CN114191080A - 一种解耦式正骨机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解耦式正骨机器人，其包括Y轴旋转模块、Z轴移动模块、X轴旋转模块、Z轴旋转模块、X轴移动模块和Y轴移动模块，Z轴移动模块设于底座的第一端，且Y轴旋转模块通过近端支座设于Z轴移动模块上，X轴移动模块设于底座的第二端，且Y轴移动模块滑动设于X轴移动模块上，Z轴旋转模块通过第一固定支座设于Y轴移动模块上，X轴旋转模块设于Z轴旋转模块中的旋转支架中。本发明在正骨手术过程中，先将胫骨近端用克氏针与近端固定环连接，胫骨远端用克氏针与远端固定环连接，然后通过医生确定生物力线，电脑模拟正骨手术手法确定正骨复位路径，并通过六个模块协调实时调节折断的胫骨的位置，使得机器人完成正骨手术。

Description

一种解耦式正骨机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种解耦式正骨机器人。

背景技术

目前，由于正骨手术过程中肉眼无法直接看到患者的骨折部位，X光图像就成为手术过程中唯一的导引方式。但是，利用二维图像来引导三维空间内的正骨操作，由于缺少深度信息，为了达到良好的固定效果，需要反复调整固定装置的位置，增加X光片的拍摄数量，甚至重新固定。因此，手术时间和效果在很大程度上取决于操作者的技术和经验。这就要求有一种能够提高手术准确性、可重复性并减少辐射危害的新方法、新装置引入到实际手术中。因此，有必要根据现有的医学技术，研制辅助正骨医疗的机器人，利用机器人的精确操作，避免射线对医生身体的损伤并提高手术精度，避免二次整复。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种解耦式正骨机器人，解决了现有技术中正骨手术后设备不可拆卸，手术时需要克氏针贯穿髓腔，手术时占用过多手术空间的问题，通过该机器人电脑解算控制完成正骨手术的对接，有利于提高正骨手术对接的精度、效率，降低医生、患者多频次暴露在X光下辐射的风险等。

本发明采用的技术方案是一种解耦式正骨机器人，其包括Y轴旋转模块、Z轴移动模块、X轴旋转模块、Z轴旋转模块、X轴移动模块和Y轴移动模块，所述Z轴移动模块设于底座的第一端，且所述Y轴旋转模块通过近端支座设于所述Z轴移动模块上，所述Y轴旋转模块包括近端支座、第一固定机构、第二固定机构、第一克氏针、第二克氏针、近端固定环和伺服电机，所述近端支座内设有半圆导槽和用于支撑蜗杆的支撑机构，且所述半圆导槽的圆弧面上设有滑动导轨，所述近端固定环的外侧弧面上设有蜗轮，且所述近端固定环的内侧弧面上设有近端支撑架，所述近端固定环设于所述近端支座中，且所述近端固定环两侧的导向块与所述滑动导轨滑动连接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合传动，所述第一克氏针和第二克氏针分别通过所述第一固定机构和第二固定机构设于所述近端固定环上，且所述第一克氏针和第二克氏针分别位于所述近端固定环的第一侧面和第二侧面，所述伺服电机设于所述近端支座的一侧，且所述伺服电机的输出轴通过联轴器与所述蜗杆连接；所述X轴移动模块设于所述底座的第二端，且所述Y轴移动模块滑动设于所述X轴移动模块上，所述Z轴旋转模块通过第一固定支座设于所述Y轴移动模块上，所述X轴旋转模块设于所述Z轴旋转模块中的旋转支架中，且所述X轴旋转模块包括第三克氏针、第三固定机构、远端固定环、第一转台、第二转台、第四固定机构和第四克氏针，所述第一转台和第二转台分别设于所述旋转支架的第一侧面和第二侧面，所述远端固定环设于所述第一转台和第二转台之间且分别与所述第一转台及第二转台转动连接，且所述远端固定环的内侧弧面上设有远端支撑架，所述第三克氏针和第四克氏针分别通过所述第三固定机构和第四固定机构设于所述远端固定环上，且所述第三克氏针和第四克氏针分别位于所述远端固定环的第一侧面和第二侧面。

进一步地，所述Z轴移动模块包括动平台、第一连杆、第二连杆、定平台、第一直线移动模块、第三连杆、第四连杆、动平台滑块和动平台导轨，所述动平台底部的两侧对称设有动平台固定块，且所述动平台底部设有所述动平台导轨，所述动平台导轨的两端分别设有第一挡块和第二挡块，所述动平台滑块滑动设于所述动平台导轨上，所述定平台顶部的两侧对称设有定平台固定块，且所述定平台顶部设有第一直线移动模块，所述第一连杆和第二连杆设于所述动平台与定平台之间且位于所述动平台的左侧，所述第一连杆的第一端与所述动平台固定块转动连接，且所述第一连杆的第二端与所述第一直线移动模块中第一滑块转动连接，所述第二连杆的第一端与所述定平台固定块转动连接，且所述第二连杆的第二端与所述动平台滑块转动连接，所述第三连杆和第四连杆设于所述动平台与定平台之间且位于所述动平台的右侧，所述第三连杆的第一端与所述动平台固定块转动连接，且所述第三连杆的第二端与所述第一直线移动模块中第一滑块转动连接，所述第四连杆的第一端与所述定平台固定块转动连接，且所述第四连杆的第二端与所述动平台滑块转动连接。

优选地，所述第一直线移动模块包括第一丝杠、第一丝杠支座、第一电机、第一导轨、第一滑块和第一丝母，所述第一丝杠的第一端通过轴承支撑于所述第一丝杠支座上，且所述第一丝杠的第二端通过联轴器与所述第一电机的输出轴连接，所述第一导轨设于所述第一丝杠的下方，所述第一丝母设于所述第一滑块上，且所述第一滑块与所述第一导轨滑动连接，所述第一丝母与所述第一丝杠传动连接。

优选地，所述Z轴旋转模块包括旋转支架、第三转台和第一固定支座，所述旋转支架转动设于所述第三转台上方，且所述第三转台底部设有所述第一固定支座。

进一步地，所述X轴移动模块包括第二固定支座、第二导轨、第二滑块、第二丝杠、第二丝杠支座、第二电机和第二丝母，所述第二导轨对称设于所述第二固定支座的两端，且所述第二丝杠的第一端通过轴承支撑于所述第二丝杠支座上，所述第二丝杠的第二端通过联轴器与所述第二电机的输出轴连接，所述第二滑块均布设于所述第一固定支座的边角处，所述第二丝母与所述第一固定支座固定连接，且所述第二滑块与所述第二导轨滑动连接，所述第二丝母与所述第二丝杠传动连接。

进一步地，所述Y轴移动模块包括底座、第三导轨、第三滑块、第三丝杠、第三丝杠支座、第三电机和第三丝母，所述第三导轨对称设于所述底座的两端，且所述第三丝杠的第一端通过轴承支撑于所述第三丝杠支座上，所述第三丝杠的第二端通过联轴器与所述第三电机的输出轴连接，所述第三滑块均布设于所述第二固定支座的边角处，所述第三丝母与所述第二固定支座固定连接，且所述第三滑块与所述第三导轨滑动连接，所述第三丝母与所述第三丝杠传动连接。

优选地，所述近端固定环上设有多个近端圆孔，且所述第一固定机构和第二固定机构中销轴的第一端穿过所述近端圆孔与带耳螺母螺纹连接。

优选地，所述远端固定环上设有多个远端圆孔，且所述第三固定机构和第四固定机构中销轴的第一端穿过所述远端圆孔与带耳螺母螺纹连接。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种解耦式正骨机器人，解决了现有技术中正骨手术后设备不可拆卸，手术时需要克氏针贯穿髓腔，手术时占用过多手术空间的问题，在正骨手术过程中，可以先将胫骨近端通过克氏针与近端固定环连接，胫骨远端通过克氏针与远端固定环连接，然后医生确定生物力线，电脑模拟正骨手术手法确定正骨复位路径，同时控制控制各个模块完成正骨手术的对接，有利于提高正骨手术对接的精度、效率，降低医生、患者多频次暴露在X光下辐射的风险等。

2、本发明提供的一种解耦式正骨机器人，X轴移动模块、Y轴移动模块及Z轴移动模块均能够独立实现X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的直线运动，并通过丝杠丝母机构实现自锁，而不受其他自由度调节的影响，可以精确调节待复位胫骨的位置，有利于患者胫骨的复位对接及治愈康复。

3、本发明提供的一种解耦式正骨机器人，X轴旋转模块、Y轴旋转模块及Z轴旋转模块均能够独立实现X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的旋转运动，并通过蜗轮蜗杆机构实现自锁，而不受其他自由度调节的影响，可以精确调节待复位胫骨的姿态，有利于患者胫骨的复位对接及治愈康复。

4、本发明提供的一种解耦式正骨机器人，各个自由度在运动过程中均不受其他调节模块的影响，进而可以实现机器人机构的解耦，有利于对患者胫骨的复位对接。

附图说明

图1是本发明的解耦式正骨机器人整体结构示意图；

图2是本发明的Y轴旋转模块结构示意图；

图3是本发明的Z轴移动模块结构示意图；

图4是本发明的Z轴旋转模块结构示意图；

图5是本发明的X轴旋转模块结构示意图；

图6是本发明的X轴移动模块结构示意图；

图7是本发明的Y轴移动模块结构示意图；

图8是本发明的一种应用实例示意图。

主要附图标记：

Y轴旋转模块1；近端支座11；半圆导槽111；第一固定机构12；第二固定机构13；第一克氏针14；第二克氏针15；近端固定环16；近端支撑架161；近端圆孔162；伺服电机17；Z轴移动模块2；动平台21；动平台固定块22；第一连杆23；第二连杆24；定平台固定块25；定平台26；第一直线移动模块27；第一丝杠271；第一丝杠支座272；第一导轨273；第一滑块274；第一丝母275；第一电机28；第三连杆29；第四连杆210；第一挡块211；动平台滑块212；动平台导轨213；第二挡块214；X轴旋转模块3；第三克氏针31；第三固定机构32；远端固定环33；远端支撑架331；远端圆孔332；第一转台34；第二转台35；第四固定机构36；第四克氏针37；Z轴旋转模块4；旋转支架41；第三转台42；第一固定支座43；X轴移动模块5；第二固定支座51；第二导轨52；第二滑块53；第二丝杠54；第二丝杠支座55；第二电机56；第二丝母57；Y轴移动模块6；底座61；第三导轨62；第三滑块63；第三丝杠64；第三丝杠支座65；第三电机66；第三丝母67；胫骨7。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种解耦式机器人，尤其是一种解耦式正骨机器人。如图1所示，其包括Y轴旋转模块1、Z轴移动模块2、X轴旋转模块3、Z轴旋转模块4、X轴移动模块5和Y轴移动模块6。

如图1和图2所示，Z轴移动模块2设于底座61的第一端，且Y轴旋转模块1通过近端支座11设于Z轴移动模块2上，Y轴旋转模块1包括近端支座11、第一固定机构12、第二固定机构13、第一克氏针14、第二克氏针15、近端固定环16和伺服电机17，近端支座11内设有半圆导槽111和用于支撑蜗杆的支撑机构，且半圆导槽111的圆弧面上设有滑动导轨，近端固定环16的外侧弧面上设有蜗轮，且近端固定环16的内侧弧面上设有近端支撑架161，近端固定环16设于近端支座11中，且近端固定环16两侧的导向块与滑动导轨滑动连接，蜗杆与蜗轮啮合传动，第一克氏针14和第二克氏针15分别通过第一固定机构12和第二固定机构13设于近端固定环16上，且第一克氏针14和第二克氏针15分别位于近端固定环16的第一侧面和第二侧面，伺服电机17设于近端支座11的一侧，且伺服电机17的输出轴通过联轴器与蜗杆连接。

在一种优选方式中，近端固定环16上设有多个近端圆孔162，且第一固定机构12和第二固定机构13中销轴的第一端穿过近端圆孔162与带耳螺母螺纹连接。

如图3所示，Z轴移动模块2包括动平台21、第一连杆23、第二连杆24、定平台26、第一直线移动模块27、第三连杆29、第四连杆210、动平台滑块212和动平台导轨213，动平台21底部的两侧对称设有动平台固定块22，且动平台21底部设有动平台导轨213，动平台导轨213的两端分别设有第一挡块211和第二挡块214，动平台滑块212滑动设于动平台导轨213上，定平台26顶部的两侧对称设有定平台固定块25，且定平台26顶部设有第一直线移动模块27，第一连杆23和第二连杆24设于动平台21与定平台26之间且位于动平台21的左侧，第一连杆23的第一端与动平台固定块22转动连接，且第一连杆23的第二端与第一直线移动模块27中第一滑块274转动连接，第二连杆24的第一端与定平台固定块25转动连接，且第二连杆24的第二端与动平台滑块212转动连接，第三连杆29和第四连杆210设于动平台21与定平台26之间且位于动平台21的右侧，第三连杆29的第一端与动平台固定块22转动连接，且第三连杆29的第二端与第一直线移动模块27中第一滑块274转动连接，第四连杆210的第一端与定平台固定块25转动连接，且第四连杆210的第二端与动平台滑块212转动连接。

在一种优选方式中，第一直线移动模块27包括第一丝杠271、第一丝杠支座272、第一电机28、第一导轨273、第一滑块274和第一丝母275，第一丝杠271的第一端通过轴承支撑于第一丝杠支座272上，且第一丝杠271的第二端通过联轴器与第一电机28的输出轴连接，第一导轨273设于第一丝杠271的下方，第一丝母275设于第一滑块274上，且第一滑块274与第一导轨273滑动连接，第一丝母275与第一丝杠271传动连接。

如图1和图4所示，X轴移动模块5设于底座61的第二端，且Y轴移动模块6滑动设于X轴移动模块5上，Z轴旋转模块4通过第一固定支座43设于Y轴移动模块6上，Z轴旋转模块4包括旋转支架41、第三转台42和第一固定支座43，旋转支架41转动设于第三转台42上方，且第三转台42底部设有第一固定支座43。

如图5所示，X轴旋转模块3设于Z轴旋转模块4中的旋转支架中，且X轴旋转模块3包括第三克氏针31、第三固定机构32、远端固定环33、第一转台34、第二转台35、第四固定机构36和第四克氏针37，第一转台34和第二转台35分别设于旋转支架41的第一侧面和第二侧面，远端固定环33设于第一转台34和第二转台35之间且分别与第一转台34及第二转台35转动连接，且远端固定环33的内侧弧面上设有远端支撑架331，第三克氏针31和第四克氏针37分别通过第三固定机构32和第四固定机构36设于远端固定环33上，且第三克氏针31和第四克氏针37分别位于远端固定环33的第一侧面和第二侧面。

在一种优选方式中，远端固定环33上设有多个远端圆孔332，且第三固定机构32和第四固定机构36中销轴的第一端穿过远端圆孔332与带耳螺母螺纹连接。

如图6所示，X轴移动模块5包括第二固定支座51、第二导轨52、第二滑块53、第二丝杠54、第二丝杠支座55、第二电机56和第二丝母57，第二导轨52对称设于第二固定支座51的两端，且第二丝杠54的第一端通过轴承支撑于第二丝杠支座55上，第二丝杠54的第二端通过联轴器与第二电机56的输出轴连接，第二滑块53均布设于第一固定支座43的边角处，第二丝母57与第一固定支座43固定连接，且第二滑块53与第二导轨52滑动连接，第二丝母57与第二丝杠54传动连接。

如图7所示，Y轴移动模块6包括底座61、第三导轨62、第三滑块63、第三丝杠64、第三丝杠支座65、第三电机66和第三丝母67，第三导轨62对称设于底座61的两端，且第三丝杠64的第一端通过轴承支撑于第三丝杠支座65上，第三丝杠64的第二端通过联轴器与第三电机66的输出轴连接，第三滑块63均布设于第二固定支座51的边角处，第三丝母67与第二固定支座51固定连接，且第三滑块63与第三导轨62滑动连接，第三丝母67与第三丝杠64传动连接。

本发明的具体操作步骤如下：

如图8所示，本发明的一种解耦式正骨机器人，其包括Y轴旋转模块1、Z轴移动模块2、X轴旋转模块3、Z轴旋转模块4、X轴移动模块5和Y轴移动模块6，Z轴移动模块2设于底座61的第一端，且Y轴旋转模块1通过近端支座11设于Z轴移动模块2上，X轴移动模块5设于底座61的第二端，且Y轴移动模块6滑动设于X轴移动模块5上，Z轴旋转模块4通过第一固定支座43设于Y轴移动模块6上，X轴旋转模块3设于Z轴旋转模块4中的旋转支架中。

在具体工作过程中，首先将折断胫骨近端支撑于近端支撑架161上，并通过第一克氏针14和第二克氏针15将胫骨7与近端固定环16固定连接，胫骨7远端支撑于远端支撑架331上，并通过第三克氏针31和第四克氏针37将胫骨7与远端固定环33固定连接，此时通过C型X光仪多角度拍摄X光片确定断骨创伤面，由医生确定断骨生物力线输入电脑，电脑通过传感器得到正骨机器人的实时位置结合正骨骨手术的手法，规划出正骨路径供医生选择，最后由医生确认正骨路径的正确性，并通过电脑实时控制Y轴旋转模块1、Z轴移动模块2、X轴旋转模块3、Z轴旋转模块4、X轴移动模块5及Y轴移动模块6各模块的运动，进而完成胫骨7近端与远端的复位对接。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种解耦式正骨机器人，其特征在于，其包括Y轴旋转模块、Z轴移动模块、X轴旋转模块、Z轴旋转模块、X轴移动模块和Y轴移动模块，

所述Z轴移动模块设于底座的第一端，且所述Y轴旋转模块通过近端支座设于所述Z轴移动模块上，所述Y轴旋转模块包括近端支座、第一固定机构、第二固定机构、第一克氏针、第二克氏针、近端固定环和伺服电机，所述近端支座内设有半圆导槽和用于支撑蜗杆的支撑机构，且所述半圆导槽的圆弧面上设有滑动导轨，所述近端固定环的外侧弧面上设有蜗轮，且所述近端固定环的内侧弧面上设有近端支撑架，所述近端固定环设于所述近端支座中，且所述近端固定环两侧的导向块与所述滑动导轨滑动连接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合传动，所述第一克氏针和第二克氏针分别通过所述第一固定机构和第二固定机构设于所述近端固定环上，且所述第一克氏针和第二克氏针分别位于所述近端固定环的第一侧面和第二侧面，所述伺服电机设于所述近端支座的一侧，且所述伺服电机的输出轴通过联轴器与所述蜗杆连接；

所述X轴移动模块设于所述底座的第二端，且所述Y轴移动模块滑动设于所述X轴移动模块上，所述Z轴旋转模块通过第一固定支座设于所述Y轴移动模块上，所述X轴旋转模块设于所述Z轴旋转模块中的旋转支架中，且所述X轴旋转模块包括第三克氏针、第三固定机构、远端固定环、第一转台、第二转台、第四固定机构和第四克氏针，所述第一转台和第二转台分别设于所述旋转支架的第一侧面和第二侧面，所述远端固定环设于所述第一转台和第二转台之间且分别与所述第一转台及第二转台转动连接，且所述远端固定环的内侧弧面上设有远端支撑架，所述第三克氏针和第四克氏针分别通过所述第三固定机构和第四固定机构设于所述远端固定环上，且所述第三克氏针和第四克氏针分别位于所述远端固定环的第一侧面和第二侧面。

2.根据权利要求1所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述Z轴移动模块包括动平台、第一连杆、第二连杆、定平台、第一直线移动模块、第三连杆、第四连杆、动平台滑块和动平台导轨，所述动平台底部的两侧对称设有动平台固定块，且所述动平台底部设有所述动平台导轨，所述动平台导轨的两端分别设有第一挡块和第二挡块，所述动平台滑块滑动设于所述动平台导轨上，所述定平台顶部的两侧对称设有定平台固定块，且所述定平台顶部设有第一直线移动模块，所述第一连杆和第二连杆设于所述动平台与定平台之间且位于所述动平台的左侧，所述第一连杆的第一端与所述动平台固定块转动连接，且所述第一连杆的第二端与所述第一直线移动模块中第一滑块转动连接，所述第二连杆的第一端与所述定平台固定块转动连接，且所述第二连杆的第二端与所述动平台滑块转动连接，所述第三连杆和第四连杆设于所述动平台与定平台之间且位于所述动平台的右侧，所述第三连杆的第一端与所述动平台固定块转动连接，且所述第三连杆的第二端与所述第一直线移动模块中第一滑块转动连接，所述第四连杆的第一端与所述定平台固定块转动连接，且所述第四连杆的第二端与所述动平台滑块转动连接。

3.根据权利要求2所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述第一直线移动模块包括第一丝杠、第一丝杠支座、第一电机、第一导轨、第一滑块和第一丝母，所述第一丝杠的第一端通过轴承支撑于所述第一丝杠支座上，且所述第一丝杠的第二端通过联轴器与所述第一电机的输出轴连接，所述第一导轨设于所述第一丝杠的下方，所述第一丝母设于所述第一滑块上，且所述第一滑块与所述第一导轨滑动连接，所述第一丝母与所述第一丝杠传动连接。

4.根据权利要求1所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述Z轴旋转模块包括旋转支架、第三转台和第一固定支座，所述旋转支架转动设于所述第三转台上方，且所述第三转台底部设有所述第一固定支座。

5.根据权利要求1所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述X轴移动模块包括第二固定支座、第二导轨、第二滑块、第二丝杠、第二丝杠支座、第二电机和第二丝母，所述第二导轨对称设于所述第二固定支座的两端，且所述第二丝杠的第一端通过轴承支撑于所述第二丝杠支座上，所述第二丝杠的第二端通过联轴器与所述第二电机的输出轴连接，所述第二滑块均布设于所述第一固定支座的边角处，所述第二丝母与所述第一固定支座固定连接，且所述第二滑块与所述第二导轨滑动连接，所述第二丝母与所述第二丝杠传动连接。

6.根据权利要求1所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述Y轴移动模块包括底座、第三导轨、第三滑块、第三丝杠、第三丝杠支座、第三电机和第三丝母，所述第三导轨对称设于所述底座的两端，且所述第三丝杠的第一端通过轴承支撑于所述第三丝杠支座上，所述第三丝杠的第二端通过联轴器与所述第三电机的输出轴连接，所述第三滑块均布设于所述第二固定支座的边角处，所述第三丝母与所述第二固定支座固定连接，且所述第三滑块与所述第三导轨滑动连接，所述第三丝母与所述第三丝杠传动连接。

7.根据权利要求1所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述近端固定环上设有多个近端圆孔，且所述第一固定机构和第二固定机构中销轴的第一端穿过所述近端圆孔与带耳螺母螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的解耦式正骨机器人，其特征在于，所述远端固定环上设有多个远端圆孔，且所述第三固定机构和第四固定机构中销轴的第一端穿过所述远端圆孔与带耳螺母螺纹连接。

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