[发明专利]一种截骨导航机器人末端标定装置及标定方法

权利要求书

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＝A₁(k₁)A₂(k₁)A₃(k₁)A₄(k₁)A₅(k₁)A₆(k₁)；

X方向上：

Y方向上：

(1-3)运用公式A^TA＝A^Tb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。