CN113274172A - 基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，包括工作台、安装于工作台上的多自由度机械臂以及安装于机械臂末端的喷头，所述喷头用于喷射原材料并在工作台上沉积形成产品。本发明中使用多自由度关节式机械臂进行材料沉积可以显著扩展增材制造工艺的能力，利于在复杂的非平面层上沉积材料，可形成具有曲率的复杂几何形状的结构；相比于传统平面层材料沉积工艺，通过六自由度关节式机械臂配合喷头可获得正确的打印纤维取向，可以明显的提高骨骼的结构强度；利于打印的骨骼能够沿着三维曲线定位纤维。
Description
技术领域
本发明涉及软骨修复技术领域，特别涉及一种基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统。
背景技术
现有的软骨修复通常采用增材制造设备，其逐层的水平铺设粉末并烧结以实现软骨的修复；由于骨骼形状相比一般零件更为复杂，表面由许多复杂的曲面组成，使用传统打印方法很难保证打印骨骼的表面的质量，仅使用平面水平层构造部件限制了基于材料沉积的增材制造工艺的能力，无法适用于对自由度要求较高的复杂工况。
因此，为解决以上问题，需要一种基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，该装置采用多自由度机械臂实现多自由度的软骨修复，可适用于复杂的修复工况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，该装置采用多自由度机械臂实现多自由度的软骨修复，可适用于复杂的修复工况。
本发明的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，包括工作台、安装于工作台上的多自由度机械臂以及安装于多自由度机械臂末端的喷头，所述喷头用于喷射原材料并在工作台上沉积形成产品。
进一步，还包括直线驱动装置，所述喷头包括喷射筒、安装于喷射筒底部的喷射针以及滑动配合安装于喷射筒内的活塞，所述直线驱动装置安装于多自由度机械臂末端并用于驱动活塞在喷射筒内滑动。
进一步，所述多自由度机械臂的末端安装有3D工业相机。
进一步，所述工作台上安装有深度相机，所述深度相机朝向喷头拍摄。
进一步，所述工作台上安装有相机支架，所述深度相机安装于相机支架上并斜向下朝向喷头。
进一步，所述多自由度机械臂末端安装有槽钢状的夹板，所述夹板侧向开口，所述直线驱动装置安装于夹板内腔中，所述直线驱动装置的驱动端穿过夹板的底部与活塞驱动配合。
进一步，所述夹板侧部连接有侧挡板，所述喷射筒固定连接于侧挡板上。
进一步，所述工作台下方设置有储物箱。
进一步，所述储物箱底部安装有滚轮。
进一步，所述直线驱动装置的驱动端连接有用于检测驱动力的压力传感器。
本发明的有益效果：
本发明中使用多自由度机械臂进行材料沉积可以显著扩展增材制造工艺的能力，利于在复杂的非平面层上沉积材料，可形成具有曲率的复杂几何形状的结构；相比于传统平面层材料沉积工艺，通过多自由度机械臂配合喷头可获得正确的打印纤维取向，可以明显的提高骨骼的结构强度；使得打印的骨骼能够沿着三维曲线定位纤维；另外喷头采用挤压式喷头，大大简化了喷头的结构，利于控制喷头的运行轨迹。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明结构示意图；
图2为局部结构示意图；
具体实施方式
如图所示：本实施例的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，包括工作台1、安装于工作台上的多自由度机械臂2以及安装于多自由度机械臂末端的喷头3，所述喷头用于喷射原材料并在工作台上沉积形成产品。此处的产品指的是打印出来的骨骼，喷头3可采用现有的增材制造冷喷头，通过将粉末颗粒以超高音速的速度喷出并沉积在产品的表面，或者喷头也可配合激光头，激光头可将沉积前的粉末烧结融化并在相应的产品表面沉积，该类喷头为现有结构，此处不再赘述；多自由度机械手臂采用现有结构，本实施例中采用现有的六自由度关节式机械臂，使用多自由度机械臂进行材料沉积可以显著扩展增材制造工艺的能力，利于在复杂的非平面层上沉积材料，可形成具有曲率的复杂几何形状的结构；相比于传统平面层材料沉积工艺，通过多自由度机械臂配合喷头可获得正确的打印纤维取向，可以明显的提高骨骼的结构强度；利于打印的骨骼能够沿着三维曲线定位纤维。
本实施例中，还包括直线驱动装置4，所述喷头3包括喷射筒3a、安装于喷射筒底部的喷射针3b以及滑动配合安装于喷射筒内的活塞3c，所述直线驱动装置安装于多自由度机械臂末端并用于驱动活塞在喷射筒内滑动。直线驱动装置采无刷电机，结合图2所示，喷射筒为上端开口的筒状结构，活塞与推杆连接，无刷电机的输出杆驱动推杆滑动，使得活塞挤压喷射筒内部的原材料，该原材料可采用膏状结构，使得原材料通过喷射针头喷出，通过控制多自由度机械臂的移动轨迹使得喷射针头喷出的原材料按照预设轨迹喷出并沉积以形成所需要的产品形状。
本实施例中，所述多自由度机械臂的末端安装有3D工业相机5。本实施例中，3D工业相机采用RVC X mini型相机，也可采用现有的其他型号的相机，通过3D工业相机对缺失软骨的三维扫描，可以根据不同的工作距离和视野范围，选配不同数量的相机、选择不同焦距的镜头、调整相机角度与间距，生成点云，实现软骨模型的重建打印。
本实施例中，所述工作台上安装有深度相机6，所述深度相机朝向喷头拍摄。本实施例中，深度相机采用realsense d435i型，也可采用现有的其他型号的相机；结合图1所示，在工作台上设置有修复皿13，喷头将原材料喷至修复皿中沉积形成产品，相应的深度相机朝向培养皿拍摄，用于拍摄深度相机以及喷头的位置，通过深度相机感知整个环境，可避免喷头与产品干涉，减少喷头与产品的碰撞风险，并且实现多视角的点云重建，让软骨模型更加精确。
本实施例中，所述工作台上安装有相机支架7，所述深度相机安装于相机支架上并斜向下朝向喷头。结合图1所示，相机支架采用框架式结构，在相机支架的上方安装有两个轨道，在该轨道上滑动安装有安装座12，安装座朝向多自由度机械臂一侧具有安装斜面，深度相机安装于该安装斜面上以使得深度相机斜向下朝向喷头方向拍摄，该安装座可滑动安装于轨道上利于调节深度相机的位置；通过设置相机支架利于整个系统的空间布局。
本实施例中，所述多自由度机械臂末端安装有槽钢状的夹板8，所述夹板侧向开口，所述直线驱动装置4安装于夹板内腔中，所述直线驱动装置4的驱动端穿过夹板的底部与活塞驱动配合。结合图2所示，通过夹板的设置利于直线驱动装置的安装，而且夹板也作为导向装置，利于提高直线驱动装置驱动端的运行精度。
本实施例中，所述夹板侧部连接有侧挡板9，所述喷射筒3a固定连接于侧挡板上。侧挡板用于安装喷射筒，而且也用于侧向挡于喷射筒侧部，用于阻挡飞溅物。
本实施例中，所述工作台1下方设置有储物箱10。储物箱为矩形箱体结构，在储物箱上设置有对开门，该储物箱用于安装多自由度机械臂对应的电气设备，而且用于存放配套工具，便于操作。
本实施例中，所述储物箱底部安装有滚轮11。在储物箱底部四角处设置有四个万向滚轮，利于整个平台系统的移动。
本实施例中，所述直线驱动装置4的驱动端连接有用于检测驱动力的压力传感器。通过压力传感器利于精确的检测直线驱动装置的驱动力，进而精确的控制喷头的喷射速度和喷射量。
在使用过程中，首先利用医学CT扫描人体损伤软骨和正常软骨得到DICOM格式影像图，通过DICOM格式影像图生成软骨三维模型，通过损伤软骨和正常软骨三维模型的对比复原损伤部分软骨三维模型，得到软骨三维模型的STL文件。当手术切开损伤软骨表面皮肤后，利用手术平台上面的深度相机得到损伤软骨的点云模型，将得到的点云模型与前面得到的软骨三维模型的STL文件进行对比，消除软骨三维模型的STL文件中的误差。
将三维模型的STL文件输入相应的控制器内，然后输出一个有序的含喷头位形信息的喷头轨迹；并根据轨迹算法来控制多自由度机械臂的移动，直线驱动装置挤压活塞，使得喷头喷出原材料并逐层沉积，以此达到预期的打印效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：包括工作台、安装于工作台上的多自由度机械臂以及安装于多自由度机械臂末端的喷头，所述喷头用于喷射原材料并在工作台上沉积形成产品。
2.根据权利要求1所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：还包括直线驱动装置，所述喷头包括喷射筒、安装于喷射筒底部的喷射针以及滑动配合安装于喷射筒内的活塞，所述直线驱动装置安装于多自由度机械臂末端并用于驱动活塞在喷射筒内滑动。
3.根据权利要求1所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述多自由度机械臂的末端安装有3D工业相机。
4.根据权利要求3所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述工作台上安装有深度相机，所述深度相机朝向喷头拍摄。
5.根据权利要求4所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述工作台上安装有相机支架，所述深度相机安装于相机支架上并斜向下朝向喷头。
6.根据权利要求2所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述多自由度机械臂末端安装有槽钢状的夹板，所述夹板侧向开口，所述直线驱动装置安装于夹板内腔中，所述直线驱动装置的驱动端穿过夹板的底部与活塞驱动配合。
7.根据权利要求3所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述夹板侧部连接有侧挡板，所述喷射筒固定连接于侧挡板上。
8.根据权利要求1所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述工作台下方设置有储物箱。
9.根据权利要求8所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述储物箱底部安装有滚轮。
10.根据权利要求2所述的基于多视角融合软骨修复手术机器人平台系统，其特征在于：所述直线驱动装置的驱动端连接有用于检测驱动力的压力传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210820 |
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