CN103654909B - 基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置，包括底板、直线导轨、滑块、上板、压电促动器、联接器、直流电机、电机安装座和驱动控制机构；所述直线导轨固定在底板上；所述滑块与直线导轨滑动连接；所述上板的尾部设有立板；所述压电促动器的尾部固定在上板的立板上；所述压电促动器的输出端通过联接器连接直流电机；所述直流电机通过电机安装座固定在上板的前部；所述驱动控制机构驱动压电促动器和直流电机工作。本发明将振动钻削技术运用到骨科手术用钻骨装置中，有效减少切削过程中刀具与工件的摩擦产生热量以及切削导致工件的破碎与变形而产生热量，而振动钻削带来的钻头的刚性化效应，则有效提高了钻削精度。<!--1-->

Description

基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置
技术领域
本发明涉及基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置。
背景技术
随着微创概念在骨科手术中的不断推广和深入，在保障手术效果的前提下尽量减小手术操作对患者的损伤已成为未来骨科手术发展的重要方向。作为骨科手术中最基本、最常见的手术操作方式之一，钻削过程中产生的切削热会对骨骼造成不可逆的损伤。热损伤会导致骨骼坏疽甚至引发骨髓炎，这不仅会影响术后恢复还会直接影响手术效果。
振动钻削是在钻头上附加轴向高频振动的新型钻削方式。通过附加振动而带来的脉冲作用能有效地改善钻削效果，并能显著降低钻削过程中的切削热。在振动钻削中，沿钻削轴向的高频振动脉冲作用等于在原有进给力的基础上附加了脉冲的推进力，从而改变了进给力的大小。其次振动的脉冲作用也使原有持续施加的进给力变成脉冲力，而且该脉冲力的大小和频率直接受到振动参数（振动频率和振幅）的影响。
因此将振动钻削技术运用到骨科手术用钻骨装置中，对于提高骨科手术中的骨骼钻削操作的安全性和精度具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于振动钻削的精度高、轻便的骨科手术用钻骨装置。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置，包括底板、直线导轨、滑块、上板、压电促动器、联接器、直流电机、电机安装座和驱动控制机构；所述直线导轨固定在底板上；所述滑块与直线导轨滑动连接；所述上板的尾部设有立板；所述压电促动器的尾部固定在上板的立板上；所述压电促动器的输出端通过联接器连接直流电机；所述直流电机通过电机安装座固定在上板的前部；所述驱动控制机构驱动压电促动器和直流电机工作。
所述压电促动器采用压电陶瓷作为驱动材料。
所述电机安装座内设有U型槽；所述直流电机安装在电机安装座的U型槽中。
所述驱动控制机构包括压电驱动器和电机控制器；所述压电驱动器通过提供驱动脉冲驱动压电促动器产生振动；所述电机控制器通过输出PWM波来驱动直流电机转动。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：（1）本发明的压电促动器的输出端通过联接器连接直流电机，将振动钻削技术运用到骨科手术用钻骨装置中，在骨骼振动钻削中脉冲作用会使钻削进给力显著降低，从而减少切削过程中刀具与工件的摩擦产生热量以及切削导致工件的破碎与变形而产生热量，而振动钻削带来的钻头的刚性化效应，则有效提高了钻削精度。
（2）本发明的压电促动器采用压电陶瓷作为驱动材料，可以提供高频（10KHz以上）、低振幅（10~100μm）的振动，并且可以精确控制振动的频率和振幅。
（3）本发明的直流电机安装在电机安装座的U型槽中，这种结构使得使直流电机既可以保持水平固定，同时又可以沿水平方向振动。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明无驱动控制机构的结构示意图。
图2为本发明的工作原理图。
附图中的标号为：
底板1、直线导轨2、滑块3、上板4、立板41、压电促动器5、联接器6、直流电机7、电机安装座8、压电驱动器9、电机控制器10。
具体实施方式
（实施例1）
见图1，本实施例的基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置包括底板1、直线导轨2、滑块3、上板4、压电促动器5、联接器6、直流电机7、电机安装座8和驱动控制机构。
直线导轨2固定在底板1上。滑块3与直线导轨2滑动连接。上板4的尾部设有立板41。压电促动器5的尾部固定在上板4的立板41上。压电促动器5的输出端通过联接器6连接直流电机7。直流电机7通过电机安装座8固定在上板4的前部。电机安装座8内设有U型槽，直流电机7安装在电机安装座8的U型槽中。电机安装座8的U型槽为直流电机7提供合适的压紧力，使直流电机7既可以保持水平固定，同时又可以沿水平方向振动。
压电促动器5采用压电陶瓷作为驱动材料。根据逆压电效应，当在压电陶瓷表面上施加外电场，会使压电陶瓷出现几何变形，当施加交变的电场时，就会产生振动。控制外加电场的交变频率就可以精确控制振动频率；改变外加电场的强度就可以改变振动的振幅。
本实施例的基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置使用直线导轨2来传递骨骼钻削的进给运动，进给的驱动可以通过外加电机驱动，也可以通过手动的方式来驱动。
见图2，驱动控制机构驱动压电促动器5和直流电机7工作。驱动控制机构包括压电驱动器9和电机控制器10。压电驱动器9通过提供驱动脉冲驱动压电促动器5产生振动，通过调整驱动脉冲的频率可以控制压电促动器5的振动频率，通过调整驱动脉冲的幅度大小可以控制压电促动器5的振动振幅。电机控制器10通过输出PWM波来驱动直流电机7转动，通过改变输出PWM波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100％变化，从而实现对直流电机7的转速的控制。压电促动器5输出的高频振动与直流电机7输出的转动叠加在一起实现振动钻削。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置，其特征在于：包括底板（1）、直线导轨（2）、滑块（3）、上板（4）、压电促动器（5）、联接器（6）、直流电机（7）、电机安装座（8）和驱动控制机构；所述直线导轨（2）固定在底板（1）上；所述滑块（3）与直线导轨（2）滑动连接；所述上板（4）的尾部设有立板（41）；所述压电促动器（5）的尾部固定在上板（4）的立板（41）上；所述压电促动器（5）的输出端通过联接器（6）连接直流电机（7）；所述直流电机（7）通过电机安装座（8）固定在上板（4）的前部；所述驱动控制机构驱动压电促动器（5）和直流电机（7）工作。
2.根据权利要求1所述的基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置，其特征在于：所述压电促动器（5）采用压电陶瓷作为驱动材料。
3.根据权利要求1所述的基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置，其特征在于：所述电机安装座（8）内设有U型槽；所述直流电机（7）安装在电机安装座（8）的U型槽中。
4.根据权利要求1所述的基于振动钻削的骨科手术用钻骨装置，其特征在于：所述驱动控制机构包括压电驱动器（9）和电机控制器（10）；所述压电驱动器（9）通过提供驱动脉冲驱动压电促动器（5）产生振动；所述电机控制器（10）通过输出PWM波来驱动直流电机（7）转动。
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