CN101474090B - 六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人 - Google Patents

Abstract

六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，它涉及一种医疗用的机器人设备。本发明为解决现有骨外固定器只能用于骨折复位后的固定，无法兼顾整形复位与固定同时进行的问题。连接轴铰接在减速器壳体中，连接轴的输入端与电机的输出轴连接，主动带轮套装在连接轴上，主动带轮通过皮带与被动带轮连接，被动带轮套装在丝杠上，丝杠铰接在减速器壳体内，丝杠装在丝杠壳体中，丝杠壳体固装在减速器壳体上，螺母套装在丝杠上，虎克铰的一端与螺母连接，虎克铰的另一端固装在动环上，球铰机构的一端固装在减速器壳体上，球铰机构的另一端固装在定环上。本发明与骨外固定技术相结合，能够协助医生完成手术部位的精确定位，实现了骨折整形复位与固定同时进行。

Description

六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人 

技术领域

本发明涉及一种医疗用的机器人设备，具体说是用于辅助接骨的并联机器人。 

背景技术

国内外在机器人辅助骨科手术方面主要是利用机器人辅助医生完成操持器械、导航等功能操作。目前，在骨科手术中对长肢骨的固定形式主要有内固定和外固定两种。内固定是指髓内钉固定；外固定是利用外固定器在肢体外固定，外固定器大多采用圆形套结构，多向性穿针固定，固定的稳定性与使用的钉和连接杆数目有关。但现有骨外固定器只能用于骨折复位后的固定，无法兼顾整形复位和固定两种功能。 

发明内容

本发明的目的是为解决现有骨外固定器只能用于骨折复位后的固定，无法兼顾整形复位与固定同时进行的问题，提供一种六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人。 

本发明由动环、定环和至少三个支链组成，每个支链由减速器壳体、电机、联轴器、连接轴、主动带轮、被动带轮、丝杠、球铰机构、虎克铰、螺母、丝杠壳体和皮带组成，连接轴铰接在减速器壳体中，连接轴的输入端通过联轴器与电机的输出轴连接，主动带轮套装在连接轴上，主动带轮通过皮带与被动带轮连接，被动带轮套装在丝杠上，丝杠铰接在减速器壳体内，丝杠装在丝杠壳体中，丝杠壳体固装在减速器壳体上，螺母套装在丝杠上，虎克铰的一端与螺母连接，虎克铰的另一端固装在动环上，球铰机构的一端固装在减速器壳体上，球铰机构的另一端固装在定环上。 

本发明的优点是：一、本发明与骨外固定技术相结合，能够协助医生完成手术部位的精确定位，实现了骨折整形复位与固定同时进行。二、本发明可以实现手术最小损伤、提高了疾病诊断和手术治疗的精度与质量，使手术安全性 得以提高，缩短了治疗时间，降低了医疗成本；同时能够减轻医师工作强度，提高医师工作效率，避免了X光射线对医生造成的伤害，也减少了患者的痛苦，缩短了恢复时间，降低了慢性水肿、软组织萎缩和局部骨质疏松等骨折病的发病率。 

附图说明

图1是本发明的六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人的整体结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是支链3的结构剖视图，图4是图3的俯视图，图5是图3的A-A剖视图，图6是虎克铰3-9的结构剖视图。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式由动环1、定环2和至少三个支链3组成，每个支链3由减速器壳体3-1、电机3-2、联轴器3-3、连接轴3-4、主动带轮3-5、被动带轮3-6、丝杠3-7、球铰机构3-8、虎克铰3-9、螺母3-10、丝杠壳体3-11和皮带3-12组成，连接轴3-4通过轴承铰接在减速器壳体3-1中，连接轴3-4的输入端通过联轴器3-3与电机3-2的输出轴连接，主动带轮3-5套装在连接轴3-4上，主动带轮3-5通过皮带3-12与被动带轮3-6连接，被动带轮3-6套装在丝杠3-7上，丝杠3-7通过轴承铰接在减速器壳体3-1内，丝杠3-7装在丝杠壳体3-11中，丝杠壳体3-11固装在减速器壳体3-1上，螺母3-10套装在丝杠3-7上，虎克铰3-9的一端通过螺栓与螺母3-10连接，虎克铰3-9的另一端通过螺栓固装在动环1上，球铰机构3-8的一端固装在减速器壳体3-1上，球铰机构3-8的另一端通过螺栓固装在定环2上。手术时，由医生将本发明的六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人直接穿戴在人体肢体(主要是下肢)上，由计算机对各支链3上的电机3-2进行驱动，支链3将电机3-2的旋转运动转化为螺母沿丝杠的直线运动，作为整个并联机器人的输入运动，并联机器人的位姿随着各个电机3-2的启动时间不同在不断的变化，辅助医生完成牵引、横移、端提、旋转等复位手术操作，消除了骨折过程中骨折区近远两端之间的重叠、旋转、成角及侧方位移，复位后用骨科手术中常用的外固定夹板固定，固定后，将机器人从人体上拆除，这样就实现了断骨的续接和固定。并联机器人借助X光机采集X射线影像，送至计算机进行图像处理和特征提取，获取复位数据，并由医生发送复位指令控制并联机器人完成骨折 复位手术——消除骨折过程中骨折区近远两端之间的重叠、旋转、成角及侧方位移。因此，本发明兼顾了接骨手术的整复和固定两种功能，而且还能实现骨折整复的自动化，大大降低了医生的工作强度，减小了医生手术过程中承受的X射线辐射剂量。电机3-2为直流伺服电机。 

具体实施方式二：结合图3和图6说明本实施方式，本实施方式的虎克铰3-9由两个虎克铰夹3-9-1、虎克铰夹柄3-9-2和虎克铰安装块3-9-3组成，两个虎克铰夹3-9-1对称设置且与虎克铰夹柄3-9-2的上端连接，虎克铰夹柄3-9-2的下端通过轴承铰接在虎克铰安装块3-9-3中，虎克铰安装块3-9-3的轴线与两个虎克铰夹3-9-1的轴线垂直。两个虎克铰夹3-9-1分别通过螺栓与螺母3-10固接，虎克铰安装块3-9-3的下端通过螺栓固装在动环1上。虎克铰安装块3-9-3可绕其轴线任意旋转，虎克铰夹3-9-1不能旋转。 

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的球铰机构3-8由球铰安装板3-8-1、球铰3-8-2和球铰连接板3-8-3组成，球铰安装板3-8-1的一端固装在减速器壳体3-1上，球铰安装板3-8-1的另一端设有球铰壳3-8-1-1，球铰3-8-2的球部端铰接在球铰壳3-8-1-1中，球铰3-8-2的柄部端与球铰连接板3-8-3螺纹连接。球铰连接板3-8-3的另一端通过螺栓固装在定环2上。球铰3-8-2可球铰连接板3-8-3的轴线任意旋转，球铰连接板3-8-3的轴线的运动范围是一个以球铰3-8-2上的球心为顶点的圆锥。 

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的至少三个支链3沿动环1和定环2的轴线均布设置。这样设计使得手术精确定位，能固定病人手术部位并调整到最佳手术位置。 

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每个支链3上的虎克铰安装块3-9-3的轴线在同一个圆周上。 

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每个支链3上的球铰3-8-2的球心在同一个圆周上。 

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的固装在动环1和定环2上的所述支链3的数量为六个。这样设计使得并联机器人具有较小体积的同时，也具有了较大的位姿空间运动范围，使其具有更高的手术适应性。 

具体实施方式八：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的丝杠3-7 和丝杠壳体3-11的材料均为碳纤维。这样设计可以减轻本发明的自身重量，还能够满足X光射线的无障碍透射，满足了接骨手术的要求。 

工作原理：每个支链3上的电机3-2通过联轴器3-3将力传递至减速器壳体3-1内的主动带轮3-5，主动带轮3-5通过皮带3-12与被动带轮3-6传递力矩，被动带轮3-6转动带动丝杠3-7运动，丝杠3-7带动螺母3-10转动，螺母3-10带动虎克铰3-9沿丝杠3-7移动，从而带动动环1进行相应的运动达到接骨的最佳位置。定环2通过球铰机构3-8随着动环1进行从动。 

Claims (8)

1.一种六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：它由动环(1)、定环(2)和至少三个支链(3)组成，每个支链(3)由减速器壳体(3-1)、电机(3-2)、联轴器(3-3)、连接轴(3-4)、主动带轮(3-5)、被动带轮(3-6)、丝杠(3-7)、球铰机构(3-8)、虎克铰(3-9)、螺母(3-10)、丝杠壳体(3-11)和皮带(3-12)组成，连接轴(3-4)铰接在减速器壳体(3-1)中，连接轴(3-4)的输入端通过联轴器(3-3)与电机(3-2)的输出轴连接，主动带轮(3-5)套装在连接轴(3-4)上，主动带轮(3-5)通过皮带(3-12)与被动带轮(3-6)连接，被动带轮(3-6)套装在丝杠(3-7)上，丝杠(3-7)铰接在减速器壳体(3-1)内，丝杠(3-7)装在丝杠壳体(3-11)中，丝杠壳体(3-11)固装在减速器壳体(3-1)上，螺母(3-10)套装在丝杠(3-7)上，虎克铰(3-9)的一端与螺母(3-10)连接，虎克铰(3-9)的另一端固装在动环(1)上，球铰机构(3-8)的一端固装在减速器壳体(3-1)上，球铰机构(3-8)的另一端固装在定环(2)上。

2.根据权利要求1所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：虎克铰(3-9)由两个虎克铰夹(3-9-1)、虎克铰夹柄(3-9-2)和虎克铰安装块(3-9-3)组成，两个虎克铰夹(3-9-1)对称设置且与虎克铰夹柄(3-9-2)的上端连接，虎克铰夹柄(3-9-2)的下端铰接在虎克铰安装块(3-9-3)中，虎克铰安装块(3-9-3)的轴线与两个虎克铰夹(3-9-1)的轴线垂直。

3.根据权利要求2所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：球铰机构(3-8)由球铰安装板(3-8-1)、球铰(3-8-2)和球铰连接板(3-8-3)组成，球铰安装板(3-8-1)的一端固装在减速器壳体(3-1)上，球铰安装板(3-8-1)的另一端设有球铰壳(3-8-1-1)，球铰(3-8-2)的球部端铰接在球铰壳(3-8-1-1)中，球铰(3-8-2)的柄部端与球铰连接板(3-8-3)螺纹连接。

4.根据权利要求1所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：所述至少三个支链(3)沿动环(1)和定环(2)的轴线均布设置。

5.根据权利要求2所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：每个支链(3)上的虎克铰安装块(3-9-3)的轴线在同一个圆周上。

6.根据权利要求3所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：每个支链(3)上的球铰(3-8-2)的球心在同一个圆周上。 

7.根据权利要求1所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：固装在动环(1)和定环(2)上的所述支链(3)的数量为六个。

8.根据权利要求1所述六自由度穿戴式辅助接骨并联机器人，其特征在于：丝杠(3-7)和丝杠壳体(3-11)的材料均为碳纤维。 

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