CN107510505A - 用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构，属于医疗器械技术领域。该柔性安装机构包括颅铣固连组件、末端固连组件和弹簧；颅铣固连组件用于固定连接颅铣；末端固连组件用于与机械臂末端法兰固定连接；颅铣固连组件和末端固连组件之间通过弹簧形成弹性连接，当颅铣与颅骨底部保持接触力时，弹簧处于压缩状态，从而使颅铣与机器人末端的连接成为柔性连接。本发明能够实现颅铣与机械臂末端法兰在颅铣轴线方向的柔性连接，并可以实现颅钻周向的快速调整。

Description

用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构

技术领域

本发明涉及六自由度机械臂末端工具的安装机构，具体涉及一种开颅手术机器人操作末端的安装方式，属于医疗器械技术领域。

背景技术

目前，神经外科手术中开颅手术所占比例最高，仅解放军总医院每年开颅手术达千例以上。神经外科手术为外科手术中最费时费力的，尤其是去骨瓣的开颅手术。传统开颅手术均为人来完成，通常在手术能达到的部位，均可通过颅钻与颅铣达到与肿瘤形状大小相近的骨窗，在尽可能不造成重大神经功能障碍的前提下，借助显微镜进行肿瘤清除手术，做到完全切除或大部切除。一般开颅需要1小时，清除肿瘤需要2小时，关颅需要1小时，由此可见开颅/关颅在神经外科手术中无论是时间还是数量上都占据较大比重，为神经外科手术中最为消耗医生精力的工作，同时由于其特殊重要的部位，开颅手术也成为神经外科手术中兼具高复杂性与高风险性的典型代表。

开颅全程过程对医生经验的严重依赖与保证手术安全对医生精力的严重损耗会大大降低后续肿瘤清除过程的手术效率与安全性。神经外科手术步骤复杂、耗时多，其中开颅及关颅过程占用了整个手术的很大部分时间，耗费医生大量的体力，同时又是颅内操作的必需步骤。如何能够在保证安全开颅的同时缩短神经外科手术时间，减轻神经外科医生的手术负担已成为高效高质量的神经外科手术需要解决的首要问题。

为了降低神经外科医生的手术负担，目前已经出现了将六自由度机械臂应用于开颅手术中来代替医生的手持操作，通过这种方式来提高手术操作精度和安全性，同时降低医生的工作强度。

但是在采样六自由度机械臂进行的开颅手术操作中，在对颅骨进行铣削操作时，需要铣刀末端抵住颅骨内表面，实现脑硬膜与颅骨内表面的分离，这就需要机械臂带动颅铣进行铣削时，对颅铣产生一个时刻沿颅骨表面法向并指向外侧的力(即沿颅铣轴线方向)，以保证铣刀末端与颅骨内表面时刻接触。鉴于颅骨内表面不光滑，机器人对于这个力的检测会产生突变，所以机械臂末端法兰与颅铣的连接在该方向应为柔性连接。在这种情况下需要一种柔性安装机构来实现机械臂末端法兰与颅铣的连接和安装。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构，能够实现颅铣与机械臂末端法兰在颅铣轴线方向的柔性连接，并可以实现颅钻周向的快速调整。

用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构，该柔性安装机构包括颅铣固连组件、末端固连组件和弹簧；

所述颅铣固连组件用于固定连接颅铣；

所述末端固连组件用于与机械臂末端法兰固定连接；

所述颅铣固连组件和末端固连组件之间通过弹簧形成弹性连接，当颅铣与颅骨底部保持接触力时，弹簧处于压缩状态，从而使颅铣与机器人末端的连接成为柔性连接。

进一步地，所述颅铣固连组件包括固定套、旋压环、旋压弹簧、装卡板、压盖、固定板、导向柱和导向装卡板；

所述装卡板和固定板装配后形成容纳固定套的圆形安装空腔，空腔的顶部形成容纳压盖的环形腔；颅铣与固定套固定连接在一起，固定套置于圆形安装空腔内且可以周向自由转动，所述压盖嵌入安装空腔顶部的环形腔内并将旋压弹簧压缩在压盖和旋压环之间，所述固定套的上端与旋压环之间通过周向齿互相嵌入实现周向限位；所述导向装卡板固定连接在固定板的底部，导向柱垂直固定连接在导向装卡板和固定板之间；固定套在轴向上一端的自由度通过导向装卡板进行限位，另一端的自由度通过旋压环、旋压弹簧和压盖形成弹性组合限位；当施加在颅铣上的旋转力大于旋压弹簧的预紧力时，固定套与旋压环之间产生相对转动发生错齿，实现颅铣角度的调整。

进一步地，所述末端固连组件包括导向轴承、连接法兰和法兰连接旋钮；所述连接法兰分为机械臂连接部和导向柱连接部两个部分，连接法兰通过导向柱连接部与导向柱通过导向轴承形成滑动配合，导向轴承固定连接在导向柱连接部的上下两端，导向柱的中段上加工有限位盘，弹簧套装在导向柱限位盘的下方，弹簧的两端分别与限位盘和下方的导向轴承接触，上方的导向轴承的上端面与固定板的内表面之间留有运动间隙，连接法兰通过机械臂连接部使用法兰连接旋钮与机械臂末端法兰固定连接。

有益效果：

1、本发明通过在颅铣固连组件和末端固连组件设置弹簧形成弹性连接，能够很好的解决利用机械臂进行开颅过程中铣刀末端与颅骨内侧始终保持接触的问题；通过在机械臂末端安装力传感器或通过对机器人实行力矩控，都可以很好地实现对颅铣与颅骨底部接触力的柔顺控制。

2、本发明通过弹簧间接对颅铣施加的预紧力使得颅铣固连组件和末端固连组件形成柔性连接，可以避免操作过程中负载力的突变，以提高力控的稳定性，保证手术的安全性。

3、本发明的颅铣利用固定套与旋压环之间的周向齿互相嵌入实现周向限位，当需要调节颅铣的角度时，通过手动旋转颅铣，带动固定套与使旋压环产生相对运动，克服旋压弹簧的压力，从而可根据实际手术情况方便地实现颅铣铣刀的方向调整；由于固定套与旋压环之间同样是通过旋压弹簧的压力啮合后配合在一起，因此颅铣与颅铣固连组件之间同样为柔性连接，进一步地保证了手术的安全性。

附图说明

图1为本发明在机械臂末端的安装位置示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明整体结构的***图。

其中，1-颅铣、2-柔性安装机构、3-机械臂末端法兰、4-固定套、5-旋压环、6-旋压弹簧、7-压盖、8-装卡板、9-固定板、10-导向轴承、11-连接法兰、12-导向柱、13-弹簧、14-导向装卡板、15-法兰连接旋钮。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供的用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构是用于连接颅铣1和机械臂末端法兰3，通过机器人的机械臂来带动颅铣1实现开颅手术的操作。该柔性安装机构包括颅铣固连组件、末端固连组件和弹簧13；

颅铣固连组件用于固定连接颅铣；

末端固连组件用于与机械臂末端法兰固定连接；

颅铣固连组件和末端固连组件之间通过弹簧13形成弹性连接，当颅铣与颅骨底部保持接触力时，弹簧13处于压缩状态，从而使颅铣与机器人末端的连接成为柔性连接。

如附图2和3所示，颅铣固连组件包括固定套4、旋压环5、旋压弹簧6、装卡板8、压盖7、固定板9、导向柱12和导向装卡板14；

装卡板8和固定板9装配后形成容纳固定套4和圆形安装空腔，空腔的顶部形成容纳压盖7的环形腔；颅铣1与固定套4固定连接在一起，固定套4置于圆形安装空腔内且可以周向自由转动，所述压盖7嵌入安装空腔顶部的环形腔内并将旋压弹簧6压缩在压盖7和旋压环5之间，固定套4的上端与旋压环5之间通过周向齿互相嵌入实现周向限位；所述导向装卡板14固定连接在固定板9的底部，导向柱12垂直固定连接在导向装卡板14和固定板9之间；固定套4在轴向上一端的自由度通过导向装卡板进8行限位，另一端的自由度通过旋压环5、旋压弹簧6和压盖7形成弹性组合限位；当施加在颅铣1上的旋转力大于旋压弹簧的预紧力时，固定套4与旋压环5之间产生相对转动发生错齿，实现颅铣1角度的调整。

末端固连组件包括导向轴承10、连接法兰11和法兰连接旋钮15；连接法兰11分为机械臂连接部和导向柱连接部两个部分，连接法兰11通过导向柱连接部与导向柱12通过导向轴承10形成滑动配合，两个导向轴承10分别通过螺钉固定连接在导向柱连接部的上下两端，导向柱12的中段上加工有限位盘，弹簧13套装在导向柱限位盘的下方，弹簧13的两端分别与限位盘和下方的导向轴承10接触，上方的导向轴承10的上端面与固定板9的内表面之间留有运动间隙，连接法兰通过机械臂连接部使用法兰连接旋钮15与机械臂末端法兰固定连接。

为了保持运动的稳定性，本实施例中采用了两根导向柱12。

由于颅铣固连组件、末端固连组件和弹簧13构成柔性连接结构，当颅铣与颅骨底部保持接触力时，弹簧必定始终处于压缩状态，从而使颅铣与机器人末端的连接成为柔性连接；通过在机械臂末端安装力传感器或通过对机器人实行力矩控，都可以实现对颅铣1与颅骨底部接触力的柔顺控制。

颅铣1安装到柔性连接装置中后，颅铣1与固定套4之间通过沉头螺钉固连，压盖7压缩旋压弹簧6从而使旋压环5与固定套4的齿峰、齿谷交错接触，装卡板8和固定板9通过螺丝拧紧时颅铣1与上述所有零件处于固连状态，通过手动旋转颅铣1，颅铣1带动固定套4与使旋压环5产生相对运动，克服旋压弹簧6的压力，从而实现颅铣1中铣刀的方向调整。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于开颅手术机器人机械臂末端的柔性安装机构，其特征在于，该柔性安装机构包括颅铣固连组件、末端固连组件和弹簧；

所述颅铣固连组件用于固定连接颅铣；

所述末端固连组件用于与机械臂末端法兰固定连接；

所述颅铣固连组件和末端固连组件之间通过弹簧形成弹性连接，当颅铣与颅骨底部保持接触力时，弹簧处于压缩状态，从而使颅铣与机器人末端的连接成为柔性连接。

2.如权利要求1所述的柔性安装机构，其特征在于，所述颅铣固连组件包括固定套、旋压环、旋压弹簧、装卡板、压盖、固定板、导向柱和导向装卡板；

所述装卡板和固定板装配后形成容纳固定套的圆形安装空腔，空腔的顶部形成容纳压盖的环形腔；颅铣与固定套固定连接在一起，固定套置于圆形安装空腔内且可以周向自由转动，所述压盖嵌入安装空腔顶部的环形腔内并将旋压弹簧压缩在压盖和旋压环之间，所述固定套的上端与旋压环之间通过周向齿互相嵌入实现周向限位；所述导向装卡板固定连接在固定板的底部，导向柱垂直固定连接在导向装卡板和固定板之间；固定套在轴向上一端的自由度通过导向装卡板进行限位，另一端的自由度通过旋压环、旋压弹簧和压盖形成弹性组合限位；当施加在颅铣上的旋转力大于旋压弹簧的预紧力时，固定套与旋压环之间产生相对转动发生错齿，实现颅铣角度的调整。

3.如权利要求2所述的柔性安装机构，其特征在于，所述末端固连组件包括导向轴承、连接法兰和法兰连接旋钮；所述连接法兰分为机械臂连接部和导向柱连接部两个部分，连接法兰通过导向柱连接部与导向柱通过导向轴承形成滑动配合，导向轴承固定连接在导向柱连接部的上下两端，导向柱的中段上加工有限位盘，弹簧套装在导向柱限位盘的下方，弹簧的两端分别与限位盘和下方的导向轴承接触，上方的导向轴承的上端面与固定板的内表面之间留有运动间隙，连接法兰通过机械臂连接部使用法兰连接旋钮与机械臂末端法兰固定连接。