一种主从同构遥操作骨折复位机构的制作方法
【专利摘要】一种主从同构遥操作骨折复位机构，它包括框架组件、2个并联平台组件、上平台连接板(9)、操作手柄组件、2个固定组件、控制器(15)、6个运动组件和24条液压管(26)组成；操作手柄组件位于一并联平台组件的上平台中部，2个固定组件位于另一并联平台组件的上部，2个并联平台组件置于框架组件上平面，控制器(15)和6个运动组件置于框架组件的中部平面，上平台连接板与一并联平台组件的上平台固连，液压管与运动组件中的液压缸和并联平台组件中的液压缸相连通。本发明提出了一种主从同构遥操作骨折复位机构，辅助医生实现骨折复位的功能。它在外科医疗器械领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。
【专利说明】一种主从同构遥操作骨折复位机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种主从同构遥操作骨折复位机构，属于外科医疗器械领域。
【背景技术】
[0002]传统的骨折复位方法是医生凭借经验人工切开复位，这种复位方法使闭合性骨折人为的变成开放式骨折。切开的部位暴露在空气中，容易使患者血运遭到破坏，引起骨折端坏死，造成骨折的迟愈合甚至不愈合。由于手术操作时间较长，增加了医生的工作强度，复位效果很难保证。髓内钉技术解决了上述问题，但是医生在术中需要不断对患者进行X射线照射，医生及病人受到大量的射线辐射。由于术中获得的是二维信息，难以实现精确复位。另外，术后容易产生旋转，引起骨折复位不良。骨折复位的系统的出现解决了这些问题。在目前的研究中，新西兰奥克兰大学的Gramham A.E.在文献“基于路径规划工具的并联长骨复位机器人设计”中公开了股骨干骨折复位系统，中国的一些专利如“骨折复位器(20081005456.3) ”等，都属于此类研究，目前的研究成果存在着不够智能、可操作性不强等问题。
[0003]主从遥操作机构可以使操作者真实地感受到机构末端与被操作物体及环境的相互作用，广泛应用于工业控制、航空航天、军事和遥外科医疗等领域。在目前的研究中，Shigeki Kudomi等在文献“液压并联力觉显示-通过扰动观测器提高主从系统的可操作性及应用”中公开了一种基于液压的并联主从遥操作机构，Gong Mingde等在文献“基于状态观测器的6自由度并联遥操作手的位置控制器”中公开了一种6自由度并联机构，都属于此类研究，目前的研究成果存在着操作精度不高、实时性不强等问题。
【发明内容】
[0004]本发明克服了现有技术中的缺点，提出了一种主从同构遥操作骨折复位机构，辅助医生实现骨折复位的功能。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]一种主从同构遥操作骨折复位机构，它包括框架组件、2个并联平台组件、上平台连接板9、操作手柄组件、2个固定组件、控制器15、6个运动组件和24条液压管26组成；它们之间的位置连接关系是:操作手柄组件位于一并联平台组件的上平台中部，2个固定组件位于另一并联平台组件的上部，2个并联平台组件置于框架组件上平面，控制器15和6个运动组件置于框架组件的中部平面，上平台连接板与一并联平台组件的上平台固连，液压管与运动组件中的液压缸和并联平台组件中的液压缸相连通。
[0007]所述的框架组件包括底部支撑架1、U形架2、支撑框架连接板3和4个万向轮4，其间关系是:底部支撑架I与U形架2、U形架2与支撑框架连接板3、底部支撑架I与4个万向轮4之间分别通过普通螺栓连接；该底部支撑架I是由多个杆状结构件组成的立方体框架结构，用于支撑机构本体及放置其它构件，该U形架2为U形结构件，用于连接底部支撑架I与支撑框架连接板3，该支撑框架连接板3为矩形板状结构件，用于连接固定组件，该万向轮4是市购普通万向轮，用于为机构提供支撑及移动功能；
[0008]所述的并联平台组件包括上平台5、12个万向铰6、6个液压缸7和下平台8，上平台5、下平台8分别与万向铰6的一端固连，液压缸7的两端分别与万向铰6的另一端固连，该上平台5是圆板状件、下平台8是圆环状结构件，用于支撑并联平台，该万向铰6是一种市购普通万向铰，用于连接液压缸7与上平台5、下平台8 ;该液压缸7是一种市购普通液压缸，用于为并联平台组件的其它部件提供支撑；
[0009]所述的上平台连接板9 一端与第一并联平台组件的上平台5固连，另一端与一个固定组件连接，该上平台连接板9是一端带有凸台的板状结构件，用于连接并联平台组件和固定组件；
[0010]所述的操作手柄组件包括操作手柄10和操作按钮11，操作手柄10与一并联平台组件的上平台5相连，操作按钮11与操作手柄10的端部固连，该操作手柄10是一个一端带有圆盘的圆柱状结构件，用于手持操作该并联平台组件，该操作按钮11是一种市购普通按钮，用于控制控制器15的电源的通断；
[0011]所述的固定组件包括固定底板12、2个底板连接块13和2个弯杆14，其间关系是:固定底板12分别与支撑框架连接板3、上平台连接板9连接，底板连接块13嵌入固定底板12的凹槽中，并通过普通螺栓与固定底板12固连，弯杆14与底板连接块13固连，该固定底板12为两端带有凹槽的板状结构件，用于固定底板连接块13，该底板连接块13为带有螺纹孔的立方体结构，用于连接固定底板12与弯杆14，弯杆14为一端为弧形的杆状结构件，用于连接固定断骨的固定钉；
[0012]所述的控制器15与底部支撑架I固连，该控制器15是一种市购普通控制器，用于采集编码器18、行程开关19、液压传感器25的信号及控制直流电机17运动；
[0013]所述的运动组件包括固定平台16、直流电机17、编码器18、2个行程开关19、导轨20、滑块21、丝杠22、滑块连接件23、2个液压缸7、液压缸连接件24、4个液压传感器25，其间关系是:固定平台16与底部支撑架I固连，导轨20与固定平台16固连，2个行程开关19安装于固定平台16两端，丝杠22与固定平台16两端连接，滑块21与丝杠22、导轨20连接，滑块连接件23与滑块21、液压缸7的伸出杆固连，液压缸连接件24与液压缸7、固定平台16固连，液压传感器25 —端与液压缸7固连，另一端通过液压管26与安装于并联平台组件的液压缸7连接，直流电机17与固定平台16、丝杠22固连，编码器18与直流电机17固连；该固定平台16是带有两个安装孔的U形结构件，用于固定运动组件的其它部件；该直流电机17是一种市购普通直流电机，用于驱动丝杠22运动，该编码器18是一种市购普通编码器，用于获得直流电机17的速度和加速度信息，该行程开关19是一种市购普通行程开关，用于检测滑块21的位置，该导轨20是一种市购普通导轨，为滑块21提供导向，该滑块21是一种带有螺纹的立方体滑块，用于将丝杠22的旋转运动转变为平移运动，该丝杠22为市购普通丝杠用于连接直流电机17与滑块21，该滑块连接件23为带有2个通孔的L型结构件，用于连接滑块21与2个液压缸7，该液压缸连接件24是一种带有2个螺纹孔的L型结构件，用于连接 固定平台16与2个液压缸7，该液压传感器25是一种市购普通液压传感器，用于检测液压管26中液体的压强；
[0014]所述的24条液压管26中的12条与运动组件、连接有操作手柄组件的并联平台组件相连，另外12条与运动组件、连接有上平台连接板9、固定组件的并联平台组件相连，该液压管26是一种市购普通液压管，用于为并联平台组件与运动组件传递动力。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0016]1.该机构代替医生徒手骨折复位操作，通过力觉缩放等控制方法，降低医生劳动强度；
[0017]2.并联平台组件采用6自由度的并联机构，具有机构精度高、负载能力及刚度大、工作空间合理、结构紧凑等优点；
[0018]3.该机构可以使医生远离手术区域，降低医生在手术中受到射线辐射的危险；
[0019]4.采用主从同构的机构构型，通过液压管连接机构的操作端与从动端，使从动端位姿与操作端完全相同，易于医生操作；
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为主从同构骨折复位机构整体图
[0021]图2为框架组件
[0022]图3为并联平台组件
[0023]图4为上平台连接板
[0024]图5为操作手柄组件
[0025]图6为固定组件
[0026]图7为固定连接块及弯杆
[0027]图8为控制器
[0028]图9为运动组件
[0029]图10为单组液压缸连接示意图
[0030]图中:1、底部支撑架，2、U形架，3、支撑框架连接板，4、万向轮，5、上平台，6、万向铰，7、液压缸，8、下平台，9、上平台连接板，10、操作手柄，11、操作按钮，12、固定底板，13、底板连接块，14、弯杆，15、控制器，16、固定平台，17、直流电机，18、编码器，19、行程开关，20、导轨，21、滑块，22、丝杠，23、滑块连接件，24、液压缸连接件，25、液压传感器，26、液压管。
【具体实施方式】
[0031 ] 下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0032]本发明的总体结构如图1至图10所示。
[0033]一种主从同构遥操作骨折复位机构由框架组件、2个并联平台组件、上平台连接板9、操作手柄组件、2个固定组件、控制器15、6个运动组件和24条液压管26组成。万向轮4可以直线行走或转弯。并联平台组件具有6个自由度，其中I个作为操作端，与操作手柄组件固连，另I个作为从动端，连接有上平台连接板9、I个固定组件。每个万向铰6具有2个自由度。液压缸7的伸出杆可以沿其轴线伸缩。2个固定组件中的I个通过支撑框架连接板3与U形架2固连，另I个通过上平台连接板9与作为从动端的并联平台组件固连，底板连接块13可以在固定底板12的凹槽内调整位置，调整后可以通过普通螺栓定位。丝杠22可以通过直流电机17带动其旋转，使滑块21沿导轨20移动，在两端的极限位置可以接触行程开关19，并通过滑块连接件23带动液压缸7的活塞杆往复运动。每个运动组件有2个液压缸7，其中I个液压缸7有杆端和无杆端的液压油出口分别通过I个液压传感器25和I个液压管26与操作端并联平台组件上的液压缸7有杆端和无杆端的液压油出口连接，另I个液压缸7有杆端和无杆端的液压油出口分别通过I个液压传感器25和I个液压管26与从动端并联平台组件上的液压缸7有杆端和无杆端的液压油出口连接，使操作端并联平台组件上的液压缸7、运动组件上的2个液压缸7与从动端并联平台组件上的液压缸7的伸出杆可以同步伸缩运动。
[0034]本发明按下述方式工作:在断骨两端分别植入两枚固定钉，调整底板连接块13在固定底板12的凹槽中的位置，使固定钉能够与弯杆14连接。连接完成后，打开操作按钮11，通过操作手柄10控制操作端的并联平台组件运动，通过液压传感器25检测液压管26中液体的压力，从而得到操作端的并联平台中的液压缸7中液体的压力值，并反馈给控制器15，在控制器15中解算出每个液压缸伸出杆受到的作用力，经过放大后，作为从动端的并联平台中对应液压缸7的位置增量给定信号。同时，把编码器18检测到的直流电机17的位置和速度信号反馈到控制器15中，将给定信号与反馈信号通过闭环控制算法运算后，发给直流电机17，控制从动端并联平台中的液压缸7的伸出杆的运动。从而控制从动端并联平台的位姿，实现骨折复位操作。
[0035]以上参照附图对本发明的描述是示意性的，没有限制性，本领域的技术人员应该能够理解，在实际实施中，本发明中各构件的形状和布局方式均可能发生某些改变；而在本发明的启示下，其他人员也可以做出与本发明相似的设计或对本发明做出修改以及某个构件的等同替换。特别需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变以及具有等 同替换的相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种主从同构遥操作骨折复位机构，其特征在于:它包括框架组件、2个并联平台组件、上平台连接板(9)、操作手柄组件、2个固定组件、控制器(15)、6个运动组件和24条液压管(26)组成；操作手柄组件位于一并联平台组件的上平台中部，2个固定组件位于另一并联平台组件的上部，2个并联平台组件置于框架组件上平面，控制器(15)和6个运动组件置于框架组件的中部平面，上平台连接板与一并联平台组件的上平台固连，液压管与运动组件中的液压缸和并联平台组件中的液压缸相连通； 所述的框架组件包括底部支撑架(1)、U形架(2)、支撑框架连接板(3)和4个万向轮(4)，底部支撑架(1)与U形架(2)、U形架(2)与支撑框架连接板(3)、底部支撑架(1)与4个万向轮(4)之间分别通过普通螺栓连接；该底部支撑架(1)是由多个杆状结构件组成的立方体框架结构，用于支撑机构本体及放置其它构件，该U形架(2)为U形结构件，用于连接底部支撑架(1)与支撑框架连接板(3)，该支撑框架连接板(3)为矩形板状结构件，用于连接固定组件，该万向轮(4)是普通万向轮，用于为机构提供支撑及移动功能； 所述的并联平台组件包括上平台(5)、12个万向铰出)、6个液压缸(7)和下平台(8)，上平台(5)、下平台⑶分别与万向铰(6)的一端固连，液压缸(7)的两端分别与万向铰(6)的另一端固连，该上平台(5)是圆板状件、下平台(8)是圆环状结构件，用于支撑并联平台，该万向铰(6)是一种普通万向铰，用于连接液压缸(7)与上平台(5)、下平台(8);该液压缸(7)是一种普通液压缸，用于为并联平台组件的其它部件提供支撑； 所述的上平台连接板(9) 一端与第一并联平台组件的上平台(5)固连，另一端与一个固定组件连接，该上 平台连接板(9)是一端带有凸台的板状结构件，用于连接并联平台组件和固定组件； 所述的操作手柄组件包括操作手柄(10)和操作按钮(11)，操作手柄(10)与一并联平台组件的上平台(5)相连，操作按钮(11)与操作手柄(10)的端部固连，该操作手柄(10)是一个一端带有圆盘的圆柱状结构件，用于手持操作该并联平台组件，该操作按钮(11)是一种普通按钮，用于控制控制器(15)的电源的通断； 所述的固定组件包括固定底板(12)、2个底板连接块(13)和2个弯杆(14)，固定底板(12)分别与支撑框架连接板(3)、上平台连接板(9)连接，底板连接块(13)嵌入固定底板(12)的凹槽中，并通过普通螺栓与固定底板(12)固连，弯杆(14)与底板连接块(13)固连，该固定底板(12)为两端带有凹槽的板状结构件，用于固定底板连接块(13)，该底板连接块(13)为带有螺纹孔的立方体结构，用于连接固定底板(12)与弯杆(14)，弯杆(14)为一端为弧形的杆状结构件，用于连接固定断骨的固定钉； 所述的控制器(15)与底部支撑架(1)固连，该控制器(15)是一种普通控制器，用于采集编码器(18)、行程开关(19)、液压传感器(25)的信号及控制直流电机(17)运动； 所述的运动组件包括固定平台(16)、直流电机(17)、编码器(18)、2个行程开关(19)、导轨(20)、滑块(21)、丝杠(22)、滑块连接件(23)、2个液压缸(7)、液压缸连接件(24),4个液压传感器(25);固定平台(16)与底部支撑架(1)固连，导轨(20)与固定平台(16)固连，2个行程开关(19)安装于固定平台(16)两端，丝杠(22)与固定平台(16)两端连接，滑块(21)与丝杠(22)、导轨(20)连接，滑块连接件(23)与滑块(21)、液压缸(7)的伸出杆固连，液压缸连接件(24)与液压缸(7)、固定平台(16)固连，液压传感器(25) —端与液压缸(7)固连，另一端通过液压管(26)与安装于并联平台组件的液压缸(7)连接，直流电机(17)与固定平台(16)、丝杠(22)固连，编码器(18)与直流电机(17)固连；该固定平台(16)是带有两个安装孔的U形结构件，用于固定运动组件的其它部件；该直流电机(17)是一种普通直流电机，用于驱动丝杠(22)运动，该编码器(18)是一种普通编码器，用于获得直流电机(17)的速度和加速度信息，该行程开关(19)是一种普通行程开关，用于检测滑块(21)的位置，该导轨(20)是一种普通导轨，为滑块(21)提供导向，该滑块(21)是一种带有螺纹的立方体滑块，用于将丝杠(22)的旋转运动转变为平移运动，该丝杠(22)为普通丝杠用于连接直流电机(17)与滑块(21)，该滑块连接件(23)为带有2个通孔的L型结构件，用于连接滑块(21)与2个液压缸(7)，该液压缸连接件(24)是一种带有2个螺纹孔的L型结构件，用于连接固定平台(16)与2个液压缸(7)，该液压传感器(25)是一种普通液压传感器，用于检测液压管(26)中液体的压强； 所述的24条液压 管(26)中的12条与运动组件、连接有操作手柄组件的并联平台组件相连，另外12条与运动组件、连接有上平台连接板(9)、固定组件的并联平台组件相连，该液压管(26)是一种普通液压管，用于为并联平台组件与运动组件传递动力。
【文档编号】A61B17/56GK104000640SQ201410198120
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】胡磊, 唐佩福, 王田苗, 张立海, 李长胜, 杜海龙, 王利峰, 谭一鸣, 赵璐 申请人:北京航空航天大学, 中国人民解放军总医院