一种口腔种植机器人的末端执行器及柔顺控制方法

本发明涉及口腔种植机器人技术领域，尤其是一种用于口腔种植机器人的沿种植窝洞轴向单一自由度进给的末端执行器及其柔顺控制方法。

背景技术：

牙齿的缺失会影响人的咀嚼，发音，容貌以及消化等功能，严重降低患者的生活质量，而种植修复是修复牙齿缺失的一个重要手段，被称为是继乳牙、恒牙后的人类“第三幅牙齿”。

种植牙指的是一种以植入骨组织内的下部结构(种植体)为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。它采用人工材料(如金属、陶瓷等)制成种植体(一般类似牙根形态)，经手术方法植入组织内(通常是上下颌)并获得骨组织牢固的固位支持，通过特殊的装置(基台与中心螺钉)和连接方式支持上部的牙修复体。相对于传统牙齿修正方法，种植牙有着非常突出的优点：(1)具有较好的稳定性，种植牙不会像普通活动假牙一样在吃饭或说话时可能发生脱落造成堵住气管或食道的危险；(2)人工牙根深植于牙槽骨内，对牙槽骨有功能性刺激，能保护牙槽骨结构，避免其萎缩；(3)种植义齿通过基桩上的固位装置，将上部义齿固定，有良好的固位和稳定作用可增加舒适感，有很好的咀嚼力；(4)人工植牙可以有较长的使用寿命，另外外型美观，就像天然牙齿一般，说话时面部表情更加自然。

种植体的植入精度是评价种植牙修复的重要评价标准，研究表明，种植体的实际植入颌骨的位置与术前规划的方案偏差过大时，无法满足患者原本的咬合关系，从而导致植入的种植体在日常生活中，因长期咀嚼出现应力遮挡造成骨严重吸收从而导致种植体过早脱落或应力集中出现的种植体机械断裂等一系列并发症。决定种植牙手术精度的最关键因素在于窝洞制备的精度，制备高质量的窝洞是口腔种植界不断追求的目标。目前临床上完成窝洞制备环节的导航方法主要有静、动态导航引导以及自由手种植牙三种方式。而这三种方式都需要医生手持工具进行操作，普遍存在手容易存在不自主抖动、颌骨钻孔振动、在口腔狭小空间内不舒适内操作导致疲劳且视野不佳等问题，致使口腔种植手术缺乏必要的稳定性。

相对于人手，机器人具有更高的精确性、稳定性以及可重复性，目前机器人在医疗领域有着非常广泛的应用，如应用于普通外科、胸外科、泌尿外科等的davinci手术机器人系统，用于骨科的天玑骨科手术机器人系统等。在口腔种植领域，手术机器人的应用也得到了较深入的研究，如美国的yomi牙科手术机器人系统获得了fda批准，我国空军军医大学赵铱民团队研发的完全自主式机器人也于2017年获得了临床应用。随着人工智能技术与机器人技术的不断发展与结合，手术机器人在口腔种植领域的应用或许将越来越广泛。但由于手术机器人在口腔种植领域的应用时间不长，在一些关键问题上仍需突破。

目前的口腔种植机器人一般应用于种植牙手术过程中的窝洞制备环节。其制备过程通常是在机器人末端安装夹紧机构，利用其夹紧种植手机，之后利用机器人各关节的旋转等运动来控制种植手机的末端位姿和运动轨迹完成颌骨中备孔的进给运动。但此过程中存在一些不足：(1)机器人本体调整位姿并定位到种植点位上方后，需要依靠机器人本体的运动位姿调整来实现钻针轴向进给备孔，并保证备孔过程的轴向运动精度，对机器人本体的整体刚度要求很高；(2)由于种植手术通常采用的是局部麻醉的方式，因此患者位置在手术中无法保证固定不变，需要机器人系统具有导航随动功能，采用机器人整体运动实现末端位姿随动并同时沿窝洞轴向进给运动，加大了机器人刚度要求和运动控制的难度；(3)机器人各关节的旋转存在一定误差，这些误差叠加进而导致所制备的窝洞位置与形状不准确，影响到种植体的初期稳定性以及骨结合的形成等，使得种植牙修复效果降低，因此沿窝洞轴线进给运动时，减少对机器人整体运动关节调整的依赖，将有利于提高窝洞精度；(4)机器人进行轨迹规划时，一般采用插补法，用机器人本体的整体运动来获得进给运动末端位姿的实时调整，其运算量较大，会增加系统的运算负担；(5)与工业上在均匀材料上钻孔不同，颌骨具有非均匀的力学特性，其内部每一处的密度、硬度、杨氏模量等性能参数都不相同，因此在颌骨中备孔时，钻针在圆周上各点受到的切削力不一致，容易导致钻针轴线偏移，甚至卡死，因此钻针轴线的柔顺控制非常必要。

技术实现要素：

为了克服已有技术的不足，为了保证沿窝洞轴向进给运动的精度，使机器人整体刚度满足末端位姿稳定性要求，解决口腔种植机器人关节旋转位置误差叠加对窝洞精度的影响，解决颌骨中钻孔时由于其非均匀力学特性导致的轴线偏移问题，进一步提高口腔种植机器人手术的精度，本发明提出了一种应用于机器人末端、沿窝洞轴线单一自由度进给运动的口腔种植机器人的末端执行器及柔顺控制方法，为口腔种植机器人提供一冗余自由度并利用轴线柔顺控制适应在颌骨中制备窝洞时由于其非均匀力学特性导致的钻针受力不均和轴线偏移问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种口腔种植机器人的末端执行器，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，末端执行器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。

进一步，所述机器人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，闭环步进电机连接闭环步进电机驱动器，闭环步进电机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。

一种口腔种植机器人的末端执行器的柔顺控制方法，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。

进一步，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。

更进一步，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。

本发明的有益效果主要表现在：1.采用基于力反馈的轴线柔顺控制，使机器人移动顺应患者在术中的移动，提高窝洞精度；2.降低备孔时对机器人本体的刚度要求；3.为机器人增加了一个冗余自由度，使机器人运动相对更加灵活；4.利用末端执行器直接进行直线进给完成钻孔操作，避免了机器人关节旋转所带来的误差，提高窝洞制备精度；5.在夹持机构与种植手机之间设置橡胶垫，降低钻孔时种植手机的振动对机器人本体的影响；6.使机器人在钻孔阶段无需进行过多的轨迹规划，降低了系统运算负担。

附图说明

图1是用于口腔种植机器人的末端执行器的原理图，1.机器人本体2.六维力传感器3.末端执行器4.闭环步进电机驱动器5.计算盒6.电脑7.嵌入式系统8.控制柜。

图2是直线进给机构示意图，21.闭环步进电机22.挡板23.联轴器24.种植手机25.法兰26.滑轨27.直线位移传感器28.底板29.滚珠丝杠210.滑块211.夹持机构212.橡胶垫。

图3是末端执行器运动情况示意图。

图4是口腔种植机器人的末端执行器的柔顺控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种口腔种植机器人的末端执行器，包括六维力传感器2、直线进给机构、闭环步进电机驱动器4和直线位移传感器28，直线进给机构包括闭环步进电机21、滚珠丝杠29、滑块210以及种植手机24，闭环步进电机21与滚珠丝杠210通过联轴器连接，滑块210安装于滚珠丝杠29上，夹持机构211通过螺栓与滑块210连接，夹持机构211夹持种植手机24，两者之间安装橡胶垫212，用于增加摩擦力以及减震；进给过程中，闭环步进电机22输出轴回转，通过滚珠丝杠29转化为直线位移带动滑块210运动，滑块210带动夹持机构211与种植手机24进行运动，末端执行器侧方装一直线位移传感器28，传感器一端抵住滑块210以测量滑块与传感器间的相对距离，滑块210和传感器整体安装于法兰25上方，法兰25连接于六维力传感器2上。

进一步，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6，下位机采用嵌入式系统7，六维力传感器2通过计算盒5连接至电脑6，闭环步进电机21连接闭环步进电机驱动器4，闭环步进电机驱动器4与直线位移传感器28连接至嵌入式系统7，再通过数据总线连接至电脑6；嵌入式系统将7数据反馈至电脑6，电脑6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8。

一种口腔种植机器人的末端执行器的柔顺控制方法，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。

进一步，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。

更进一步，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。

本实施例中，机器人本体1连接六维力传感器2，六维力传感器2连接末端执行器(末端执行器)。

控制部分：六维力传感器2连接至计算盒5，计算盒5连接电脑，用于上传力反馈数据；步进电机3连接驱动器4，驱动器4与直线位移传感器连接嵌入式系统7，嵌入式系统再连接电脑6，用于步进电机的控制以及位置数据的反馈与上传；机器人本体1连接控制柜8，再连接电脑6，用于机器人本体的轨迹控制。

工作方式：闭环步进电机21与滚珠丝杠通过联轴器23连接，滑块29安装于滚珠丝杠上，下方与滑轨26连接，夹持机构211通过螺栓与滑块29连接，夹持机构211夹持种植手机24，两者之间安装橡胶垫212，用于增加摩擦力以及减震。进给过程中。步进电机21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，末端执行器侧方装一直线位移传感器27，传感器一端抵住滑块以测量滑块与传感器间的相对距离，整体安装于法兰25上，再与机器人本体相1连。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。