机器人精度验证系统及方法与流程

1.本技术涉及智能机器人技术领域，特别是涉及一种机器人精度验证系统及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，工业自动化的密集程度越来越高，制造业往更加柔性的方向发展成为一大趋势，机器人是多轴联动的柔性臂，集柔性化、精密化、智能化于一体，具有很高的重复定位精度。为完成各种作业任务，需要在机器人末端安装各种不同的工具，如工业机器人的焊枪、机器人的手术器械等。
3.机器人正式投入工作之前，需要先对其精度进行测量，以使用户了解机器人的性能。
4.传统的机器人精度验证方式往往需要用户介入，导致验证过程复杂，且易受人为因素影响，准确度不高。
5.针对相关技术中存在传统的机器人精度验证方式验证过程复杂，且易受人为因素影响，准确度不高的问题，目前还没有提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.在本实施例中提供了一种机器人精度验证系统及方法，以解决相关技术中传统的机器人精度验证方式验证过程复杂，且易受人为因素影响，准确度不高的问题。
7.第一个方面，在本实施例中提供了一种机器人精度验证系统，包括执行模块、验证模块以及判断模块，所述执行模块设置在机器人末端，其中：
8.所述验证模块开设有模拟路径；
9.所述执行模块用于接收控制指令，并基于所述控制指令，移动到所述模拟路径对应的位置；
10.所述判断模块用于判断所述执行模块是否能够通过所述模拟路径，并基于判断结果确定所述机器人的精度。
11.在其中的一些实施例中，所述模拟路径包括不同直径、不同角度、不同深度的孔洞。
12.在其中的一些实施例中，所述执行模块包括激光发射器，所述激光发射器用于基于所述控制指令，沿设定角度向设定孔洞发射激光。
13.在其中的一些实施例中，所述判断模块包括激光接收器，所述激光接收器用于接收穿过所述孔洞的激光，并基于激光接收情况判断所述机器人的精度。
14.在其中的一些实施例中，所述执行模块包括探针，所述探针用于基于所述控制指令，沿设定角度穿过设定孔洞。
15.在其中的一些实施例中，所述判断模块包括压感单元，所述压感单元设置于每个所述孔洞的底部，用于判断所述探针是否穿过设定孔洞，并基于探针穿过情况判断所述机器人的精度。
等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本技术中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块(单元)的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块(单元)，而可包括未列出的步骤或模块(单元)，或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块(单元)。在本技术中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本技术中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本技术中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。
33.随着科学技术的不断发展，工业自动化的密集程度越来越高，制造业向着更加柔性的方向发展成为一种趋势，机器人是多轴联动的柔性臂，集柔性化、精密化、智能化于一体，需要很高的定位精度。机器人在工作前需要对其位置精度进行检测，如此以保证其工作时的精度。传统的机器人精度验证过程极为复杂，且易受到人为因素影响，准确度不高。因此，亟需一种高效且准确的机器人精度验证方法。
34.在本实施例中提供了一种机器人精度验证系统，图1是根据本技术实施例的机器人精度验证系统的结构示意图，如图1所示，该机器人精度验证系统包括执行模块100、验证模块200以及判断模块200，所述执行模块100设置在机器人末端，其中：所述验证模块200开设有模拟路径；所述执行模块100用于接收控制指令，并基于所述控制指令，移动到所述模拟路径对应的位置；所述判断模块200用于判断所述执行模块100是否能够通过所述模拟路径，并基于判断结果确定所述机器人的精度。
35.具体的，在机器人的实际应用场景中，会根据业务需求在机器人末端安装各种不同的工具，如工业机器人的焊枪、手术机器人的手术器械等，在更换或者调整工具以后，机器人的实际工作点相对于机器人末端的位置会发生变化。因此，将执行模块100设置在机器人末端，用以模拟机器人工作时的实际工作点的位置。验证模块200用于模拟机器人的工作对象，模拟路径模拟的是机器人实际工作过程中对工作对象要进行处理的整个通路，机器人在通过该通路时需要对自身位姿进行调整。例如在医疗器械领域的手术机器人应用场景下，验证模块200是为了验证手术机器人工作过程执行路径的精度，手术机器人末端的位置和姿态都会对精度造成影响。该验证模块200开设的模拟路径不仅仅是为了确认手术机器人末端的空间位置，也为了模拟手术中病人不同位置的病灶。判断模块200通过执行模块100在验证模块200中的模拟路径通过情况，确定机器人的精度。此外，机器人的执行模块100通过模拟路径的方式可以是实体机械构件贯穿模拟路径，例如探针穿过模拟路径，到达验证模块200的底部；也可以是非实体机械结构贯穿模拟路径，例如执行模块100发射激光，激光管光束贯穿模拟路径，到达验证模块200的底部。
36.通过上述装置，本技术实施例的机器人精度验证系统，通过设置执行模块100、验证模块200以及判断模块300，控制执行模块100进入验证模块200中的模拟孔径，通过判断模块300获取执行模块100在模拟孔径中的通过情况确定手术机器人的精度，提高了机器人精度的验证效率和验证准确度。
37.在其中的一些实施例中，所述模拟路径包括不同直径、不同角度、不同深度的孔
洞。具体的，机器人在工作的过程中，会基于获取到的控制指令执行相应的动作。由于治具一般设置在机器人末端，故而机器人在执行动作时需要调整末端的位置和姿态。治具是作为协助控制位置和/或动作的工具。由于验证模块中设置了不同的直径、不同角度、不同深度的孔洞，通过控制机器人的执行模块如治具等进入这些孔洞，即可判断机器人在执行不同控制指令的过程中，治具的位姿是否达到精度标准，从而确定机器人的精度。
38.在其中的一个实施例中，可对模拟路径设置不同的精度等级，每一精度等级对应着一种或者多种直径、角度以及深度的孔洞。当每一精度等级对应着一种直径、角度以及深度的孔洞时，该孔洞的直径即代表当前的验证精度。当每一精度等级对应着同一直径的多种角度以及深度的孔洞时，只有当执行模块可通过该同一直径的全部孔洞时，才说明当前的机器人的精度与该孔洞的精度等级相对应。机器人精度验证的过程可以按照精度等级从高到低的顺序进行验证，也可以按照精度等级从低到高的顺序进行验证。以按照精度等级从低到高的顺序，也就是按照孔洞直径由大到小的顺序为例，机器人的精度验证过程为：当执行模块通过当前精度等级的全部孔洞时，确定当前的机器人精度等级为第一精度等级，并控制执行模块进入第二精度等级对应的孔洞，其中第二精度等级高于第一精度等级，等级越高，说明机器人精度越高。若执行模块通过第二精度等级中的某一孔洞失败，则确定机器人的精度等级为第一精度等级。若执行模块可以通过第二精度等级对应的全部孔洞，则确定当前的机器人精度等级为第二精度等级，并控制执行模块进入更高精度等级对应的孔洞，重新根据执行模块的通过情况确定机器人的精度等级，直至执行模块不能通过其中某个孔洞为止。通过设置在同一精度等级下设置多种孔洞的方法，保证了机器人在同一精度验证条件下可以完成多种指定动作，确保了精度验证的准确性。通过控制执行设备在达到某一精度标准后自动向更高精度等级进行验证，保证了机器人精度验证的高效率。
39.在其中的一个实施例中，将该机器人精度验证方法应用于手术机器人场景时，孔洞的近端，也就是孔洞与执行设备对应的入口可以用于模拟手术过程中病人的入颅点；孔洞的远端，也就是孔洞与执行设备对应的出口可以用于模拟手术过程中的靶点，也就是病人身上目标部位的病灶位置。不同直径的孔洞用于验证手术机器人的精度，不同深度、不同角度的孔洞用于模拟病人不同位置的靶点和手术路径。实现了医疗场景下手术机器人的精度验证。
40.在其中的一个实施例中，所述执行模块包括激光发射器，所述激光发射器用于基于所述控制指令，沿设定角度向设定孔洞发射激光。
41.在其中的一个实施例中，所述判断模块包括激光接收器，所述激光接收器用于接收穿过所述孔洞的激光，并基于激光接收情况判断所述机器人的精度。
42.具体的，图2是根据本技术实施例的机器人精度验证系统的精度验证示意图，如图2所示，该机器人精度验证系统包括手术机器人、末端工具、传感器结构件、激光发射器、狭缝板、精度验证工装以及激光接收器。末端工具设置在手术机器人的末端，在实际应用中，该末端工具可根据手术机器人的用途更换为各种治具，如手术刀、镊子和剪刀等。激光发射器通过传感器结构件固定在手术机器人末端工具上，传感器结构件具有微调功能，可调节激光放射器发出的光束位置及方向，激光发射器装有狭缝板，狭缝板的宽度可根据实际业务情况进行调整，优选的狭缝宽度为0.1mm。狭缝板用于限制激光光束的直径。精度验证工装即验证模块。精度验证工装采用金属材料制成，以避免激光烧蚀带来的不必要损伤。精度
验证工装上有不同直径、不同角度以及不同深度的孔洞，该孔洞即为模拟路径。每个孔洞底部都固定有激光接收器。该激光接收器即为判断模块，用以判断激光是否贯穿验证模块。手术机器人通过定位得到每个孔洞的位置，然后手术机器人自动移动激光发射器，根据孔洞的直径从小到大进行验证，孔洞的直径与机器人精度等级相对应，孔洞直径越小，说明机器人精度越高。通过激光接收器是否接收到光即可判断精度验证是否通过，例如，若激光发射器发射的光束能通过某一直径d的不同角度、不同深度所有孔洞，就代表手术机器人验证精度≤d。当采用其他非实体的精度验证方式时，对应调整判断模块，以与其执行模块采用的非实体方式相适应。
43.在其中的一个实施例中，所述执行模块包括探针，所述探针用于基于所述控制指令，沿设定角度穿过设定孔洞。
44.具体的，图3是根据本技术另一实施例的机器人精度验证系统的精度验证示意图，如图3所示，该装置包括手术机器人、末端工具、探针以及精度验证工件。末端工具设置在手术机器人的末端，末端工具安装探针作为执行模块。精度验证工装作为验证模块，其中开设了不同直径、不同角度以及不同深度的孔洞作为模拟路径。精度验证工装可采用非透明材料制成，也可采用透明材料制成。优选的，当执行模块为探针时，精度验证工装可采用透明材料制成。用户手动或系统自动控制探针移动，在探针移动的过程中通过观察探针是否能完全穿过指定大小的孔洞来验证手术机器人的精度。
45.在其中的一个实施例中，所述判断模块包括压感单元，所述压感单元设置于每个所述孔洞的底部，用于判断所述探针是否穿过设定孔洞，并基于探针穿过情况判断所述机器人的精度。具体的，该压感单元可以是压力传感器，通过压感单元确定探针是否穿过设定孔洞并到达精度验证工装底部，进而实现机器人精度验证。压感单元的应用，使得采用探针进行精度验证过程中无需受到精度验证工装的制作材料的限制，即使精度验证工装是采用非透明材料制作而成，压感单元也能将探针在设定孔洞中的通过情况进行反馈，提高了该机器人精度验证系统的适应性和可用性。
46.在其中的一些实施例中，所述验证模块还包括定位单元，所述机器人通过所述定位单元完成与所述验证模块的位置标定。
47.具体的，定位单元为图像采集模块，例如光学相机、ccd传感器等。预先对机器人和图像采集模块完成位置标定。在验证模块上设置有标记点，图像采集模块通过拍摄包含该标记点的验证模块图像，完成图像采集模块与验证模块之间的位置标定，进而实现机器人与验证模块之间的位置标定。
48.验证模块上的标记点是表面覆盖有特殊反光材料的标记物，常见的形状有球形、半球形。在运动信息获取领域如三维动作捕捉、三维步态分析等，通常会在捕捉对象上粘贴标志点，标志点可以反射设备发出的光线。反射的数据再被设备接收，然后对接收数据进行处理，即可获取物体的位置信息。
49.在其中的一个具体的实施例中，预先建立机器人坐标系和相机坐标系，对机器人坐标系和相机坐标系进行标定，统一机器人坐标系和相机坐标系，确定机器人和相机在统一坐标系下的空间坐标。通过相机采集验证模块图像。验证模块上设置有球形标记点。根据验证模块图像中球形标记点的位置，可以确定该球形标记点在相机坐标系中的空间坐标，由于机器人坐标系和相机坐标系已完成标定，可以将球形标记点在相机坐标系中的空间坐
标转换为统一坐标系下的空间坐标，进而实现验证模块和机器人的位置标定，从而为后续的精度验证以及激光发射器或探针的移动提供参考依据。
50.在其中的另一个具体的实施例中，预先建立机器人坐标系，在机器人末端设置探针，确定探针在机器人坐标系中的空间位置，将该位置记为初始位置；移动该探针触碰验证模块上的球形标记点，通过记录探针自初始位置到当前位置的空间移动距离，可以确定当前位置，也就是是球形标记点的位置在机器人坐标系中的空间坐标，从而实现机器人与验证模块的位置标定。
51.在其中的一个具体的实施例中，可通过ct扫描验证模块，构建验证模块的三维模型，将三维模型的位置坐标与实际验证模块的位置坐标进行对准。基于模拟路径的空间位置，制定控制指令并发送至机器人，控制机器人通过调整执行模块的位置和姿态贯穿模拟路径，从而完成机器人精度验证。
52.通过上述装置，本技术实施例的机器人精度验证系统解决了目前手术机器人精度验证过程复杂的问题，实现了机器人精度的高效、准确验证。
53.在本实施例中提供了一种机器人精度验证方法，应用于本技术实施例中的机器人精度验证系统，图4是本技术实施例的机器人精度验证方法的流程图，如图4所示，该流程包括如下步骤：
54.步骤s401，基于控制指令控制执行模块移动到模拟路径对应的位置。
55.步骤s402，判断所述执行模块是否能够通过所述模拟路径，并基于判断结果确定所述机器人的精度。
56.在其中的一个实施例中，所述模拟路径包括不同直径、不同角度、不同深度的孔洞，所述基于控制指令控制执行模块移动到模拟路径对应的位置包括：基于所述控制指令控制所述执行模块以直径从小到大的顺序依次移动到对应孔洞的位置，并执行验证动作。
57.在其中的一个实施例中，所述基于判断结果确定所述机器人的精度包括：将所述执行模块能通过的孔洞中直径最小的孔洞确定为目标孔洞；将所述目标孔洞的直径确定为所述机器人的精度。
58.通过上述步骤，本技术实施例的机器人精度验证系统，采用精度验证工装模拟人体不同位置的病灶及手术路径，并且通过激光传感器实现手术机器人精度的自动化验证，提高了手术机器人精度验证的效率和准确性。
59.在其中的一个实施例中，本技术实施例提供了一种手术机器人精度验证方法。该方法基于本技术实施例的手术机器人精度验证装置实现。具体的，该手术机器人精度验证装置包括：手术机器人、末端工具、传感器结构件、激光发射器、狭缝板、精度验证工装以及精度验证工作。末端工具设置在手术机器人机械臂的末端，可用于根据实际需要安装和替换手术工具。激光发射器通过传感器结构件固定在手术机器人末端工具上，传感器结构件具有微调功能，可调节激光放射器光束位置及方向。该微调功能可通过传感器结构件上的旋钮进行手工调节，也可通过与计算机设备或单片机等其他控制设备进行调节。优选的，激光发射器可采用光纤激光器。狭缝板设置在激光发射器的光束传播方向上，用以限制激光光束的直径。精度验证工装上有不同直径、不同角度、不同深度的孔洞，并且在每个孔洞远离激光发射器的一端，设置有激光接收器，当激光接收器接收到光信号时确定该激光光束通过当前孔洞。激光接收器可采用光电探测器如光电倍增管，将接收到的光信号转化为电
信号，通过电信号的改变表现激光接收结果。此外，激光接收器以包括光敏电阻的检测电路的形式实现。对检测电路的具体连接关系，本技术不作具体限定。
60.在进行手术机器人的精度验证过程中，手术机器人根据接收到的精度验证指令，控制末端工具通过调整传感器结构件，对激光放射器的位置和姿势进行微调。具体的，根据控制指令将激光发射器移动到预设位置并调整其姿态，使之与精度验证工装的当前孔洞的角度以及深度相适应。激光发射器的位姿调整完毕后，发射激光光束，激光光束通过狭缝板射入当前对应的孔洞。孔洞的直径大小代表了精度大小，孔洞的角度及深度用于更好的模拟实际手术过程中的病人病灶位置。精度验证工装的孔洞底部设置有激光接收器，若激光光束被当前孔洞的激光接收器接收到，则说明激光光束贯穿当前孔洞，符合精度要求，然后控制激光接收器移动至下一孔洞的位置并调整位姿进行精度检测。若激光光束未被当前孔洞的激光接收器接收到，说明该手术机器人的精度未达到当前孔洞直径对应的精度要求。若激光光束可通过同一直径的不同深度、不同角度的全部孔洞，说明该手术机器人的精度达到当前孔洞直径对应精度要求。精度验证过程可从高精度向低精度进行验证，也可由低精度向高精度进行验证。例如在从高精度向低精度验证的过程中，先控制激光发射器向直径最小的孔洞发射激光光束，若此时激光接收器接收到光信号，说明激光贯穿该孔洞，此时手术机器人的精度与直径最小的孔洞标注的精度相同，精度验证过程停止；若此时激光接收器未接收到光信号，说明激光未贯穿该孔洞，此时手术机器人的精度小于该孔洞标注的精度，控制激光发射器移动至更大直径的孔洞上方，调整激光发射器的位置和姿态，再次发射激光光束进行精度验证，直到激光光束通过同一直径的不同深度、不同角度的全部孔洞为止。采用由高精度向低精度验证的方法，可以获得较快的精度验证速度。又例如，在从低精度向高精度验证的过程中，先控制激光发射器向直径最大的孔洞发射激光光束，若此时激光接收器接收到光信号，说明激光贯穿该孔洞，此时手术机器人的精度可达到直径最大的孔洞标注的精度，然后控制激光发射器移动至直径更小的孔洞上方，调整激光发射器的位置和姿态，再次发射激光光束进行精度验证，直至激光接收器为接收到光信号，说明此时激光光束未能贯穿当前直径的孔洞，手术机器人的精度与上一直径的孔洞标注的精度相同。采用从低精度向高精度验证的方法，可以有效减少激光无法贯穿孔洞，烧蚀精度验证工装的情况发生，提高了精度验证工装的使用寿命，降低精度验证成本。在其中的一个实施例中，还可通过设置精度验证步长，在精度验证等级的选择时，先采取较大步长的精度等级跨度，再采用较小步长的精度等级跨度，从而实现精度验证等级的快速精准选择。通过设置精度验证步长，既提高了精度验证速度，也提高了精度验证工装的使用寿命。
61.需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
62.在本实施例中还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
63.可选地，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
64.可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：
65.s1，基于控制指令控制执行模块移动到模拟路径对应的位置。
66.s2，判断所述执行模块是否能够通过所述模拟路径，并基于判断结果确定所述机器人的精度。
67.需要说明的是，在本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，在本实施例中不再赘述。
68.此外，结合上述实施例中提供的机器人精度验证方法，在本实施例中还可以提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种机器人精度验证方法。
69.应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本技术保护范围。
70.显然，附图只是本技术的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本技术适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本技术披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本技术公开的内容不足。
[0071]“实施例”一词在本技术中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本技术的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本技术中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。
[0072]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。