一種基於3d滑鼠操作的微創骨科手術機器人的製作方法

2023-04-26 01:42:56 3

專利名稱：一種基於3d滑鼠操作的微創骨科手術機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種骨科手術用的機器人，具體地說，是指一種為提高手術過程中的安全性、穩定性、可靠性而設計的，採用6自由度的3D滑鼠操作與控制的微創骨科手術輔助機器人。
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，空心釘固定術、髓內釘內固定術作為幾種典型的微創手術正逐漸成為治療骨折的首選術式。比如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，這種微創手術對於患者的損傷較小、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，不僅患者和醫務人員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基於3D滑鼠進行安全操作的微創手術骨科機器人，該骨科機器人通過模塊化設計各個的機構，配合3D滑鼠進行主、被動控制，可以在有限的手術空間中完成對手術路徑的導航，並精確定位，輔助醫生完成手術操作。機器人各個機構可以簡單的拆卸和組裝，便於對其進行消毒和滅菌操作。
本發明是一種基於3D滑鼠進行安全操作的微創手術骨科機器人，由橫向移動組件、減速器組件、上下移動組件、小臂組件、腕部組件和3D滑鼠組成；3D滑鼠安裝在小臂組件的小臂殼體的上，減速器組件的機座與橫向移動組件的旋轉法蘭通過螺釘連接，上下移動組件的安裝底座與減速器組件的接口通過兩個鎖杆連接，小臂組件的滑槽與上下移動組件的C滑槽)連接，且在滑動槽內滑動，腕部組件的腕部法蘭與小臂組件的減速器的輸出軸通過鍵連接。
本發明微創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；(2)串聯的機器人結構方式可以靈活控制，布局合理；(3)所採用的結構設計使得整個運動精密且容易實現各部件的功能；(4)橫向移動組件採用齒輪、齒條在電機的驅動下運動，提高了運動精度；(5)採用的3D滑鼠安裝在小臂組件4的移動臂前端，方便醫生操作和控制，該3D滑鼠含有六個自由度，可以實現笛卡爾坐標系中的六個方向運動控制；(6)減速器組件採用蝸輪、蝸杆的傳動方式，有利於上下移動組件3、小臂組件4、腕部組件5可以沿蝸杆206的軸心轉動。


圖1是本發明微創骨科機器人的外部結構圖。
圖2是本發明連接座的外部結構圖。
圖2A是連接座下面板的結構圖。
圖2B是旋轉法蘭與導軌的裝配示意圖。圖3是本發明減速器組件的仰視圖。
圖3A是圖3的A-A視圖。
圖3B是本發明減速器組件的俯視圖。
圖3C是圖3B的B-B視圖。 圖4是本發明上下移動組件的剖面圖。
圖4A是圖4的A-A視圖。
圖5是本發明小臂組件的剖面圖。
圖6是本發明腕部組件的外部結構圖。 圖6A是圖6的A-A視圖。
圖6B是無導向塊、擋板時的腕部組件的外部結構圖。
圖中1.橫向移動組件 101.旋轉法蘭 102.轉軸 103.定位銷104.導軌 105.齒條106.銷孔 107.走線槽130.連接座131.A橫向轉軸 132.B橫向轉軸 133.C橫向轉軸 134.D橫向轉軸 135.右面板136.通孔 137.連接端 141.A縱向轉軸 142.B縱向轉軸 143.C縱向轉軸144.D縱向轉軸 145.上面板 151.圓孔 152.A凹槽 153.B凹槽154.螺紋孔155.下面板 2.減速器組件 201.平面軸承 202.接口203.B電機 204.渦輪端蓋205.渦輪 206.渦杆 207.機座208.渦杆端蓋 209.B壓板 210.鎖杆 211.張緊螺釘 212.調節槽213.A球軸承 214.B球軸承 215.斜面 3.上下移動組件301.C滑槽302.A底座 303.導軌法蘭304.滑塊螺母 305.B底座 307.殼體308.導軌底座 309.聯軸器 313.絲槓 315.C電機 316.滑動槽4.小臂組件401.D殼體 402.D滑槽 403.擋板 404.隔板405.聯軸器406.D電機 407.減速器 408.輸出軸5.腕部組件501.腕部法蘭 502.E殼體 503.撥塊 504.絲杆 506.定位孔507.導向塊508.銷軸509.壓板 511.電機法蘭 512.E電機513.E滑槽 514.沉頭螺釘515.E擋板 516.左側板6.3D滑鼠
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本發明是一種基於3D滑鼠操作的微創骨科手術機器人，是一種適用於下半部身體骨折復位和創傷手術的醫療器械。由橫向移動組件1、減速器組件2、上下移動組件3、小臂組件4、腕部組件5和3D滑鼠6組成；3D滑鼠6安裝在小臂組件4的小臂殼體401的上，減速器組件2的機座207與橫向移動組件1的旋轉法蘭101通過螺釘連接，上下移動組件3的安裝底座305與減速器組件2的接口202通過兩個鎖杆210連接，小臂組件4的滑槽402與上下移動組件3的C滑槽301連接，且在滑動槽316內滑動，腕部組件5的腕部法蘭501與小臂組件4的減速器的輸出軸408通過鍵連接。本發明主要包括的五個部分組成，每個部分均採用直流電機驅動，即A電機(圖中未示出)驅動橫向移動組件1，B電機驅動減速器組件2，C電機驅動上下移動組件3，D電機驅動小臂組件4，E電機驅動腕部組件5。
下面將對本發明的每個組件的機械結構進行詳細說明橫向移動組件1參見圖2B所示，導軌104的底部安裝有齒條105，導軌104的中間設有走線槽107(走線槽107用於放置橫向移動組件1和減速器組件2所需的驅動線、電源線)，導軌104的一端通過轉軸102與旋轉法蘭101的一端(旋轉法蘭101的另一端面上安裝有減速器組件2的機座207連接，導軌104的另一端穿過連接座130的通孔136，且滑動連接在連接座130上。在進行手術時，通過定位銷103使旋轉法蘭101與導軌104平行；當結束手術時，通過取下定位銷103，使銷釘安裝在銷孔106中實現收起減速器組件2、上下移動組件3、小臂組件4和腕部組件5。參見圖2、圖2A所示，連接座130在橫向方向上設有通孔136，連接座130的右面板135的四周安裝有A橫向轉軸131、B橫向轉軸132、C橫向轉軸133、D橫向轉軸134；連接座130的上面板145的四周安裝有A縱向轉軸141、B縱向轉軸142、C縱向轉軸143、D縱向轉軸144；連接座130的左端為連接端137，用於實現本發明的連接座130與手術床固定連接；連接座130的下面板155的中心設有圓孔151，圓孔151內安裝有齒輪(在電機的作用下，用於驅動齒條105在橫向方向上往復運動)，齒輪與橫向移動組件電機的輸出軸連接，橫向移動組件電機(A電機)安裝在下面板155上，即將螺釘穿過橫向移動組件電機上的安裝板、以及下面板155上的螺紋孔154實現橫向移動組件電機與下面板155的固定；下面板155的兩側分別開有A凹槽152、B凹槽153，A凹槽152內放置有A滾輪，B凹槽153內放置有B滾輪，A滾輪套接在C橫向轉軸133上，B滾輪套接在B橫向轉軸132上。在本發明中，四個縱向轉軸(A縱向轉軸141、B縱向轉軸142、C縱向轉軸143、D縱向轉軸144)和四個橫向轉軸(A橫向轉軸131、B橫向轉軸132、C橫向轉軸133、D橫向轉軸134)可以使導軌104在連接座130中無間隙的滑動，提高了直線運動的精度。
減速器組件2參見圖3、圖3A、圖3B、圖3C所示，機座207內安裝有蝸輪205、蝸杆206，蝸輪205通過A球軸承213、B球軸承214與機座207連接，蝸輪205的一端設有蝸輪端蓋204，蝸輪205的另一端通過螺釘與接口202連接，接口202的兩端分別設有兩個鎖杆210，鎖杆210用於實現減速器組件2與下上移動組件3之間的連接，機座207的斜面215上開有調節槽212，調節槽212通過張緊螺釘211調節蝸輪205與蝸杆206之間的配合精度；B電機203的輸出軸與蝸杆206的一端連接，蝸杆206的另一端安裝在平面軸承201的中心孔內，平面軸承201通過螺釘與B壓板209連接，平面軸承201頂緊在蝸杆端蓋208上，蝸杆端蓋208通過螺釘安裝在機座207的內壁上。在本發明中，採用B電機203驅動蝸杆206轉動的同時帶動蝸輪205轉動，從而實現蝸輪205的減速旋轉，解決了上下移動組件3、小臂組件4、腕部組件5可以沿蝸杆206的軸心轉動。
上下移動組件3參見圖4、圖4A所示，殼體307的正面板上開有滑動槽316，滑動槽316用於小臂組件4的一端在槽內上下滑動，C電機315安裝在殼體307上端，且C電機315的輸出軸穿過殼體上設有的孔後與聯軸器309一端連接，聯軸器309另一端與絲槓313一端連接，絲槓313另一端穿過滑塊螺母304後與軸承配合安裝在殼體307下端，殼體307的後面板的內壁安裝有導軌底座308，導軌底座308上安裝有直線導軌，直線導軌上安裝有滑塊螺母304，滑塊螺母304與導軌法蘭303一端連接，導軌法蘭303另一端上安裝有A底座302，A底座302上設有C滑槽301。
小臂組件4參見圖5所示，D滑槽402安裝在D殼體401的左端面上，D殼體401內設有隔板404，隔板404上安裝有D電機406，D電機406的輸出軸與聯軸器405連接，聯軸器405的另一端與減速器407的一端連接，減速器407的輸出軸408與腕部組件5的腕部法蘭501連接，D殼體401的上部設有擋板403。D滑槽402與C滑槽301配合完成小臂組件4與上下移動組件3的對接。
腕部組件5參見圖6、圖6A、圖6B所示，E電機512與電機法蘭511連接，電機法蘭511安裝在E殼體502的右側板上，E殼體502的右側板外壁與腕部法蘭501連接，E殼體502的右半部用於安裝E電機512部位上加蓋有E擋板515，E電機512的輸出軸與絲槓504的一端連接，絲槓504的另一端穿過撥塊503後安裝在左側板516上，(參見圖6B所示)撥塊503的縱向中心設有E滑槽513，E滑槽513的上端部開有的圓孔內安裝有銷軸508，銷軸508的設計有利於撥塊503繞此銷軸508轉動，撥塊503的E滑槽513內通過安裝一沉頭螺釘514實現撥塊503與絲杆504連接，撥塊503的正面凹槽內壓蓋有壓板509後與導向塊507連接，導向塊507的中心設有定位孔506。
本發明微創骨科手術機器人採用3D滑鼠6進行操作的控制系統能夠實現被動約束的控制方式，即操作3D滑鼠6就能控制機器人達到手術區域；也可以實現主動控制的方式，此時3D滑鼠6起著一種安全保障的作用，即在該種模式下，醫生可以讓機器人自動控制，但在機器人運動出現超速、跨越工作軌跡等問題的情況下，醫生可以操作3D滑鼠6，使其停止或者按照被動方式進行運動。
本發明微創骨科手術機器人按照關節劃分可以有水平運動關節(橫向移動組件1)、轉向運動關節(減速器組件2)、平面旋轉運動關節(上下移動組件3)、垂直運動關節(小臂組件4)、旋轉運動關節(腕部組件5)。橫向移動組件1採用齒輪齒條105傳動，小臂組件4的上下移動採用直線導軌、滑塊實現垂直方向上的上下運動。
本發明的微創骨科手術機器人的橫向移動組件1採用齒輪齒條105結構，運行行程長，可以有很大的工作空間，能在相對較長的手術床範圍內運動並經確定位，並且第一關節與手術床本體之間採用方孔配合進行連接，便於拆卸。
本發明的微創骨科手術機器人為了保障機器人運動過程中的安全性和便於醫生的操控，在小臂組件4的D殼體401上安裝了一個六自由度的3D滑鼠6來實現安全操控系統，醫生可以通過該手柄，操縱機器人的運動軌跡，完成機器人的粗定位和導航，避免由機器人的自動軌跡規劃所可能造成的人機幹涉問題。
本發明公開了一種基於3D滑鼠操作的微創骨科手術機器人，該機器人是針對骨科手術的臨床需求和手術環境，按照骨科手術過程中的高安全性要求，以實用性和適用性為基本的出發點，採用主動約束規劃思想，設計了結構化、模塊化的骨科手術機器人。本發明綜合利用了機械設計、機構學、機器人學、自動控制、計算機技術、電子技術、通信技術等多門學科技術，解決了微創骨科手術中路徑導航和精確定位的問題。該機器人既為微創骨科手術提供了穩定可靠的手術導航方法，又能簡單的拆卸和組裝，並且具有控制安全、結構緊湊、操作簡便等優點，適合在我國的國情下進行臨床應用的推廣。
權利要求
1.一種基於3D滑鼠進行安全操作的微創手術骨科機器人，其特徵在於由橫向移動組件(1)、減速器組件(2)、上下移動組件(3)、小臂組件(4)、腕部組件(5)和3D滑鼠(6)組成；3D滑鼠(6)安裝在小臂組件(4)的小臂殼體(401)的上，減速器組件(2)的機座(207)與橫向移動組件(1)的旋轉法蘭(101)通過螺釘連接，上下移動組件(3)的安裝底座(305)與減速器組件(2)的接口(202)通過兩個鎖杆(210)連接，小臂組件(4)的滑槽(402)與上下移動組件(3)的C滑槽(301)連接，且在滑動槽(316)內滑動，腕部組件(5)的腕部法蘭(501)與小臂組件(4)的減速器的輸出軸(408)通過鍵連接；橫向移動組件(1)的導軌(104)的底部安裝有齒條(105)，導軌(104)的中間設有走線槽(107)，導軌(104)的一端通過轉軸(102)與旋轉法蘭(101)的一端連接，導軌(104)的另一端穿過連接座(130)的通孔(136)，且滑動連接在連接座(130)上；連接座(130)在橫向方向上設有通孔(136)，連接座(130)的右面板(135)的四周安裝有A橫向轉軸(131)、B橫向轉軸(132)、C橫向轉軸(133)、D橫向轉軸(134)；連接座(130)的上面板(145)的四周安裝有A縱向轉軸(141)、B縱向轉軸(142)、C縱向轉軸(143)、D縱向轉軸(144)；連接座(130)的左端為連接端(137)；連接座(130)的下面板(155)的中心設有圓孔(151)，圓孔(151)內安裝有齒輪，齒輪與A電機的輸出軸連接，A電機安裝在下面板(155)上；下面板(155)的兩側分別開有A凹槽(152)、B凹槽(153)，A凹槽(152)內放置有A滾輪，B凹槽(153)內放置有B滾輪，A滾輪套接在C橫向轉軸(133)上，B滾輪套接在B橫向轉軸(132)上；減速器組件(2)的機座(207)內安裝有蝸輪(205)、蝸杆(206)，蝸輪(205)通過A球軸承(213)、B球軸承(214)與機座(207)連接，蝸輪(205)的一端設有蝸輪端蓋(204)，蝸輪(205)的另一端通過螺釘與接口(202)連接，接口(202)的兩端分別設有兩個鎖杆(210)，機座(207)的斜面(215)上開有調節槽(212)；B電機(203)的輸出軸與蝸杆(206)的一端連接，蝸杆(206)的另一端安裝在平面軸承(201)的中心孔內，平面軸承(201)通過螺釘與B壓板(209)連接，平面軸承(201)頂緊在蝸杆端蓋(208)上，蝸杆端蓋(20)8通過螺釘安裝在機座(207)的內壁上；上下移動組件(3)的殼體(307)的正面板上開有滑動槽(316)，C電機(315)安裝在殼體(307)上端，且C電機(315)的輸出軸穿過殼體上設有的孔後與聯軸器(309)一端連接，聯軸器(309)另一端與絲槓(313)一端連接，絲槓(313)另一端穿過滑塊螺母(304)後與軸承配合安裝在殼體(307)下端，殼體(307)的後面板的內壁安裝有導軌底座(308)，導軌底座(308)上安裝有直線導軌，直線導軌上安裝有滑塊螺母(304)，滑塊螺母(304)另一端面與導軌法蘭(303)一端連接，導軌法蘭(303)另一端上安裝有A底座(302)，A底座(302)上設有C滑槽(301)；小臂組件(4)的D滑槽(402)安裝在D殼體(401)的左端面上，D殼體(401)內設有隔板(404)，隔板(404)上安裝有D電機(406)，D電機(406)的輸出軸與聯軸器(405)連接，聯軸器(405)的另一端與減速器(407)的一端連接，減速器(407)的輸出軸(408)與腕部組件(5)的腕部法蘭(501)連接，D殼體(401)的上部設有擋板(403)；腕部組件(5)的E電機(512)與電機法蘭(511)連接，電機法蘭(511)安裝在E殼體(502)的右側板上，E殼體(502)的右側板外壁與腕部法蘭(501)連接，E殼體(502)的右半部用於安裝E電機(512)部位上加蓋有E擋板(515)，E電機(512)的輸出軸與絲槓(504)的一端連接，絲槓(504)的另一端穿過撥塊(503)後安裝在左側板(516)上，撥塊(503)的縱向中心設有E滑槽(513)，E滑槽(513)的上端部開有的圓孔內安裝有銷軸(508)，撥塊(503)的E滑槽(513)內通過安裝一沉頭螺釘(514)實現撥塊(503)與絲杆(504)連接，撥塊(503)的正面凹槽內壓蓋有壓板(509)後與導向塊(507)連接，導向塊(507)的中心設有定位孔(506)。
全文摘要
本發明公開了一種3D滑鼠操作的微創骨科手術機器人，由橫向移動組件(1)、減速器組件(2)、上下移動組件(3)、小臂組件(4)、腕部組件(5)和3D滑鼠(6)組成；3D滑鼠(6)安裝在小臂組件(4)的小臂殼體(401)的上，減速器組件(2)的機座(207)與橫向移動組件(1)的旋轉法蘭(101)通過螺釘連接，上下移動組件(3)的安裝底座(305)與減速器組件(2)的接口(202)通過兩個鎖杆(210)連接，小臂組件(4)的滑槽(402)與上下移動組件(3)的C滑槽(301)連接，且在滑動槽(316)內滑動，腕部組件(5)的腕部法蘭(501)與小臂組件(4)的減速器的輸出軸(408)通過鍵連接。該機器人是針對骨科手術的臨床需求和手術環境，按照骨科手術過程中的高安全性要求，以實用性和適用性為基本的出發點，採用主動約束加被動安全保障的規劃思想，設計了結構化、模塊化的骨科手術機器人。
文檔編號B25J3/00GK101073511SQ200710117890
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者王田苗, 胡磊, 匡紹龍, 劉文勇, 黃榮瑛, 王豫, 欒勝, 徐穎, 胡巖, 王君臣, 楊闖, 李豐, 趙劍, 張鵬煒, 徐源, 陳凱 申請人:北京航空航天大學