申请/专利权人：扬州大学

申请日：2019-08-09

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN110368090B

主分类号：A61B34/20

分类号：A61B34/20;A61B34/30;A61B17/16;A61B17/17

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.11.19#实质审查的生效;2019.10.25#公开

摘要：一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法，属于医疗辅助器械技术领域，通过将机械臂末端标定头插入到位姿标定孔中，依次读取每个孔上表面圆心的坐标值，然后建立点和点之间误差值的矛盾方程组，运用最小二乘法求解得到机械臂每个关节的误差值，并加以修正，完成对截骨导航机器人机械臂的误差修正。通过截骨手术刀动力头标定装置，反推出复杂空间异形的截骨手术刀动力头的关节参数，完成对复杂空间异形的不规则的物体的参数标定，本发明结构新颖，标定原理清晰，能够实现对串联机器人一类的机械臂的误差修正以及对复杂空间异形的不规则的物体的参数标定，极具价值。

主权项：1.一种截骨导航机器人末端标定装置，其特征在于：所述截骨导航机器人末端标定装置由机器人机械臂标定装置和截骨手术刀动力头标定装置组成；所述机械臂标定装置由机械臂底座1-9、机械臂第一关节1-8、第二关节1-7、第三关节1-6、第四关节1-5、第五关节1-4、第六关节1-1、机械臂末端标定头1-2、位姿标定板1-3组成，所述第六关节1-1下端设有连杆连接孔1-1-1，所述机械臂末端标定头1-2上设有标定头螺栓孔1-1-2、标定头销孔1-1-3和标定头连接孔1-2-1，所述连杆连接孔1-1-1与标定头连接孔1-2-1通过螺栓相连接，所述位姿标定板1-3上设有若干个位姿标定孔1-3-1，所述机械臂末端标定头1-2的最底部与所述位姿标定孔1-3-1连接；所述截骨手术刀动力头标定装置由机械臂末端标定头1-2、动力头2-4、动力头连接件2-5、动力头标定头2-6、位姿标定板1-3组成；所述动力头连接件2-5的正面设有动力头连接件销孔2-5-2和动力头连接件螺栓孔2-5-3，所述动力头连接件2-5的中间设有一正多边形内环2-5-5，所述正多边形内环2-5-5下方开有一条弹性增强缝2-5-4，所述动力头连接件2-5的侧面设有一个螺栓压紧孔2-5-1，所述动力头2-4的后端连接锁紧在所述动力头连接件2-5的正多边形内环2-5-5中；所述动力头连接件销孔2-5-2与标定头销孔1-1-3通过圆柱销连接定位，所述动力头连接件2-5上的动力头连接件螺栓孔2-5-3通过螺栓与机械臂末端标定头1-2上的标定头螺栓孔1-1-2连接固定，所述动力头标定头2-6上端设有卡槽2-6-1，所述卡槽2-6-1与所述截骨手术刀动力头2-4的头部连接卡紧，所述动力头标定头2-6底端设有下台阶2-6-5，所述下台阶2-6-5安装在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中；所述正多边形内环2-5-5为正12边形内环，正多边形内环2-5-5的内径大小与动力头2-4的外径形成间隙配合，动力头2-4在弹性增强缝2-5-4的收紧下固定在正多边形内环中；所述动力头标定头2-6由连接轴2-6-2、上台阶2-6-3、中间台阶2-6-4、下台阶2-6-5构成的台阶轴，连接轴2-6-2的上端设有与动力头2-4连接的卡槽2-6-1，下台阶2-6-5设置在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中。

全文数据：一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法技术领域本发明属于医疗辅助器械技术领域，涉及一种机器人标定装置及标定方法，具体的说是涉及一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法。背景技术随着社会的发展，人们的经济生活水平得到了很大的提升，越来越多的人希望通过美容的手段使自己变得更漂亮，而脸部截骨手术在其中占了很大一部分。由于传统手术方式为医生手持刀具器械靠内窥镜提供视野辅助完成，手术精度低，创口较大，并且效果不好，所以机器人导航辅助截骨开始进入大众视野，而机器人导航辅助截骨存在一个很大问题，就是机械臂末端刀具位置的标定与校准十分困难。发明内容本发明的目的是针对目前截骨导航机器人末端不规则形状刀具位置标定校准困难，提出一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法，通过该装置及方法可对截骨导航机器人的误差进行修正，完成截骨导航机器人末端位置精准标定，提高截骨手术精度。本发明的技术方案是：一种截骨导航机器人末端标定装置，其特征在于：所述截骨导航机器人末端标定装置由机器人机械臂标定装置和截骨手术刀动力头标定装置组成；所述机械臂标定装置由机械臂底座、机械臂第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、机械臂末端标定头、位姿标定板组成，所述第六关节下端设有连杆连接孔，所述机械臂末端标定头上设有标定头螺栓孔、标定头销孔和标定头连接孔，所述连杆连接孔与标定头连接孔通过螺栓相连接，所述位姿标定板上设有若干个位姿标定孔，所述机械臂末端标定头的最底部与所述位姿标定孔连接；所述截骨手术刀动力头标定装置由机械臂末端标定头、截骨手术刀动力头、动力头连接件、截骨手术刀动力头标定头、位姿标定板组成；所述动力头连接件的正面设有动力头连接件销孔和动力头连接件螺栓孔，所述动力头连接件的中间设有一正多边形内环，所述正多边形内环下方开有一条弹性增强缝，所述动力头连接件的侧面设有一个螺栓压紧孔，所述截骨手术刀动力头的后端连接锁紧在所述动力头连接件的正多边形内环中；所述动力头连接件销孔与标定头销孔通过圆柱销连接定位，所述动力头连接件上的动力头连接件螺栓孔通过螺栓与机械臂末端标定头上的标定头螺栓孔连接固定，所述动力头标定头的上端卡槽与所述截骨手术刀动力头的头部连接卡紧，所述动力头标定头的下端圆柱安装在位姿标定板上的位姿标定孔中。所述正多边形内环为正12边形内环，正多边形内环的内径大小与截骨手术刀动力头的外径形成间隙配合，手术刀动力头在弹性增强缝的收紧下固定在正多边形内环中。所述截骨手术刀动力头标定头由连接轴、上台阶、中间台阶、下台阶构成的台阶轴，连接轴的上端设有与截骨手术刀动力头连接的卡槽，下台阶设置在位姿标定板上的位姿标定孔中。所述截骨手术刀动力头标定头内部留有通孔，通孔孔径略小于连接轴的直径，中间台阶的直径大于位姿标定孔的孔径，下台阶的直径与位姿标定孔径相同。一种截骨导航机器人末端标定装置的标定方法，其特在于，标定方法如下：1机械臂末端标定头的位置标定1-1机械臂标定装置由机械臂第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、机械臂末端标定头、位姿标定板构成，将机械臂各个关节的关节参数α、a、d带入关节矩阵，求得各个关节的变换矩阵A1、A2、A3、A4、A5、A6；将机械臂第一关节的关节参数α、a、d带入关节变化矩阵中得到第一关节的末端点相对于坐标原点O的空间位姿变换矩阵A1，同理计算得到第二关节相对于第一关节的空间位姿变换矩阵A2，第三关节相对于第二关节的空间位姿变换矩阵A3，第四关节相对于第三关节的空间位姿变换矩阵A4，第五关节相对于第四关节的空间位姿变换矩阵A5，第六关节相对于第五关节的空间位姿变换矩阵A6，将各个关节的变换矩阵连乘得到机械臂末端点相对于坐标原点O的位姿变换方程A＝A1A2A3A4A5A6；1-2将末端标定头插入到位姿标定孔中，然后把机械臂每个关节角度传感器读取的角度带入到机械臂的变换方程中，计算得到机械臂末端点相对于坐标原点O的空间位姿，其中K1、K2、K3……K15点之间的相对距离已知，B12为K1点沿X轴方向平移到K2点的平移矩阵，B16为K1点沿Y轴方向平移到K6点的平移矩阵，因X方向、Y方向上相邻两点之间的距离均一样，两点间距离是通过加工实现的，所以建立以下的矛盾方程组K1＝A1k1A2k1A3k1A4k1A5k1A6k1；X方向上：Y方向上：1-3运用公式ATA＝ATb求得此矛盾方程组的最小二乘解，便是相邻两点之间的误差值Δx1、Δx2、Δx3……Δx12以及Δy1、Δy2、Δy3……Δy10，根据此误差值对截骨导航机器人的关节参数进行误差修正；2截骨手术刀动力头的位置标定2-1截骨手术刀动力头标定装置由机械臂末端标定头、截骨手术刀动力头、动力头连接件、截骨手术刀动力头标定头、位姿标定板构成，通过设计截骨手术刀动力头标定头，来实现截骨手术刀动力头关节参数α、a、d的精确求解，其运动学方程为A＇＝A1＇A2＇A3＇A4＇A5＇A6＇A7A8；其中A1＇、A2＇、A3＇、A4＇、A5＇、A6＇为修正之后的关节变换矩阵，A7为空间异形的截骨手术刀动力头的关节变换矩阵，A8为截骨手术刀动力头标定头的关节变换矩阵；2-2将截骨手术刀动力头标定头插入到位姿标定孔中，把机械臂每个关节角度传感器读取的角度带入到机械臂的变换方程中，计算可得到机械臂末端的空间位姿，将计算出的位置坐标与已知的位姿标定孔的坐标进行对比分析，反向推算出未知矩阵A7的关节参数α、a、d，完成对复杂空间异形结构的参数标定。本发明的有益效果为：本发明提出的一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法，装置结构新颖，标定原理清晰，通过将机械臂末端标定头插入到位姿标定孔中，依次读取每个孔上表面圆心的坐标值，然后建立点和点之间误差值的矛盾方程组，运用最小二乘法求解得到机械臂每个关节的误差值，并加以修正，完成对截骨导航机器人机械臂的误差修正。通过截骨手术刀动力头标定装置，反推出复杂空间异形的截骨手术刀动力头的关节参数，完成对复杂空间异形的不规则的物体的参数标定。本发明能够实现对串联机器人一类的机械臂的误差修正以及对复杂空间异形的不规则的物体的参数标定，极具价值。附图说明图1为本发明中机器人机械臂的连杆坐标系图。图2为本发明中机械臂矩阵参数修正示意图。图3为本发明中机器人机械臂标定示意图。图4为本发明中机器人机械臂标定局部剖视图。图5为本发明装有动力头的机械臂标定示意图。图6为本发明中动力头装配图。图7为本发明中动力头连接示意图。图8为本发明中动力头连接件零件图。图中：第六关节1-1、连杆连接孔1-1-1、标定头螺栓孔1-1-2、标定头销孔1-1-3、标定头1-2、标定头连接孔1-2-1、1-3位姿标定板、位姿标定孔1-3-1、第五关节1-4、第四关节1-5、第三关节1-6、第二关节1-7、第一关节1-8、机械臂底座1-9、截骨手术刀动力头2-4、动力头连接件2-5、螺栓压紧孔2-5-1动力头连接件销孔、2-5-2、动力头连接件螺栓孔2-5-3、弹性增强缝2-5-4、正多边形内环2-5-5、动力头标定头2-6、卡槽2-6-1、连接轴2-6-2、上台阶2-6-3、中间台阶2-6-4、下台阶2-6-5。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：如图3-8所示，一种截骨导航机器人末端标定装置，包括了机器人机械臂标定装置和截骨手术刀动力头标定装置；机械臂标定装置由机械臂末端连杆第六关节1-1、机械臂末端标定头1-2、位姿标定板1-3组成，第六关节1-1的下端与机械臂末端标定头1-2的上端通过连杆连接孔1-1-1连接；位姿标定板1-3上设有若干个位姿标定孔1-3-1，机械臂末端标定头1-2下端圆柱安装在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中。如图5-8所示，一种截骨导航机器人末端标定装置，截骨手术刀动力头标定装置包括了动力头2-4、动力头连接件2-5、动力头标定头2-6、位姿标定板1-3，动力头2-4的后端安装在动力头连接件2-5的内环中，并锁紧；动力头标定头2-6的上端卡槽2-6-1与动力头2-4的前端连接，并卡紧；动力头标定头2-6的下端圆柱2-6-5安装在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中。动力头连接件2-5的正面设有一个动力头连接件销孔2-5-2和一个动力头连接件螺栓孔2-5-3，动力头连接件2-5的中间有一个开口的正多边形内环2-5-5，动力头连接件2-5的侧面设有一个螺栓压紧孔2-5-1，动力头连接件2-5的下面留有一条弹性增强缝2-5-4，便于通过螺栓安装在螺栓压紧孔2-5-1，压紧动力头2-4；动力头连接件2-5上的动力头连接件销孔2-5-2与机械臂末端标定头1-2上的标定头销孔1-1-3连接；动力头连接件2-5上的动力头连接件螺栓孔2-5-3和机械臂末端标定头1-2上的标定头螺栓孔1-1-2连接。如图3-4所示，一种截骨导航机器人末端标定装置，机械臂末端标定头2为三层阶梯结构，第一层阶梯轴侧面设有3个螺栓连接孔1-1-1呈120°周向布置，第二层阶梯轴直径大于位姿标定孔1-3-1的直径，第三层阶梯轴直径与位姿标定孔1-3-1的直径相同，当机械臂末端标定头1-2插入到位姿标定孔1-3-1中时，确定了三维空间的唯一位置即位姿标定孔1-3-1的上表面圆心点。如图3所示，一种截骨导航机器人末端标定装置，位姿标定板1-3上有3排共计15个高精度位姿标定孔1-3-1，呈线性布置，且孔与孔之间的相对坐标已知。如图6-7所示，一种截骨导航机器人末端标定装置，正12边形内环2-5-5的内圈形状大小与动力头2-4的外圈形状大小均一样，锁紧时位置唯一确定，不可转动，增加连接的可靠性；松下时，可实现一级一级旋转调节动力头2-4的安装角度。动力头连接件2-5的下方设有一条弹性增强缝2-5-4，为调节动力头2-4的安装角度时提供了必要的弹性。如图7所示，一种截骨导航机器人末端标定装置，截骨手术刀动力头标定头2-6的上端设有卡槽2-6-1可与截骨手术刀动力头2-4连接，下端三层阶梯圆柱，最下层圆柱2-6-5安装在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中。如图1-8所示，一种截骨导航机器人末端标定装置的标定方法如下：将机械臂末端标定头1-2插入到位姿标定孔1-3-1中，依次读取每个孔上表面圆心的坐标值，然后建立点和点之间误差值的矛盾方程组，运用最小二乘法求解得到机械臂每个关节的误差值，并加以修正，完成对截骨导航机器人机械臂的误差修正。设计规则外形的动力头标定头2-6，并且计算其关节变换矩阵A8，将复杂空间异形的截骨手术刀动力头关节矩阵设为A7未知，并带入修正之后的机械臂关节变换矩阵建立正运动学方程A＇＝A1＇A2＇A3＇A4＇A5＇A6＇A7A8，反推出复杂空间异形的截骨手术刀动力头的关节参数α、a、d，完成对复杂空间异形的不规则的物体的参数标定。本发明能够实现对串联机器人一类的机械臂的误差修正以及对复杂空间异形的不规则的物体的参数标定，极具价值。

权利要求：1.一种截骨导航机器人末端标定装置，其特征在于：所述截骨导航机器人末端标定装置由机器人机械臂标定装置和截骨手术刀动力头标定装置组成；所述机械臂标定装置由机械臂底座1-9、机械臂第一关节1-8、第二关节1-7、第三关节1-6、第四关节1-5、第五关节1-4、第六关节1-1、机械臂末端标定头1-2、位姿标定板1-3组成，所述第六关节1-1下端设有连杆连接孔1-1-1，所述机械臂末端标定头1-2上设有标定头螺栓孔1-1-2、标定头销孔1-1-3和标定头连接孔1-2-1，所述连杆连接孔1-1-1与标定头连接孔1-2-1通过螺栓相连接，所述位姿标定板1-3上设有若干个位姿标定孔1-3-1，所述机械臂末端标定头1-2的最底部与所述位姿标定孔1-3-1连接；所述截骨手术刀动力头标定装置由机械臂末端标定头1-2、动力头2-4、动力头连接件2-5、动力头标定头2-6、位姿标定板1-3组成；所述动力头连接件2-5的正面设有动力头连接件销孔2-5-2和动力头连接件螺栓孔2-5-3，所述动力头连接件2-5的中间设有一正多边形内环2-5-5，所述正多边形内环2-5-5下方开有一条弹性增强缝2-5-4，所述动力头连接件2-5的侧面设有一个螺栓压紧孔2-5-1，所述动力头2-4的后端连接锁紧在所述动力头连接件2-5的正多边形内环2-5-5中；所述动力头连接件销孔2-5-2与标定头销孔1-1-3通过圆柱销连接定位，所述动力头连接件2-5上的动力头连接件螺栓孔2-5-3通过螺栓与机械臂末端标定头1-2上的标定头螺栓孔1-1-2连接固定，所述动力头标定头2-6上端设有卡槽2-6-1，所述卡槽2-6-1与所述截骨手术刀动力头2-4的头部连接卡紧，所述动力头标定头2-6底端设有下台阶2-6-5，所述下台阶2-6-5安装在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中。2.根据权利要求1所述的一种截骨导航机器人末端标定装置，其特征在于：所述正多边形内环2-5-5为正12边形内环，正多边形内环2-5-5的内径大小与动力头2-4的外径形成间隙配合，动力头2-4在弹性增强缝2-5-4的收紧下固定在正多边形内环中。3.根据权利要求1所述的一种截骨导航机器人末端标定装置，其特征在于：所述动力头标定头2-6由连接轴2-6-2、上台阶2-6-3、中间台阶2-6-4、下台阶2-6-5构成的台阶轴，连接轴2-6-2的上端设有与动力头2-4连接的卡槽2-6-1，下台阶2-6-5设置在位姿标定板1-3上的位姿标定孔1-3-1中。4.根据权利要求1所述的一种截骨导航机器人末端标定装置，其特征在于：所述动力头标定头2-6内部留有通孔，通孔孔径略小于连接轴2-6-2的直径，中间台阶2-6-4的直径大于位姿标定孔1-3-1的孔径，下台阶2-6-5的直径与位姿标定孔径相同。5.一种截骨导航机器人末端标定装置的标定方法，其特在于，使用权利要求1-4任一项所述的截骨导航机器人末端标定装置，标定方法如下：1机械臂末端标定头1-2的位置标定1-1机械臂标定装置由机械臂第一关节1-8、第二关节1-7、第三关节1-6、第四关节1-5、第五关节1-4、第六关节1-1、机械臂末端标定头1-2、位姿标定板1-3构成，将机械臂各个关节的关节参数α、a、d带入关节矩阵，求得各个关节的变换矩阵A1、A2、A3、A4、A5、A6；将机械臂第一关节1-8的关节参数α、a、d带入关节变化矩阵中得到第一关节1-8的末端点相对于坐标原点O的空间位姿变换矩阵A1，同理计算得到第二关节1-7相对于第一关节1-8的空间位姿变换矩阵A2，第三关节1-6相对于第二关节1-7的空间位姿变换矩阵A3，第四关节1-5相对于第三关节1-6的空间位姿变换矩阵A4，第五关节1-4相对于第四关节1-5的空间位姿变换矩阵A5，第六关节1-1相对于第五关节1-4的空间位姿变换矩阵A6，将各个关节的变换矩阵连乘得到机械臂末端点相对于坐标原点O的位姿变换方程A＝A1A2A3A4A5A6；1-2将末端标定头1-2插入到位姿标定孔1-3-1中，然后把机械臂每个关节角度传感器读取的角度带入到机械臂的变换方程中，计算得到机械臂末端点相对于坐标原点O的空间位姿，其中K1、K2、K3……K15点之间的相对距离已知，B12为K1点沿X轴方向平移到K2点的平移矩阵，B16为K1点沿Y轴方向平移到K6点的平移矩阵，因X方向、Y方向上相邻两点之间的距离均一样，两点间距离是通过加工实现的，所以建立以下的矛盾方程组K1＝A1k1A2k1A3k1A4k1A5k1A6k1；X方向上：Y方向上：1-3运用公式ATA＝ATb求得此矛盾方程组的最小二乘解，便是相邻两点之间的误差值Δx1、Δx2、Δx3……Δx12以及Δy1、Δy2、Δy3……Δy10，根据此误差值对截骨导航机器人的关节参数进行误差修正；2动力头2-4的位置标定2-1动力头2-4标定装置由机械臂末端标定头1-2、截骨手术刀动力头2-4、动力头连接件2-5、动力头标定头2-6、位姿标定板1-3构成，通过设计截骨手术刀动力头标定头2-6，来实现截骨手术刀动力头关节参数α、a、d的精确求解，其运动学方程为A＇＝A1＇A2＇A3＇A4＇A5＇A6＇A7A8；其中A1＇、A2＇、A3＇、A4＇、A5＇、A6＇为修正之后的关节变换矩阵，A7为空间异形的截骨手术刀动力头的关节变换矩阵，A8为动力头标定头2-6的关节变换矩阵；2-2将动力头标定头2-6插入到位姿标定孔1-3-1中，把机械臂每个关节角度传感器读取的角度带入到机械臂的变换方程中，计算可得到机械臂末端的空间位姿，将计算出的位置坐标与已知的位姿标定孔的坐标进行对比分析，反向推算出未知矩阵A7的关节参数α、a、d，完成对复杂空间异形结构的参数标定。

百度查询： 扬州大学 一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法

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