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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Actuator, Operating Robot Using the Actuator and Robot Location Method

The invention provides an actuator rod, an operation robot adopting the actuator rod and a positioning method of the operation robot to realize the fast and accurate positioning of the operation robot. The actuator rod of the invention is provided with a positioning sensor, which is a magnetic positioning sensor embedded in the actuator rod. The signal line of the magnetic positioning sensor is connected with a ring metal contact arranged on the surface of the actuator rod. The structure of the surgical robot of the present invention is as follows: it includes a base of the manipulator, a manipulator and an end-effector mounted on the manipulator. The end-effector is composed of a sleeve and the actuator rod. The sleeve is fixed and connected with the end of the manipulator. The actuator rod rotatably penetrates the sleeve, and one end of the actuator rod is provided with an actuator, and the other end is fixed on the sleeve. The driving mechanism is connected; the inner wall of the sleeve is provided with an electric brush at the position of the corresponding metal contacts; and the surgical robot also includes a magnetic field generating device for cooperating with the magnetic positioning sensor.

【技术实现步骤摘要】
执行杆、采用该执行杆的手术机器人及机器人定位方法
本专利技术属于医疗器械
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的执行杆结构如下：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。本专利技术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。由于本专利技术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Ssensor和姿态角qsensor，其中：Ssensor＝(xc，yc，zc)·qsensor＝qi*i+qj*j+qk*k+qw；(xc，yc，zc)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。本专利技术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是本专利技术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，对本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔天，宋亦旭，文理为，
申请(专利权)人：杭州键嘉机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33