[发明专利]执行杆、采用该执行杆的手术机器人及机器人定位方法

说明书

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。

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。