WO2014005457A1

WO2014005457A1 - 长骨骨折复位机器人

Info

Publication number: WO2014005457A1
Application number: PCT/CN2013/074159
Authority: WO
Inventors: 唐佩福; 胡磊; 王田苗
Original assignee: Tang Peifu; Hu Lei; Wang Tianmiao
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-01-09
Also published as: CN102715955B; EP2862527A1; EP2862527A4; EP2862527B1; CN102715955A

Abstract

一种长骨骨折复位机器人，包括机座（1）和多套电液驱动器（4），所述机座（1）上滑动连接有可上下运动的支架（5），支架（5）上设置有六自由度并联机器人（2），六自由度并联机器人（2）包括多个第一液压缸（6），第一液压缸（6）的数量与所述电液驱动器（4）的数量相同，多个所述第一液压缸（6）与多个所述电液驱动器（4）一一对应驱动连接。该长骨骨折复位机器人可以根据手术前的一次CT扫描来规划出六自由度并联机器人（2）的运动轨迹，通过六自由度并联机器人（2）来精准控制患肢的移动，完成患肢的复位。采用该长骨骨折复位机器人进行复位手术，仅需一次CT扫描即可，因此降低了对医生和病人的辐射量。另外，通过六自由度并联机器人（2）控制患肢移动，复位精度高，手术稳定性好。

Description

长骨骨折复位机器人

技术领域

[01] 本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种长骨骨折复位机器人。

背景技术

【02】传统的骨折切开复位是在直视环境下，医生利用器械手法进行复位。切开复位后，釆用坚硬的内固定或者外固定来固定患肢。釆用切开复位的治疗方式，使闭合性骨折人为地变成开放性骨折，增加了感染的机会，在手术操作过程中，容易破坏血运，使骨折端坏死区增大，引起迟愈合，甚至不愈合。同时，切开复位时，血肿的清除将干扰人体自身修复的能力，也会影响骨折愈合。

【03】目前发 ^来的髓内钉技术和微创钢板固定技术解决了切开复位的问题，但是在手术过程中需要不断进行 X光照射，对医生和病人的辐射量较大。另外，现有技术是在二维信息环境下进行复位，容易导致复位不良，存在手术稳定性不高等问题。

[04] 本发明享有中国专利申请号为 201210191841.6的优先权。

发明内容

[05] 在下文中给出了关于本发明的筒要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

[06] 本发明的至少一个目的在于提供一种长骨骨折复位机器人，用以解决现有技术中在手术时需要不断进行 X光照射，对医生和病人的辐射量较大及复位不良、手术稳定性差的问题。

[07] 一种长骨骨折复位机器人，包括机座和多套电液驱动器，所述机座上滑动连接有可上下运动的支架，所述支架上设置有六自由度并联机器人，所述六自由度并联机器人包括多个第一液压缸，所述第一液压缸的数量与所述电液驱动器的数量相同，多个所述第一液压缸与多个所述电液驱动器 ——对应驱动连接。

[08] 本发明提供的长骨骨折复位机器人，可以根据手术前的一次计算机断层扫描 (Computed Tomography, 以下简称 CT)来规划出六自由度并联机器人的运动轨迹，通过六自由度并联机器人来精准控制患肢的移动，完成患肢的复位。可见，釆用上述长骨骨折复位机器人进行复位手术，仅需一次 CT扫描即可，因此降低了对医生和病人的辐射量。另外，通过六自由度并联机器人控制患肢移动，复位精度高，手术稳定性好。

[09] 通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其它的优点将更加明显。

附图说明

[10] 本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

[11] 图 1为本发明实施例提供的长骨骨折复位机器人的立体图；

【12】图 2为本发明实施例提供的电液驱动器的立体图；

【13】图 3为本发明实施例提供的两长骨固定架固定连接后的立体图；

[14] 图 4为本发明实施例提供的安装固定板的立体图；

[15] 图 5为本发明实施例提供的长骨固定架的立体图；

[16] 图 6为本发明实施例提供的锁扣夹持单元的立体图；

[17] 图 7为本发明实施例提供的锁紧轴的立体图。

[18] 本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了筒单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

[19] 在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行详细描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与***及业务相关的那些 P艮制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于^ ^开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

[20] 在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图和说明中仅仅描述了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和 /或处理步骤，而省略了对与本发明关系不大的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

[21] 图 1为本发明实施例提供的长骨骨折复位机器人的立体图。如图 1 所示，本发明实施例提供的长骨骨折复位机器人，包括机座 1和多套电液驱动器 4，机座 1上滑动连接有可上下运动的支架 5，支架 5上设置有六自由度并联机器人 2，六自由度并联机器人 2包括多个第一液压缸 6，第一液压缸 6的数量与电液驱动器 4的数量相同，多个第一液压缸 6与多个电液驱动器 4——对应驱动连接。

【22】上述方案的长骨骨折复位机器人，可以根据手术前的一次 CT扫描来规划出六自由度并联机器人 2的运动轨迹，通过六自由度并联机器人 2 来精准控制患肢的移动，完成患肢的复位。可见，釆用上述长骨骨折复位机器人进行复位手术，仅需一次 CT扫描即可，因此降低了对医生和病人的辐射量。另外，通过六自由度并联机器人控制患肢移动，复位精度高，手术稳定性好。

【23】实际使用中，支架 5可以是焊接的钢结构，包括底板 7，底板 7上连接有两块相互平行、向上延伸的支撑板 8，两支撑板 8的顶部之间烊接顶板 9。顶板 9可以作为静止平台来安放一个长骨固定架 3。为了提高支撑板 8与底板 7之间的连接刚度及强度，在支撑板 8与底板 7之间烊接支撑座 10。

[24] 电液驱动器 4固定连接在机座 1上。

[25] 支架 5可以沿机座 1上倾斜设置的轨道来进行上下运动。

[26] 进一步地，基于上述实施例，图 2为本发明实施例提供的电液驱动器的立体图。如图 2所示，电液驱动器 4包括驱动电机 17和第二液压缸 16, 驱动电机 17驱动连接有丝杠 14，丝杠 14上螺接有滑块 18，第二液压缸 16的活塞杆与滑块 18固定连接，多个第一 ί½缸 6与多个第二 ¾^缸 16 通过液压管路——对应连接，且——对应连接的第一液压缸 6的第一油口与第二液压缸 16的第一油口连通，第一液压缸 6的第二油口与所述第二液压缸 16的第二油口连通。

[27] 实际使用中，六自由度并联机器人 2包括六个第一液压缸 6，六个第一^ U£缸 6支撑在层叠设置的并联机构固定板 19与并联机构接口板 20之间，通过六个第一液压缸 6的协同动作，可以驱动并联机构接口板 20在空间内进行六自由度的运动。为了提高六自由度并联机器人 2的运动精度，分别釆用电液驱动器 4来驱动第一液压缸 6的伸缩，且一个电液驱动器 4与一个第一液压缸 6连接，来实现一一对应的驱动连接。

[28] 具体地，电液驱动器 4包括驱动电机 Π和第二液压缸 16。驱动电机 17可以但不限于釆用步进电机，釆用步进电机可以提高控制精度，进而提高六自由度并联机器人 2的运动精度。驱动电机 17安装于底座 12上，在底座 12上安装两个轴承座 13，两轴承座 13内均安装轴承，两轴承座 13之间通过轴承转动安装有一根丝杠 14，该丝杠 14与驱动电机 17连接，由驱动电机 17驱动该丝杠 14转动。丝杠 14上螺接有一个滑块 18，滑块 18与底座 12上的滑轨对应滑动配合。通过丝杠 14的转动来驱动滑块 18 沿着滑轨直线运动。滑块 18上通过螺钉固定连接有一个连接架 15，连接架 15与第二 ^缸 16的活塞杆固定连接，第二：^缸 16的缸体固定连接在其中一个轴承座上。通过滑块 18的运动来控制第二液压缸 16活塞杆的伸缩。第一液压缸 6的第一油口与第二液压缸 16的第一油口连通，第一液压缸 6的第二油口与第二液压缸 16的第二油口连通，使第一液压缸 6与第二液压缸 16组成液压传动***，通过第二液压缸 16的动作来控制第一液压缸 6的动作。釆用此种驱动方式，提高了高六自由度并联机器人 2的运动精度，进而提高了手术的复位精度。

[29] 进一步地，基于上述实施例，支架 5及六自由度并联机器人 2上均设置有一套长骨固定架 3。长骨固定架 3用来固定患肢。

[30] 手术过程中，首先在骨折长骨的两端分别打入一枚或多枚固定钉，由医生手动调整两段骨折长骨位姿，进行初步复位。然后用两个长骨固定架 3来连接固定钉，使患肢固定到长骨固定架 3上。其中一个长骨固定架 3 固定连接于支架 5上，在手术过程中保持静止，另一长骨固定架固定 3 连接到六自由度并联机器人 1的并联机构接口板 20上，随并联机构接口板 20在空间内进行六自由度的运动，以实现对患肢的平移、拉伸、旋转等操作。

[31] 进一步地，基于上述实施例，图 3为本发明实施例提供的两长骨固定架固定连接后的立体图；图 4为本发明实施例提供的安装固定板的立体图。如图 3、图 4所示，为了提高复位精度，还包括安装固定板 21，两套长骨固定架 3并排设置、且与安装固定板 21固定连接。

【32】在两套长骨固定架 3与患肢连接后，通过两套安装固定板 21来将两套长骨固定架 3固定连接在一起。两套长骨固定架 3固定连接在一对患肢进行 CT扫描，扫描后将患肢连通两个固定在一起的长骨固定架 3 对应安装在该长骨骨折复位机器人上，之后在拆除两个安装固定板 21，使其中一个长骨固定架 3可以随并联机构接口板 20的运动而运动。釆用安装固定板 21来固定两套长骨固定架，可以保证 CT扫描时患肢的位姿与安装于长骨骨折复位机器人上后患肢的位姿的一致性，长骨骨折复位机器人根据 CT扫描结果规划出的路径来控制六自由度并联机器人 1的运动，实现患肢的复位。

【33】进一步地，基于上述实施例，图 5为本发明实施例提供的长骨固定架的立体图。如图 5所示，为了提高复位精度，长骨固定架 3包括安装座 24，安装座 24上设置有定位架，定位架包括固定杆 26，固定杆 26的端部和中部均设置有锁扣夹持单元 27，设置于固定杆 26的端部的锁扣夹持单元 27与安装座 24滑动配合。

[34] 其中，安装座 24可以是板状构件。安装固定板 21为条状部件，该安装固定板 21的一侧设置有卡槽 22，卡槽 22的其中一侧边上通过通孔 23 螺接有顶丝，安装座 24的边缘卡在卡槽 22内，并通过顶丝顶在安装座 24上实现安装座 24与安装固定板 21的固定连接。釆用此种结构可以实现两长骨固定架 3通过安装固定板 21的快速拆装，方便医生固定患肢，增加了医生的操作空间，同时为术前患肢的 CT扫描或其它操作提供了方便。

[35] 锁扣夹持单元 27与安装座 24滑动配合，可以用来调节固定杆 26的相对位置，以使固定杆 26可以处于较合适的位置来通过其中部的锁扣夹持单元 27来与患肢上的固定钉连接。

[36] 进一步地，基于上述实施例，图 6为本发明实施例提供的锁扣夹持单元的立体图。如图 6所示，锁扣夹持单元 27包括锁紧螺栓 32，锁紧螺栓 32上层叠穿装有至少四片锁紧夹持块 33，至少第一片与第二片所述锁紧夹持块 33之间及第三片与第四片锁紧夹持块 33之间均设置有卡口 34。该锁扣夹持单元结构简单，卡接可靠，便于操作。

[37] 进一步地，基于上述实施例，固定杆为 U形，安装座上设置有两条相互平行的滑杆，固定杆的两端均设置有锁扣夹持单元，且设置于同一固定杆两端的两锁扣夹持单元分置于两滑杆上。

[38] 为了提高对患肢固定的可靠性，则固定杆 26釆用 U形结构，其两端均通过锁扣夹持单元 27固定在安装座 24上，使得固定杆 26与安装座 24 连接比较紧固。实际使用中，每个长骨固定架 3上可以并排设置两个 U 形的固定杆 26。

[39] 与安装座 24连接的锁扣夹持单元 27的其中一个卡口 34卡在安装座 24的滑杆 25上，并可以沿滑杆 25移动来调节位置，以使安装在固定杆 26中部的锁扣夹持单元 27可以用来与患肢上的固定钉连接。在位置调节到位后，旋紧锁紧螺栓 32端部的螺母，使锁扣夹持单元 27与滑杆 25固定在一起，防止手术过程中固定杆 26出现移动，而影响复位效果。

[40] 进一步地，基于上述实施例，图 7为本发明实施例提供的锁紧轴的立体图。如 7所示，为了便于长骨固定架 3与支架 5及六自由度并联机器人 2进行拆装连接，则在安装座 24上转动安装有锁紧轴 31，锁紧轴 31的一端设置于锁紧块 29，锁紧块 29上具有锁紧斜面 30，锁紧斜面 30朝向安装座 24。

[41] 进一步地，基于上述实施例，为了便于使用锁紧轴 31来将长骨固定架 3与支架 5及六自由度并联机器人 2进行拆装连接，则在支架 5及六自由度并联机器人 2上均设置有接口板 11，长骨固定架 3—一对应设置于接口板 11上，接口板 11夹装于安装座 24与锁紧斜面 30之间。

【42】接口板 11可以是一块矩形平板。在锁紧轴 31远离锁紧块 29的一端连接一个手柄 28，该手柄 28可以是长圆形的板件，并通过相互配合的扁孔，轴，方孔、轴等结构与锁紧轴 31止旋配合。通过手柄 28带动锁紧轴 31进行转动，随着锁紧轴 31的转动，则锁紧斜面 30亦同步转动，在转动过程中，锁紧斜面的不同高度处与接口板 11接触，以完成锁紧及解锁，例如，锁紧斜面 32的较高位置处于接口板 11接触则处于锁紧状态，此时，长骨固定架 3紧紧的固定在支架 5及六自由度并联机器人 2的接口板上，以进行复位手术。【43】进一步地，基于上述实施例，为了适应不同的使用环境，则在机座 1 与支架 5之间设置有驱动支架上下滑动的直线驱动器 35。直线驱动器 35 可以是电动推杆、液压缸或气压缸。

[44] 另夕卜，在传动***中误差是不可避免的，为了降低误差带来的不利影响，在第一液压缸 6上设置了位移传感器。通过位移传感器来检测第一液压缸 6的运动情况，并将其运动情况反馈给控制***，实现闭环控制，使控制***进行运动补偿克服或降低误差带来的不利影响。也即该长骨骨折复位机器人的复位运动的控制***包括步进电机控制和位置传感器检测两部分，步进电机控制部分通过控制步进电机的转动，最终实现第一液压缸 6的伸缩，而位置传感器检测检测第一液压缸 6的伸缩量，并使步进电机控制部分调节步进电机的转动量来修正第一液压缸 6的伸缩量，以达到精确控制的目的。

[45] 该的长骨骨折复位机器人可以釆用上下位机双层结构的控制***。上位机为个人计算机（Personal Computer; 简称 PC )，功能包括执行机构 (包括步进电机、第一液压缸 6、第二液压缸 16 )位置信息的处理， CT 三维数据的处理，控制参数的计算以及人机交互功能指令的传送等。下位机为高级指令集处理器（ Advanced RISC Machines; 简称 ARM )控制板及步进电机驱动器，控制步进电机运行以及将步进电机运行状态实时反馈给 PC机。上位机 PC与下位机控制板通过无线连接。在驱动过程中，数据釆集卡能定时反馈每个第一液压缸的位置信息给上位机，同时运动控制卡能实时监测所发生的异常情况并发送给上位机。

[46] 采用上述长骨骨折复位机器人进行手术的步骤为：

[47] 1、断骨固定

[48] 将患者的患肢近端和远端分别打上两根或多根固定钉，并将患肢放入到两套长骨固定架 3中，调节固定杆 26及固定杆 26上用来连接固定钉的锁扣夹持单元 27的位置，把固定钉固定到长骨固定架 3上，以使患肢与长骨固定架 3相固定，然后通过安装固定板 24将两套长骨固定架 3固定成一个整体。

[49] 1、 CT扫描

[50] 将患者的患肢连同两套长骨固定架 3及与患肢对应的健侧肢体一同送入 CT扫描设备，获取患侧骨与健侧骨的 CT图像，以及患侧骨在两套长骨固定架 3中的位置信息。 [51] 3、路径规划

【52】对健侧骨进行镜像变换，将镜像变换后的健侧骨作为患侧骨配准的参考标准。分别在患侧骨和健康骨的两端选择配准的特征区域，利用自动配准并结合手动微调的方法，使患侧骨两端分别与健康骨两端重合，重合后得到患侧骨两端位姿相对变化的转换矩阵。接下来选择两套长骨固定架 3 上一些点作为特征点，这些特征点在 CT图像坐标空间中的坐标是已知的，在该长骨骨折复位机器人坐标空间中的坐标也可以计算得到，计算出 CT图像坐标空间与机器人坐标空间中坐标的映射关系，从而计算出需运动的长骨固定架相对于静止的长骨固定架 3的位姿变换矩阵，得到长骨骨折复位机器人运动的控制参数。再规划出合理的长骨骨折复位机器人运动的路径。

【53】 4、牵引复位

[54] 将患者的患肢连同两套长骨固定架 3对应与支架 5和六自由度并联机器人 2连接。将其中一套长骨固定架 3与六自由度并联机器人 2上的接口板 11固定连接，另一套长骨固定架 3与支架 5固定连接，连接后卸除安装固定板 24, 使患肢两端能够跟随六自由度并联机器人 2相对运动。上位机控制六自由度并联机器人 2按照规划好的运动路径对患肢进行牵引复位操作。

[55] 5、复位固定

【56】患肢达到复位标准后，利用固定杆 26将患肢远近端通过支架杆相对固定，并将固定后的患肢从两套长骨固定架 3内移出来。

[57] 可见，釆用上述长骨骨折复位机器人具有以下优点：

[58] 1 ) 实现在闭合状态下微创的长骨骨折复位功能，由长骨骨折复位机器人代替医生的复位操作，精度高、创伤小。改变了传统的开放式骨折复位方式，减少了骨折部位发生延迟愈合、骨不连、感染等情况的发生，防止医生因手术疲劳而造成的手术失误等问题。

[59] 2 )釆用了由电液驱动器 4和六自由度并联机器人 2组成的串并联混合机构，具有 6个自由度，综合了串联机构工作空间大、灵活性好和并联机构定位精度高、负载能力大、结构紧凑、刚度大等优点。满足骨折复位所需的工作空间、自由度、刚度等要求。

[60] 3 )长骨固定架 3具有初步复位和患肢固定的功能，并可与六自由度并联机器人 2及支架 5进行相互连接或拆分，方便了医生固定串联机构与患肢，增加了医生操作的空间，同时也为术前患肢的 CT扫描或其他操作提供了方便。

[61] 4 )采用了立式结构，六自由度并联机器人 2及支架 5位于患肢下方，减小了对患肢的干扰，同时增加了工作空间。通过电动推杆 35调整支架的位姿，能够使其更好的适应患者。

【62】以上虽然结合附图详细描述了本发明的实施例，但当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对上述实施方式作出各种修改和变更。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效内容来限定。

Claims

权利要求书

1、一种长骨骨折复位机器人，其特征在于，包括机座和多套电液驱动器，所述机座上滑动连接有可上下运动的支架，所述支架上设置有六自由度并联机器人，所述六自由度并联机器人包括多个第一液压缸，所述第一液压缸的数量与所述电液驱动器的数量相同，多个所述第一液压缸与多个所述电液驱动器——对应驱动连接。

2、根据权利要求 1所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述电液驱动器包括驱动电机和第二液压缸，所述驱动电机驱动连接有丝杠，所述丝杠上螺接有滑块，所述第二液压缸的活塞杆与所述滑块固定连接，多个所述第一液压缸与多个所述第二液压缸——对应连接，且——对应连接的所述第一液压缸的第一油口与所述第二液压缸的第一油口连通，所述第一液压缸的第二油口与所述第二液压缸的第二油口连通。

3、根据权利要求 1所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述支架及所述六自由度并联机器人上均设置有一套长骨固定架。

4、根据权利要求 3所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，包括安装固定板，两套所述长骨固定架并排设置、且与所述安装固定板固定连接。

5、根据权利要求 2或 3或 4所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述长骨固定架包括安装座，所述安装座上设置有定位架，所述定位架包括固定杆，所述固定杆的端部和中部均设置有锁扣夹持单元，设置于所述固定杆的端部的所述锁扣夹持单元与所述安装座滑动配合。

6、根据权利要求 5所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述锁扣夹持单元包括锁紧螺栓，所述锁紧螺栓上层叠穿装有至少四片锁紧夹持块，至少第一片与第二片所述锁紧夹持块之间及第三片与第四片所述锁紧夹持块之间均设置有卡口。

7、根据权利要求 5所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述固定杆为 U形，所述安装座上设置有两条相互平行的滑杆，所述固定杆的两端均设置有所述锁扣夹持单元，且设置于同一所述固定杆两端的两所述锁扣夹持单元分置于两所述滑杆上。

8、根据权利要求 5所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述安装座上转动安装有锁紧轴，所述锁紧轴的一端设置于锁紧块，所述锁紧块上具有锁紧斜面，所述锁紧斜面朝向所述安装座。

9、根据权利要求 8所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述支架及所述六自由度并联机器人上均设置有接口板，所述长骨固定架一一对应设置于所述接口板上，所述接口板夹装于所述安装座与所述锁紧斜面之间。

10、根据权利要求 1或 2或 3或 4所述的长骨骨折复位机器人，其特征在于，所述机座与所述支架之间设置有驱动所述支架上下滑动的直线驱动器，所述第一液压缸上设置有位移传感器。