CN112212894B - 一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置及方法，其中装置包括精度测试装置、定位装置、计数装置、上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元；定位装置安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；精度测试装置和定位装置均与接口单元相连接，接口单元与控制单元相连接，磁场发生器也与控制单元相连接，控制单元与上位机相连接，精度测试装置内设置的检测装置与计数装置相连接，计数装置与上位机相连接。上述用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置及方法可快速测试电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度是否一致，提高测试的效率。
Description
技术领域
本发明涉及电磁导航技术领域，尤其涉及一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置及方法。
背景技术
电磁导航机器人的应用越来越广泛，对电磁导航机器人的前端工具的精度要求较高。目前，对电磁导航系统进行重复定位精度测试时，即测试电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度是否一致时，测试的方式主要有两种：一种是三坐标的方法，但三坐标的方法耗资很大，存在成本高和效率极低的问题。另一种是采用手动工装进行测试，该方法测试的效率也较低，而且由于引入了人工因素，往往造成误差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置及方法，以便可快速测试电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度是否一致，提高测试的效率。
为了实现上述目的，本申请的一方面提出了一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置，包括精度测试装置、定位装置、计数装置、上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元，所述上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元构成了电磁导航系统；所述定位装置安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置和定位装置均与所述接口单元相连接，所述接口单元与所述控制单元相连接，所述磁场发生器也与所述控制单元相连接，所述控制单元与所述上位机相连接，所述精度测试装置内设置的检测装置与所述计数装置相连接，所述计数装置与所述上位机相连接；其中所述精度测试装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪精度测试装置的位置信息，其还用于为定位装置提供定位用结构，所述检测装置用于检测定位装置是否移动到定位用结构；所述定位装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪定位装置的位置信息，定位装置跟随着电磁导航机器人执行电磁导航系统下发的定位指令；所述计数装置用于与检测装置配合使用，记录在测试重复定位精度的过程中，定位出现偏差的次数；其还用于与上位机进行通信。
在一些实施例中，所述精度测试装置包括主体，在所述主体上设有至少三个配准标记凹槽，所述配准标记凹槽用于放置尺寸与该配准标记凹槽相匹配的不锈钢球；在所述主体上还设有至少一个目标孔，所述目标孔即为所述定位用结构，所述主体内与每个目标孔对应的位置处均设有安装槽，所述目标孔与对应的安装槽相连通，在所述安装槽内安装有感应开关，所述感应开关即为检测装置，将每个感应开关均与所述计数装置相连接，通过控制设置在连接线路中的控制开关，使得其中一个感应开关与所述计数装置的连接线路导通，其余的感应开关作为备用，在所述主体上还安装第一位置读取装置，所述第一位置读取装置与所述接口单元相连接，所述第一位置读取装置用于与电磁导航系统配合使用，读取所述精度测试装置的位置信息。
在一些实施例中，所述定位装置包括装置本体，在所述装置本体上安装有定位针，所述定位针的直径小于所述目标孔的直径，所述装置本体上还安装有第二位置读取装置，所述第二位置读取装置与所述接口单元相连接，用于与电磁导航系统配合使用，读取所述定位装置的位置信息，所述装置本体上还设有机械臂连接装置，通过所述机械臂连接装置将所述定位装置连接到电磁导航机器人的机械臂上。
在一些实施例中，所述第一位置读取装置和第二位置读取装置的结构相同，包括底座和底座盖，所述底座和底座盖连接在一起，在所述底座中设有两个不在同一水平面的线圈槽，所述两个线圈槽之间的夹角为10～80°，每个线圈槽内均安装有电磁线圈，在底座中还设有缠绕柱，从电磁线圈引出的线圈电线在缠绕柱上进行缠绕，从设置在所述底座上的出线孔引出，所述线圈电线与插头相连接，所述插头用于连接到接口单元。
在一些实施例中，在所述底座上设有用于连接医疗器械的底座连接孔，在所述底座盖的相应位置处设有与所述底座连接孔配合使用的底座盖连接孔，当所述底座和底座盖连接在一起时，各个底座连接孔和各个底座盖连接孔一一对应，用于连接医疗器械。
在一些实施例中，所述计数装置内包括报警模块。
本申请的另一方面提出了一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法，包括以下步骤：
步骤1、将精度测试装置和定位装置放置在磁场发生器的磁场范围内；
步骤2、在精度测试装置中的配准标记凹槽处安装不锈钢球，将扫描的安装有不锈钢球的精度测试装置的CT数据导入上位机；
步骤3、将所述CT数据进行三维图像重建，在三维图像上进行路径规划，使定位针能够伸入目标孔的位置；
步骤4、进行配准及注册：包括精度测试装置的配准和定位装置的注册，其中精度测试装置的配准：选择安装有不锈钢球的配准标记凹槽作为特征点，通过图像选点的方式对精度测试装置进行配准注册，配准完成后，精度测试装置的位置信息通过第一位置读取装置传送给上位机；定位装置的注册：通过标定算法，将第二位置读取装置和处于定位装置末端的定位针的相对位姿传送给上位机；
步骤5、通过上位机发送给计数装置一个计数指令，通过上位机的控制，电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径进行移动，预期使定位针能够伸入目标孔中；当电磁导航系统的定位正确时，定位针会接触到目标孔内的感应开关，感应开关将产生感应信号并传送给计数装置，计数装置接收到此信号，复位掉上位机的计数指令，使计数装置计数不变；当电磁导航系统的定位出现偏差时，定位针则不会接触到目标孔内的感应开关，此时计数装置按照上位机的计数指令，计数增加“1”；上位机控制机械臂回归原位，准备下次测试；
步骤6、重复步骤5，直至完成预定的测试次数，记为M；当测试次数为M时，预先设定允许电磁导航系统的定位出现偏差的次数为K，当完成预定的测试次数M时，计数装置累计增加的计数值为H，当H≤K时，则认为电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度一致；当H＞K时，则认为电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度不一致。
在一些实施例中，在所述步骤5之前还设有以下步骤：将计数装置的计数清零。
在一些实施例中，在所述步骤6中还包括以下步骤：重复步骤5，当完成L次测试时，L＜M，计数装置累计增加的计数值为G，且G已经大于K，则计数装置发送停止信号至上位机，所述上位机控制电磁导航机器人停止运动。
在一些实施例中，在所述步骤6中还包括以下步骤：当计数装置累计增加的计数值为G，且G大于K时，计数装置控制报警模块发出警报。
本申请的该方案的有益效果在于上述用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置结构简单，制造成本低；通过本申请所涉及的装置及方法可快速测试电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度是否一致，提高了测试的效率，且测试结果准确率高。
附图说明
图1示出了实施例中用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置的结构示意图。
图2示出了实施例中精度测试装置的结构示意图。
图3示出了实施例中精度测试装置的局部结构示意图。
图4示出了实施例中精度测试装置的局部结构示意图。
图5示出了实施例中定位装置的结构示意图。
图6示出了实施例中位置读取装置的结构示意图。
图7示出了实施例中底座的结构示意图，其中(a)是一个角度的结构示意图，(b)是另一个角度的结构示意图。
图8示出了实施例中底座盖的结构示意图，其中(a)是一个角度的结构示意图，(b)是另一个角度的结构示意图。
附图标记：100-精度测试装置，200-定位装置，300-计数装置，400-上位机，101-配准标记凹槽，102-目标孔，103-安装柱，104-安装槽，105-第一位置读取装置，106-压紧旋钮，201-定位针，202-机械臂连接装置，203-第二位置读取装置，401-磁场发生器，402-控制单元，403-接口单元，1-底座，2-底座盖，3-线圈电线，4-插头，11-识别槽，12-第一连接孔，13-第二连接孔，14-缠绕柱，15-连接凹槽，16-出线孔，17-线圈槽，18-电磁线圈，21-第三连接孔，22-第四连接孔，23-连接凸起。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。
如图1-5所示，本申请所涉及的用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置包括精度测试装置100、定位装置200、计数装置300、上位机400、磁场发生器401、控制单元402以及接口单元403，所述上位机400、磁场发生器401、控制单元402以及接口单元403构成了电磁导航系统；所述定位装置200安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置100和定位装置200均与所述接口单元403相连接，所述接口单元403与所述控制单元402相连接，所述磁场发生器401也与所述控制单元402相连接，所述控制单元402与所述上位机400相连接，所述精度测试装置100内设置的检测装置与所述计数装置300相连接，所述计数装置300与所述上位机400相连接。
具体的，所述精度测试装置100用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪精度测试装置100的位置信息，其还用于为定位装置200提供定位用结构、以及用于检测定位装置200是否移动到定位用结构，该功能通过精度测试装置100内设置的检测装置实现。
所述定位装置200用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪定位装置200的位置信息，其安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端，定位装置200跟随着电磁导航机器人执行电磁导航系统下发的定位指令。
所述计数装置300用于与精度测试装置100中的检测装置配合使用，记录在测试重复定位精度的过程中，定位出现偏差的次数；其还用于与上位机400进行通信。
在本实施例中，所述精度测试装置100包括主体，在所述主体上设有至少三个配准标记凹槽101，所述配准标记凹槽101用于放置尺寸与该配准标记凹槽101相匹配的不锈钢球，所述不锈钢球用于配准，使得在医学图像中成像更加清晰，不锈钢球的直径为1.5至2.5毫米；在所述主体上还设有至少一个目标孔102，所述目标孔102即为所述定位用结构，所述目标孔102的直径由电磁导航系统预先设定的重复定位精度决定，例如电磁导航系统预先设定的重复定位精度为1mm，则目标孔102的直径为1mm。
所述主体内与每个目标孔102对应的位置处均设有安装槽104，所述目标孔102与对应的安装槽104相连通，在所述安装槽104内安装有感应开关，所述感应开关即为检测装置，将每个感应开关均与所述计数装置300相连接，通过控制设置在连接线路中的控制开关，使得其中一个感应开关与所述计数装置300的连接线路导通，其余的感应开关作为备用，若当前所用目标孔102出现损坏或其他不能使用的情况，则通过控制开关启用备用的目标孔进行测试。在所述主体上还安装第一位置读取装置105，所述第一位置读取装置105与所述接口单元403相连接，所述第一位置读取装置105用于与电磁导航系统配合使用，读取所述精度测试装置100的位置信息，在本实施例中，所述第一位置读取装置105通过设置在所述主体上的安装柱103安装在所述主体上，并通过压紧旋钮106固定。
所述定位装置200包括装置本体，在所述装置本体上安装有定位针201，所述定位针201的直径小于所述目标孔102的直径，所述装置本体上还安装有第二位置读取装置203，所述第二位置读取装置203与所述接口单元403相连接，用于与电磁导航系统配合使用，读取所述定位装置200的位置信息，所述装置本体上还设有机械臂连接装置202，通过所述机械臂连接装置202将所述定位装置200连接到电磁导航机器人的机械臂上。
本申请所涉及的第一位置读取装置105和第二位置读取装置203的结构相同，如图6-8所示，包括底座1和底座盖2，所述底座1和底座盖2连接在一起，在本实施例中，所述底座1上设有连接凹槽15，在所述底座盖2上设有与所述连接凹槽15配合使用的连接凸起23，将所述连接凸起23和连接凹槽15通过医用胶连接，进而将所述底座1和底座盖2连接在一起。
在所述底座1中设有两个不在同一水平面的线圈槽17，所述两个线圈槽17之间的夹角为10～80°，每个线圈槽17内均安装有电磁线圈18，所述电磁线圈18可用医用胶进行固定，在底座1中还设有缠绕柱14，从电磁线圈18引出的线圈电线3在缠绕柱14上进行缠绕，从设置在所述底座1上的出线孔16引出，所述线圈电线3与插头4相连接，所述插头4用于连接到接口单元403。
在所述底座1上设有用于连接医疗器械的底座连接孔，在本实施例中，在所述底座1上设有两个用于连接医疗器械的底座连接孔，分别记作第一连接孔12和第二连接孔13，在所述底座盖2的相应位置处设有与所述底座连接孔配合使用的底座盖连接孔，在本实施例中，在所述底座盖2上设有第三连接孔21和第四连接孔22，当所述底座1和底座盖2连接在一起时，各个底座连接孔和各个底座盖连接孔一一对应，用于连接医疗器械。
在所述底座1的外表面上还设有识别槽11，所述识别槽11用于配合手术器械尖端使用，在本实施例中，所述识别槽11所处的位置区域对应着两个线圈槽17之间的区域。在使用时，将手术器械的尖端抵在所述识别槽11处，则手术器械的尖端位置信息会传送到电磁导航系统中。
在本申请中，在具体的使用过程中，(1)将所述位置读取装置固定在具有装置固定凹槽的定位装置200的装置本体上，之后将所述位置读取装置连接接口单元403，便可以读取定位装置200的位置信息。(2)将所述位置读取装置通过连接孔连接到精度测试装置100的主体上的安装柱103上，之后将所述位置读取装置连接接口单元403，便可以读取精度测试装置100的位置信息。
在本实施例中，所述计数装置300内包括报警模块。所述报警模块可以为蜂鸣器，发出警报时蜂鸣的次数可以预设，如三次。
本申请所涉及的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法包括以下步骤：
步骤1、将精度测试装置100和定位装置200放置在磁场发生器401的磁场范围内。
步骤2、在精度测试装置100中的配准标记凹槽101处安装不锈钢球，将扫描的安装有不锈钢球的精度测试装置100的CT数据导入上位机400。
步骤3、将所述CT数据进行三维图像重建，在三维图像上进行路径规划，使定位针201能够伸入目标孔102的位置。
步骤4、进行配准及注册：包括精度测试装置100的配准和定位装置200的注册，其中精度测试装置100的配准：选择安装有不锈钢球的配准标记凹槽101作为特征点，通过图像选点的方式对精度测试装置100进行配准注册，配准完成后，精度测试装置100的位置信息通过第一位置读取装置105传送给上位机400；定位装置200的注册：通过标定算法，将第二位置读取装置203和处于定位装置200末端的定位针201的相对位姿传送给上位机400。
步骤5、通过上位机400发送给计数装置300一个计数指令，通过上位机400的控制，电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径进行移动，预期使定位针201能够伸入目标孔102中；当电磁导航系统的定位正确时，定位针201会接触到目标孔102内的感应开关，感应开关将产生感应信号并传送给计数装置300，计数装置300接收到此信号，复位掉上位机400的计数指令，使计数装置300计数不变；当电磁导航系统的定位出现偏差时，定位针201则不会接触到目标孔102内的感应开关，此时计数装置300按照上位机400的计数指令，计数增加“1”；上位机400控制机械臂回归原位，准备下次测试。
步骤6、重复步骤5，直至完成预定的测试次数M；当测试次数为M时，预先设定允许电磁导航系统的定位出现偏差的次数为K，当完成预定的测试次数M时，计数装置300累计增加的计数值为H，当H≤K时，则认为电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度一致；当H＞K时，则认为电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度不一致。
在所述步骤5之前还设有以下步骤：将计数装置300的计数清零。
在所述步骤6中还包括以下步骤：重复步骤5，当完成L次测试时，L＜M，计数装置300累计增加的计数值G已经大于K，则计数装置300发送停止信号至上位机400，所述上位机400控制电磁导航机器人停止运动。
在所述步骤6中还包括以下步骤：当计数装置300累计增加的计数值G大于K时，计数装置300控制报警模块发出警报。
如果精度测试装置100出现移动，如被操作人员碰到，电磁导航系统可自动对移动路径进行适当的调整，使定位装置200实时追踪精度测试装置100的位置。
使用本申请所涉及的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法进行100次测试，仅需20分钟。而应用传统的三坐标方法进行100次测试，需100分钟。本申请所涉及的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法可快速测试电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度是否一致，提高了测试的效率，且测试结果准确率高；且本申请所涉及的用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置结构简单，节省了大量的设备投入。
Claims (8)
1.一种用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置，其特征在于：包括精度测试装置、定位装置、计数装置、上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元，所述上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元构成了电磁导航系统；所述定位装置安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置和定位装置均与所述接口单元相连接，所述接口单元与所述控制单元相连接，所述磁场发生器也与所述控制单元相连接，所述控制单元与所述上位机相连接，所述精度测试装置内设置的检测装置与所述计数装置相连接，所述计数装置与所述上位机相连接；其中所述精度测试装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪精度测试装置的位置信息，其还用于为定位装置提供定位用结构，所述检测装置用于检测定位装置是否移动到定位用结构；所述定位装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪定位装置的位置信息，定位装置跟随着电磁导航机器人执行电磁导航系统下发的定位指令；所述计数装置用于与检测装置配合使用，记录在测试重复定位精度的过程中，定位出现偏差的次数；其还用于与上位机进行通信；其中，所述精度测试装置包括主体，在所述主体上设有至少三个配准标记凹槽，所述配准标记凹槽用于放置尺寸与该配准标记凹槽相匹配的不锈钢球；在所述主体上还设有至少一个目标孔，所述目标孔即为所述定位用结构，所述主体内与每个目标孔对应的位置处均设有安装槽，所述目标孔与对应的安装槽相连通，在所述安装槽内安装有感应开关，所述感应开关即为检测装置，将每个感应开关均与所述计数装置相连接，通过控制设置在连接线路中的控制开关，使得其中一个感应开关与所述计数装置的连接线路导通，其余的感应开关作为备用，在所述主体上还安装第一位置读取装置，所述第一位置读取装置与所述接口单元相连接，所述第一位置读取装置用于与电磁导航系统配合使用，读取所述精度测试装置的位置信息；所述定位装置包括装置本体，在所述装置本体上安装有定位针，所述定位针的直径小于所述目标孔的直径，所述装置本体上还安装有第二位置读取装置，所述第二位置读取装置与所述接口单元相连接，用于与电磁导航系统配合使用，读取所述定位装置的位置信息，所述装置本体上还设有机械臂连接装置，通过所述机械臂连接装置将所述定位装置连接到电磁导航机器人的机械臂上。
2.根据权利要求1所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置，其特征在于：所述第一位置读取装置和第二位置读取装置的结构相同，包括底座和底座盖，所述底座和底座盖连接在一起，在所述底座中设有两个不在同一水平面的线圈槽，所述两个线圈槽之间的夹角为10～80°，每个线圈槽内均安装有电磁线圈，在底座中还设有缠绕柱，从电磁线圈引出的线圈电线在缠绕柱上进行缠绕，从设置在所述底座上的出线孔引出，所述线圈电线与插头相连接，所述插头用于连接到接口单元。
3.根据权利要求2所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置，其特征在于：在所述底座上设有用于连接医疗器械的底座连接孔，在所述底座盖的相应位置处设有与所述底座连接孔配合使用的底座盖连接孔，当所述底座和底座盖连接在一起时，各个底座连接孔和各个底座盖连接孔一一对应，用于连接医疗器械。
4.根据权利要求3所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置，其特征在于：所述计数装置内包括报警模块。
5.一种基于权利要求4所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的装置的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将精度测试装置和定位装置放置在磁场发生器的磁场范围内；
步骤2、在精度测试装置中的配准标记凹槽处安装不锈钢球，将扫描的安装有不锈钢球的精度测试装置的CT数据导入上位机；
步骤3、将所述CT数据进行三维图像重建，在三维图像上进行路径规划，使定位针能够伸入目标孔的位置；
步骤4、进行配准及注册：包括精度测试装置的配准和定位装置的注册，其中精度测试装置的配准：选择安装有不锈钢球的配准标记凹槽作为特征点，通过图像选点的方式对精度测试装置进行配准注册，配准完成后，精度测试装置的位置信息通过第一位置读取装置传送给上位机；定位装置的注册：通过标定算法，将第二位置读取装置和处于定位装置末端的定位针的相对位姿传送给上位机；
步骤5、通过上位机发送给计数装置一个计数指令，通过上位机的控制，电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径进行移动，预期使定位针能够伸入目标孔中；当电磁导航系统的定位正确时，定位针会接触到目标孔内的感应开关，感应开关将产生感应信号并传送给计数装置，计数装置接收到此信号，复位掉上位机的计数指令，使计数装置计数不变；当电磁导航系统的定位出现偏差时，定位针则不会接触到目标孔内的感应开关，此时计数装置按照上位机的计数指令，计数增加“1”；上位机控制机械臂回归原位，准备下次测试；
步骤6、重复步骤5，直至完成预定的测试次数，记为M；当测试次数为M时，预先设定允许电磁导航系统的定位出现偏差的次数为K，当完成预定的测试次数M时，计数装置累计增加的计数值为H，当H≤K时，则认为电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度一致；当H＞K时，则认为电磁导航系统实际的重复定位精度与预先设定的重复定位精度不一致。
6.根据权利要求5所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法，其特征在于：在所述步骤5之前还设有以下步骤：将计数装置的计数清零。
7.根据权利要求5所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法，其特征在于：在所述步骤6中还包括以下步骤：重复步骤5，当完成L次测试时，L＜M，计数装置累计增加的计数值为G，且G已经大于K，则计数装置发送停止信号至上位机，所述上位机控制电磁导航机器人停止运动。
8.根据权利要求7所述的用于测试电磁导航系统重复定位精度的方法，其特征在于：在所述步骤6中还包括以下步骤：当计数装置累计增加的计数值为G，且G大于K时，计数装置控制报警模块发出警报。
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