关于医疗机器人

伴随着人类现代化文明的跨越式发展，机器人已被应用到我们日常生活中的各个领域，机器人的制造与使用也相应有了更高的需求。目前，机器人作业正向着高精度应用的方向发展，诸如自学习、视觉控制、仿真离线编程取代示教编程，这些都对机器人位姿准确度提出了更高要求。而医疗机器人，尤其是手术机器人（如针持、抓取钳、手术剪、穿刺针、钻头等），作为机器人领域中的尖端产品，其精度要求可称之为严苛；因此，对医疗机器人的检测就变得十分重要。目前，对医疗机器人，通常采用YY/T 1712-2021标准进行检测。

医疗机器人的检测需求

本文所述的医疗机器人，是由数个刚性杆体和旋转或移动的关节连接而成，是一个开环关节链；开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端执行器。在操作时，机器人手臂前端的末端执行器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动合成的。由于机器人机械手的惯性力、和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要保证机器人的高精度、高速度、高动态品质，就需要对机器人的性能进行检测，来评估机器人的各项指标。

图1：Radian激光跟踪仪医疗机器人标定作业中（右）&数据报告（左）

API检测方案

根据YY/T 1712-2021行业标准、并参考ISO9283标准，API开发了一套针对医疗机器人各个性能的、有效的评估检测方案，其中包括：位姿准确度和重复性检测、多方向位姿准确度变动、距离准确度和重复性、位置稳定时间和超调量、位姿漂移特征、互换性、轨迹准确度和重复性、重定向轨迹准确度、拐角偏差、轨迹速度特征、最小定位时间、静态柔顺性、摆动偏差，这14项性能检测，都可以采用API品牌的Radian激光跟踪仪配合RMS软件来实现。

图2：机器人标定靶标解决方案

图3：API品牌Radian系列激光跟踪仪

源自激光跟踪仪的精准测量

检测时，只需根据需求在机器人末端部署相应的激光接收装置（参考图2示意），即可开启激光跟踪仪，并自动完成全套流程的检测与评估。

Radian激光跟踪仪会射出激光，并将激光锁定至固定在执行机构末端的靶球（或靶标）中心，医疗机器人在其运动范围内移动的同时，激光跟踪仪会实时记录下轨迹坐标，并反馈至PC中的RMS软件进行数据的分析及评估。通过机器人真实运动位置与其理论位置相比较，即可得到运动的偏差，从而针对这些偏差进行补偿。

图4：本案例测量现场

本纪实案例应用背景及测量需求

    本纪实案例中，需要对一批次的骨科手术机器人的急停性能进行检测。该项性能的测试，是为了避免手术过程中，由于断电或其它行为导致的急停操作，使得机器人末端加载的刀具及各类锋利工具由于惯性原因对病人造成二次伤害，故而需要知晓该机器人末端在急停瞬间至完全停稳时的过冲量及全向最大振幅，从而将该指标优化控制在最佳区间，以最大程度地保护病人。

本次测量使用的是Radian Pro型号激光跟踪仪，其集成有IFM干涉激光（可溯源），并同时具有1000点/秒的超高采数速率，可充分满足机器人运动过程中的动态数据采集。操作者将Radian激光跟踪仪布设在待测机器人周边的合适位置，主机射出的激光锁定并跟踪固定在待测机器人末端的高精度靶球，即可开始测量。

测量时，Radian激光跟踪仪设置为数据连续采集模式，机器人在其运动范围内，操作者随机实施断电急停操作。基于Radian的超高采数速率，机器人末端在开始运动至完全停稳的所有运动轨迹都被一一记录反馈至测量软件，随后，即可根据测量软件中的数据进行分析诊断。

图5：测量数据在软件中的显示

请参见图5，软件界面中可见：深红色为机器人开始运动至急停命令发布一刻的运动轨迹；粉色为急停瞬间至完全停稳这一过程中的运动轨迹。分析时，以粉色点组为基础，构建包络球，即可得到并直观分析该机器人末端在急停命令发布至完全停稳时的全向振幅各数据（参考图6）。

图6：在软件中进行数据分析

总结

Radian系列激光跟踪仪以微米级别的测量精度（μm，1/1000mm）以及超高的数据采集速率（1000Hz，1000点/秒），为医疗机器人性能的测量、诊断、分析提供了卓越的解决方案。

关于API

API品牌由Kam Lau博士在1987年创立于美国马里兰州的罗克韦尔，是激光跟踪仪的发明者，同时持有多项全球领先测量科技的专利，是精密测量科技领域的引领者；API自成立以来，始终致力于机械制造领域精密测量仪器和高性能传感器的研发和生产，产品已广泛应用于世界各国的先进制造领域，并在坐标测量和机床性能测试的高精度标准方面处于领先地位。