專利名稱：一種基于3d鼠標操作的微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種骨科手術(shù)用的機器人，具體地說，是指一種為提高手術(shù)過程中的安全性、穩(wěn)定性、可靠性而設(shè)計的，采用6自由度的3D鼠標操作與控制的微創(chuàng)骨科手術(shù)輔助機器人。
背景技術(shù)：
目前，骨科手術(shù)的治療已經(jīng)從傳統(tǒng)的閉合整復(fù)轉(zhuǎn)向微創(chuàng)外科手術(shù)治療，空心釘固定術(shù)、髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)作為幾種典型的微創(chuàng)手術(shù)正逐漸成為治療骨折的首選術(shù)式。比如手術(shù)過程中將髓內(nèi)釘植入折骨的骨髓腔內(nèi)，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(chuàng)手術(shù)對于患者的損傷較小、固定效果好、有利于患者術(shù)后的恢復(fù)。這種微創(chuàng)手術(shù)要求在閉合狀態(tài)下完成髓內(nèi)釘?shù)逆i定，對于近端孔的鎖定可以借助于機械瞄準器(髓內(nèi)釘廠商提供)完成；而遠端孔由于距離入點較遠，并且髓內(nèi)釘在插入骨髓腔后會有一定的形變，因此遠端孔的鎖定一直都是開展這一手術(shù)的難點。傳統(tǒng)的手術(shù)中醫(yī)生只有借助于C型臂X光的透視，來完成髓內(nèi)釘遠端鎖定，不僅患者和醫(yī)務(wù)人員需要長時間的暴露在X光輻射下，而且對于醫(yī)生的經(jīng)驗和技巧有較高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于3D鼠標進行安全操作的微創(chuàng)手術(shù)骨科機器人，該骨科機器人通過模塊化設(shè)計各個的機構(gòu)，配合3D鼠標進行主、被動控制，可以在有限的手術(shù)空間中完成對手術(shù)路徑的導航，并精確定位，輔助醫(yī)生完成手術(shù)操作。機器人各個機構(gòu)可以簡單的拆卸和組裝，便于對其進行消毒和滅菌操作。
本發(fā)明是一種基于3D鼠標進行安全操作的微創(chuàng)手術(shù)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鼠標組成；3D鼠標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(zhuǎn)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桿連接，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(nèi)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(fā)明微創(chuàng)骨科機器人的優(yōu)點在于(1)機械結(jié)構(gòu)采用小型化、模塊化設(shè)計，有利于拆卸和組裝；(2)串聯(lián)的機器人結(jié)構(gòu)方式可以靈活控制，布局合理；(3)所采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得整個運動精密且容易實現(xiàn)各部件的功能；(4)橫向移動組件采用齒輪、齒條在電機的驅(qū)動下運動，提高了運動精度；(5)采用的3D鼠標安裝在小臂組件4的移動臂前端，方便醫(yī)生操作和控制，該3D鼠標含有六個自由度，可以實現(xiàn)笛卡爾坐標系中的六個方向運動控制；(6)減速器組件采用蝸輪、蝸桿的傳動方式，有利于上下移動組件3、小臂組件4、腕部組件5可以沿蝸桿206的軸心轉(zhuǎn)動。


圖1是本發(fā)明微創(chuàng)骨科機器人的外部結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明連接座的外部結(jié)構(gòu)圖。
圖2A是連接座下面板的結(jié)構(gòu)圖。
圖2B是旋轉(zhuǎn)法蘭與導軌的裝配示意圖。圖3是本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明小臂組件的剖面圖。
圖6是本發(fā)明腕部組件的外部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖。
圖中1.橫向移動組件 101.旋轉(zhuǎn)法蘭 102.轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸 132.B橫向轉(zhuǎn)軸 133.C橫向轉(zhuǎn)軸 134.D橫向轉(zhuǎn)軸 135.右面板136.通孔 137.連接端 141.A縱向轉(zhuǎn)軸 142.B縱向轉(zhuǎn)軸 143.C縱向轉(zhuǎn)軸144.D縱向轉(zhuǎn)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.渦桿 207.機座208.渦桿端蓋 209.B壓板 210.鎖桿 211.張緊螺釘 212.調(diào)節(jié)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(lián)軸器 313.絲杠 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(lián)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.絲桿 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(cè)板6.3D鼠標
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本發(fā)明是一種基于3D鼠標操作的微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人，是一種適用于下半部身體骨折復(fù)位和創(chuàng)傷手術(shù)的醫(yī)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鼠標6組成；3D鼠標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(zhuǎn)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通過兩個鎖桿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(nèi)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(fā)明主要包括的五個部分組成，每個部分均采用直流電機驅(qū)動，即A電機(圖中未示出)驅(qū)動橫向移動組件1，B電機驅(qū)動減速器組件2，C電機驅(qū)動上下移動組件3，D電機驅(qū)動小臂組件4，E電機驅(qū)動腕部組件5。
下面將對本發(fā)明的每個組件的機械結(jié)構(gòu)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(shè)有走線槽107(走線槽107用于放置橫向移動組件1和減速器組件2所需的驅(qū)動線、電源線)，導軌104的一端通過轉(zhuǎn)軸102與旋轉(zhuǎn)法蘭101的一端(旋轉(zhuǎn)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(shù)時，通過定位銷103使旋轉(zhuǎn)法蘭101與導軌104平行；當結(jié)束手術(shù)時，通過取下定位銷103，使銷釘安裝在銷孔106中實現(xiàn)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(shè)有通孔136，連接座130的右面板135的四周安裝有A橫向轉(zhuǎn)軸131、B橫向轉(zhuǎn)軸132、C橫向轉(zhuǎn)軸133、D橫向轉(zhuǎn)軸134；連接座130的上面板145的四周安裝有A縱向轉(zhuǎn)軸141、B縱向轉(zhuǎn)軸142、C縱向轉(zhuǎn)軸143、D縱向轉(zhuǎn)軸144；連接座130的左端為連接端137，用于實現(xiàn)本發(fā)明的連接座130與手術(shù)床固定連接；連接座130的下面板155的中心設(shè)有圓孔151，圓孔151內(nèi)安裝有齒輪(在電機的作用下，用于驅(qū)動齒條105在橫向方向上往復(fù)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(xiàn)橫向移動組件電機與下面板155的固定；下面板155的兩側(cè)分別開有A凹槽152、B凹槽153，A凹槽152內(nèi)放置有A滾輪，B凹槽153內(nèi)放置有B滾輪，A滾輪套接在C橫向轉(zhuǎn)軸133上，B滾輪套接在B橫向轉(zhuǎn)軸132上。在本發(fā)明中，四個縱向轉(zhuǎn)軸(A縱向轉(zhuǎn)軸141、B縱向轉(zhuǎn)軸142、C縱向轉(zhuǎn)軸143、D縱向轉(zhuǎn)軸144)和四個橫向轉(zhuǎn)軸(A橫向轉(zhuǎn)軸131、B橫向轉(zhuǎn)軸132、C橫向轉(zhuǎn)軸133、D橫向轉(zhuǎn)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(nèi)安裝有蝸輪205、蝸桿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(shè)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(shè)有兩個鎖桿210，鎖桿210用于實現(xiàn)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(diào)節(jié)槽212，調(diào)節(jié)槽212通過張緊螺釘211調(diào)節(jié)蝸輪205與蝸桿206之間的配合精度；B電機203的輸出軸與蝸桿206的一端連接，蝸桿206的另一端安裝在平面軸承201的中心孔內(nèi)，平面軸承201通過螺釘與B壓板209連接，平面軸承201頂緊在蝸桿端蓋208上，蝸桿端蓋208通過螺釘安裝在機座207的內(nèi)壁上。在本發(fā)明中，采用B電機203驅(qū)動蝸桿206轉(zhuǎn)動的同時帶動蝸輪205轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)蝸輪205的減速旋轉(zhuǎn)，解決了上下移動組件3、小臂組件4、腕部組件5可以沿蝸桿206的軸心轉(zhuǎn)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用于小臂組件4的一端在槽內(nèi)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(shè)有的孔后與聯(lián)軸器309一端連接，聯(lián)軸器309另一端與絲杠313一端連接，絲杠313另一端穿過滑塊螺母304后與軸承配合安裝在殼體307下端，殼體307的后面板的內(nèi)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(shè)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(nèi)設(shè)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(lián)軸器405連接，聯(lián)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(shè)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(cè)板上，E殼體502的右側(cè)板外壁與腕部法蘭501連接，E殼體502的右半部用于安裝E電機512部位上加蓋有E擋板515，E電機512的輸出軸與絲杠504的一端連接，絲杠504的另一端穿過撥塊503后安裝在左側(cè)板516上，(參見圖6B所示)撥塊503的縱向中心設(shè)有E滑槽513，E滑槽513的上端部開有的圓孔內(nèi)安裝有銷軸508，銷軸508的設(shè)計有利于撥塊503繞此銷軸508轉(zhuǎn)動，撥塊503的E滑槽513內(nèi)通過安裝一沉頭螺釘514實現(xiàn)撥塊503與絲桿504連接，撥塊503的正面凹槽內(nèi)壓蓋有壓板509后與導向塊507連接，導向塊507的中心設(shè)有定位孔506。
本發(fā)明微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人采用3D鼠標6進行操作的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)被動約束的控制方式，即操作3D鼠標6就能控制機器人達到手術(shù)區(qū)域；也可以實現(xiàn)主動控制的方式，此時3D鼠標6起著一種安全保障的作用，即在該種模式下，醫(yī)生可以讓機器人自動控制，但在機器人運動出現(xiàn)超速、跨越工作軌跡等問題的情況下，醫(yī)生可以操作3D鼠標6，使其停止或者按照被動方式進行運動。
本發(fā)明微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人按照關(guān)節(jié)劃分可以有水平運動關(guān)節(jié)(橫向移動組件1)、轉(zhuǎn)向運動關(guān)節(jié)(減速器組件2)、平面旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)(上下移動組件3)、垂直運動關(guān)節(jié)(小臂組件4)、旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)(腕部組件5)。橫向移動組件1采用齒輪齒條105傳動，小臂組件4的上下移動采用直線導軌、滑塊實現(xiàn)垂直方向上的上下運動。
本發(fā)明的微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人的橫向移動組件1采用齒輪齒條105結(jié)構(gòu)，運行行程長，可以有很大的工作空間，能在相對較長的手術(shù)床范圍內(nèi)運動并經(jīng)確定位，并且第一關(guān)節(jié)與手術(shù)床本體之間采用方孔配合進行連接，便于拆卸。
本發(fā)明的微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人為了保障機器人運動過程中的安全性和便于醫(yī)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鼠標6來實現(xiàn)安全操控系統(tǒng)，醫(yī)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(guī)劃所可能造成的人機干涉問題。
本發(fā)明公開了一種基于3D鼠標操作的微創(chuàng)骨科手術(shù)機器人，該機器人是針對骨科手術(shù)的臨床需求和手術(shù)環(huán)境，按照骨科手術(shù)過程中的高安全性要求，以實用性和適用性為基本的出發(fā)點，采用主動約束規(guī)劃思想，設(shè)計了結(jié)構(gòu)化、模塊化的骨科手術(shù)機器人。本發(fā)明綜合利用了機械設(shè)計、機構(gòu)學、機器人學、自動控制、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等多門學科技術(shù)，解決了微創(chuàng)骨科手術(shù)中路徑導航和精確定位的問題。該機器人既為微創(chuàng)骨科手術(shù)提供了穩(wěn)定可靠的手術(shù)導航方法，又能簡單的拆卸和組裝，并且具有控制安全、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便等優(yōu)點，適合在我國的國情下進行臨床應(yīng)用的推廣。
權(quán)利要求
1.一種基于3D鼠標進行安全操作的微創(chuàng)手術(shù)骨科機器人，其特征在于由橫向移動組件(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鼠標(6)組成；3D鼠標(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(zhuǎn)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)通過兩個鎖桿(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(nèi)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(shè)有走線槽(107)，導軌(104)的一端通過轉(zhuǎn)軸(102)與旋轉(zhuǎn)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(shè)有通孔(136)，連接座(130)的右面板(135)的四周安裝有A橫向轉(zhuǎn)軸(131)、B橫向轉(zhuǎn)軸(132)、C橫向轉(zhuǎn)軸(133)、D橫向轉(zhuǎn)軸(134)；連接座(130)的上面板(145)的四周安裝有A縱向轉(zhuǎn)軸(141)、B縱向轉(zhuǎn)軸(142)、C縱向轉(zhuǎn)軸(143)、D縱向轉(zhuǎn)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(shè)有圓孔(151)，圓孔(151)內(nèi)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(cè)分別開有A凹槽(152)、B凹槽(153)，A凹槽(152)內(nèi)放置有A滾輪，B凹槽(153)內(nèi)放置有B滾輪，A滾輪套接在C橫向轉(zhuǎn)軸(133)上，B滾輪套接在B橫向轉(zhuǎn)軸(132)上；減速器組件(2)的機座(207)內(nèi)安裝有蝸輪(205)、蝸桿(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(shè)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(shè)有兩個鎖桿(210)，機座(207)的斜面(215)上開有調(diào)節(jié)槽(212)；B電機(203)的輸出軸與蝸桿(206)的一端連接，蝸桿(206)的另一端安裝在平面軸承(201)的中心孔內(nèi)，平面軸承(201)通過螺釘與B壓板(209)連接，平面軸承(201)頂緊在蝸桿端蓋(208)上，蝸桿端蓋(20)8通過螺釘安裝在機座(207)的內(nèi)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(shè)有的孔后與聯(lián)軸器(309)一端連接，聯(lián)軸器(309)另一端與絲杠(313)一端連接，絲杠(313)另一端穿過滑塊螺母(304)后與軸承配合安裝在殼體(307)下端，殼體(307)的后面板的內(nèi)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(shè)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(nèi)設(shè)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(lián)軸器(405)連接，聯(lián)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(shè)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(cè)板上，E殼體(502)的右側(cè)板外壁與腕部法蘭(501)連接，E殼體(502)的右半部用于安裝E電機(512)部位上加蓋有E擋板(515)，E電機(512)的輸出軸與絲杠(504)的一端連接，絲杠(504)的另一端穿過撥塊(503)后安裝在左側(cè)板(516)上，撥塊(503)的縱向中心設(shè)有E滑槽(513)，E滑槽(513)的上端部開有的圓孔內(nèi)安裝有銷軸(508)，撥塊(503)的E滑槽(513)內(nèi)通過安裝一沉頭螺釘(514)實現(xiàn)撥塊(503)與絲桿(504)連接，撥塊(503)的正面凹槽內(nèi)壓蓋有壓板(509)后與導向塊(507)連接，導向塊(507)的中心設(shè)有定位孔(506)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種3D鼠標操作的微創(chuàng)骨科手術(shù)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鼠標(6)組成；3D鼠標(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(zhuǎn)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)通過兩個鎖桿(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(nèi)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(shù)的臨床需求和手術(shù)環(huán)境，按照骨科手術(shù)過程中的高安全性要求，以實用性和適用性為基本的出發(fā)點，采用主動約束加被動安全保障的規(guī)劃思想，設(shè)計了結(jié)構(gòu)化、模塊化的骨科手術(shù)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(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)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