CN110545747A - 磁耦合和校准机器人系统的方法 - Google Patents

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CN110545747A CN201880026626.6A CN201880026626A CN110545747A CN 110545747 A CN110545747 A CN 110545747A CN 201880026626 A CN201880026626 A CN 201880026626A CN 110545747 A CN110545747 A CN 110545747A
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Abstract

一种用于校准机械人的具有末端执行器的机械臂的设备，该设备包括具有主体、接收面、安装构件以及磁性部分的磁耦合器。安装构件构造成固定地连接到机械臂的末端执行器。提供了一种具有球和手柄的机械数字转换器探头，其中该球固定地附接到手柄的远端，并且该球经由接收面上的磁性部分可移除地耦合到磁耦合器，以形成可旋转的球窝连接，并且手柄的近端适于连接到与机器人关联的机械数字转换器。还详细描述了用于校准机器人的机械臂的方法。

Description

磁耦合和校准机器人系统的方法
相关申请
本申请主张于2018年3月7日提交的序列号Wie62/639,703的美国临时申请的优先权；以及于2017年4月24日提交的序列号为62/489,070的美国临时申请的优先权；其内容通过引用将其内容合并于此。
技术领域
本发明总体上涉及计算机辅助骨科(orthopedic surgery)领域，并且更具体地涉及一种用于校准和诊断机器人系统的一个或多个组件的系统和方法。
背景技术
自主计算机辅助手术系统通常包括附接到基座的机械臂(robotic arm)。机械臂执行一组在术前或术中创建的指令，以帮助用户执行特定的医疗程序。一种这样的系统是ROBODOCTM手术系统(THINK Surgical，加利福尼亚州弗里蒙特)，它可以帮助用户精确地铣削股骨腔，以接受全髋关节置换术(THA)的植入物。如现有技术图1A和1B所示，ROBODOCTM手术系统100通常包括机器人基座140，具有各种链接(links)和关节(joints)的机械臂150，末端执行器凸缘(flange)170，机械数字转换器(mechanical digitizer)120以及机器人计算系统160。末端执行器凸缘170位于机械臂150的远侧链接(distal link)上，并且适于将一个或多个不同的末端执行器180附接到机械臂150。系统100还包括位于系统100的任一侧上的两个骨运动监测器(145a，145b)(BMMs)，在手术过程中其连接到骨骼并监视骨骼运动。机械数字转换器120可拆卸地安装在基座140上，并相对于机械臂150进行校准，以便数字转换器120可以在手术中收集骨骼上的点以配准位置和方向(POSE)并坐标转换骨骼、手术计划、以及机械臂150，如美国专利6,033,415所述。
为了确保准确地创建骨腔，机械臂150、机械数字转换器120以及工具都应在严格的操作参数范围内。通常，机械臂150和机械数字转换器120在客户现场首次安装时由制造商校准。运动学参数(例如，Denavit-Hartenberg(DH)参数或修改后的DH参数)已更新以解决任何错误，包括关节级错误，运动学建模错误以及非几何错误。随后，在每次医疗程序之前，都要验证校准(即执行诊断)，以确保系统在指定的精度容限内运行。
如图2所示，校准方法通常是机器人运动学参数的建模200、测量202、识别204以及执行(implementation)206的集成过程。可以在文献中找到每个机器人校准步骤的更详细说明，包括：Mooring等人，“机械臂校准基础”，1991年；Elatta等人，“机器人校准概述”，信息技术期刊3(1)：74-78，2004。
许多不同的外部测量装置和方法用于校准或验证机械臂150的校准，包括使工具尖端接触参考部件、激光三角测量和卡尺。由于这些技术中的许多已在工业机器人上使用，由于手术环境和严格的法规要求，它们在计算机辅助手术系统中的使用受到限制。例如，ROBODOCTM手术系统100利用参考板(reference plate)。参考板具有多个基准点，这些基准点在非常严格的公差范围内以已知距离隔开。机械臂150被引导至每个参考点的中心。基于制造商的运动学参数和机器人的关节编码值(joint encoder values)，在这些点的每一个上记录机械臂150的位置。这些点之间的记录位置以及每个点之间的已知距离用于识别新的运动学参数。但是，这些程序步骤通常很耗时，并且需要附加的硬件(即参考零件，校准探头，光学跟踪系统)。另外，并且特别是对于ROBODOCTM系统100，必须卸下安装在基座140上的机械数字转换器120，以便为机械臂150提供足够的工作空间以到达并在参考板上记录足够的参考点。在对机械臂150进行校准之后，将机械数字转换器120重新组装到基座140，在该基座140上机械数字转换器120的坐标系与机械臂150的坐标系之间的坐标转换(coordinate transformation)，从而使骨骼可以精确地配准在机械臂150的坐标系中。当前，使用相同的参考板确定数字转换器120和机械臂150之间的坐标转换的计算，其中将数字转换器手动引导到多个参考点。总而言之，拆卸数字转换器120，校准机械臂150，重新组装数字转换器120，然后确定数字转换器120和机械臂150之间的坐标转换是费时的，大约几个小时。
因此，需要一种用于校准和诊断机器人系统的一个或多个组件的有效方法。
发明内容
一种用于对机器人的具有末端执行器的机械臂进行校准的装置，包括具有主体、接收面、安装构件以及磁性部分的磁耦合器(magnetic coupler)。安装构件构造成固定地连接到机械臂的末端执行器。提供了一种具有球和手柄的机械数字转换器探头，其中该球固定地附接到手柄的远端，并且该球经由接收面上的磁性部分可移除地耦合到磁耦合器，以形成可旋转的球窝连接(ball and socket connection)，并且手柄的近端适于连接到与机器人关联的机械数字转换器。
一种用于校准机器人的机械臂的方法，包括通过上述详细装置将机械数字转换器臂磁性地耦合至机械臂的末端执行器。机械臂被操纵到多个校准位置并且在每个校准位置处暂停。记录每个校准位置上机械臂的一组关节值(joint values)。末端执行器在每个校准位置的空间位置均通过机械数字转换器测量。利用校准算法测量机械臂的一组运动学参数，该算法使用一组关节值以及在每个校准位置记录和测量的空间位置。执行一组机器人运动学参数以完成机械臂的校准。
附图说明
关于以下附图，将进一步详细描述本发明，这些附图旨在示出本发明的某些方面，但是不应被解释为对本发明的实践的限制。
图1A和1B分别示出了现有技术的机器人系统的正视图和侧视图；
图2为描述根据本发明实施例的其中具有子步骤的发明实施例的机器人校准的一般方法的流程图；
图3为描述根据本发明实施例的用于机器人校准的方法的流程图；
图4为根据本发明实施例的机器人校准程序的功能框图。
图5A和5B示出了根据本发明实施例的经由校准装置耦合至机械数字转换器的机械臂150，其中图5A为其侧视图，图5B为校准装置的详细图；
图6A为根据本发明实施例的校准装置；
图6B-6D显示了图6A的根据本发明实施例的校准装置的磁耦合器，其中图6B为主视图，图6C为侧视图，图6D为后视图；
图7A为根据本发明实施例的校准装置；
图7B和7C显示了根据本发明实施例的图7A的校准装置的磁耦合器，其中图7B为主视图，图7C为后视图；
图8A为根据本发明实施例的校准装置；
图8B为图8A的根据本发明实施例的校准装置的磁耦合器的前视图；
图8C为图8A的根据本发明实施例的校准装置的分解图；
图9A示出了根据本发明实施例的通过诊断校准装置以对骨运动监视器执行诊断的方式的磁性耦合至末端执行器的骨运动监视器；以及
图9B和9C示出了根据发明实施例的图9A所示的诊断校准装置，其中图9B为其立体图，图9C为其纵向剖视图。
具体实施方式
本发明具有作为用于校准机械臂的系统和方法的实用性。该系统和方法对于减少校准时间并同时确定机械数字转换器和机械臂之间的坐标转换特别有利。本文参考了该方法和系统在系统上的应用，应当理解的是，用于医学或工业应用的任何自主、半自主或被动机器人系统都可以受益于所公开的设备和方法。
对本发明的各种实施例的以下描述并非旨在将本发明限制为这些特定实施例，而是使本领域的任何技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本发明。
本文提及的所有出版物、专利申请、专利以及其他参考文献通过引用整体并入本文。
除非另外明确指出或通过上下文指示，否则本文使用如下所述的以下术语。
如在本发明的说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述的”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
另外，如本文所用，“和/或”是指并涵盖一个或多个相关列出的项目的任何和所有可能的组合，以及当以备选方式(“或”)解释时缺乏组合。
如本文所用，术语“校准”是指识别机械臂的更准确的运动学参数(例如，机械臂的链节和关节的相对位置和取向)的过程。
如本文所使用的，术语“机械数字转换器”是指能够测量三维空间中的物理坐标的测量装置。“机械数字转换器”是指由无源链接和关节组成的机械数字转换器，例如美国专利No.6,033,415中所述的高分辨率机电传感器臂。
如以上参考图1A所示和所述，“末端执行器”180被示为附接到末端执行器凸缘170的工具。然而，在下文中，“末端执行器”广义上是指机械臂的远侧链接的远端。根据所述定义，“末端执行器”现在是指：a)末端执行器凸缘；b)装在末端执行器凸缘上的工具；和/或c)带有或不带有附接其上的工具的末端执行器固定装置/机构/耦合器。
现在参考附图，在特定的发明实施例中，参考图3，一种用于校准机械臂150的方法通常包括以下步骤：(a)将机械数字转换器臂磁耦合到机械臂150的末端执行器180(方框S110)；(b)将机械臂150操纵到多个校准位置(方框S120)；(c)在每个校准位置记录机械臂150的关节值(方框S130)；(d)用机械数字转换器120在每个校准位置测量末端执行器180的空间位置(方框140)；(e)利用校准算法来识别机械臂150的一组运动学参数，该校准算法利用该组关节值以及在每个校准位置处记录和测量的空间位置(方框S150)；(f)执行该组机器人运动学参数以完成对机械臂150的校准(方框S160)。该系统和方法的特定实施例在下面进一步描述。
在一个特定实施例中，如图5A-8C所示的校准装置(405，405’，405”)并在下面进一步详细描述，将机械数字转换器120磁耦合到机械臂150的末端执行器凸缘170。校准装置(405，405’，405”)确保数字转换器120可以旋转三个自由度，在不破坏数字转换器120和机械臂150之间的连接的情况下，机械臂150被操纵到每个校准位置。在校准过程中的测量和/或记录步骤期间，校准装置(405，405’，405”)进一步包括提供对于机械臂150和数字转换器120的共享点测量的组件。
参考图4，路径方程式(path equation)300根据步骤S120计算机械臂150的每个校准位置。更具体地，路径方程式300确定多组关节命令，以指定用于末端执行器凸缘170的多个校准位置(图5A-5B)。例如，该方程式可以计算第一组关节命令，其中命令第一关节旋转到15度，命令第二关节旋转到80度，并且命令第三关节平移到20cm，在特定校准位置定位末端执行器。而图4尽管参考了笛卡尔坐标，但是可以理解的是，可以容易地以球形或圆柱形坐标确定位置。每组关节命令都定义了一个校准位置，在记录测量值时，机械臂150将在该位置暂停。在特定实施例中，路径方程式300计算该组关节命令以跨越最大范围的关节值，而无需将机械臂150与机械数字转换器120解耦。在特定实施例中，计算五十个或更多个校准位置以校准机器人100。然而，应当理解的是，可以计算少于五十个校准位置，并且可以使用少于五十个校准位置来获得期望的校准精度。机械臂150到物理空间中的任何校准位置的移动是全自动的，但是应当理解的是，基于该方法的应用，也可以使用半自动或手动移动。
在特定实施例中，机械数字转换器120在每个校准位置处测量并记录末端执行器180的空间坐标位置(例如，x，y，z)。在更具体的实施例中，机械数字转换器120在相对于机械数字转换器120坐标系的每个校准位置处测量并记录末端执行器180和机械数字转换器120之间的共享点的空间坐标位置(例如，x，y，z)。下面参考校准装置(405，405’，405”)的具体结构进一步描述共享点的位置。在机械数字转换器120测量并记录空间坐标位置的大约同一时间，计算系统160通过它们各自的关节编码器相对于机械臂150坐标系记录每个机器人关节150的关节值。为每个校准位置存储记录的空间位置和相应的关节值。可以将在每个校准位置处记录和测量的该组关节值和空间位置存储在数据库或其他日志文件中，以合并在所有校准位置处记录和测量的所有组关节值和对应的空间位置。在特定实施例中，所记录的关节值和空间位置被发送并存储在机器人校准管理器软件模块310中。
然后，将由计算系统160记录的该组关节值以及由数字转换器120记录和测量的空间位置转移(例如，转移数据库或日志文件的至少一部分)到算法320以确定机械臂150的一组新运动学参数。算法320可以进一步确定数字转换器120的坐标系与机械臂150的坐标系之间的坐标转换。算法320可以基于但不限于线性最小二乘参数估计，非线性最小二乘估计，优化或卡尔曼滤波。可以通过将数字转换器120建模为机械臂150的运动学链中的额外链接(extra link)(即，多个链接)来确定坐标转换。然后，将新的运动学参数和/或坐标转换传送到机器人计算机160，以完成对机械臂150的校准(图3的方框S160)。数字转换器120的坐标系与机械臂150的坐标系之间的坐标转换允许数字转换器在术中收集骨骼上的点，以准确地配准骨骼、骨骼图像和/或手术计划至机械臂150。一旦配准，机械臂即可在骨骼上准确执行手术程序。
校准装置
在图5A和5B中，示出了由校准装置405校准的机器人系统100的示例，其中相同的附图标记具有赋予其的前述含义。在校准过程中，校准装置405将机械数字转换器120耦合到末端执行器180，以促进校准过程中的测量步骤。
参照图6A，示出了校准装置405的详细视图。校准装置405包括磁耦合器500和机械数字转换器探头510。机械数字转换器探头510包括球520和手柄530。球520被配置为可移除地耦合到磁耦合器500以形成可旋转的球和插窝连接。球520可以由具有铁磁或顺磁特性的材料制成，例如钢、铁或铝、以及本领域已知的其他材料。手柄530被配置为附接到机械数字转换器120的远侧链接。在特定实施例中，手柄530包括具有用于将手柄530附接到机械数字转换器120的远侧链接的紧固元件的近端(P)。紧固元件可以包括螺纹、夹具、粘合剂(binder)、扣环(clasp)、闩锁(latch)、联接件或钩。在特定实施例中，手柄530和球520由单个整体结构通过已知的制造技术制成，而在其他实施例中，手柄530和球520由两个或更多个分开的部件制成，该两个或多个单独的部件通过一个或多个紧固元件可拆卸地组装在一起，例如螺丝、焊接、夹紧、捆绑或钩挂等元素。
在图6B-6D中，更详细地示出了磁耦合器500。在特定实施例中，磁耦合器500包括主体540，具有磁性部分570的接收面550以及安装构件560。磁性部分570被配置为将球520的一部分吸引到接收面550。在特定实施例中，磁性部分570由位于主体540的内部中的磁体形成，其中磁体的至少一部分暴露在接收面550上。球520和磁性部分570之间的磁力允许在耦合到磁耦合器500时机械数字转换器探头510的运动具有三个旋转自由度(例如，俯仰、滚动和偏航)。磁耦合器500的使用特别有利，因为它允许机械数字转换器120和机械臂150可以同时工作，而无需将机械数字转换器120从机械臂150拆卸下来。此外，机械数字转换器120和机械臂150的同时运动允许在进行校准的同时确定机械数字转换器120的坐标系与机械臂150的坐标系之间的坐标转换。
安装构件560将磁耦合器500连接到机械臂150。在特定实施例中，安装构件560附接到机械臂150的末端执行器180。安装构件560可以具有带有螺纹的轴、夹持机构或其等同物以附接安装构件560并维持与机械臂150的刚性关系。在特定实施例中，如图6C所示，安装构件560可进一步包括多个适合于接收在端部执行器180中多个突起的凹口580，以使磁耦合器500在端部执行器180上的特定方向上对准。
参照图7A-7C，示出了磁耦合器500’的另一实施例。磁耦合器500’包括从接收面550延伸的多个支撑构件600。在特定实施例中，三个支撑构件(600a，600b，600c)以圆形的形式从接收面550突出以形成接收部，磁性部分570位于其中央的凹穴。三个支撑构件600是有利的，因为当球520围绕磁性部分570旋转时，恰好三个点可以捕获并稳定球形球520。支撑构件600可以是任何形状或大小的所需应用。支撑构件(600a，600b，600c)可以进一步包括内角表面以捕获球520。在特定实施例中，支撑构件(600a，600b，600c)的形状如图7B所示，其中特定的形状允许球520旋转，并且与磁性部分570的中心之间的偏差最小。
参照图8A-8C，示出了磁耦合器500”的另一实施例。磁耦合器500”包括从接收面550突出的多个支撑构件700和位于主体540内的至少一个旋转轴承710。图8C以分解图示出了磁耦合器500”，其中旋转轴承710被配置为允许接收面550绕磁耦合器500”的中心轴(A)旋转。在特定实施例中，每个支撑构件700包括用作轴承/轮720的框架的一对腿部(L)。轴承/轮720位于这对腿部(L)之间，并通过销/轴固定在其上。轴承/轮720是特别有利的，因为轴承/轮720减小了球520和接收面550之间的摩擦，并因此增加了校准装置405”的寿命。
校准装置(405，405’，405”)将机械数字转换器120耦合到机械臂150，并在校准程序的测量和记录步骤(202，S130，S140)中使用。在特定实施例中，在测量步骤期间，数字转换器120测量末端执行器180的空间位置作为球520的中心，如上所述，其被认为是机械臂150和数字转换器120之间的共享点。共享点确保机械数字转换器120和机械臂150参照每个校准位置的空间中的同一点进行测量和记录。
借助于本发明的校准装置(405，405’，405”)，可以在少于5分钟的时间内，特别是在30秒到10分钟之间的时间间隔内，将机器人系统容易地校准到0.1±0.1mm的公差，这取决于机械臂能够移动多快，以及需要多少个数据点(即校准位置)才能达到所需的精度。这与图1A和1B的系统形成对比，其中，在没有本发明的校准装置(405，405’，405”)的情况下，校准至相同的公差大约需要4小时。由于这种更高的校准速度，现在可以在连续的手术程序之间以及在术中完全重新校准，从而确保更高的手术精度。由于已知外科手术精度与更快的外科手术恢复和更长的植入物寿命相关联，因此通过采用本发明可以实现医疗系统的净节省和更好的患者结果。
骨运动监控器诊断
在图9A-9C中，示出了诊断校准装置600在骨运动监测器145上执行诊断。骨运动监测器145(BMM)包括三个或多个自由度，以监测和检测在手术程序期间附接到其的骨的运动。BMM 145通常包括其中具有旋转接头、编码器以及其他电子部件以检测骨骼的旋转运动的壳体147，以及具有附接到骨骼以检测线性运动的远端的棱柱形关节/链接149。BMM 145是系统的关键组件，因为如果在手术过程中骨骼运动，则所述运动将改变骨骼的切口。因此，BMM145会检测到任何运动后配准，在发生骨骼运动时“冻结”切割，并提醒手术团队恢复配准。
为了确保BMM 145在指定的参数内准确运行，在BMM 145上进行诊断。通常，使用与参考板类似的方法对BMM 145进行诊断。将连接到BMM 145上的探头引导至“参考板”上的特定小洞(divots)，在这些小洞以已知的距离和方向隔开。BMM记录探头在每个特定点上的位置以及所记录点之间的距离和方向，应在一定的精度范围内与“参考板”上小洞之间的实际距离和方向相匹配。这是一个非常耗时的过程。
为了改善BMM 145的诊断，使用了诊断校准装置600。诊断校准装置600是用于BMM145的远端的附件，更具体地说是用于链接149的远端的附件，以便于将BMM磁性附接至磁耦合器(500，500’，500”)。诊断校准装置600由含铁金属(ferrous metal)制成，以磁性耦合至磁耦合器(500，500’，500”)。通常，诊断校准装置600包括第一部分602和第二部分604。第一部分602组装到BMM 145的远端(例如，链接149的远端)，并且第二部分604磁耦合到磁耦合器(500，500’，500”)。在一些实施例中，第一部分602为具有穿过其中的矩形孔606的圆柱体的形式，所述矩形孔606与和BMM 145的远端相关联的阳矩形构件配合。第二部分604为具有穿过其中的圆柱形孔608的圆屋顶(dome)形式。矩形孔606和圆柱孔608允许BMM探头(未示出)从中穿过并组装到BMM145。BMM探头是直接固定在骨骼上的装置，使得BMM 145可以监视骨骼运动。因此，诊断之后不需要移除诊断校准装置600。
实际诊断过程如下。首先，将诊断校准装置600组装到BMM 145的远端(由于BMM探头仍可以通过装置600附接到BMM 145，所以装置600也可以是永久性固定装置)。接下来，将安装有磁耦合器(500，500’，500”)的末端执行器180自动移动到BMM附近的已知位置和方向。然后，指示用户将BMM 145移动到已知的高度和角度(可以通过沿装配到机器人基座140并随后固定到位的线性导轨手动滑动基座147来调整高度)。之后，指示用户将校准装置600磁耦合到磁耦合器(500，500’，500”)。然后，机械臂150自动将BMM 145移动到多个不同的位置和方向。在特定实施例中，将BMM移动到6个或更多个位置和方向。收集每个位置和方向的点并将其与期望值进行比较。如果诊断通过，则指示用户将BMM 145与磁耦合器(500，500’，500”)解耦，然后继续该程序。该诊断过程非常有利，因为所需的硬件最少，并且诊断可以在1到5分钟内完成。
其他实施方式
尽管在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是，存在大量的变型。还应当理解的是，一个或多个示例性实施方式仅是示例，并且无意以任何方式限制所描述的实施方式的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解的是，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (25)

1.一种用于校准机械人的具有末端执行器的机械臂的装置，包括：
磁耦合器，具有主体、接收面、安装构件以及磁性部分；所述的安装构件配置成固定地连接到所述的机械臂的末端执行器；以及
机械数字转换器探头，具有球和手柄，其中所述的球固定地连接到所述的手柄的远端，并且所述的球通过所述的接收面上的磁性部分可移除地耦合到所述的磁耦合器，以形成可旋转的球窝连接，并且所述的手柄的近端适于附接到与所述的机器人相关联的机械数字转换器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的球由具有铁磁或顺磁特性的材料制成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的材料选自由钢、铁、铝及其任意组合组成的组。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的手柄的近端进一步包括适于附接到所述的机械数字转换器的远侧链接上的螺纹孔、外螺纹、夹具、绑带或钩中的至少一个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述的机械数字转换器探头由单块材料形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述的机械数字转换器探头被制成为两个或更多个单独的部件，所述的两个或更多个单独的部件与紧固系统可移除地组装在一起，通过选自以下的过程来操作：拧紧、夹紧、捆绑以及钩住。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述的磁性部分包括磁体，所述的磁体位于所述的主体的内部中，所述的磁体的至少一部分在所述的接收面上暴露。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述的球与所述的磁性部分之间的磁力允许所述的机械数字转换器探头在与所述的磁耦合器耦合时以三个旋转自由度运动。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述的安装构件包括多个突起部，以将所述的磁耦合器在特定的方向上对准在所述的末端执行器上。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的磁耦合器还包括从所述的接收面延伸的多个支撑构件。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述的多个支撑构件为三个支撑构件。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的磁耦合器还包括从所述的接收面延伸的多个支撑构件以及定位在所述的主体内的至少一个旋转轴承，其中，所述的至少一个旋转轴承有助于所述的接收面相对于所述的主体并围绕所述的磁耦合器的中心轴的旋转。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的多个支撑构件中的至少一个支撑构件还包括一对腿部，用作位于所述的一对腿部之间的轴承的框架，每个所述的轴承接触所述的球。
14.一种用于校准机器人的机械臂的方法，所述的方法包括：
通过权利要求1所述的装置，将机械数字转换器臂磁耦合至机械臂的末端执行器；
将所述的机械臂操纵到多个校准位置；
在每个校准位置暂停所述的机械臂；
在每个校准位置记录机械臂的一组关节值；
用所述的机械数字转换器在每个校准位置测量末端执行器的空间位置；
采用校准算法利用该组关节值和在每个校准位置记录并测量的空间位置，来识别所述的机械臂的一组运动学参数；以及
执行该组机器人运动学参数以完成机械臂的校准。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括使用路径方程式来计算所述的机械臂被操纵到的多个校准位置，其中所述的路径方程式确定多组关节命令，每组关节命令为所述的末端执行器指定校准位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的路径方程式计算跨越该组关节值的最宽范围的多组关节命令，而无需使所述的机械臂与所述的机械数字转换器解耦。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的机械臂向所述的多个校准位置中的任何一个的运动是全自动、半自动或手动运动。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的机械数字转换器在相对于所述的机械数字转换器的坐标系的每个校准位置处测量并记录所述的机械臂和所述的机械数字转换器之间的共享点的空间位置，同时在所述的机械臂的坐标系中通过每个机器人关节的各自的关节编码器计算系统记录每个机器人关节的一组关节值；以及
其中，为每个校准位置存储所记录的空间位置和相应的关节值。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的机械数字转换器与所述的机械臂之间的共享点是所述的数字转换器探头的球的中心。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所记录的空间位置和相应的关节值传送到算法，以确定用于所述的机械臂的一组新运动学参数以及所述的机械数字转换器和所述的机械臂之间的坐标转换；以及
其中，然后，该组新的运动学参数被传送到计算机系统以完成对机械臂的校准。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述的算法基于线性最小二乘参数估计、非线性最小二乘估计、优化或卡尔曼滤波中的至少一项。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，通过将所述的机械数字转换器建模为所述的机械臂的额外链接来确定所述的坐标转换，其中然后将所述的坐标转换转移到所述的计算系统以允许所述的机械数字转换器配准骨骼、骨骼图像、或手术计划至机械臂。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤包括：磁耦合，操纵所述的机械臂，在每个校准位置暂停所述的机械臂，记录一组关节值，利用所述的机械数字转换器进行测量，识别一组运动学参数，以及执行该组机器人运动学参数，总耗时为30秒到10分钟。
24.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，还包括执行外科手术程序。
25.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述的机械臂的校准至0.1±0.1mm的分辨率。
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