關(guān)于醫(yī)療機(jī)器人

伴隨著人類現(xiàn)代化文明的跨越式發(fā)展，機(jī)器人已被應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)領(lǐng)域，機(jī)器人的制造與使用也相應(yīng)有了更高的需求。目前，機(jī)器人作業(yè)正向著高精度應(yīng)用的方向發(fā)展，諸如自學(xué)習(xí)、視覺控制、仿真離線編程取代示教編程，這些都對(duì)機(jī)器人位姿準(zhǔn)確度提出了更高要求。而醫(yī)療機(jī)器人，尤其是手術(shù)機(jī)器人（如針持、抓取鉗、手術(shù)剪、穿刺針、鉆頭等），作為機(jī)器人領(lǐng)域中的尖端產(chǎn)品，其精度要求可稱之為嚴(yán)苛；因此，對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的檢測(cè)就變得十分重要。目前，對(duì)醫(yī)療機(jī)器人，通常采用YY/T 1712-2021標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。       

醫(yī)療機(jī)器人的檢測(cè)需求

本文所述的醫(yī)療機(jī)器人，是由數(shù)個(gè)剛性桿體和旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)連接而成，是一個(gè)開環(huán)關(guān)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(shí)，機(jī)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(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)合成的。由于機(jī)器人機(jī)械手的慣性力、和重力負(fù)載都隨運(yùn)動(dòng)空間的變化而變化，因此要保證機(jī)器人的高精度、高速度、高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，就需要對(duì)機(jī)器人的性能進(jìn)行檢測(cè)，來評(píng)估機(jī)器人的各項(xiàng)指標(biāo)。       

 圖1：Radian激光跟蹤儀醫(yī)療機(jī)器人標(biāo)定作業(yè)中（右）&數(shù)據(jù)報(bào)告（左）  

API檢測(cè)方案

根據(jù)YY/T 1712-2021行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、并參考ISO9283標(biāo)準(zhǔn)，API開發(fā)了一套針對(duì)醫(yī)療機(jī)器人各個(gè)性能的、有效的評(píng)估檢測(cè)方案，其中包括：位姿準(zhǔn)確度和重復(fù)性檢測(cè)、多方向位姿準(zhǔn)確度變動(dòng)、距離準(zhǔn)確度和重復(fù)性、位置穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量、位姿漂移特征、互換性、軌跡準(zhǔn)確度和重復(fù)性、重定向軌跡準(zhǔn)確度、拐角偏差、軌跡速度特征、最小定位時(shí)間、靜態(tài)柔順性、擺動(dòng)偏差，這14項(xiàng)性能檢測(cè)，都可以采用API品牌的Radian激光跟蹤儀配合RMS軟件來實(shí)現(xiàn)。       

圖2：機(jī)器人標(biāo)定靶標(biāo)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(zhǔn)測(cè)量

檢測(cè)時(shí)，只需根據(jù)需求在機(jī)器人末端部署相應(yīng)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(dòng)完成全套流程的檢測(cè)與評(píng)估。

Radian激光跟蹤儀會(huì)射出激光，并將激光鎖定至固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的靶球（或靶標(biāo)）中心，醫(yī)療機(jī)器人在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)的同時(shí)，激光跟蹤儀會(huì)實(shí)時(shí)記錄下軌跡坐標(biāo)，并反饋至PC中的RMS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及評(píng)估。通過機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動(dòng)位置與其理論位置相比較，即可得到運(yùn)動(dòng)的偏差，從而針對(duì)這些偏差進(jìn)行補(bǔ)償。      

圖4：本案例測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)       

本紀(jì)實(shí)案例應(yīng)用背景及測(cè)量需求

本紀(jì)實(shí)案例中，需要對(duì)一批次的骨科手術(shù)機(jī)器人的急停性能進(jìn)行檢測(cè)。該項(xiàng)性能的測(cè)試，是為了避免手術(shù)過程中，由于斷電或其它行為導(dǎo)致的急停操作，使得機(jī)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?，故而需要知曉該機(jī)器人末端在急停瞬間至完全停穩(wěn)時(shí)的過沖量及全向最大振幅，從而將該指標(biāo)優(yōu)化控制在最佳區(qū)間，以最大程度地保護(hù)病人。

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

圖5：測(cè)量數(shù)據(jù)在軟件中的顯示  

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

總結(jié)

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

關(guān)于API

API品牌由Kam Lau博士在1987年創(chuàng)立于美國(guó)馬里蘭州的羅克韋爾，是激光跟蹤儀的發(fā)明者，同時(shí)持有多項(xiàng)全球領(lǐng)先測(cè)量科技的專利，是精密測(cè)量科技領(lǐng)域的引領(lǐng)者；API自成立以來，始終致力于機(jī)械制造領(lǐng)域精密測(cè)量?jī)x器和高性能傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的先進(jìn)制造領(lǐng)域，并在坐標(biāo)測(cè)量和機(jī)床性能測(cè)試的高精度標(biāo)準(zhǔn)方面處于領(lǐng)先地位。  

圖7：API公司總部大樓

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