CN112244988B - 用于自攻自钻螺钉置入的执行器、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器、系统及方法，属于医疗设备技术领域，所述执行器连接在机器臂的末端，所述执行器包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向针管；所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向针管与螺钉容纳机构连接，且所述杆件、第一通孔和导向针管的轴线共线；本公开通过机械臂和执行器的配合实现了精准的连续置钉，能够快速和准确的实现对钢板的固定。

Description

用于自攻自钻螺钉置入的执行器、系统及方法

技术领域

本公开涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器、系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

近年来，随着新型机构、材料、驱动、传感、控制与仿真等多项技术研究的突破，人们越来越多的利用机器人实现人体骨折辅助手术。

但是，本公开发明人发现，在固定钢板的过程中，现有的置钉方式大多采用人工定位的方式，劳动强度较高，置钉的效率较低；现有的置钉方式对螺钉的扭矩和旋紧方向的控制较差，往往无法实现对置钉的精准控制；现有的置钉方式在置钉一次之后往往需要再次放入螺钉进行第二次置钉，无法实现连续的置钉。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器、系统及方法，通过机械臂和执行器的配合实现了精准的连续置钉，能够快速和准确的实现对钢板的固定。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器。

一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向针管；

所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向针管与螺钉容纳机构连接，置钉时所述第一通孔和导向针管贯通且杆件、第一通孔和导向针管的轴线共线。

作为可能的一些实现方式，所述执行器还包括壳体，所述壳体上设有导轨，所述风批通过滑动件设置在导轨中。

作为进一步的限定，所述螺钉容纳机构包括转盘、挡板和电机，转盘轴通过电机带动旋转，所述转盘上沿圆周方向均匀的分布有多个第一通孔；

所述挡板包括第一挡板和第二挡板，分别设置在圆盘两侧端面处，且通过轴承固定于转盘轴上，所述挡板上开有第二通孔，且所述杆件、第二通孔和导向针管的轴线共线。

作为更进一步的限定，所述杆件远离风批的一端与第一挡板上的第二通孔位置相对，所述导向针管设置在第二挡板上，且与第二挡板上的第二通孔贯通。

作为更进一步的限定，所述第一挡板、第二挡板和电机均固定在壳体内。

作为可能的一些实现方式，所述导向针管包括一个中空圆管段针管和端面倾斜的圆锥段针尖，针管与针尖为一体成型的不锈钢结构，针管远离针尖的一端与第二挡板螺纹连接。

作为可能的一些实现方式，所述杆件的端部均为六角结构。

作为可能的一些实现方式，所述风批与气泵连接，风批上设有扭力调节旋钮，且风批远离气泵连接口的一端设有六角接口，所述风批的尾部设有消音排气孔。

本公开第二方面提供了一种自攻自钻螺钉的置入系统。

一种自攻自钻螺钉的置入系统，包括置钉机器人和控制终端，所述置钉机器人的机械臂的末端固定有本公开第一方面所述的用于自攻自钻螺钉置入的执行器；

所述控制终端被配置为根据外部控制信号和/或实时获取的机械臂末端坐标及姿态信息进行螺钉置入控制。

本公开第三方面提供了一种自攻自钻螺钉的置入系统的工作方法。

一种自攻自钻螺钉的置入系统的工作方法，利用本公开第一方面所述的自攻自钻螺钉的置入系统，包括以下步骤：

待钢板插入后，记录钢板上所有螺纹孔的位置及轴线方向；

控制机械臂运动到第一个固定位置，使导向针管的轴线与记录的钢板上第一个螺纹孔的轴线对齐；

控制机械臂运动，使导向针管穿刺到达第一个螺纹孔上方预设距离；

气泵通气，推动风批沿着导轨下移，自攻自钻螺钉在风批的作用下被推出螺钉容纳机构，并沿杆件轴向移动和旋转；

当螺钉拧到预定深度且扭力达到风批预设值，风批停止转动，风批上移退出第一个螺钉孔的位置；

控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向针管的轴线与记录的钢板上第二个螺纹孔的轴线对齐，重复上述步骤直至最后一颗螺钉拧入钢板。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的执行器、系统及方法，通过自动化置钉的方式，只需一次操作即可准确快速的实现一个螺钉的置入，且螺钉的扭矩和置入深度可控，极大的提高了置钉的效果。

2、本公开所述的执行器、系统及方法，螺钉容纳机构包括转盘、挡板和电机，转盘轴通过电机带动旋转，所述转盘上沿圆周方向均匀的分布有多个第一通孔，能够实现连续的置钉操作，从而快速的实现一块钢板的固定。

3、本公开所述的执行器、系统及方法，所述挡板包括第一挡板和第二挡板，分别设置在圆盘的两侧，且通过轴承固定于转盘轴上，所述挡板上开有第二通孔，且所述杆件、第二通孔和导向针管的轴线共线，通过共线设置能够保证螺钉沿预设线路快速的对准螺纹孔，从而实现快速准确置钉。

4、本公开所述的执行器、系统及方法，采用“虚拟仿真复位+实际复位操作”虚实交互的操作模式，能够在不开较大手术创口的情况下获得更高的手术精度，能够极大程度上降低手术风险，并减少射线辐射和病人的痛苦。

5、本公开所述的执行器、系统及方法，执行系统选用高精度机械臂，能够精确地执行指定操作，排除了医生的不确定因素的影响，同时对操作人员要求较低，有利于使更多的医疗机构具有精确骨折固定的能力。

6、本公开所述的执行器、系统及方法，具有很好的通用性，不仅对于下肢骨折，对于其他部位的骨折，也有很好的固定效果。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的机械臂末端执行器示意图。

图2为本公开实施例1提供的风批示意图。

图3为本公开实施例1提供的导向针管示意图。

图4为本公开实施例1提供的螺钉装置示意图。

图5为本公开实施例1提供的滑块示意图。

图6为本公开实施例1提供的外壳示意图。

图7为本公开实施例2提供的硬件系统结构示意图。

图8为本公开实施例2提供的机器人系统示意图。

1、机器人系统；101、机械臂；102、控制柜；103、示教器；2、风批；201、接气口；202、扭力调节旋钮；203、六角接口；3、导向针管；301、针管；302、针尖；303、螺纹；4、螺钉装置；401、转盘；402、挡板；403、自攻自钻螺钉；404、电机；405、内六角推杆；5、滑块；6、外壳；601、挡板槽；602、导轨滑槽；603、螺栓孔；604、电机孔；7、末端执行器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1-6所示，本公开实施例1提供了一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器7，包括驱动机构、螺钉装置4和中空的导向针管3；

所述驱动机构包括风批2和与风批2连接的内六角推杆405，所述螺钉装置4设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向针管与螺钉装置4连接，置钉时第一通孔和导向针管3贯通且内六角推杆405、第一通孔和导向针管3的轴线共线。

风批2使用1/4接气口201，接上气泵使用，且风批2上设有定扭力调节旋钮202，可根据不同人群的骨骼差异进行扭力调整；

所述风批2还设有下压式离合器开关，当达到扭力值时自动停止转动，安全性较高；

所述风批2的尾部带有消音排气孔，不产生噪音，避免手术过程中对患者心理造成负担；

所述风批2的端部设有六角接口203，用于与内六角推杆405连接。

导向针管3具有一个中空圆管段针管301和端面倾斜的单斜面针尖302，针管301与针尖302是采用不锈钢材质一体成型制作，针管末端有一段螺纹303与挡板402连接。

可以理解的，在其他一些实施方式中，可以将麻药层涂布在针管的外表面上，麻药层是由利多卡因、罗哌卡因、布比卡因以及丁卡因中的一种制备而成。

螺钉装置4包括转盘401、挡板402、自攻自钻螺钉403、内六角连杆405和电机404；内六角推杆405与风批2连接，转盘401上有十二个均匀分布的螺钉孔，挡板通过轴承固定于转盘轴上，控制电机每次转动30度，使得转盘上的下一螺纹孔与挡板上的孔对齐，螺钉进入导向针管，在风批的作用下钻入骨头，固定钢板与骨头。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述转盘401上也可以设置其他个数均匀分布的螺钉孔，如8个螺钉孔，此时控制电机每次转动45度，如果设置10个螺钉孔，电机每次转动36度，本领域技术人员可以根据具体工况进行随机选择，这里不再赘述。

本实施例中，所述内六角推杆具体为推杆的两个端部均为内六角结构。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述内六角推杆也可以整体都是内六角结构，本领域技术人员可以根据具体情况进行设定，这里不再赘述。

可以理解的，推杆也可以是五角、八角、九角的，本领域技术人员可以根据具体的公开进行选择设计，当然连杆的端部结构必须与风批和螺钉相匹配，即风批和螺钉与连杆的连接部分随连杆端部接口的变化而适应性的变化。

所述风批通过滑块5设置在导轨滑槽602中，滑块5的上部分是一类似滑动轴承座的结构，与风批上的轴肩配合，轴承座上有三个螺栓孔，通过拧紧螺栓紧固风批，滑块5的下部分是一“⊥”结构，与外壳上的导轨滑槽602配合，使风批沿着导轨滑槽602滑动。

所述外壳6由两部分组成，一部分是含有导轨滑槽602，另一部分底面有四个用来固定电机的电机孔604，两部分外壳两侧各有四个螺栓孔603，通过螺栓扣合固定在一起，外壳内部各有一个挡板槽601，挡板插入挡板槽中与外壳固定。

实施例2：

如图7和8所示，本公开实施例2提供了一种自攻自钻螺钉的置入系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括机器人系统和实施例1所述的执行器7，软件系统是机器人操作界面系统。

如上所述机器人系统1包括机械臂101、控制柜102和示教器103；所述机械臂拥有六个自由度，可实现末端关节在运动范围内任意位置的运动和姿态的调整；所述控制柜拥有扩展端口，能够接入外部控制信号；

所述示教器具有触控功能，能够实时获取机械臂末端坐标及姿态信息，具有在线编程以及载入外部控制程序的能力。

所述机器人操作界面系统具有机械臂手动操作、步进运动以及点坐标驱动运动功能，能够方便地输入坐标点并预览断骨远端复位轨迹。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种自攻自钻螺钉的置入系统的工作方法，利用实施例1所述的置入系统，包括以下步骤：

步骤一：使用与本实施例配套的骨折复位机器人将断骨复位；

步骤二：断骨复位后，使用与本实施例配套的钢板机器人插入钢板至断骨连接处，并记录钢板上所有螺纹孔的位置及轴线方向；

步骤三：控制机械臂运动到第一个固定位置，使导向针管的轴线与步骤二记录的钢板上第一个螺纹孔的轴线对齐；

步骤四：控制机械臂运动，使导向针管穿刺皮肤肌肉组织到达第一个螺纹孔上方2-3mm；

步骤五：气泵通气，推动风批沿着导轨下移，自攻自钻螺钉在风批的作用下拧入骨骼；

步骤六：当螺钉拧到预定深度后，扭力达到风批预设值，风批停止转动，风批上移退出第一个螺钉孔的位置；

步骤七：控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向针管的轴线与步骤二记录的钢板上第二个螺纹孔的轴线对齐，重复步骤四、五、六直至最后一颗螺钉拧入钢板。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于自攻自钻螺钉置入的执行器，其特征在于，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向针管；

所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向针管与螺钉容纳机构连接，置钉时第一通孔和导向针管贯通且杆件、第一通孔和导向针管的轴线共线；

所述执行器还包括壳体，所述壳体上设有导轨，所述风批通过滑动件设置在导轨中；

所述螺钉容纳机构包括转盘、挡板和电机，转盘轴通过电机带动旋转，所述转盘上沿圆周方向均匀的分布有多个第一通孔；

所述挡板包括第一挡板和第二挡板，分别设置在转盘的两侧端面处，且通过轴承固定于转盘轴上，所述挡板上开有第二通孔，且所述杆件、第二通孔和导向针管的轴线共线；

所述杆件远离风批的一端与第一挡板上的第二通孔位置相对，所述导向针管设置在第二挡板上，且与第二挡板上的第二通孔贯通。

2.如权利要求1所述的用于自攻自钻螺钉置入的执行器，其特征在于，所述第一挡板、第二挡板和电机均固定在壳体内。

3.如权利要求1所述的用于自攻自钻螺钉置入的执行器，其特征在于，所述导向针管包括一个中空圆管段针管和端面倾斜的单斜面针尖，针管与针尖为一体成型的不锈钢结构，针管远离针尖的一端与第二挡板螺纹连接。

4.如权利要求1所述的用于自攻自钻螺钉置入的执行器，其特征在于，所述杆件的端部均为六角结构。

5.如权利要求1所述的用于自攻自钻螺钉置入的执行器，其特征在于，所述风批与气泵连接，风批上设有扭力调节旋钮，且风批远离气泵连接口的一端设有六角接口，所述风批的尾部设有消音排气孔。

6.一种自攻自钻螺钉的置入系统，其特征在于，包括置钉机器人和控制终端，所述置钉机器人的机械臂的末端固定有权利要求1-5 任一项所述的用于自攻自钻螺钉置入的执行器；

所述控制终端被配置为根据外部控制信号和/或实时获取的机械臂末端坐标及姿态信息进行螺钉置入控制。

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