[发明专利]一种口腔种植机器人的末端执行器及柔顺控制方法

权利要求书

1.一种用于口腔种植机器人的末端执行器，其特征在于，包括六维力传感器、直线进给机构、闭环步进电机驱动器和直线位移传感器，直线进给机构包括闭环步进电机、滚珠丝杠、滑块以及种植手机，闭环步进电机与滚珠丝杠通过联轴器连接，滑块安装于滚珠丝杠上，夹持机构通过螺栓与滑块连接，夹持机构夹持种植手机，两者之间安装橡胶垫，用于增加摩擦力以及减震；进给过程中，步进电机输出轴回转，通过滚珠丝杠转化为直线位移带动滑块运动，滑块带动夹持机构与种植手机进行运动，直线进给机构侧方装一直线位移传感器，传感器一端抵住滑块以测量滑块与传感器间的相对距离，滑块和传感器整体安装于法兰上方，法兰连接于六维力传感器上。

2.如权利要求1所述的一种用于口腔种植机器人的末端执行器，其特征在于，所述末端执行器还包括直线进给控制部分，所述直线进给控制部分包括上位机与下位机两部分，上位机采用电脑，下位机采用嵌入式系统，六维力传感器通过计算盒连接至电脑，步进电机连接驱动器，驱动器与直线位移传感器连接至嵌入式系统，再通过数据总线连接至电脑；嵌入式系统将数据反馈至电脑，电脑对数据处理后将运动指令下达至嵌入式系统以及机器人本体的控制柜。

3.一种如权利要求1所述的用于口腔种植机器人的末端执行器的柔顺控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)种植方案与引导数据准备

医生根据患者口腔的CBCT图像与石膏取模或口内扫描获取的数据进行三维模型的重建，确定种植体数目、位置、角度、深度及大小，进行手术方案的设计；根据CT图像中的骨密度情况与预设窝洞的位置和深度对手术过程中X、Y、Z三轴的力进行预测，生成力反馈引导数据与位置数据；并在种植方案上设计定位标志器，利用3D打印出来后用于手术过程的病人位置的实时导航定位；

(2)末端执行器位置初始化

由于通电前滑块可能会由于碰撞因素导致初始位置不在原点，因此通电后，末端执行器首先会根据位置传感器反馈的位置信息使滑块返回原点，进行位置初始化操作；

(3)进给参数设置

在备孔前，操作人员在机器人控制系统图形界面中导入步骤一中生成的力反馈引导数据与位置数据，并对术中进给速度等参数进行设置；

(4)机器人路径规划

手术中，患者佩戴标志块，机器人首先利用相机捕捉标志块位置，控制器利用标志块位置实时计算预设窝洞的当前坐标并对机器人末端执行器进行引导，使末端执行器上种植手机钻针的轴线与预先设计好的种植体窝洞轴线在一条直线上，使钻头末端距离钻孔位置1mm；

(5)末端执行器进给运动

到达预定位置后，滑块带动夹持机构，夹持机构夹持种植手机执行进给，使钻针沿轴线方向运动，在钻针接触到骨组织时，轴线方向上的力会出现突变，此突变信号作为一个标志，此时开始进行基于力反馈的轴线柔顺控制；

(6)轴线柔顺控制

备孔过程中，由于人体骨密度不均匀，因此在备孔过程中钻针各方向受力不均匀，对钻针处状态进行识别，即某处骨密度相差较大，力传感器感受到的力在各方向上会发生变化，此时根据骨组织切削力学模型，获得需要调整的钻削参数，如降低进给速度防止出现较大偏移等，同时利用机器人腕部关节的旋转产生力矩进行设定的力量补偿，维持其轴线位置；

(7)末端执行器的随动

在备孔过程中可能会因患者移动导致轴线偏移甚至备孔失败，因此在备孔过程中双目相机光学导航系统拍摄与患者口腔固定的定位标志器，以获得实时的患者位置和种植点位，结合机器人力反馈数据，根据力反馈数据的变化情况对力与视觉的信息权重进行调整，判断患者的动作与位置，据此改变末端执行器的位姿以顺应患者的移动，同时检测力反馈数据是否向预期方向发展，以此实现基于力反馈的轴线柔顺控制；

(8)进给量判断

在进给过程中不断利用末端执行器上的直线位移传感器进行位置数据的采样，以判断钻针进给量是否到达预设值。若进给完成，则机构带动种植手机返回初始位置准备下一次备孔。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(9)逐级备孔

由于种植手术中备孔为逐级备孔，因此若当前并非最后一级备孔，则操作人员为种植手机更换钻头，并重复(4)至(8)步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(10)术中安全警示与急停

在进给过程中，若六维力传感器所采集到的数据超过所设置的警示数值，系统将进行报警提醒操作者当前状态，若反馈数值与警示数值差值达到一定数值，则机器人采取急停措施。