CN105105849A - 一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器 - Google Patents
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Abstract
一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器，它包括：直线进给运动组件，操作力测量组件，电钻组件，视觉反馈组件；直线进给运动组件位于末端执行器底部，视觉反馈组件通过螺钉与直线进给运动组件连接，电钻组件位于视觉反馈组件内部并通过操作力测量组件及电钻组件的电钻夹持器上、下端盖(19)、(16)与之连接，操作力测量组件位于视觉反馈组件内部并通过螺钉与直线进给运动组件中的丝杠螺母部件(7)的平台表面连接。本发明能够完成钻孔的自动进给以及牵拉力的精确控制，辅助医生完成手术操作，提高了手术效果和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器，属于外科医疗器械领域。
背景技术
传统关节镜下前交叉韧带重建手术由医生手持电钻进行胫骨和股骨钻孔，然后将韧带移植物固定在隧道孔中，并施加一定的预张力。钻孔位置和力度都依赖医生操作经验，难以准确把握。钻头在运行中受力变化直接反映了电钻与骨组织的相互作用状态，因钻孔不当会引起神经、血管等软组织损伤，可导致严重后果。另外，韧带移植物的预张力大小对膝关节稳定性也产生重要影响：如果没有施加预张力，术后韧带强度会下降约30％；预张力过低，会造成关节稳定性下降；预张力过高，会造成ROM(关节活动度)降低。
由于医生的水平参差不齐，操作稍有不当，则会影响手术效果。目前，随着医疗机器人技术的发展，利用机器人的高精度和可重复性操作的特点可以辅助医生完成高质量的手术。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提高手术效果和安全性，提供一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器，它能够完成钻孔的自动进给以及牵拉力的精确控制，辅助医生完成手术操作。
本发明一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器，包括：直线进给运动组件，操作力测量组件，电钻组件，视觉反馈组件。它们之间的位置连接关系是：直线进给运动组件位于末端执行器底部，视觉反馈组件通过螺钉与直线进给运动组件连接，电钻组件位于视觉反馈组件内部并通过操作力测量组件及电钻组件的电钻夹持器上、下端盖16、19与之连接，操作力测量组件位于视觉反馈组件内部并通过螺钉与直线进给运动组件中的丝杠螺母部件7的平台表面连接。
所述的直线进给运动组件包括：齿轮挡盖1，齿轮3，电机安装法兰4，轴承5，滑动丝杠6，丝杠螺母部件7，支承法兰8，机座9，进给运动导轨滑块10，进给运动直线导轨11和直流电机12。它们之间的的位置连接关系是：滑动丝杠6与丝杠螺母部件7一起组成丝杠传动，直流电机12通过齿轮3将运动和动力传递到滑动丝杠6上，带动滑动丝杠6转动。齿轮档盖1固定在电机安装法兰4上，遮挡住齿轮3，防止其与医生或患者发生碰撞，提高手术安全性。进给运动直线滑块10和进给运动直线导轨11一起组成导轨-滑块连接。滑动丝杠6通过轴承5固定在电机安装法兰4和支承法兰8上，以减小摩擦，提高精度。机座9及电机安装法兰4、支承法兰8一起构成整个末端执行器的基础部件，用于固定滑动丝杠6、直流电机12、安装进给运动直线导轨11并支撑其他部件。该滑动丝杠6是一种市购普通滑动丝杠，用于和丝杠螺母部件7下部的螺母配合实现直线进给运动。该进给运动直线导轨11是两根平行安装的市购普通导轨，用于约束进给运动导轨滑块10只产生沿导轨的平移运动。该直流电机12是市购空心杯直流伺服电机，带有减速箱及光电编码器。该直线进给运动组件中的齿轮3为传动比为1:1的直齿轮组，用于传递电机扭矩。该电机安装法兰4是打有安装孔的板状构件，用于对直流电机12的固定和滑动丝杠6的轴端固定。该轴承5是市购的小型深沟球轴承，用于支撑丝杠6的转动，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。该齿轮挡盖1是钣金结构件；该支承法兰8是长方形板状结构件。
所述的操作力测量组件包括：丝杠螺母部件7，平端紧定螺钉13，预紧力调节垫片14，压力传感器15，电钻夹持器下端盖16，测力组件导轨滑块17，测力组件直线导轨18。它们之间的的位置连接关系是：测力组件导轨滑块17和测力组件直线导轨18一起组成导轨-滑块连接，安装并固定在丝杠螺母部件7的平台表面。电钻夹持器下端盖16固定在测力组件导轨滑块17上，使其在测力组件直线导轨18上能自由滑动。规格尺寸相同的两个压力传感器15通过螺纹连接分别固定在丝杠螺母部件7前后两端的法兰板上，且压力传感器15与电钻夹持器下端盖16的前后两个表面分别以一定预紧力接触。预紧力调节垫片14装在丝杠螺母部件7的前端法兰板与压力传感器15之间，平端紧定螺钉13通过丝杠螺母部件7前端法兰板上的螺纹孔对预紧力调节垫片14施加一定的压力，从而可以调节压力传感器15与电钻夹持器下端盖16之间的预紧力。该压力传感器15是市购高速压力传感器，能以较高频率采集压力信息，两个压力传感器一起组成拉、压力测力系统。该测力组件导轨滑块17及测力组件直线导轨18是一种市购普通直线导轨滑块机构，平行安装，用于约束电钻夹持器下端盖16，限制压力传感器受力方向。该丝杠螺母部件7是市购或加工的T型螺旋副结构件；该平端紧定螺钉13与预紧力调节垫片14也是市购件。
所述的电钻组件包括：手术器械2，电钻夹持器下端盖16，电钻夹持器上端盖19，电钻20。其中电钻夹持器下端盖16和电钻夹持器上端盖19通过螺纹紧固构成电钻夹持机构，用于固定电钻20。该电钻20是市购手术专用电钻，松开电钻夹头可换手术器械2，实现多种操作。
所述的视觉反馈组件为立体光学标记框架21，固定在丝杠螺母部件7上。为减轻机构重量，立体光学标记框架21内部镂空，可在其多个表面上制作手术导航系统可识别的光学标记，经处理能够获取手术器械的位置和姿态。
本发明一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器的优点在于：(1)该末端执行器结构紧凑，重量较轻，直线进给精度高，且通过更换钻头或牵拉头即可用同一机构实现钻孔和牵拉操作；(2)该末端执行器通过力传感器反馈信息，实时监测钻孔和牵拉过程中力的变化，控制执行机构实现钻孔的自动进给与停止，以及准确施加韧带张力；(3)通过视觉反馈获取术中手术器械的位置和姿态，利用该反馈信息采控制末端执行器的运动，能有效提高手术的准确性和安全性。
附图说明
图1是机器人末端执行器的整体结构图。
图2是直线进给运动组件结构图。
图3是操作力测量组件结构图。
图4是电钻组件结构图。
图5是视觉反馈组件结构图。
图中，1、齿轮档盖，2、手术器械，3、齿轮，4、电机安装法兰，5、轴承，6、滑动丝杠，7、丝杠螺母部件，8、支承法兰，9、机座，10、进给运动导轨滑块，11、进给运动直线导轨，12、直流电机，13、平端紧定螺钉，14、预紧力调节垫片，15、压力传感器，16、电钻夹持器下端盖，17、测力组件导轨滑块，18、测力组件直线导轨，19、电钻夹持器上端盖，20、电钻，21、立体光学标记框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行的技术方案做进一步说明。
本实施例的一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器主要由直线进给运动组件，操作力测量组件，电钻组件，视觉反馈组件组成。它们之间的位置连接关系是：直线进给运动组件位于末端执行器底部，视觉反馈组件通过螺钉与直线进给运动组件连接，电钻组件位于视觉反馈组件内部并通过操作力测量组件及电钻组件的电钻夹持器上、下端盖16、19与之连接，操作力测量组件位于视觉反馈组件内部并通过螺钉与直线进给运动组件中的丝杠螺母部件7的平台表面连接。
进行股骨或胫骨钻孔操作时，进给运动组件带着电钻组件沿着直线导轨向前自动进给，通过操作力测量组件和视觉反馈组件获取钻孔力的大小以及钻头位置信息，反馈给控制系统实现自动进给；进行韧带牵拉操作时，更换手术器械，进给运动组件带着电钻组件沿着直线导轨向后自动进给，通过操作力测量组件获取牵拉力的大小，反馈给控制系统，实现精确的韧带预张力设置。
参照图1，齿轮档盖1通过螺钉固定在电机安装法兰4上，用于屏蔽齿轮3的旋转运动，避免人体与运动部件发生碰撞。
参照图2，直流电机12通过其减速箱上的安装螺纹孔使用螺钉固定在电机安装法兰4上；直流电机12的D型输出轴与齿轮3的轴孔采用过盈配合装配在一起，通过齿轮组将电机的扭矩传递到滑动丝杠6上；滑动丝杠6的两端分别与轴承5采用过盈配合安装在一起，轴承5的外圈与电机安装法兰4上的轴孔采用过盈配合装配；电机安装法兰4、支承法兰8和机座9之间使用螺钉固定在一起，构成整个末端执行器的基础部件；两条平行安装的进给运动直线导轨11通过螺纹连接固定在机座9的表面上，用于约束进给运动导轨滑块10只产生沿导轨的平移运动；滑动丝杠6与丝杠螺母部件7通过螺旋副构成丝杠传动装置，将旋转运动转化为直线进给运动；丝杠螺母部件7与进给运动导轨滑块10采用螺纹连接固定在一起，沿着进给运动直线导轨11做直线运动，滑块与导轨之间为滚动摩擦，降低了二者间的运动阻力。
参照图3，测力组件导轨滑块17和测力组件直线导轨18一起组成导轨-滑块连接，使用螺纹连接固定在丝杠螺母部件7的平台表面；电钻夹持器下端盖16使用螺纹连接固定在测力组件导轨滑块17上，使其在测力组件直线导轨18上能自由滑动；相同的两个压力传感器15通过螺纹连接分别固定在丝杠螺母部件7前后两端的法兰板上，且压力传感器15与电钻夹持器下端盖16的前后两个表面分别以一定预紧力接触；预紧力调节垫片14为一圆柱体薄片，其前后表面分别与丝杠螺母部件7的法兰板、压力传感器15的表面接触，平端紧定螺钉13通过丝杠螺母部件7前端法兰板上的螺纹孔对预紧力调节垫片14施加一定的压力，平端紧定螺钉13越往螺纹孔内拧，其对预紧力调节垫片14施加的压力越大，即传感器15与电钻夹持器下端盖16的前后两表面间的预紧力越大，平衡状态下前后两个力传感器采集到的预紧力值大小相等；当进行钻孔操作时，钻孔力通过传递施加在压力传感器上，后端的力传感器被压紧，前端的力传感器被放松，通过比较两个传感器采集到的力的差值，可以计算出钻孔力的大小；当进行牵拉操作时，牵拉力通过传递施加在压力传感器上，前端的力传感器被压紧，后端的力传感器被放松，通过比较两个传感器采集到的力的差值，可以计算出牵拉力的大小。
参照图4，电钻夹持器下端盖16和电钻夹持器上端盖19通过螺纹连接成电钻夹持机构，与电钻20的外表面接触，夹紧电钻20，防止在钻孔过程中出现晃动；逆时针旋转电钻20的头部，可松开电钻夹头更换手术器械2，更换后顺时针旋转，可夹紧手术器械；通过使用钻头或牵拉头即可用同一末端执行器实现钻孔或牵拉操作。
参照图5，立体光学标记框架21使用螺纹连接固定在丝杠螺母部件7上。为减轻机构重量，立体光学标记框架21内部和表现部分区域挖空，在每个表面留下4块可以制作光学标记的区域，能够被手术导航系统识别；通常，只需要在一个表面上制作光学标记即可通过导航系统获取其位置和姿态，但有时会出现视觉遮挡问题，造成光学标记的图像信息丢失，影响手术安全，而对本实施例的立体光学标记框架21，可在其多个表面上制作光学标记，提供冗余视觉信息，减小遮挡问题对手术安全性造成的影响。
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)
1.一种前交叉韧带重建术中的机器人末端执行器，其特征在于：它包括：直线进给运动组件，操作力测量组件，电钻组件，视觉反馈组件；直线进给运动组件位于末端执行器底部，视觉反馈组件通过螺钉与直线进给运动组件连接，电钻组件位于视觉反馈组件内部并通过操作力测量组件及电钻组件的电钻夹持器上、下端盖(19)、(16)与之连接，操作力测量组件位于视觉反馈组件内部并通过螺钉与直线进给运动组件中的丝杠螺母部件(7)的平台表面连接；
所述的直线进给运动组件包括：齿轮挡盖(1)，齿轮(3)，电机安装法兰(4)，轴承(5)，滑动丝杠(6)，丝杠螺母部件(7)，支承法兰(8)，机座(9)，进给运动导轨滑块(10)，进给运动直线导轨(11)和直流电机(12)；滑动丝杠(6)与丝杠螺母部件(7)一起组成丝杠传动，直流电机(12)通过齿轮(3)将运动和动力传递到滑动丝杠(6)上，带动滑动丝杠(6)转动；齿轮档盖(1)固定在电机安装法兰(4)上，遮挡住齿轮(3)，防止其与医生或患者发生碰撞，提高手术安全性；进给运动直线滑块(10)和进给运动直线导轨(11)一起组成导轨-滑块连接，滑动丝杠(6)通过轴承(5)固定在电机安装法兰(4)和支承法兰(8)上，以减小摩擦，提高精度；机座(9)及电机安装法兰(4)、支承法兰(8)一起构成整个末端执行器的基础部件，用于固定滑动丝杠(6)、直流电机(12)、安装进给运动直线导轨(11)并支撑其他部件；该滑动丝杠(6)是用于和丝杠螺母部件(7)下部的螺母配合实现直线进给运动；该进给运动直线导轨(11)是两根平行安装的导轨，用于约束进给运动导轨滑块(10)只产生沿导轨的平移运动；该直流电机(12)是空心杯直流伺服电机，带有减速箱及光电编码器；该直线进给运动组件中的齿轮(3)是传动比为1:1的直齿轮组，用于传递电机扭矩；该电机安装法兰(4)是打有安装孔的板状构件，用于对直流电机(12)的固定和滑动丝杠(6)的轴端固定；该轴承(5)是小型深沟球轴承，用于支撑丝杠(6)的转动，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度；该齿轮挡盖(1)是钣金结构件；该支承法兰(8)是长方形板状结构件；
所述的操作力测量组件包括：丝杠螺母部件(7)，平端紧定螺钉(13)，预紧力调节垫片(14)，压力传感器(15)，电钻夹持器下端盖(16)，测力组件导轨滑块(17)和测力组件直线导轨(18)；测力组件导轨滑块(17)和测力组件直线导轨(18)一起组成导轨-滑块连接，安装并固定在丝杠螺母部件(7)的平台表面；电钻夹持器下端盖(16)固定在测力组件导轨滑块(17)上，使其在测力组件直线导轨(18)上能自由滑动；规格尺寸相同的两个压力传感器(15)通过螺纹连接分别固定在丝杠螺母部件(7)前后两端的法兰板上，且压力传感器(15)与电钻夹持器下端盖(16)的前后两个表面分别以一定预紧力接触；预紧力调节垫片(14)装在丝杠螺母部件(7)的前端法兰板与压力传感器(15)之间，平端紧定螺钉(13)通过丝杠螺母部件(7)前端法兰板上的螺纹孔对预紧力调节垫片(14)施加一定的压力，从而调节压力传感器(15)与电钻夹持器下端盖(16)之间的预紧力；该压力传感器(15)是高速压力传感器，能以较高频率采集压力信息，两个压力传感器一起组成拉、压力测力系统；该测力组件导轨滑块(17)及测力组件直线导轨(18)是一种直线导轨滑块机构，平行安装，用于约束电钻夹持器下端盖(16)，限制压力传感器受力方向；该丝杠螺母部件(7)是T型螺旋副结构件；
所述的电钻组件包括：手术器械(2)，电钻夹持器下端盖(16)，电钻夹持器上端盖(19)和电钻(20)；其中电钻夹持器下端盖(16)和电钻夹持器上端盖(19)通过螺纹紧固构成电钻夹持机构，用于固定电钻(20)；该电钻(20)是手术专用电钻，松开电钻夹头能换手术器械(2)，实现多种操作；
所述的视觉反馈组件为立体光学标记框架(21)，固定在丝杠螺母部件(7)上；为减轻机构重量，立体光学标记框架(21)内部镂空，能在其各个表面上制作手术导航系统可识别的光学标记，经处理能够获取手术器械的位置和姿态。
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