颅颌面整形外科手术机器人的制作方法

本发明涉及微创外科整形手术机器人领域，具体地，涉及一种颅颌面整形外科手术机器人。

背景技术：

外科手术计算机辅助导航即利用计算机图形图像技术对放射影像学资料进项处理，重建二维或三维的医学图像模型，帮助手术医生在术前对预行的手术操作进行虚拟演示，以更好的规划手术路径。机器人辅助手术已成为微创外科整形手术的主流。机器人辅助手术具有传统手术无法比拟的精确性与稳定性，创伤小，更快的恢复时间，可以有效的减少手术时间，减少术后并发症的产生，大幅提高手术成功率。

整形外科手术主要是针对于先天或后天因素造成颅骨、颅颌面即相应软组织创伤或严重畸形。由于颅颌面解剖学结构复杂，感觉器官分布密集，多数情况下手术视野严重受限，重要的神经与血管遍布骨组织内或围绕其分布，使得手术的复杂性大大增加。此外，整形手术还学要兼顾患者的容貌和功能，这可能会引起医疗纠纷。传统颅颌面整形手术仅仅依靠医生徒手操作手术刀具，手术方法目前可以通过术前ct规划、3d打印患者模型等，但手术方案通常取决于医生个人主观经验，手术中医生尽量需保持手部平稳，以防稍有偏差引起动脉出血。术中，手术刀受力复杂且不均匀，需要医生花费大量气力保持手术刀稳定。长时间操作极易产生疲劳，难以保证手术稳定性。因此，机器人辅助手术帮助外科整形手术减轻医生的疲劳作业，减少手术创伤，提高手术安全性及成功率，具有十分重要的应用价值。

经对现有专利技术检索发现。未发现针对于颅颌面整形手术相关专利。

基于上述原因，技术人员致力于研发一款自动精确定位的颅颌面整形外科手术机器人装置。在此装置中，机器人可以自动精确定位并且在狭小手术视野中完成手术操作。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种颅颌面整形外科手术机器人，以咬合板为标志物，提供术中导航匹配的坐标系；本发明是一种自动精确手术的机器人系统，能够在狭小的手术视野中精确完成手术。

为实现以上目的，本发明提供一种颅颌面整形外科手术机器人，包括：基座模块、连接模块、位姿模块和手术末端执行器模块；

所述基座模块包括第一驱动传动单元、第一圆形套筒和基座轴，其中：第一驱动传动单元连接第一圆形套筒，基座轴固定在手术床上，第一圆形套筒支撑在基座轴上；所述第一驱动传动单元驱动第一圆形套筒相对于基座轴转动；

所述连接模块包括第二驱动传动单元、连接杆、第二圆形套筒，其中：第二圆形套筒的一端与第一圆形套筒的一端连接，第二圆形套筒的上端与连接杆的下端连接，第二驱动传动单元连接第二圆形套筒；所述第二驱动传动单元带动第二圆形套筒相对于第一圆形套筒转动，进而实现连接模块与基座模块之间的相对转动；

所述位姿模块包括第三驱动传动单元、第四驱动传动单元、第五驱动传动单元、l型圆形套筒、大圆形套筒、小圆形套筒，其中：大圆形套筒的下端与连接杆的上端连接，小圆形套筒的一端连接大圆形套筒的一端，小圆形套筒的另一端连接l型圆形套筒；第三驱动传动单元连接手术末端执行器模块，第三驱动传动单元带动手术末端执行器模块转动；第四驱动传动单元连接连接l型圆形套筒，第四驱动传动单元带动l型圆形套筒相对于小圆形套筒转动；第五驱动传动单元连接大圆形套筒，第五驱动传动单元带动大圆形套筒相对于小圆形套筒转动；

所述基座模块在第一驱动传动单元的驱动下、所述连接模块在第二驱动传动单元的驱动下、所述位姿模块在第三驱动传动单元、第四驱动传动单元、第五驱动传动单元的驱动下，共同实现固定在所述位姿模块末端的所述手术末端执行器模块的五自由度运动。

优选地，所述第一驱动传动单元包括第一驱动部件和第一传动单元，第一传动单元包括第一直齿轮组、第一中心轴、第二轴承、第一伞齿轮组、第一轴承，第一直齿轮组包括第一大直齿轮和第一小直齿轮，第一伞齿轮组包括第一下伞齿轮和第一右伞齿轮；其中：

第一驱动部件固定在第二圆形套筒上，第一小直齿轮连接第一驱动部件的输出轴，第一大直齿轮固定于第一中心轴的一端且与第一小直齿轮啮合配合；第一右伞齿轮固定于第一中心轴的另一端，第一下伞齿轮固定于基座轴的上部且与第一右伞齿轮啮合配合，第一轴承固定在基座轴上并支撑第一圆形套筒，第二轴承套在第一中心轴上并固定在第一圆形套筒内，基座轴的底部与手术床连接固定；

所述第一驱动部件驱动第一小直齿轮转动，通过啮合的第一直齿轮组，即第一小直齿轮、第一大直齿轮传动带动第一中心轴转动，从而带动固定在第一中心轴另一端的第一右伞齿轮转动，进而通过啮合的第一伞齿轮组，即第一右伞齿轮、第一下伞齿轮传动，实现第一圆形套筒与基座轴之间的相对转动，即第一圆形套筒绕基座轴的轴线转动。

优选地，所述第二驱动传动单元包括第二驱动部件和第二传动单元，第二传动单元包括第二伞齿轮组、第二中心轴，第二伞齿轮组包括第二大伞齿轮、第二小伞齿轮；其中：

第二驱动部件固定在连接杆与第二圆形套筒之间，第二小伞齿轮固定于第二驱动部件的输出端，第二大伞齿轮固定在第二中心轴上且与第二小伞齿轮啮合配合，第二中心轴固定于第二圆形套筒上；

所述第二驱动部件驱动第二小伞齿轮转动，通过啮合的第二伞齿轮组，即第二小伞齿轮、第二大伞齿轮传动，带动与第二大伞齿轮固定的第二圆形套筒转动，从而实现第二圆形套筒相对于第一圆形套筒的转动，进而实现连接模块相对于基座模块之间绕第二中心轴的转动。

优选地，所述第三驱动传动单元包括第三驱动部件和第三传动单元，第三传动单元包括第二直齿轮组、第三中心轴、第三伞齿轮组、第六中心轴、第五伞齿轮组、第八中心轴，第二直齿轮组包括第二大直齿轮和第二小直齿轮，第三伞齿轮组包括第三右伞齿轮和第三上伞齿轮，第五伞齿轮组包括第五大伞齿轮和第五小伞齿轮；其中：

第三驱动部件的输出端连接第二直齿轮组中的第二小直齿轮，第二直齿轮组中的第二大直齿轮固定在第三中心轴的一端并与第二小直齿轮啮合配合，第三中心轴的另一端固定有第三伞齿轮组中的第三右伞齿轮，第三伞齿轮组中的第三上伞齿轮固定在第六中心轴的一端并与第三右伞齿轮啮合配合，第六中心轴的另一端与第五伞齿轮组中的第五小伞齿轮固定，第五伞齿轮组中的第五大伞齿轮固定在第八中心轴的一端并与第五小伞齿轮啮合配合，手术末端执行器模块固定在第八中心轴的另一端；

所述第三驱动部件驱动第二小直齿轮，通过啮合的第二直齿轮组，即第二小直齿轮、第二大直齿轮传动带动第三中心轴转动，从而带动固定在第三中心轴上的第三右伞齿轮转动，通过啮合的第三伞齿轮组，即第三右伞齿轮、第三上伞齿轮传动带动第六中心轴转动，再而带动固定在第六中心轴上的第五小伞齿轮，再通过啮合的第五伞齿轮组，即第五小伞齿轮、第五大伞齿轮传动带动第八中心轴转动，使得固定在第八中心轴上的手术末端执行器模块转动。

优选地，所述第四驱动传动单元包括第四驱动部件和第四传动单元，第四传动单元包括第三直齿轮组、第四中心轴、第四伞齿轮组、第七中心轴，第三直齿轮组包括第三大直齿轮和第三小直齿轮，第四伞齿轮组包括第四右齿轮和第四上伞齿轮；其中：

第四驱动部件的输出端连接第三直齿轮组中的第三小直齿轮，第三直齿轮组中的第三大直齿轮固定在第四中心轴的一端并与第三小直齿轮啮合配合；第四伞齿轮组中的第四右伞齿轮固定在第四中心轴的另一端，第四伞齿轮组中的第四上伞齿轮固定在第七中心轴上并与第四右伞齿轮啮合配合，且l型圆形套筒固定在第七中心轴上，小圆形套筒的一端固定在第四上伞齿轮上；

所述第四驱动部件驱动第三小直齿轮转动，通过啮合的第三直齿轮组，即第三小直齿轮、第三大直齿轮传动带动第四中心轴转动，进而带动固定在第四中心轴上的第四右伞齿轮转动，通过啮合的第四伞齿轮组，即第四右伞齿轮、第四上伞齿轮传动带动固定在第七中心轴的l型圆形套筒转动，从而实现小圆形套筒与l型圆形套筒之间的相对转动。

优选地，所述第五驱动传动单元包括第五驱动部件和第五传动单元，第五传动单元包括第四直齿轮组和第五中心轴，第四直齿轮组包括第四大直齿轮和第四小直齿轮；其中：

第五驱动部件的输出端连接第四直齿轮组中的第四小直齿轮，第四直齿轮组中的第四大直齿轮固定在第五中心轴上且与大圆形套筒固定，同时第四大直齿轮与第四小直齿轮啮合配合；

所述第五驱动部件驱动第四小直齿轮转动，通过啮合的第四直齿轮组，即第四小直齿轮、第四大直齿轮传动带动大圆形套筒转动，从而实现大圆形套筒相对于小圆形套筒的转动。

优选地，所述的大圆形套筒、小圆形套筒、l型圆形套筒相互垂直连接固定。

优选地，所述的手术末端执行器模块，包括：传感器夹具、刀具夹具固定块、手术刀具、六维力传感器和刀具夹具；其中：

传感器夹具与位姿模块中的第八中心轴连接固定；手术刀具固定在刀具夹具的一端；刀具夹具的另一端固定在刀具夹具固定块上；刀具夹具固定块与传感器夹具连接；六维力传感器的一端连接传感器夹具，六维力传感器的另一端固定在位姿模块中的l型圆形套筒的末端；

所述六维力传感器用于在手术中实时监测手术力反馈信息，通过手前与术中ct图像导航，确保手术的精度性与安全性。

优选地，所述的手术末端执行器模块还包括：传感器夹具垫片、固定销、传感器夹具锁片，其中：

传感器夹具垫片设置于六维力传感器与l型圆形套筒的末端连接处；传感器夹具预设有孔，固定销插入传感器夹具预设的孔中，将手术刀具、刀具夹具和刀具夹具固定块整体旋入传感器夹具内，通过旋拧传感器夹具锁片将刀具夹具固定块和传感器夹具锁紧；所述刀具夹具采用旋拧的方式固定，在手术中实现快速换刀，以加快手术进程。

优选地，所述的第一驱动传动单元、第二驱动传动单元、第三驱动传动单元、第四驱动传动单元、第五驱动传动单元均具有零点位置以及紧急停止装置，其中：所述零点位置通过软件编程设计实现；紧急停止装置通过外联装置实现。

更优选地，所述的紧急停止装置为外设断电装置，断电后立即停止。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在进行颅颌面整形手术过程中，机器人能够快速进行自动定位，配合图像导航系统迅速完成手术。因此，对于减少手术创伤，提高手术时间，减少术后并发症并提高了手术成功率。本发明适用于微创外科领域，可以实时监测术中状态，具有力反馈信息，实时了解手术进程，保证手术精确性与安全性，具有重要的临床意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的装配结构剖面示意图；

图2为本发明一实施例的基座模块结构示意图；

图3为本发明一实施例的连接模块结构示意图；

图4为本发明一实施例的位姿模块结构示意图；

图5为本发明一实施例的手术末端执行器模块结构爆炸示意图；

图6为本发明一实施例的机器人手术中力反馈策略；

图中：基座模块10，连接模块20，位姿模块30，手术末端执行器模块40；

电机101，直齿轮组102，中心轴103，轴承104，伞齿轮组105，圆形套筒106，轴承107，基座轴108；

电机201，连接杆202，圆形套筒203，伞齿轮组204，中心轴205；

伺服电机301、309、316，直齿轮组302、311、317，伞齿轮组304、306、313，中心轴303、305、307、312、315、318，大圆形套筒310，小圆形套筒314，l型圆形套筒308；

传感器夹具垫片401，传感器夹具402，刀具夹具固定块403，手术刀具404，六维力传感器405，固定销406，传感器夹具锁片407，刀具夹具408。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图6所示，为颅颌面整形外科手术机器人一实施例的结构示意图，其中机器人的外壳采用的是透明有机玻璃材料，可以看到内部结构。

如图1所示，为本发明一种颅颌面整形外科手术机器人的一实施例，包括基座模块10、连接模块20、位姿模块30和手术末端执行器模块40，其中：

所述基座模块10通过螺丝固定在手术床上，所述连接模块20中的圆形套筒203通过沉头螺丝与所述基座模块10中圆形套筒106固定；所述基座模块10和所述连接模块20分别通过各自的电机驱动以实现第一圆形套筒与基座轴之间的相对转动和连接模块20与基座模块10之间的相对转动；所述连接模块20中的连接杆202通过螺丝固定连接圆形套筒203与位姿模块30中的大圆形套筒310；所述位姿模块30中的三个圆形套筒(即：大圆形套筒310、小圆形套筒314、l型圆形套筒308)互相垂直并通过螺丝固定，并分别通过一个伺服电机实现三个互相垂直方向的转动；所述手术末端执行器模块40通过螺丝固定在位姿模块30的末端。

如图2所示，在部分优选实施例中，所述的基座模块10包括：电机101、直齿轮组102、中心轴103、轴承104、伞齿轮组105、圆形套筒106、轴承107和基座轴108，直齿轮组102由啮合的大直齿轮和小直齿轮组成，伞齿轮组105由啮合的下伞齿轮和右伞齿轮组成；其中：

所述基座轴108的一端通过螺丝固定在手术床上，基座轴108的另一端与第一伞齿轮105中的下伞齿轮固定；所述轴承107支撑所述圆形套筒106；所述圆形套筒106的一端通过螺丝与连接模块20中的圆形套筒203相连；所述伞齿轮组105中的右伞齿轮与第一中心轴103固定；所述直齿轮组102中的大直齿轮固定于中心轴103的另一端；所述轴承104套在中心轴103上；所述直齿轮组102中的小直齿轮连接固定于电机101的输出端；所述电机101固定在连接模块20中的圆形套筒203上；

所述电机101通过直齿轮组102的啮合运动带动中心轴103转动，从而通过伞齿轮组105的啮合运动，提供所述基座轴108与所述圆形套筒106之间的相对转动。

如图3所示，在部分优选实施例中，所述的连接模块20包括：电机201、连接杆202、圆形套筒203、伞齿轮组204和中心轴205，伞齿轮组204由啮合的大伞齿轮和小伞齿轮组成；其中：

圆形套筒203的上端和连接杆202的下端通过螺丝固定；电机201固定在连接杆202与圆形套筒203之间，伞齿轮组204中的大伞齿轮通过螺丝固定在中心轴205上，中心轴205通过螺丝固定圆形套筒203上，伞齿轮组204中的小伞齿轮固定于电机201的输出端；

所述电机201驱动小伞齿轮转动，通过啮合的伞齿轮组204，即小伞齿轮和大伞齿轮提供转动，带动与大伞齿轮固定的圆形套筒203转动，使得圆形套筒203与基座模块10中的圆形套筒106之间实现相对转动。

如图4所示，在部分优选实施例中，所述的位姿模块30包括：伺服电机301、309、316，直齿轮组302、311、317，伞齿轮组304、306、313，中心轴303、312、318、305、315、307，大圆形套筒310，小圆形套筒314，l型圆形套筒308，直齿轮组302、311、317均由啮合的小直齿轮和大直齿轮组成，伞齿轮组304由啮合的右伞齿轮和上伞齿轮组成，伞齿轮组306由啮合的小伞齿轮和大伞齿轮组成，伞齿轮组313由啮合的右伞齿轮和上伞齿轮组成，其中：

伺服电机301、309、316通过螺丝均固定在大圆形套筒310的左端，大圆形套筒310的下端固定在连接模块20中的连接杆202上端，大圆形套筒310的左端与小圆形套筒314的一端通过螺丝连接，小圆形套筒314的另一端与l型圆形套筒308连接；

伺服电机301的输出端连接直齿轮组302中的小直齿轮，直齿轮组302中的大直齿轮固定在中心轴303的一端并与直齿轮组302中的小直齿轮啮合配合；中心轴303的另一端与伞齿轮组304中的右伞齿轮固定，伞齿轮组304中的上伞齿轮固定在中心轴305的一端并与伞齿轮304中的右伞齿轮啮合配合，中心轴305的另一端与伞齿轮组306中的小伞齿轮固定，伞齿轮组306中的大伞齿轮固定在中心轴307的一端并与伞齿轮组306中的小伞齿轮啮合配合，手术末端执行器模块40固定在中心轴307的另一端；所述伺服电机301驱动直齿轮组302中的小直齿轮转动，通过啮合的直齿轮组302传动，带动啮合的伞齿轮组304转动，再而带动啮合的伞齿轮组306转动，使得固定在中心轴上307的手术末端执行器40模块转动；

伺服电机309的输出端连接直齿轮组311中的小直齿轮，直齿轮组311中的大直齿轮固定在中心轴312的一端并与直齿轮组311中的小直齿轮啮合配合；伞齿轮组313中的右伞齿轮固定在中心轴312的另一端，伞齿轮组313中的上伞齿轮固定在中心轴315上并与伞齿轮组313中的右伞齿轮啮合配合，l型圆形套筒308固定在中心轴315上，小圆形套筒314的一端固定在伞齿轮组313中的上伞齿轮上；所述伺服电机309驱动第三直齿轮组311中的小直齿轮转动，通过啮合的第三直齿轮组311传动，带动啮合的伞齿轮组313转动，从而实现小圆形套筒314与l型圆形套筒之间308的相对转动；

伺服电机316的输出端连接直齿轮组317中的小直齿轮，直齿轮组317中的大直齿轮固定在中心轴318上并与直齿轮组317中的小直齿轮啮合配合，直齿轮组317中的大直齿轮与大圆形套筒310固定；所述伺服电机316带动直齿轮组317中的小直齿轮转动，通过直齿轮组317的啮合传动，从而实现大圆形套筒310与小圆形套筒314之间的相对转动。

如图5所示，在部分优选实施例中，所述的手术末端执行器模块，包括：传感器夹具垫片401，传感器夹具402，刀具夹具固定块403，手术刀具404，六维力传感器405，固定销406，传感器夹具锁片407，刀具夹具408；其中：

传感器夹具402与位姿模块30中的第八中心轴307连接固定；六维力传感器405的一端连接传感器夹具402，六维力传感器405的另一端固定在位姿模块30中的l型圆形套筒308的末端；传感器夹具402的两端分别由传感器夹具锁片407和传感器夹具垫片401固定；手术刀具404通过螺丝固定在刀具夹具408上；刀具夹具408通过螺丝固定在刀具夹具固定块403上；将四个固定销406插入传感器夹具402预设的孔中，最后将手术刀具404、刀具夹具408和刀具夹具固定块403整体旋入传感器夹具402内。

上述各个优选的实施结构，可以单独使用，也可以多个组合使用，组合使用时效果更好。当然，也可以采用其他的驱动传动单元来实现，只要能实现本发明中所述的作用。

基于上述实施例，本发明使用情况：术前通过患者ct图像重建病患区三维模型，术前进行手术规划，在软件中实现需要进行的钻孔等手术操作；根据病人实体模型设置相匹配的咬合板标志物，这样可以实现实物模型与虚拟模型的增强现实匹配图像；术前还需将所述机器人进行消毒处理并将所述机器人安装在手术床上调试好。手术开始后，根据病人术前手术规划，对病人进行适当的消毒、麻醉；调试好所述机器人相应的程序后，医生在手术末端执行器中装入适当的手术刀具；医生启动所述机器人后，机器人则按手术规划完成手术，遇紧急情况则由医生干预处理完成手术。

为考虑手术的安全性，在一优选实施例中，所述的电机101，电机203，伺服电机301、311、321都具有零点位置及紧急停止装置；其中：所述零点位置通过软件编程设计实现；所述紧急停止装置通过外联装置实现。所述机器人能在程序设计编译完毕的情况下，实现自动精确定位，待手术完成后，自动退回并停止。

在一优选实施例中，颅颌面整形手术由5个电机(电机101，电机203，伺服电机301、311、321)带动所述机器人来共同协作完成。如图6所示，在所有电机运动前，先检查术前规划的零点位置，如不在零点位置，可以通过软件调节所述机器人使其到达零点位置；当所述机器人到达指定零点位置后，所述机器人开始实施钻孔程序，六维力传感器开始计算钻孔力的大小，如判断已达到第一个峰值，则可以继续进行钻孔；如若连续出现两个峰值，则立刻停止钻孔；否则，则继续进行钻孔直至出现两个峰值后停止钻孔。

所述的手术末端执行器模块中刀具夹具采用旋拧的设计固定，可以实现术中快速更换刀具，所述的机器人可以沿着上述钻完的孔完成截骨手术，这样大大减轻了医生的工作量并完成精确、安全的手术。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。