CN108338842B - 一种便携式主动约束小关节手术机器人 - Google Patents

一种便携式主动约束小关节手术机器人 Download PDF

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Abstract

一种便携式主动约束型的小关节手术机器人，包括精密直线进给单元、精密俯仰单元、精密偏航单元、工具夹持单元；由可编程机器人***进行控制，本发明提供俯仰，偏航和直线进给的精确运动，其中运动的轴线在一个公共点处或附近相交以提供低且均匀的导纳。机器人提供主动的约束控制，通过编程指令限制手术区域，当操作工具末端超出术前规划区域时，本专利所提的手术机器人将产生外加主动约束，通过机器人上的驱动器产生一定的阻力，阻碍工具往规划外的区域运动并提醒医生其操作已超出规划空间，确保预期运动的准确性，同时限制了预期之外的失误运动，从而将手术限制到安全和期望的区域，使患者在手术中的损伤可以降低到最小。

Description

一种便携式主动约束小关节手术机器人
技术领域
本发明属于医疗机器人领域，具体涉及一种便携式主动约束型的小关节手术机器人。
背景技术
医疗手术机器人是在提出实现更快速、更精确的手术要求下出现的，机器人辅助手术的开发可以使外科医生能够做出更小，更精确的干预，来克服手动运动的限制。外科医生通常控制机器人使用操纵杆进行操作，在骨科手术中，常用的机器人***有MAKOplasty机器人***、Acrobot机器人***、SpineAssist机器人***等。MAKOplasty机器人***是现阶段进行膝关节单室成形术时主要使用的机器人***，有效的解决对位对线不良的问题，Acrobot机器人***的基本原理是利用肢体三维CT影像与CAD假体模型一起规划出骨骼的对位对线、假***置及需要切除组织的形状及范围进行手术，SpineAssist机器人***是由以色列公司开发用来进行脊椎手术的小型机器人。这些骨科机器人***在膝关节单髁成形术、全膝关节成形术、髋关节成形术及脊柱螺钉置入等骨科手术中取得了令人满意的效果。
以上所述的机器人***都需要医生在手术中进行精准控制，在膝关节等较大关节的置换手术中医生的相对精准度较高，但是在对如手指、手腕、脚踝这样的小关节进行手术时，单靠医生的感觉很难实现更高标准的精度控制，因此急需一款针对小关节的、便携式的具有主动约束功能的手术机器人，可以使医生手部进行搭载，减小医生因为疲劳而产生的误操作或手部抖动的影响，使手术精度达到更高标准。同时，限定手术范围，提高手术操作的稳定性、精准性，有更好的操控性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的手术机器人在对成人的病变小关节、小骨骼或是婴幼儿的病变关节及骨骼的修复和置换手术中精度不高的问题，提供一种针对小关节的、便携式的具有主动约束功能的手术机器人，医生可以操作工具在术前规划好的空间内***，当外科医生的操作工具的末端超出术前规划区域时，本发明将产生外加的主动约束，通过机器人上的驱动器产生一定的阻力，阻碍工具往规划外的区域运动并提醒医生其操作已超出规划空间。该便携式主动约束小关节手术机器人具有便于携带，可靠性高，精度高等特点。
一种具有主动约束功能的小关节手术机器人，该装置有助于对成人的病变小关节、小骨骼或是婴幼儿的病变关节及骨骼的修复和置换进行手术，当操作的手术工具超出术前规划范围时，可以产生主动约束的阻力，阻碍手术工具运动并提醒医生操作超限。
本发明由可编程机器人***进行控制，本发明提供俯仰，偏航和直线进给的精确运动，其中运动的轴线在一个公共点处或附近相交以提供低且均匀的导纳。机器人***提供主动的约束控制，通过编程指令限制手术区域，确保预期运动的准确性，同时限制了预期之外的失误运动，从而将手术限制到安全和期望的区域，使患者在手术中的损伤可以降低到最小。
本发明包括精密直线进给单元、精密俯仰单元、精密偏航单元、工具夹持单元；
精密直线进给单元通过导轨及滚珠丝杠将整机固定在医疗箱上，并由微型直线电机进行驱动；
精密俯仰单元由直轴将锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ固定，通过上下两侧齿轮轴Ⅰ、齿轮轴Ⅱ的反向运动带动包括直轴在内的夹持装置进行俯仰运动，齿轮轴Ⅰ由法兰轴承Ⅲ、法兰轴承Ⅳ固定，齿轮轴Ⅱ由法兰轴承Ⅴ、法兰轴承Ⅵ固定，通过编程控制俯仰的范围，在竖直方向上控制手术区域。
所述的精密偏航单元通过上下两侧齿轮轴Ⅰ和齿轮轴Ⅱ的同向运动带动包括直轴在内的夹持装置进行偏航运动，直轴由法兰轴承Ⅰ、法兰轴承Ⅱ定位，通过编程控制偏航的角度，在水平方向上控制手术区域。
所述的精密直线进给单元中，微型直线电机与精密滚珠丝杠相连接，通过精密滚珠丝杠将微型直线电机提供的旋转运动转换成精密直线进给运动，并由导轨进行辅助运动和支撑，通过控制微型直线电机的转速来控制直线进给运动的位移，微型直线电机与精密滚珠丝杠分别通过微型直线丝杠螺母及平台基座和医疗箱进行螺栓固定连接。
所述的精密俯仰单元中，微型直流电机Ⅰ固定在平台基座上，通过齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ的传动方式带动齿轮轴Ⅰ转动，齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ通过轴肩固定在平台基座上，齿轮轴Ⅰ两端由法兰轴承Ⅲ、法兰轴承Ⅳ进行支撑和导向，微型直流电机Ⅱ固定在平台基座上，通过齿轮Ⅲ、齿轮Ⅳ的传动方式带动齿轮轴Ⅱ转动，齿轮Ⅲ、齿轮Ⅳ通过轴肩固定在平台基座上，齿轮轴Ⅱ两端由法兰轴承Ⅴ、法兰轴承Ⅵ进行支撑和导向，当微型直流电机Ⅰ、微型直流电机Ⅱ启动带动齿轮轴Ⅰ、齿轮轴Ⅱ做反向运动时,锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ开始做俯仰运动，锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ通过直轴固定同轴连接，直轴两端分别由法兰轴承Ⅰ、法兰轴承Ⅱ与支撑底座配合连接，当锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ做俯仰运动时带动整个夹持装置及手术工具做俯仰运动，并通过编程控制其俯仰的范围，可以在竖直方向上控制其手术区域。
所述的精密偏航单元的锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ与直轴固定同轴连接，使其可以达到同时转动，当微型直流电机Ⅰ、微型直流电机Ⅱ启动带动齿轮轴Ⅰ、齿轮轴Ⅱ做同向运动时，由于锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ与直轴固定同轴连接，使其做偏航转动，同时带动夹持装置及手术工具做偏航运动，并通过编程控制其偏航的角度，可以在水平方向上控制其手术区域。
所述的工具夹持单元由手术工具、夹持装置组成，夹持装置包括手术工具套轴、支撑底座和防尘罩，手术工具与手术工具套轴套接，通过夹持装置的俯仰偏航运动来限制手术工具在小关节手术中的范围，阻碍手术工具向着规划外的区域运动。
本发明的有益效果：
1、本发明设计要求精度高，可靠性强，结构简单紧凑，便于携带，受环境影响不大。
2、本发明利用控制***将手术范围限定在一定区域内，并在手术操作超出其限定范围时，产生阻力阻碍工具向规划范围外运动，进一步提高手术精度。
3、本发明的工具夹持单元除了可以安装手术工具进行手术以外，还可以在其相对位置安装包括钻头、刀具、激光等工具进行工作，可以进行如辅助雕刻、刺绣等精细的工作，适用性广。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的内部结构示意图。
图3为本发明的局部示意图。
图4为本发明的局部结构示意图。
图5为本发明的后侧外观示意图。
图中：1.医疗箱；2.手术工具；3.手术工具套轴；4.支撑底座；5.导轨6.防尘罩；7.平台基座；8.齿轮Ⅲ；9.齿轮Ⅳ；10.微型直流电机Ⅱ；11.微型直线丝杠螺母；12.滚珠丝杠；13.微型直线电机14.齿轮Ⅰ；15.齿轮Ⅱ；16.法兰轴承Ⅰ；17.法兰轴承Ⅱ；18.法兰轴承Ⅲ；19.齿轮轴Ⅰ；20.法兰轴承Ⅳ21.直轴；22.锥齿轮Ⅰ；23.齿轮轴Ⅱ；24.法兰轴承Ⅴ25.法兰轴承Ⅵ；26.锥齿轮Ⅱ；27.微型直流电机Ⅰ。
具体实施方式
参见图1至图5所示，本发明的便携式主动约束小关节手术机器人包括精密直线进给单元、精密俯仰单元、精密偏航单元、工具夹持单元；
精密直线进给单元通过导轨5及滚珠丝杠12将整机固定在医疗箱1上，并由微型直线电机13进行驱动；
精密俯仰单元由直轴21将锥齿轮Ⅰ22、锥齿轮Ⅱ26固定，通过上下两侧齿轮轴Ⅰ19、齿轮轴Ⅱ23的反向运动带动包括直轴21在内的夹持装置进行俯仰运动，齿轮轴Ⅰ19由法兰轴承Ⅲ18、法兰轴承Ⅳ20固定，齿轮轴Ⅱ23由法兰轴承Ⅴ24、法兰轴承Ⅵ25固定，通过编程控制俯仰的范围，在竖直方向上控制手术区域。
所述的精密偏航单元通过上下两侧齿轮轴Ⅰ19和齿轮轴Ⅱ23的同向运动带动包括直轴21在内的夹持装置进行偏航运动，直轴21由法兰轴承Ⅰ16、法兰轴承Ⅱ17定位，通过编程控制偏航的角度，在水平方向上控制手术区域。
所述的精密直线进给单元中，微型直线电机13与精密滚珠丝杠12相连接，通过精密滚珠丝杠12将微型直线电机13提供的旋转运动转换成精密直线进给运动，并由导轨5进行辅助运动和支撑，通过控制微型直线电机13的转速来控制直线进给运动的位移，微型直线电机13与精密滚珠丝杠12分别通过微型直线丝杠螺母11及平台基座7和医疗箱1进行螺栓固定连接。
所述的精密俯仰单元中，微型直流电机Ⅰ27固定在平台基座7上，通过齿轮Ⅰ14、齿轮Ⅱ15的传动方式带动齿轮轴Ⅰ19转动，齿轮Ⅰ14、齿轮Ⅱ15通过轴肩固定在平台基座7上，齿轮轴Ⅰ19两端由法兰轴承Ⅲ18、法兰轴承Ⅳ20进行支撑和导向，微型直流电机Ⅱ10固定在平台基座7上，通过齿轮Ⅲ8、齿轮Ⅳ9的传动方式带动齿轮轴Ⅱ23转动，齿轮Ⅲ8、齿轮Ⅳ9通过轴肩固定在平台基座7上，齿轮轴Ⅱ23两端由法兰轴承Ⅴ24、法兰轴承Ⅵ25进行支撑和导向，当微型直流电机Ⅰ27、微型直流电机Ⅱ10启动带动齿轮轴Ⅰ19、齿轮轴Ⅱ23做反向运动时,锥齿轮Ⅰ22、锥齿轮Ⅱ26开始做俯仰运动，锥齿轮Ⅰ22、锥齿轮Ⅱ26通过直轴21固定同轴连接，直轴21两端分别由法兰轴承Ⅰ16、法兰轴承Ⅱ17与支撑底座4配合连接，当锥齿轮Ⅰ22、锥齿轮Ⅱ26做俯仰运动时带动整个夹持装置及手术工具2做俯仰运动，并通过编程控制其俯仰的范围，可以在竖直方向上控制其手术区域。
所述的精密偏航单元的锥齿轮Ⅰ22、锥齿轮Ⅱ26与直轴21固定同轴连接，使其可以达到同时转动，当微型直流电机Ⅰ27、微型直流电机Ⅱ10启动带动齿轮轴Ⅰ19、齿轮轴Ⅱ23做同向运动时，由于锥齿轮Ⅰ22、锥齿轮Ⅱ26与直轴21固定同轴连接，使其做偏航转动，同时带动夹持装置及手术工具2做偏航运动，并通过编程控制其偏航的角度，可以在水平方向上控制其手术区域。
所述的工具夹持单元由手术工具2、夹持装置等组成，夹持装置包括手术工具套轴3、支撑底座4和防尘罩6，手术工具2与手术工具套轴3套接，通过夹持装置的俯仰偏航运动来限制手术工具2在小关节手术中的范围，阻碍手术工具2向着规划外的区域运动。
参见图1至图5所示，本发明的便携式小关节手术机器人的主体尺寸为300mm×160mm×160mm，本发明是通过机器人本身的高精度要求，利用编程对机器人运动***进行主动约束，来辅助矫正外科手术中的精准控制。
所述的齿轮Ⅰ、Ⅱ和齿轮Ⅲ、Ⅳ采用相同齿轮，使其结构尺寸一致，达到上下两个齿轮同时同步正向或反向转动。
所述的锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ采用相同齿轮，齿轮轴Ⅰ和齿轮轴Ⅱ均采用相同规格相同尺寸，使其达到同步运动。
所述的三种运动的轴线在一个公共点处或附近相交以提供低且均匀的导纳，以确保更高精度。
本发明还可应用于任何整形外科及其他手术***或在移动工具时需要进行精准控制的其他应用中，包括一些制造应用以及雕刻、DIY手工和艺术行业等，本发明所述的工具夹持单元除了可以安装手术工具以外，还可以在其相对位置安装包括钻头、刀具、激光等工具进行工作，可以进行如辅助雕刻、刺绣等精细的工作，其中机器人约束***可以将装置的运动限制到特定区域，从而表达出想要表现出的形状。
以上所述仅为本发明的优选实例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有多种更改和变化。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,均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种便携式主动约束型的小关节手术机器人，其特征在于：包括精密直线进给单元、精密俯仰单元、精密偏航单元、工具夹持单元；
精密直线进给单元通过导轨(5)及滚珠丝杠(12)将整机固定在医疗箱(1)上，并由微型直线电机(13)进行驱动；
精密俯仰单元由直轴(21)将锥齿轮Ⅰ(22)、锥齿轮Ⅱ(26)固定，通过上下两侧齿轮轴Ⅰ(19)、齿轮轴Ⅱ(23)的反向运动带动包括直轴(21)在内的夹持装置进行俯仰运动，齿轮轴Ⅰ(19)由法兰轴承Ⅲ(18)、法兰轴承Ⅳ(20)固定，齿轮轴Ⅱ(23)由法兰轴承Ⅴ(24)、法兰轴承Ⅵ(25)固定；精密偏航单元通过上下两侧齿轮轴Ⅰ(19)和齿轮轴Ⅱ(23)的同向运动带动包括直轴(21)在内的夹持装置进行偏航运动，直轴(21)由法兰轴承Ⅰ(16)、法兰轴承Ⅱ(17)定位；
所述的精密直线进给单元中，微型直线电机(13)与精密滚珠丝杠(12)相连接，通过精密滚珠丝杠(12)将微型直线电机(13)提供的旋转运动转换成精密直线进给运动，并由导轨(5)进行辅助运动和支撑，通过控制微型直线电机(13)的转速来控制直线进给运动的位移，微型直线电机(13)与精密滚珠丝杠(12)分别通过微型直线丝杠螺母(11)及平台基座(7)和医疗箱(1)进行螺栓固定连接；
精密俯仰单元中，微型直流电机Ⅰ(27)固定在平台基座(7)上，通过齿轮Ⅰ(14)、齿轮Ⅱ(15)的传动方式带动齿轮轴Ⅰ(19)转动，齿轮Ⅰ(14)、齿轮Ⅱ(15)通过轴肩固定在平台基座(7)上，齿轮轴Ⅰ(19)两端由法兰轴承Ⅲ(18)、法兰轴承Ⅳ(20)进行支撑和导向，微型直流电机Ⅱ(10)固定在平台基座(7)上，通过齿轮Ⅲ(8)、齿轮Ⅳ(9)的传动方式带动齿轮轴Ⅱ(23)转动，齿轮Ⅲ(8)、齿轮Ⅳ(9)通过轴肩固定在平台基座(7)上，齿轮轴Ⅱ(23)两端由法兰轴承Ⅴ(24)、法兰轴承Ⅵ(25)进行支撑和导向，当微型直流电机Ⅰ(27)、微型直流电机Ⅱ(10)启动带动齿轮轴Ⅰ(19)、齿轮轴Ⅱ(23)做反向运动时,锥齿轮Ⅰ(22)、锥齿轮Ⅱ(26)开始做俯仰运动，锥齿轮Ⅰ(22)、锥齿轮Ⅱ(26)通过直轴(21)固定同轴连接，直轴(21)两端分别由法兰轴承Ⅰ(16)、法兰轴承Ⅱ(17)与支撑底座(4)配合连接，当锥齿轮Ⅰ(22)、锥齿轮Ⅱ(26)做俯仰运动时带动整个夹持装置及手术工具(2)做俯仰运动；
精密偏航单元的锥齿轮Ⅰ(22)、锥齿轮Ⅱ(26)与直轴(21)固定同轴连接，使其可以达到同时转动，当微型直流电机Ⅰ(27)、微型直流电机Ⅱ(10)启动带动齿轮轴Ⅰ(19)、齿轮轴Ⅱ(23)做同向运动时，由于锥齿轮Ⅰ(22)、锥齿轮Ⅱ(26)与直轴(21)固定同轴连接，使其做偏航转动，同时带动夹持装置及手术工具(2)做偏航运动；
工具夹持单元由手术工具(2)、夹持装置组成，夹持装置包括手术工具套轴(3)、支撑底座(4)和防尘罩(6)，手术工具(2)与手术工具套轴(3)套接，通过夹持装置的俯仰偏航运动来限制手术工具(2)在小关节手术中的范围，阻碍手术工具(2)向着规划外的区域运动。
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