CN110680484B

CN110680484B - 一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构

Info

Publication number: CN110680484B
Application number: CN201911028598.4A
Authority: CN
Inventors: 雷静桃; 郑功亮
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2039-10-28
Also published as: CN110680484A

Abstract

本发明涉及一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，由骨折近端固定模块、骨折远端夹持模块和复位力测试模块组成；所述骨折近端固定模块安装在手术床上，骨折近端固定模块通过骨针固定骨折近端，骨折远端夹持模块与并联复位机器人的动平台连接，骨折远端夹持模块通过骨针夹持骨折远端，复位力测试模块的远端肌肉束固定板安装在骨折远端夹持模块的圆弧支架上，复位力测试模块的力传感器安装座固定在骨折近端固定模块的支架上。本发明能够实现对患者下肢骨折近端的固定、骨折远端的夹持及精准复位操作，可测试骨折复位过程中复位力与直线电缸驱动力之间的变化规律，可用于并联复位机器人手术复位过程中的外力估计、碰撞检测等测试实验。

Description

一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构。

背景技术

随着医疗技术的发展，人们对骨折复位手术的安全性和手术操作的便捷性要求逐渐提高，机器人辅助骨折复位手术逐渐代替传统的外科医生手动复位，目前下肢骨折复位机器人主要采用并联复位机器人，现有的并联复位机器人的骨折固定机构在股骨头附近存在固定盲点，在骨折固定的过程中操作不便且断骨固定不牢固，这些问题直接影响骨折复位手术的安全性和手术精度。

另一方面，为提高手术的安全性，人们将无传感器的外力估计和碰撞检测技术引入并联骨折复位机器人中，现有的骨折复位机器人中缺少复位力测试模块，无法获得骨折复位过程中末端复位力与直线电缸驱动力的变化规律。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术不足，提供一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，能够实现对患者下肢骨折近端的固定、骨折远端的夹持及精准复位操作，可完成对骨折复位过程中肌肉力大小的测试实验，具有结构简单、骨折夹持与固定操作方便、复位力测试模块安装方便的特点，适用于下肢骨折复位手术过程中的断骨固定及骨折复位过程中肌肉力大小的测试实验，能够提高骨折复位精度、提高医生工作效率和降低医生工作强度，可测试骨折复位过程中末端复位力与直线电缸驱动力的变化规律，可用并联复位机器人手术复位过程中的外力估计、碰撞检测等测试实验。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，由骨折近端固定机构模块、骨折远端夹持机构模块和复位力测试模块组成，所述骨折近端固定模块的支架通过第一螺栓固定在手术床框架上，骨折近端固定模块通过第一骨针固定骨折近端，骨折远端夹持模块的连接板与并联复位机器人的动平台通过第三螺栓连接，骨折远端夹持模块通过第二骨针夹持骨折远端，复位力测试模块的远端肌肉束固定板安装在骨折远端夹持模块的第二圆弧支架上，复位力测试模块的力传感器安装座通过第四螺栓固定在骨折近端固定模块的支架上。

所述骨折近端固定模块包括两个支架、四个第一螺栓、安装板、四个第二螺栓、两块第一圆弧支架、四个第一螺钉、两个第一固定螺母、第一滑杆、两个第一十字异径固定夹、四个第一固定螺钉、两个第一骨针；两个支架通过四个第一螺栓与手术床框架连接，安装板通过四个第二螺栓安装在两个支架上，两个支架和安装板上开有凹槽，使得安装板在两个支架上的位置能够实现调节，能够沿X和Y两个方向进行安装调整；两块第一圆弧支架与安装板之间通过四个第一螺钉连接，第一滑杆两端通过两个第一固定螺母与两块第一圆弧支架连接，第一滑杆在两块第一圆弧支架上的位置能够调节，能够沿Z方向移动；两个第一十字异径固定夹通过第一固定螺钉安装在第一滑杆上，两个第一骨针通过两个第一十字异径固定夹与第一滑杆固定，两个第一骨针插入骨折近端，两个第一十字异径固定夹在第一滑杆上的方向和位置能够调节，通过调节两个第一十字异径固定夹在第一滑杆上的方向和位置以调整两个第一骨针与骨折近端的连接方向和位置。

所述骨折远端夹持模块包括连接板、六个第三螺栓、横向安装板、八个第二螺钉、四块第二圆弧支架、八个第三螺钉、两个第二固定螺母、两个第二滑杆、四个第二骨针、四个第二十字异径固定夹、八个第二固定螺钉、纵向安装板；所述连接板与并联复位机器人的动平台通过六个第三螺栓连接，横向安装板和纵向安装板分别通过四个第二螺钉安装在连接板上，横向安装板和纵向安装板上开有凹槽，横向安装板在连接板上的位置能够沿Y方向调整，纵向安装板在连接板上的位置能够沿X方向调整；四块第二圆弧支架分别与横向安装板和纵向安装板之间通过八个第三螺钉连接，两个第二滑杆两端分别通过两个第二固定螺母与四块第二圆弧支架连接，第二滑杆在第二圆弧支架上能够沿Z方向调整；四个第二十字异径固定夹分别通过第二固定螺钉安装在两个第二滑杆上，四个第二骨针通过四个第二十字异径固定夹与两个第二滑杆固定，四个第二骨针插入骨折远端，第二十字异径固定夹在第二滑杆上的方向和位置能够调节，通过调节第二十字异径固定夹在第二滑杆上的方向和位置以调整第二骨针与骨折远端的连接方向和位置。

所述复位力测试模块，包括远端肌肉束固定板、两个压板、肌肉束、两个第三滑杆、三个第三十字异径固定夹、六个第三固定螺钉、三个第三骨针、两个螺母、近端肌肉束固定板、力传感器、力传感器安装座、第四螺钉、第四螺栓；所述远端肌肉束固定板安装在骨折远端夹持模块的第二圆弧支架上，两个压板分别通过螺钉连接将肌肉束的一端固定在远端肌肉束固定板上，另一端固定在近端肌肉束固定板上，两个第三滑杆分别通过两个螺母与近端肌肉束固定板连接；三个第三十字异径固定夹分别通过第三固定螺钉安装在两个第三滑杆上，三个第三骨针通过三个第三十字异径固定夹与第三滑杆固定，三个第三骨针插入骨折近端，近端肌肉束固定板与力传感器通过螺纹连接，力传感器安装在力传感器安装座上并用第四螺钉固定，传感器安装座通过第四螺栓固定在骨折近端固定模块的支架上，其位置能够沿Y方向调整。

所述力传感检测模块用于测量骨折复位力的大小和变化率，可获得骨折复位力的大小和变化率与并联复位机器人电缸驱动力的大小和变化率的对应关系，可用于并联复位机器人手术复位过程中的外力估计、碰撞检测等测试实验。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明实现了对下肢骨折的任意位置的夹持，解决了现有骨折固定机构存在固定盲点的问题。

2、本发明可对不同体型大小的患者下肢的骨折夹持，骨折近端固定模块和骨折远端夹持模块可根据下肢体型大小和骨折的断裂位置调整夹持位置，操作方便。

3、本发明具有良好的通用性，骨折近端固定模块安装在普通手术床的框架上，骨折远端夹持模块固定在通用并联机器人的动平台上。

4、本发明可测试骨折复位过程中末端复位力与直线电缸驱动力之间的变化规律，可用于并联复位机器人手术复位过程中的外力估计、碰撞检测等测试实验。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明骨折近端固定模块示意图；

图3为本发明骨折远端夹持模块示意图；

图4为本发明复位力测试模块示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，由骨折近端固定机构模块I、骨折远端夹持机构模块II和复位力测试模块III组成，所述骨折近端固定模块I的支架1通过第一螺栓2固定在手术床框架上，骨折近端固定模块I通过第一骨针11固定骨折近端12，骨折远端夹持模块II的连接板14与并联复位机器人的动平台通过第三螺栓15连接，骨折远端夹持模块II通过第二骨针22夹持骨折远端13，复位力测试模块III的远端肌肉束固定板26安装在骨折远端夹持模块II的第二圆弧支架18上，复位力测试模块III的力传感器安装座36通过第四螺栓38固定在骨折近端固定模块I的支架1上。

如图2所示，所述骨折近端固定模块I包括两个支架1、四个第一螺栓2、安装板3、四个第二螺栓4、两块第一圆弧支架5、四个第一螺钉6、两个第一固定螺母7、第一滑杆8、两个第一十字异径固定夹9、四个第一固定螺钉10、两个第一骨针11；两个支架1通过四个第一螺栓2与手术床框架连接，安装板3通过四个第二螺栓4安装在两个支架1上，两个支架1和安装板3上开有凹槽，使得安装板3在两个支架1上的位置能够实现调节，能够沿X和Y两个方向进行安装调整；两块第一圆弧支架5与安装板3之间通过四个第一螺钉6连接，第一滑杆8两端通过两个第一固定螺母7与两块第一圆弧支架5连接，第一滑杆8在两块第一圆弧支架5上的位置能够调节，能够沿Z方向移动；两个第一十字异径固定夹9通过第一固定螺钉10安装在第一滑杆8上，两个第一骨针11通过两个第一十字异径固定夹9与第一滑杆8固定，两个第一骨针11插入骨折近端12，两个第一十字异径固定夹9在第一滑杆8上的方向和位置能够调节，通过调节两个第一十字异径固定夹9在第一滑杆8上的方向和位置以调整两个第一骨针11与骨折近端12的连接方向和位置。

如图3所示，所述骨折远端夹持模块II包括连接板14、六个第三螺栓15、横向安装板16、八个第二螺钉17、四块第二圆弧支架18、八个第三螺钉19、两个第二固定螺母20、两个第二滑杆21、四个第二骨针22、四个第二十字异径固定夹23、八个第二固定螺钉24、纵向安装板25；所述连接板14与并联复位机器人的动平台通过六个第三螺栓15连接，横向安装板16和纵向安装板25分别通过四个第二螺钉17安装在连接板14上，横向安装板16和纵向安装板25上开有凹槽，横向安装板16在连接板14上的位置能够沿Y方向调整，纵向安装板25在连接板14上的位置能够沿X方向调整；四块第二圆弧支架18分别与横向安装板16和纵向安装板25之间通过八个第三螺钉19连接，两个第二滑杆21两端分别通过两个第二固定螺母20与四块第二圆弧支架18连接，第二滑杆21在第二圆弧支架18上能够沿Z方向调整；四个第二十字异径固定夹23分别通过第二固定螺钉24安装在两个第二滑杆21上，四个第二骨针22通过四个第二十字异径固定夹23与两个第二滑杆21固定，四个第二骨针22插入骨折远端13，第二十字异径固定夹23在第二滑杆21上的方向和位置能够调节，通过调节第二十字异径固定夹23在第二滑杆21上的方向和位置以调整第二骨针22与骨折远端13的连接方向和位置。

如图4所示，所述复位力测试模块III，包括远端肌肉束固定板26、两个压板27、肌肉束28、两个第三滑杆29、三个第三十字异径固定夹30、六个第三固定螺钉31、三个第三骨针32、两个螺母33、近端肌肉束固定板34、力传感器35、力传感器安装座36、第四螺钉37、第四螺栓38；所述远端肌肉束固定板26安装在骨折远端夹持模块II的第二圆弧支架18上，两个压板27分别通过螺钉连接将肌肉束28的一端固定在远端肌肉束固定板26上，另一端固定在近端肌肉束固定板34上，两个第三滑杆29分别通过两个螺母33与近端肌肉束固定板34连接；三个第三十字异径固定夹30分别通过第三固定螺钉31安装在两个第三滑杆29上，三个第三骨针32通过三个第三十字异径固定夹30与第三滑杆29固定，三个第三骨针32插入骨折近端12，近端肌肉束固定板34与力传感器35通过螺纹连接，力传感器35安装在力传感器安装座36上并用第四螺钉37固定，传感器安装座36通过第四螺栓38固定在骨折近端固定模块I的支架1上，其位置能够沿Y方向调整。

所述力传感器35用于测量骨折复位力的大小和变化率，可获得骨折复位力的大小和变化率与并联复位机器人电缸驱动力的大小和变化率的对应关系，可用并联复位机器人手术复位过程中的外力估计、碰撞检测等测试实验。

本发明的工作过程如下：

首先，根据患者下肢所述骨折近端12在手术床的位置将骨折近端固定模块I中安装板3固定在两个支架1上，根据骨折近端12的高度调整第一滑杆8在两块第一圆弧支架5上位置，然后根据骨折近端12上钻孔的位置调整两个第一十字异径固定夹9在第一滑杆8上的位置，将第一十字异径固定夹9上的第一骨针11插入骨折近端12的孔上，以对骨折近端12进行固定；根据患者下肢体型的大小及骨折远端13位置调整横向安装板16与纵向安装板25之间相对位置，再根据骨折远端13高度分别调整两个第二滑杆21在第二圆弧支架18上的位置，然后根据骨折远端13钻孔的位置分别调整四个第二十字异径固定夹23在两个第二滑杆21上的位置，将第二十字异径固定夹23上的第二骨针22插入骨折远端13的孔上，以对骨折远端13进行固定。

当进行肌肉力测试时，取下骨折近端固定模块I中安装板3及其上面安装的各件，将复位力测试模块III中的力传感器安装座36安装在两个支架1上，将远端肌肉束固定板26安装在骨折远端夹持模块II的第二圆弧支架18上，将肌肉束28一端通过压板27固定在远端肌肉束固定板26，另一端通过压板27固定在近端肌肉束固定板34上，然后将第三十字异径固定夹30上的第三骨针32插入骨折近端12的孔上，以对骨折近端12进行固定，当复位机器人进行操作时，力传感器35可测试骨折复位过程中末端复位力与直线电缸驱动力之间的变化规律。

Claims

1.一种用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，由骨折近端固定模块（I）、骨折远端夹持模块（II）和复位力测试模块（III）组成，其特征在于：所述骨折近端固定模块（I）的支架（1）通过第一螺栓（2）固定在手术床框架上，骨折近端固定模块（I）通过第一骨针（11）固定骨折近端（12），骨折远端夹持模块（II）的连接板（14）与并联复位机器人的动平台通过第三螺栓（15）连接，骨折远端夹持模块（II）通过第二骨针（22）夹持骨折远端（13），复位力测试模块（III）的远端肌肉束固定板（26）安装在骨折远端夹持模块（II）的第二圆弧支架（18）上，复位力测试模块（III）的力传感器安装座（36）通过第四螺栓（38）固定在骨折近端固定模块（I）的支架（1）上；

所述骨折远端夹持模块（II）包括连接板（14）、六个第三螺栓（15）、横向安装板（16）、八个第二螺钉（17）、四块第二圆弧支架（18）、八个第三螺钉（19）、两个第二固定螺母（20）、两个第二滑杆（21）、四个第二骨针（22）、四个第二十字异径固定夹（23）、八个第二固定螺钉（24）、纵向安装板（25）；所述连接板（14）与并联复位机器人的动平台通过六个第三螺栓（15）连接，横向安装板（16）和纵向安装板（25）分别通过四个第二螺钉（17）安装在连接板（14）上，横向安装板（16）和纵向安装板（25）上开有凹槽，横向安装板（16）在连接板（14）上的位置能够沿Y方向调整，纵向安装板（25）在连接板（14）上的位置能够沿X方向调整；四块第二圆弧支架（18）分别与横向安装板（16）和纵向安装板（25）之间通过八个第三螺钉（19）连接，两个第二滑杆（21）两端分别通过两个第二固定螺母（20）与四块第二圆弧支架（18）连接，第二滑杆（21）在第二圆弧支架（18）上能够沿Z方向调整；四个第二十字异径固定夹（23）分别通过第二固定螺钉（24）安装在两个第二滑杆（21）上，四个第二骨针（22）通过四个第二十字异径固定夹（23）与两个第二滑杆（21）固定，四个第二骨针（22）插入骨折远端（13），第二十字异径固定夹（23）在第二滑杆（21）上的方向和位置能够调节，通过调节第二十字异径固定夹（23）在第二滑杆（21）上的方向和位置以调整第二骨针（22）与骨折远端（13）的连接方向和位置。

2.根据权利要求1所述的用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，其特征在于：所述骨折近端固定模块（I）包括两个支架（1）、四个第一螺栓（2）、安装板（3）、四个第二螺栓（4）、两块第一圆弧支架（5）、四个第一螺钉（6）、两个第一固定螺母（7）、第一滑杆（8）、两个第一十字异径固定夹（9）、四个第一固定螺钉（10）、两个第一骨针（11）；两个支架（1）通过四个第一螺栓（2）与手术床框架连接，安装板（3）通过四个第二螺栓（4）安装在两个支架（1）上，两个支架（1）和安装板（3）上开有凹槽，使得安装板（3）在两个支架（1）上的位置能够实现调节，能够沿X和Y两个方向进行安装调整；两块第一圆弧支架（5）与安装板（3）之间通过四个第一螺钉（6）连接，第一滑杆（8）两端通过两个第一固定螺母（7）与两块第一圆弧支架（5）连接，第一滑杆（8）在两块第一圆弧支架（5）上的位置能够调节，能够沿Z方向移动；两个第一十字异径固定夹（9）通过第一固定螺钉（10）安装在第一滑杆（8）上，两个第一骨针（11）通过两个第一十字异径固定夹（9）与第一滑杆（8）固定，两个第一骨针（11）插入骨折近端（12），两个第一十字异径固定夹（9）在第一滑杆（8）上的方向和位置能够调节，通过调节两个第一十字异径固定夹（9）在第一滑杆（8）上的方向和位置以调整两个第一骨针（11）与骨折近端（12）的连接方向和位置。

3.根据权利要求1所述的用于机器人辅助下肢骨折复位手术的夹持机构，其特征在于：所述复位力测试模块（III），包括远端肌肉束固定板（26）、两个压板（27）、肌肉束（28）、两个第三滑杆（29）、三个第三十字异径固定夹（30）、六个第三固定螺钉（31）、三个第三骨针（32）、两个螺母（33）、近端肌肉束固定板（34）、力传感器（35）、力传感器安装座（36）、第四螺钉（37）、第四螺栓（38）；所述远端肌肉束固定板（26）安装在骨折远端夹持模块（II）的第二圆弧支架（18）上，两个压板（27）分别通过螺钉连接将肌肉束（28）的一端固定在远端肌肉束固定板（26）上，另一端固定在近端肌肉束固定板（34）上，两个第三滑杆（29）分别通过两个螺母（33）与近端肌肉束固定板（34）连接；三个第三十字异径固定夹（30）分别通过第三固定螺钉（31）安装在两个第三滑杆（29）上，三个第三骨针（32）通过三个第三十字异径固定夹（30）与第三滑杆（29）固定，三个第三骨针（32）插入骨折近端（12），近端肌肉束固定板（34）与力传感器（35）通过螺纹连接，力传感器（35）安装在力传感器安装座（36）上并用第四螺钉（37）固定，力传感器安装座（36）通过第四螺栓（38）固定在骨折近端固定模块（I）的支架（1）上，其位置能够沿Y方向调整。