一种手术机器人系统精度检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种手术机器人系统精度检测装置及方法，属于手术机器人技术领域。
【背景技术】
[0002]定位精度是手术机器人最重要的一项性能。正确评价系统的精度是确保手术安全、顺利完成的关键工作。评价机器人精度的指标有绝对精度、重复定位精度等。常见机器人精度检测装置是针对工业机器人的精度检测而设计，如申请号为97105266.2、名为“机器人重复位置精度检测系统”的中国专利用于检测机器人的重复精度，申请号为200410014906.5、名为“六自由度机器人位姿检测装置”的中国专利用于检测机器人的位置和姿态。上述装置均较为复杂，往往需要进行复杂的计算，并且测量不直观，也不涉及空间定位精度。
[0003]手术机器人应用在手术中用于手术器械或植入物的精确定位。通过与医学影像设备的配合使用，实现手术计划和手术路径定位，通过机器人定位手术路径，辅助医生准确完成手术的操作。系统精度受到图像变形、图像空间与机器人空间坐标映射精度、机械臂定位精度、手术工具加工误差等多种因素影响。已有的测量系统不能对手术机器人的系统精度进行全面有效的测量。
[0004]实际手术过程中手术机器人最重要的应用是确定手术的路径，这条路径可以用一条空间直线来描述。对手术机器人系统的精度要求不仅仅在于点定位误差要求，而是同时兼顾定点和定向的误差要求，在某些情况下定向的要求甚至更加重要。因此，绝对精度和重复定位精度这种单纯表述定点误差的方法，不能全面评价骨科导航机器人的精度。在实践中，空间点距离的精确测量，通常也非常困难的。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确、全面评价手术机器人精度的手术机器人系统精度检测装置及方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种手术机器人系统精度检测装置，其特征在于:它包括一支座，在所述支座的顶部设置多个靶点支柱，在每一靶点支柱的顶端设置一靶点。
[0007]所述靶点为钢球、铜球或铅球；所述支座和靶点支柱的材质为有机玻璃、尼龙或塑料。
[0008]所述支座的顶部设置有多个靶点安装孔，所述靶点支柱可拆卸地连接在所述靶点安装孔中。所述支座和靶点支柱均由X光吸收能力较差的材料制成。
[0009]还包括一三自由度运动机构；所述三自由度运动机构包括一底座，在所述底座的顶部固定连接一垂直方向设置的第一滑槽，所述第一滑槽可滑动地连接一第一伸缩杆，在所述第一伸缩杆的顶部固定连接一水平方向设置的第二滑槽，所述第二滑槽可滑动地连接一第二伸缩杆，在所述第二伸缩杆的一端固定连接一水平方向设置的第三滑槽，所述第三滑槽可滑动地连接一第三伸缩杆，所述第三伸缩杆与所述第二伸缩杆垂直；所述第三伸缩杆的一端固定连接所述支座。
[0010]所述支座的顶面为一倾斜面。
[0011]所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上均设置有刻度尺。
[0012]在所述第一滑槽上设置有一用于锁紧所述第一伸缩杆的锁紧钉；在所述第二滑槽上设置有一用于锁紧所述第二伸缩杆的锁紧钉；在所述第三滑槽上设置有一用于锁紧所述第三伸缩杆的锁紧钉。
[0013]一种手术机器人系统精度检测方法，包括以下步骤:1)将检测装置固定在手术空间的某一位置，选两个靶点由手术机器人的图像采集端进行图像采集；2)在手术机器人控制程序中分别以选用的两靶点为入针路径的入点和出点进行路径规划；3)将测试棒安装在手术机器人的执行端，并控制手术机器人按照规划的路径运动，观察测试棒尖端与第一个靶点的接触情况；4)将第一个靶点所在的靶点支柱拆下，观察测试棒尖端与第二个靶点的接触情况；5)由测试棒与两被测试的靶点的接触情况获得该位置处的精度。
[0014]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明提出一个包括支柱、靶点支柱和靶点的检测装置，并基于该装置提出了一种手术机器人系统精度测量方法，通过驱动手术机器人以靶点所在的线为规划路径运动，观察连接在手术机器人执行端的测试棒尖端是否能够准确地接触到靶点中心，以此来确定系统的精度，该方法新颖巧妙并且易于实现，不涉及复杂的算法。2、本发明由于在支座的底部增设了一个三自由度运动机构，因此便于改变靶点的空间位置，进而能够实现在某一空间区域内的不同位置对手术机器人的系统精度进行测量。3、本发明结构简单、易于实现，可广泛应用于各类手术机器人系统精度的测量。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构示意图；
[0016]图2是本发明检测原理示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0018]实施例一:
[0019]如图1所示，本实施例包括一支座1，在支座I的顶部设置有多个靶点支柱2，在每一靶点支柱2的顶端设置一靶点3。
[0020]进一步地，靶点3采用X光吸收能力较强的材料制成，例如可以为钢球、铜球或铅球；而支座I和靶点支柱2由X光吸收能力较差的材料制成，如有机玻璃、尼龙或塑料。
[0021]进一步地，靶点支柱2与支座I之间采用可拆卸地连接方式，并且，在支座I的顶部预设有多个靶点安装孔，在使用时可根据实际情况在选定的靶点安装孔中安装靶点支柱
2。支座和靶点支柱均由X光吸收能力较差的材料制成。
[0022]为全面地说明本发明的效果，下面从检测原理和使用发明两方面进行说明:
[0023](一 )精度检测原理:如图2所示，如果将手术规划路径用一条空间直线L表示，骨科机器人末端路径用空间直线L’表示，那么对机器人精度的评价就是对直线L’与L的共线性的评价。在直线L上取两点A、B，其空间距离为S，分别测量直线L’与点A，B的距离dl，d2。如图所示，当dl、d2都为O时，L’与L重合，结果没有误差；dl或者d2增大，说明L’与L的共线性能变差。因此，用dl、d2来作为机器人的误差是合理的。
[0024]实际操作中的一个难点是点与线的距离难以直接精确测量，本发明采用误差上限代替距离dl、d2。将点A、B制成直