CN107951531B - 一种医疗机器人骨钻组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医疗机器人骨钻组件，属于骨钻领域，包括骨钻以及固定骨钻的夹持装置，夹持装置固定在机器人上，本发明公开的组件能够更加稳定精确的进行钻骨操作。

Description

一种医疗机器人骨钻组件

技术领域

本发明涉及医疗领域，具体来说是一种骨钻组件。

背景技术

骨钻在医用中经常用到，在神经外科、心胸外科、骨科、烧伤科等经常需要用在，现有的骨钻通常是电动的，通过一个电机控制钻头的转动进而在相应的骨头上开孔。

随着医疗手术机器人的发展，其微创、高效等作用得到了很大的体现，比如医生可以在手术室之外进行手术操作，这样就可以避免了医生的频繁消毒。

在一些手术对需要在骨骼上进行钻孔操作，而在钻孔如果通过手术机器人完成，医生则在远程观察钻孔的具体进程，并且钻孔的位置更加的精细。

而在机器人用骨钻进行钻孔的过程当中，遇到一个严重的问题，就是钻头的震动性，由于钻头、钻柄都是刚性的，在用机器人开钻的时候钻杆和机器人臂都会产生剧烈的震动，大大减少了钻孔的精度和安全性。同时骨钻在使用的时候需要多个自由度转动，进而更精确的找到钻骨的位置。

发明内容

本发明主要为了解决机器人手术钻孔当中的震动性问题，公开了一种医疗机器人骨钻组件，具体而言包括骨钻和夹持装置。

所述的骨钻包括：

钻柄和夹持件，夹持件或者环状的方式固定钻柄，所述的夹持件和手术机器人连接；

钻头，所述的钻头和钻柄连接，所述的钻头包括和钻柄连接的动力端以及开孔的钻杆，所述的钻杆和动力端之间为轴向缓冲件和径向缓冲件，所述的轴向缓冲件或者缓冲在钻骨过程当中轴向方向的震动，径向缓冲件用于缓冲在径向方向钻杆震动，其中径向缓冲件和轴向缓冲件具有以下特征：一般情况下，轴向和径向的钻杆是刚性的，但是当轴向或者径向受到较大的力的时候，轴向或者径向就会变成弹性的缓冲，这样能够大大的减少震动的发生，提高钻骨过程的稳定性。

为了实现上述功能，所述的轴向缓冲件包括与钻杆连接的第一转动座以及第二转动座，第二转动座上设有活动通道，第二转动座上设有深入活动通道的活动柱，活动通道端部为活动槽，活动柱末端为卡在活动槽内并且能够沿着活动槽轴向移动的活动块，其中为了便于安装和拆卸，活动块和活动柱为固定连接，具体来说活动块可以通过螺母等装置固定在活动柱上或者活动柱的末端，其中为了限制活动块沿着活动槽转动，活动块和活动槽的横截面可以设置为多边形结构，在优选方式中采用正六边形结构。

在使用的时候，通过活动块在活动柱上的轴向位置控制弹簧或者弹片的压缩状态，这时候活动块和活动槽底部之间的相互压力等于弹性件的压缩力（不考虑重力，该压缩力为F），该钻杆收到一个轴向的力的时候，当这个力小于F的时候，这个时候第一转动座和第二转动座不会发生相对的轴向移动，整体呈现刚性的状态。当钻杆收到的轴向的力大于F的时候，第一转动座和第二转动座会发生微小的相对移动，整体呈现弹性的状态，能够起到减震作用。

第一转动座和第二转动座之间设有高分子材料制备的弹性片或者第一弹簧，弹性片或者弹弹簧位于压缩状态，第二转动座和连接片固联。

所述的径向缓冲件，所述的径向缓冲件包括有和连接片连接的第一连接杆、第二连接杆，第二连接杆和第二连接杆之间设有限制径向转动的第二弹簧，第一连接杆设有一个凹部，第二连接杆设有深入凹部里的凸部，凹部内壁设有两个轴向分布的卡槽，凸部上设有轴向分布和卡槽配合的卡条，卡条卡在卡槽内给第二弹簧一个转向的预载力状态，本发明的卡条/卡槽可以设置为多个，如两个、三个，但优选为两个，每个卡条相对的可以在对应的卡槽内转动，当卡条卡在卡槽的一侧时，弹簧有一个径向的预载力，这个预载力为F2，当钻杆所收到的径向的力小于F2时，径向方向整体处于刚性状态，当钻杆的力大于F2时，卡条就会沿着卡槽移动，第一连接杆和第二连接杆就会相对转动，整体处于一个弹性的状态，可以缓冲径向的震动力。在实际当中，F2相对比较大，通常在上百牛之上，为了达到这种效果，可以选择功能性的大的弹性以及多个弹簧配合使用，弹簧的两端都是固定在第一连接杆和第二连接杆上。

所述的第一转动座连接有可以全部或者部分包裹第一弹簧和第二转动座的第一外壳，所述的径向缓冲件设有包裹第一连接杆、第二连接杆的第二外壳，其中第一外壳和第二外壳不是必要的，但是为了美观以及保护各部分，提高各部分的稳定性，通常在第一转动座一体化成型有一个包裹第一弹簧和第二转动座的第一外壳，以及在径向缓冲件单独设有一个外壳。第一外壳可以使得轴向的各部分更加的稳定，第二外壳作用在于保护部件。

本发明通过设置有轴向和径向减震装置，大大了提高的气动骨钻在手术机器人使用当中的稳定性，减少了钻骨带来的各种副作用，同时钻骨位置更加的精确可控制。

所述的夹持装置包括：

底板，所述的底板端部设有和机器人固联的连接座，所述的底板分别连接有第一驱动装置以及固定有第二驱动装置，所述的底板上设有一个对第一驱动装置转动限位的导轨，所述的导轨为弧形，弧形有一个弧心。

第一驱动装置，第一驱动装置能够沿着导轨转动，第一驱动装置安装有夹持气动骨钻的夹持件，夹持件能够垂直于导轨方向移动，夹持件为圆环结构；

第二驱动装置，所述的第二驱动装置控制第一驱动装置沿着导轨转动；

所述的底板上设有能够对导轨弧心轴和夹持件中心轴延长线交点进行定位的光学定位装置。

通过上述结构设计，弧形导轨的中心轴和夹持件中轴交点就是背景技术中固定不变的开口处，不管是骨钻前进、后退以及绕着导轨转动的时候，这个点上的骨钻部件始终不会对皮肤切口有影响，保证了钻骨的可进行性。

对于这个点，本发明通过光学定位，通常是用多股可见光相交的定位方式，这种光学定位是现有技术。

作为改进，所述的第一驱动装置包括第一电机、与第一电机驱动连接的第一螺杆，第一螺杆上螺纹连接有第一滑块，第一驱动装置设有一个安装第一螺杆的槽，槽内设有导向槽，第一滑块卡在导向槽内，限制第一滑块只能沿着第一螺杆轴向移动，第一滑块固联有夹持件。本发明通过这种驱动装置的设计，在第一驱动装置位置不变的情况下，就能够更稳定的控制骨钻的前进和后退，并且使用这种方式的目的在于电机可以通过远端控制，也是在机器人手术中非常有必要的。

作为改进，所述的第二驱动装置包括第二电机、与第二电机连接的第二螺杆602、与第二螺杆螺纹连接的第二滑块，第二滑块上固联有活动柱，第一驱动装置底部设有活动槽，活动柱卡在活动槽，并可以沿着活动槽移动。

第一驱动装置和第二驱动装置的空间连接关系十分重要，第二驱动装置要能够稳定的控制第一驱动装置绕着导轨转动，也要考虑到空间的安排性，因为在做手术的时候，不能够占用太多的空间。

作为改进，所述的活动柱上设有沿着活动柱截面圆周分布的滚轮，滚轮数量为4个，相对滚轮之间的轴心距离能够根据外力而变化，这样活动柱在活动槽内的活动更加的灵活，保证了夹持装置的灵活性。

在本发明是机器人的一种末端夹持装置，也就是说本发明的夹持装置是安装在机器人臂的末端，导轨上安装在底板上的，在使用的时候先通过机器人调整夹持装置的位置，再通过第一驱动装置和第二驱动装置调节骨钻（钻杆）到骨头上。

采用本发明的夹持装置通常情况下钻骨的时候，震动较大，对机器人不利，所以本发明使用了一种能够减震的骨钻，同时在轴向和径向进行减震操作。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是没有夹持件的示意图；

图3是没有第二外壳的示意图；

图4各部分分开的示意图；

图5是轴向缓冲件的示意图；

图6是径向缓冲件的示意图；

图7是另一侧观察的径向缓冲件的示意图；

图8是另一侧观察轴向缓冲件的示意图；

图9是夹持装置结构示意图；

图10是夹持装置第一驱动装置的示意图；

图11是夹持装置底板和第二驱动装置的示意图；

图12是夹持装置第一驱动装置底部的示意图；

图13是夹持装置活动柱示意图

图中标记：1-钻柄，2-钻头，201-钻杆，202-轴向缓冲件，2021-第一转动座，2022-第二转动座，2023-连接片，2024-第一弹簧，2025-活动柱，2026-活动块，2027-活动槽，2028-活动通道，203-径向缓冲件，2031-第一连接杆，2032-凹部，2033-第二弹簧，2034-凸部，2035-卡条，2036-第二连接杆，2037-卡槽，3-夹持件。

具体实施方式

本实施例公开了一种医疗机器人骨钻，如图1所示，包括：

钻柄1和夹持件3，夹持件或者环状的方式固定钻柄1，所述的夹持件和手术机器人连接；

钻头2，所述的钻头和钻柄连接，所述的钻头包括和钻柄连接的动力端以及开孔的钻杆201，所述的钻杆201和动力端之间为轴向缓冲件202和径向缓冲件203。

如图2为没有夹持件的结构示意图，本实施例中所述的夹持件和钻柄为现有的结构，如专利文献号CN102579105A中的相应的结构。

如图4所示，为轴向缓冲件和径向缓冲件各部分的具体结构图，对图进行进一步的放大为图5和图6。

如图5所示，所述的轴向缓冲件202包括与钻杆连接的第一转动座2021以及第二转动座2022，第二转动座上设有活动通道2028，第二转动座上设有深入活动通道2028的活动柱2025，活动通道端部为活动槽2027，活动柱末端为卡在活动槽内并且能够沿着活动槽轴向移动的活动块2026，第一转动座和第二转动座之间设有高分子材料制备的弹性片或者第一弹簧2024，弹性片或者弹弹簧位于压缩状态，第二转动座和连接片2023固联,轴向缓冲件的具体大小可以根据需要合理控制，主要能够达到上述功能即可。

如图6所示，所述的径向缓冲件包括有和连接片2023连接的第一连接杆2031、第二连接杆2036，第二连接杆和第二连接杆之间设有限制径向转动的第二弹簧2033，第一连接杆设有一个凹部2032，第二连接杆设有深入凹部里的凸部2034，凹部内壁设有两个轴向分布的卡槽2037，凸部上设有轴向分布和卡槽配合的卡条3035，卡条卡在卡槽内给第二弹簧一个转向的预载力状态。

图7是从另一侧观察到的径向缓冲件的示意图，主要为了便于观察第一连接杆的凹部结构。

所述的第一转动座2021连接有可以全部或者部分包裹第一弹簧和第二转动座的第一外壳。

如图1所示，所述的径向缓冲件设有包裹第一连接杆、第二连接杆的第二外壳，如图3所示，为没有第二外壳的结构图。

实施例2：本实施例公开了一种夹持装置，包括：

底板1，所述的底板端部设有和机器人固联的连接座601，所述的底板4分别连接有第一驱动装置5以及固定有第二驱动装置6，所述的底板上设有一个对第一驱动装置转动限位的导轨602，所述的导轨为弧形，弧形有一个弧心。

第一驱动装置5，第一驱动装置能够沿着导轨602转动，第一驱动装置安装有夹持气动骨钻的夹持件3，夹持件3能够垂直于导轨602方向移动，夹持件为圆环结构；

第二驱动装置4，所述的第二驱动装置控制第一驱动装置沿着导轨转动；

所述的底板4上设有能够对导轨弧心轴和夹持件中心轴延长线交点进行定位的光学定位装置。

所述的第一驱动装置包括第一电机501、与第一电机驱动连接的第一螺杆502，第一螺杆上螺纹连接有第一滑块503，第一驱动装置设有一个安装第一螺杆的槽，槽内设有导向槽504，第一滑块卡在导向槽内，限制第一滑块只能沿着第一螺杆轴向移动，第一滑块固联有夹持件3。

第二驱动装置包括第二电机601、与第二电机连接的第二螺杆602、与第二螺杆螺纹连接的第二滑块，第二滑块上固联有活动柱604，第一驱动装置底部设有活动槽506，活动柱卡在活动槽506，并可以沿着活动槽移动。

所述的活动柱上设有沿着活动柱截面圆周分布的滚轮6041，滚轮数量为4个，相对滚轮6041之间的轴心距离能够根据外力而变化，如所述的滚轮的中心轴杆和活动柱是可以弹性的方式连接，其为现有技术。

在医疗中，对骨钻的精确度要求较大，对与骨钻底板要求一种刚度大，耐冲击的材料，本发明采用一种碳化锆增强铜基复合材料， 其特征在于，制备方法如下：将炭黑、电解锆粉和铝粉末按照重量2:12：100均匀混合；采用热压成型的方法，制成坯块；以30℃-50℃/min的加热速率加热坯块，加热到1400℃-1700℃，炭黑和锆粉反应生成碳化锆增强相，之后进行均匀化热处理；

热挤压；在再结晶温度以上进行热轧处理，之后固溶处理。这种材料抗冲击，并且刚度大，适合制备底板其他部件。

Claims (3)

1.一种医疗机器人骨钻组件，其特征在于，包括：

钻柄（1）和夹持件（3），夹持件以环状的方式固定钻柄（1），所述的夹持件和手术机器人连接；

钻头（2），所述的钻头和钻柄连接，所述的钻头包括和钻柄连接的动力端以及开孔的钻杆（201），所述的钻杆（201）和动力端之间为轴向缓冲件（202）和径向缓冲件（203）；

底板（4），所述的底板端部设有和机器人固联的连接座（401），所述的底板（4）分别连接有第一驱动装置（5）以及固定有第二驱动装置（6），所述的底板上设有一个对第一驱动装置转动限位的导轨（402），所述的导轨为弧形，弧形有一个弧心；

第一驱动装置（5），第一驱动装置能够沿着导轨（402）转动，第一驱动装置安装有夹持件（3），夹持件（3）能够垂直于导轨（402）方向移动，夹持件为圆环结构，所述的第一驱动装置包括第一电机（501）、与第一电机驱动连接的第一螺杆（502），第一螺杆上螺纹连接有第一滑块（503），第一驱动装置设有一个安装第一螺杆的槽，槽内设有导向槽（504），第一滑块卡在导向槽内，限制第一滑块只能沿着第一螺杆轴向移动，第一滑块固联有夹持件（3）；

第二驱动装置（6），所述的第二驱动装置控制第一驱动装置沿着导轨转动，所述的第二驱动装置包括第二电机（601）、与第二电机连接的第二螺杆（602）、与第二螺杆螺纹连接的第二滑块，第二滑块上固联有第一活动柱（604），第一驱动装置底部设有第一活动槽（506），第一活动柱卡在第一活动槽（506），并可以沿着第一活动槽移动；

所述的底板（4）上设有能够对导轨弧心轴和夹持件中心轴延长线交点进行定位的光学定位装置；

所述的轴向缓冲件（202）包括与钻杆连接的第一转动座（2021）以及第二转动座（2022），第二转动座上设有活动通道（2028），第二转动座上设有穿过活动通道（2028）的第二活动柱（2025），活动通道端部为第二活动槽（2027），第二活动柱末端为卡在第二活动槽内并且能够沿着第二活动槽轴向移动的活动块（2026），第一转动座和第二转动座之间设有高分子材料制备的弹性片或者第一弹簧（2024），弹性片或者第一弹簧位于压缩状态，第二转动座和连接片（2023）固联；

所述的径向缓冲件包括有和连接片（2023）连接的第一连接杆（2031）、第二连接杆（2036），第一连接杆和第二连接杆之间设有限制径向转动的第二弹簧（2033），第一连接杆设有一个凹部（2032），第二连接杆设有进入凹部里的凸部（2034），凹部内壁设有两个轴向分布的卡槽（2037），凸部上设有轴向分布和卡槽配合的卡条（3035），卡条卡在卡槽内给第二弹簧一个转向的预载力状态；

所述的第一活动柱上设有沿着活动柱截面圆周分布的滚轮（6041），滚轮数量为4个，相对滚轮（6041）之间的轴心距离能够根据外力而变化。

2.根据权利要求1所述的医疗机器人骨钻组件，其特征在于，所述的第一转动座（2021）连接有可以全部或者部分包裹第一弹簧和第二转动座的第一外壳。

3.根据权利要求2所述的医疗机器人骨钻组件，其特征在于，所述的径向缓冲件设有包裹第一连接杆、第二连接杆的第二外壳。