CN109806003A - 执行杆、采用该执行杆的手术机器人及机器人定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种执行杆及采用该执行杆的手术机器人、以及该手术机器人的定位方法，以实现手术机器人的快速、准确定位。本发明的执行杆上设有定位传感器，所述定位传感器为埋设于执行杆内的磁定位传感器，磁定位传感器的信号线与设置于执行杆表面的环状金属触点连接。本发明的手术机器人结构如下：包括机械臂基座、机械臂、安装于机械臂上的末端执行机构，所述末端执行机构由套筒及所述执行杆构成，所述套筒与机械臂末端固定连接，所述执行杆可转动地穿设于套筒上，执行杆的一端安装有执行件，另一端与固定于套筒上的驱动机构连接；所述套筒的内壁在对应金属触点的位置设有电刷；所述手术机器人还包括用于与磁定位传感器配合的磁场发生装置。

Description

执行杆、采用该执行杆的手术机器人及机器人定位方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及到一种执行杆及采用该执行杆的手术机器人、以及该手术机器人的定位方法。

背景技术

下面以髋关节置换手术为例，说明目前手术机器人所存在的定位问题。

在传统的髋关节置换手术中，医生首先要使用磨削设备对病灶部位进行打磨，然后安装对应型号的假体。近年来，医生越来越多借助关节置换手术机器人实施手术，以提升打磨及安装的精度和效率。手术机器人的末端执行机构的定位精度是影响手术质量的最重要因素。

目前，如图1所示，髋关节机器人的执行机构末端(3)的定位依赖机械臂(2)内置的定位功能。机械臂(2)可以实时获取臂末端的精准坐标，再通过计算臂末端坐标与执行机构末端(3)坐标系的空间映射关系来获取执行机构末端(3)的位置及姿态。上述髋关节机器人的执行机构末端(3)的定位方法存在下述缺点：1、工件使用磨损会降低定位精度；执行杆(6)结构会放大执行机构末端(3)的定位误差；执行杆(6)与套筒(7)必须保持相对静止；需要额外的标定操作，才能获得执行机构末端(3)的位置和姿态。

发明内容

本发明的目的是提出一种执行杆及采用该执行杆的手术机器人、以及该手术机器人的定位方法，以实现手术机器人的快速、准确定位。

本发明的执行杆的关键在于所述执行杆的杆身上设有定位传感器，以用于探测执行杆的坐标及姿态角等信息。上述定位传感器可以为光学传感器等。

进一步地，本发明的执行杆结构如下：所述定位传感器为埋设于执行杆内的磁定位传感器，磁定位传感器的信号线与设置于执行杆表面的环状金属触点连接。具体来说，所述执行杆由第一杆体、第二杆体连接而成；第一杆体、第二杆体的相接处设有用于放置磁定位传感器的容置腔体，所述执行杆内设有连通容置腔体与金属触点的导线通道。将执行杆设计为分体结构，并在两个分体杆体的相接面处设置容置腔体，有利于将磁定位传感器更方便地埋入到执行杆内，且更方便维修或者更换磁定位传感器。

进一步地，所述金属触点有两个并呈环状，两个金属触点分别位于执行杆的不同横截面上，以满足磁定位传感器的信号传输需求。

本发明提出的采用上述的执行杆的手术机器人结构如下：包括机械臂基座、机械臂、安装于机械臂上的末端执行机构，关键在于所述末端执行机构由套筒及所述执行杆构成，所述套筒与机械臂末端固定连接，所述执行杆可转动地穿设于套筒上，执行杆的一端安装有执行件，另一端与固定于套筒上的驱动机构连接；所述套筒的内壁在对应金属触点的位置设有电刷；所述手术机器人还包括用于与磁定位传感器配合的磁场发生装置。

上述执行杆与套筒的配合可参考传统髋关节机器人的末端执行机构，即套筒设有轴向限位结构，在确保执行杆能够在驱动机构带动下相对套筒转动的同时，避免执行杆相对于套筒发生轴向移动。执行件随执行杆同步转动，进行手术操作，而磁定位传感器及执行杆都处于磁场发生装置产生的磁场内，通过磁定位传感器的信号，即可精确获知磁定位传感器的坐标及姿态角，从而计算出执行件的坐标及姿态角，实现手术机器人的执行机构末端(即执行件)的定位。由于本发明中的定位传感器与执行件的距离非常近，因此在定位传感器精度一致的情况下，也会获得比传统机器人更为精确的执行件定位结果。上述执行件可以为球形磨钻或骨髓钻等，以满足不同手术的需要。

上手术机器人的定位方法如下：在手术时开启磁场发生装置，利用磁定位传感器来探测执行件的坐标及姿态角，具体包括如下步骤：

A、测量出磁定位传感器朝向执行杆端点C与执行件中心A点的偏移量d；

B、通过磁定位传感器的信号实时获知磁定位传感器的坐标S_sensor和姿态角

q_sensor，其中：

S_sensor＝(x_c，y_c，z_c)·

q_sensor＝q_i*i+q_j*j+q_k*k+q_w；

(x_c，y_c，z_c)分别表示传感器尖端在磁场坐标系中对应于X、y、Z轴的坐标且i²＝j²＝k²＝-1，那么磁定位传感器的旋转矩阵R表示为：

而磁定位传感器坐标系到磁场坐标系的转换矩阵M表示为：

根据磁定位传感器的旋转矩阵R以及所述转换矩阵M，得到执行件中心A点坐标如下：

所述执行件中心A点的姿态角与磁定位传感器中心点C的姿态角相同。

本发明通过在手术机器人末端执行机构的执行杆上安装定位传感器，可以直接、方便、实时地追踪执行杆的坐标及姿态，并通过独特的方法来精确地推算出执行件的坐标及姿态，从而为手术提高可靠精确的参考，可以用于髋关节手术等。

附图说明

图1是现有髋关节机器人的结构示意图。

图2是本发明的髋关节机器人的结构示意图。

图3是实施例1中执行杆的结构示意图。

图4是实施例1中套筒与执行杆的装配示意图。

图5是实施例1中套筒内部结构示意图。

图6是实施例1中执行件定位原理示意图。

图7是实施例1中第一杆体与第二杆体的连接结构示意图。

附图标示：1、机械臂基座；2、机械臂；3、执行机构末端；4、末端执行机构；5、把手；6、执行杆；61、第一杆体；62、第二杆体；63、钻机锁扣；64、导线盲孔；65、轴承；66、金属触点；67、磨钻锁扣；68、容置腔体；69、磁定位传感器；7、套筒；71、电刷；8、执行件；9、机械臂末端；10、磁场发生装置；11、患者髋骨；12、磁场区域；13、导线；14、底座；15、自锁紧钻夹；16、小臂支撑块；17、第一金属连接件；171、第一螺孔；172、凸部；18、第二金属连接件；181、第二螺孔；182、凹部；19、螺栓。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例提出了一种执行杆及采用该执行杆的手术机器人、以及该手术机器人的定位方法，以实现手术机器人的快速、准确定位。

如图3所示，本实施例的执行杆6由第一杆体61、第二杆体62连接而成；第一杆体61的一端设有钻机锁扣63，另一端的端面设有用于容置导线的导线盲孔64，所述导线盲孔64的内侧端与垂直于第一杆体61轴向的触点通道相通，所述触点通道通往第一杆体61表面，第一杆体61的表面在触点通道处设有环形金属触点66；第二杆体62的一端设有磨钻锁扣67，另一端的端面设有盲孔状的容置腔体68；所述导线盲孔64与容置腔体68正对且相接；容置腔体68内放置有磁定位传感器69，磁定位传感器69的导线13经过触点通道与金属触点66相接。在本实施例中，两个金属触点66有两个，并分别位于执行杆6的不同横截面上，以满足磁定位传感器69的信号传输需求。

上述第一杆体61、第二杆体62可以在安装完导线及磁定位传感器69后，通过焊接、卡扣等形式固定连接在一起。在本实施例中，第一杆体61的端部烧结固定有第一金属连接件17，第二杆体62的端部烧结固定有第二金属连接件18，第一金属连接件17的端部设有突出的凸部172，凸部172上设有垂直于执行杆6轴向的第一螺孔171，第二金属连接件18的端部设有供所述凸部172伸入的凹部182，并在凹部182的两侧设有垂直于执行杆6轴向的第二螺孔181，第一金属连接件17、第二金属连接件18通过穿过第一螺孔171、第二螺孔181的螺栓19连接；当然，凸部172及凹部182处均设有供磁定位传感器69的导线穿过的通孔。

本实施例的执行杆6是由氧化铝陶瓷材料烧制而成的，氧化铝陶瓷材料具有耐高温、硬度高、重量轻、环保绝缘的优点，不仅易于实现产品结构，同时不会产生电磁屏蔽。当然，出于成本考虑，上述执行杆6的材料也可以更换为塑料材质。

第一杆体61的杆身上安装有轴承65，轴承65的外表面设有环形凹槽，在自锁紧钻夹15夹紧第一杆体61的过程中，自锁紧钻夹15的金属爪会逐渐咬合轴承65的凹槽，防止执行杆6沿套筒7的轴向滑动。轴承65的使用，一方面避免金属夹具直接作用于陶瓷材质的执行杆6表面，起到保护执行杆6的作用；另一方面，保证了执行杆6在自锁紧夹具紧固状态下的自由转动。

如图2、4、5所示，采用上述的执行杆6的手术机器人结构如下：包括机械臂基座1、机械臂2、安装于机械臂2上的末端执行机构4，末端执行机构4由套筒7及所述执行杆6构成，所述套筒7通过把手5及底座14与机械臂末端9固定连接，所述执行杆6可转动地穿设于套筒7上，执行杆6的一端安装有执行件8，另一端与固定于套筒7上的驱动机构连接(图中未画出驱动机构)。

筒体7的末端安装有自锁紧钻夹15，该自锁紧钻夹15为标准件，其结构和设计不再赘述。通过自锁紧钻夹15的开合能够灵活安装及拆卸执行杆6。在闭合状态下，防止执行杆6意外滑动，且不影响执行杆6自由转动。套筒7的筒身内壁安装两个电刷71。当执行杆6安装固定以后，两个电刷71与执行杆6上的两个环形金属触点66分别接触，以保证在执行杆6转动时，磁定位传感器68的电信号能够经过导线13传递到接收终端。套筒7的末端一侧设有小臂支撑块16，小臂支撑块16在背离套筒7的一侧有凹槽，当操作员握持套筒把手5时，小臂可以倚在该凹槽上，因此，小臂支撑可以提供额外受力点，方便手术操作。

所述手术机器人还包括用于与磁定位传感器69配合的磁场发生装置10。第一杆体61通过钻机锁扣63与驱动机构(本实施例中的驱动机构为钻机)连接，第二杆体62通过磨钻锁扣67与执行件8(本实施例中的执行件8为球形磨钻)连接。

机械臂基座1负责承载机械臂2及末端执行机构4，在手术过程中保持静止；机械臂2为协作式机械臂2，操作者通过把手5施加外力，从而移动机械臂2及执行机构；套筒7用于锁定和更换手术器械，包括执行杆6；驱动机构通过执行杆6将扭矩施加到执行件8，驱动执行件8工作。环形金属触点66在执行杆6高速转动的条件下，仍然可以保证与套筒7电刷71的可靠连接，从而保证磁定位传感器69信号的无损传导。

在手术过程中，医生利用把手5来控制套筒7及执行杆6的移动，执行杆6在驱动机构的带动下转动，执行件8随执行杆6同步转动，进行手术操作，而磁定位传感器69及执行杆6都处于磁场发生装置10产生的磁场区域12内，通过磁定位传感器69的信号，即可精确获知磁定位传感器69的坐标及姿态角，从而计算出执行件8的坐标及姿态角，实现手术机器人的执行机构末端3(即执行件8)的定位。

如图4所示，上述手术机器人的定位方法如下：在手术时开启磁场发生装置10，使磁定位传感器69处于磁场区域12内，利用磁定位传感器69来探测执行件8的坐标及姿态角，具体包括如下步骤：

A、测量出磁定位传感器69朝向执行杆6端点C与执行件8中心A点的偏移量d；

B、通过磁定位传感器69的信号实时获知磁定位传感器69的坐标S_sensor和

姿态角q_sensor，其中：

S_sensor＝(x_c，y_c，z_c)；

q_sensor＝q_i*i+q_j*j+q_k*k+q_w；

(x_c，y_c，z_c)分别表示磁定位传感器69尖端在磁场坐标系中对应于X、Y、Z轴的坐标且i²＝j²＝k²＝-1，那么磁定位传感器69的旋转矩阵R表示为：

而磁定位传感器坐标系到磁场坐标系的转换矩阵M表示为：

根据磁定位传感器69的旋转矩阵R以及所述转换矩阵M，得到执行件8中心A点坐标如下：

所述执行件8中心A点的姿态角与磁定位传感器69中心点C的姿态角相同。

相比于使用传统执行杆6，使用本发明可以更加方便地获取执行杆6的位姿信息，且本发明可以有效简化配准环节，减少引入操作误差，提高执行件8的定位精度(由毫米级提高到亚毫米级)。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体设计并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种执行杆，其特征在于所述执行杆的杆身上设有定位传感器。

2.根据权利要求1所述的执行杆，其特征在于所述定位传感器为埋设于执行杆内的磁定位传感器，磁定位传感器的信号线与设置于执行杆表面的环状金属触点连接。

3.根据权利要求2所述的执行杆，其特征在于所述执行杆由第一杆体、第二杆体连接而成；第一杆体、第二杆体的相接处设有用于放置磁定位传感器的容置腔体，所述执行杆内设有连通容置腔体与金属触点的导线通道。

4.根据权利要求2或3所述的执行杆，其特征在于所述金属触点有两个并呈环状，两个金属触点分别位于执行杆的不同横截面上。

5.根据权利要求2或3所述的执行杆，其特征在于所述第一杆体或第二杆体上设有轴承。

6.一种采用权利要求2或3或4或5所述的执行杆的手术机器人，包括机械臂基座、机械臂、安装于机械臂上的末端执行机构，其特征在于所述末端执行机构由套筒及所述执行杆构成，所述套筒与机械臂末端固定连接，所述执行杆可转动地穿设于套筒上，执行杆的一端安装有执行件，另一端与固定于套筒上的驱动机构连接；所述套筒的内壁在对应金属触点的位置设有电刷；所述手术机器人还包括用于与磁定位传感器配合的磁场发生装置。

7.根据权利要求5所述的手术机器人的定位方法，在手术时开启磁场发生装置，利用磁定位传感器来探测执行件的坐标及姿态角，其特征在于包括如下步骤：

A、测量出磁定位传感器朝向执行杆端点C与执行件中心A点的偏移量d；

B、通过磁定位传感器的信号实时获知磁定位传感器的坐标S_sensor和姿态角q_sensor，其中：

S_sensor＝(x_c，y_c，z_c)；

q_sensor＝q_i*i+q_j*j+q_k*k+q_w；

其中，(x_c，y_c，z_c)分别表示传感器尖端在磁场坐标系中对应于X、Y、Z轴的坐标，q_i，q_j，且i²＝j²＝k²＝-1，那么磁定位传感器的旋转矩阵R表示为：

而磁定位传感器坐标系到磁场坐标系的转换矩阵M表示为：

根据磁定位传感器的旋转矩阵R以及所述转换矩阵M，得到执行件中心A点坐标如下：

所述执行件中心A点的姿态角与磁定位传感器中心点C的姿态角相同。