CN112370146A - 一种用于锁定螺钉置入的执行器、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于锁定螺钉置入的执行器、系统及方法，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔120°分布的第一风批、第二风批和第三风批，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接；所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向管与螺钉容纳机构连接，置钉时第一通孔和导向管贯通且与第三风批连接的第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线，此时第三风批通过第三杆件与锁紧螺钉连接；本公开通过第一风批、第二风批、第三风批和分度器的配合，实现了锁定螺钉的连续快速置入，极大的提高了钢板固定的效率，极大的减少了手术的时间。

Description

一种用于锁定螺钉置入的执行器、系统及方法

技术领域

本公开涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种用于锁定螺钉置入的执行器、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。

锁定钢板固定是骨折固定方式的一种，钢板种类繁多，适合身体大多数骨折的固定，锁定钢板和锁定螺钉通过螺纹精密的连接在一起；为了精确的植入螺钉，现行的做法需要先用配套套筒与螺孔连接，然后用骨钻钻孔，用测深尺测定骨道的长度，最用选择合适的锁定螺钉沿孔道螺入。

本公开发明人发现，现有的方式在机器人对骨骼进行复位并插入钢板后，大多采用人工定位的方式进行置钉，置钉的劳动强度较高，效率较低；自攻自钻螺钉因为不需要提前钻孔而备受推崇，但随着临床案例的增多，自攻自钻螺钉不易取出的事件越来越多，主要原因是骨痂长到自钻钉的刃槽，阻挡了自攻自钻螺钉的螺出；对于普通的锁定螺钉，需要提前进行钻孔和测量，且现有的锁定螺钉的置入方式无法实现快速的连续置钉，置钉效率较低，从而导致手术时间的延长。

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锁定螺钉置入的执行器、系统及方法，通过第一风批、第二风批、第三风批和分度器的配合，实现了锁定螺钉的连续快速置入，极大的提高了钢板固定的效率，极大的减少了手术的时间。

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锁定螺钉置入的执行器。

一种用于锁定螺钉置入的执行器，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；

所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔预设角度分布的第一风批、第二风批和第三风批，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接；

所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向管与螺钉容纳机构连接，置钉时第一通孔和导向管贯通，且第三风批连接的第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线，此时第三风批通过第三杆件与锁紧螺钉连接。

作为可能的一些实现方式，所述预设角度为120°。

作为可能的一些实现方式，所述执行器包括圆柱形空腔，间歇旋转机构为分度器，所述圆柱形空腔内同轴布设有用作分度器旋转中轴的圆柱体，圆柱体上每间隔120°设有一条沿轴向的导轨，所述第一风批、第二风批和第三风批分别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，且所述第三杆件、第二通孔和导向管的轴线共线。

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锁定螺钉的置入系统。

一种锁定螺钉的置入系统，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锁定螺钉置入的执行器；

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。

控制终端的控制方式，具体为：采用物理标定或磁导航或红外导航技术，将机器人坐标系、影像坐标和人体空间坐标统一，通过数字建模及设计软件对置钉机器人的轨迹进行规划，将规划好的数据信息输入控制系统，从而完成机器人的精准控制。

本公开第三方面提供了一种锁定螺钉的置入系统的工作方法。

一种锁定螺钉的置入系统的工作方法，利用本公开第二方面所述的锁定螺钉的置入系统，包括以下步骤：

待钢板插入断骨连接处后，记录钢板上所有螺纹孔的中心线方向；

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

控制机械臂运动，使导向管穿刺到达第一个螺纹孔上方预设距离；

气泵通气，推动第一风批沿导轨移动，并带动破皮尖刀沿第一杆件的轴向移动，待破皮尖刀工作完毕，第一风批后移；

分度器旋转第一预设角度，气泵推动第二风批沿导轨移动，并带动钻头沿第二杆件的轴向移动和旋转，待钻头工作完毕，第二风批后移；

分度器再旋转第二预设角度，锁定螺钉在第三风批的带动下沿第三杆件的轴向移动和旋转；

当锁定螺钉拧到预定深度且扭力达到风批预设值，第三风批停止转动，第三风批后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，使导向管的轴线与记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复上述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，通过第一风批、第二风批、第三风批和分度器的配合，实现了锁定螺钉的连续快速置入，极大的提高了钢板固定的效率，极大的减少了手术的时间。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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提供的导向管示意图。

图4为本公开实施例1提供的螺钉容纳机构示意图。

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2提供的硬件系统结构示意图。

图7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；204、第一风批；205、第二风批；206、第三风批；3、导向管；301、针管；302、针尖；303、螺纹；4、螺钉容纳机构；401、转盘；402、挡板；403、锁定螺钉；404、电机；405、内六角推杆；5、滑块；6、外壳；7、末端执行器；8、导轨。

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1-5所示，本公开实施例1提供了一种用于锁定螺钉置入的执行器，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；

所述驱动机构包括风批2，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔120°分布的第一风批204、第二风批205和第三风批206，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接，第三风批与第三杆件连接；

所述螺钉容纳机构4设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向管与螺钉容纳机构4连接，置钉时第一通孔和导向管3贯通且第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线，此时第三风批通过第三杆件与锁紧螺钉连接。

可以理解的，在其他一些实施方式中，第一风批204、第二风批205和第三风批206之间的间隔角度可以随意设定，当一次置钉完成后，间歇旋转机构复位，此时从第一风批204继续开始运动即可；第一风批204、第二风批205和第三风批206之间的间隔角度也可以不一样，只要对间歇旋转机构进行程序化设定即可实现三个风批的连续工作，本领域技术人员可以根据具体工况进行设计，这里不再赘述。

风批2使用1/4接气口201，接上气泵使用，且风批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；风批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，所述风批的端部设有六角接口203，用于与内六角推杆405(第三杆件)连接。

导向管3具有一个中空圆管段针管301和端面倾斜的圆锥段针尖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。

螺钉容纳机构4包括转盘401、挡板402、锁紧螺钉403、内六角推杆405和电机404；内六角推杆与风批连接，转盘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。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述内六角推杆405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，在其他一些实施方式中，内六角推杆也可以是五角、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。

可以理解，在其他一些实施方式中，所述推杆也可以是只有端部为内六角结构，中部为圆杆或者方杆或者其他类型的结构，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。

执行器包括外壳6，为圆柱形空腔，间歇旋转机构为分度器，所述圆柱形空腔内同轴布设有用作分度器旋转中轴的圆柱体，圆柱体上每间隔120°设有一条沿轴向的导轨，所述第一风批、第二风批和第三风批分别通过滑块5设置在导轨8中。

本实施例中，所述导轨8为直线导轨，所述直线导轨的两端均设有挡板，用于限定滑块在导轨中的活动范围，且所述滑轨在导轨中的运动方向为分度器的轴向方向。

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，与圆柱体上的导轨滑槽配合，使风批沿着导轨滑槽滑动。

所实施例2：

如图6和图7所示，本公开实施例2提供了一种锁定螺钉的置入系统，包括置钉机器人、复位机器人和钢板机器人，复位机器人用于将断骨复位，钢板机器人用于将钢板插入至断骨连接处；

所述置钉机器人9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。

当厂家不提供钢板的具体CAD图纸时，采用如下方式确定钢板的中心线：

1)对所选钢板进行逆向建模，保持钢板大小尺寸不变；

2)在所选钢板上拧入配套套筒，套筒的方向就是中心线的方向；

3)应用机械臂钻头从第一个孔插入，记录中心线方向，顺序记录，将路点信息编程脚本文件，当选择此钢板时，在钢板插入后，自动执行置钉程序，完成置钉；

4)因在刚插入时不一定准确，容易造成碰撞，所以，编辑脚本所选用的套筒长度比实际长。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种锁紧螺钉的置入系统的工作方法，利用实施例1提供的一种锁紧螺钉的置入系统，包括以下步骤：

(1)使用与本实施例配套的骨折复位机器人将断骨复位；

(2)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中心线方向；

(3)控制机械臂运动到第一个固定位置，使导向管的轴线与步骤(2)记录的钢板上第一个螺纹孔的中心线对齐；

(4)控制机械臂运动，使导向管穿刺皮肤肌肉组织到达第一个螺纹孔上方2mm-3mm，本实施例中优选为2.5mm，当然，本领域技术人员可以根据具体情况在2mm-3mm的范围内任意选择，如2.6mm、2.7mm或者2.8mm。

(5)气泵通气，推动第一风批通过滑块沿着导轨下移，使得破皮尖刀刺穿皮肤、肌肉直达骨面；为减少软组织的损伤，尖刀尽量平行于肢体纵轴方向；

分度器旋转120度，气泵推动风批向下，当接触骨面产生压力后，第二风批开始启动，钻头钻穿皮质后自动停止；

分度器再旋转120度，螺钉在转盘的作用下对准通道，锁定螺钉在第三风批的作用下拧入骨骼；

(6)当螺钉拧到预定深度后，扭力达到第三风批预设值，第三风批停止转动，第三风批后移退出第一个螺钉孔的位置；

(7)控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向管的轴线与步骤(2)记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复步骤(4)(5)(6)直至最后一颗螺钉拧入钢板。

当厂家不提供钢板的具体CAD图纸时，采用如下方式确定钢板的中心线：

1)对所选钢板进行逆向建模，保持钢板大小尺寸不变；

2)在所选钢板上拧入配套套筒，套筒的方向就是中心线的方向；

3)应用机械臂钻头从第一个孔插入，记录中心线方向，顺序记录，将路点信息编程脚本文件，当选择此钢板时，在钢板插入后，自动执行置钉程序，完成置钉；

4)因在刚插入时不一定准确，容易造成碰撞，所以选用的套筒长度比实际长。

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 (10)

1.一种用于锁定螺钉置入的执行器，其特征在于，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；

所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔预设角度分布的第一风批、第二风批和第三风批，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接；

所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向管与螺钉容纳机构连接，置钉时第一通孔和导向管贯通，且第三风批连接的第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线。

2.如权利要求1所述的用于锁定螺钉置入的执行器，其特征在于，所述执行器包括圆柱形空腔，间歇旋转机构为分度器，所述圆柱形空腔内同轴布设有用作分度器旋转中轴的圆柱体，圆柱体上每间隔120°设有一条沿轴向的导轨，所述第一风批、第二风批和第三风批分别通过滑动件设置在导轨中。

3.如权利要求2所述的用于锁定螺钉置入的执行器，其特征在于，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，且所述第三杆件、第二通孔和导向管的轴线共线。

4.如权利要求3所述的用于锁定螺钉置入的执行器，其特征在于，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，所述导向管设置在第二挡板上，且与第二挡板上的第二通孔贯通。

5.如权利要求3所述的用于锁定螺钉置入的执行器，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。

6.如权利要求1所述的用于锁定螺钉置入的执行器，其特征在于，所述导向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。

7.如权利要求1所述的用于锁定螺钉置入的执行器，其特征在于，所述杆件的端部均为六角结构。

8.如权利要求1所述的用于锁定螺钉置入的执行器，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。

9.一种锁定螺钉的置入系统，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1-8任一项所述的用于锁定螺钉置入的执行器；

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。

10.一种锁定螺钉的置入系统的工作方法，其特征在于，利用权利要求9所述的锁定螺钉的置入系统，包括以下步骤：

待钢板插入断骨连接处后，记录钢板上所有螺纹孔的中心线方向；

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

控制机械臂运动，使导向管穿刺到达第一个螺纹孔上方预设距离；

气泵通气，推动第一风批沿导轨移动，并带动破皮尖刀沿第一杆件的轴向移动，待破皮尖刀工作完毕，第一风批后移；

分度器旋转第一预设角度，气泵推动第二风批沿导轨移动，并带动钻头沿第二杆件的轴向移动和旋转，待钻头工作完毕，第二风批后移；

分度器再旋转第二预设角度，锁定螺钉在第三风批的带动下沿第三杆件的轴向移动和旋转；

当锁定螺钉拧到预定深度且扭力达到风批预设值，第三风批停止转动，第三风批后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，使导向管的轴线与记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复上述直至最后一颗螺钉拧入钢板。

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