CN111009177A - 一种用于骨钻孔教学的三坐标式机器人 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，包括三坐标机械臂部、末端执行部、示教器、控制部。三坐标机械臂部包括均具有导轨、模组滑块的X轴模组、Y轴模组、Z轴模组，X轴模组具有水平设置的X轴导轨、X轴模组滑块，Z轴模组具有竖直设置的Z轴导轨、Z轴模组滑块，Z轴导轨的下端与X轴模组滑块相连，X轴模组滑块带动Z轴模组沿X轴导轨移动，Y轴模组具有垂直于X轴和Z轴平面设置的Y轴导轨、Y轴模组滑块，Y轴模组滑块与Z轴模组滑块相连，Z轴模组滑块带动Y轴模组沿Z轴导轨移动，控制部控制第一摄像头、第二摄像头对模拟骨进行定位，并控制电钻对模拟骨进行钻孔后，将力传感器得到的数据，同步显示在人机互动界面上。

Description

一种用于骨钻孔教学的三坐标式机器人

技术领域

本发明属于文教领域，具体涉及一种用于骨钻孔教学的三坐标式机器人。

背景技术

目前已知的骨钻孔机器人为大型骨手术机器人，应用于医院，直接用于手术中对人体骨进行操作，医生结合医学影像规划手术路径，由机械臂完成定位、穿刺、钻孔等操作，如实用新型专利 CN201711113196.5。

有别于骨手术机器人，专用模拟骨钻孔的机器人用于教学和科研。在教学方面教师可以借助专用模拟骨钻孔机器人平台完成骨手术操作教学，学生可以基于专用模拟骨钻孔机器人平台参与医疗机器人相关赛事；在科研方面，通过采集对机器人采集的骨钻孔数据进行研究，可以将相应的研究成果应用于完善真实骨手术操作，同时专用模拟骨钻孔机器人可以验证基于机器视觉的机器人骨钻孔定位及运动控制算法。

但目前还没有针对教学、比赛、科研的专用模拟骨钻孔机器人。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于骨钻孔教学的三坐标式机器人。

本发明提供了一种用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，具有这样的特征，包括：三坐标机械臂部，具有X轴模组、Y轴模组、Z轴模组，末端执行部，设置在Z轴模组上；示教器，具有人机互动界面；以及控制部，分别与三坐标机械臂部、末端执行部以及示教器通信连接，其中，X轴模组、Y轴模组、Z轴模组均包括导轨、丝杠、设置在丝杠上的模组滑块以及与控制部通信连接的伺服电机，X轴模组具有水平设置的X轴导轨、在X轴导轨中移动的X轴模组滑块，Z轴模组具有竖直设置的Z轴导轨、在Z轴导轨中移动的Z轴模组滑块，Z 轴导轨的下端与X轴模组滑块相连，X轴模组滑块带动Z轴模组沿X 轴导轨移动，Y轴模组具有垂直于X轴和Z轴平面设置的Y轴导轨、在Y轴导轨中移动的Y轴模组滑块，Y轴模组滑块与Z轴模组滑块相连，Z轴模组滑块带动Y轴模组沿Z轴导轨移动，末端执行部括末端执行器、与末端执行器相连的第一摄像头、第二摄像头，第一摄像头、第二摄像头分别与控制部通信连接，末端执行器包括与控制部通信连接的力传感器、用于固定对模拟骨进行钻孔的电钻的电钻卡具，控制部控制第一摄像头、第二摄像头对模拟骨进行定位，并控制电钻对模拟骨进行钻孔后，将力传感器得到的数据，同步显示在人机互动界面上。

在本发明提供的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人中，还可以具有这样的特征：其中，X轴模组、Y轴模组、Z轴模组均为伺服电机线性模组。

另外，在本发明提供的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人中，其特征在于，还包括框架，包括下部架、上部架，下部架呈长方体形状，包括由多个直杆连接构成的长方体框架，该长方体框架具有矩形水平架、作为支腿的四根直杆，上部架包括由两根长杆和两根短杆构成的矩形竖直平面框架，上部架垂直于下部架的矩形水平架，短杆和直杆呈直线设置。

另外，在本发明提供的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人中，其特征在于，还包括平台，包括螺孔板、上卡具、下卡具、泡沫垫，平台设置在矩形水平架内，螺孔板设置在矩形水平架上。

另外，在本发明提供的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人中，还可以具有这样的特征：其中，示教器包括设置在示教器上表面的人机互动界面、急停开关、摇杆，示教器安装在下部架的前端。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的骨钻孔教学的三坐标式机器人，因为具有三坐标机械臂部，末端执行部以及示教器，所以，教师可以操纵本发明的骨钻孔教学的三坐标式机器人演示骨钻孔操作，学生可以借助该机器人练习针对骨折手术的机器人操作方法。

另外，机器人可以将骨钻孔的钻头受力数据实时采集并显示在人机互动以界面上方便科研人员优化钻孔的效果。

附图说明

图1是本发明的实施例中用于骨钻孔教学的三坐标式机器人立体示意图；

图2是本发明的实施例中框架示意图；

图3是本发明的实施例中机械臂示意图；

图4是本发明的实施例中控制部示意图；

图5是本发明的实施例中示教器示意图；

图6是本发明的实施例中末端执行部分解示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人作具体阐述。

实施例

如图1所示，用于骨钻孔教学的三坐标式机器人包括框架1、三坐标机械臂部2、平台3、控制部4、示教器5、末端执行部6。

三坐标机械臂部2、平台3分别设置在框架1的上部，控制部4、示教器5分别设置在框架1的下部，末端执行部6设置在三坐标机械臂部2中。

如图2所示，框架1包括下部架、上部架。

下部架呈长方体形状，包括由多个直杆连接构成的长方体框架。实施例中，长方体框架包括由两根长杆101和两根短杆102构成的矩形水平架、直杆105以及作为支腿的四根直杆104。

上部架包括由一根长杆103、一根长杆101和两根短杆106构成的矩形竖直平面框架，上部架垂直于下部架的矩形水平架，短杆106 和直杆104呈直线设置。

在短杆106和短杆102还设置有斜支撑杆107。

直杆105平行于直杆104设置在两根直杆104之间，位于上部架的一侧。

如图3所示，三坐标机械臂部2包括X轴模组207、Y轴模组214、 Z轴模组215。

X轴模组207、Y轴模组214、Z轴模组215均为伺服电机线性模组，其中，伺服电机线性模组为丝杠型或同步带型，实施例中，X轴模组207、Y轴模组214、Z轴模组215均为丝杠型伺服电机线性模组，丝杠型伺服电机线性模组包括导轨、丝杠、设置在丝杠上的模组滑块以及与控制部4通信连接的伺服电机。

第一伺服电机205通过连接板206安装于X轴模组207导轨的一端，X轴模组207的导轨的两端通过连接板204安装在下架的短杆102 上且与长杆101平行。

Z轴模组215导轨下端通过直角连接板208与X轴模组207中的模组滑块相连接，上端通过连接板与滑块216相连，滑块216设置在直线导轨217上，直线导轨217安装在上部挡架的长杆103上。

Z轴模组215可在X轴滑块带动下沿X轴模组207的导轨滑动，第二伺服电机209通过减速器210与Z轴线性模组下端驱动丝杠连接。

Y轴模组214中模组滑块通过连接板202与Z轴模组215中模组滑块相连接，第三伺服电机203通过连接板201安装于Y轴模组214 的导轨后侧，第二伺服电机209通过丝杠驱动Z轴模组215中模组滑块沿Z轴方向运动，Y轴模组214可在Z轴模组215中模组滑块的带动下沿Z轴方向运动。末端执行部6通过连接板213安装于Y轴模组 214的前端。

如图1所示，平台3设置在下部架的矩形水平面内，平台3的上表面与下部架中矩形水平架的上表面平齐。

平台3包括螺孔板、上卡具、下卡具、泡沫垫。

螺孔板设置在矩形水平架上。

使用3D打印骨进行示教时，使用上卡具压紧3D打印骨的两端于下卡具中的槽中，通过螺栓将上卡具、下卡具安装在螺孔板上。上卡具、下卡具的位置可根据需要自由调整。

使用骨图片进行示教时，骨图片通过双面胶粘在泡沫垫上表面，泡沫垫下表面通过双面胶粘在螺孔板上表面上。

如图4所示，控制部4包括安装板401以及设置在安装板401上的嵌入式控制器402、工控机403、电机驱动器404，控制部4通过安装板401设置在下部架中。

如图5所示，示教器5包括设置在示教器上表面的人机互动界面 501、急停开关502、摇杆503。

示教器5安装在下部架的前端且位于长杆105上，与控制部4通信连接。

末端执行部6包括如图3所示的末端执行器600、摄像头606、摄像头610。

如图6所示，末端执行器600为三层板结构，包括连接件601、传感器安装板602、力传感器613、直线导轨603、直线导轨614、滑块604、滑块612、电钻下卡具607、电钻上卡具608、电钻上卡具 609、连接件605、连接件611、连接件618。

连接件601安装在Y轴模组214的导轨的前端。

传感器安装板602通过螺栓与连接件601相连。

力传感器613与传感器安装板602固定连接，力传感器613是事先标定好的，与控制部4通信连接，控制部4会记录力传感器613传回的数据，并且会同步显示到人机界面501上。

直线导轨603、直线导轨614通过螺栓连接于传感器安装板602 上，滑块604、滑块612分别安装在直线导轨603、直线导轨614上。

电钻下卡具607与滑块604、滑块612固定连接，并与传感器安装板602沿直线导轨603、直线导轨614相对滑动。

力传感器613的一端与电钻下卡具607固定连接，电钻上卡具 608、609通过螺栓将电钻卡紧在电钻下卡具607的凹槽内，使得电钻的轴向受力可以几乎无损耗的传至力传感器613。

摄像头606通过连接件605、连接件618与末端执行器600侧面固定连接，摄像头610通过连接件611与末端执行器212端面固定连接，摄像头606、摄像头610与控制部4通信连接。

两摄像头镜头垂直正交并且镜头内均有十字分划线，一个摄像头负责一根轴(X轴、Y轴)，在初始状态下，人机界面中的两个画面分开，当其对准时，两十字分划线重合。控制部4根据摄像头606、摄像头610回传的图片来定位钻孔位置，并分析图像信息，模板匹配算法，求解出钻孔位置。

工控机403带有的操作系统可以运行C、C++、Python、Java等语言编写的图像处理和运行运动学算法，能够控制机器人自动完成定位钻孔操作，科研人员可以在机器人设备上编写代码观察机器人自动钻孔效果。

操作流程

工作模式一(手动操作)

将3D打印的模拟骨安装在工作台，由夹持器件固定。

操纵者在示教器5的人机互动界面501中观察两个摄像头反馈的模拟骨图像；

操作摇杆503，使得两个摄像头的十字中心线均位于模拟骨需要钻孔的位置；

开动钻头慢慢向钻孔位置钻孔；

钻入设定的深度，记录钻头转速、受力大小后退出，完成钻孔操作。

工作模式二(自动操作)

将模拟骨放在泡沫板或者卡具上并固定在螺孔板平台，

通过双目摄像机首先确定模拟骨的位置，

采集模拟骨图像信息，进行模板匹配，

找到想要在模拟骨上打孔的所有点之后，采集它的位置信息(距离设定原点的位置)，并且坐标变换至机器人机架的位置，

操作人员在人机互动界面501回传的画面中直接规划钻孔点、钻孔路径、和钻孔深度，

控制部4自动计算进行距离，得到操作员的启动命令后，自动延所规划的路径完成打孔操作，

在每次钻孔后，控制部4保存钻孔深度、钻头转速、钻头受力等钻孔信息，若发生碰撞等突发事件操作人员可以按下急停开关，控制部4控制机器人停止运动，

在整个打孔的过程中，控制部4会根据反馈进行自动调速。自动调速，

控制部4根据传感器613采集的钻头在不同骨层所受的力的不同来调整在不同骨层的钻头转动速度(在骨密质层时阻力较大，在骨松质层时阻力较小，阻力小时速度减小，阻力大时速度加快)。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的骨钻孔教学的三坐标式机器人，因为具有三坐标机械臂部，末端执行部以及示教器，所以，教师可以操纵本发明的骨钻孔教学的三坐标式机器人演示骨钻孔操作，学生可以借助该机器人练习针对骨折手术的机器人操作方法。

另外，机器人可以将骨钻孔的深度数据、转速数据、钻头受力数据实时采集并显示在人机界面上以方便科研人员归纳总结、优化钻孔效果。

进一步地，机器人设备的工控电脑带有操作系统可以运行C、C++、 Python、Java等语言编写的图像处理和运行运动学算法，控制机器人自动完成定位钻孔操作，科研人员可以在机器人设备上编写代码用于观察机器人自动钻孔效果。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，用于对模拟骨进行钻孔的教学，其特征在于，包括：

三坐标机械臂部，具有X轴模组、Y轴模组、Z轴模组，

末端执行部，设置在所述Z轴模组上；

示教器，具有人机互动界面；以及

控制部，分别与所述三坐标机械臂部、所述末端执行部以及所述示教器通信连接，

其中，所述X轴模组、所述Y轴模组、所述Z轴模组均包括导轨、丝杠、设置在丝杠上的模组滑块以及与所述控制部通信连接的伺服电机，

所述X轴模组具有水平设置的X轴导轨、在所述X轴导轨中移动的X轴模组滑块，

所述Z轴模组具有竖直设置的Z轴导轨、在所述Z轴导轨中移动的Z轴模组滑块，所述Z轴导轨的下端与所述X轴模组滑块相连，所述X轴模组滑块带动所述Z轴模组沿所述X轴导轨移动，

所述Y轴模组具有垂直于所述X轴和所述Z轴平面设置的Y轴导轨、在所述Y轴导轨中移动的Y轴模组滑块，所述Y轴模组滑块与所述Z轴模组滑块相连，所述Z轴模组滑块带动所述Y轴模组沿所述Z轴导轨移动，

所述末端执行部包括末端执行器、与所述末端执行器相连的第一摄像头、第二摄像头，

所述第一摄像头、所述第二摄像头分别与所述控制部通信连接，所述末端执行器包括与控制部通信连接的力传感器、用于固定对所述模拟骨进行钻孔的电钻的电钻卡具，

所述控制部控制所述第一摄像头、所述第二摄像头对所述所述模拟骨进行定位，并控制所述电钻对所述模拟骨进行钻孔后，将所述力传感器得到的数据，同步显示在所述人机互动界面上。

2.根据权利要求1所述的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，其特征在于：

其中，所述X轴模组、所述Y轴模组、所述Z轴模组均为伺服电机线性模组。

3.根据权利要求1所述的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，其特征在于，还包括：

框架，包括下部架、上部架，

所述下部架呈长方体形状，包括由多个直杆连接构成的长方体框架，该长方体框架具有矩形水平架、作为支腿的四根直杆，

所述上部架包括由两根长杆和两根短杆构成的矩形竖直平面框架，

所述上部架垂直于所述下部架的矩形水平架，所述短杆和直杆呈直线设置。

4.根据权利要求3所述的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，其特征在于，还包括：

平台，包括螺孔板、上卡具、下卡具、泡沫垫，

所述平台设置在所述矩形水平架内，所述螺孔板设置在所述矩形水平架上。

5.根据权利要求1所述的用于骨钻孔教学的三坐标式机器人，其特征在于：

其中，所述示教器包括设置在示教器上表面的人机互动界面、急停开关、摇杆，

所述示教器安装在所述下部架的前端。

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