一种基于机器视觉的智能艾灸治疗机及其工作方法与流程

本发明涉及医疗保健设备领域，尤其涉及一种基于机器视觉的智能艾灸治疗机及其工作方法。

背景技术：

艾灸，中医针灸疗法中的灸法，以艾叶为原材料制作成艾粒或者艾条进行燃烧，通过产生的热效和烟熏来刺激人体经络线上的特殊穴位，激发穴位的经气活动来辅助人体调理人体的生理生化功能，从而达到预防和治疗的一种治疗方法。艾灸所施用的部位为人体经络线上的穴位，而不同的穴位对应着不同的治疗目的，不同的施治手法，如温和灸，雀啄灸，回旋灸，隔物灸等，都对应着不同的治疗效力。传统人工艾灸治疗，需要医师对受灸者的人体穴位进行判断，传统人工艾灸治疗，操作过程中需要人工手持艾条或者器具弓背弯腰进行操作，长时间操作不利于操作者身体健康。而一些固定在人体皮肤上的艾灸器具，一般只能对某些特定部位进行治疗，并且不能方便地变换治疗部位，适用性不高，治疗效果有限。而且直接固定在人体皮肤表面，治疗过程中产生的过多的热量不能及时散去，给受治者疼痛和皮肤局部红肿甚至烫伤的风险。

公开号为cn107080690a的中国专利文献介绍了一种智能艾灸机器人及其操作方法。公开了一种智能艾灸机器人，属于医疗保健领域，旨在提供一种智能艾灸机器人的技术方案，以实现艾灸治疗器械的智能化和提高安全性。

其技术方案要点包括：(1)自动识别目标的控制机构，实现将艾灸装置自动转向目标对象；(2)排烟装置，包含罩体，排烟管，对艾灸治疗过程中的烟尘进行引导，选择过滤后室内排放或者室外排放。(3)艾灸装置，包含检测设备和调控设备，通过检测设备包含ccd摄像机和贴于受治者皮肤上的穴位贴配合，加之距离感应器和温度感应器的辅助，能够检测目标对象的距离和目标的状态；调控设备包含空间位置为x，y，z三个轴上的直线推杆和x，z轴上的旋转模块控制五个自由度，实现装有艾灸头，和一些传感器的罩体的空间移动，制动和停留。

工作方法：每次开始进行一个穴位治疗时，识别系统自动寻找贴于皮肤上的穴位贴，控制系统将艾灸头对准穴位，调控设备驱动艾灸头进行不同模式的灸治，自动调节艾灸头与皮肤的距离和位置以实现温度的智能控制，自动收集艾条燃烧烟尘，根据需求进行过滤后室内排放和室外排放，同时运行中遇到障碍时调控装置会立即停止驱动，防止造成危险。

但是，上述文献公开的技术方案存在以下问题：1、使用该器械治疗前，需要医师对受治者的穴位进行人工判断并逐一贴上穴位贴，相对繁琐，对需要治疗的穴位进行贴覆标记物，也会影响艾灸治疗的效果；2、机器工作时，治疗每一个穴位之前都需要调用摄像头寻找受治者皮肤上贴的穴位贴，容易发生重复判定或者漏判；3、吊机式的形体结构导致其空间的利用率不高，工作时将占用相当大的空间，尤其体现是高度上，导致环境适应性下降。

技术实现要素：

为克服上述问题，本发明提供一种实现艾灸治疗自动化的基于机器视觉的智能艾灸治疗机及其工作方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于机器视觉的智能艾灸治疗机，包括基座运动执行装置c，基座运动执行装置c上连接有类scara式机械臂b，类scara式机械臂b的执行端设有治疗执行装置a以及用于采集人体轮廓图像信息与人体体表相对于基准面的高度信息的机器视觉装置a-10，机器视觉装置a-10通过图像信号分析装置与中央处理器电连接，中央处理器分别控制连接基座运动执行装置c、类scara式机械臂b和治疗执行装置a，并分别与数据存储与进度记录模块、人机交互模块电连接；

所述基座运动执行装置c包括：基座框架c-1、基座移动轮c-2和水平设置的第一直线导轨c-3；基座移动轮c-2设置在第一直线导轨c-3的内部、且可沿第一直线导轨c-3滚动，基座框架c-1设置在基座移动轮c-2的上方，且基座移动轮c-2与基座框架c-1通过轴承及转轴相连接；基座框架c-1内设有移动驱动电机，移动驱动电机与转轴传动连接；第一直线导轨c-3上设有定位标记c-4，基座框架c-1的底部中心设有与定位标记c-4匹配的定位传感器c-5；

定义以基座框架在第一直线导轨上的运动方向为左右方向，在水平面上与左右方向垂直的方向为前后方向，与左右方向和前后方向均垂直的方向为竖直方向；

所述类scara式机械臂b包括：机械臂小臂构件b-1、机械臂大臂构件b-2、第一步进电机b-3、机械臂底座b-6；基座框架c-1的前表面竖直设有第二直线导轨b-5，第二直线导轨b-5的后侧顶端竖直设有第一步进电机b-3，丝杆模组b-4包括第一丝杆和传动啮合于第一丝杆外部的第一丝杆螺母，第一步进电机b-3通过联轴器传动连接第一丝杆的一端；机械臂底座b-6的后部可滑动的套设在第二直线导轨b-5上，机械臂底座b-6的后部后端与第一丝杆螺母固定连接；第一丝杆的轴心线与第二直线导轨b-5的轴心线平行，机械臂底座b-6能够通过第二直线导轨b-5沿竖直方向上下移动；

机械臂大臂构件b-2可水平转动地装设于机械臂底座b-6上，机械臂小臂构件b-1可水平转动地装设于机械臂大臂构件b-2的端部，治疗执行装置a装设于机械臂小臂构件b-1的端部；驱动机械臂大臂构件b-2和机械臂小臂构件b-1旋转的驱动组件同轴设置于机械臂底座b-6的前部内腔中；

所述治疗执行装置a包括：步进电机与丝杆模组a-7、第三直线导轨a-8、艾灸夹具底座a-4和治疗器具外罩a-1；步进电机与丝杆模组a-7竖直设置在械臂小臂构件b-1的端部，第三直线导轨a-8竖直设置在步进电机与丝杆模组a-7的后方，第三直线导轨a-8的顶端与械臂小臂构件b-1固定连接；步进电机与丝杆模组a-7包括第二步进电机和第二丝杆，第二步进电机竖直设置在械臂小臂构件b-1的顶端，第二步进电机的输出轴穿过械臂小臂构件b-1与第二丝杆的顶端传动连接；

艾灸夹具底座a-4的中部通过螺纹连接在第二丝杆上、后部与第三直线导轨a-8滑动连接、前部设有艾灸条夹持孔以及用于夹持艾灸条的艾灸条夹具a-5；艾灸条夹持孔中设有艾灸条a-6，艾灸条夹持孔的上方右侧设有艾灸条夹具a-5；艾灸条夹具a-5包括与艾灸条a-6配合的夹体和与夹体铰接的固定端，固定端与艾灸夹具底座a-4固定连接，夹体的后端与固定端之间设有夹具弹簧a-9；夹体与艾灸条a-6接触的夹边为圆弧形，圆弧形与艾灸条a-6的外圆相适配；艾灸条夹具a-5将艾灸条a-6夹装在艾灸条夹持孔中；

艾灸夹具底座a-4的下方水平设有治疗器具外罩a-1，治疗器具外罩a-1的中部通过螺纹连接在第二丝杠上、后部与第三直线导轨a-8滑动连接、前部设有用于过滤艾灸条灰烬的灰烬过滤内胆a-2；治疗器具外罩a-1的前部与灰烬过滤内胆a-2均呈半球形，灰烬过滤内胆a-2位于治疗器具外罩a-1的前部内，治疗器具外罩a-1的顶端开口处设有治疗器具上盖a-3，治疗器具上盖a-3上设有用于艾灸条穿过的通孔；灰烬过滤内胆a-2的底部为能够隔离灰烬的网状结构；第三直线导轨(a-8)的底端水平设有行程限位板，行程限位板的下表面设有机器视觉装置a-10和温度传感器，机器视觉装置a-10包括ccd摄像头和激光测距器；温度传感器通过通过信息分析处理模块与中央处理器电连接；

艾灸条夹具底座a-4与治疗器具外罩a-1在第三导轨上同步运动。

一种上述智能艾灸治疗机的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，治疗执行装置、类scara式机械臂、基座运动执行装置复位，各控制模块与处理模块进行初始化，输入需要施加治疗的穴位；

步骤2，机器视觉装置运作，采集人体轮廓图像信息与人体体表相对于基准面的高度信息；将数据传入信息分析处理模块；

步骤3，信息分析处理模块对由机器视觉装置传入的人体轮廓图像信息和人体体表相对于基准平面的高度信息进行分析处理后，将特征信息等传入中央处理器；

步骤4，中央处理器分析特征信息，在数据空间内标记人体穴位所对应的数据坐标点，以此进行艾灸治疗路径规划和动作执行内容的计算，完成后，发送动作指令驱动治疗执行装置、类scara式机械臂、基座运动执行装置；

步骤5，治疗执行装置输出艾灸治疗动作，同时温度传感器对人体体表温度进行实时监测并通过信息分析处理模块对中央处理器的动作指令控制进行反馈和调整，以保持受治部位的温度保持在安全合理的温度域内；

步骤6，数据存储与进度记录模块对当前进度数据进行存储，以便于医师进行监测，评估，并且可以实现意外断电重启后读取进度，继续治疗。

进一步，所述步骤1中需要施加治疗的穴位由医师在智能艾灸治疗机的人机交互模块中进行选定；

进一步，所述步骤2中的采集人体轮廓图像的方法为：类scara式机械臂驱动机器视觉装置在高于基准面一定高度的平面内，所述高度大于人体相对于基准面的高度，按指定路径进行图像信息采集和人体体表高度信息采集；利用ccd摄像头所具有的灵敏度高，抗光照干扰，畸变小，抗震动的特点，平稳而有效地获取图像信息，利用激光测距器，准确的采集人体体表高度信息。

进一步，所述步骤3中的信息分析处理模块对由机器视觉装置传入的人体轮廓图像信息和人体体表高度信息进行分析处理的方法为：对于图像信息，利用opencv计算机视觉库中的图像处理程序，将采集过程中所得的人体不同部位的图像进行滤波除去强烈的噪点，光强值平均化处理使得图像亮度尽量接近，最后进行图像信息整合，获得适合中央处理器进行穴位识别和治疗执行路径规划的数据；对于人体体表高度信息的处理，需要在记录高度信息的同时，添加高度测量器所处的平面位置坐标信息，整和所有高度信息和对应平面位置坐标信息，获得对人体体表的三维数据的描述，最后，将通过机器视觉装置最终获得的特征信息和已有的人体模型数据相拟合，得到准确的人体体表三维数据描述。

进一步，所述步骤4中的艾灸治疗路径规划和动作执行内容的计算内容包括：每个穴位的治疗前，类scara式机械臂驱动治疗执行装置通过最优的一种路径前往；治疗过程中，治疗执行装置执行智能控温；某个穴位上的治疗方式，体现为类scara式机械臂驱动治疗执行装置完成对医师的不同施灸手法的模仿。

进一步，所述步骤6中的数据存储与进度记录模块，使用蓄电池供电，正常情况下并入整机电路进行充电，在意外断电后，蓄电池可以维持一段时间的运作，便于对关键数据进行及时的保存。

进一步，所述智能控温的方法包括如下步骤：

步骤4.1，治疗过程中，温度传感器实时监测治疗部位的体表温度，并与设定的合理温度域进行对比：

若体表温度低于合理温度下界，则对信息分析处理模块反馈a类信号；

若体表温度高于合理温度上界，则对信息分析处理模块反馈b类信号；

若体表温度处于合理温度域内，则对信息分析处理模块反馈c类信号；

步骤4.2，信息分析处理模块根据收到的反馈信号类别和数值，对治疗执行装置的动作指令进行调整：

收到a类信号，依照数值下调艾灸条夹具底座，在安全的范围内减小治疗器具外罩与人体体表的高度距离；

收到b类信号，依照数值上调艾灸条夹具底座，在保有治疗效力的前提下增大治疗器具外罩与人体体表的高度距离；

收到c类信号，依照先前的动作指令执行，以维持体表温度在合理温度域内，实现安全和效力同存；

步骤4.3，治疗执行装置接收和执行经过调整的动作指令，输出合适的动作。

本发明的有益效果是：可以在治疗前确定的需要施加治疗的穴位的位置，艾灸治疗过程中替代人工进行操作，降低艾灸治疗中人工作业时间；本发明提供的设备可以实现艾灸治疗的自动化和治疗过程中的智能化调控，可以提高艾灸治疗的操作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的机械臂小臂构件末端的结构示意图。

图3是本发明类scara式机械臂的结构示意图。

图4是本发明基座运动执行装置的结构示意图。

图5是本发明基座框架在第一直线导轨上的定位示意图。

图6是本发明的工作流程图。

图7是本发明智能控温的方法流程图。

附图标记说明：a、治疗执行装置；a-1、治疗器具外罩；a-2、灰烬过滤内胆；a-3治疗器具上盖；a-4、艾灸条夹具底座；a-5、艾灸条夹具；a-6、艾灸条；a-7、步进电机与丝杆模组；a-8、第三直线导轨；a-9、夹具弹簧；a-10机器视觉装置；b、类scara式机械臂；b-1、机械臂小臂构件；b-2、机械臂大臂构件；b-3、步进电机组；b-4、丝杆模组；b-5、第二直线导轨；b-6、机械臂底座；c、基座运动执行装置；c-1、基座框架；c-2、基座移动轮；c-3、第一直线导轨。c-4、定位标记；c-5、定位传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

参照附图，一种基于机器视觉的智能艾灸治疗机，包括基座运动执行装置c，基座运动执行装置c上连接有类scara式机械臂b，类scara式机械臂b的执行端设有治疗执行装置a以及用于采集人体轮廓图像信息与人体体表相对于基准面的高度信息的机器视觉装置a-10，机器视觉装置a-10通过图像信号分析装置与中央处理器电连接，中央处理器分别控制连接基座运动执行装置c、类scara式机械臂b和治疗执行装置a、并分别与数据存储与进度记录模块、人机交互模块电连接；

所述基座运动执行装置c包括：基座框架c-1、基座移动轮c-2和第一直线导轨c-3；基座移动轮c-2设置在第一直线导轨c-3的内部、且可沿第一直线导轨c-3滚动，基座框架c-1设置在基座移动轮c-2的上方，且基座移动轮c-2与基座框架c-1通过轴承及转轴相连接；基座框架c-1内设有移动驱动电机，移动驱动电机与转轴传动连接；第一直线导轨c-3上设有定位标记c-4，基座框架c-1的底部中心设有与定位标记c-4匹配的定位传感器c-5；

定义以基座框架在第一直线导轨上的运动方向为左右方向，在水平面上与左右方向垂直的方向为前后方向，与左右方向和前后方向均垂直的方向为竖直方向；

所述类scara式机械臂b包括：机械臂小臂构件b-1、机械臂大臂构件b-2、第一步进电机b-3、机械臂底座b-6；基座框架c-1的前表面竖直设有第二直线导轨b-5，第二直线导轨b-5的后侧顶端竖直设有第一步进电机b-3，丝杆模组b-4包括第一丝杆和传动啮合于第一丝杆外部的第一丝杆螺母，第一步进电机b-3通过联轴器传动连接第一丝杆的一端；机械臂底座b-6的后部可滑动的套设在第二直线导轨b-5上，机械臂底座b-6的后部后端与第一丝杆螺母固定连接；第一丝杆的轴心线与第二直线导轨b-5的轴心线平行，机械臂底座b-6能够通过第二直线导轨b-5沿竖直方向上下移动；

机械臂大臂构件b-2可水平转动地装设于机械臂底座b-6上，机械臂小臂构件b-1可水平转动地装设于机械臂大臂构件b-2的端部，治疗执行装置a装设于机械臂小臂构件b-1的端部；驱动机械臂大臂构件b-2和机械臂小臂构件b-1旋转的驱动组件同轴设置于机械臂底座b-6的前部内腔中；

所述治疗执行装置a包括：步进电机与丝杆模组a-7、第三直线导轨a-8、艾灸夹具底座a-4和治疗器具外罩a-1；步进电机与丝杆模组a-7竖直设置在械臂小臂构件b-1的端部，第三直线导轨a-8竖直设置在步进电机与丝杆模组a-7的后方，第三直线导轨a-8的顶端与械臂小臂构件b-1固定连接；步进电机与丝杆模组a-7包括第二步进电机和第二丝杆，第二步进电机竖直设置在械臂小臂构件b-1的顶端，第二步进电机的输出轴穿过械臂小臂构件b-1与第二丝杆的顶端传动连接；

艾灸夹具底座a-4的中部通过螺纹连接在第二丝杠上、后部与第三直线导轨a-8滑动连接、前部设有艾灸条夹持孔以及用于夹持艾灸条的艾灸条夹具a-5；艾灸条夹持孔中设有艾灸条a-6，艾灸条夹持孔的上方右侧设有艾灸条夹具a-5；艾灸条夹具a-5包括与艾灸条a-6配合的夹体和与夹体铰接的固定端，固定端与艾灸夹具底座a-4固定连接，夹体的后端与固定端之间设有夹具弹簧a-9；夹体与艾灸条a-6接触的夹边为圆弧形，圆弧形与艾灸条a-6的外圆相适配；艾灸条夹具a-5将艾灸条a-6夹装在艾灸条夹持孔中；

艾灸夹具底座a-4沿竖直方向的下方平行设有治疗器具外罩a-1，治疗器具外罩a-1的中部通过螺纹连接在第二丝杠上、后部与第三直线导轨a-8滑动连接、前部设有用于过滤艾灸条灰烬的灰烬过滤内胆a-2；治疗器具外罩a-1的前部与灰烬过滤内胆a-2均呈半球形，灰烬过滤内胆a-2位于治疗器具外罩a-1的前部内，治疗器具外罩a-1的顶端开口处设有治疗器具上盖a-3，治疗器具上盖a-3上设有用于艾灸条穿过的通孔；灰烬过滤内胆a-2的底部为能够隔离灰烬的网状结构；第三直线导轨a-8的底端水平设有行程限位板，行程限位板的下表面设有机器视觉装置a-10和温度传感器，机器视觉装置a-10包括ccd摄像头和激光测距器；温度传感器通过通过信息分析处理模块与中央处理器电连接；

艾灸条夹具底座a-4与治疗器具外罩a-1在第三导轨上同步运动。

一种根据上述智能艾灸治疗机的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，治疗执行装置、类scara式机械臂、基座运动执行装置复位，各控制模块与处理模块进行初始化，输入需要施加治疗的穴位；

步骤2，机器视觉装置运作，采集人体轮廓图像信息与人体体表相对于基准面的高度信息；将数据传入信息分析处理模块；

步骤3，信息分析处理模块对由机器视觉装置传入的人体轮廓图像信息和人体体表相对于基准平面的高度信息进行分析处理后，将特征信息等传入中央处理器；

步骤4，中央处理器分析特征信息，在数据空间内标记人体穴位所对应的数据坐标点，以此进行艾灸治疗路径规划和动作执行内容的计算，完成后，发送动作指令驱动治疗执行装置、类scara式机械臂、基座运动执行装置；

步骤5，治疗执行装置输出艾灸治疗动作，同时温度传感器对人体体表温度进行实时监测并通过信息分析处理模块对中央处理器的动作指令控制进行反馈和调整，以保持受治部位的温度保持在安全合理的温度域内；

步骤6，数据存储与进度记录模块对当前进度数据进行存储，以便于医师进行监测，评估，并且可以实现意外断电重启后读取进度，继续治疗。

所述步骤1中需要施加治疗的穴位由医师在智能艾灸治疗机的人机交互模块中进行选定；

所述步骤2中的采集人体轮廓图像的方法为：类scara式机械臂驱动机器视觉装置在高于基准面一定高度的平面内，所述高度大于人体相对于基准面的高度，按指定路径进行图像信息采集和人体体表高度信息采集；利用ccd摄像头所具有的灵敏度高，抗光照干扰，畸变小，抗震动的特点，平稳而有效地获取图像信息，利用激光测距器，准确的采集人体体表高度信息。

所述步骤3中的信息分析处理模块对由机器视觉装置传入的人体轮廓图像信息和人体体表高度信息进行分析处理的方法为：对于图像信息，利用opencv计算机视觉库中的图像处理程序，将采集过程中所得的人体不同部位的图像进行滤波除去强烈的噪点，光强值平均化处理使得图像亮度尽量接近，最后进行图像信息整合，获得适合中央处理器进行穴位识别和治疗执行路径规划的数据；对于人体体表高度信息的处理，需要在记录高度信息的同时，添加高度测量器所处的平面位置坐标信息，整和所有高度信息和对应平面位置坐标信息，获得对人体体表的三维数据的描述，最后，将通过机器视觉装置最终获得的特征信息和已有的人体模型数据相拟合，得到准确的人体体表三维数据描述。

所述步骤4中的艾灸治疗路径规划和动作执行内容的计算内容包括：每个穴位的治疗前，类scara式机械臂驱动治疗执行装置通过最优的一种路径前往；治疗过程中，治疗执行装置执行智能控温；某个穴位上的治疗方式，体现为类scara式机械臂驱动治疗执行装置完成对医师的不同施灸手法的模仿。

所述智能控温的方法包括如下步骤：

步骤4.1，治疗过程中，温度传感器实时监测治疗部位的体表温度，并与设定的合理温度域进行对比：

若体表温度低于合理温度下界，则对信息分析处理模块反馈a类信号；

若体表温度高于合理温度上界，则对信息分析处理模块反馈b类信号；

若体表温度处于合理温度域内，则对信息分析处理模块反馈c类信号；

步骤4.2，信息分析处理模块根据收到的反馈信号类别和数值，对治疗执行装置的动作指令进行调整：

收到a类信号，依照数值下调艾灸条夹具底座，在安全的范围内减小治疗器具外罩与人体体表的高度距离；

收到b类信号，依照数值上调艾灸条夹具底座，在保有治疗效力的前提下增大治疗器具外罩与人体体表的高度距离；

收到c类信号，依照先前的动作指令执行，以维持体表温度在合理温度域内，实现安全和效力同存；

步骤4.3，治疗执行装置接收和执行经过调整的动作指令，输出合适的动作。

所述步骤6中的数据存储与进度记录模块，使用蓄电池供电，正常情况下并入整机电路进行充电，在意外断电后，蓄电池可以维持一段时间的运作，便于对关键数据进行及时的保存。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。