CN101972159A

CN101972159A - 六自由度颈椎骨磨削并联机器人

Info

Publication number: CN101972159A
Application number: CN 201010557067
Authority: CN
Inventors: 杜志江; 吴冬梅; 田和强
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN101972159B

Abstract

六自由度颈椎骨磨削并联机器人，它涉及一种磨削并联机器人。本发明为了解决现有的人工颈椎间盘置换手术精度不足、辐射过多、医生工作强度大的问题。本发明的定平台与动平台之间通过三对支链连接，球铰机构设置在滚珠丝杆线性驱动机构的上端，胡克铰机构设置在滚珠丝杆线性驱动机构的下端，球铰机构与动平台连接，胡克铰机构与定平台连接，磨钻电机穿设在动平台内，磨钻电机与磨钻电机连接体固定连接，磨钻电机连接体与动平台固定连接，磨钻体固装在磨钻电机连接体上，磨钻体上设有磨钻顶丝孔，磨钻顶丝孔盖安装在磨钻体的磨钻顶丝孔上，磨钻轴通过联轴器与磨钻电机连接，切削头通过收紧螺母与磨钻轴连接。本发明适用于颈椎骨的磨削。

Description

六自由度颈椎骨磨削并联机器人

技术领域

本发明涉及一种颈椎骨磨削并联机器人，具体涉及一种六自由度颈椎骨磨削并联机器人。

背景技术

人工颈椎间盘置换手术中的最大难点是需要在正确的位置磨削出与假体吻合的骨关节面，保证假体和人骨的配合，治疗效果严重依赖于手术的精度。目前，人工颈椎间盘置换手术中使用夹具系统来进行磨削定位。这种传统的机械定位系统是基于肉眼对肢体和假体的观察，在手术中广泛使用夹具系统进行打磨、磨削定位，操作繁琐，定位精度主要依赖于医生的经验，这无疑增加了手术的不确定性，影响了假体的安装精度。为了提高手术定位精度，医生经常需要使用X光机反复观察，受射线辐射严重。现有的人工颈椎间盘置换手术精度不足、辐射过多、医生工作强度大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的人工颈椎间盘置换手术精度不足、辐射过多、医生工作强度大的问题，进而提供一种六自由度颈椎骨磨削并联机器人。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：六自由度颈椎骨磨削并联机器人包括定平台、动平台、磨钻和三对支链，定平台与动平台之间通过三对支链连接，每对支链包括两个支链，每个支链均包括球铰机构、滚珠丝杆线性驱动机构和胡克铰机构，球铰机构设置在滚珠丝杆线性驱动机构的上端，胡克铰机构设置在滚珠丝杆线性驱动机构的下端，球铰机构与动平台连接，胡克铰机构与定平台连接，磨钻包括磨钻电机、磨钻电机连接体、联轴器、磨钻顶丝孔盖、磨钻体、轴承端盖、磨钻轴、收紧螺母、切削头和两个第一轴承，磨钻电机穿设在动平台内，磨钻电机与磨钻电机连接体固定连接，磨钻电机连接体与动平台固定连接，磨钻体固装在磨钻电机连接体上，磨钻体上设有磨钻顶丝孔，磨钻顶丝孔盖安装在磨钻体的磨钻顶丝孔上，磨钻轴通过联轴器与磨钻电机连接，磨钻轴与磨钻体之间设有两个第一轴承，第一组轴承通过轴承端盖设置在磨钻体内，切削头通过收紧螺母与磨钻轴连接。

本发明的有益效果是：1.本发明是一种医疗用六自由度颈椎骨磨削并联机器人，将并联机器人技术用于在人工颈椎间盘置换手术中，完成人工颈椎间盘置换手术中假体和骨配合面的定位与磨削，取代繁琐的机械定位装置，以此获得精确的假体配合面，提高置换手术精度，并减少了由于人为因素带来的手术风险和并发症。2.本发明实现了假体和骨配合面的定位与磨削，大大降低了医生的工作强度，在X射线检查时，六自由度颈椎骨磨削并联机器人能够代替医生受辐射，减小了医生手术过程中承受的X射线辐射剂量，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。3.本发明结构紧凑，刚度高，定位精度高，运行平缓，安全性高，承载能力强。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。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的俯视图；图3是一个支链3的结构示意图；图4是图3的左视图(拆去定平台1)；图5是图3的A-A处的剖视图；图6是图5的B-B处的剖视图；图7是磨钻4的结构示意图；图8是定平台1的结构示意图，图9是动平台2的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3、图5、图7或图8、图9说明本实施方式，本实施方式的六自由度颈椎骨磨削并联机器人包括定平台1、动平台2、磨钻4和三对支链，定平台1与动平台2之间通过三对支链连接，每对支链包括两个支链3，每个支链3均包括球铰机构3-1、滚珠丝杆线性驱动机构和胡克铰机构3-12，球铰机构3-1设置在滚珠丝杆线性驱动机构的上端，胡克铰机构3-12设置在滚珠丝杆线性驱动机构的下端，球铰机构3-1与动平台2连接，胡克铰机构3-12与定平台1连接，磨钻4包括磨钻电机4-1、磨钻电机连接体4-2、联轴器4-3、磨钻顶丝孔盖4-4、磨钻体4-5、轴承端盖4-6、磨钻轴4-7、收紧螺母4-8、切削头4-9和两个第一轴承4-10，磨钻电机4-1穿设在动平台2内，磨钻电机4-1与磨钻电机连接体4-2固定连接，磨钻电机连接体4-2与动平台2固定连接，磨钻体4-5固装在磨钻电机连接体4-2上，磨钻体4-5上设有磨钻顶丝孔，磨钻顶丝孔盖4-4安装在磨钻体4-5的磨钻顶丝孔上，磨钻轴4-7通过联轴器4-3与磨钻电机4-1连接，磨钻轴4-7与磨钻体4-5之间设有两个第一轴承4-10，第一组轴承4-10通过轴承端盖4-6设置在磨钻体4-5内，切削头4-9通过收紧螺母4-8与磨钻轴4-7连接。

本发明的机构本体设计采用超硬铝和钢材料。机器人重量≤5Kg，上平台半径：25mm，下平台半径：60mm，高度：200mm；机器人工作空间：线性X向≥30mm、Y向≥10mm、Z向≥30mm，转动X向±5度、Y向±5度；机器人运动分辨率：线性X、Y、Z向优于100μm，转动X、Y向优于1角分；磨削径向承载能力≥50N。6个支链结构完全相同。

具体实施方式二：结合图3-图6说明本实施方式，本实施方式的滚珠丝杆线性驱动机构包括支链前伸缩杆3-2、滚珠螺杆3-3、滚珠螺母3-4、轴承端盖3-5、支链电机连接体3-6、轴承隔套3-7、锁紧螺母3-8、支链后杆3-10、支链电机3-11、胡克铰3-12、圆导轨3-13、直线滚珠导套3-14、两个传感器3-15、定位挡块3-16、两个第二轴承3-18，支链电机连接体3-6包括第一连接腔3-6-1和与第一连接腔平行且偏置一定距离的第二连接腔3-6-2，滚珠螺杆3-3的一端穿设在支链前伸缩杆3-2内，滚珠螺杆3-3的一端安装在滚珠螺母3-4内，滚珠螺母3-4固连在支链前伸缩杆3-2上，滚珠螺杆3-3的另一端与支链电机3-11连接，滚珠螺杆3-3的连接端上装有两个第二轴承3-18，两个第二轴承3-18之间通过轴承隔套3-7隔开，并通过锁紧螺母3-8将两个第二轴承3-18固定在滚珠螺杆3-3的输入端上，轴承端盖3-5封装在支链电机连接体3-6上，支链电机连接体3-6的第一连接腔3-6-1套装在第二轴承3-18上，支链电机3-11位于支链后杆3-10内，支链后杆3-10与胡克铰3-12固装，圆导轨3-13设置在支链前伸缩杆3-2上，直线滚珠导套3-14套装在圆导轨3-13上，直线滚珠导套3-14套装在支链电机连接体3-6的第二连接腔3-6-2内，两个传感器3-15固装在支链电机连接体3-6上，定位挡块3-16设置在支链前伸缩杆3-2上，每个支链3的胡克铰3-12的中心沿定平台1呈圆周分布。如此设置，支链电机3-11把运动传递给滚珠螺杆3-3，滚珠螺杆3-3把旋转运动转换成螺母3-4的直线运动，支链前伸缩杆3-2带着圆导轨3-13沿直线滚珠导套3-14进行直线运动，完成了线性驱动的功能。两个光电传感器3-15和定位挡块3-16在六自由度颈椎骨磨削并联机器人的初始化过程中设置增量式编码器的计数零点，在行程范围内设置正、负限位保证机器人的运动安全，两个传感器3-15中一个开关起到限位和设置零位的作用，另一个开关只有限位的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的滚珠丝杆线性驱动机构还包括顶丝盖3-9和顶丝3-17，支链电机连接体3-6上设有顶丝孔，顶丝盖3-9设置在顶丝孔上，滚珠螺杆3-3输入端与支链电机3-11的输出轴端之间通过顶丝3-17连接。如此设置，便于顶丝3-18的安装，同时便于顶丝3-18的更换和拧紧。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图3-图5说明本实施方式，本实施方式的球铰机构3-1包括球铰钢球体3-1-1和球铰钢球夹持体3-1-2，球铰钢球夹持体3-1-2的连接处安装在支链前伸缩杆3-2上，球铰钢球体3-1-1的钢球在球铰钢球夹持体3-1-2中自由运动。如此设置，球铰钢球体3-1-1的轴线的运动范围是一个以球铰钢球体3-1-1上的球心为顶点的圆锥，有效的满足了每个支链3的活动范围。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图3-图6说明本实施方式，本实施方式的虎克铰3-12包括上铰链座3-12-1、下铰链座3-12-2、十字顶尖块3-12-3和四个顶针3-12-4，十字顶尖块3-12-3的两对外表面上分别设有锥形顶尖孔，每两个锥形顶尖孔的小径端相对且中心线重合，四个顶针3-12-4分别与上铰链座3-12-1和下铰链座3-12-2的两个侧壁螺纹连接且四个顶针3-12-4分别置于十字顶尖块3-12-3的锥形顶尖孔内，上铰链座3-12-1与支链后杆3-10连接。如此设置，四个顶针3-12-4与十字顶尖块3-12-3形成两个转动副，使得上铰链座3-12-1相对于下铰链座3-12-2沿两个独立的轴进行旋转，实现二维的相对转动。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述三对支链，定平台1上胡克铰3-12在360度范围内呈60度间隔均匀分布，动平台2上所述三对球铰链，在360度范围内每对铰链之间的夹角均为30度，每相邻两对铰链之间的夹角均为90度。如此设置，使得机器人具有六个自由度，且结构紧凑，刚度高，定位精度高，运行平缓，安全性高，同时还具有相同工作空间能力时拥有最小的体积，且在工作空间内任何位置均具有给定的承载能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图3-图9说明本实施方式，本实施方式的定平台1、动平台2、支链前伸缩杆3-2、轴承端盖3-5、支链电机连接体3-6、顶丝空盖3-9、支链后杆3-10、上铰链座3-12-1、下铰链座3-12-2、定位挡块3-16、磨钻电机连接体4-2、磨钻顶丝孔盖4-4、磨钻体4-5和轴承端盖4-6的材料均为铝合金。如此设置，可以减轻六自由度颈椎骨磨削并联机器人的自身重量，同时具有足够的强度，满足了颈椎骨磨削的要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1、图2或图8说明本实施方式，本实施方式的定平台1在360度范围内呈60度间隔均匀开有六个圆孔1-2，经过圆孔1-2开设三对定位槽，每个定位槽1-1的中线穿过圆孔1-2的圆心，每对定位槽1-1之间的夹角为30度，每相邻两对定位槽1-1之间的夹角为90度，虎克铰3-12的下铰链座3-12-2通过圆孔1-2安装在定位槽1-1内。如此设置，便于每对支链能够在定平台1上合理分布，使胡克铰的初始转角较小，具有最佳的初始位置，从而提供最大的灵活的运动空间。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1、图2或图9说明本实施方式，本实施方式的动平台2沿径向方向各开设三对圆孔2-3，垂直每个圆孔中心线开设三对外定位平面2-1和三对内定位平面2-2，每对外定位平面2-1之间的夹角为30度，每相邻两对外定位平面2-1之间的夹角为90度，球铰3-1的球铰钢球体3-1-1通过圆孔2-3安装在外定位平面2-1和内定位平面2-2上。如此设置，可以避免结构上的奇异性，同时使得每对支链能够牢固的安装在动平台2上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：结合图3或图5说明本实施方式，本实施方式传感器3-15为L型光电传感器。如此设置，在六自由度颈椎骨磨削并联机器人的初始化过程中设置增量式编码器的计数零点，提供一种精确快速机器人零位设置方法，并且保证在行程范围内设置正、负限位，保证机器人的运动安全。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

本发明的工作原理是：由医生将六自由度颈椎骨磨削并联机器人安装在可以在手术床上进行上下、左右、前后三个方位可调的支架上，病人躺在手术床上。把三维图像导航技术引入手术之中，通过图像引导和姿态调整确定并联机器人磨钻切削头4-9同病人颈椎骨之间的相对位置，由计算机控制系统把术前的磨削规划轨迹变成驱动脉冲，驱动脉冲对各支链3上的支链电机3-11进行驱动，每个支链3上的支链电机3-11把运动传递给滚珠螺杆3-3，滚珠螺杆3-3把旋转运动转换成螺母3-4的直线伸缩运动(参照图1)，支链前伸缩杆3-2带着圆导轨3-13沿直线滚珠导套3-14进行直线上、下运动。两个L型光电传感器3-15在机器人的初始化过程中设置增量式编码器的计数零点，在行程范围内设置正、负限位，以保证机器人的运动安全。每个支链3的线性运动带动动平台2进行相应的运动，动平台2带动磨钻4完成相应的运动轨迹，然后磨钻4的切削头4-9按照规定的轨迹将所需切除的骨骼切除。

Claims

1.一种六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：它包括定平台(1)、动平台(2)、磨钻(4)和三对支链，定平台(1)与动平台(2)之间通过三对支链连接，每对支链包括两个支链(3)，每个支链(3)均包括球铰机构(3-1)、滚珠丝杆线性驱动机构和胡克铰机构(3-12)，球铰机构(3-1)设置在滚珠丝杆线性驱动机构的上端，胡克铰机构(3-12)设置在滚珠丝杆线性驱动机构的下端，球铰机构(3-1)与动平台(2)连接，胡克铰机构(3-12)与定平台(1)连接，磨钻(4)包括磨钻电机(4-1)、磨钻电机连接体(4-2)、联轴器(4-3)、磨钻顶丝孔盖(4-4)、磨钻体(4-5)、轴承端盖(4-6)、磨钻轴(4-7)、收紧螺母(4-8)、切削头(4-9)和两个第一轴承(4-10)，磨钻电机(4-1)穿设在动平台(2)内，磨钻电机(4-1)与磨钻电机连接体(4-2)固定连接，磨钻电机连接体(4-2)与动平台(2)固定连接，磨钻体(4-5)固装在磨钻电机连接体(4-2)上，磨钻体(4-5)上设有磨钻顶丝孔，磨钻顶丝孔盖(4-4)安装在磨钻体(4-5)的磨钻顶丝孔上，磨钻轴(4-7)通过联轴器(4-3)与磨钻电机(4-1)连接，磨钻轴(4-7)与磨钻体(4-5)之间设有两个第一轴承(4-10)，第一组轴承(4-10)通过轴承端盖(4-6)设置在磨钻体(4-5)内，切削头(4-9)通过收紧螺母(4-8)与磨钻轴(4-7)连接。

2.根据权利要求1所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：滚珠丝杆线性驱动机构包括支链前伸缩杆(3-2)、滚珠螺杆(3-3)、滚珠螺母(3-4)、轴承端盖(3-5)、支链电机连接体(3-6)、轴承隔套(3-7)、锁紧螺母(3-8)、支链后杆(3-10)、支链电机(3-11)、胡克铰(3-12)、圆导轨(3-13)、直线滚珠导套(3-14)、两个传感器(3-15)、定位挡块(3-16)、两个第二轴承(3-18)，支链电机连接体(3-6)包括第一连接腔(3-6-1)和与第一连接腔平行且偏置一定距离的第二连接腔(3-6-2)，滚珠螺杆(3-3)的一端穿设在支链前伸缩杆(3-2)内，滚珠螺杆(3-3)的一端安装在滚珠螺母(3-4)内，滚珠螺母(3-4)固连在支链前伸缩杆(3-2)上，滚珠螺杆(3-3)的另一端与支链电机(3-11)连接，滚珠螺杆(3-3)的连接端上装有两个第二轴承(3-18)，两个第二轴承(3-18)之间通过轴承隔套(3-7)隔开，并通过锁紧螺母(3-8)将两个第二轴承(3-18)固定在滚珠螺杆(3-3)的输入端上，轴承端盖(3-5)封装在支链电机连接体(3-6)上，支链电机连接体(3-6)的第一连接腔(3-6-1)套装在第二轴承(3-18)上，支链电机(3-11)位于支链后杆(3-10)内，支链后杆(3-10)与胡克铰(3-12)固装，圆导轨(3-13)设置在支链前伸缩杆(3-2)上，直线滚珠导套(3-14)套装在圆导轨(3-13)上，直线滚珠导套(3-14)套装在支链电机连接体(3-6)的第二连接腔(3-6-2)内，两个传感器(3-15)固装在支链电机连接体(3-6)上，定位挡块(3-16)设置在支链前伸缩杆(3-2)上，每个支链(3)的胡克铰(3-12)的中心沿定平台(1)呈圆周分布。

3.根据权利要求2所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：滚珠丝杆线性驱动机构还包括顶丝盖(3-9)和顶丝(3-17)，支链电机连接体(3-6)上设有顶丝孔，顶丝盖(3-9)设置在顶丝孔上，滚珠螺杆(3-3)输入端与支链电机(3-11)的输出轴端之间通过顶丝(3-17)连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：球铰机构(3-1)包括球铰钢球体(3-1-1)和球铰钢球夹持体(3-1-2)，球铰钢球夹持体(3-1-2)的连接处安装在支链前伸缩杆(3-2)上，球铰钢球体(3-1-1)的钢球在球铰钢球夹持体(3-1-2)中自由运动。

5.根据权利要求4所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：虎克铰(3-12)包括上铰链座(3-12-1)、下铰链座(3-12-2)、十字顶尖块(3-12-3)和四个顶针(3-12-4)，十字顶尖块(3-12-3)的两对外表面上分别设有锥形顶尖孔，每两个锥形顶尖孔的小径端相对且中心线重合，四个顶针(3-12-4)分别与上铰链座(3-12-1)和下铰链座(3-12-2)的两个侧壁螺纹连接且四个顶针(3-12-4)分别置于十字顶尖块(3-12-3)的锥形顶尖孔内，上铰链座(3-12-1)与支链后杆(3-10)连接。

6.根据权利要求1所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：三对支链(3)上的胡克铰(3-12)在360度范围内60度间隔均匀分布，三对支链(3)上的三对球铰链(3-1)在360度范围内，每对铰链之间的夹角均为30度，每相邻两对铰链之间的夹角均为90度。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：定平台(1)、动平台(2)、支链前伸缩杆(3-2)、轴承端盖(3-5)、支链电机连接体(3-6)、顶丝空盖(3-9)、支链后杆(3-10)、上铰链座(3-12-1)、下铰链座(3-12-2)、定位挡块(3-16)、磨钻电机连接体(4-2)、磨钻顶丝孔盖(4-4)、磨钻体(4-5)和轴承端盖(4-6)的材料均为铝合金。

8.根据权利要求1所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：定平台(1)在360度范围内60度间隔均匀开有六个圆孔(1-2)，经过圆孔(1-2)开设三对定位槽，每个定位槽(1-1)的中线穿过圆孔(1-2)的圆心，每对定位槽(1-1)之间的夹角为30度，每相邻两对定位槽(1-1)之间的夹角为90度，虎克铰(3-12)的下铰链座(3-12-2)通过圆孔(1-2)安装在定位槽(1-1)内。

9.根据权利要求1所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：动平台(2)沿径向方向各开设三对圆孔(2-3)，垂直每个圆孔中心线开设三对外定位平面(2-1)和三对内定位平面(2-2)，每对外定位平面(2-1)之间的夹角为30度，每相邻两对外定位平面(2-1)之间的夹角为90度，球铰(3-1)的球铰钢球体(3-1-1)通过圆孔(2-3)安装在外定位平面(2-1)和内定位平面(2-2)上。

10.根据权利要求2所述的六自由度颈椎骨磨削并联机器人，其特征在于：传感器(3-15)为L型光电传感器。