远程超声机器人的主从操作时延测试系统及方法与流程

1.本发明属于远程超声机器人技术领域，具体涉及一种远程超声机器人的主从操作时延测试系统及方法。


背景技术：

2.远程超声机器人一般包括主端手柄和从端机器人两部分，通过主从遥操作的方式将主端超声医生手部的运动映射到从端机器人，完成超声扫查。远程超声机器人的性能直接决定超声扫查的效果，因此对远程超声机器人的性能进行高效、准确地测试十分重要。远程超声机器人性能主要包括主端手柄性能和主从操作性能，主从操作性能包括主从操作距离准确度、主从操作距离重复性、主从操作姿态准确度、主从操作姿态重复性、主从操作稳定接触力控制精度、主从操作延迟时间等。目前，对远程超声机器人的主从操作时延等均没有有效的测试方法，导致对远程超声机器人的性能整体测试造成研发阻碍，亟待解决。


技术实现要素：

3.本发明的首要目的是克服上述现有技术的不足，提供一种远程超声机器人的主从操作时延测试系统，该测试系统可实现对远程超声机器人的主从操作时延的精准测试目的，并确保了测试过程的简洁化和效率化，从而为远程超声机器人的整体性能测试提供了基础保证；本发明还提供一种远程超声机器人的主从操作时延测试系统的方法，以进一步提升其操作效率。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种远程超声机器人的主从操作时延测试系统，其特征在于：包括作为水平安装基准的安装平台以及布置在安装平台上的主端测试组件及从端测试组件，还包括主从端运动曲线获取单元，所述主从端运动曲线获取单元包括用于获得位移量或旋转量的模拟信号传感器以及多通道模拟信号显示示波单元，其中：主端测试组件通过操作主端手柄相对安装平台产生平移或绕指定铅垂轴线的回转动作，并将主端手柄与所述主从端运动曲线获取单元中的第一个模拟信号传感器相连，通过该模拟信号传感器获得主端手柄的位移量或旋转量，转化主端运动为电压模拟信号输出至多通道模拟信号显示示波单元，显示为主端波形曲线；从端机器人末端随主端手柄的动作从而产生从动动作，从端测试组件将从端机器人末端与第二个模拟信号传感器相连，并通过该模拟信号传感器获得从端机器人的位移量或旋转量，转化为从端电压模拟信号输出至多通道模拟信号显示示波单元，显示为从端波形曲线；比较两组波形曲线，两组波形曲线的滞后差值即为主从操作延迟时间。
5.优选的，主端测试组件包括三轴滑台，三轴滑台的z轴滑组的z轴滑块上水平延伸有安装板，安装板的首端固定有用于获得所述主端模拟信号的主端电位计，且该主端电位计的转轴轴线平行于三轴滑台的z轴方向；该测试系统还包括固定在安装平台上的轴线平行三轴滑台的z轴方向的第一转台，第一转台的转动端固定有定位架，定位架上安装有轴线
垂直第一转台轴线的第二转台，第二转台的转动端固定安装夹具，以使得的所述主端手柄的z轴方向平行三轴滑台的z轴方向；所述第一转台的转动端与主端电位计的转轴之间通过同轴设置的主端联轴器连接彼此，使得主端电位计的转轴与第一转台同轴转动；从端测试组件包括固定在安装平台上的用于获得所述从端模拟信号的从端电位计，从端电位计的转轴平行三轴滑台的z轴方向，且该转轴与从端机器人之间通过同轴布置的从端联轴器连接彼此；所述主端电位计和从端电位计构成所述模拟信号传感器；多通道模拟信号显示示波单元为双通道示波器。
6.优选的，所述安装平台为光学平板，所述示波器为双通道示波器；三轴滑台的x轴滑组的滑移动作方向与安装平台处坐标系的x轴方向平行，三轴滑台的y轴滑组的滑移动作方向与安装平台处坐标系的y轴方向平行，三轴滑台的z轴滑组的滑移动作方向与安装平台处坐标系的z轴方向平行；z轴滑块上水平贯穿布置用于螺纹配合安装板的安装孔或可供安装板的尾端插接的铅垂插接槽。
7.优选的，安装板外形呈水平杆状，且安装板的首端设置主端定位板，主端电位计固定在该主端定位板上；安装平台上布置从端定位板以便固定所述从端电位计；主从端电位计的模拟信号连接多通道示波器。
8.优选的，所述安装夹具包括用于直接夹持主端手柄且槽长方向为铅垂向的夹口，夹口的尾端通过水平连接架插接式固定在第二转台的转动端处预设的卡槽处。
9.优选的，所述定位架外形呈l型杆状，定位架的水平段外侧固定在第一转台的转动端且水平段内侧构成用于固定所述主端联轴器的配合面，定位架的铅垂段内侧用于安装第二转台。
10.优选的，所述安装平台的上板面构成安装面，下板面构成调节面；该调节面的四个角端处均布置有可作铅垂向的升降调节动作的可调支撑。
11.优选的，所述从端机器人处铅垂向下的同轴延伸有连接杆，连接杆底端通过从端联轴器连接从端电位计，使得从端机器人与从端电位计的转轴同轴转动。
12.优选的，应用所述的远程超声机器人的主从操作时延测试系统的方法，其特征在于包括以下步骤：1）、调节三轴滑台，使主端电位计移动到第一转台正上方且两者同轴，将三轴滑台各滑组锁止；通过主端联轴器将第一转台与主端电位计的转轴连接，确保第一转台与主端电位计转轴同轴转动；2）、控制从端机器人移动到从端电位计正上方，通过从端联轴器将两者同轴连接，确保从端机器人与从端电位计同轴转动；3）、启动远程超声机器人，处于主从控制模式；4）、转动第一转台，使用双通道示波器同时记录主端电位计和从端电位计输出的模拟信号并显示为对应的波形曲线；5）、主端电位计和从端电位计的波形达到相同高度时，记主端模拟信号的波形曲线在该高度处对应的时刻为t1，从端模拟信号的波形曲线在该高度处对应的时刻为t2；6）、计算t2和t1的时间间隔，即为主从操作延迟时间。
13.优选的，所述步骤6）后，继续重复步骤4）-6），获得n次主从操作延迟记录时间；取
该n次主从操作延迟时间的平均值，即为主从操作延迟平均时间。
14.本发明的有益效果在于：1、实际上，主从操作延迟时间本质上属于时间测量维度，目前大多考虑采用时间计量工具进行测量；如采用以数字信号作为输出的角度传感器（倾角仪、陀螺仪等）、位移传感器（拉线式位移传感器）等，以期望获得最终的结果值。但是，人们所没有意识到的是：这类直接结果类的传感器，会受到采样频率的影响而产生些微延迟，而主从操作延迟时间的测量本身是毫秒级的，因此采用这类传感器势必会在主从操作延迟时间的测量中造成极大的误差，这对测量结果的精确度的影响是毁灭性的。
15.正是由于主从控制延迟时间本身是毫秒级的，数字信号采样频率引起的误差反而会对主从控制延迟时间造成极大的影响。因此，本发明采用模拟信号如电位计测量的方式来测量主从操作延迟时间，是一种非常巧妙的规避延迟的方式。如电位计等输出的模拟信号，相比于倾角仪、陀螺仪、位移传感器等采用数字信号作为输出的传感器，其不会受到采样频率的影响。同时，本发明采用电位计测量主从操作延迟时间时，也会更少的关注电位计在某一时刻的读数，而更多的关注电位计采集的模拟信号在示波器等显波设备上显示的波形曲线，也即更少关注结果只而更多关注中间量；随后，根据主端电位计和从端电位计在示波器上的波形来确定最终的测量结果；显然，这种更少关注结果只而更多关注中间量的方式，是不同于其他传感器甚至电位计本身的常规使用方法的。由于模拟信号生成的波形曲线的起伏变化是极度灵敏和准确的，依靠对该波形曲线的监控和比对，可有效杜绝误差率，并提升其测量精度，从而实现了对远程超声机器人的主从操作时延的精准测试目的，并确保了测试过程的简洁化和效率化，最终为远程超声机器人的整体性能测试提供了基础保证，成效显著。
16.2、进一步的，本发明使用一台模拟信号波形记录显示设备同时记录并显示主端波形曲线和从端波形曲线，比较两组波形曲线，两组波形曲线纵坐标达到相同高度时横坐标（时间）的差值即为主从操作延迟时间。具体使用时，可采用一个双通道示波器同时记录主从和从端电位计的模拟信号，也可以有效避免采用不同的示波器分别记录主端电位计和从端电位计模式信号带来的时间不同步问题，使得测量结果更加精确。
17.3、实际工作时，通过设置水平基准平面也即安装平台，并利用三轴滑台的高动作精度及稳定性和光学平板的便捷拆装特点，可实现对z轴滑块处主端电位计的稳定驱动功能。同时，依靠在主端电位计下方处的安装平台上增由第一转台、第二转台及主端手柄所形成的待测系统，从而实现了对主端手柄转动时的电压信号的监控目的。同时，依靠布置从端机器人、从端联轴器及从端电位计，则保证了在主端手柄动作时的从端机器人从动功能，并随之实现对从端机器人转动时的电压信号的监控效果。至此，本发明利用了两组电压信号达到等值时的时间比对，以实现对远程超声机器人的主从操作时延的精准测试目的，并确保了测试过程的简洁化和效率化，解决了当前没有对主从操作时延的测试设备和方法所导致的研发障碍，最终为远程超声机器人的整体性能测试提供了基础保证，其具备了成本低、效率高和使用简洁稳定的功能。
附图说明
18.图1和图2为本发明的立体结构示意图；
图3为主端电位计和从端电位计模拟信号在示波器中的波形图。
19.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：a-主端手柄；b-从端机器人；10-安装平台；11-可调支撑；20-三轴滑台；21-z轴滑组；21a-z轴滑块；22-y轴滑组；23-x轴滑组；30-安装板；40-主端电位计；51-第一转台；52-定位架；53-第二转台；54-安装夹具；54a-夹口；54b-水平连接架；60-从端电位计；71-主端联轴器；72-从端联轴器；80-连接杆。
具体实施方式
20.为便于理解，此处结合图1-3，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：本发明的具体实施例结构包括如图1-2所示的主从操作延迟时间测试系统。实际操作时，本发明包括构成安装平台10的光学平板，以及安装于光学平板上的主端测试组件和从端测试组件，从而在主端手柄a转动时，能分别实现对主端手柄a和从端机器人b的电压信号的监控目的。其中：光学平板的结构如图1所示，其底部的四个角端均设置有一组可调支撑11，以便于实现光学平板在水平面上的基准调整控制目的。使用时，将该光学平板放置到水平桌面上，通过可调支撑11先将光学平板调成水平状态，以便满足后续测试需求。
21.主端测试组件包括三轴滑台20及装有主端电位计40的安装板30。三轴滑台20包括固定安装在光学平板上的x轴滑组23、位于x轴滑组23的x轴滑块上的y轴滑组22以及位于y轴滑组22的y轴滑块处的z轴滑组21。工作时，通过摇轮甚至是电驱等方式来控制相应的滑组产生指定的直线动作，以便实现对位于z轴滑块21a处主端手柄a的动作控制目的。各滑组上均相应布置锁定件，以便在相应滑组动作到位后，能及时锁定该滑组，避免出现意外滑动问题而影响测试精度。锁定件可以是紧定螺钉或者是可径向抱合的刹片等等，此处就不再赘述。此外，在图1中，可看出辅助导轨的存在，原因在于本发明的具体实施例中采用的是单边的x轴滑组23，因此需配置辅助导轨来实现基座稳定功能；实际操作时，采用双边式的并列滑轨组件来形成x轴滑组23亦可。
22.具体安装三轴滑台20时，通过光学平板上的标准螺纹孔与三轴滑台20的相应的定位孔，即可实现两者紧固。紧固时，确保三轴滑台20的x轴滑组23的滑移动作方向与光学平板坐标系o的x轴方向平行，三轴滑台20的y轴滑组22的滑移动作方向与光学平板坐标系o的y轴方向平行，三轴滑台20的z轴滑组21的滑移动作方向与光学平板坐标系o的z轴方向平行。定位板水平布置，尾端通过铅垂插接槽固定在z轴滑块21a上，首端安装主端定位板以便装配主端电位计40。
23.在上述结构的基础上，主端测试组件还包括轴线铅垂布置的第一转台51，第一转台51的转动端固定有l型杆状的定位架52，定位架52的水平段外侧固定在第一转台51的转动端且水平段内侧构成用于固定所述主端联轴器71的配合面，定位架52的铅垂段内侧用于安装第二转台53。第二转台53上设置卡槽，可供安装夹具54的尾端卡入，安装夹具54的首端
则固定有铅垂设置的主端手柄a。安装夹具54包括夹口54a及水平连接架54b，以便插接在所述卡槽处。
24.对于从端测试组件而言，包括从端机器人b末端处铅垂向下延伸出的连接杆80，连接杆80与位于安装平台10上的从端电位计60的转轴之间通过从端联轴器72连接彼此。使用双通道直流电源同时给主端电位计40和从端电位计60供电。
25.至此，以手动的摇轮驱动的三轴滑台20为例，本发明的操作流程如下：1）、调节第二转台53，确保主端手柄a处于铅垂方向；转动三轴滑台20的三组滑组处的摇轮，使主端电位计40移动到定位架52的水平段的正上方，随后将三组滑组的摇轮锁止；通过主端联轴器71将定位架52的水平段与主端电位计40的转轴连接，确保定位架52的水平段及第一转台51均与主端电位计40的转轴同轴转动；2）、控制从端机器人b移动到从端电位计60正上方，通过从端联轴器72将连接杆80与从端电位计60的转轴连接，确保连接杆80与从端电位计60转轴同轴转动；3）、启动远程超声机器人，处于主从控制模式；4）、转动第一转台51，使用双通道示波器同时记录主端电位计40和从端电位计60的电压信号；5）、记录主端电位计40电压和从端电位计60电压达到相同高度时，主端电位计40电压信号对应的时刻为t1，从端电位计60电压信号对应的时刻为t2；6）、计算t2和t1的时间间隔为主从操作延迟时间；7）、可重复上述操作步骤n次，取平均值为主从操作延迟平均时间，以便进一步的提升测试精度。
26.通过上述操作，最终形成的模拟信号与数字信号传感器测量主从操作延迟时间结果对比如表1：表1从上表1中，可以看出采用模拟信号作为输出的相应电位计测量的主从操作延迟
时间平均值为193.5ms，而采用数字信号作为输出的角度传感器测量的主从延迟时间平均值为356.4ms。这是由于采用数字信号作为输出的角度传感器相比采用模拟信号作为输出的电位计会受到ad转换、采样频率等影响，对主从操作延迟时间造成不可忽略的影响。
27.同时，图3为采用双通道示波器同时记录主端电位计和从端电位计的波形，其中横轴表示时间，纵轴表示电位计电位值。在图3中记主端电位波形曲线与水平线l交点时刻为t1，从端电位计波形曲线与水平线l交点时刻为t2，t2与t1的差值即为主从操作延迟时间。当然，实际操作时，不局限于电位计和双通道示波器，只要是这种可以将位置和旋转量输出成模拟信号的传感器都可以，只要是可以同时记录两个模拟信号波形的显波设备都可以，此处就不再赘述。
28.当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
29.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
30.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。