CN104739528B - 一种牙科种植三自由度操作头机构 - Google Patents

Abstract

一种牙科种植三自由度操作头机构，它包括进给运动单元组件、旋转运动单元组件、升降运动单元组件、压力传感器采集单元组件、视觉位置采集单元组件和牙钻组件；进给运动单元组件位于整个操作头机构的最下部，旋转运动单元组件通过力传感器支撑件(11)与进给运动单元组件轴连接，压力传感器采集单元组件通过预紧板(18)上面的直线导轨(19)连接，升降运动单元组件通过预紧板(18)上的通孔进行螺纹连接，整个升降运动单元位置偏上，视觉位置采集单元组件通过螺纹与升降运动单元组件连接，牙钻组件通过升降运动单元组件上的种植头固定块(16)连接。本发明克服了现有技术中的缺点，帮助医生完成种植窝洞制备的操作。

Description

一种牙科种植三自由度操作头机构

技术领域

本发明涉及一种牙科种植三自由度操作头机构，属于外科医疗器械领域。

背景技术

口腔种植是目前修复牙缺失最有效的方法。口腔种植学的关键是如何在病人的牙槽突内选择合适的位置和角度植入一个种植体，该种植体与颌骨结合。近30年来，随着计算机辅助种植系统(CAI)的发展，尤其是CT技术在口腔种植领域的应用，解决了常规二维透视成像技术所固有的影像失真、重叠等问题，从三维立体图像精确判断全口牙床位置、牙槽骨深度、重要的神经血管以及上颌窦位置，使得医生在实际骨空间找出最佳的种植角度，避开危险区域。术前规划和术中操作是完成手术的两大步骤：利用CT扫描数据，ColumbiaScientific Inc.在1988年开发了3D牙科软件，随后商业软件SIMPLANT投入使用。随着CAD/CAM技术的发展，快速成型(RP)技术将虚拟的医学图像和口腔的实际环境结合起来，帮助医生准确地在预先规划好的路径上面完成手术操作。RP技术与计算机辅助规划结合的的方法提供了术前的精确方案设计，开环地为术中准备种植方案，但是没有形成闭环。IGI(Image-guided navigational implantology)引入视觉传感器，帮助医生实时获取手术信息，准确把握种植的距离和角度误差。但是医生在狭小空间操作牙钻很不方便，尤其对于需要种植后牙的情况。并且，手术医生的水平参差不齐，如果操作稍有不当，会影响病人的健康，影响长期的美观效果。目前的研究成果存在不够智能、可操作性不强等问题。

随着机器人辅助外科系统的发展，利用机器人的高精准度和可重复性操作的特点，发明了一种牙科种植三自由度操作头机构。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提出了一种三自由度串联种植操作头机构，帮助医生完成种植窝洞制备的操作。

本发明的目的是这样实现的：

一种牙科种植三自由度操作头机构，它包括进给运动单元组件、旋转运动单元组件、升降运动单元组件、压力传感器采集单元组件、视觉位置采集单元组件和牙钻组件共6个组件组成。它们之间的位置连接关系是：进给运动单元组件位于整个操作头机构的最下部，旋转运动单元组件通过力传感器支撑件11与进给运动单元组件轴连接，压力传感器采集单元组件通过预紧板18上面的直线导轨19连接，升降运动单元组件通过预紧板18上的通孔进行螺纹连接，整个升降运动单元位置偏上，视觉位置采集单元组件通过螺纹与升降运动单元组件连接，牙钻组件通过升降运动单元组件上的种植头固定块16连接。

所述的进给运动单元组件包括燕尾槽底座1、进给组件丝杠2、直线运动导轨3、T型滑块4、直流电机5、进给组件啮合齿轮6、进给组件轴端挡板7和进给电机法兰挡板8，其间关系是：燕尾槽底座1与进给组件轴端挡板7和进给电机法兰挡板8通过螺纹连接；进给组件丝杠2与T型滑块4组成丝杠传动，直流电机5通电转动，通过进给组件啮合齿轮6带动丝杠转动，T型滑块4和直线运动导轨3组成导轨-滑块连接。该燕尾槽底座1为矩形块状结构件，用于固定进给组件丝杠2、安装直线运动导轨3和支撑整个操作头；该进给组件丝杠2是一种市购普通丝杠，用于和T型滑块4下部的螺母配合传递直线运动；该直线运动导轨3是两根平行安装的市购普通导轨，用于约束T型滑块4只产生沿导轨方向的平移运动，该T型滑块4为T字型结构件，用于带动其以上部分沿直线运动导轨3方向运动，并且与力传感器支撑件11组成转动连接；该直流电机5是市购有刷直流电机，带有减速器以及编码器，用于为进给组件啮合齿轮6转动提供扭矩；该进给组件啮合齿轮6为传动比为1:1的直齿轮对，用于传递扭矩；该进给组件轴端挡板7是打有通孔的板状结构件，用于对进给组件丝杠2轴端固定；该进给电机法兰挡板8是打有通孔的板状结构件，用于对直流电机5的固定和进给组件丝杠2的轴端固定。

所述的旋转运动单元组件包括T型滑块4、旋转组件直流电机9、电机法兰10、力传感器支撑件11，其间的关系是T型滑块4与力传感器支撑件11通过转轴连接，电机法兰10将旋转组件直流电机9固定在力传感器支撑件11。该旋转组件直流电机9为市购有刷直流电机，带有高减速比的减速器以及编码器，用于为力传感器支撑件11的转动提供扭矩；该电机法兰10是打有通孔的板状结构件，用于固定直流电机9；该力传感器支撑件11是L型的结构件，用于安装力传感器以及产生转动；该T型滑块4是T型状结构件，一端与力传感器支撑件11固接，另一端与进给运动单元组件连接。

所述的升降运动单元组件包括直流电机5、升降组件啮合齿轮12、升降组件丝杠13、升降组件滑块14、升降燕尾槽15和种植头固定块16，其间的关系是：升降燕尾槽15与力传感器支撑件11通过升降组件滑块14连接，升降组件丝杠13和升降组件滑块14组成丝杠传动；该升降组件啮合齿轮12为传动比为1:1的直齿轮对，较进给组件啮合齿轮6相比直径偏小，用于传递扭矩；该升降组件丝杠13是一种市购普通丝杠，用于和升降组件滑块14配合传递运动；该升降组件滑块14是燕尾型普通滑块，用于与升降组件丝杠13配合传递运动以及连接力传感器支撑件11；该升降燕尾槽15为长条形空心立方体结构件，用于安装升降组件丝杠13以及为升降组件滑块14提供移动平台；该力传感器支撑件11为一端燕尾型一端凹型的块状结构件，用于连接牙钻加持块21；该直流电机5是市购有刷直流电机。

所述的压力传感器采集单元组件包括力传感器支撑件11、力传感器17、预紧板18、直线导轨19和力传感器采集盒23，其间的关系是:力传感器17螺纹固定在力传感器支撑件11上，预紧板18与力传感器支撑件11通过两根平行的直线导轨连接，安装过程中力传感器受到预定的正压力，用于提前施加一定的正压力，方便操作过程中测量正负方向的力；该直线导轨19是一种市购的普通导轨，平行安装，用于约束力传感器支撑件11，限制力传感器受力的方向；该预紧板18是L状结构件；该力传感器采集盒23是盒状件，它能够以较高频率采集压力传感器受到的压力，并且通过它能够实时传输到计算机当中进行处理。

所述的视觉位置采集单元组件包括视觉采集板20，其通过螺纹连接在升降运动单元组件中的种植头固定块16上，用来在其上制作双目相机可以识别的标记图案，经过处理能够获取到牙钻末端钻头的位姿，该位姿信息作为反馈信息调节钻头位姿。该视觉采集板20是T型状结构件。

所述的牙钻组件包括牙钻夹持块21，牙钻22，其间的关系是牙钻夹持块21依靠摩擦力紧固牙钻22，该牙钻夹持块21为一侧燕尾型的方形结构件，另一侧轮廓曲面和牙钻之间部位吻合，用于夹持住牙钻，该牙钻22为市购标准牙钻，用于在病人牙床骨上制备种植窝洞。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该机构代替医生徒手进行种植窝洞的制备，大大降低了医生的劳动强度；

2.该机构的刚度大，负载能力大大超过种植力，工作空间合理并且结构本体紧凑，通过精密的电机控制策略，可以完成高精度的操作；

3.通过视觉反馈和力觉反馈，有效地保障了手术的准确性和安全性，快速地提高了牙科种植操作的稳定性和安全性。

附图说明

图1为牙科种植三自由度操作头机构整体图

图2为进给运动单元组件

图3为旋转运动单元组件

图4为升降运动单元组件

图5为压力传感器采集单元组件

图6为视觉位置采集单元组件

图7为牙钻组件

图8为力传感器采集盒

图中，1、燕尾槽底座，2、进给组件丝杠，3、直线运动导轨，4、T型滑块，5、直流电机，6、进给组件啮合齿轮，7、进给组件轴端挡板，8、进给电机法兰挡板，9、旋转组件直流电机，10、电机法兰，11、力传感器支撑件，12、升降组件啮合齿轮，13、升降组件丝杠，14、升降组件滑块，15、升降燕尾槽，16、种植头固定块，17、力传感器，18、预紧板，19、直线导轨，20、视觉采集板，21、牙钻加持块，22、牙钻，23、力传感器采集盒。

具体实施方式

见图1-8，下面结合附图，对发明的技术方案做进一步的说明。

本发明的总体结构如图1至图7所示。

一种牙科种植三自由度操作头机构由进给运动单元组件、旋转运动单元组件、升降运动单元组件、压力传感器采集单元组件、视觉位置采集单元组件和牙钻组件组成。燕尾槽底座1中间部位放置进给组件丝杠2，T型滑块4和进给组件丝杠2完成螺纹连接，组成螺旋传动，再将T型滑块4平稳放置在直线运动导轨3上。利用进给组件轴端挡板7、进给电机法兰挡板8约束进给组件丝杠2轴向定位，调整前后同轴之后，用螺钉将其固定在燕尾槽底座1。

进给组件啮合齿轮6和对应的轴采用过盈配合方式连接，直流电机5的旋转可以带动进给组件啮合齿轮6转动，从而带动进给组件丝杠2的旋转，在螺旋传动的作用下T型滑块4可在直线运动导轨3上面滑动。旋转组件中，旋转组件直流电机9通过螺钉将其固定在电机法兰10上，在将以上两个部件用螺钉固定在力传感器支撑件11上，其中，电机输出轴上面为D型轴，与T型滑块4上的D型孔过盈配合，该电机配有大减速比的减速器，能够低速转动输出较大扭矩，从而带动力传感器支撑件11之上的部件。升降组件中直流电机5的旋转可以带动升降组件啮合齿轮12转动，从而带动升降组件丝杠13的旋转，在螺旋传动的作用下升降组件滑块14可在升降燕尾槽15光滑表面滑动，种植头固定块16与升降组件滑块14螺纹固定，实现升降运动，与种植头固定块16连接的直流电机5用于产生输出转矩，通过螺旋传动作用挤压牙钻加持块21侧面，从而将牙钻组件固定在种植头固定块16上面。压力传感器组件中，直线导轨19的平行安装，保证了力传感器收到单一方向的压力，通过预紧板18的预紧作用，使得力传感器在初始阶段具有固定的压力读数，在制备种植窝洞的过程中，钻头受到的轴向压力传导到力传感器上面，经过力传感器采集盒23的高频率采集，将数据传输到计算机。视觉采集组件中视觉采集板20上面可以选择粘贴纸质打印标记图案或直接在其上一次打印完成，该视觉采集板20在双目视觉视野下，采集到标记图案在三维空间的位姿，计算机能够求解出钻头在三维空间的位姿，达到视觉伺服控制的作用。

本发明按照下述方式工作：该牙科种植三自由度操作头机构首先到达一个初始位置，该初始位置能够满足所述机构经一定运动到达术前规划位置的要求。双目视觉采集标记图案的位姿信息，算出和术前规划的位姿偏差，在计算机当中计算出进给方向、升降方向和旋转的运动参数，同时，电机的编码器将检测到的直流电机5和旋转组件直流电机9的位置和速度信号反馈到计算机，将给定信号和反馈信号通过闭环控制算法运算后，发给直流电机，电机带动相应传动装置，最后牙钻钻头运动到术前规划位置，接着升降运动单元组件单独工作，按照指定的钻孔深度，实现种植操作。

以上参照附图对本发明的描述是示意性的，没有限制性，本领域的技术人员应该能够理解，在实际实施中，本发明中各构件的形状和布局方式均可能发生某些改变；而在本发明的启示下，其他人员也可以做出与本发明相似的设计或对本发明做出修改以及某个构件的等同替换。特别需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变以及具有等同替换的相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种牙科种植三自由度操作头机构，其特征在于：它包括进给运动单元组件、旋转运动单元组件、升降运动单元组件、压力传感器采集单元组件、视觉位置采集单元组件和牙钻组件；进给运动单元组件位于整个操作头机构的最下部，旋转运动单元组件通过第三力传感器支撑件与进给运动单元组件轴连接，压力传感器采集单元组件通过预紧板(18)上面的直线导轨(19)连接，升降运动单元组件通过预紧板(18)上的通孔进行螺纹连接，整个升降运动单元位置偏上，视觉位置采集单元组件通过螺纹与升降运动单元组件连接，牙钻组件通过升降运动单元组件上的种植头固定块(16)连接；

所述的进给运动单元组件包括燕尾槽底座(1)、进给组件丝杠(2)、直线运动导轨(3)、第一T型滑块、第一直流电机、进给组件啮合齿轮(6)、进给组件轴端挡板(7)和进给电机法兰挡板(8)，燕尾槽底座(1)与进给组件轴端挡板(7)和进给电机法兰挡板(8)通过螺纹连接；进给组件丝杠(2)与第一T型滑块组成丝杠传动，第一直流电机通电转动，通过进给组件啮合齿轮(6)带动丝杠转动，第一T型滑块和直线运动导轨(3)组成导轨-滑块连接；所述燕尾槽底座(1)为矩形块状结构件，用于固定进给组件丝杠(2)、安装直线运动导轨(3)和支撑整个操作头；所述进给组件丝杠(2)用于和第一T型滑块下部的螺母配合传递直线运动；所述直线运动导轨(3)是两根平行安装的导轨，用于约束第一T型滑块只产生沿导轨方向的平移运动；所述第一T型滑块为T型结构件，用于带动第一T型滑块以上部分沿直线运动导轨(3)方向运动，并且与第三力传感器支撑件组成转动连接；所述第一直流电机是有刷直流电机，带有减速器以及编码器，用于为进给组件啮合齿轮(6)转动提供扭矩；所述进给组件啮合齿轮(6)为传动比为1:1的直齿轮对，用于传递扭矩；所述进给组件轴端挡板(7)是打有通孔的板状结构件，用于对进给组件丝杠(2)轴端固定；所述进给电机法兰挡板(8)是打有通孔的板状结构件，用于对第一直流电机的固定和进给组件丝杠(2)的轴端固定；

所述的旋转运动单元组件包括第二T型滑块、旋转组件直流电机(9)、电机法兰(10)和第一力传感器支撑件，第二T型滑块与第一力传感器支撑件通过转轴连接，电机法兰(10)将旋转组件直流电机(9)固定在第一力传感器支撑件；所述旋转组件直流电机(9)为有刷直流电机，带有高减速比的减速器以及编码器，用于为第一力传感器支撑件的转动提供扭矩；所述电机法兰(10)是打有通孔的板状结构件，用于固定旋转组件直流电机(9)；所述第一力传感器支撑件是L型的结构件，用于安装力传感器以及产生转动；所述第二T型滑块一端与第一力传感器支撑件固接，另一端与进给运动单元组件连接；所述第二T型滑块是T型结构件；

所述的升降运动单元组件包括第二直流电机(5)、升降组件啮合齿轮(12)、升降组件丝杠(13)、升降组件滑块(14)、升降燕尾槽(15)和种植头固定块(16)，升降燕尾槽(15)与第三力传感器支撑件通过升降组件滑块(14)连接，升降组件丝杠(13)和升降组件滑块(14)组成丝杠传动；所述升降组件啮合齿轮(12)为传动比为1:1的直齿轮对，较进给组件啮合齿轮(6)相比直径偏小，用于传递扭矩；所述升降组件丝杠(13)是用于和升降组件滑块(14)配合传递运动；所述升降组件滑块(14)是燕尾型滑块，用于与升降组件丝杠(13)配合传递运动以及连接第三力传感器支撑件；所述升降燕尾槽(15)为长条形空心立方体结构件，用于安装升降组件丝杠(13)以及为升降组件滑块(14)提供移动平台；所述第三力传感器支撑件为一端燕尾型一端凹型的块状结构件，用于连接牙钻加持块(21)；所述第二直流电机是有刷直流电机；

所述的压力传感器采集单元组件包括第二力传感器支撑件、力传感器(17)、预紧板(18)、直线导轨(19)和力传感器采集盒(23)，力传感器(17)螺纹固定在第二力传感器支撑件上，预紧板(18)与第二力传感器支撑件通过两根平行的直线导轨连接，安装过程中力传感器受到预定的正压力，用于提前施加一定的正压力，方便操作过程中测量正负方向的力，所述直线导轨(19)是平行安装，用于约束第二力传感器支撑件，限制力传感器受力的方向；所述预紧板(18)是L状结构件，所述力传感器采集盒(23)是盒状件，所述力传感器采集盒(23)能够以较高频率采集压力传感器受到的压力，并且通过所述力传感器采集盒(23)能够实时传输到计算机当中进行处理；

所述的视觉位置采集单元组件包括视觉采集板(20)，视觉采集板(20)通过螺纹连接在升降运动单元组件中的种植头固定块(16)上，用来在视觉采集板(20)上制作双目相机可以识别的标记图案，经过处理能够获取到牙钻末端钻头的位姿，所述位姿信息作为反馈信息调节钻头位姿；所述视觉采集板(20)是T型状结构件；

所述的牙钻组件包括牙钻夹持块(21)和牙钻(22)，牙钻夹持块(21)依靠摩擦力紧固牙钻(22)，所述牙钻夹持块(21)为一侧燕尾型的方形结构件，另一侧轮廓曲面和牙钻之间部位吻合，用于夹持住牙钻，所述牙钻(22)为标准牙钻，用于在病人牙床骨上制备种植窝洞。