CN111248976B - 一种磨削设备 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种磨削设备，包括：钻头，设置在磨削设备的主体上；电机，与钻头连接，设置在主体内部；磨削位置检测装置，设置在主体外侧的非手持部上，用于检测钻头当前的磨削位置；控制器，与磨削位置检测装置连接，用于根据钻头当前的磨削位置调整电机的转速，以控制钻头的磨削强度。本公开实施例检测钻头当前的磨削位置，并根据钻头所处的不同磨削位置来调整电机采用不同的转速工作，实现了对钻头磨削强度的控制，进而能够在需要较大磨削强度时使电机高速运转，在需要较小磨削强度时使电机低速运转或停止运转，通过磨削位置实现了对速度的精确控制。

Description

一种磨削设备

技术领域

本公开涉及医疗器械领域，特别涉及一种磨削设备。

背景技术

在髋关节、膝关节等骨科关节置换手术系统中，经常用假肢来代替人体本身的病变骨头区域。如图1至图3所示，以膝关节为例，描述了关节置换手术的一般流程。一般流程为，首先用CT拍摄病变部位，生成患者骨头的三维仿真模型(如图1所示)，然后通过规划软件生成虚拟的磨削区域，随后通过导航对钻头定位，磨削骨头，生成可以放置假肢的磨削区域(如图2所示)，最后装假肢并调整到合适位置(如图3所示)。

为了保护磨削区域之外的骨头不被切除，需要实施许多保护策略，通常有两种办法：

一种是在磨削时增加力反馈设备，医生通过直观感受阻抗力大小判断磨削是否已到达边界，由机械臂提供力反馈阻力，要求机械臂至少具有6个自由度，这种装置的成本较为昂贵，技术要求较高。

第二种是为磨削钻头提供保护套管，钻头在磨削区域内弹出，在磨削区域外缩回，这样既便管子与骨头接触也不会对骨头磨削，这种装置的设计较为复杂，对机械可靠性和稳定性有较高要求。

现有上述设备，虽然都能够对磨削区域之外的骨头进行有效保护，但其制造过程较为复杂，对机械可靠性和稳定性有较高要求，致使磨削设备较为昂贵。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提出了一种磨削设备，用以解决现有技术的如下问题：现有磨削设备制造过程较为复杂，对机械可靠性和稳定性有较高要求，致使磨削设备较为昂贵。

一方面，本公开实施例提出了一种磨削设备，包括：钻头，设置在磨削设备的主体上；电机，与所述钻头连接，设置在所述主体内部；磨削位置检测装置，设置在所述主体外侧的非手持部上，用于检测所述钻头当前的磨削位置；控制器，与所述磨削位置检测装置连接，用于根据所述钻头当前的磨削位置调整所述电机的转速，以控制所述钻头的磨削强度。

在一些实施例中，所述控制器，具体用于：在确定所述钻头当前的磨削位置由第一磨削区域进入到第二磨削区域时，将所述电机的转速由第一速度调整为第二速度，其中，所述第一速度大于所述第二速度；在确定所述钻头当前的磨削位置由所述第二磨削区域进入到第三磨削区域时，将所述电机的转速由所述第二速度调整为第三速度，其中，所述第二速度大于所述第三速度，所述第三磨削区域为与非磨削区域相邻的边界区域；在确定所述钻头当前的磨削位置由所述第三磨削区域进入到所述第二磨削区域时，将所述电机的转速由所述第三速度调整为所述第二速度；在确定所述钻头当前的磨削位置由所述第三磨削区域进入到所述第一磨削区域时，将所述电机的转速由所述第三速度调整为所述第一速度。

在一些实施例中，所述磨削位置检测装置，包括：NDI光学导航小球，设置在所述主体外侧的非手持部上，用于检测所述钻头当前的磨削位置。

在一些实施例中，还包括：NDI光学导航装置，用于根据所述钻头当前的磨削位置实时调整预定骨骼仿真模型中的磨削完成区域；显示屏，用于显示调整后的所述预定骨骼仿真模型。

在一些实施例中，所述控制器，还用于：接收钻头形状的指示信息，并根据所述钻头形状确定所述钻头处于不同磨削区域时所述电机的不同转速。

在一些实施例中，所述电机为交流永磁伺服电机。

在一些实施例中，还包括：隔热层，设置在所述主体外侧的手持部上，用于阻隔所述电机产生的热量。

在一些实施例中，还包括：散热装置，设置在所述主体外侧的非手持部上，用于散发所述电机产生的热量。

在一些实施例中，还包括：温度传感器，用于检测所述电机的温度；所述控制器，还用于：根据所述电机的温度向所述散热装置发送开启或关闭的控制信号。

在一些实施例中，所述控制器，具体用于：在所述电机的温度达到预定温度时，向所述散热装置发送开启的控制信号，在所述电机的温度降低到预定温度时，向所述散热装置发送关闭的控制信号。

本公开实施例检测钻头当前的磨削位置，并根据钻头所处的不同磨削位置来调整电机采用不同的转速工作，实现了对钻头磨削强度的控制，进而能够在需要较大磨削强度时使电机高速运转，在需要较小磨削强度时使电机低速运转或停止运转，通过磨削位置实现了对速度的精确控制，该方法控制过程精准，且磨削设备不需要复杂的制造，降低磨削设备的制造时间及制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的膝关节仿真模型示意图；

图2为现有技术的磨削后的膝关节仿真模型示意图；

图3为现有技术的安装假肢后的膝关节仿真模型示意图；

图4为本公开实施例提供的磨削设备的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的磨削设备的实施结构图。

附图标记：

1-钻头，2-电机，3-磨削位置检测装置，4-控制器，5-主体，6-NDI光学导航装置，7-显示屏，8-患者膝关节，9-医生手臂，31-NDI光学导航小球。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本公开第一实施例提供了一种磨削设备，其结构示意如图4所示(该图仅为结构示意图，并不代表实际磨削设备的外形及构造)，包括：

钻头1，设置在磨削设备的主体5上；

电机2，与钻头1连接，设置在主体5内部；

磨削位置检测装置3(一个或多个，图中仅示出一个)，设置在主体5外侧的非手持部上(图中仅为示意)，用于检测钻头1当前的磨削位置；

控制器4，与磨削位置检测装置连接，用于根据钻头1当前的磨削位置调整电机2的转速，以控制钻头1的磨削强度。

在图4中，控制器设置在主体外部，是为了减轻主体的重量，进而减轻用户手持主体进行磨削时手部的负担。如果控制器可以设置的较小、较轻，可以将控制器设置在主体内部，其也在本公开保护范围之内，本实施例不对其构成限定。

本公开实施例检测钻头当前的磨削位置，并根据钻头所处的不同磨削位置来调整电机采用不同的转速工作，实现了对钻头磨削强度的控制，进而能够在需要较大磨削强度时使电机高速运转，在需要较小磨削强度时使电机低速运转或停止运转，通过磨削位置实现了对速度的精确控制，该方法控制过程精准，且磨削设备不需要复杂的制造，降低磨削设备的制造时间及制造成本。

具体实现时，可以在对待磨削的骨骼进行预定骨骼模型时就将建模完成的预定骨骼模型中的磨削区域进行划分，当钻头到达不同区域时就调整电机至不同的转速。所以，控制器具体可以用于实现以下任意过程：

(1)在确定钻头当前的磨削位置由第一磨削区域进入到第二磨削区域时，将电机的转速由第一速度调整为第二速度，其中，第一速度大于第二速度。

该过程相当于由磨削区域最外侧开始磨削，渐渐的达到一定深度(即进入到第二磨削区域)，此时，由于更靠近磨削边界，因此可以将速度调低一些。

(2)在确定钻头当前的磨削位置由第二磨削区域进入到第三磨削区域时，将电机的转速由第二速度调整为第三速度，其中，第二速度大于第三速度，第三磨削区域为与非磨削区域相邻的边界区域。

随着磨削的深入，当钻头进入到边界区域时，为了防止过度磨削，此时会再次降低电机的转速。如果该边界区域设置的就是一条边界线，则此时第三速度也可以调整为零。

(3)在确定钻头当前的磨削位置由第三磨削区域进入到第二磨削区域时，将电机的转速由第三速度调整为第二速度。

(4)在确定钻头当前的磨削位置由第三磨削区域进入到第一磨削区域时，将电机的转速由第三速度调整为第一速度。

上述(3)和(4)过程相当于从边界区域返回继续磨削其它区域的过程，此时，可能是钻头落到了第二磨削区域，也可能落到了第三磨削区域，只要将电机调整到每个磨削区域对应的速度即可。

当然，为了更加精细的划分，本领域技术人员可以不仅仅限于上述三个磨削区域，也可以划分为更多的磨削区域，为了提升磨削速度，也可以减少磨削区域，例如，至设置两个磨削区域，本公开上述过程仅为示例，不对具体实现过程构成限定。

上述磨削位置检测装置可以设置为NDI光学导航小球，设置在主体外侧的非手持部上，用于检测钻头当前的磨削位置。该NDI光学导航小球通常与NDI光学导航装置配套使用，对应于此，该磨削设备还可以包括：NDI光学导航装置，用于根据钻头当前的磨削位置实时调整预定骨骼仿真模型中的磨削完成区域；显示屏，用于显示调整后的预定骨骼仿真模型。

上述NDI光学导航装置和显示屏为现有设备，其用于导航处理，以方便用户查看当前的磨削位置，通常设置在主体外部，减轻重量的同时方便用户观察。

磨削时的钻头转速与钻头的形状有关，不同形状的钻头所受的阻力大小不一样，使用时根据钻头形状调节出合适的转速。因此，控制器还用于：接收钻头形状的指示信息，并根据钻头形状确定钻头处于不同磨削区域时电机的不同转速。对于不同的钻头可以预置不用的速度调整算法，在确定使用某一个钻头后，就可以根据其对应的速度调整算法来调整电机的转速。

在选择电机时，交流永磁伺服电机能够更好的实现速度的调整。

由于现有技术中电机的转速是不变的，因此产生热量恒定，然而本公开实施例中点击的转速是适时调整的，因此，其会相对于现有的电机产生更多的热量。因此，为了让用户能够正常使用，上述磨削设备还可以包括隔热层，设置在主体外侧的手持部上，用于阻隔电机产生的热量。通过该设计，用户在通过握持部握持主体进行磨削时，电机产生的过多热量不会影响用户使用。

为了进一步散热，上述磨削设备还可以包括散热装置，设置在主体外侧的非手持部上，用于散发电机产生的热量。该散热装置设置在非手持部上，不影响用户使用，还可以降低主体的整体温度。

如果散热装置一直开启，可能会造成资源的浪费，也可能会影响用户的使用，因此，在必要时候开启散热装置才是较为理想的选择。基于上述考虑，本公开实施例的磨削设备还可以包括：温度传感器，用于检测电机的温度；控制器，还用于：根据电机的温度向散热装置发送开启或关闭的控制信号。上述控制器具体用于：在电机的温度达到预定温度时，向散热装置发送开启的控制信号，在电机的温度降低到预定温度时，向散热装置发送关闭的控制信号。

上述通过温度传感器开启或关闭散热装置仅为一个具体示例，本领域技术人员还可以采取其它方式，例如，在监测电机运行时间，在其处于第一速度运行时间超过第一时长时，就开启散热装置，在开启散热装置的时间达到第二时长时，就关闭散热装置；或者，在开启散热装置的时间达到第二时长时，检测是否电机仍然处于第一速度运行，如果是则继续保持散热装置处于开启状态，否则关闭散热装置。

下面，结合附图和实例对上述磨削设备的结构及使用过程进行示例性说明。

本实施例对电机的转速进行控制，磨削区域分为两部分，一部分是正常磨削区域，另一部分为边界区域。在钻头处于正常磨削区域内，电机为正常转速，到达边界区域时转速快速下降，超过边界区域停止旋转，这样对骨头不会过度切削。随着对电机控制技术越来越成熟，当伺服电机工作在速度伺服环时，可以快速实现加减速，反应时间短，灵敏度较高。这种方式实施起来更为方便，成本也较为便宜，而且电控的可靠性远远高于现有机械装置的可靠性。整个磨削设备的实施结构图如图5所示，本装置包含钻头1、电机(图中未示出)、NDI光学导航小球31、控制器4、NDI光学导航装置6、显示屏7。

对于现有技术，首先用CT拍摄病变部位，生成患者骨头的三维仿真模型(如图1所示)，然后通过规划软件生成虚拟的磨削区域，随后通过导航对钻头定位，磨削骨头，生成可以放置假肢的磨削区域(如图2所示)，最后装假肢并调整到合适位置(如图3所示)。本实施例就是对图2所示磨削过程中使用的磨削设备的改进。

如图5所示，医生手持磨削设备的主体进行磨骨，主体上带有NDI光学导航小球，并配置有NDI光学导航装置，可实时反馈钻头的位置，并进行仿真调整计算，进而显示在显示屏中，医生可以通过显示屏可以看到磨削的程度、距边界的距离等，医生可以直观清晰的看到磨削情况，以便操纵钻头进行下一步的磨削。

NDI光学导航装置将钻头的位置和方向数据传送给控制器，控制器计算判断钻头末端是否位于磨削区域内，根据钻头末端位置到磨削区域边界的法向距离及对应的速度控制算法计算出电机新的转速值，然后通过新的转速值控制电机运转。在磨削区域内钻头正常旋转切削骨头，到达边界区域转速快速下降，切削骨头的能力变弱变慢，超过边界转速停止，这样钻头不会造成过切。通常情况下，一般钻头的形状为半球形，根据NDI光学导航小球和电钻(主体和钻头整体)的物理模型，就可以计算出钻头的球心位置，然后根据已知的磨削曲面边界，通过与曲面上的顶点进行逐点计算距离排序的方法，可求出钻头球心到曲面上的最近距离，根据这个距离来控制电机的转速，一般来说，距离越小，速度越低，接近边界时，电机几乎停止旋转，这个距离与速度的模型，需要在实验中调整，一般呈线性或者非线性关系。

磨削时的电机转速与钻头的形状有关，不同形状的钻头所受的阻力大小不一样，使用时根据钻头形状调节出合适的转速。钻头的大小和形状与手术部位有较大关系，比如髋关节和膝关节的假肢形状不同，形成的磨削边界差异也很大，因此需要的钻头大小和形状也就不一样。一般来说，钻头的直径越大，在相同转速下所受的阻力就越大。因此在设置速度时，一般只限制其最高速度保证安全，实际运行速度需要由医生来掌握。显示屏上显示的虚拟磨削仿真与真实磨削情况一致，可以实时看到磨削的程度，而且边界标识的比较清晰，所以医生在手术时看的更多的是虚拟仿真。

医生在使用时注意不能遮挡小球，否则NDI光学导航装置将无法接收数据。由于电机升降速需要一定的时间，医生手持电钻磨削骨头时，移动速度不宜过快。

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本公开的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种磨削设备，其特征在于，包括：

钻头，设置在磨削设备的主体上；

电机，与所述钻头连接，设置在所述主体内部；

磨削位置检测装置，设置在所述主体外侧的非手持部上，用于检测所述钻头当前的磨削位置；

控制器，与所述磨削位置检测装置连接，用于根据所述钻头当前的磨削位置调整所述电机的转速，以控制所述钻头的磨削强度；

所述控制器，具体用于：

在确定所述钻头当前的磨削位置由第一磨削区域进入到第二磨削区域时，将所述电机的转速由第一速度调整为第二速度，其中，所述第一速度大于所述第二速度；

在确定所述钻头当前的磨削位置由所述第二磨削区域进入到第三磨削区域时，将所述电机的转速由所述第二速度调整为第三速度，其中，所述第二速度大于所述第三速度，所述第三磨削区域为与非磨削区域相邻的边界区域；

在确定所述钻头当前的磨削位置由所述第三磨削区域进入到所述第二磨削区域时，将所述电机的转速由所述第三速度调整为所述第二速度；

在确定所述钻头当前的磨削位置由所述第三磨削区域进入到所述第一磨削区域时，将所述电机的转速由所述第三速度调整为所述第一速度；

其中，所述第一磨削区域、所述第二磨削区域、所述第三磨削区域均为待磨削的骨骼对应的预定骨骼模型中划分的磨削区域；

所述控制器，还用于：接收钻头形状的指示信息，并根据所述钻头形状确定所述钻头处于不同磨削区域时所述电机的不同转速，其中，不同的钻头预置有不同的速度调整算法，在确定使用的钻头后，根据所述钻头对应的速度调整算法调整所述电机的转速；

还包括：

散热装置，设置在所述主体外侧的非手持部上，用于散发所述电机产生的热量；

温度传感器，用于检测所述电机的温度；

所述控制器，还用于：根据所述电机的温度向所述散热装置发送开启或关闭的控制信号。

2.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述磨削位置检测装置，包括：

NDI光学导航小球，设置在所述主体外侧的非手持部上，用于检测所述钻头当前的磨削位置。

3.如权利要求2所述的磨削设备，其特征在于，还包括：

NDI光学导航装置，用于根据所述钻头当前的磨削位置实时调整预定骨骼仿真模型中的磨削完成区域；

显示屏，用于显示调整后的所述预定骨骼仿真模型。

4.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述电机为交流永磁伺服电机。

5.如权利要求1至4中任一项所述的磨削设备，其特征在于，还包括：

隔热层，设置在所述主体外侧的手持部上，用于阻隔所述电机产生的热量。

6.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述控制器，具体用于：在所述电机的温度达到预定温度时，向所述散热装置发送开启的控制信号，在所述电机的温度降低到预定温度时，向所述散热装置发送关闭的控制信号。

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