机，无影灯上固定有对其姿态进行检测的第一陀螺仪模块，第一舵机的壳体上固定有第二舵机，第二舵机的输出轴上固定有始终与房顶垂直的超声波模块；所述手术刀中设置有第一单片机模块及与其相连接的第一无线模块、第二陀螺仪模块、陀螺仪按键和相机按键；所述控制箱由第二单片机模块及与其相连接的第二无线模块组成，第二单片机模块的通信端口与智能相机、第一陀螺仪模块和超声波模块相连接，第二单片机模块的输出端口与步进电机和第一舵机的控制端相连接。本专利技术的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，所述第一单片机模块和第二单片机模块均由32位单片机系统组成，第一无线模块和第二无线模块均由型号为NFR2401的芯片构成，第一陀螺仪模块和第二陀螺仪模块均由型号为MPU6050的芯片构成；所述第二单片机模块经RS485通讯总线与第一陀螺仪模块和超声波模块相通信，经RS232通讯总线与智能相机相通信。本专利技术的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统的控制方法，其特征在于：包括陀螺仪控制模式和智能相机控制模式；陀螺仪控制模式具体通过以下步骤来实现：a).高度调整，对病床上的病人做手术前，首先手动将无影灯拉至合适的高度；b).发起照射调整指令，医生在手持手术刀手术过程中，如果感觉无影灯的照射角度需要调整，则按下手术刀上的陀螺仪按键，向控制箱发送按照陀螺仪姿态的无影灯照射角度调整指令，姿态调整指令经第一无线模块发送至控制箱；c).手术刀姿态求取，根据获取的第二陀螺仪的数据，计算出第二陀螺仪的航向角yaw、俯仰角pitch、横滚角roll；d).步进电机调整，pitch的值对应步进电机的转动方向，当pitch＞0时，驱使步进电机正转，当pitch＜0时，驱使步进电机反转；通过不断获取第二陀螺仪的实时俯仰角pitch，当pitch＝0时，步进电机调整结束；e).舵机调整，根据公式(1)求取第一舵机的自动重装载值arr与横滚角roll的关系：公式(1)中，等号左侧arr为第一舵机当前的自动重装载值，等号右侧的arr为重装载前的装载值；控制箱将自动重装载值下发至第一舵机，驱使第一舵机转动，完成对无影灯照射方向的调整；智能相机控制模式具体通过以下步骤来实现：1).像素坐标距离与实际距离的转换，首先，将智能相机放到距离病床恰好1m的高度，按下拍照按钮，拍摄含有手术刀的图像，将手术刀在图像中的位置坐标标记为A(x1,y1)；然后在水平面内移动手术刀的位置，再次拍摄含有手术刀的图像，此时手术刀在图像中的位置坐标为B(x2,y2)；测得手术刀在x方向和y方向上的实际物理位移为x3，y3；则通过公式(3)求出智能相机距离病床1m时，x轴像素距离转换为实际距离的比例尺kx为：则通过公式(4)求出智能相机距离病床1m时，y轴像素距离转换为实际距离的比例尺ky为：则通过公式(5)求出智能相机距离病床hm时，x轴像素距离转换为实际距离的比例尺kxh为：则通过公式(6)求出智能相机距离病床hm时，y轴像素距离转换为实际距离的比例尺ky为：2).计算实际距离与舵机装载值的对应关系，将无影灯移动到距离病床1m的高度，通过第一舵机的驱使，使无影灯的照射光斑中心点由病床尾部移动至病床头部过程中，测出第一舵机的自动重装载值变化范围为arr1～arr2，床头的实际长度为x4；则通过公式(7)求出智能相机距离病床hm时，第一舵机自动重装载值的范围为：h×arr1～h×arr2(7)则通过公式(8)求出智能相机距离病床hm时，实际移动距离与自动装载值arr的比例关系：公式(8)中，X为无影灯光斑在病床长度方向的移动距离，即x轴方向上的实际移动距离；3).计算实际距离与步进电机脉冲个数的关系，将无影灯移动到距离病床1m的高度，给步进电机一个脉冲，测出一个脉冲下无影灯光斑中心在病床上横向方向的移动距离，即沿y轴方向的实际移动的距离，记为y4；则通过公式(9)求出智能相机距离病床hm时，步进电机在一个脉冲下移动的实际距离为：h×y4(9)则通过公式(10)求出照射光斑沿病床横向方向上的实际移动距离Y与步进电机脉冲个数n的关系：4).照射光斑的调整，首先通过超声波模块计算出当前无影灯距离病床的距离，设为h′；然后医生将手术刀移动至目标位置，第二单片机模块利用智能相机采集一张图片，通过对比当前图片与上一次所采集的图片，计算出手术刀在图片上所移动的像素距离，设x方向和y方向上的像素变化值分别为Δx、Δy，则通过公式(11)和公式(12)分别计算出无影灯照射光斑中心实际理应移动的距离：然后，则通过公式(13)和公式(14)分别计算出第一舵机自动重装载值arr′和步进电机脉冲个数n′：将第一舵机的自动重装载值置为arr′，将n′个脉冲个数输入给步进电机，以驱使无影灯的照射光斑对手术刀跟踪。本专利技术的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统的控制方法，步骤c)中手术刀姿态求取具体通过以下步骤来实现：第二陀螺仪模块初始化后，陀螺仪会自动采集一组8位的数据，数据放到一个名字叫buff的数组中，buff的第零位，也就是buff[0]为0xAA，是固定不变的，是一个开始采集的标志；然后buff的第八位，也就是buff[7]为0x55，也是固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，包括无影灯(1)、步进电机(7)、第一舵机(8)、手术刀(3)和控制箱(2)，无影灯通过灯架可升降地设置于房顶(5)上，无影灯的下方放置有病床(4)，步进电机、第一舵机均设置于灯架上，分别驱使无影灯在平行于病床的平面内绕相互垂直的X轴方向和Y轴方向上转动；其特征在于：所述房顶上固定有对病床区域进行图像采集的智能相机(6)，无影灯上固定有对其姿态进行检测的第一陀螺仪模块(9)，第一舵机(8)的壳体上固定有第二舵机(11)，第二舵机的输出轴上固定有始终与房顶垂直的超声波模块(10)；/n所述手术刀(3)中设置有第一单片机模块(14)及与其相连接的第一无线模块(12)、第二陀螺仪模块(13)、陀螺仪按键(15)和相机按键(16)；所述控制箱(2)由第二单片机模块(18)及与其相连接的第二无线模块(17)组成，第二单片机模块的通信端口与智能相机、第一陀螺仪模块和超声波模块相连接，第二单片机模块的输出端口与步进电机和第一舵机的控制端相连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，包括无影灯(1)、步进电机(7)、第一舵机(8)、手术刀(3)和控制箱(2)，无影灯通过灯架可升降地设置于房顶(5)上，无影灯的下方放置有病床(4)，步进电机、第一舵机均设置于灯架上，分别驱使无影灯在平行于病床的平面内绕相互垂直的X轴方向和Y轴方向上转动；其特征在于：所述房顶上固定有对病床区域进行图像采集的智能相机(6)，无影灯上固定有对其姿态进行检测的第一陀螺仪模块(9)，第一舵机(8)的壳体上固定有第二舵机(11)，第二舵机的输出轴上固定有始终与房顶垂直的超声波模块(10)；
所述手术刀(3)中设置有第一单片机模块(14)及与其相连接的第一无线模块(12)、第二陀螺仪模块(13)、陀螺仪按键(15)和相机按键(16)；所述控制箱(2)由第二单片机模块(18)及与其相连接的第二无线模块(17)组成，第二单片机模块的通信端口与智能相机、第一陀螺仪模块和超声波模块相连接，第二单片机模块的输出端口与步进电机和第一舵机的控制端相连接。


2.根据权利要求1所述的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统，其特征在于：所述第一单片机模块(14)和第二单片机模块(18)均由32位单片机系统组成，第一无线模块(12)和第二无线模块(17)均由型号为NFR2401的芯片构成，第一陀螺仪模块(9)和第二陀螺仪模块(13)均由型号为MPU6050的芯片构成；所述第二单片机模块(18)经RS485通讯总线与第一陀螺仪模块(9)和超声波模块(10)相通信，经RS232通讯总线与智能相机(6)相通信。


3.一种基于根据权利要求1所述的能自动跟踪手术刀的智能无影灯控制系统的控制方法，其特征在于：包括陀螺仪控制模式和智能相机控制模式；
陀螺仪控制模式具体通过以下步骤来实现：
a).高度调整，对病床上的病人做手术前，首先手动将无影灯拉至合适的高度；
b).发起照射调整指令，医生在手持手术刀手术过程中，如果感觉无影灯的照射角度需要调整，则按下手术刀上的陀螺仪按键，向控制箱发送按照陀螺仪姿态的无影灯照射角度调整指令，姿态调整指令经第一无线模块发送至控制箱；
c).手术刀姿态求取，根据获取的第二陀螺仪的数据，计算出第二陀螺仪的航向角yaw、俯仰角pitch、横滚角roll；
d).步进电机调整，pitch的值对应步进电机的转动方向，当pitch＞0时，驱使步进电机正转，当pitch＜0时，驱使步进电机反转；通过不断获取第二陀螺仪的实时俯仰角pitch，当pitch＝0时，步进电机调整结束；
e).舵机调整，根据公式(1)求取第一舵机的自动重装载值arr与横滚角roll的关系：



公式(1)中，等号左侧arr为第一舵机当前的自动重装载值，等号右侧的arr为重装载前的装载值；控制箱将自动重装载值下发至第一舵机，驱使第一舵机转动，完成对无影灯照射方向的调整；
智能相机控制模式具体通过以下步骤来实现：
1).像素坐标距离与实际距离的转换，首先，将智能相机放到距离病床恰好1m的高度，按下拍照按钮，拍摄含有手术刀的图像，将手术刀在图像中的位置坐标标记为A(x1,y1)；然后在水平面内移动手术刀的位置，再次拍摄含有手术刀的图像，此时手术刀在图像中的位置坐标为B(x2,y2)；测得手术刀在x方向和y方向上的实际物理位移为x3，y3；
则通过公式(3)求出智能相机距离病床1m时，x轴像素距离转换为实际距离的比例尺kx为：



则通过公式(4)求出智能相机距离病床1m时，y轴像素距离转换为实际距离的比例尺ky为：



则通过公式(5)求出智能相机距离病床hm时，x轴像素距离转换为实际距离的比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘为刚，刘志远，杜连旗，靳华磊，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：山东;37