机器人系统应用精度的体外测试模体、测试系统及其方法与流程

1.本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种机器人系统应用精度的体外测试模体、测试系统及其方法。


背景技术：

2.立体定向手术机器人系统主要面向神经外科中的立体定向手术，用于辅助医生完成精准的空间定向和定位功能。因此，其临床预期用途的实现依赖于机器人系统定位精度能否满足于临床需求。而目前临床的机器人系统中机械臂运行的定位精准度会直接影响到手术的成功与否，或影响到是否能够满足进一步的临床需求。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述的问题，提供一种改进机器人系统应用精度的体外测试模体、测试系统及其方法。
4.一种机器人系统应用精度的体外测试模体，所述体外测试模体包括：
5.第一模体，设有第一定位点，用于插入测试件；
6.第二模体，与所述第一模体相适配，且设有第二定位点；
7.所述第一模体与所述第二模体安装后，所述第一定位点与所述第二定位点的相对位置确定，且所述第一定位点与所述第二定位点相对于同一平面的投影至少部分重合。
8.如此设置，第一定位点和第二定位点能够互相配合，形成可以供测试件穿过的通道，以此对机器人系统的应用精度进行测试。测试通道由第一定位点和第二定位点配合形成，只需要改变第二定位点的尺寸(或形状、位置)，即可改变测试通道的内径，从而改变对于测试件的测试精度要求，以此实现对不同定位精度要求的机器人系统应用精度的测试，扩大了测试模体的应用范围，避免为了不同的测试精度而需要重新开模的问题，节约了成本。
9.在其中一个实施方式中，所述体外测试模体还包括可拆卸安装于所述第一定位点内的第一精度定位件，所述第一精度定位件开设有第一精度孔；
10.所述体外测试模体还包括可拆卸安装于所述第二定位点内的第二精度定位件；
11.所述测试件能够穿过所述第一精度定位件到达所述第二精度定位件。
12.如此设置，第一精度定位件和第二精度定位件都可以拆卸更换，从而满足不同精度的测试要求。当测试精度要求较高时，可以替换尺寸较小的第一精度定位件和第二精度定位件，以此提高测试精度的要求，使体外测试模体的应用更加灵活。
13.在其中一个实施方式中，所述第一精度定位件及所述第二精度定位件为圆柱体，且所述第一精度定位件及所述第二精度定位件同轴设置。
14.如此设置，圆柱体的形状使第一精度定位件和第二精度定位件容易安装至对应的第一定位点及第二定位点；而同轴设置的第一精度定位件及第二精度定位件适配于多数的精度测试要求。
15.在其中一个实施方式中，所述第一模体为透明体。
16.如此设置，容易肉眼观测到测试件进入第一定位点及是否达到第二模体的情况，便于测试人员识别测试情况。此外，方便测试与演示。测试人员能够通过肉眼判断测试件是否进入模体，能否顺利穿过模体的中间通孔最终到达靶点。
17.在其中一个实施方式中，所述第一精度孔的直径为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm及2.0mm的至少一种；
18.所述第二精度定位件的截面为圆柱形，所述第二精度定位件的直径为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm及2.0mm的至少一种。
19.如此设置，将多个常用的第一精度定位件及第二精度定位件的尺寸预留适配，测试人员在测试时通过两个定位件的配合使用，即可满足大部分的测试精度要求。
20.在其中一个实施方式中，且所述第一定位点和所述第二定位点之间设有第三精度定位件，所述第三精度定位件为圆筒状的金属件。
21.如此设置，便于测试件通过一些特定手段去检测测试件的插入情况(例如通电电流或激光的反馈情况，以获取测试件的插入深度或位置)，从而能够达到精准测量测试件的运行精度的目的。
22.在其中一个实施方式中，第三精度定位件上安装有检测单元，所述检测单元用于检测所述测试件的插入状态。
23.如此设置，能够通过检测单元知晓测试件实际进入第一定位点和/或到达第二定位点的反馈情况，判定机器人系统的运行精度。
24.在其中一个实施方式中，所述第一模体的外表面开设有用于标记定位的标记孔；或，
25.所述第一模体的外表面贴设有用于标记定位的标记点；或，
26.所述第一模体的外表面开设有螺纹孔，所述螺纹孔用于装配标记骨钉。
27.如此设置，不管是标记孔、标记点或装配标记骨钉的设置，均用于模拟接触式空间注册方案中的标记点，通过空间注册过程实现模体与机械臂的坐标系转换，使系统能够定位模体的位置，从而统一于机械臂的坐标系下，进而进行测试动作。
28.在其中一个实施方式中，所述第二模体上设有与所述第一模体不同距离的多个检测面；所述第二定位点设置于所述检测面。
29.如此设置，各个检测面的第二定位点与对应的第一定位点之间具有多组不同的测试距离，能够满足多种不同的测试要求，扩大了测试模体的适用场景。
30.本发明一实施方式还提供一种机器人系统应用精度的体外测试系统，所述体外测试系统包括：
31.测试模组，包括测试件，所述测试件安装于所述机器人系统上，并能够按照所述机器人系统规划的路径运行；
32.机器人系统应用精度的体外测试模体，所述体外测试模体包括如上述任意一项所述的体外测试模体。
33.在其中一个实施方式中，所述测试模组还包括检测单元，所述检测单元用于检测所述测试件的插入状态，所述测试件为金属棒；
34.所述第一定位点与所述第二定位点之间设有圆筒状的第三精度定位件，所述第三
精度定位件为金属件，所述检测单元为万用表，所述万用表的一端电连接于所述测试件，另一端电连接所述第三精度定位件；或，
35.所述测试模组还包括检测单元，所述检测单元用于检测所述测试件的插入状态，所述测试件为激光发射器；
36.所述第一定位点与所述第二定位点内设有圆筒状的第三精度定位件，所述第三精度定位件为金属件，所述检测单元为激光接收器，所述激光接收器连接于所述第三精度定位件。
37.如此设置，提供了精准的定量测试的体外测试系统。当金属棒与金属件的第三精度定位件的内壁接触，此时万用表能够检测到电信号，从而判断出金属棒已经与金属柱体接触，即判断精度是否满足测试要求，这种方式比肉眼判断更为精确和智能化，节省人力。而另一种实施方式，激光发射器能够与激光接收器配合使用，体外测试系统自动定位到路径目标点后，激光发射器发射激光，当能通过预定的激光接收器反射回激光后，即可认为该条路径的入颅点定位精度和靶点精度满足预定义的要求。激光发射器与激光接收器的配合使用主要是考虑到针对体外测试系统的自动化测试，即不需要人为干预，具有更精确和自动化的特点。采用无接触式的激光发射器与激光接收器实现系统定位精度的测试，能够实现自动化测试的要求，节约了成本。
38.本发明一实施方式还提供一种机器人系统应用精度的体外测试方法，所述体外测试方法采用如上述任意一项所述的体外测试模体实现，所述体外测试方法包括：
39.通过测试件实际进入第一定位点和/或到达第二定位点的反馈情况，判定所述机器人系统的运行精度；
40.通过所述测试件实际进入第一定位点和/或到达第二定位点的反馈情况，判定所述机器人系统的运行精度包括以下三种方式中的至少一种：
41.通过观察所述测试件是否进入所述第一定位点及/或到达所述第二定位点，判断所述机器人系统的运行精度；
42.通过测试所述测试件能否分别穿过具有特定预设值的内径的所述第一定位点和到达所述第二定位点，判断所述机器人系统的运行精度是否在特定的范围内；
43.通过测量所述测试件进入所述第一定位点和/或第二定位点之间的第三精度定位件的深度，获取所述机器人系统的运行精度。
44.上述任意一项的测试方式使测试结果都能够被检测到，继而给出测试件进入第一定位点和/或达到第二定位点的反馈结果。如此便能够使体外测试方法适配于多种手段去检验机器人系统对测试件的控制精度，不管是定性、半定量或定量的测试方式。
45.与现有技术相比，本发明一实施方式中提供的体外测试模体，能够通过第一定位点和第二定位点的互相配合，形成可以供测试件穿过的通道，以此对机器人系统的应用精度进行测试。测试通道由第一定位点和第二定位点配合形成，只需要改变第二定位点的形状与尺寸，即可改变测试通道的内径，从而改变对于测试件的精度要求，以此实现对不同定位精度要求的机器人系统应用精度的测试，扩大了体外测试模体的应用范围，避免为了不同的测试精度而需要重新开模的问题，节约了成本。
附图说明
46.图1为本发明一实施方式中的体外测试模体的应用场景图；
47.图2为图1所示体外测试模体的结构示意图；
48.图3为图2所示的体外测试模体相互盖合后的结构示意图；
49.图4为图2所示体外测试模体中的第一模体的结构示意图；
50.图5为图2所示体外测试模体中的第二模体的结构示意图；
51.图6为图2所示体外测试模体中的第三精度定位件及测试件的结构示意图。
52.图中各符号表示含义如下：
53.100、测试模体；10、第一模体；11、第一定位点；12、第一精度定位件；13、第一精度孔；14、螺纹孔；15、金属柱体；20、第二模体；21、第二定位点；22、检测面；23、第二精度定位件；30、测试件；40、第三精度定位件；50、检测单元。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
56.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
57.请参见图1，体外测试模体100应用于医疗领域，对一种立体定向手术机器人进行系统应用精度的测试。
58.该种手术机器人的临床预期用途是让机器人系统中的机械臂按照系统规划好的路径精确地定位到目标点，由医生通过机械臂末端的适配器将不同的手术器械进行定位定向，完成对患者脑部手术区域的定位，进而实现精确地切开头皮，钻骨以及植入电极的操作，所以对于机器人系统的定位精度有极高的要求，本发明一实施方式提供的体外测试模体100就能够对于机器人系统的定位精度进行人体外的模拟精度测试。
59.请参见图2-图5，体外测试模体100包括第一模体10和第二模体20。第一模体10，设有第一定位点11，用于插入测试件30。第二模体20，与第一模体10相适配，并且设有第二定位点21。第一模体10与第二模体20安装后，第一定位点11和第二定位点21的相对位置确定，且第一定位点11与第二定位点21相对于同一平面的投影至少部分重合。
60.需要解释的是，第一定位点11垂直于同一平面的投影与第二定位点21垂直于同一平面的投影至少部分重合，从而使得杆状类的测试件能够直接触及第一定位点11及第二定位点21，或两者之间形成的测试通路能够供直线形状的测试件30通过。
61.如此设置，第一定位点11和第二定位点21能够互相配合，形成可以供测试件30穿过的测试通道，以此对机器人系统的应用精度进行测试。测试通道由第一定位点11和第二定位点21配合形成，只需要改变第二定位点21的尺寸(形状或相对位置)，即可改变测试通道的内径，从而改变对于测试件30的精度要求，以此实现对不同定位精度要求的机器人系统应用精度的测试，扩大了体外测试模体100的应用范围，避免为了不同的测试精度而需要重新开模的问题，大大节约了成本。
62.可以理解地，第一定位点11和第二定位点21的相对位置确定指两者的位置相对固定，第一定位点11和第二定位点21的相对位置不可变化。
63.可以理解的是，第一模体10及第二模体20的形状可以根据实际需求而相应设置为空心的柱体结构或其他不规则结构，只要两者之间的第一定位点11及第二定位点21的相对位置能够确定即可。例如，第一模体10可以是圆柱形状的罩体，第二模体20设置为与第一模体10对应的结构。
64.进一步地，第一模体10与第二模体20分体设置。如此设置，使得体外测试模体100安装于拆卸方便，也便于第一定位点11与第二定位点21的位置设置。
65.在其中一个实施方式中，第二模体20大致呈圆柱状结构，其表面设置有多个高度不同的台阶面，即为多个检测面22。每个检测面22设置有多个第二定位点。这些不同检测面的各个第二定位点对应于多个不同的第一定位点，从而使得两个定位点之间具有不同的测试距离，以满足不从测试件30的测试精度需求。
66.第二模体20上设有与第一模体10不同距离的多个检测面，以使第二定位点21与第一定位点11之间具有多组不同的距离，从而满足多种不同的测试要求，扩大了体外测试模体100的适用场景。在本实施例中，第二模体20上设有多个阶梯状的检测面，在其他实施例中，多个与第一模体10不同距离的检测面也可以设置为高低不同的环状，或第二模体20的检测面可以设置为高度不同的柱体端面或其他不规则形状，只要能够使得两个定位点之间能够形成不同的测试距离，以多种不同的测试要求即可。
67.在其中一个实施方式中，第一模体10及/或第二模体20为透明件，从而方便测试与演示，测试人员能够通过肉眼判断测试件30是否进入模体，能否顺利穿过模体的中间通孔最终到达靶点。
68.具体地，体外测试模体100还包括可拆卸安装于第一定位点11内的第一精度定位件12。第一精度定位件12开设有第一精度孔13。体外测试模体100还包括可拆卸安装于第二定位点21内的第二精度定位件23。测试件能够穿过第一精度定位件12到达第二精度定位件23。如此设置，使得体外测试模体能够满足不同精度的测试要求。当测试精度要求较高，即可把对应的定位件替换为尺寸较小的定位件，以此满足测试精度要求，使体外测试模体100的应用更加灵活。
69.进步一地，第一精度定位件12以及第二精度定位件23均为圆柱体，且第一精度定位件12及第二精度定位件23同轴设置。如此设置，使第一精度定位件12和第二精度定位件23与对应第一模体10及第二模体20的配合更为紧密，且易于安装和测试，以此适配于多数精度测试要求。
70.在其中一个实施方式中，第一模体10为透明体。需要解释的是，第一模体10在ct影像中的显影值与第一精度定位件12及第二精度定位件23在ct影像中的显影值有差异，从而
使得在ct等成像设备中，能够直观地观测出测试件30是否到达第一定位点11和/或第二定位点21的情况。
71.如此设置，容易肉眼观测到测试件30进入第一定位点11及是否达到第二模体20的情况，便于测试人员识别测试情况。此外，方便测试与演示。测试人员能够通过肉眼判断测试件30是否进入模体，能否顺利穿过体外测试模体100的中间通孔最终到达靶点。
72.在一些实施方式中，第二精度定位件23开设有第二精度孔，第二精度孔与第一精度孔13相对应，从而满足不同精度的测试要求。进行精度测试时，通过判断测试件是否进入第二精度孔，即可判断测试件是否到达第二精度定位件。
73.在一些实施方式中，第二精度定位件为不具有第二精度孔的圆形定位件，进行精度测试时，只需要判断测试件是否与第二精度定位件接触即可判断测试件是否到达第二精度定位件。
74.在其中一个实施方式中，第一精度孔13的直径为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm及2.0mm的至少一种；第二精度定位件23的截面为圆柱形，第二精度定位件23的直径为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm及2.0mm的至少一种。
75.以下具体举个半定量的测试例子：
76.图2的示例中采用了半径为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm等不同尺寸的第一精度定位件12及第二精度定位件23来代替入颅点和靶点。此外，为增加在ct影像下不同ct值的区分，提高ct影像下路径点的识别分辨率，入颅点和靶点采用内径不同、外径相同、深度也相同的金属圆柱来模拟。一条路径仅由入颅点和靶点决定，而在实际模拟中，用深度相同(比如5.0mm)的精度定位件来模拟，故用于模拟入颅点的第一精度定位件12和用于模拟靶点的第二精度定位件23在加工时的同轴度要高，而且中间是中空的，确保最终的测试件30能通过入颅点的小圆柱进入对应的靶点小圆柱。
77.此类路径可用于定性和半定量的测试。即，可通过肉眼判断，入颅点的系统定位精度和靶点的系统定位精度是多少，具体是，如果系统完成最终定位后，测试件30能进入0.5mm的入颅点，即可认为其入颅点系统定位精度小于等于0.5mm，并且经过此入颅点后，测试件30还能进入0.5mm的靶点，即可认为其靶点系统定位精度小于等于0.5mm，此种情况下，其姿态精度可以不用考虑。因为模体是透明的，故可以通过肉眼看到，方便用于演示。
78.如此设置，将多个常用的第一精度定位件12及第二精度定位件23的尺寸预留适配，测试人员在测试时通过两个定位件的配合使用，即可满足大部分的定性和半定量的测试要求。
79.在其他一些实施方式中，上述的尺寸可以根据实际测试需求而相应设置。
80.在其中一个实施方式中，且第一定位点11和第二定位点21之间设有第三精度定位件40。第三精度定位件40为圆筒状的金属件。如此设置，便于测试件30通过一些特定手段去检测测试件30的插入情况(例如通电电流或激光的反馈情况，以获取测试件的插入深度或位置)，从而能够达到精准测量测试件30的运行精度的目的。
81.在其中一个实施方式中，第三精度定位件40上安装有检测单元50。检测单元50用于检测测试件30的插入状态。如此设置，能够通过检测单元50知晓测试件实际进入第一定位点11和/或到达第二定位点21的反馈情况，判定机器人系统的运行精度。
82.在其中一个实施方式中，第一模体10的外表面还开设有用于标记定位的标记孔
(未标号)。标记孔用于在其中设置标记点，标记点能够帮助系统定位模体的位置，从而进行下一步动作。
83.在本实施例中，第一模体10的外表面开设有螺纹孔14，螺纹孔14用于装配标记骨钉，标记骨钉则能够帮助系统定位模体的位置，继而进行测试动作。在其他实施例中，第一模体10的外表面也可以使用粘贴性的标记点，粘贴在标记孔的位置或模体的上表面，以辅助机器人系统定位模体位置。
84.本发明还提供一种机器人应用精度的体外测试系统。体外测试系统除上述体外测试模体100外，还包括测试模组(未标号)。测试模组包括测试件30和检测单元50，测试件30安装于机器人系统上，并能够按照机器人系统规划的路径运行，测试件30和检测单元50具有多种实施方式：
85.实施方式一
86.将体外测试模体100设置为透明材质，使测试件30按照预定轨道进入体外测试模体100，通过肉眼判断测试件30能否顺利穿过模体的中间通孔最终到达靶点，此方式上文已有说明，在此不再赘述。
87.实施方式二
88.测试件30为激光发射器，在第二定位点21远离第一定位点11的一侧设置激光接收器作为检测单元50。在测试系统的工作过程中，机器人系统自动定位到路径目标点后，通过测试件30发射激光，当能通过预定的激光接收器反射回激光后，即可认为该条路径的入颅点定位精度和靶点精度满足预设的要求。
89.如此设置，可以满足系统应用精度的自动化设置，这种方式比肉眼判断更为精确和智能化，节省人力。
90.实施方式三
91.请参见图6，测试件30为金属棒，第一定位点11和第二定位点21之间设置有上述的第三精度定位件40。检测单元50设置为万用表，万用表的一端电连接于测试件30，另一端连接于金属柱体15。当测试件30与第三精度定位件40的内壁接触，此时万用表能够检测到电信号，从而判断出金属棒已经与金属柱体15接触，继而能够判断出该条路径的精度是否满足测试要求。
92.以下具体举个例子来说明实施方式三的测试原理：
93.由于第三精度定位件40整条测试路径都是由金属薄壁形成中空的测试通道。而测试件30也是金属的，故可以在系统完成定位定向后，将测试件30通过适配器(如图1)插入到体外测试模体100对应的路径中。每条路径的长度都是均是已知的，比如10mm、30mm、50mm或70mm。测试件30通过入颅点进入之后，有可能到达不了50mm路径的靶点，但可以到达30mm的路径靶点等。因为，我们可以用深度来表征某条特定路径长度的姿态精度，比如，针对一条70mm，入颅点和靶点半径均为1mm的模拟圆柱体而言，当测试件30能进入1mm的入颅点时，入颅点系统定位精度可以表征为小于等于1mm；当测试件30通过金属的整条70mm的路径并且没有碰到第三精度定位件40的金属内壁，最后在半径为1mm的靶点区域内，此时系统定位精度也可以表征为小于等于1mm。
94.但是，如果测试件30在通过这条测试路径的时候碰到第三精度定位件40的金属内壁，比如其有效执行的路径长度只有55mm，故此时其机器人系统定位精度肯定超过了1mm。
如此，在测试时，便可直接用55mm来代替姿态精度，要换算的话，应该是0.018
°
(arctan(1/55))。
95.而判断测试件30是否碰到测试路径的金属内壁，可以通过万用表的导通功能来实现，即万用表的表笔的一端接在测试件30上，另外一端接在测试路径的第三精度定位件40上。
96.总而言之，若测试件30能够穿过第三精度定位件40而不接触其内壁，则说明测试件30满足该条路径的精度要求。若测试件30在测试过程中接触到第三精度定位件40的内壁，则说明测试件30的精度不满足该条路径的精度要求。此时，测试件30所到达的第三精度定位件40的深度可通过万用表测得，而该深度即为该测试路径的有效长度x。
97.本发明一实施方式还提供一种机器人系统应用精度的体外测试方法。该体外测试方法采用如上述任意一项所述的体外测试模体实现。
98.体外测试方法包括：
99.步骤s10，通过测试件实际进入第一定位点和/或到达第二定位点的反馈情况，判定机器人系统的运行精度。
100.具体地，步骤s10包括以下三种方式中的至少一种：
101.通过观察所述测试件是否进入第一定位点及/或到达第二定位点，判断机器人系统的运行精度；
102.通过测试测试件能否分别穿过具有特定预设值的内径的第一定位点和到达第二定位点，判断机器人系统的运行精度是否在特定的范围内；
103.通过测量测试件进入第一定位点和/或第二定位点之间的第三精度定位件的深度，获取机器人系统的运行精度。
104.能够通过测试件实际进入第一定位点及第二定位点的反馈情况，判定机器人系统的运行精度。
105.其中，测试件实际进入第一定位点和/或到达第二定位点的反馈情况即为上述的测试件的插入情况。
106.在方式一中，通过肉眼即可判断测试件是否进入第一定位点及/或到达第二定位点；若将第一定位点和第二定位点设置为特定预设位置，肉眼也可以判断测试件能否分别进入第一定位点和第二定位点，从而定性或半定量确定机器人系统的运行精度是否在特定预设值的范围内。
107.在方式二中，可以通过激光接收器是否反射出激光判断测试件是否进入第一定位点及/或到达第二定位点；当第一定位点和第二定位点设置为特定预设值的内径，也可以通过激光接收器是否反射出激光半定量判断机器人系统的运行精度是否在特定预设值的范围内。
108.在方式三中，可以根据路径的有效长度x判断是否进入第二定位点，路径的有效长度x即为测试件进入第一定位点与第二定位点之间的第三精度定位件的深度，从而进一步定量计算获取测试件的运行精度。
109.上述任意一项的测试方式使测试结果都能够被检测到，继而给出测试件进入第一定位点和/或达到第二定位点的反馈结果。如此便能够使体外测试方法适配于多种手段去检验机器人系统对测试件的控制精度，不管是定性、半定量或定量的测试方式。
110.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
111.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。