關于醫(yī)療機器人

伴隨著人類現(xiàn)代化文明的跨越式發(fā)展，機器人已被應用到我們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€領域，機器人的制造與使用也相應有了更高的需求。目前，機器人作業(yè)正向著高精度應用的方向發(fā)展，諸如自學習、視覺控制、仿真離線編程取代示教編程，這些都對機器人位姿準確度提出了更高要求。而醫(yī)療機器人，尤其是手術機器人（如針持、抓取鉗、手術剪、穿刺針、鉆頭等），作為機器人領域中的尖端產(chǎn)品，其精度要求可稱之為嚴苛；因此，對醫(yī)療機器人的檢測就變得十分重要。目前，對醫(yī)療機器人，通常采用YY/T 1712-2021標準進行檢測。       

醫(yī)療機器人的檢測需求

本文所述的醫(yī)療機器人，是由數(shù)個剛性桿體和旋轉(zhuǎn)或移動的關節(jié)連接而成，是一個開環(huán)關節(jié)鏈；開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端執(zhí)行器。在操作時，機器人手臂前端的末端執(zhí)行器必須與被加工工件處于相適應的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個臂關節(jié)的運動合成的。由于機器人機械手的慣性力、和重力負載都隨運動空間的變化而變化，因此要保證機器人的高精度、高速度、高動態(tài)品質(zhì)，就需要對機器人的性能進行檢測，來評估機器人的各項指標。       

 圖1：Radian激光跟蹤儀醫(yī)療機器人標定作業(yè)中（右）&數(shù)據(jù)報告（左）  

API檢測方案

根據(jù)YY/T 1712-2021行業(yè)標準、并參考ISO9283標準，API開發(fā)了一套針對醫(yī)療機器人各個性能的、有效的評估檢測方案，其中包括：位姿準確度和重復性檢測、多方向位姿準確度變動、距離準確度和重復性、位置穩(wěn)定時間和超調(diào)量、位姿漂移特征、互換性、軌跡準確度和重復性、重定向軌跡準確度、拐角偏差、軌跡速度特征、最小定位時間、靜態(tài)柔順性、擺動偏差，這14項性能檢測，都可以采用API品牌的Radian激光跟蹤儀配合RMS軟件來實現(xiàn)。       

圖2：機器人標定靶標解決方案  
圖3：API品牌Radian系列激光跟蹤儀  

源自激光跟蹤儀的精準測量

檢測時，只需根據(jù)需求在機器人末端部署相應的激光接收裝置（參考圖2示意），即可開啟激光跟蹤儀，并自動完成全套流程的檢測與評估。

Radian激光跟蹤儀會射出激光，并將激光鎖定至固定在執(zhí)行機構(gòu)末端的靶球（或靶標）中心，醫(yī)療機器人在其運動范圍內(nèi)移動的同時，激光跟蹤儀會實時記錄下軌跡坐標，并反饋至PC中的RMS軟件進行數(shù)據(jù)的分析及評估。通過機器人真實運動位置與其理論位置相比較，即可得到運動的偏差，從而針對這些偏差進行補償。      

圖4：本案例測量現(xiàn)場       

本紀實案例應用背景及測量需求

本紀實案例中，需要對一批次的骨科手術機器人的急停性能進行檢測。該項性能的測試，是為了避免手術過程中，由于斷電或其它行為導致的急停操作，使得機器人末端加載的刀具及各類鋒利工具由于慣性原因?qū)Σ∪嗽斐啥蝹Γ识枰獣栽摍C器人末端在急停瞬間至完全停穩(wěn)時的過沖量及全向最大振幅，從而將該指標優(yōu)化控制在最佳區(qū)間，以最大程度地保護病人。

本次測量使用的是Radian Pro型號激光跟蹤儀，其集成有IFM干涉激光（可溯源），并同時具有1000點/秒的超高采數(shù)速率，可充分滿足機器人運動過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)采集。操作者將Radian激光跟蹤儀布設在待測機器人周邊的合適位置，主機射出的激光鎖定并跟蹤固定在待測機器人末端的高精度靶球，即可開始測量。        測量時，Radian激光跟蹤儀設置為數(shù)據(jù)連續(xù)采集模式，機器人在其運動范圍內(nèi)，操作者隨機實施斷電急停操作?；赗adian的超高采數(shù)速率，機器人末端在開始運動至完全停穩(wěn)的所有運動軌跡都被一一記錄反饋至測量軟件，隨后，即可根據(jù)測量軟件中的數(shù)據(jù)進行分析診斷。      

圖5：測量數(shù)據(jù)在軟件中的顯示  

請參見圖5，軟件界面中可見：深紅色為機器人開始運動至急停命令發(fā)布一刻的運動軌跡；粉色為急停瞬間至完全停穩(wěn)這一過程中的運動軌跡。分析時，以粉色點組為基礎，構(gòu)建包絡球，即可得到并直觀分析該機器人末端在急停命令發(fā)布至完全停穩(wěn)時的全向振幅各數(shù)據(jù)（參考圖6）。            
圖6：在軟件中進行數(shù)據(jù)分析  

總結(jié)

Radian系列激光跟蹤儀以微米級別的測量精度（μm，1/1000mm）以及超高的數(shù)據(jù)采集速率（1000Hz，1000點/秒），為醫(yī)療機器人性能的測量、診斷、分析提供了卓越的解決方案。

關于API

API品牌由Kam Lau博士在1987年創(chuàng)立于美國馬里蘭州的羅克韋爾，是激光跟蹤儀的發(fā)明者，同時持有多項全球領先測量科技的專利，是精密測量科技領域的引領者；API自成立以來，始終致力于機械制造領域精密測量儀器和高性能傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)品已廣泛應用于世界各國的先進制造領域，并在坐標測量和機床性能測試的高精度標準方面處于領先地位。  

圖7：API公司總部大樓

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（美國自動精密工程公司北京代表處）

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