骨科机器人的制作方法

1.本发明涉及手术器械领域，特别涉及一种骨科机器人。


背景技术：

2.在医疗领域，机器人的应用越来越广泛，眼科、腹腔镜、脑科等医疗机器人不断的出现。但是，在骨科手术领域，机器人的应用并不是非常的普遍。目前的关节骨科和脊柱骨科多是采用开放式的手术方法，开放式手术会对患者造成很大的额外的创伤，也非常的不利于患者的康复；微创伤骨科手术则可以很好的避免这些问题，但是骨科的微创伤手术对于医生的操作要求非常的高，且存在着操作的精度不足等问题。
3.在上述条件下，机器人对于微创伤骨科手术的帮助则会非常的明显，目前市场上使用较为多的一款骨科机器人为mako，该机器人精度高，稳定性好，对于医生的辅助能力很强。但是，医生对于机器人的要求也越来越高，轻量化，操作性强，导航能力优异被越来越多的骨科手术医生所看重。目前市场的骨科手术机器人系统还存在着以下的问题：
4.(1)体积大、质量大：包括mako在的一些骨科机器人系统最大的问题是体积大、质量大，医生很难单独的完成机器人的安装和使用；同时，质量大也带来了携带不便利等问题。整体灵巧、质量小是骨科机器人发展的必然趋势；
5.(2)安全性差：多数的骨科机器人系统的机械臂多是采用工业机器人模式的机械臂，机械臂的避障能力差，不利用应付外界的突发干扰，系统的安全性不足。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种骨科机器人，以解决现有骨科机器人体积大、质量大和安全性差等问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种骨科机器人，其包括机械臂，所述机械臂之末端的夹持部用于夹持一手术器械；所述机械臂包括：
8.从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第三转动关节、第三摆动关节和所述夹持部，所述第一转动关节、所述第一摆动关节、所述第二摆动关节、所述第三转动关节、所述第三摆动关节以及所述夹持部之间均通过连接臂组件连接；
9.其中，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转动关节的旋转轴线垂直，所述第三转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第三转动关节的旋转轴线垂直，所述夹持部的夹持轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直，所述第一摆动关节的旋转轴线、所述第二摆动关节的旋转轴线以及所述第三摆动关节的旋转轴线互相平行；
10.所述第一转动关节、所述第一摆动关节、所述第二摆动关节、所述第三转动关节以及所述第三摆动关节均具有驱动模块；所述机械臂还包括控制器，所述控制器用于控制所述驱动模块驱动所述机械臂对应的各个关节运动，以驱使所述手术器械围绕一远程运动中心运动；
11.所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转动关节的旋转轴线相交，所述第三转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第三转动关节的旋转轴线相交，所述夹持部的夹持轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线相交；
12.所述第三转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线相交，所述第三转动关节的旋转轴线与所述夹持部的夹持轴线相交；所述第三摆动关节的旋转轴线与所述夹持部的夹持轴线异面；
13.所述第三转动关节的旋转轴线、所述第三摆动关节的旋转轴线以及所述夹持部的夹持轴线相交于一点。
14.可选的，所述骨科机器人还包括第二转动关节，所述第二转动关节设置于所述第一摆动关节和所述第二摆动关节之间，所述第二转动关节分别通过连接臂与所述第一摆动关节和所述第二摆动关节连接；
15.其中，所述第二转动关节的旋转轴线分别与所述第一摆动关节的旋转轴线和所述第二摆动关节的旋转轴线垂直；
16.所述第二转动关节具有驱动模块，所述第二转动关节的驱动模块用于在所述控制器控制下驱动所述第二转动关节运动；
17.所述第二转动关节的旋转轴线分别与所述第一摆动关节的旋转轴线和所述第二摆动关节的旋转轴线相交；
18.所述第一转动关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线相交于一点；所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三转动关节的旋转轴线相交于一点。
19.可选的，所述夹持部包括用于实现所述手术器械自转的自转关节；
20.所述夹持部具有驱动模块，所述夹持部的驱动模块用于在所述控制器控制下驱动所述自转关节运动；或者；所述自转关节为被动转动关节，所述自转关节具有传感器和制动器。
21.可选的，所述驱动模块包括：
22.电机，具有输出轴，用以为关节的运动提供动力；
23.制动器，用以通过抱紧与放松所述输出轴，以关闭与开启关节的运动；
24.减速器，具有输入端和输出端，所述输入端与所述电机的所述输出轴连接，所述减速器用以将所述电机所输入的动力减速和提高扭矩后，从所述输出端输出；以及
25.力矩传感器，设置于所述减速器的所述输出端，所述力矩传感器用以感知关节的受力状态，并反馈给所述控制器。
26.可选的，所述驱动模块还包括：
27.绝对位置编码器，用以记录关节运动的绝对位置；和/或
28.增量式编码器，用以记录所述电机的转动圈数。
29.可选的，所述连接臂组件包括：
30.从近端到远端依次分布的基座、第一连杆、第二连杆、第四连杆、第五连杆以及第六连杆；
31.其中，所述基座用以与所述骨科机器人的机器人本体固定；所述第一连杆通过所述第一转动关节与所述基座连接；所述第二连杆通过所述第一摆动关节与所述第一连杆连
接，所述第四连杆通过所述第二摆动关节与所述第二连杆连接，所述第五连杆通过所述第三转动关节与所述第四连杆连接，所述第六连杆通过所述第三摆动关节与所述第五连杆连接，所述夹持部设置于所述第六连杆的远端。
32.可选的，所述控制器还包括一自动模式，在所述自动模式下，所述控制器用于根据预设的期望位置和所述远程运动中心的位置获得所述手术器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望位置；进而所述控制器用于根据机械臂各个关节的期望位置，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述手术器械围绕所述远程运动中心运动，并且所述手术器械的末端运动至期望位置。
33.可选的，所述控制器根据预设的手术器械期望的笛卡尔速度，通过雅可比矩阵的逆矩阵，获得所述机械臂各个关节的期望速度；进而所述控制器根据机械臂各个关节的期望速度，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述手术器械的末端以期望的笛卡尔速度运动至期望位置。
34.可选的，所述驱动模块上设置有与所述控制器通信连接的力矩传感器，所述力矩传感器用于检测每个关节上受到的外部作用力信息并提供给所述控制器，所述控制器根据所述力矩传感器反馈回的所述外部作用力信息，确定冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使所述机械臂绕开一障碍物。
35.可选的，所述冗余调整关节做反向运动的速度为：
36.vr＝v0*sgn(τr) kr*τr37.其中，vr为冗余调整关节速度，v0为预设基础避障速度，sgn()为符号函数，τr为冗余关节外部力矩，kr为速度-力矩系数。
38.可选的，所述控制器还根据所述冗余调整关节的反向运动的速度，获得冗余调整关节下一控制周期的期望位置，以将所述机械臂降维；所述冗余调整关节下一控制周期的期望位置为：
[0039][0040]
其中：为冗余调整关节下一周期的期望位置，为冗余调整关节的当前位置，cycletime为控制器控制周期。
[0041]
可选的，所述控制器还包括一协同模式，所述驱动模块上设置有与所述控制器通信连接的力矩传感器；在协同模式下，所述力矩传感器用于检测每个关节上受到的力矩并提供给所述控制器，所述控制器还根据机器人动力学模型获取每个关节的重力矩，并输出与所述力矩和所述重力矩之和大小相等方向相反的力矩。
[0042]
可选的，所述控制器还包括一锁定模式，所述驱动模块上设置有制动器；在锁定模式下，所述制动器关闭对应的关节的运动，使所述机械臂保持位置状态不变。
[0043]
可选的，所述骨科机器人还包括：
[0044]
视觉系统，用以检测和/或输出所述机械臂的位置和运动状态；以及
[0045]
手术器械，可拆卸地设置于所述机械臂的夹持部。
[0046]
综上所述，本发明提供的骨科机器人包括机械臂，所述机械臂之末端的夹持部用于夹持一手术器械；而所述机械臂包括从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第三转动关节、第三摆动关节和夹持部，通过上述若干关节的配合，可
实现手术器械的空间位置和姿态的调整，并实现围绕一远程运动中心rcm运动。相比于现有，本发明的机械臂的整体尺寸小，质量轻，便于安装和使用，进而可使得骨科机器人的整体尺寸较小，结构简单，可靠性高。
附图说明
[0047]
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
[0048]
图1是本发明实施例提供的六自由度骨科手术机器人的示意图；
[0049]
图2是本发明实施例提供的机器人本体的示意图；
[0050]
图3是本发明实施例一提供的机械臂的示意图；
[0051]
图4是图3所示的机械臂的关节示意图；
[0052]
图5a和图5b是本发明实施例一中六自由度骨科机器人驱使手术器械摆动的示意简图；
[0053]
图6是本发明实施例二提供的驱动模块的轴剖面的示意图；
[0054]
图6’是是本发明实施例二提供的力矩传感器306的示意图；
[0055]
图7是本发明实施例五提供的视觉系统的示意图；
[0056]
图8是本发明实施例三提供的大球磨工具的示意图；
[0057]
图9是本发明实施例三提供的小磨头工具的示意图；
[0058]
图10是本发明实施例六提供的协同模式的工作流程图；
[0059]
图11是本发明实施例六提供的自动模式的工作流程图；
[0060]
图12是本发明实施例七提供的机械臂的关节示意图；
[0061]
图13是本发明实施例七提供的第五连杆的示意图；
[0062]
图14是本发明实施例九提供的机械臂的关节示意图；
[0063]
图15a～图15c是本发明实施例九中七自由度骨科机器人驱使手术器械摆动的示意简图。
[0064]
附图中：
[0065]
1-机器人本体；101-壳体；102-控制器；103-升降台；104-扶手；
[0066]
2-机械臂；201-基座；202-第一连杆；203-第二连杆；205-第四连杆；206-第五连杆；207-第六连杆；208-夹持部；209-手术器械；2061-第一子连杆；2062-第二子连杆；2063-大丝轮；2064-小丝轮；2065、2066-导向丝轮；
[0067]
210-第一转动关节；211-第一摆动关节；212-第二转动关节；213-第二摆动关节；214-第三转动关节；215-第三摆动关节；216-自转关节；
[0068]
301-绝对位置编码器；302-增量式编码器；303-电机；304-减速机；305-制动器；306-力矩传感器；3061-内环；3062-外环；3063-柔顺件；3064-敏感元件；307
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轴承；308-输出法兰；309-外壳；310-中空转轴；
[0069]
4-视觉系统；401-视觉台车；402-探测头；403、404、406-靶标；405-显示器；
[0070]
5-大球磨工具；501-驱动端部；502-卡口；503-球磨头；504-磨头接口
[0071]
6-小磨头工具；601-驱动端部；602-卡口；603-球磨头；604-磨头接口。
具体实施方式
[0072]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
[0073]
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，术语“近端”通常是靠近术者的一端，术语“远端”通常是靠近患者病变部位的一端。
[0074]
请参考图1和图2，其中，图1是本发明实施例提供的骨科手术机器人的示意图，图2是本发明实施例提供的机器人本体的示意图。如图1和图2所示，本发明提供了一种骨科机器人。所述骨科机器人包括机器人本体1、机械臂2、视觉系统3和控制器102。其中，所述机器人本体1用于作为所述机械臂2的支撑，优选可以自由移动，以使机械臂2到达相应的手术位置；所述机械臂2作为机器人系统的输出端，其末端用于夹持一手术器械209对患者病区进行手术操作；所述视觉系统3可实时监测手术过程中手术器械相对于骨头的位置，将数据与手术规划的路径相匹配，并传输到机器人本体1，以指导机械臂2进行相对应的移动或纠正；所述控制器102用于控制所述机械臂2以使机械臂2末端的手术器械209以期望的姿态到达期望的位置。这里的手术器械209主要包括骨科治疗器械，如球磨等，其为可拆卸地连接于机械臂2之末端。
[0075]
进一步，所述机械臂2包括：从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第三转动关节、第三摆动关节和用于夹持所述手术器械的夹持部，所述第一转动关节、所述第一摆动关节、所述第二摆动关节、所述第三转动关节、所述第三摆动关节以及所述夹持部之间均通过连接臂连接；其中，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转动关节的旋转轴线垂直，所述第三转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第三转动关节的旋转轴线垂直，所述夹持部的夹持轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直，所述第一摆动关节的旋转轴线、所述第二摆动关节的旋转轴线以及所述第三摆动关节的旋转轴线互相平行；所述第一转动关节、所述第一摆动关节、所述第二摆动关节、所述第三转动关节以及所述第三摆动关节均具有驱动模块；所述控制器用于控制所述驱动模块驱动所述机械臂对应的各个关节运动，以驱使所述手术器械围绕一远程运动中心(remote of centermotion，rcm)运动。这里的手术器械主要包括骨科治疗器械，如球磨等。
[0076]
下面对骨科机器人的各个组成部分，参考附图进行描述。
[0077]
【实施例一】
[0078]
请参考图3至图5，其中，图3是本发明实施例一提供的机械臂的示意图，图4是图3所示的机械臂的关节示意图，图5是本发明实施例一中六自由度骨科机器人驱使手术器械摆动的示意简图。
[0079]
如图3和图4所示，本实施例提供一种六自由度的骨科机器人，所述六自由度骨科机器人包括机械臂2，其作为六自由度骨科机器人的输出端，机械臂2 的末端(位于机械臂2之远端)具有一夹持部208，用以夹持一手术器械209(可选地与手术器械209为可拆卸地连
接，优选夹持部208具有快速接口，可实现快速的与手术器械209可拆卸装配)对患者病区进行手术操作，夹持部208的夹持轴线与手术器械209的轴线共线。实际中，可通过机械臂2调整所述手术器械209的空间位置和姿态，使所述手术器械209围绕一远程运动中心rcm运动，来进行手术操作。所述机械臂2具体包括：从近端到远端依次分布的第一转动关节210、第一摆动关节211、第二摆动关节213、第三转动关节214、第三摆动关节215和所述夹持部208，其中，所述第一摆动关节211的旋转轴线与所述第一转动关节210的旋转轴线垂直，所述第三转动关节214的旋转轴线与所述第二摆动关节213的旋转轴线垂直，所述第三摆动关节215的旋转轴线与所述第三转动关节214的旋转轴线垂直，所述夹持部208的夹持轴线与所述第三摆动关节215的旋转轴线垂直，所述第一摆动关节211的旋转轴线、所述第二摆动关节213的旋转轴线以及所述第三摆动关节215的旋转轴线互相平行。
[0080]
进一步，所述第一转动关节210、所述第一摆动关节211、所述第二摆动关节213、所述第三转动关节214以及所述第三摆动关节215均具有驱动模块，所述机械臂2还包括控制器，所述控制器用于控制所述驱动模块驱动所述机械臂2 对应的各个关节运动，以驱使所述手术器械209围绕一远程运动中心运动。
[0081]
可选的，所述夹持部208包括用于实现所述手术器械209自转的自转关节 216。在一些实施例中，所述夹持部208具有驱动模块，所述夹持部208的驱动模块用于在所述控制器控制下驱动所述自转关节216运动。在一个替代性实施例中，所述夹持部208可不具有驱动模块，即所述自转关节216由操作者手动驱动。
[0082]
进一步，所述第一转动关节210、所述第一摆动关节211、所述第二摆动关节213、所述第三转动关节214、所述第三摆动关节215以及所述夹持部208之间均通过连接臂连接。如图3所示，所述连接臂包括：从近端到远端依次分布的基座201、第一连杆202、第二连杆203、第四连杆205、第五连杆206以及第六连杆207；其中，所述基座201用以与六自由度骨科机器人的其它部件相固定 (如可设置在机器人本体1上)；所述第一连杆202的近端通过所述第一转动关节210与所述基座201的远端连接，通过第一转动关节210可驱动第一连杆202 相对基座201转动；所述第二连杆203的近端通过所述第一摆动关节211与所述第一连杆202的远端连接，通过第一摆动关节211可驱动第二连杆203相对第一连杆202摆动；所述第四连杆205的近端通过所述第二摆动关节213与所述第二连杆203的远端连接，通过第二摆动关节213可驱动第四连杆205相对第二连杆203摆动；所述第五连杆206的近端通过所述第三转动关节214与所述第四连杆205的远端连接，通过第三转动关节214可驱动第五连杆206相对第四连杆205转动；所述第六连杆207的近端通过所述第三摆动关节215与所述第五连杆206的远端连接，通过第三摆动关节215可驱动第六连杆207相对第五连杆206摆动；所述夹持部208设置于所述第六连杆207的远端，进一步的，夹持部208通过自转关节216相对第六连杆207自转；所述夹持部208优选可同轴地夹持一手术器械209(即夹持部208的夹持轴线与所述手术器械209 的轴线共线)。在一些实施例中，手术器械209如磨头工具等，其具有自转的能力，或者手术器械209为沿轴线无方向性的工具，则夹持部208可不具有自转关节216，当夹持部208夹持所述手术器械209时，可限定手术器械209的径向、轴向与周向的全部自由度。
[0083]
如图4所示，本实施例所提供的机械臂2具有6个转动自由度。具体的，分别为第一转动关节210、第一摆动关节211、第二摆动关节213、第三转动关节214和第三摆动关节215
和自转关节216。通过该6个关节的配合，可实现手术器械209的空间位置和姿态的调整，并通过控制器102控制实现围绕一远程运动中心rcm运动。相比于现有，本发明的机械臂2的整体尺寸小，质量轻，便于安装和使用，进而可使得六自由度骨科机器人的整体尺寸较小，结构简单，可靠性高。
[0084]
优选的，所述第三转动关节214的旋转轴线与所述第三摆动关节215的旋转轴线相交，所述第三转动关节214的旋转轴线与所述夹持部208的夹持轴线相交；所述第三摆动关节215的旋转轴线与所述夹持部208的夹持轴线异面。更优选的，所述第一连杆202的轴线以及所述第二连杆203的轴线分别与所述第一摆动关节211的旋转轴线垂直相交；所述第二连杆203的轴线以及所述第四连杆205的轴线分别与所述第二摆动关节213的旋转轴线垂直相交；所述第五连杆206的轴线以及所述第六连杆207的轴线分别与所述第三摆动关节215 的旋转轴线垂直相交；所述基座201的轴线、所述第一连杆202的轴线以及所述第一转动关节210的旋转轴线共线；所述第四连杆205的轴线、所述第五连杆206的轴线以及所述第三转动关节214的旋转轴线共线。如此设置，可以简化机器人运动学方程，降低控制整个机械臂2运动的计算量，还能够降低机械臂2的尺寸，并提高机械臂2的整体稳定性。
[0085]
一些实施例中，操作者可通过自转关节216手动地驱动手术器械209自转，使得操作者可以根据需求，手动将手术器械209调整到适当的角度，调整更为方便，调整精度更高。另一些实施例中，亦可通过驱动模块驱动手术器械209转动，调整精度高，医生操作的便利度也更好。
[0086]
再次结合图4来说，在自动模式下，本实施例的机械臂2可通过控制器102 调节驱动模块以主动调整各个关节的运动状态，使手术器械209围绕空间中远程运动中心rcm运动。在手术过程中，将远程运动中心rcm置于患者的微创伤切口附近，这样机械臂2之末端的夹持部208所夹持的手术器械209的轴线始终通过远程运动中心rcm，最大程度上减少患者身体上的切口大小并避免对微创伤切口施加危险的力。
[0087]
具体的，可以通过调整第一转动关节210、第一摆动关节211、第二摆动关节213、第三转动关节214、第三摆动关节215以及自转关节216的运动状态，以实现所述机械臂2之末端的位置和姿态的调整。通过第一转动关节210的转动，可实现第一连杆2围绕第一转动关节210的旋转轴线转动，从而带动与第一连杆202相连接的第二连杆203、第四连杆205、第五连杆206、第六连杆207 以及夹持部208围绕第一转动关节210的轴线转动(亦即围绕基座201转动)，以实现所述机械臂2之末端在基坐标系下x、y轴限定的平面的位置(所述基坐标系的y轴方向为初始化时第一摆动关节的旋转轴线方向，所述z轴方向为初始化时第一转动关节的旋转轴线方向，x轴方向根据右手定则确定)；通过第一摆动关节211的转动，可实现第二连杆203围绕第一摆动关节211的旋转轴线转动，亦即可使第二连杆203以及与第二连杆203相连接的第四连杆205、第五连杆206、第六连杆207以及夹持部208围绕第一摆动关节211的旋转轴线进行摆动；通过第二摆动关节213的摆动，可实现第四连杆205围绕第二摆动关节213的旋转轴线摆动，亦即可使第四连杆205以及与第四连杆205相连接的第五连杆206、第六连杆207以及夹持部208围绕第二摆动关节213的旋转轴线摆动；通过第三转动关节214的转动，可实现第五连杆206围绕第三转动关节 214的旋转轴线转动，亦即可使第五连杆206以及与第五连杆206相连接的第六连杆207以及夹持部208围绕第三转动关节214的旋转轴线转动；通过第三摆动关节215的摆动，可实现第六连杆207围绕第三摆动关节215的
旋转轴线摆动，亦即可使第六连杆207以及与第六连杆207相连接的夹持部208围绕第三摆动关节215的旋转轴线摆动；
[0088]
通过第一转动关节210、第一摆动关节211、第二摆动关节213、第三转动关节214以及第三摆动关节215的共同作用，可实现所述机械臂2之末端在基坐标系下x、y、z三轴方向任意位置的调整，进而所述机械臂2之末端与手术器械209相配合(即通过夹持部208夹持手术器械209)，使手术器械209实现围绕远程运动中心rcm运动。
[0089]
由于第一摆动关节211的旋转轴线、第二摆动关节213的旋转轴线以及第三摆动关节215的旋转轴线相互平行(均沿y轴方向延伸)，机械臂2之末端在 x轴和z轴两个方向上的运动通过该三个摆动关节容易实现，也容易理解，此处不再详细描述。而机械臂2之末端在y轴方向上的运动则相对复杂，下面结合图5a和图5b进行举例阐述，其中图5a和图5b分别是本实施例提供的机械臂2驱使手术器械209围绕远程运动中心rcm进行摆动(机械臂2之末端沿y 轴方向运动)的不同位置的示意简图。其中，图5a为手术器械209围绕远程运动中心rcm进行摆动前的初始位置；图5b为手术器械209围绕远程运动中心 rcm逆时针转动α角度后的状态。
[0090]
如图5a所示，机械臂2处于一初始位置(该初始位置仅为相对后续运动的起始位置，并不限于机械臂2必须处于该位置)，手术器械209平行于z轴，图中的平面为患者体表的示意，远程运动中心rcm为位于该平面上的一点，手术器械209通过该远程运动中心rcm，一端插入该平面的下方(即患者体内)，手术器械209的另一端由机械臂2之末端的夹持部208所夹持，并连接于第六连杆207，机械臂2的所有连杆的轴线共面，并位于x轴-z轴平面上。如图5b所示，机械臂2之末端向图中y轴的负方向(即图中左侧)运动，而x轴坐标保持不变，使得手术器械209在y轴-z轴平面内围绕远程运动中心rcm逆时针转动α角度，此时机械臂2之末端同时向图中z轴的负方向(即图中下侧)运动，以维持机械臂2之末端与远程运动中心rcm之间的距离。图中的虚线即为机械臂2和手术器械209的初始位置(即机械臂2和手术器械209在图5a中的位置)。由于第三转动关节214的旋转轴线与手术器械209的轴线相交，仅通过第三转动关节214的转动，无法实现机械臂2之末端沿y轴方向的运动，故而由第一转动关节210产生转动，使得整个机械臂2均围绕基座201转动，即可实现机械臂2之末端沿y轴方向的运动。进而位于第一转动关节210之后的各关节和各连杆均产生相应的运动，以实现机械臂2之末端运动至图5b的位置上。需要说明的是，图5仅为示意性地限定了机械臂2在x轴上无位移，实际中，机械臂2在x轴上亦可有位移，形成空间中三维的调整。
[0091]
优选的，如果机械臂2遇到障碍物，或者受到外力阻碍，在保证机械臂2之末端运动轨迹的前提下，可通过冗余关节(如多个平行设置的摆动关节可互为冗余)调整整体构型，避开阻碍物。当所述力矩传感器306检测到外部作用力时，所述控制器102可确定受力最大的关节作为冗余调整关节，并控制电机303给予该冗余调整关节一个反向运动速度，从而控制机械臂2绕开该障碍物。
[0092]
可选的，冗余调整关节的反向运动速度为：
[0093]
vr＝v0*sgn(τr) kr*τr[0094]
其中：vr为避障关节速度，即冗余调整关节速度，v0为预设基础避障速度， sgn()为符号函数，τr为冗余关节外部力矩，kr为速度-力矩系数。
[0095]
其中，当τr＞0时，sgn(τr)＝1；当τr＜0时，sgn(τr)＝-1；当τr＝0时，sgn(τr)＝0。
[0096]
进而，可以得到冗余调整关节下一控制周期的期望位置：
[0097]
q_cmdr＝q_curr vr*cycletlme
[0098]
其中：q_cmdr为冗余调整关节下一周期的期望位置，q_curr为冗余调整关节的当前位置，cycletime为控制器控制周期。
[0099]
因此，控制器102还根据所述冗余调整关节的反向运动的速度，获得冗余调整关节下一控制周期的期望位置，以将六自由度机械臂(即包括上述5个转动自由度及一个自转关节的自由度)降维为五自由度机械臂，从而在避开障碍物的同时，能够实现手术器械209姿态的调整。
[0100]
在一个替代性实施例中，上述六自由度的机械臂的驱动模块中也可不设置力矩传感器，而是通过一检测装置直接监测电机303输出的力矩(电流)，从而对外部作用力进行监测，使得控制器102直接根据监测到的电机输出力矩，确定受力最大的关节并将该关节确定为冗余调整关节，并给冗余调整关节一个反向速度，使机械臂2绕开障碍物。
[0101]
具体的，在获取电机303的输出力矩后，所述控制器102判断电机的输出力矩与理论输出力矩的差值是否超过预设的阈值，若超过，则判断机械臂2受到外部干扰。
[0102]
这里，发明人发现，机器人动力学模型通常为：
[0103][0104]
其中：q为关节的真实位置，为关节的真实速度，为关节的真实加速度；b为惯性矩阵，c为位置速度相关矩阵，g为重力矩阵，fv为阻尼系数，fs为摩擦力，sgn()为符号函数，τ为理论关节力矩。可见，利用机器人动力学模型以及轨迹规划，可预测各关节运行过程中的驱动力矩，因此，若实际电机303的输出力矩超过预测力矩达到预设的力矩阈值后，即可判断对应的关节受到外部干扰，为冗余调整关节。
[0105]
【实施例二】
[0106]
本实施例描述驱动模块的具体配置。请参考图6和图6’，其中，图6是本发明实施例二提供的驱动模块的轴剖面的示意图，图6’是是本发明实施例二提供的力矩传感器306的示意图。
[0107]
如图6所示，所述驱动模块包括：电机303、制动器305、减速器304。所述电机303用以为关节的运动提供动力；所述制动器305用以通过抱紧或松开所述输出轴，以阻止或许可关节的运动；所述减速器304具有输入端和输出端，所述输入端与所述电机303的所述输出轴连接，所述减速器304用以将所述电机303所输出的转速降低和扭矩提高，并从减速器304的输出端输出；所述力矩传感器306设置于所述减速器304的所述输出端。
[0108]
在一个优选实施例中，所述驱动模块与所述关节一体成型，形成一关节模组。机械臂2的部分关节或者每个关节均可由所述关节模组替代。具体而言，如图6 所示，所述的关节模组包括绝对位置编码器301、增量式编码器302、电机303、减速器304、制动器305、力矩传感器306、轴承307、输出法兰308、外壳309 以及中空转轴310。
[0109]
其中，所述的绝对位置编码器301用于记录关节模组运动的绝对位置，其精度和分辨率将会影响到最终的位置精度；所述的增量式编码器302用于记录电机303的转动圈数；所述的绝对位置编码器301和增量式编码器302互为冗余，在控制过程中相互校验，可以提升系统的安全性和稳定性。所述的电机303 作为关节模组的动力来源，优选为空心轴电机，
其含有中空结构，用于安置中空转轴310。
[0110]
所述的减速机304可为谐波减速机，其包括波发生器、钢轮和柔轮，其中波发生器与所述电机303通过中空转轴310连接，钢轮与所述输出法兰308固定连接，所述柔轮与所述钢轮的齿数可以根据减速比等获得。所述谐波减速机304 体积小，可提供较大的减速比，增大了关节模组的输出能力，同时，谐波减速机 304无回差的问题，增加了关节的运动精度。需理解，本领域技术人员可通过选取其它合适的减速结构来替代谐波减速机，电机303也可以与所述钢轮通过中空转轴310连接，波发生器与所述输出法兰308固定连接，本发明对此没有特别的要求。
[0111]
所述的制动器305位于所述的电机303和所述的减速机304的波发生器之间，通过对所述中空转轴310的抱紧与放松以实现阻止或允许关节模组的运动，即当制动器305抱紧中空转轴310时，关节模组即被制动，该制动器305所对应的连接臂的运动亦被关闭而无法转动或摆动。反之即允许所对应的连接臂的运动。此外，制动器305的锁紧力矩经过减速机304的放大(例如，如果锁紧力矩是anm，经过减速比为100的减速机后就会变成100anm的力矩)，关节模组的锁紧能力将会增加。
[0112]
所述的力矩传感器306位于谐波减速机304的输出侧；所述的输出法兰308 和所述的力矩传感器306经过轴承307的同心约束连接；轴承307可以抵抗输出法兰308受到的径向的弯矩(输出法兰308连接负载后，如果负载重心不在中轴线上，则会对中轴线产生弯矩，如果没有轴承307，则力矩传感器306会受到弯矩的影响而导致测出来的数据不准确)，使力矩传感器307仅受到轴向的扭矩，以更好的测量关节的受力情况。由于力矩传感器的设置，当机械臂2在外部干扰下，机械臂2的反应会更加灵敏，在保持末端位置和姿态不变的情况下，可起到避障的作用，增加系统的安全性和可靠性。此外，模组式的关节结构便于拆装和修整。
[0113]
如图6’所示，其中的力矩传感器306优选包括内环3061、柔顺件3063、外环3062、控制单元(图中未示出)和敏感元件3064。内环3061和外环3062 同心设置，柔顺件3063在径向上连接内环3061和外环3062。所述柔顺件3063 可通过诸如线切割、电火花、激光切割、磨料水射流等机加工方法加工实现。所述柔顺件3063为薄片结构，能产生弹性变形，以较好地感测外力而产生形变。图6中所示的柔顺件3063的数量为四个，但并不限于四个，还可以为二个至六个。多个柔顺件3063可呈对称分布，包括但不限于轴对称、中心对称、旋转对称。优选，柔顺件3063的数量为四个，十字形分布。所述敏感元件3064与所述控制单元通信连接。所述控制单元用于获得柔顺件3063的形变信息，所述控制单元根据所述形变信息获得所述力矩传感器306受到的力矩。所述敏感元件3064 在本实施例中，可以采用但不局限于应变片、光纤等用于测量应变的元件，其可通过粘接等方式设置于柔顺件3063的侧面上，用以感受柔顺件3063上的应力。所述在此，柔顺件3063的侧面选自与力矩传感器306的轴向相平行的表面(即所述柔顺件3063非端面的两个面)。所述敏感元件3064不限于一个，还可以是多个。针对多个敏感元件3064，可以是两两一组形成多组，每一组敏感元件中的两个敏感元件3064对称设置，并设置于同一个柔顺件3063之相对侧面上。继而，相对侧布置的两个敏感元件3064一个受拉，一个受压，这样控制单元可以判断力矩的方向，从而获取角速度的方向。此外，多个敏感元件3064还可以布置在柔顺件3063同一侧，形成列阵，取多组敏感元件3064感测的力矩信息的均值或做其它相关处理，便可以提高敏感元件3064对力矩测量的可靠性
及容错性。
[0114]
在本实施例中，将力矩传感器306的内环3061与输出法兰308固定连接，外环3062与谐波传动减速器钢轮固定连接。而输出法兰308与所述第二壳体 106固定连接。由此，外环3063驱动所述内环3061转动，两者之间的作用力将引起柔顺件3063的变形，继而所产生的变形信息将由一个或多个敏感元件3064 感应获得，进而由所述控制单元根据敏感元件3064的形变获得所述力矩传感器 306受到的力矩。本实施例中的控制单元可以由上述的控制器替代，即由一个控制器实现所有的控制、计算等功能。
[0115]
【实施例三】
[0116]
本实施例描述手术器械209的具体选型。请参考图8和图9，其中图8是本发明实施例三提供的大球磨工具的示意图，图9是本发明实施例三提供的小磨头工具的示意图。
[0117]
如图8所示为大球磨工具。所述的大球磨工具包括驱动端部501、连杆、设在连杆上的卡口502、球磨头503和磨头接口504；大球磨工具通过卡口502与机械臂2的夹持部208卡接，且大球磨工具的连杆的轴线与自转关节216的轴线共线。球磨头503和大球磨工具的连杆通过磨头接口504连接。该工具主要用于对髋臼窝的处理，其中，球磨头503的尺寸可以根据需求选取。
[0118]
如图9所示为小磨头工具。所述的小磨头工具包括驱动端部601、连杆、设在连杆上的卡口602、小磨头604和磨头接口603；小磨头工具通过卡口602与机械臂2的夹持部208卡接，且小磨头工具的连杆的轴线与自转关节216的轴线共线。小磨头604和工具的连杆通过磨头接口603连接。该工具主要用于对骨质的平面处理，其中，小磨头604的尺寸可以根据需求选取。
[0119]
需理解，手术器械209包括但不限于如上所述的大球磨工具和小磨头工具，还可以是骨科手术中其它的操作器械。
[0120]
【实施例四】
[0121]
本实施例结合图1和图2，具体描述机器人本体1的配置。
[0122]
如图1和图2所示，所述机械臂2可设置于一机器人本体1上，具体的，所述机器人本体1包括：壳体101、升降台103和扶手104，所述的壳体101具有中空结构，用于同于支撑容纳六自由度骨科机器人的其他部件，例如控制模块 102，同时可以屏蔽外部的干扰；所述的升降台103主要用于支撑机械臂2(如可供机械臂2的基座201设置于其上)，升降台103包含一个可升降的部件，通过该可升降的部件可以调节机械臂2的整体高度，使其符合手术要求；所述扶手104用于推动机器人本体1的移动。为便于医生使用，扶手104上优选设置有系统输入输出界面，其主要包含一个控制面板，可以显示六自由度骨科机器人的运行状态和部分参数指标，同时也可以对六自由度骨科机器人的部分动作进行直接的控制，例如机器人本体1的移动等。
[0123]
所述控制器102用于实现对于机器人本体1以及机械臂2的控制，机器人本体1以及机械臂2之各个部件的信号均可输入到控制器102中，控制器102 对信号进行处理并反馈输出到各个部件，使机器人本体1以及机械臂2达到期望的位置或者姿态。优选的，所述控制器102亦可设置于所述机器人本体1的内部。更优选的，所述控制器102包括自动模式，在自动模式下，所述控制器 102控制所述驱动模块驱动所述机械臂2的各个关节运动/控制所述关节模组运动，以驱使所述手术器械209围绕一远程运动中心rcm运动。
[0124]
【实施例五】
[0125]
本实施例具体描述视觉系统4的配置。请参考图7，并结合图1，图7是本发明实施例五提供的视觉系统的示意图。
[0126]
如图1和图7所示，本发明实施例五提供的六自由度骨科机器人还包括视觉系统4，视觉系统4可实时监测手术过程中手术器械209相对于骨头的位置和机械臂2的位置和运动状态，将监测数据与手术规划的路径相匹配，并传输到控制器102，以指导机械臂2进行相对应的移动或纠正机械臂2的运动。所述视觉系统4包括：视觉台车401、多个靶标403、404、406以及探测头402，所述的视觉台车401可支撑探测头402。进一步，所述视觉台车401内部含有备用电源、数据转换器等装置。所述的探测头402用于实时接收靶标403、404和406 的位置和姿态，并产生相应图像数据，其中，靶标403置于机械臂2的末端(如夹持部208上)，用于标定手术器械209的位置和姿态；靶标406位于机械臂2 的基座201，用于标定机械臂2之基座201的初始坐标系；靶标404则置于人体骨骼预定位置上(即六自由度骨科机器人的操作对象上)，作为视觉系统4的参考坐标系。手术开始后，视觉系统4会通过机械臂2的注册(imageregistration) 将实际病灶与基于术前ct扫描、mri扫描或者x光扫描得到的人体骨骼数据建立的三维模型匹配起来，然后将机械臂2的靶标406相对于病灶的位置计算出来并传输至控制器102，以供机械臂2运动时作为参考；同时机械臂2之末端的靶标403在机械臂2实时的运动过程中可以检测机械臂2之末端的位置，而机械臂2之末端的位置是可以通过靶标406和机械臂2的运动算法(例如d-h 算法)计算得到的，因此靶标403对于机械臂2之末端的位置实时检测形成冗余，可使机械臂2的运动更加安全。
[0127]
优选的，所述视觉系统4还包括显示器405，用于显示手术器械209和骨骼的相对位置和状态。优选，同时也可显示术前规划的模拟手术的器械和骨骼的相对位置和状态等。更优选的，通过机器人本体1的系统输入输出界面，可对视觉系统4之探测头402的转动等进行直接控制，以便于使用。
[0128]
综上，视觉系统4通过固定在六自由度骨科机器人和患者身上的靶标检测出机械臂2相对于患者病灶的空间位置，使机械臂2可以在规划的轨迹上运动，同时，机械臂2在运动过程中，视觉系统4会实时地将机械臂2和病灶的空间相对位置关系反馈给控制器102，实现实时的检测，从而可加强六自由度骨科机器人整体的安全性。
[0129]
【实施例六】
[0130]
本发明实施例六提供一种通过控制器102控制与上述机械臂2之末端连接的手术器械209围绕一远程运动中心(remote center of motion)运动的示范性方法。具体的，控制器102包括：自动模式、协同模式和锁定模式。当控制器 102处于锁定模式时，机械臂2各驱动模块中的制动器或关节模组中的制动器阻止对应的连接臂的运动，使连接臂保持位置状态不变。而当控制器102处于自动模式或协同模式时，各关节之驱动模块中的制动器或关节模组中的制动器许可对应的连接臂运动，进而各驱动模块或关节模组可驱动对应的连接臂运动，进而驱动机械臂2运动至期望位置。
[0131]
请参考图11，其示出了本实施例中控制器102的自动模式的工作流程，所述工作流程包括：
[0132]
步骤801：医生完成响应术前准备。
[0133]
步骤802：控制器102进入自动模式，机械臂2根据规划模块设定的期望轨迹开始运
动。具体的，医生完成响应术前准备后，可以通过操作使控制器102进入自动模式。此时机械臂2的各关节根据规划的期望轨迹，在外力(如电机303) 的作用下开始进行运动。
[0134]
步骤803：在机械臂2运动的过程中，各个关节的力矩传感器306通过计算得到各个关节的计算输出力。
[0135]
步骤804：判断所述计算输出力与电机303的实际输出力是否一致。
[0136]
步骤805：若步骤804的判断结果为是，则说明机械臂2按照期望轨迹正常运动；进一步的，判断机械臂2是否到达目标位置。
[0137]
步骤806：若步骤804的判断结果为否，则说明机械臂2遇到障碍物，根据所述计算输出力与电机303的实际输出力得到障碍物对机械臂2所施加的外力 (即阻碍力)的方向。
[0138]
步骤807：根据步骤806所得到的外力的方向，以及机械臂2的起始运动位置获得一垂直于外力方向的运动方向，并重新规划轨迹；控制器102根据机械臂2的起始运动位置以及外力方向，可获得机械臂2下一步需运动到的中间点，再通过该中间点运动到最终的目标位置，通过中间点的设置，即可避开并绕过障碍物。步骤807执行完毕后，即可重新获得一规划轨迹，进而可回到步骤802继续执行，使机械臂2继续朝最终的目标位置运动。
[0139]
需要说明的是，步骤806和步骤807可重复执行多次，即若出现重复碰撞，则可再次重新进行轨迹规划，以绕开障碍物。
[0140]
步骤808：若步骤805的判断结果为是，则说明机械臂2到达目标位置，控制器102即退出自动模式；优选的，在控制器102退出自动模式后，可进入锁定模式。
[0141]
在自动模式中，控制器102根据预设的期望位置和所述远程运动中心rcm 的位置获得所述手术器械209的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂2各个关节的期望位置；进而所述控制器102用于根据机械臂2各个关节的期望位置，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述手术器械209围绕所述远程运动中心rcm运动，并且所述机械臂2的末端运动至期望位置，整个过程可完全在控制器102的控制下实现，无需操作人员的介入。
[0142]
请参考图10，其示出了本实施例中控制器102的协同模式的工作流程，所述协同模式的工作流程包括：
[0143]
步骤701：医生完成响应术前准备。
[0144]
步骤702：控制器102进入协同模式，医生操作机械臂2之末端进行运动。
[0145]
步骤703：规划模块根据机械臂2之末端期望到达的目标位置计算出规划的期望轨迹，根据期望轨迹确定特定轨迹(即在医生操作下机械臂2之末端的运动轨迹)运行下机械臂2之末端的受力方向。
[0146]
步骤704：根据各个关节受到的外力计算出此时机械臂2之末端受力的大小以及方向。
[0147]
步骤705：计算各个关节之电机303的输出助力的大小。具体的，可根据步骤704所计算出的机械臂2之末端的受力情况决定机械臂2之末端最后输出力的大小，进而根据机械臂2之末端最后输出力的大小以及步骤703所计算得到的机械臂2之末端的受力方向决定机械臂2之末端输出力，并通过机械臂2之末端输出力和外力(即医生的操作力)的大小和方向计算得到此时电机303需要作用在机械臂2之末端的助力大小，通过机械臂2之末端的助力大小反推出各个关节电机303的输出助力。
[0148]
步骤706：判断机械臂2是否到达目标位置。若判断结果为否，则继续执行步骤705。
[0149]
步骤707：若步骤706的判断结果为是，则说明机械臂2到达目标位置，控制器102即退出协同模式；优选的，在控制器102退出协同模式后，可进入锁定模式。
[0150]
在协同模式下，通过电机的力矩输出，可以补偿掉机械臂2本身的重力和关节的摩擦力，操作者在此状态下可拖动机械臂2，且感觉不到机械臂2的重量和阻力。同时在协同模式下拖动机械臂2时可以根据特定轨迹抵达视觉系统要求的目标位置，通过轨迹规划及力矩传感器的反馈计算达到帮助医生完成移动机械臂2的过程。
[0151]
优选的，在本实施例中，所述手术器械209的期望姿态包括手术器械209之期望坐标系的z”轴的期望姿态；所述手术器械209之期望坐标系的z”轴的期望姿态的计算如下：
[0152][0153]
其中，p
to
为机械臂2之末端在基坐标系下的期望位置，p
fo
为远程运动中心 rcm在基坐标下的位置，n
te
为机械臂2之末端期望坐标系z”轴(沿器械方向) 在基坐标系下的表示。同时，对x”轴和y”轴的取向不做强制性约束。可根据实际适应情况决定。例如，
[0154]
所述手术器械209之期望坐标系的y”轴的期望姿态为：
[0155]
p
te
＝n
te
×rtc
[0156]
所述手术器械209之期望坐标系的x”轴的期望姿态为：
[0157]rte
＝p
te
×nte
[0158]
其中：p
te
为手术器械209之期望坐标系的y”轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示；r
tc
为手术器械209的坐标系的x”轴的当前姿态在机械臂基坐标系下的表示；r
te
为手术器械209之期望坐标系的x”轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示。在一个优选实施例中，所述控制器结合期望笛卡尔速度，计算各关节速度。关节速度具体为：
[0159][0160]
其中，为关节速度，j为雅克比矩阵，v为期望笛卡尔速度。本发明根据预设关节速度，来获取姿态调整时实际的关节运动速度，这样可以增加底层速度控制，保证运动平稳性，防止运动过程中产生抖动。
[0161]
【实施例七】
[0162]
请参考图12和图13，其中，图12是本发明实施例七提供的机械臂的关节示意图，图13是本发明实施例七提供的第五连杆的示意图。
[0163]
在本发明实施例七提供的六自由度骨科机器人中，所述第三转动关节214的旋转轴线、所述第三摆动关节215的旋转轴线以及所述自转关节216的转动轴线相交于一点。优选的，所述第六连杆207的轴线与所述第三摆动关节215的旋转轴线共线。
[0164]
如图12和图13所示，并结合图3，所述机械臂2中的第五连杆206为偏置连接结构。具体而言，所述第五连杆206包括相连接的第一子连杆2061和第二子连杆2062，所述第一子连杆2061与所述第三转动关节214连接，所述第二子连杆2062与所述第三摆动关节215连接；所述第一子连杆2061的轴线与所述第三转动关节214的旋转轴线共线；所述第二子连杆2062的轴线与所述第一子连杆2061的轴线平行，且所述第二子连杆2062的轴线与所述第三摆动关节215 的旋转轴线垂直相交。此时，第二子连杆2062相对于第三转动关节214和夹持
部208即为偏置的，例如，如图3所示的，第二子连杆2062位于第三转动关节 214之转动轴线和夹持部208的右侧(但实际中，不限于右侧，还可以是第三转动关节214之转动轴线的左侧)。这样可以使得机械臂2的末端更为紧凑，在能实现相同运动范围的前提下，结构尺寸较小，且能使得机械臂2的末端在运动过程中的占用空间更小，更便于在手术过程中安装和使用。
[0165]
更进一步的，请参考图13，图13示出了一种第五连杆206的具体结构，其包括：大丝轮2063与小丝轮2064，其中所述大丝轮2063置于所述第一子连杆 2061的远端部，所述小丝轮2064与所述第三摆动关节213连接。第三摆动关节 213的驱动装置可装设在第一子连杆2061的内部，在所述驱动装置的驱动下，所述大丝轮2063通过柔索(如钢丝)转动带动小丝轮2064转动，实现所述第三摆动关节213同步转动，进而实现夹持部208同步摆动。较佳的，所述第五连杆 206还包括导向丝轮2065和2066，环绕大丝轮2063后的柔索经过导向丝轮2065 和2066导向后向所述小丝轮2064延伸。所述导向丝轮2065、2066被配置为与柔索相切，同时柔索与小丝轮2064相切，这四个切点组成一矩形。如此配置，可以使柔索的张开范围可控制于一较小的范围内，避免柔索与机械臂的其它结构产生干涉。
[0166]
【实施例八】
[0167]
本发明实施例八的六自由度骨科机器人中，自转关节216不具有驱动模块，其为被动转动关节。在使用类似于所述的大球磨工具时，医生需要手持工具，通过机械臂2的辅助定位来实现手术操作，此时，医生需要根据自身的需求调整工具的角度，即需要机械臂2的自转关节216为被动转动关节；可选的，该关节内部含有传感器和制动器，使医生的动作更具有操作性。其中的传感器如可为力矩传感器，其亦可向控制器102反馈该自转关节216的受力情况等。关于传感器和制动器的设置原理，可参考实施例一，此处不再赘述。
[0168]
【实施例九】
[0169]
本实施例九提供一种七自由度的骨科机器人，其与实施例一提供的六自由度的骨科机器人基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。
[0170]
请参考图14至图15c，其中，图14是本发明实施例九提供的机械臂的关节示意图；图15a～图15c是本发明实施例一中七自由度骨科机器人驱使手术器械摆动的示意简图。
[0171]
如图14所示，在本实施例九中，所述骨科机器人还包括第二转动关节212，所述第二转动关节212设置于所述第一摆动关节211和所述第二摆动关节213 之间，所述第二转动关节212分别通过连接臂与所述第一摆动关节211和所述第二摆动关节213连接；其中，所述第二转动关节212的旋转轴线分别与所述第一摆动关节211的旋转轴线和所述第二摆动关节213的旋转轴线垂直；所述第二转动关节212具有驱动模块，所述第二转动关节212的驱动模块用于在所述控制器控制下驱动所述第二转动关节212运动。
[0172]
请参考图3，所述连接臂还包括：第三连杆204，所述第三连杆204的近端通过所述第二转动关节212与所述第二连杆203的远端连接，通过第二转动关节212可驱动第三连杆204相对第二连杆203转动；第三连杆204的远端通过所述第二摆动关节213与所述第四连杆205的近端连接，通过第二摆动关节213 可驱动第四连杆205相对第三连杆204摆动。
[0173]
可选的，所述第二转动关节212的旋转轴线分别与所述第一摆动关节211的旋转轴线和所述第二摆动关节213的旋转轴线相交。进一步的，所述第一转动关节210的旋转轴线与所述第二转动关节212的旋转轴线相交于一点；所述第二转动关节212的旋转轴线与所述
第三转动关节214的旋转轴线相交于一点。如此设置，可以简化机器人运动学方程，降低控制整个机械臂2运动的计算量，还能够降低机械臂2的尺寸，并提高机械臂2的整体稳定性。
[0174]
如图14所示，本实施例所提供的机械臂2具有7个转动自由度。具体的，分别由第一转动关节210、第一摆动关节211、第二转动关节212、第二摆动关节213、第三转动关节214、第三摆动关节215和自转关节216提供。通过该7 个关节的配合，可实现手术器械209的空间位置和姿态的调整，并实现围绕一远程运动中心rcm运动。特别的，通过第二转动关节212的设置，使至少两个转动关节(如第二转动关节212和第三转动关节214)的自由度互为冗余，增加了机械臂2关节的灵活性，同时可使得机械臂2在操作空间上更大，提高了机械臂2的避障能力，还能很好的避免机械臂2在运动过程中出现“奇异”的状况。具体地，“奇异”是机械臂2在运动中达到的一种不可控的状态；“奇异”的特征主要表现为：机械臂2的自由度减少从而无法实现某些运动；某些关节角速度趋向于无穷大从而导致失控；以及，无法求逆运算等。此外，相比于现有，本发明的机械臂2的整体尺寸小，质量轻，便于安装和使用。
[0175]
由于第一摆动关节211的旋转轴线、第二摆动关节213的旋转轴线以及第三摆动关节215的旋转轴线相互平行(均沿y轴方向延伸)，机械臂2之末端在 x轴和z轴两个方向上的运动通过该三个摆动关节容易实现，也容易理解，此处不再详细描述。而机械臂2之末端在y轴方向上的运动则相对复杂，下面结合图15a至图15c进行举例阐述，其中图15a至图15c分别是本实施例九提供的机械臂2驱使手术器械209围绕远程运动中心rcm进行摆动(机械臂2之末端沿y轴方向运动)的不同位置的示意简图。其中，图15a为手术器械209围绕远程运动中心rcm进行摆动前的初始位置；图15b为手术器械209围绕远程运动中心rcm逆时针转动α角度，且第二转动关节212关闭而不进行转动；图15c为手术器械209围绕远程运动中心rcm逆时针转动α角度，且第二转动关节212开启转动。其中，图15b与图15c中的手术器械209的位置相同，两者仅机械臂2的运动方式不同。
[0176]
如图15a所示，机械臂2处于一初始位置(该初始位置仅为相对后续运动的起始位置，并不限于机械臂2必须处于该位置)，手术器械209平行于z轴，图中的平面为患者体表的示意，远程运动中心rcm为位于该平面上的一点，手术器械209通过该远程运动中心rcm，一端插入该平面的下方(即患者体内)，手术器械209的另一端由机械臂2之末端的夹持部208所夹持，并连接于第六连杆207，机械臂2的所有连杆的轴线共面，并位于x轴-z轴平面上。如图15b 和图15c所示，机械臂2之末端向图中y轴的负方向(即图中左侧)运动，而 x轴坐标保持不变，使得手术器械209在y轴-z轴平面内围绕远程运动中心 rcm逆时针转动α角度，此时机械臂2之末端同时向图中z轴的负方向(即图中下侧)运动，以维持机械臂2之末端与远程运动中心rcm之间的距离。图中的虚线即为机械臂2和手术器械209的初始位置(即机械臂2和手术器械209 在图15a中的位置)。在图15b中，第二转动关节212关闭而不进行转动，此时，由于第三转动关节214的旋转轴线与手术器械209的轴线相交，仅通过第三转动关节214的转动，无法实现机械臂2之末端沿y轴方向的运动，故而必然需要由第一转动关节210产生转动，使得整个机械臂2均围绕基座转动，才能实现机械臂2之末端沿y轴方向的运动。进而位于第一转动关节210之后的各关节和各连杆均产生相应的运动，以实现机械臂2之末端运动至图15b的位置上。在图15c中，第二转动关节212开启转动，可限定第一转动关节210关闭而不进行转动，此时，第二连杆203与第三连杆204的轴线仍位于x轴-z轴平面上，通过第二转动关节212的转动，使机械臂2之末端沿y轴方向运动，当然此时机械臂2的各摆动关节以
及第三转动关节214均产生相应的运动，以实现机械臂2之末端运动至图15c的位置上。此外由于第二转动关节212的设置，在一些情况下，可使第一转动关节210关闭而不转动，由于第一转动关节 210位于基座201处，其关闭而不转动可提高整个机械臂2的稳定性，降低机械臂2之末端的运动误差。
[0177]
综上可以知道，第一转动关节210与第二转动关节212的自由度互为冗余。实际中，当第一转动关节210与第二转动关节212均开启转动时，机械臂2对于实现手术器械209由图15a中的位置向图15b或图15c的位置运动过程，可以有无数多种解(即位于图15b和图15c之间的若干运动方式)，由此，增加了机械臂关节的灵活性，同时可使得机械臂在操作空间上更大，提高了机械臂的避障能力，还能很好的避免手术器械在运动过程中出现“奇异”的状况。需要说明的是，图5仅为示意性地限定了机械臂2在x轴上无位移，实际中，机械臂2 在x轴上亦可有位移，此时，互为冗余的第一转动关节210与第二转动关节212 能够发挥出更大的功效。当机械臂2在某一运动路线中遇到障碍物时，可方便地通过冗余关节的互补，通过多条不同的运动路线绕开该障碍物。
[0178]
优选的，如果机械臂2遇到障碍物，或者受到外力阻碍，在保证机械臂2之末端运动轨迹的前提下，可通过冗余关节调整整体构型，避开阻碍物。当所述力矩传感器306检测到外部作用力时，所述控制模块102可确定受力最大的关节作为冗余调整关节，并控制电机303给予该冗余调整关节一个反向运动速度，从而控制机械臂2绕开该障碍物。
[0179]
综上所述，本发明提供的骨科机器人包括机械臂，所述机械臂之末端的夹持部用于夹持一手术器械；而所述机械臂包括从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第三转动关节、第三摆动关节和夹持部，通过上述若干关节的配合，可实现手术器械的空间位置和姿态的调整，并实现围绕一远程运动中心rcm运动。相比于现有，本发明的机械臂的整体尺寸小，质量轻，便于安装和使用，进而可使得骨科机器人的整体尺寸较小，结构简单，可靠性高。
[0180]
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
[0181]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。