基于工業(yè)機(jī)器人的超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 琦,羅 華,陳思平,周 丹

(1.深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518073; 2.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東 深圳 518122)

0 引言

超聲換能器作為醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的聲學(xué)部件，具有聲學(xué)特性和使用特性兩大特性，其中使用特性主要包括工作頻率、頻帶寬度、靈敏度、分辨率等[1-2]。超聲換能器使用特性的評(píng)估，主要是通過對(duì)脈沖回波測(cè)量數(shù)據(jù)和聲場分布特性測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)。通過測(cè)量回波信號(hào)并進(jìn)行頻域分析，得到換能器的工作頻率、頻帶寬度和靈敏度等特性參數(shù)；通過測(cè)量聲場分布特性，得到換能器的聲束寬度等信息，進(jìn)而得到換能器的分辨率等參數(shù)。對(duì)于換能器的使用特性，在產(chǎn)品預(yù)研、生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)、出廠性能檢測(cè)、故障原因追溯等流程都需要進(jìn)行測(cè)量，特性參數(shù)的測(cè)量任務(wù)十分繁重。

由于產(chǎn)品種類繁多、樣式差異較大，醫(yī)用超聲換能器的研發(fā)和制造過程還處在半自動(dòng)化，多數(shù)環(huán)節(jié)還處于人工操作階段。《中國制造2025》將制造業(yè)智能化進(jìn)程劃分為四個(gè)階段：自動(dòng)化、信息化、互聯(lián)化和智能化，目前國內(nèi)汽車、家電等行業(yè)自動(dòng)化和信息化程度已經(jīng)較高，其他3C、食品飲料、化工等行業(yè)正在加快自動(dòng)化和信息化進(jìn)程[3]。醫(yī)用超聲換能器使用特性參數(shù)的測(cè)量環(huán)節(jié)，容易進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作和效果評(píng)估，測(cè)量過程和測(cè)量技術(shù)的自動(dòng)化、智能化研究，不僅可以大幅提升研發(fā)和生產(chǎn)效率，還可以為醫(yī)用超聲換能器研發(fā)和生產(chǎn)全流程的自動(dòng)化、智能化打好基礎(chǔ)。

針對(duì)超聲換能器性能參數(shù)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)，主要圍繞著聲場分布特性的測(cè)量展開。周真祥[4]在研究超聲換能器聲束特征參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、三維聲場重建以及檢測(cè)參數(shù)圖像化表征等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套超聲換能器聲場特性自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)；董濤[5]、鄧允[6]針對(duì)聚焦超聲換能器，搭建了一套基于計(jì)算機(jī)采集與控制的聚焦聲場三維自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；翟福龍[7]針對(duì)兩個(gè)換能器組成的復(fù)雜聲場，開發(fā)出聲場自動(dòng)測(cè)量和分析系統(tǒng)；呼林濤[8]針對(duì)超聲誘導(dǎo)腦電信息采集的具體需求，將超聲探頭聲場掃描分析子系統(tǒng)、超聲腦立體定位機(jī)械手子系統(tǒng)和腦電采集保存分析子系統(tǒng)結(jié)合起來，開發(fā)出一套基于腦電深腦定位機(jī)械手的超聲誘導(dǎo)腦電信息采集分析系統(tǒng)；Zhu[9-10]等人針對(duì)活塞式換能器，搭建聲場自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)并對(duì)聲場分布進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

而對(duì)于脈沖回波的測(cè)量，通常采用半自動(dòng)甚至人工操作完成換能器輻射面和反射靶體的對(duì)位，測(cè)試效率低，不同測(cè)試人員的操作水平對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響。針對(duì)上述問題，基于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過編寫自動(dòng)對(duì)位程序，實(shí)現(xiàn)換能器位置和姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整，提高了換能器回波測(cè)量的自動(dòng)化水平；通過設(shè)置統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)則，實(shí)現(xiàn)回波測(cè)量的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。下面對(duì)超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，特別是系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵——自動(dòng)對(duì)位功能的實(shí)現(xiàn)方案和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路進(jìn)行詳細(xì)描述，對(duì)系統(tǒng)完成的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

設(shè)計(jì)的超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示，圖中單向箭頭代表發(fā)送指令，雙向箭頭代表數(shù)據(jù)互通，連線代表設(shè)備相連。

圖1 超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)包含四個(gè)功能模塊：激勵(lì)接收單元、移動(dòng)控制單元、測(cè)試環(huán)境單元和主控單元。激勵(lì)接收單元由脈沖信號(hào)源(奧林巴斯，5800)和示波器(Agilent，54622A)組成，實(shí)現(xiàn)待測(cè)換能器超聲信號(hào)的激勵(lì)、接收和采集；移動(dòng)控制單元由移動(dòng)控制箱、六軸工業(yè)機(jī)器人和換能器夾具組成，帶動(dòng)待測(cè)換能器進(jìn)行位置移動(dòng)和位姿調(diào)整；測(cè)試環(huán)境單元由水箱、反射靶和測(cè)試工作臺(tái)組成，構(gòu)建出待測(cè)換能器回波測(cè)試的測(cè)試環(huán)境；主控單元由PC機(jī)和上位機(jī)程序組成，向激勵(lì)接收單元和移動(dòng)控制單元發(fā)送指令、互傳數(shù)據(jù)，對(duì)待測(cè)換能器的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、判斷，換能器回波測(cè)試結(jié)束后生成測(cè)試報(bào)告。

在脫氣的水箱環(huán)境中，由于水質(zhì)較純、聲程較短，可以忽略水對(duì)聲脈沖的衰減；反射靶選用厚度遠(yuǎn)大于脈沖波長的可視為全發(fā)射的不銹鋼靶，因此從反射靶反射回來的第一次脈沖回波可視為換能器的發(fā)射脈沖。故通過對(duì)換能器第一次反射回波的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行時(shí)頻域分析，可得到換能器的性能參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從上一小節(jié)關(guān)于測(cè)量原理的分析可知，對(duì)第一次反射回波的采集是整個(gè)測(cè)量的關(guān)鍵。要想采集到理想的回波信號(hào)，在采集之前需要調(diào)整換能器的位置和姿態(tài)，使其與反射靶處于最佳匹配位置，通過程序控制實(shí)現(xiàn)的換能器位置和姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整稱為換能器的自動(dòng)對(duì)位。自動(dòng)對(duì)位的快慢決定了換能器回波測(cè)量的效率，自動(dòng)對(duì)位的標(biāo)準(zhǔn)決定了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。因此，自動(dòng)對(duì)位功能的實(shí)現(xiàn)是換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵，系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì)主要圍繞著該功能的實(shí)現(xiàn)展開，主要包括滿足測(cè)量精度及測(cè)量效率需求的移動(dòng)控制部件的選擇和功能的二次開發(fā)。

對(duì)于回波測(cè)量中常用的步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)控制系統(tǒng)，每個(gè)自由度獨(dú)立運(yùn)作，自動(dòng)對(duì)位效率較低。由于系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心固定在控制器的安裝節(jié)點(diǎn)處(如圖2中P點(diǎn)所示)，在將換能器和反射靶進(jìn)行匹配位置調(diào)整時(shí)，換能器的較小姿態(tài)調(diào)整需要通過移動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的較大范圍實(shí)現(xiàn)，且在調(diào)整單一自由度時(shí)會(huì)引起其他自由度的變化，進(jìn)而需要不同自由度經(jīng)過多次循環(huán)調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)理想測(cè)量位置的定位。

圖2 基于步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置

選用六軸工業(yè)機(jī)器人作為移動(dòng)控制部件，其移動(dòng)范圍更廣，±0.015 mm的重復(fù)定位精度可滿足回波測(cè)量的需求，最為關(guān)鍵的是具有任意設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心的特點(diǎn)，如圖3所示，旋轉(zhuǎn)中心可設(shè)置在待測(cè)換能器的中心位置。對(duì)于換能器姿態(tài)的調(diào)整，在設(shè)置合適的旋轉(zhuǎn)中心后，工業(yè)機(jī)器人的六個(gè)自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)，控制換能器繞旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行位姿掃描，所需掃描范圍更小，且不會(huì)引起其他自由度的移動(dòng)，可以大幅提升自動(dòng)對(duì)位效率。

圖3 基于工業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)軟件基于Matlab 2016b版本中的GUI模塊開發(fā)，通過代碼在界面上設(shè)計(jì)不同的控件，編寫相應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能?？丶奈恢?、尺寸、顏色等均可通過代碼進(jìn)行修改，響應(yīng)函數(shù)可在系統(tǒng)中任意調(diào)用。測(cè)量系統(tǒng)軟件主要包括三個(gè)模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、自動(dòng)對(duì)位模塊和回波測(cè)量模塊，通過Matlab的‘面板’控件實(shí)現(xiàn)頁面的共用，可通過增加頁面拓展軟件的功能，當(dāng)切換到某一模塊時(shí)，對(duì)應(yīng)按鈕的背景色變成綠色、共用頁面顯示當(dāng)前模塊的內(nèi)容，下面對(duì)三個(gè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。

3.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置頁面如圖4所示，包括四個(gè)部分：測(cè)試設(shè)置、示波器設(shè)置、信號(hào)源設(shè)置和機(jī)械臂設(shè)置，實(shí)現(xiàn)的功能包括測(cè)試和設(shè)備參數(shù)信息的顯示和輸入、測(cè)試設(shè)備與PC主控程序的連通和斷開、測(cè)試設(shè)備控制與數(shù)據(jù)交互。其中提示信息用文本框顯示，配置參數(shù)用文本編輯框顯示并可進(jìn)行信息輸入，交互功能用按鈕實(shí)現(xiàn)，按鈕的字體顏色為藍(lán)色，單擊按鈕執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能。

圖4 參數(shù)設(shè)置頁面

針對(duì)每一型號(hào)的換能器，在調(diào)試階段根據(jù)機(jī)械臂、夾具和反射靶的相對(duì)位置、回波信號(hào)的到時(shí)和幅度等確定測(cè)試設(shè)置參數(shù)和三個(gè)測(cè)試設(shè)備的配置參數(shù)，顯示在參數(shù)設(shè)置頁面并保存成測(cè)試配置文件。在進(jìn)行特定型號(hào)換能器回波測(cè)量時(shí)，單擊換能器型號(hào)下拉框，選擇待測(cè)換能器型號(hào)時(shí)自動(dòng)加載測(cè)試配置信息。

3.2 自動(dòng)對(duì)位

對(duì)于超聲換能器的自動(dòng)對(duì)位，使用平面反射靶獲取反射回波，只需對(duì)Z軸的位置、TX(Elevation)軸和TY(Azimuthal)軸的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。Z軸位置的調(diào)整相對(duì)簡單，利用回波到達(dá)時(shí)間，比較待測(cè)換能器中心所在深度與目標(biāo)測(cè)試深度的差異，將待測(cè)換能器沿Z軸移至目標(biāo)測(cè)試深度即可。

對(duì)于TX(Elevation)軸和TY(Azimuthal)軸位姿的調(diào)整，涉及到旋轉(zhuǎn)自由度最佳測(cè)量姿態(tài)的確定，可通過峰值位置查找算法和旋轉(zhuǎn)自由度單軸自動(dòng)對(duì)位算法實(shí)現(xiàn)。峰值位置查找算法的設(shè)計(jì)思路如下：以換能器輻射面的中心為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)中心，在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，采集不同位置的回波信號(hào)，取回波峰峰值為對(duì)位參考量，在掃描結(jié)束后對(duì)參考量進(jìn)行擬合，找出精準(zhǔn)的峰值位置，算法流程圖如圖5所示。對(duì)于旋轉(zhuǎn)自由度單軸自動(dòng)對(duì)位，以旋轉(zhuǎn)掃描的峰值位置絕對(duì)值作為判斷對(duì)位是否完成的依據(jù)，算法設(shè)計(jì)思路如下：將首次掃描得到的峰值位置賦值給Lp1，再次進(jìn)行峰值位置查找，找出新的峰值位置，賦值給Lp2，若| Lp2|小于四分之一掃描步長，則掃描結(jié)束；若|Lp2|大于四分之一掃描步長，則重復(fù)上述峰值位置查找和移動(dòng)過程，直至| Lp2|小于四分之一掃描步長為止，算法流程圖如圖6所示。

圖5 峰值位置查找算法流程圖

圖6 旋轉(zhuǎn)自由度單軸自動(dòng)對(duì)位算法流程圖

自動(dòng)對(duì)位頁面如圖7所示，通過添加GUI顯示控件，將自動(dòng)對(duì)位過程中逐點(diǎn)采集的回波波形顯示在界面左側(cè)上方坐標(biāo)軸上，掃描結(jié)束后將對(duì)位參考量及擬合值顯示在界面左側(cè)下方坐標(biāo)軸上，參考量曲線如圖中粉紅色帶有凹陷的曲線所示，擬合值如圖中紅色光滑曲線所示，擬合曲線最大值所在位置即為唯一確定的峰值點(diǎn)。

圖7 自動(dòng)對(duì)位頁面

單擊超聲換能器自動(dòng)對(duì)位按鈕，程序首先調(diào)用移至測(cè)試深度按鈕，將換能器移至目標(biāo)測(cè)試深度位置；隨后調(diào)用Azimuthal軸對(duì)位按鈕，選取Azimuthal軸為峰值位置查找目標(biāo)坐標(biāo)軸，調(diào)用峰值位置查找算法和旋轉(zhuǎn)自由度單軸自動(dòng)對(duì)位算法，完成Azimuthal軸最佳測(cè)量位姿的調(diào)整；接著調(diào)用Elevation軸對(duì)位按鈕，選取Elevation軸為峰值位置查找目標(biāo)坐標(biāo)軸，調(diào)用峰值位置查找算法和旋轉(zhuǎn)自由度單軸自動(dòng)對(duì)位算法，完成Elevation軸最佳測(cè)量位姿的調(diào)整；最后，再次調(diào)用移至測(cè)試深度按鈕，完成待測(cè)換能器的自動(dòng)對(duì)位。

3.3 回波測(cè)量

在完成換能器自動(dòng)對(duì)位后，即可進(jìn)行回波采集與分析，回波測(cè)量頁面如圖8所示。單擊采集回波信號(hào)按鈕，程序?qū)⑹静ㄆ鞑杉降幕夭〞r(shí)域波形傳輸?shù)絇C主控程序，繪制在左側(cè)坐標(biāo)軸上；對(duì)回波做傅里葉分析，將頻譜繪制在右側(cè)坐標(biāo)軸上；對(duì)時(shí)域和頻域信息進(jìn)行處理，將性能參數(shù)如峰峰值、靈敏度、回波到時(shí)、-6 dB和-20 dB中心頻率和相對(duì)帶寬等性能參數(shù)顯示在坐標(biāo)軸下方的文本框上。單擊保存回波信號(hào)按鈕，將波形數(shù)據(jù)保存到Excel表中；單擊生成測(cè)試報(bào)告按鈕，生成包括換能器信息和測(cè)試信息、時(shí)域波形、時(shí)頻域信息的測(cè)試報(bào)告。

圖8 回波測(cè)量頁面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行換能器回波測(cè)量時(shí)，首先單擊換能器型號(hào)下拉框按鈕，選擇待測(cè)換能器型號(hào)，程序自動(dòng)加載對(duì)應(yīng)換能器的測(cè)試和設(shè)備參數(shù)，并顯示在對(duì)應(yīng)文本框中；隨后填寫待測(cè)換能器的序列號(hào)，單擊測(cè)試設(shè)置頁面左下角的自動(dòng)測(cè)量按鈕，程序控制機(jī)械臂帶動(dòng)待測(cè)換能器移動(dòng)至初測(cè)位置，調(diào)用換能器自動(dòng)對(duì)位按鈕，順序完成Z軸、Azimuthal軸和Elevation軸位姿調(diào)整；最后，程序調(diào)用采集回波信號(hào)按鈕和生成測(cè)試報(bào)告按鈕，完成待測(cè)換能器回波的自動(dòng)測(cè)量。

在換能器回波測(cè)量中，靈敏度是最為關(guān)注的性能指標(biāo)之一。為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的一致性，針對(duì)同一把超聲換能器，在不同時(shí)刻、由不同人進(jìn)行測(cè)量，得到20次回波自動(dòng)測(cè)量的靈敏度數(shù)據(jù)，繪制得到回波靈敏度變化曲線，如圖9所示，可以看到靈敏度的變化相對(duì)平緩。為了定量表征測(cè)試結(jié)果的一致性，采用偏移系數(shù)CV(Coeeficient of Variable)進(jìn)行描述：

CV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值*100%

(1)

對(duì)20個(gè)靈敏度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到回波靈敏度的偏移系數(shù)為0.18%，可以看出，對(duì)于換能器關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)量，本文設(shè)計(jì)的超聲換能器回波測(cè)量系統(tǒng)有很好的一致性。

圖9 換能器回波靈敏度多次測(cè)量的變化曲線

5 結(jié)束語

本文基于六自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套超聲換能器回波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和自動(dòng)對(duì)位功能實(shí)現(xiàn)方案，在Matlab環(huán)境中開發(fā)了完整的測(cè)試參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)對(duì)位和回波采集與處理程序。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，通過編寫統(tǒng)一的自動(dòng)對(duì)位算法程序，可以避免測(cè)試人員的主觀判斷對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。本文的研究成果為醫(yī)用超聲換能器研發(fā)生產(chǎn)全流程的智能制造打下了良好的基礎(chǔ)，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入探索。