一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人的製作方法

2023-07-20 07:33:06

專利名稱：一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療用的機器人設備，具體地說，是指一種採用小型化、模塊化設計的，具有龍門型單閉環並聯結構的用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人。
背景技術：
目前，骨科手術的治療已經從傳統的閉合整復轉向微創外科手術治療，髓內釘內固定術作為一種典型的微創外科手術正逐漸成為治療長骨骨折的首選術式。手術過程中將髓內釘植入折骨的骨髓腔內，在近端和遠端分別用螺釘鎖定，起到固定骨折的作用，這種微創手術對患者的損傷較小、固定效果好、有利於患者術後的恢復。這種微創手術要求在閉合狀態下完成髓內釘的鎖定，對於近端孔的鎖定可以藉助於機械瞄準器(髓內釘廠商提供)完成；而遠端孔由於距離入點較遠，並且髓內釘在插入骨髓腔後會有一定的形變，因此遠端孔的鎖定一直都是開展這一手術的難點。傳統的手術中醫生只有藉助於C型臂X光的透視，來完成髓內釘遠端鎖定，不僅需要長時間的暴露在X光輻射下，而且對於醫生的經驗和技巧有較高的要求。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人，該模塊化骨科機器人由兩個運動平面組成龍門型單閉環並聯機器人結構，其底座是靜平臺，兩個導向關節中心的連線是動平臺，動、靜平臺間的支鏈由水平運動關節和垂直運動關節串聯而成。本發明的模塊化骨科機器人通過雙平面定位方式，解決了在有限的手術空間中完成對手術路徑的導航，輔助醫生完成髓內釘遠端孔鎖定操作。
本發明是一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人，由垂直運動關節A、垂直運動關節B、水平運動關節A、水平運動關節B、底座、連接板A、連接板B、導向關節A、導向關節B和四個步進電機構成。垂直運動關節A和垂直運動關節B的結構相同，且互相平行固定安裝在底座上；水平運動關節A和水平運動關節B的結構相同，水平運動關節A安裝在垂直運動關節A上，水平運動關節B安裝在垂直運動關節B上；連接板A和連接板B的結構相同，且互相平行固定安裝在垂直運動關節A和垂直運動關節B的連接位上；導向關節A和導向關節B的結構相同，導向關節A安裝在水平運動關節A上，導向關節B安裝在水平運動關節B上；底座為四邊形；四個步進電機的輸出軸分別通過聯軸器與各自驅動的絲槓連接。
所述的模塊化骨科機器人，其水平運動關節A串行聯接在垂直運動關節A的輸出端上，構成一個運動平面；水平運動關節B串行聯接在垂直運動關節B的輸出端上，構成另一個運動平面；這兩個相互平行的運動平面組成龍門型單閉環並聯機器人結構。
本發明的步進電機驅動絲槓轉動，從而使垂直運動關節A和垂直運動關節B上的滑塊隨絲槓上下運動，水平運動關節A和水平運動關節B上的滑塊隨絲槓前後運動。
本發明模塊化骨科機器人的優點在於(1)機械結構採用小型化、模塊化設計，有利於拆卸和組裝，也便於對機械結構進行消毒滅菌；(2)雙平面定位機構使髓內釘遠端孔鎖定操作更精確，合理；(3)結構緊湊、操作簡便、成本低廉等優點。


圖1是本發明骨科機器人的整體結構圖。
圖2A是垂直運動關節A的結構圖。
圖2B是垂直滑塊的結構圖。
圖2C是鎖扣的結構圖。
圖3A是水平運動關節A的結構圖。
圖3B是水平滑塊的結構圖。
圖4是導向關節A的結構圖。
圖中 1.垂直運動關節A 101.骨架 103.連接座104.鎖扣 105.步進電機 106.光軸B 107.絲槓 108.光軸A109.連接位A 110.連接位B114.連接柱115.鎖板 116.鎖板柱117.卡槽 120.垂直滑塊A 121.光軸孔A 122.絲槓孔123.光軸孔B124.鎖扣 125.槽 126.凸面端127.安裝孔2.水平運動關節A 201.骨架 205.步進電機 206.光軸B207.絲槓 208.光軸A 220.水平滑塊 221.光軸孔A 222.絲槓孔223.光軸孔B 224.安裝孔 225.凸面3.導向關節A 301.U形關節座 302.導向筒303.通孔 304.銷孔305.導向軸 4.底座 5.連接板A 6.連接板B 7.垂直運動關節B703.連接座 720.垂直滑塊B 8.水平運動關節B 9.導向關節B具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人，由垂直運動關節A1、垂直運動關節B7、水平運動關節A2、水平運動關節B8、底座4、連接板A5、連接板B6、導向關節A3、導向關節B9和四個步進電機構成。請參見附圖所示，各器件的連接關係通過下列表述進行說明垂直運動關節A1和垂直運動關節B7的結構相同，且互相平行固定安裝在底座4上；水平運動關節A2和水平運動關節B8的結構相同，水平運動關節A2安裝在垂直運動關節A1上，水平運動關節B8安裝在垂直運動關節B7上；連接板A5和連接板B6的結構相同，且互相平行固定安裝在垂直運動關節A1和垂直運動關節B7的連接位上；其中，連接板A5的一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節A1的連接位A109上，連接板A5的另一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節B7的連接位上；連接板B6的一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節A1的連接位A110上，連接板B6的另一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節B7的連接位上；導向關節A3和導向關節B9的結構相同，導向關節A3安裝在水平運動關節A2上，導向關節B9安裝在水平運動關節B8上；導向關節A3和導向關節B9的中心連線構成髓內釘遠端鎖定的空間直線路徑。
底座4為四邊形。
四個步進電機的輸出軸分別通過聯軸器與各自驅動的絲槓連接；在本發明中，步進電機的工作電流為1.5A，其驅動絲槓轉動，從而使垂直運動關節A1和垂直運動關節B7上的滑塊隨絲槓上下運動，水平運動關節A2和水平運動關節B8上的滑塊隨絲槓前後運動。
請參見圖2A、圖2B和圖2C所示，所述的垂直運動關節A1由骨架101、連接座103、光軸A108、光軸B106、絲槓107、垂直滑塊A120和步進電機105構成；所述垂直滑塊A120上設有供水平運動關節A2的骨架201安裝的槽125，槽125的一端上有螺紋孔127，螺紋孔127內安裝有鎖扣104的連接柱114；其凸面端126上設有光軸孔A123、絲槓孔122和光軸孔B121(請參見圖2B所示)；所述骨架101為機械加工一體件，骨架101中部為U形空腔，垂直滑塊A120的凸面端126卡合在U形空腔內，光軸A108、絲槓107和光軸B106分別穿過垂直滑塊A120上的光軸孔A123、絲槓孔122和光軸孔B121後安裝在骨架101中部的U形空腔內，絲槓107放置在光軸A108和光軸B106的中間，光軸A108在光軸孔A123內滑動配合運動，光軸B106在光軸孔B121內滑動配合運動，絲槓107在絲槓孔122內螺紋配合運動，絲槓107一端通過聯軸器與安裝在骨架101上端面的步進電機105輸出軸連接；骨架101下端面通過螺釘連接有連接座103，連接座103上安裝有鎖扣104；骨架101上設有帶螺紋孔的連接位A109和連接位B110，連接位A109和連接位B110上通過螺釘與螺紋孔配合將連接板A5和連接板B6平行安裝在其上；所述鎖扣由連接柱114和鎖板115構成，連接柱114安裝在鎖板115一端的螺紋孔內，鎖板115的另一端是鎖板柱116，鎖板115的中心設有卡槽117(請參見圖2C所示)；本發明中的鎖扣以連接柱114為轉動點進行運動，通過卡槽117卡緊。
請參見圖3A、圖3B所示，所述的水平運動關節A2由骨架201、光軸A208、絲槓207、光軸B206、水平滑塊220和步進電機205構成；所述水平滑塊220上設有光軸孔A221、絲槓孔222、光軸孔B223和用於安裝導向關節A3的導向軸305的安裝孔224，安裝孔224、以及固定安裝導向關節A3的安裝孔(圖3B中未標出圖標，即在安裝孔224兩邊的孔)設在凸面端225上；所述骨架201為機械加工一體件，骨架201中部為U形空腔，水平滑塊220卡合在U形空腔內，光軸A208、絲槓207和光軸B206分別穿過水平滑塊220上的光軸孔A221、絲槓孔222和光軸孔B223後安裝在骨架101中部的U形空腔內，絲槓207放置在光軸A208和光軸B206的中間，光軸A208在光軸孔A221內滑動配合運動，光軸B206在光軸孔B223內滑動配合運動，絲槓207在絲槓孔222內螺紋配合運動，絲槓207一端通過聯軸器與安裝在骨架201端面的步進電機205輸出軸連接；請參見圖4所示，所述的導向關節A3由U形關節座301、導向軸305和導向筒302構成，導向筒302安裝在U形關節座301內；所述導向筒302的中心設有通孔303；所述導向軸305的一端通過螺紋連接在U形關節座301的下端，另一端安裝在水平滑塊220的安裝孔224內；所述U形關節座301的兩個側面上分別設有銷孔304。本發明中的導向關節A3繞導向軸305的軸線轉動，導向筒302繞穿過U形關節座301上銷孔304的銷子轉動。
在本發明中，水平運動關節A2串行聯接在垂直運動關節A1的輸出端上，構成一個運動平面；水平運動關節B8串行聯接在垂直運動關節B7的輸出端上，構成另一個運動平面；這兩個相互平行的運動平面組成龍門型單閉環並聯機器人結構。模塊化骨科機器人的底座4是靜平臺，兩個導向關節(導向關節A3和導向關節B9)的中心連線是動平臺，動、靜平臺間有兩個支鏈，其中，一個支鏈由水平運動關節A2和垂直運動關節A1串聯構成；另一個支鏈由水平運動關節B8和垂直運動關節B7串聯構成。本發明的模塊化骨科機器人的輸出是一直線路徑，在髓內釘內固定手術中使用時即為穿過髓內釘遠端孔的手術路徑。因此，本發明的模塊化骨科機器人可用於引導醫生完成髓內釘內固定手術中的遠端鎖定操作。
本發明的用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人，是針對髓內釘手術的臨床需求和手術環境，以實用性和適用性為基本的出發點，結合雙平面定位原理，採用小型化、模塊化的設計思想，開發的骨科手術輔助機器人。本發明綜合利用了機械設計、機構學、機器人學等多門學科技術，解決了髓內釘內固定手術中路徑導航的問題。該機器人既為髓內釘遠端鎖定提供了穩定可靠的手術導航方法，又能簡單的拆卸和組裝，便於消毒滅菌操作，並且具有結構緊湊、操作簡便、成本低廉等優點，適合在我國的國情下進行臨床應用的推廣。
權利要求
1.一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人，其特徵在於由垂直運動關節A(1)、垂直運動關節B(7)、水平運動關節A(2)、水平運動關節B(8)、底座(4)、連接板A(5)、連接板B(6)、導向關節A(3)、導向關節B(9)和四個步進電機構成，垂直運動關節A(1)和垂直運動關節B(7)的結構相同，且互相平行固定安裝在底座(4)上；水平運動關節A(2)和水平運動關節B(8)的結構相同，水平運動關節A(2)安裝在垂直運動關節A(1)上，水平運動關節B(8)安裝在垂直運動關節B(7)上；連接板A(5)和連接板B(6)的結構相同，且互相平行固定安裝在垂直運動關節A(1)和垂直運動關節B(7)的連接位上；其中，連接板A(5)的一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節A(1)的連接位A(109)上，連接板A(5)的另一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節B(7)的連接位上；連接板B(6)的一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節A(1)的連接位B(110)上，連接板B(6)的另一端通過螺釘固定安裝在垂直運動關節B(7)的連接位上；導向關節A(3)和導向關節B(9)的結構相同，導向關節A(3)安裝在水平運動關節A(2)上，導向關節B(9)安裝在水平運動關節B(8)上；底座(4)為四邊形；四個步進電機的輸出軸分別通過聯軸器與各自驅動的絲槓連接；所述的垂直運動關節A(1)由骨架(101)、連接座(103)、光軸A(108)、光軸B(106)、絲槓(107)、垂直滑塊A(120)和步進電機(105)構成；所述垂直滑塊A(120)上設有供水平運動關節A(2)的骨架(201)安裝的槽(125)，槽(125)的一端上有螺紋孔(127)，螺紋孔(127)內安裝有鎖扣(104)的連接柱(114)；其凸面端(126)上設有光軸孔A(123)、絲槓孔(122)和光軸孔B(121)；所述骨架(101)為機械加工一體件，骨架(101)中部為U形空腔，垂直滑塊A(120)的凸面端(126)卡合在U形空腔內，光軸A(108)、絲槓(107)和光軸B(106)分別穿過垂直滑塊A(120)上的光軸孔A(123)、絲槓孔(122)和光軸孔B(121)後安裝在骨架(101)中部的U形空腔內，絲槓(107)放置在光軸A(108)和光軸B(106)的中間，光軸A(108)在光軸孔A(123)內滑動配合運動，光軸B(106)在光軸孔B(121)內滑動配合運動，絲槓(107)在絲槓孔(122)內螺紋配合運動，絲槓(107)一端通過聯軸器與安裝在骨架(101)上端面的步進電機(105)輸出軸連接；骨架(101)下端面通過螺釘連接有連接座(103)，連接座(103)上安裝有鎖扣(104)；骨架(101)上設有帶螺紋孔的連接位A(109)和連接位B(110)，連接位A(109)和連接位B(110)上通過螺釘與螺紋孔配合將連接板A(5)和連接板B(6)平行安裝在其上；所述鎖扣(104、124)由連接柱(114)和鎖板(115)構成，連接柱(114)安裝在鎖板(115)一端的螺紋孔內，鎖板(115)的另一端是鎖板柱(116)，鎖板(115)的中心設有卡槽(117)；所述的水平運動關節A(2)由骨架(201)、光軸A(208)、絲槓(207)、光軸B(206)、水平滑塊(220)和步進電機(205)構成；所述水平滑塊(220)上設有光軸孔A(221)、絲槓孔(222)、光軸孔B(223)和用於安裝導向關節A(3)的導向軸(305)的安裝孔(224)；所述骨架(201)為機械加工一體件，骨架(201)中部為U形空腔，水平滑塊(220)卡合在U形空腔內，光軸A(208)、絲槓(207)和光軸B(206)分別穿過水平滑塊(220)上的光軸孔A(221)、絲槓孔(222)和光軸孔B(223)後安裝在骨架(101)中部的U形空腔內，絲槓(207)放置在光軸A(208)和光軸B(206)的中間，光軸A(208)在光軸孔A(221)內滑動配合運動，光軸B(206)在光軸孔B(223)內滑動配合運動，絲槓(207)在絲槓孔(222)內螺紋配合運動，絲槓(207)一端通過聯軸器與安裝在骨架(201)端面的步進電機(205)輸出軸連接；所述的導向關節A(3)由U形關節座(301)、導向軸(305)和導向筒(302)構成，導向筒(302)安裝在U形關節座(301)內；所述導向筒(302)的中心設有通孔(303)；所述導向軸(305)的一端通過螺紋連接在U形關節座(301)的下端，另一端安裝在水平滑塊(220)的安裝孔(224)內；所述U形關節座(301)的兩個側面上分別設有銷孔(304)。
2.根據權利要求1所述的模塊化骨科機器人，其特徵在於水平運動關節A(2)串行聯接在垂直運動關節A(1)的輸出端上，構成一個運動平面；水平運動關節B(8)串行聯接在垂直運動關節B(7)的輸出端上，構成另一個運動平面；這兩個相互平行的運動平面組成龍門型單閉環並聯機器人結構。
3.根據權利要求1所述的模塊化骨科機器人，其特徵在於導向關節A(3)和導向關節B(9)的中心連線構成髓內釘遠端鎖定的空間直線路徑。
4.根據權利要求1所述的模塊化骨科機器人，其特徵在於導向關節A(3)繞導向軸(305)的軸線轉動，導向筒(302)繞穿過U形關節座(301)上銷孔(304)的銷子轉動。
5.根據權利要求1所述的模塊化骨科機器人，其特徵在於鎖扣以連接柱(114)為轉動點。
6.根據權利要求1所述的模塊化骨科機器人，其特徵在於四個步進電機的工作電流為1.5A。
全文摘要
本發明公開了一種用於輔助髓內釘遠端鎖定的模塊化骨科機器人，其包括垂直運動關節A、垂直運動關節B、水平運動關節A、水平運動關節B、底座、連接板A、連接板B、導向關節A、導向關節B和四個步進電機，該模塊化骨科機器人由兩個運動平面組成龍門型單閉環並聯機器人結構，其底座是靜平臺，兩個導向關節中心的連線是動平臺，動、靜平臺間的支鏈由水平運動關節和垂直運動關節串聯而成。本發明綜合利用了機械設計、機構學、機器人學等多門學科技術，解決了髓內釘內固定手術中路徑導航的問題。該機器人既為髓內釘遠端鎖定提供了穩定可靠的手術導航方法，又能簡單地拆卸和組裝，便於消毒滅菌操作，並且具有結構緊湊、操作簡便、成本低廉等優點。
文檔編號A61B19/00GK1775488SQ20051013473
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月21日 優先權日2005年12月21日
發明者王滿宜, 王田苗, 王軍強, 胡磊, 趙春鵬, 王豫, 蘇永剛, 劉文勇, 周力, 徐穎, 張 傑, 張維軍, 張豐全, 張家磊, 張利軍, 張薇 申請人:王滿宜, 王田苗