主端位置测试方法及主从距离准确度与重复性测试系统与流程

1.本发明属于远程超声机器人技术领域，具体涉及一种主端位置测试方法及主从距离准确度与重复性测试系统。


背景技术：

2.远程超声机器人一般包括主端设备和从端设备两部分，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设备，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设备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，主要采用激光跟踪仪测试远程超声机器人位置、姿态相关的性能，该测试方法成本高昂，甚至远程超声机器人的主从操作稳定接触力控制精度和主从操作时延等均没有有效的方法，因此对远程超声机器人的性能进行测试仍然是一个难题，亟待解决。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种主端位置测试方法，该测试方法可实现对远程超声机器人的主端设备位置采集准确度的精准测试目的，并实现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拼图；基于上述主端位置测试方法，本发明还提供了一种主从距离准确度与重复性测试系统，该测试系统可以实现远程超声机器人主从操作距离准确度、重复性精准测试的目的，实现了测试过程的简洁化和效率化。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种主端位置测试方法，其特征在于：包括主端设备位置准确度测试装置，该主端设备位置准确度测试装置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三轴滑台，三轴滑台的z轴滑组的z轴滑块处设置用于固定主端设备的安装夹具；所述安装夹具包括固定在z轴滑块上且可连同z轴滑块一起在z轴滑组上作铅垂方向动作的水平杆，水平杆的延伸段安装有轴线铅垂设置的转台，转台上向下延伸有用于夹持主端设备的夹口；三轴滑台的x轴滑组和y轴滑组上均布置有用于测量相应滑块的位移量的检测件；测试步骤如下：1）、控制三轴滑台的z轴滑组，使主端设备与安装平台相靠近；2）、x轴滑组和y轴滑组动作，并读取主端设备的内置位置传感器的读数；若内置位置传感器的x轴和y轴方向与三轴滑台的x轴滑组和y轴滑组的滑移方向对齐，则x轴滑块在移动过程中，主端设备仅x轴位置读数增加，y轴位置读数保持不变，同时，y轴滑块在移动过程中，主端设备仅y轴位置读数增加，x轴位置读数保持不变；3）、若内置位置传感器的x轴读数及y轴读数不满足步骤2）所述情况，则转动转台，
使得主端设备产生沿转台的铅垂轴线的回转动作，再重复步骤2），直至三轴滑台满足上述步骤2）所述情况；4）、控制三轴滑台，使主端设备沿x轴方向移动指定距离，同时记录主端设备的内置位置传感器的x轴读数和x轴滑组处检测件的读数；随后，使主端设备沿y轴方向移动指定距离，同时记录主端设备的内置位置传感器y轴读数和y轴滑组处检测件的读数，通过下式计算主端设备位置准确度：式中，xm和ym分别为x轴滑组处检测件的读数和y轴滑组处检测件的读数；x和y分别为主端设备的内置位置传感器的x轴读数和y轴读数；n为检测次数。
5.优选的，所述安装平台为光学平板；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；所述z轴滑块上水平贯穿布置用于螺纹配合安装夹具的安装孔。
6.优选的，所述检测件为距离传感器或数显尺。
7.优选的，应用所述的主端位置测试方法的主从距离准确度测试系统，该测试系统包括板面铅垂的固定在安装平台处的基准板，该基准板上固定有拉线式的位移传感器，从端设备上设置用于固定位移传感器的拉环的固定锚点；该测试系统还包括相配套的激光发射模组和激光靶标，所述激光发射模组固定于安装平台上，激光发射模组的激光发射方向和位移传感器的拉线方向均指向从端设备所在方向且均与三轴滑台的x轴方向相平行；激光靶标通过回转板固定在从端设备上，该回转板的回转轴线铅垂布置并与从端设备的转动轴线彼此同轴。
8.优选的，所述回转板为c型板，回转板的上板面固定在从端设备的底端面处，回转板的底部槽壁设置插槽以便插接所述激光靶标。
9.优选的，所述步骤4）后继续执行以下操作步骤：5a）、调整从端设备位置，使激光发射模组发出的激光正中激光靶标的中心；6a）、控制从端设备沿从端设备工具坐标系x轴方向前后移动，移动过程中若激光始终落在激光靶标的中心，则进行下一步，否则控制从端设备重新运动到指定的起点位置，再控制从端设备绕从端设备工具坐标系的z轴旋转指定角度后，重复沿从端设备工具坐标系x轴方向的前后移动及确认激光落点位置的操作；反复调节直至从端设备沿从端设备x轴方向前后移动时激光始终落在激光靶标中心；再后，将位移传感器的拉环固定到从端设备的固定锚点上，控制从端设备沿从端设备工具坐标系的y轴方向移动，当位移传感器读数最小时停止运动；随后控制从端设备沿从端设备工具坐标系的z轴方向移动，当位移传感器读数最小时停止运动；此时完成从端设备的x轴方向标定；7a）、启动远程超声机器人，处于主从控制模式；
8a）、调节三轴滑台的x轴滑组，使主端设备沿x轴方向移动指定距离，记录x轴滑组处检测件的读数和位移传感器的读数；9a）、将从端设备旋转90
°
，使得从端设备的y轴与三轴滑台的x轴相平行，并重复步骤5a）-6a），完成从端设备的y轴方向标定，并启动远程超声机器人，使其处于主从控制模式；调节三轴滑台的y轴滑组，使主端设备沿y轴方向移动指定距离，记录y轴滑组处检测件的读数和位移传感器的读数，采用下式计算主从操作距离：式中，apx和apy分别为远程超声机器人x轴主从操作距离准确度和y轴主从操作距离准确度；xm和ym分别为x轴滑组处检测件的读数和y轴滑组处检测件的读数；xs和ys分别为基于从端设备的x轴的位移传感器读数和基于从端设备的y轴的位移传感器读数；n为检测次数。
10.优选的，应用所述的主端位置测试方法的主从距离重复性测试系统，该测试系统包括相配套的激光发射模组和激光靶标，所述激光发射模组固定于安装平台上，激光发射模组的激光发射方向和位移传感器的拉线方向均指向从端设备所在方向且均与三轴滑台的x轴方向相平行；激光靶标通过回转板固定在从端设备上，该回转板的回转轴线铅垂布置并与从端设备的工具坐标系z轴转动轴线彼此同轴；该测试系统还包括千分表，千分表的推杆轴线平行三轴滑台的x轴方向，且回转板上设置有可供推杆顶端的测头抵靠的配合面。
11.优选的，所述回转板为t型板，回转板的水平板段固定在从端设备的底端面处，回转板的铅垂板段板面垂直测头轴线且配合面和激光靶标均布置在该铅垂板段上。
12.优选的，所述步骤4）后继续执行以下操作步骤：5b）、调整从端设备使激光发射模组发出的激光正中激光靶标中心；6b）、控制从端设备沿从端设备工具坐标系的x轴方向前后移动，移动过程中若激光始终落在激光靶标的中心，则进行下一步，否则控制从端设备重新运动到指定的起点位置，再控制从端设备绕从端设备工具坐标系z轴旋转指定角度后，重复沿从端设备工具坐标系x轴方向的前后移动及确认激光落点位置的操作；反复调节直至从端设备沿从端设备工具坐标系x轴方向前后移动时激光始终落在激光靶标中心；7b）、通过上述5b）-6b）步骤，此时从端设备的x轴方向已经与千分表推杆方向平行；通过主端设备发送从端设备沿x轴方向的移动距离指令，该移动距离指令的移动距离应保证回转板与测头接触且千分表读数位于有效测量区间；通过主端设备控制从端设备沿x轴方向移动该距离n次，以便对主从操作x轴距离重复性进行测试；8b）、将从端设备旋转90
°
，使得从端设备的y轴与三轴滑台的x轴相平行，并重复步骤5b）-6b），以便调节从端设备的y轴方向直至与千分表推杆方向平行；9b）、通过上述8b），此时从端设备的y轴方向已经与千分表推杆方向平行；通过主
端设备发送从端设备沿y轴方向的移动距离指令，该移动距离指令的移动距离应保证回转板与测头接触且千分表读数位于有效测量区间；通过主端设备控制从端设备沿y轴方向移动该距离n次，以便对主从操作y轴距离重复性进行测试；10b）、采用下式计算主从操作距离重复性：式中：为步骤7b）中进行n次操作的千分表读数的平均值；为步骤9b）中进行n次操作的千分表读数的平均值；xj为步骤7b）中的当前次千分表读数；yj为步骤9b）中的当前次千分表读数；rpx为步骤7b）中x轴方向的主从操作距离重复性；rpy为步骤9b）中y轴方向的主从操作距离重复性；n为检测次数。
13.本发明的有益效果在于：1）、通过上述方案，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轴滑块处主端设备的稳定驱动功能。同时，依靠沿z轴可回转的转台搭配三向可调的三轴滑台，可简便化的实现最为至关重要的x轴及y轴校核功能；一旦校核完毕，即可依照流程，最终实现对远程超声机器人的主端设备位置采集准确度的精准测试目的，并可确保测试过程的简洁化和效率化，具备了成本低、效率高和使用简洁稳定的功能。
14.2、在上述结构的基础上，本发明还通过额外的增设由为位移传感器和激光套件所组成的一套主从距离准确度测试模块，以及由千分表搭配激光套件所形成的一套主从操作距离重复性测试模块。通过激光套件可以完成关键的从端设备工具x轴及y轴与拉线式位移传感器拉线方向对齐或与千分表推杆方向对齐的功能，该功能实现后，即可对超声机器人主从操作距离准确度和重复性进行测试，相比使用激光跟踪仪的方式，本专利所提的方法具有成本低、效率高和使用简洁稳定的功能。
15.3、在主端位置测试方法的基础上，本发明通过额外的增设由位移传感器和激光套件所形成的一套主从操作距离准确度测试模块，以及由千分表搭配激光套件所形成的一套主从操作距离重复性测试模块，从而为主从操作距离准确度测试和主从操作距离重复性测试提供了相应的硬件平台，并实现了主端设备和从端设备的集成式测试功能，以达到一机多用的目的。
附图说明
16.图1为本发明的主端设备位置准确度测试装置的结构示意图；图2和图3为本发明的两种测试系统的结构示意图。
17.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：a-主端设备；b-从端设备；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-安装夹具；31-水平杆；32-夹口；33-转台；40-检测件；50-基准板；60-位移传感器；70-激光发射模组；80-回转板；90-千分表。
具体实施方式
18.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所示的主端设备位置准确度测试装置，以及由图1所示的测试装置延及的两种测试系统。其中，如图1所示的主端设备位置准确度测试装置可用于实现主端设备位置采集准确度的测试功能，而主从距离准确度与重复性测试系统中，如图2所示的为主从操作距离准确度测试系统，如图3所示的为主从操作距离重复性测试系统，以便针对性的实现相应的测试目的。
19.实际操作时，本发明的主端设备位置准确度测试装置如图1所示，包括三轴滑台20、构成安装平台10的光学平板、构成安装夹具30的主端设备支架、作为测试对象的主端设备a等，其中：光学平板结构如图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。
20.三轴滑台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上的主端设备的动作控制目的。各滑组上均可相应布置锁定件，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。
21.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。
22.进一步装配时，如图1所示的，首先将高精度的转台33通过水平杆31固定到三轴滑
台20的z轴滑组21上，再通过标准燕尾槽将主端设备支架固定到高精度的转台33上，将主端设备a竖直夹持在主端设备支架的夹口32中，主端设备a处内置位置传感器，该传感器可以测量主端设备沿x、y方向的位移。
23.安装夹具30则包括固定在z轴滑块21a上且可连同z轴滑块21a一起在z轴滑组21上作铅垂方向动作的水平杆31，水平杆31的延伸段安装有轴线铅垂设置的转台33，转台33上向下延伸有用于夹持主端设备的夹口32。在图1所示结构中可看出，水平杆31实际上也是通过一根铅垂杆螺纹固定在z轴滑块21a上的。夹口32可以选用标准燕尾槽，且槽腔轮廓优选适配主端设备的曲面轮廓，以便紧固的夹持主端设备a；也可以设置为可调整的槽体或者采用弹性卡槽等，可视情况酌情使用。三轴滑台20的x轴滑组23和y轴滑组22上均布置有用于测量相应滑块的位移量的检测件40，该检测件40优选使用数显尺，当然，也可以采用距离传感器。
24.在上述结构的基础上，以手动的摇轮驱动为例，主端设备位置采集准确度的整体测试步骤如下：1）、转动三轴滑台20的z轴摇轮，从而控制三轴滑台20的z轴滑组21，使主端设备与安装平台10彼此靠近；2）、转动x轴摇轮和y轴摇轮，使得x轴滑组23和y轴滑组22动作，并读取主端设备的内置位置传感器的读数；若内置位置传感器的x轴和y轴方向与三轴滑台20的x轴滑组23和y轴滑组22的滑移方向对齐，则x轴滑块在移动过程中，主端设备仅x轴位置读数增加，y轴位置读数保持不变，同时，y轴滑块在移动过程中，主端设备仅y轴位置读数增加，x轴位置读数保持不变；3）、若内置位置传感器的x轴读数及y轴读数不满足步骤2）所述情况，则转动转台33，使得主端设备产生沿转台33的铅垂轴线的回转动作，再重复步骤2），直至三轴滑台20满足上述步骤2）所述情况；4）、控制三轴滑台20，使主端设备沿x轴方向移动指定距离，同时记录主端设备的内置位置传感器的x轴读数和x轴滑组23处检测件40的读数；随后，使主端设备沿y轴方向移动指定距离，同时记录主端设备的内置位置传感器y轴读数和y轴滑组22处检测件40的读数，通过下式计算主端设备位置准确度：式中，xm和ym分别为x轴滑组23处检测件40的读数和y轴滑组（22）处检测件40的读数；x和y分别为主端设备的内置位置传感器的x轴读数和y轴读数；n为检测次数。
25.进一步的，本发明还提供一种基于上述测试方法的一种衍生结构，也即主从操作距离准确度测试系统。该主从操作距离准确度测试系统在上述测试装置的基础上，额外增设基准板50，基准板50也可以采用光学平板制成。基准板50上设置拉线式的位移传感器60，
并增设由激光发射模组70和激光靶标组合形成的激光套件。具体装配时，首先需如图2所示的测试系统，搭建过程与前述的测试装置的搭建过程相同，后续额外在安装平台10上固定基准板50及激光发射模组70，并在基准板50上安装位移传感器60，并确保位移传感器60的拉绳的拉出方向与激光发射模组70的激光发射方向同向。随后，在从端设备上安装c字状的回转板80，回转板80上布置插槽以便卡入激光标吧；同时，回转板80或从端设备上还布置固定锚点，以便于固定位移传感器60处拉绳的拉环。
26.此时，上述主从操作距离准确度测试系统的操作步骤如下：所述步骤4）后继续执行以下操作步骤：5a）、调整从端设备位置，使激光发射模组发出的激光正中激光靶标的中心；6a）、控制从端设备沿从端设备工具坐标系x轴方向前后移动，移动过程中若激光始终落在激光靶标的中心，则进行下一步，否则控制从端设备重新运动到指定的起点位置，再控制从端设备绕从端设备工具坐标系的z轴旋转指定角度后，重复沿从端设备工具坐标系x轴方向的前后移动及确认激光落点位置的操作；反复调节直至从端设备沿从端设备x轴方向前后移动时激光始终落在激光靶标中心；再后，将位移传感器的拉环固定到从端设备的固定锚点上，控制从端设备沿从端设备工具坐标系的y轴方向移动，当位移传感器读数最小时停止运动；随后控制从端设备沿从端设备工具坐标系的z轴方向移动，当位移传感器读数最小时停止运动；此时完成从端设备的x轴方向标定；7a）、启动远程超声机器人，处于主从控制模式；8a）、调节三轴滑台的x轴滑组，使主端设备沿x轴方向移动指定距离，记录x轴滑组处检测件的读数和位移传感器的读数；9a）、将从端设备旋转90
°
，使得从端设备的y轴与三轴滑台的x轴相平行，并重复步骤5a）-6a），完成从端设备的y轴方向标定，并启动远程超声机器人，使其处于主从控制模式；调节三轴滑台的y轴滑组，使主端设备沿y轴方向移动指定距离，记录y轴滑组处检测件的读数和位移传感器的读数，采用下式计算主从操作距离：式中，apx和apy分别为远程超声机器人x轴主从操作距离准确度和y轴主从操作距离准确度；xm和ym分别为x轴滑组23处检测件40的读数和y轴滑组23处检测件40的读数；xs和ys分别为基于从端设备的x轴的位移传感器60读数和基于从端设备的y轴的位移传感器60读数；n为检测次数。
27.更进一步的，本发明还提供一种基于上述测试装置的另一种衍生结构，也即如图3所示的主从操作距离重复度测试系统。该系统中除基准板50及位移传感器60外，其余结构及安装流程均与图2所示结构相同。图3所示测试系统中额外增设高精度的千分表90，并将回转板80设计为t字状。
28.此时，该主从操作距离重复度测试系统的操作步骤如下：所述步骤4）后继续执行以下操作步骤：5b）、调整从端设备使激光发射模组发出的激光正中激光靶标中心；6b）、控制从端设备沿从端设备工具坐标系的x轴方向前后移动，移动过程中若激光始终落在激光靶标的中心，则进行下一步，否则控制从端设备重新运动到指定的起点位置，再控制从端设备绕从端设备工具坐标系z轴旋转指定角度后，重复沿从端设备工具坐标系x轴方向的前后移动及确认激光落点位置的操作；反复调节直至从端设备沿从端设备工具坐标系x轴方向前后移动时激光始终落在激光靶标中心；7b）、通过上述5b）-6b）步骤，此时从端设备的x轴方向已经与千分表推杆方向平行；通过主端设备发送从端设备沿x轴方向的移动距离指令，该移动距离指令的移动距离应保证回转板与测头接触且千分表读数位于有效测量区间；通过主端设备控制从端设备沿x轴方向移动该距离n次，以便对主从操作x轴距离重复性进行测试；8b）、将从端设备旋转90
°
，使得从端设备的y轴与三轴滑台的x轴相平行，并重复步骤5b）-6b），以便调节从端设备的y轴方向直至与千分表推杆方向平行；9b）、通过上述8b），此时从端设备的y轴方向已经与千分表推杆方向平行；通过主端设备发送从端设备沿y轴方向的移动距离指令，该移动距离指令的移动距离应保证回转板与测头接触且千分表读数位于有效测量区间；通过主端设备控制从端设备沿y轴方向移动该距离n次，以便对主从操作y轴距离重复性进行测试；10b）、采用下式计算主从操作距离重复性：式中：为步骤7b）中进行n次操作的千分表读数的平均值；为步骤9b）中进行n次操作的千分表读数的平均值；xj为步骤7b）中的当前次千分表（90）读数；yj为步骤9b）中的当前次千分表（90）读数；rpx为步骤7b）中x轴方向的主从操作距离重复性；rpy为步骤9b）中y轴方向的主从操作距离重复性；n为检测次数。
29.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。
30.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。
31.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。