一种手术机器人主从延时测试装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种手术机器人主从延时测试装置。

背景技术

随着医疗器械、计算机技术及控制技术的不断发展，微创手术以其手术创伤小、康复时间短、患者痛苦少等优点得到了越来越广泛的应用。而微创手术机器人以其高灵巧性、高控制精度、直观的手术图像等特点能够避免操作局限性，如过滤操作时手部的震颤等，广泛适用于腹腔、盆腔、胸腔等手术区域。

目前，广泛使用的主从式微创手术机器人包括主控制臂和从操纵臂，主控制臂采集到医生的操作信号经控制系统处理后生成从操纵臂的控制信号，由从操纵臂执行手术操作。从主控制臂（主端）发出动作指令，到从操纵臂（从端）完全复现动作之间的时间称为主从延时，一般的，该延时超过200ms时会使医生感受到“不灵敏”，因此，主从操作的延时是影响医生操作感受和手术效果的重要因素，也是手术机器人检验时的重要指标。其测试方法的大致流程为：“使用运动发生装置将主端设备参考点在200ms内从静止加速到80％额定速度，匀速运动指定距离后，在200ms内减速至静止，根据主从设备末端位置变化，取主动设备参考点和从动设备参考点的开始运动的时间差作为启动延时；在主动设备80％运动行程内，取主动设备参考点和从动设备参考点在运动相同位移时的时间差的最大值作为跟随延时；对X、Y、Z三个方向3个方向分别进行测试；取3个方向中的最大值作为最终延时”。然而，该标准未给出具体的测试装置，测试装置的结构复杂度、使用便利性等对于手术机器人厂商和医疗器械检验所来说，也十分重要。

中国发明专利申请CN115105215A中公开了一种用于手术机器人的延时测量装置，包括运动发生装置、测量装置和上位机；通过上位机发送指令信号，控制运动发生装置水平推动被测器械的主端，被测器械从端会产生跟随移动，测量装置的激光测距传感器分别测量其到被测器械主端和从端的距离，并将数据发送给上位机，上位机根据所得数据计算出被测器械主端和从端的延时。但是该专利至少存在以下缺陷：

1、该水平推杆无法作为3个方向上的运动发生装置，尤其是无法提供Z方向上的运动，而仅测试一个方向的延时不符合国标要求；

2、该方案未公开从端的测试装置，如仅用激光测距仪进行测量，则其摆放位置至关重要，需保证激光方向与从端运动方向一致，增加了使用难度；

3、该方案使用激光测距仪进行位移数据测量，然而激光测距仪对于气压、温度、目标物体的颜色和材质等环境因素较为敏感，需保证测试环境符合要求，也增加了测试的难度或者说降低了测试精度（特别是主端和从端都是光滑的金属材质，对激光测距仪有不利影响）。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种手术机器人主从延时测试装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种手术机器人主从延时测试装置，用于测试从手术机器人主端发出操作指令，到手术机器人从端执行相应动作之间的延迟时间；包括主端运动组件和从端测试组件；手术机器人主端与主端运动组件连接，手术机器人从端与从端测试组件连接；主端运动组件向手术机器人主端分别提供X、Y、Z三个方向的独立运动，从端测试组件跟随手术机器人从端分别发生三个方向的独立运动，主端运动组件和从端测试组件分别记录手术机器人主端和手术机器人从端在三个方向的位移数据和/或速度数据，以及主端运动组件和从端测试组件各自对应的时间数据。

基于上述技术方案，更进一步地，所述主端运动组件包括直线运动组件、架体和固定平台，固定平台安装在架体顶部，直线运动组件可拆卸地安装在架体侧面和/或固定平台上。

基于上述技术方案，更进一步地，所述固定平台上还设有定位凸块，直线运动组件底端安装在定位凸块上，且直线运动组件以定位凸块为基点进行固定平台台面上的任意方向的旋转。

基于上述技术方案，更进一步地，所述固定平台上还设有至少一个限位块，直线运动组件以定位凸块为基点，在相邻限位块之间进行来回90°的旋转。

基于上述技术方案，更进一步地，所述直线运动组件包括驱动电机、底座、移动安装块和传动组件，移动安装块可滑动地安装在底座上，驱动电机驱动传动组件带动移动安装块移动，移动安装块上安装有运动杆，运动杆一端设有夹头，夹头可拆卸地固定手术机器人主端。

基于上述技术方案，更进一步地，所述底座上还安装有直线导轨，直线导轨上设有滑块，滑块上安装有移动安装块。

基于上述技术方案，更进一步地，所述底座上还安装有固定座和支撑座，滑块设于固定座和支撑座之间，且传动组件远离驱动电机的一端顺次穿过并固定在固定座、移动安装块和支撑座上。

基于上述技术方案，更进一步地，所述传动组件为丝杆组件，丝杆组件安装在移动安装块上，且丝杆组件一端通过联轴器与驱动电机输出轴连接，丝杆组件与底座平行设置。

基于上述技术方案，更进一步地，所述移动安装块上还设有限位凸部，移动安装块通过限位凸部固定有一转接板，转接板上固定有运动杆。

基于上述技术方案，更进一步地，所述移动安装块和/或转接板的上表面通过螺钉固定孔形成正方形结构。

基于上述技术方案，更进一步地，所述底座上还固定有第一位移传感器，第一位移传感器与移动安装块刚性连接。

基于上述技术方案，更进一步地，所述第一位移传感器为拉绳式位移传感器。

基于上述技术方案，更进一步地，所述底座侧面还设有锁体，架体上设有活动锁扣，活动锁扣与锁体的扣合操作将直线运动组件整体压紧在固定平台上。

基于上述技术方案，更进一步地，所述主端运动组件还包括脚轮，脚轮安装在架体的下端。

基于上述技术方案，更进一步地，所述从端测试组件包括用于锁紧手术机器人从端的固定部和支撑固定部的调整板组件，调整板组件可调整固定部的方向使其符合手术机器人从端的任意运动方向。

基于上述技术方案，更进一步地，所述调整板组件包括第一调整板和第二调整板，且第一调整板上设有第一弧形槽口和第一旋转基点，第二调整板上开设有第二弧形槽口和第二旋转基点，第一调整板和第二调整板固定连接。

基于上述技术方案，更进一步地，所述第一调整板和第二调整板均为L型结构，且第一调整板和第二调整板安装后的结构为T型，采用此结构便于能够在三个方向上调整安装位置，使得拉绳轴的轴向能够在一定范围内任意调整。

基于上述技术方案，更进一步地，所述调整板组件还包括第三调整板，第二调整板上还开设有第三弧形槽口，第三调整板通过第三弧形槽口安装在第二调整板的一侧面，且第三弧形槽口与第二弧形槽口位于第二调整板的不同侧面。

基于上述技术方案，更进一步地，所述从端测试组件包括第二位移传感器，所述固定部包括拉绳轴，第二位移传感器安装在第三调整板上，且第二位移传感器一端刚性固定有拉绳轴。

基于上述技术方案，更进一步地，所述第三调整板上设有定位块，定位块上设有定位孔，拉绳轴与第二位移传感器连接的位置放置于定位孔内。

基于上述技术方案，更进一步地，所述固定部还包括旋转接头，所述拉绳轴上设有限位孔，限位孔内设置旋转接头，且旋转接头通过转轴与拉绳轴连接，旋转接头端部与手术机器人从端可拆卸地固定连接。

基于上述技术方案，更进一步地，所述从端测试组件还包括固定底板和脚轮，脚轮安装在固定底板的下端，固定底板上安装有立柱，立柱的一端安装有从端测试组件。

基于上述技术方案，更进一步地，所述第二位移传感器为拉绳式位移传感器。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供了主端直线运动模组的三个方向的快捷安装结构，可以向手术机器人主端分别提供三个方向的直线运动，满足国标对三个方向的测量要求。

（2）本发明的从端测试组件，可以提供从端任意运动方向位移数据的测量（三个安装板的调整结构，可沿任意方向限位从端），测试前无需将主从配准，且对从端测试组件的摆位位置无严格要求，只需上下对准从端即可，简化了测试步骤，节省了测试时间、提高了测试效率；

（3）本发明使用多个拉线位移传感器分别测量主端和从端的位移数据，不受环境和被测物因素的影响，测量精度高，从而提高了主从延时的测试精度。

附图说明

图1为本发明主从延时测试装置的使用状态示意图；

图2为本发明主端运动组件第一状态示意图；

图3为本发明主端运动组件第二状态示意图；

图4为本发明主端运动组件第三状态示意图；

图5为本发明直线运动组件的结构示意图；

图6为图5的局部放大爆炸图；

图7为本发明夹头结构示意图；

图8为本发明运动杆结构示意图；

图9为本发明从端测试组件结构示意图；

图10为图9的局部放大图；

图11为图10的不同角度呈现的结构示意图；

附图标记：1.主端运动组件；2.从端测试组件；3.手术机器人主端；4.手术机器人从端；5.直线运动组件；6.架体；7.固定平台；8.脚轮；9.运动杆；10.夹头；11.活动锁扣；12.定位凸块；13.限位块；14.驱动电机；15.电机安装支架；16.底座；17.移动安装块；18.传动组件；19.联轴器；20.直线导轨；21.滑块；22.限位凸部；23.转接板；24.固定座；25.支撑座；26.第一位移传感器；27.固定底板；28.立柱；29.第一调整板；30.第二调整板；31.第三调整板；32.拉绳轴；33.旋转接头；34.定位块；35.第二位移传感器；36.第一弧形槽口；37.第一旋转基点；38.第二弧形槽口；39.第二旋转基点；40.第三弧形槽口；41.定位台阶；42.基座环；43.固定环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

实施例1

如图1所示，一种手术机器人主从延时测试装置，用于测试从手术机器人主端3发出操作指令，到手术机器人从端4执行相应动作之间的延迟时间；包括主端运动组件1和从端测试组件2，结合图2-图4所示，其中，主端运动组件1用于给手术机器人主端3提供某个方向的运动，并测量手术机器人主端3的位移数据，从端测试组件2用于测量手术机器人从端4的位移数据；手术机器人主端3与主端运动组件1连接，手术机器人从端4与从端测试组件2连接；主端运动组件1向手术机器人主端3分别提供X、Y、Z三个方向的独立运动，从端测试组件2跟随手术机器人从端4分别发生三个方向的独立运动，主端运动组件1和从端测试组件2分别记录手术机器人主端3和手术机器人从端4在三个方向的位移数据和/或速度数据，以及主端运动组件1和从端测试组件2各自对应的时间数据。

具体而言，主端运动组件1包括直线运动组件5、架体6、固定平台7、脚轮8、运动杆9、夹头10和活动锁扣11，固定平台7安装在架体6顶部，直线运动组件5可拆卸地安装在架体6侧面和/或固定平台7上，架体6底部安装有脚轮8，便于主端运动组件1移动。架体6使用的是工业铝型材，其质轻且强度高，而且表面还有长条形的槽，便于螺钉的固定。固定平台7上设有定位凸块12，直线运动组件5底端安装在定位凸块12上，且直线运动组件5以定位凸块12为基点进行固定平台7台面上的任意方向的旋转。具体来说，定位凸块12为圆柱体，直线运动组件5可绕圆柱体在固定平台7的表面上即XY平面旋转，从而完成X和Y方向的转换。固定平台7上还设有至少一个限位块13，直线运动组件5以定位凸块12为基点，在相邻限位块13之间进行来回90°的旋转，通过定位凸块12和限位块13可保证在X和Y方向的安装位置互换时更加方便。具体来说，限位块13设置有两个，设置在固定平台7相对的两个边上，保证了直线运动组件5旋转到位时是在固定平台7的表面即XY平面旋转了90度。底座16侧面还设有锁体，架体6上设有活动锁扣11，活动锁扣11与锁体的扣合操作将直线运动组件5整体压紧在固定平台7上。具体来说，活动锁扣11是通过螺钉固定在架体6的横梁中部，架体6的四个横梁中部都设置有一个活动锁扣11，保证直线运动组件5在X或Y方向时均能被快速固定；而当直线运动组件5安装在Z方向时，可通过数个螺钉直接固定到架体6的侧面上，在活动锁扣11、定位凸块12、限位块13等结构的配合下，直线运动组件5可在被固定于不同位置后，驱动运动杆9沿X、Y、Z直线方向运动，从而带动手术机器人主端3运动。

进一步的，结合图5-图8所示，直线运动组件5包括驱动电机14、底座16、移动安装块17和传动组件18，传动组件18可选择丝杆组件，丝杆组件通过其丝杠螺母固定在移动安装块17上，且丝杆组件一端通过联轴器19与驱动电机14输出轴连接，丝杆组件与底座16平行设置，且驱动电机14安装在电机安装支架15上，电机安装支架15安装在底座16上。底座16上安装有直线导轨20，直线导轨20上设有滑块21，滑块21上安装有移动安装块17。移动安装块17通过滑块21可滑动地安装在底座16上，驱动电机14驱动丝杆组件带动移动安装块17沿直线导轨20方向进行直线运动。移动安装块17上安装有运动杆9，运动杆9一端设有夹头10，夹头10端部包括基座环42和固定环43，通过该夹头10端部可拆卸地固定手术机器人主端3。设置运动杆9是为了便于伸入主端3的运动范围，而不会其他部件发生干涉，因为主端3外部通过有臂托等结构挡住。可以理解的是，运动杆9不限于直杆，也可以为弯杆或者L形杆，只有其是刚性杆且方便固定主端3即可。进一步的，所述移动安装块17上还设有限位凸部22，移动安装块17通过限位凸部22固定有一转接板23，转接板23上固定有运动杆9。之所以设置转接板23，是因为尺寸和固定孔的分布关系，如果运动杆9足够粗或者其与直线运动组件5相近的一端足够粗，则也可以取消转接板23，但这样会给驱动电机14带来压力，需要选择输出力更大的电机，成本会增加。设置了转接板23，则运动杆9就可以足够细，只要能固定且刚度满足要求。至于固定方法，具体的，运动杆9一端设有定位台阶41，通过定位台阶41将运动杆9一端固定在转接板23上，需要说明的是，为了保证在测量X和Y方向时主端运动组件1的架体6不用重新定位，则需要保证在改变直线运动组件5整体安装方向时，运动杆9的安装方向仍不变，而为了实现这一目的，通过一个固定孔正方形分布的转接板23，实现了运动杆9与直线运动组件5中的移动安装块17的固定连接。可以理解的是，移动安装块17上的固定孔如果正方形分布，则可对转接板23没有要求。而在进行测量Z方向的数据时，转接板23上设有一延伸板，延伸板垂直于丝杆组件所在水平面，运动杆9安装在延伸板上随着移动安装块17进行上下Z方向的运动。进一步的，直线运动组件5可以安装在架体6侧面外，还可以安装在固定平台7上，在固定平台7上，可以沿X轴方向安装，也可以沿Y轴方向安装，通过改变直线运动组件5的安装方向，可以控制手术机器人主端3的运动方向，从而实现国家标准中三个方向的测试。且底座16上还安装有固定座24、支撑座25和第一位移传感器26，其中，滑块21设于固定座24和支撑座25之间，丝杆组件远离驱动电机14的一端顺次穿过并固定在固定座24、移动安装块17和支撑座25上。第一位移传感器26与移动安装块17刚性连接，该第一位移传感器26优选为拉绳式位移传感器，该第一位移传感器26拉绳出线方向与直线导轨20方向平行，当移动安装块17移动时，带动拉绳一起水平移动，第一位移传感器26可以检测出拉绳移动的位移、时间等数据，并将采集数据传送给外部相应的数据采集器。

与主端运动组件1相对应的，结合图9-图11所示，从端测试组件2包括脚轮8、固定底板27、立柱28、固定部、定位块34和第二位移传感器35，从端测试组件2还包括用于锁紧手术机器人从端的固定部和支撑固定部的调整板组件，调整板组件可调整固定部的方向使调整板组件符合手术机器人从端的任意运动方向，调整板组件包括第一调整板29、第二调整板30和第三调整板31，固定部包括拉绳轴32和旋转接头33。其中，脚轮8安装在固定底板27的下端，固定底板27上竖直安装有立柱28，立柱28为型材结构，而第一调整板29和第二调整板30安装在立柱28的同一端，且第一调整板29上设有第一弧形槽口36和第一旋转基点37，第二调整板30上开设有第二弧形槽口38、第三弧形槽口40和第二旋转基点39，第一调整板29和第二调整板30固定连接，而第一调整板29和第二调整板30分别在立柱28上绕各自的弧形槽口的圆心进行自由调整安装角度。优选的，第一调整板29和第二调整板30均为L型结构，且第一调整板29和第二调整板30安装后的结构为T型，采用此结构便于能够在三个方向上调整安装位置，使得拉绳轴32的轴向能够在一定范围内任意调整。而第三调整板31通过第三弧形槽口40安装在第二调整板30的一侧面，第三调整板31绕着第三弧形槽口40的运行进行自由角度转动，且第三弧形槽口40与第二弧形槽口38位于第二调整板30的不同侧面。第三调整板31上安装有第二位移传感器35，该第二位移传感器35选择为拉绳式位移传感器，且第二位移传感器35一端刚性固定有拉绳轴32。进一步的，第三调整板31上设有定位块34，定位块34上设有定位孔，可以供拉绳轴32定位用，拉绳轴32与第二位移传感器35连接的位置放置于定位孔内，定位孔与拉绳轴32同轴心，拉绳轴32可以沿定位孔轴心抽出。拉绳轴32上设有限位孔，限位孔内设置旋转接头33，且旋转接头33通过转轴与拉绳轴32连接，并可以绕转轴转动，旋转接头33端部与手术机器人从端4可拆卸地固定连接。当手术机器人从端4移动时，会带动拉绳轴移动，进而带动第二位移传感器35的拉绳被拉出，第二位移传感器35可以检测拉绳移动的位移、时间等数据，并将采集到的数据传送给数据采集器。而通过这三个调整板和旋转接头33的安装，可以保证能够符合从端任意方向的运动。

本装置通过直线运动组件5来驱动手术机器人主端3，通过模拟人操作手术机器人主端3，当手术机器人主端3运动时，会操纵手术机器人从端4跟随运动，第二位移传感器35可以实时检测手术机器人从端4的运动位移、时间等数据，并传输给数据给数据采集器。通过对同时获取的两个位移传感器数据分析，可以获得主端设备和从端设备的启动延时数据和跟随延时数据，对X、Y、Z三个方向3个方向分别进行测试；取3个方向中各自的最大值作为启动延时的最终延时、跟随延时的最终延时，其中，根据主从设备末端位置变化，取主动设备参考点和从动设备参考点的开始运动的时间差作为启动延时；在主动设备80％运动行程内，取主动设备参考点和从动设备参考点在运动相同位移时的时间差的最大值作为跟随延时。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。