CN111227899A - 用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置 - Google Patents

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杨翼奇
孙明镜
何国晗
张壮壮
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Abstract

一种用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置，包括：磨削装置和驱动装置，其中：驱动装置和磨削装置径向相连并驱动磨削装置进行工作。本发明采用高转速、高功率、小尺寸的直流驱动电机提供足够的扭矩和磨削转速，采用旋转密封圈将驱动模块与排水区域相分离，采用六维力传感器同时输出三个方向的力和三个方向力矩值，为机器人系统手术定位、被磨骨质估计等提供了数据支持，并提供了安全保障。

Description

用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置
技术领域
本发明涉及的是一种关节镜手术机器人领域的技术，具体是一种用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置。
背景技术
近十几年来，关节镜技术作为一种重要的骨科临床检查、诊断与治疗手段，正在被越来越多的医生和患者选择和采纳。与传统关节切开手术相比，关节镜手术具有创伤小、恢复快、费用低等诸多优点，但是它同时也有两个主要缺点——手术视野受限和对操作精度要求很高。在治疗髋关节中的凸轮状股骨髋臼撞击症的手术中，磨削操作尤其依赖于医生的专业能力和手术经验。在磨削骨质过程中，由于视野受限、空间狭小等原因，医生较难判断磨削是否完全，导致在实际操作过程中经常出现磨削不完全或过量的失误，因此非常有必要利用机器人高精度等特点来辅助医生完成该操作。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置，采用高转速、高功率、小尺寸的直流驱动电机提供足够的扭矩和磨削转速，采用旋转密封圈将驱动模块与排水区域相分离，采用六维力传感器同时输出三个方向的力和三个方向力矩值，为机器人系统手术定位、被磨骨质估计等提供了数据支持，并提供了安全保障。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：磨削装置和驱动装置，其中：驱动装置和磨削装置径向相连并驱动磨削装置进行工作。
所述的磨削装置包括：自左向右依次连接的用于磨削骨头的磨削刀头模型、用于拆装刀头的器械接口和器械固定壳，以及液体通道，其中：器械固定壳与驱动装置相连，液体通道从刀头中空孔中引出，分别与器械接口和器械固定壳相连。
所述的驱动装置包括：电机机构和设置于电机机构上的传感器安装架、用于测量电机转速的相对编码器和用于检测装置所受外力的力传感器，其中：电机机构与器械固定壳径向配合。
所述的液体通道包括：排水接口和用于分离液体的旋转密封圈，其中：排水接口设置于器械接口和器械固定壳上，旋转密封圈设置于电机机构上，并与器械接口相配合。
所述的电机机构包括：电机安装架、直流电机、电机固定壳和电机轴套，其中：力传感器通过传感器安装架同轴设置于电机固定壳上，直流电机通过电机安装架与器械固定壳相连，电机轴套、直流电机和相对编码器依次自左向右相连并设置于电机固定壳内。
所述的电机轴套为阶梯式结构，电机轴套通过阶梯式结构与旋转密封圈相配合。
所述的电机轴套上设有弹性结构和缓冲结构，其中：缓冲结构设置于弹性结构上，用于与磨削刀头紧密配合，弹性结构一端与缓冲结构相连，另一端与电机轴套相连。
所述的器械固定壳和电机固定壳为中空管结构，器械固定壳与电机固定壳径向配合。
技术效果
本发明创新性地设计了便于连接、结构紧凑、功能完整的磨削动力装置，末端可直接连接已有的磨削刀头，前端可直接连接通用型协作机械臂末端，是机器人辅助关节镜手术系统集成中不可或缺的一部分，填补了在机器人辅助关节镜手术领域的磨削动力装置的空白。本发明整体所解决的技术效果是：与磨削刀头紧密配合后，刀头无明显晃动；驱动磨钻转速连续可调，空载时最高转速12000转/分±20％；刀头受力经过所述结构的传导后，可以通过力传感器精确反馈。
本发明在保证刀头可快速更换之外，实现了磨削动力装置的集成化，提供力采集信号，可直接与现有协作机器人末端相连接。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明爆炸结构示意图；
图3为本发明剖面示意图；
图4为本发明电机轴套剖面示意图；
图5为本发明工作状态示意图；
图中：磨削装置1、驱动装置2、器械模型3、器械接口4、器械固定壳5、液体通道6、电机机构7、传感器安装架8、相对编码器9、力传感器10、排水接口11、旋转密封圈12、电机安装架13、直流电机14、电机固定壳15、电机轴套16、硅胶套17、弹簧18。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置，其中包含：磨削装置1和驱动装置2，其中：驱动装置2和磨削装置1径向相连并驱动磨削装置11进行工作。
所述的磨削装置1包括：自左向右依次连接的器械模型3、器械接口4和器械固定壳5，以及液体通道6，其中：器械固定壳5与驱动装置2相连，液体通道6分别与器械接口4和器械固定壳5相连。
所述的驱动装置2包括：电机机构7和设置于电机机构7上的传感器安装架8、相对编码器9和力传感器10，其中：电机机构7与器械固定壳5径向配合。
所述的液体通道6包括：排水接口11和用于分离的旋转密封圈12，其中：排水接口11设置于器械接口4上，旋转密封圈12设置于器械固定壳12上并与分别与器械接口4和电机轴套16相配合，旋转密封圈12的相对运动一侧与器械接口4的下缘相连，在转动过程中保证液体通道6与驱动装置2分离。
所述的电机机构7包括：电机安装架13、直流电机14、电机固定壳15和电机轴套16，其中：力传感器10通过传感器安装架8设置于直流电机14上，直流电机14通过电机安装架13与器械固定壳5相连，电机轴套16、直流电机14、相对编码器9和力传感器10依次自左向右相连并设置于电机固定壳15内，电机轴套16与器械固定壳5相连。
所述的电机轴套16为阶梯式结构，电机轴套16通过阶梯式结构与旋转密封圈12相配合。
所述的电机轴套16上设有弹性结构和缓冲结构，弹性结构为弹簧18，缓冲结构为硅胶套17，其中：硅胶套17设置于器械固定壳5上，弹簧18一端与硅胶套17相连，另一端与电机轴套16相连。
所述的硅胶套17由液体硅胶经特殊模具制成，具有较好的弹性与可塑性，可以与刀具末端更好的配合，加强结构的稳定性。
所述的器械固定壳5和电机固定壳15为中空管结构，采用六系铝合金材质，其中：器械固定壳5与电机固定壳15径向配合。
所述的器械接口4由3D打印而成，内侧的形状设计适用于施乐辉类刀头的快速拆装。
所述的力传感器10可以反馈三维的力值与三维的力矩值，较为准确的反馈刀头的受力情况，为力反馈等相关应用提供了数据支持。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种用于辅助髋关节镜手术机器人的磨削动力装置，其特征在于，包括：磨削装置和驱动装置，其中：驱动装置和磨削装置径向相连并驱动磨削装置进行工作；
所述的磨削装置包括：自左向右依次连接的用于磨削骨头的磨削刀头模型、用于拆装刀头的器械接口和器械固定壳，以及液体通道，其中：器械固定壳与驱动装置相连，液体通道从刀头中空孔中引出，分别与器械接口和器械固定壳相连；
所述的驱动装置包括：电机机构和设置于电机机构上的传感器安装架、用于测量电机转速的相对编码器和用于检测装置所受外力的力传感器，其中：电机机构与器械固定壳径向配合。
2.根据权利要求1所述的磨削动力装置，其特征是，所述的液体通道包括：排水接口和用于分离液体的旋转密封圈，其中：排水接口设置于器械接口和器械固定壳上，旋转密封圈设置于电机机构上，并与器械接口相配合。
3.根据权利要求1所述的磨削动力装置，其特征是，所述的电机机构包括：电机安装架、直流电机、电机固定壳和电机轴套，其中：力传感器通过传感器安装架同轴设置于电机固定壳上，直流电机通过电机安装架与器械固定壳相连，电机轴套、直流电机和相对编码器依次自左向右相连并设置于电机固定壳内。
4.根据权利要求1所述的磨削动力装置，其特征是，所述的电机轴套为阶梯式结构，电机轴套通过阶梯式结构与旋转密封圈相配合。
5.根据权利要求1所述的磨削动力装置，其特征是，所述的电机轴套上设有弹性结构和缓冲结构，其中：缓冲结构设置于弹性结构上，用于与磨削刀头紧密配合，弹性结构一端与缓冲结构相连，另一端与电机轴套相连。
6.根据权利要求1所述的磨削动力装置，其特征是，所述的器械固定壳和电机固定壳为中空管结构，器械固定壳与电机固定壳径向配合。
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