骨科机器人的制作方法

技术特征：
1.一种骨科机器人，其特征在于，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：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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，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；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；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；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；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。3.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，所述夹持部包括用于实现所述手术器械自转的自转关节；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。4.根据权利要求1～3中任一项所述的骨科机器人，其特征在于，所述驱动模块包括：
电机，具有输出轴，用以为关节的运动提供动力；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；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。5.根据权利要求4所述的骨科机器人，其特征在于，所述驱动模块还包括：绝对位置编码器，用以记录关节运动的绝对位置；和/或增量式编码器，用以记录所述电机的转动圈数。6.根据权利要求4中任一项所述的骨科机器人，其特征在于，所述连接臂组件包括：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；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。7.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，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。8.根据权利要求7所述的骨科机器人，其特征在于，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。9.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，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。10.根据权利要求9所述的骨科机器人，其特征在于，所述冗余调整关节做反向运动的速度为：v
r
＝v0*sgn(τ
r
) k
r
*τ
r
其中，v
r
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，τ
r
为冗余关节外部力矩，k
r
为速度-力矩系数。11.根据权利要求10所述的骨科机器人，其特征在于，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：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。12.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，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。13.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，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。14.根据权利要求1所述的骨科机器人，其特征在于，还包括：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；以及手术器械，可拆卸地设置于所述机械臂的夹持部。

技术总结
本发明提供一种骨科机器人，所述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。靠性高。靠性高。


技术研发人员：ꢀ(74)专利代理机构
受保护的技术使用者：苏州微创畅行机器人有限公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2022/4/8