[发明专利]基于协作型机械臂的髋关节镜辅助机器人系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于协作型机械臂的髋关节镜辅助机器人系统，其特征在于，包括：具备位置控制模式和姿态控制模式的主控制器、协作型机械臂、内窥镜、C形臂以及磨钻和夹持装置组成的夹具，其中：磨钻设置于夹持装置上并由夹持装置采集磨钻信息并输出至协作型机械臂，C形臂与主控制器相连用于提供X光图像，内窥镜与主控制器相连用于提供髋关节图像，主控制器与协作型机械臂相连并根据收到的来自内窥镜和C形臂的图像信息、来自夹持装置的磨钻信息，得到磨钻尖端所受磨削力的位置、大小和方向并通过协作型机械臂控制夹具进行带有力反馈的磨削操作；

所述的位置控制模式是指：当操作者移动控制杆时，夹具的姿态不变，工具末端的位置随之改变；所述的姿态控制模式是指：工具末端保持位置不变，夹具和工具的姿态进行改变；

所述的夹持装置包括：依次水平连接的基座、力传感器和夹持键，其中：基座与协作型机械臂相连，力传感器设置于基座与夹持键之间，磨钻设置于夹持键上；

所述的力反馈，具体通过以下方式实现：

在磨钻工作时，磨钻整体以ω的角速度绕z轴旋转，此时把磨钻与骨骼的接触简化为点接触，设该点为点A，A点在直角坐标系中的坐标为(x，y，z)，在球坐标系中的坐标为其中R为半球半径，θ为A点和O点的连线与z轴的夹角，为A点在Oxy平面上的投影点与O点的连线和x轴的夹角，则磨钻尖端的所有受力按受力原因可被分成两部分：由接触产生的方向指向球心的径向切削力以及由摩擦产生的切向力具体为：

由于力传感器测量的是力与力矩在直角坐标上的分量，把三个分量上的测量值分别记作和把和投影在直角坐标系中，即可得力传感器读数与磨削力大小、方向的关系，具体为：其中：

当和已知时，通过上述等式可以得出θ、的关系，通过引入砂轮磨削力的经验公式：其中：F_p0指磨削表面单位面积上受到的磨削力，a_p指砂轮在材料中的进给深度，v_s指砂轮外缘转动的线速度，v_w指砂轮的进给速度，b指砂轮与工件的宽度，α、β、γ、δ为待定系数；

另外，在确定材料、磨粒磨损程度的情况下，径向接触力和切向摩擦力大小的比值为一常数，即其中：k＞1；通过与上述受力类比，即得出第四个方程：

所述的力传感器在三个方向上的测力为：则得到：并且：

①当时：当有则否则当有kF_x+F_y＝0，则F_y＝0或k＝1，与前提相矛盾，因此根据所处区间得出：当则有当则有因此当则当则有：通过将结果代入，得到②当即F_x＝F_y＝0，此时受力点A只能恰好处于磨钻顶端，此时为任意角，θ＝0，

2.根据权利要求1所述的基于协作型机械臂的髋关节镜辅助机器人系统，其特征是，所述的磨钻包括：钻夹头、套筒和钻头，其中：钻夹头设置于夹持键上并与套筒径向相连，套筒与夹持键相连，钻头设置于套筒末端。

3.根据权利要求1所述的基于协作型机械臂的髋关节镜辅助机器人系统，其特征是，所述的夹持键包括：底座、连接板、第一夹持块和第二夹持块，其中：底座与力传感器相连，连接板设置于底座上，第一夹持块设置于连接板上靠力传感器一端并与钻夹头相连，第二夹持块设置于连接板上相对另一端并与套筒相连。

4.根据权利要求1所述的基于协作型机械臂的髋关节镜辅助机器人系统，其特征是，所述的主控制器包括：ROS单元、手柄单元以及显示器单元，其中：手柄单元与ROS单元相连并传输医生手部位置和姿态信息，显示器单元与内窥镜、C形臂相连并接收患者髋关节内部骨骼形状、环境图像信息，ROS单元与协作型机械臂相连并发送根据医生手部位置和姿态信息转换之后的协作型机械臂各关节角度信息。