基于工業機器人的超聲換能器回波自動測量系統設計

馬 琦,羅 華,陳思平,周 丹

(1.深圳大學 醫學部生物醫學工程學院 醫學超聲關鍵技術國家地方聯合工程實驗室，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

超聲換能器作為醫學超聲成像系統中最為關鍵的聲學部件，具有聲學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估，主要是通過對脈沖回波測量數據和聲場分布特性測量數據進行處理來實現。通過測量回波信號并進行頻域分析，得到換能器的工作頻率、頻帶寬度和靈敏度等特性參數；通過測量聲場分布特性，得到換能器的聲束寬度等信息，進而得到換能器的分辨率等參數。對于換能器的使用特性，在產品預研、生產過程監測、出廠性能檢測、故障原因追溯等流程都需要進行測量，特性參數的測量任務十分繁重。

由于產品種類繁多、樣式差異較大，醫用超聲換能器的研發和制造過程還處在半自動化，多數環節還處于人工操作階段。《中國制造2025》將制造業智能化進程劃分為四個階段：自動化、信息化、互聯化和智能化，目前國內汽車、家電等行業自動化和信息化程度已經較高，其他3C、食品飲料、化工等行業正在加快自動化和信息化進程[3]。醫用超聲換能器使用特性參數的測量環節，容易進行標準化操作和效果評估，測量過程和測量技術的自動化、智能化研究，不僅可以大幅提升研發和生產效率，還可以為醫用超聲換能器研發和生產全流程的自動化、智能化打好基礎。

針對超聲換能器性能參數自動化測量系統的開發，主要圍繞著聲場分布特性的測量展開。周真祥[4]在研究超聲換能器聲束特征參數自動檢測、三維聲場重建以及檢測參數圖像化表征等關鍵技術的基礎上，開發了一套超聲換能器聲場特性自動化檢測系統；董濤[5]、鄧允[6]針對聚焦超聲換能器，搭建了一套基于計算機采集與控制的聚焦聲場三維自動檢測系統；翟福龍[7]針對兩個換能器組成的復雜聲場，開發出聲場自動測量和分析系統；呼林濤[8]針對超聲誘導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、超聲腦立體定位機械手子系統和腦電采集保存分析子系統結合起來，開發出一套基于腦電深腦定位機械手的超聲誘導腦電信息采集分析系統；Zhu[9-10]等人針對活塞式換能器，搭建聲場自動測量系統并對聲場分布進行可視化呈現。

而對于脈沖回波的測量，通常采用半自動甚至人工操作完成換能器輻射面和反射靶體的對位，測試效率低，不同測試人員的操作水平對測試結果有很大影響。針對上述問題，基于工業機器人設計了一套超聲換能器回波自動測量系統，通過編寫自動對位程序，實現換能器位置和姿態的自動調整，提高了換能器回波測量的自動化水平；通過設置統一的測試規則，實現回波測量的可重復性和可再現性，保證測量結果的準確性和一致性。下面對超聲換能器回波自動測量系統的設計思路，特別是系統構建的關鍵——自動對位功能的實現方案和系統軟件設計思路進行詳細描述，對系統完成的測試結果進行分析。

1 系統結構及原理

設計的超聲換能器回波自動測量系統框圖如圖1所示，圖中單向箭頭代表發送指令，雙向箭頭代表數據互通，連線代表設備相連。

圖1 超聲換能器回波自動測量系統框圖

該系統包含四個功能模塊：激勵接收單元、移動控制單元、測試環境單元和主控單元。激勵接收單元由脈沖信號源(奧林巴斯，5800)和示波器(Agilent，54622A)組成，實現待測換能器超聲信號的激勵、接收和采集；移動控制單元由移動控制箱、六軸工業機器人和換能器夾具組成，帶動待測換能器進行位置移動和位姿調整；測試環境單元由水箱、反射靶和測試工作臺組成，構建出待測換能器回波測試的測試環境；主控單元由PC機和上位機程序組成，向激勵接收單元和移動控制單元發送指令、互傳數據，對待測換能器的回波信號進行數據讀取、判斷，換能器回波測試結束后生成測試報告。

在脫氣的水箱環境中，由于水質較純、聲程較短，可以忽略水對聲脈沖的衰減；反射靶選用厚度遠大于脈沖波長的可視為全發射的不銹鋼靶，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射脈沖。故通過對換能器第一次反射回波的數據進行采集并進行時頻域分析，可得到換能器的性能參數。

2 系統硬件設計

從上一小節關于測量原理的分析可知，對第一次反射回波的采集是整個測量的關鍵。要想采集到理想的回波信號，在采集之前需要調整換能器的位置和姿態，使其與反射靶處于最佳匹配位置，通過程序控制實現的換能器位置和姿態的自動調整稱為換能器的自動對位。自動對位的快慢決定了換能器回波測量的效率，自動對位的標準決定了測量結果的準確性和一致性。因此，自動對位功能的實現是換能器回波自動測量系統構建的關鍵，系統硬件方面的設計主要圍繞著該功能的實現展開，主要包括滿足測量精度及測量效率需求的移動控制部件的選擇和功能的二次開發。

對于回波測量中常用的步進電機移動控制系統，每個自由度獨立運作，自動對位效率較低。由于系統的旋轉中心固定在控制器的安裝節點處(如圖2中P點所示)，在將換能器和反射靶進行匹配位置調整時，換能器的較小姿態調整需要通過移動旋轉軸的較大范圍實現，且在調整單一自由度時會引起其他自由度的變化，進而需要不同自由度經過多次循環調整才能實現理想測量位置的定位。

圖2 基于步進電機的移動控制系統旋轉中心設置

選用六軸工業機器人作為移動控制部件，其移動范圍更廣，±0.015 mm的重復定位精度可滿足回波測量的需求，最為關鍵的是具有任意設置旋轉中心的特點，如圖3所示，旋轉中心可設置在待測換能器的中心位置。對于換能器姿態的調整，在設置合適的旋轉中心后，工業機器人的六個自由度同時運動，控制換能器繞旋轉中心進行位姿掃描，所需掃描范圍更小，且不會引起其他自由度的移動，可以大幅提升自動對位效率。

圖3 基于工業機器人的移動控制系統旋轉中心設置

3 系統軟件設計

測量系統軟件基于Matlab 2016b版本中的GUI模塊開發，通過代碼在界面上設計不同的控件，編寫相應的響應函數實現所設計的功能。控件的位置、尺寸、顏色等均可通過代碼進行修改，響應函數可在系統中任意調用。測量系統軟件主要包括三個模塊：參數設置模塊、自動對位模塊和回波測量模塊，通過Matlab的‘面板’控件實現頁面的共用，可通過增加頁面拓展軟件的功能，當切換到某一模塊時，對應按鈕的背景色變成綠色、共用頁面顯示當前模塊的內容，下面對三個模塊的詳細設計分別進行介紹。

3.1 參數設置

參數設置頁面如圖4所示，包括四個部分：測試設置、示波器設置、信號源設置和機械臂設置，實現的功能包括測試和設備參數信息的顯示和輸入、測試設備與PC主控程序的連通和斷開、測試設備控制與數據交互。其中提示信息用文本框顯示，配置參數用文本編輯框顯示并可進行信息輸入，交互功能用按鈕實現，按鈕的字體顏色為藍色，單擊按鈕執行對應的功能。

圖4 參數設置頁面

針對每一型號的換能器，在調試階段根據機械臂、夾具和反射靶的相對位置、回波信號的到時和幅度等確定測試設置參數和三個測試設備的配置參數，顯示在參數設置頁面并保存成測試配置文件。在進行特定型號換能器回波測量時，單擊換能器型號下拉框，選擇待測換能器型號時自動加載測試配置信息。

3.2 自動對位

對于超聲換能器的自動對位，使用平面反射靶獲取反射回波，只需對Z軸的位置、TX(Elevation)軸和TY(Azimuthal)軸的姿態進行調整。Z軸位置的調整相對簡單，利用回波到達時間，比較待測換能器中心所在深度與目標測試深度的差異，將待測換能器沿Z軸移至目標測試深度即可。

對于TX(Elevation)軸和TY(Azimuthal)軸位姿的調整，涉及到旋轉自由度最佳測量姿態的確定，可通過峰值位置查找算法和旋轉自由度單軸自動對位算法實現。峰值位置查找算法的設計思路如下：以換能器輻射面的中心為機械臂旋轉中心，在一定角度范圍內進行掃描，采集不同位置的回波信號，取回波峰峰值為對位參考量，在掃描結束后對參考量進行擬合，找出精準的峰值位置，算法流程圖如圖5所示。對于旋轉自由度單軸自動對位，以旋轉掃描的峰值位置絕對值作為判斷對位是否完成的依據，算法設計思路如下：將首次掃描得到的峰值位置賦值給Lp1，再次進行峰值位置查找，找出新的峰值位置，賦值給Lp2，若| Lp2|小于四分之一掃描步長，則掃描結束；若|Lp2|大于四分之一掃描步長，則重復上述峰值位置查找和移動過程，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 旋轉自由度單軸自動對位算法流程圖

自動對位頁面如圖7所示，通過添加GUI顯示控件，將自動對位過程中逐點采集的回波波形顯示在界面左側上方坐標軸上，掃描結束后將對位參考量及擬合值顯示在界面左側下方坐標軸上，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。

圖7 自動對位頁面

單擊超聲換能器自動對位按鈕，程序首先調用移至測試深度按鈕，將換能器移至目標測試深度位置；隨后調用Azimuthal軸對位按鈕，選取Azimuthal軸為峰值位置查找目標坐標軸，調用峰值位置查找算法和旋轉自由度單軸自動對位算法，完成Azimuthal軸最佳測量位姿的調整；接著調用Elevation軸對位按鈕，選取Elevation軸為峰值位置查找目標坐標軸，調用峰值位置查找算法和旋轉自由度單軸自動對位算法，完成Elevation軸最佳測量位姿的調整；最后，再次調用移至測試深度按鈕，完成待測換能器的自動對位。

3.3 回波測量

在完成換能器自動對位后，即可進行回波采集與分析，回波測量頁面如圖8所示。單擊采集回波信號按鈕，程序將示波器采集到的回波時域波形傳輸到PC主控程序，繪制在左側坐標軸上；對回波做傅里葉分析，將頻譜繪制在右側坐標軸上；對時域和頻域信息進行處理，將性能參數如峰峰值、靈敏度、回波到時、-6 dB和-20 dB中心頻率和相對帶寬等性能參數顯示在坐標軸下方的文本框上。單擊保存回波信號按鈕，將波形數據保存到Excel表中；單擊生成測試報告按鈕，生成包括換能器信息和測試信息、時域波形、時頻域信息的測試報告。

圖8 回波測量頁面

4 實驗結果與分析

在進行換能器回波測量時，首先單擊換能器型號下拉框按鈕，選擇待測換能器型號，程序自動加載對應換能器的測試和設備參數，并顯示在對應文本框中；隨后填寫待測換能器的序列號，單擊測試設置頁面左下角的自動測量按鈕，程序控制機械臂帶動待測換能器移動至初測位置，調用換能器自動對位按鈕，順序完成Z軸、Azimuthal軸和Elevation軸位姿調整；最后，程序調用采集回波信號按鈕和生成測試報告按鈕，完成待測換能器回波的自動測量。

在換能器回波測量中，靈敏度是最為關注的性能指標之一。為了檢驗設計的超聲換能器回波自動測量系統測試結果的一致性，針對同一把超聲換能器，在不同時刻、由不同人進行測量，得到20次回波自動測量的靈敏度數據，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平緩。為了定量表征測試結果的一致性，采用偏移系數CV(Coeeficient of Variable)進行描述：

CV=標準差/平均值*100%

(1)

對20個靈敏度數據進行處理，得到回波靈敏度的偏移系數為0.18%，可以看出，對于換能器關鍵指標的測量，本文設計的超聲換能器回波測量系統有很好的一致性。

圖9 換能器回波靈敏度多次測量的變化曲線

5 結束語

本文基于六自由度工業機器人設計了一套超聲換能器回波自動測量系統，詳細闡述了系統設計思路和自動對位功能實現方案，在Matlab環境中開發了完整的測試參數設置、自動對位和回波采集與處理程序。實際測試結果表明，通過編寫統一的自動對位算法程序，可以避免測試人員的主觀判斷對測試結果的影響，保證了測試結果的準確性和一致性。本文的研究成果為醫用超聲換能器研發生產全流程的智能制造打下了良好的基礎，對于工業機器人在精密測量領域的應用進行了深入探索。