专利名称：一种用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗用的机器人设备，具体地说，是指一种采用小型化、模块化设计的，具有龙门型单闭环并联结构的用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人。
背景技术：
目前，骨科手术的治疗已经从传统的闭合整复转向微创外科手术治疗，髓内钉内固定术作为一种典型的微创外科手术正逐渐成为治疗长骨骨折的首选术式。手术过程中将髓内钉植入折骨的骨髓腔内，在近端和远端分别用螺钉锁定，起到固定骨折的作用，这种微创手术对患者的损伤较小、固定效果好、有利于患者术后的恢复。这种微创手术要求在闭合状态下完成髓内钉的锁定，对于近端孔的锁定可以借助于机械瞄准器(髓内钉厂商提供)完成；而远端孔由于距离入点较远，并且髓内钉在插入骨髓腔后会有一定的形变，因此远端孔的锁定一直都是开展这一手术的难点。传统的手术中医生只有借助于C型臂X光的透视，来完成髓内钉远端锁定，不仅需要长时间的暴露在X光辐射下，而且对于医生的经验和技巧有较高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人，该模块化骨科机器人由两个运动平面组成龙门型单闭环并联机器人结构，其底座是静平台，两个导向关节中心的连线是动平台，动、静平台间的支链由水平运动关节和垂直运动关节串联而成。本发明的模块化骨科机器人通过双平面定位方式，解决了在有限的手术空间中完成对手术路径的导航，辅助医生完成髓内钉远端孔锁定操作。
本发明是一种用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人，由垂直运动关节A、垂直运动关节B、水平运动关节A、水平运动关节B、底座、连接板A、连接板B、导向关节A、导向关节B和四个步进电机构成。垂直运动关节A和垂直运动关节B的结构相同，且互相平行固定安装在底座上；水平运动关节A和水平运动关节B的结构相同，水平运动关节A安装在垂直运动关节A上，水平运动关节B安装在垂直运动关节B上；连接板A和连接板B的结构相同，且互相平行固定安装在垂直运动关节A和垂直运动关节B的连接位上；导向关节A和导向关节B的结构相同，导向关节A安装在水平运动关节A上，导向关节B安装在水平运动关节B上；底座为四边形；四个步进电机的输出轴分别通过联轴器与各自驱动的丝杠连接。
所述的模块化骨科机器人，其水平运动关节A串行联接在垂直运动关节A的输出端上，构成一个运动平面；水平运动关节B串行联接在垂直运动关节B的输出端上，构成另一个运动平面；这两个相互平行的运动平面组成龙门型单闭环并联机器人结构。
本发明的步进电机驱动丝杠转动，从而使垂直运动关节A和垂直运动关节B上的滑块随丝杠上下运动，水平运动关节A和水平运动关节B上的滑块随丝杠前后运动。
本发明模块化骨科机器人的优点在于(1)机械结构采用小型化、模块化设计，有利于拆卸和组装，也便于对机械结构进行消毒灭菌；(2)双平面定位机构使髓内钉远端孔锁定操作更精确，合理；(3)结构紧凑、操作简便、成本低廉等优点。
图1是本发明骨科机器人的整体结构图。
图2A是垂直运动关节A的结构图。
图2B是垂直滑块的结构图。
图2C是锁扣的结构图。
图3A是水平运动关节A的结构图。
图3B是水平滑块的结构图。
图4是导向关节A的结构图。
图中 1.垂直运动关节A 101.骨架 103.连接座104.锁扣 105.步进电机 106.光轴B 107.丝杠 108.光轴A109.连接位A 110.连接位B114.连接柱115.锁板 116.锁板柱117.卡槽 120.垂直滑块A 121.光轴孔A 122.丝杠孔123.光轴孔B124.锁扣 125.槽 126.凸面端127.安装孔2.水平运动关节A 201.骨架 205.步进电机 206.光轴B207.丝杠 208.光轴A 220.水平滑块 221.光轴孔A 222.丝杠孔223.光轴孔B 224.安装孔 225.凸面3.导向关节A 301.U形关节座 302.导向筒303.通孔 304.销孔305.导向轴 4.底座 5.连接板A 6.连接板B 7.垂直运动关节B703.连接座 720.垂直滑块B 8.水平运动关节B 9.导向关节B具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人，由垂直运动关节A1、垂直运动关节B7、水平运动关节A2、水平运动关节B8、底座4、连接板A5、连接板B6、导向关节A3、导向关节B9和四个步进电机构成。请参见附图所示，各器件的连接关系通过下列表述进行说明垂直运动关节A1和垂直运动关节B7的结构相同，且互相平行固定安装在底座4上；水平运动关节A2和水平运动关节B8的结构相同，水平运动关节A2安装在垂直运动关节A1上，水平运动关节B8安装在垂直运动关节B7上；连接板A5和连接板B6的结构相同，且互相平行固定安装在垂直运动关节A1和垂直运动关节B7的连接位上；其中，连接板A5的一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节A1的连接位A109上，连接板A5的另一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节B7的连接位上；连接板B6的一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节A1的连接位A110上，连接板B6的另一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节B7的连接位上；导向关节A3和导向关节B9的结构相同，导向关节A3安装在水平运动关节A2上，导向关节B9安装在水平运动关节B8上；导向关节A3和导向关节B9的中心连线构成髓内钉远端锁定的空间直线路径。
底座4为四边形。
四个步进电机的输出轴分别通过联轴器与各自驱动的丝杠连接；在本发明中，步进电机的工作电流为1.5A，其驱动丝杠转动，从而使垂直运动关节A1和垂直运动关节B7上的滑块随丝杠上下运动，水平运动关节A2和水平运动关节B8上的滑块随丝杠前后运动。
请参见图2A、图2B和图2C所示，所述的垂直运动关节A1由骨架101、连接座103、光轴A108、光轴B106、丝杠107、垂直滑块A120和步进电机105构成；所述垂直滑块A120上设有供水平运动关节A2的骨架201安装的槽125，槽125的一端上有螺纹孔127，螺纹孔127内安装有锁扣104的连接柱114；其凸面端126上设有光轴孔A123、丝杠孔122和光轴孔B121(请参见图2B所示)；所述骨架101为机械加工一体件，骨架101中部为U形空腔，垂直滑块A120的凸面端126卡合在U形空腔内，光轴A108、丝杠107和光轴B106分别穿过垂直滑块A120上的光轴孔A123、丝杠孔122和光轴孔B121后安装在骨架101中部的U形空腔内，丝杠107放置在光轴A108和光轴B106的中间，光轴A108在光轴孔A123内滑动配合运动，光轴B106在光轴孔B121内滑动配合运动，丝杠107在丝杠孔122内螺纹配合运动，丝杠107一端通过联轴器与安装在骨架101上端面的步进电机105输出轴连接；骨架101下端面通过螺钉连接有连接座103，连接座103上安装有锁扣104；骨架101上设有带螺纹孔的连接位A109和连接位B110，连接位A109和连接位B110上通过螺钉与螺纹孔配合将连接板A5和连接板B6平行安装在其上；所述锁扣由连接柱114和锁板115构成，连接柱114安装在锁板115一端的螺纹孔内，锁板115的另一端是锁板柱116，锁板115的中心设有卡槽117(请参见图2C所示)；本发明中的锁扣以连接柱114为转动点进行运动，通过卡槽117卡紧。
请参见图3A、图3B所示，所述的水平运动关节A2由骨架201、光轴A208、丝杠207、光轴B206、水平滑块220和步进电机205构成；所述水平滑块220上设有光轴孔A221、丝杠孔222、光轴孔B223和用于安装导向关节A3的导向轴305的安装孔224，安装孔224、以及固定安装导向关节A3的安装孔(图3B中未标出图标，即在安装孔224两边的孔)设在凸面端225上；所述骨架201为机械加工一体件，骨架201中部为U形空腔，水平滑块220卡合在U形空腔内，光轴A208、丝杠207和光轴B206分别穿过水平滑块220上的光轴孔A221、丝杠孔222和光轴孔B223后安装在骨架101中部的U形空腔内，丝杠207放置在光轴A208和光轴B206的中间，光轴A208在光轴孔A221内滑动配合运动，光轴B206在光轴孔B223内滑动配合运动，丝杠207在丝杠孔222内螺纹配合运动，丝杠207一端通过联轴器与安装在骨架201端面的步进电机205输出轴连接；请参见图4所示，所述的导向关节A3由U形关节座301、导向轴305和导向筒302构成，导向筒302安装在U形关节座301内；所述导向筒302的中心设有通孔303；所述导向轴305的一端通过螺纹连接在U形关节座301的下端，另一端安装在水平滑块220的安装孔224内；所述U形关节座301的两个侧面上分别设有销孔304。本发明中的导向关节A3绕导向轴305的轴线转动，导向筒302绕穿过U形关节座301上销孔304的销子转动。
在本发明中，水平运动关节A2串行联接在垂直运动关节A1的输出端上，构成一个运动平面；水平运动关节B8串行联接在垂直运动关节B7的输出端上，构成另一个运动平面；这两个相互平行的运动平面组成龙门型单闭环并联机器人结构。模块化骨科机器人的底座4是静平台，两个导向关节(导向关节A3和导向关节B9)的中心连线是动平台，动、静平台间有两个支链，其中，一个支链由水平运动关节A2和垂直运动关节A1串联构成；另一个支链由水平运动关节B8和垂直运动关节B7串联构成。本发明的模块化骨科机器人的输出是一直线路径，在髓内钉内固定手术中使用时即为穿过髓内钉远端孔的手术路径。因此，本发明的模块化骨科机器人可用于引导医生完成髓内钉内固定手术中的远端锁定操作。
本发明的用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人，是针对髓内钉手术的临床需求和手术环境，以实用性和适用性为基本的出发点，结合双平面定位原理，采用小型化、模块化的设计思想，开发的骨科手术辅助机器人。本发明综合利用了机械设计、机构学、机器人学等多门学科技术，解决了髓内钉内固定手术中路径导航的问题。该机器人既为髓内钉远端锁定提供了稳定可靠的手术导航方法，又能简单的拆卸和组装，便于消毒灭菌操作，并且具有结构紧凑、操作简便、成本低廉等优点，适合在我国的国情下进行临床应用的推广。
权利要求
1.一种用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人，其特征在于由垂直运动关节A(1)、垂直运动关节B(7)、水平运动关节A(2)、水平运动关节B(8)、底座(4)、连接板A(5)、连接板B(6)、导向关节A(3)、导向关节B(9)和四个步进电机构成，垂直运动关节A(1)和垂直运动关节B(7)的结构相同，且互相平行固定安装在底座(4)上；水平运动关节A(2)和水平运动关节B(8)的结构相同，水平运动关节A(2)安装在垂直运动关节A(1)上，水平运动关节B(8)安装在垂直运动关节B(7)上；连接板A(5)和连接板B(6)的结构相同，且互相平行固定安装在垂直运动关节A(1)和垂直运动关节B(7)的连接位上；其中，连接板A(5)的一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节A(1)的连接位A(109)上，连接板A(5)的另一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节B(7)的连接位上；连接板B(6)的一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节A(1)的连接位B(110)上，连接板B(6)的另一端通过螺钉固定安装在垂直运动关节B(7)的连接位上；导向关节A(3)和导向关节B(9)的结构相同，导向关节A(3)安装在水平运动关节A(2)上，导向关节B(9)安装在水平运动关节B(8)上；底座(4)为四边形；四个步进电机的输出轴分别通过联轴器与各自驱动的丝杠连接；所述的垂直运动关节A(1)由骨架(101)、连接座(103)、光轴A(108)、光轴B(106)、丝杠(107)、垂直滑块A(120)和步进电机(105)构成；所述垂直滑块A(120)上设有供水平运动关节A(2)的骨架(201)安装的槽(125)，槽(125)的一端上有螺纹孔(127)，螺纹孔(127)内安装有锁扣(104)的连接柱(114)；其凸面端(126)上设有光轴孔A(123)、丝杠孔(122)和光轴孔B(121)；所述骨架(101)为机械加工一体件，骨架(101)中部为U形空腔，垂直滑块A(120)的凸面端(126)卡合在U形空腔内，光轴A(108)、丝杠(107)和光轴B(106)分别穿过垂直滑块A(120)上的光轴孔A(123)、丝杠孔(122)和光轴孔B(121)后安装在骨架(101)中部的U形空腔内，丝杠(107)放置在光轴A(108)和光轴B(106)的中间，光轴A(108)在光轴孔A(123)内滑动配合运动，光轴B(106)在光轴孔B(121)内滑动配合运动，丝杠(107)在丝杠孔(122)内螺纹配合运动，丝杠(107)一端通过联轴器与安装在骨架(101)上端面的步进电机(105)输出轴连接；骨架(101)下端面通过螺钉连接有连接座(103)，连接座(103)上安装有锁扣(104)；骨架(101)上设有带螺纹孔的连接位A(109)和连接位B(110)，连接位A(109)和连接位B(110)上通过螺钉与螺纹孔配合将连接板A(5)和连接板B(6)平行安装在其上；所述锁扣(104、124)由连接柱(114)和锁板(115)构成，连接柱(114)安装在锁板(115)一端的螺纹孔内，锁板(115)的另一端是锁板柱(116)，锁板(115)的中心设有卡槽(117)；所述的水平运动关节A(2)由骨架(201)、光轴A(208)、丝杠(207)、光轴B(206)、水平滑块(220)和步进电机(205)构成；所述水平滑块(220)上设有光轴孔A(221)、丝杠孔(222)、光轴孔B(223)和用于安装导向关节A(3)的导向轴(305)的安装孔(224)；所述骨架(201)为机械加工一体件，骨架(201)中部为U形空腔，水平滑块(220)卡合在U形空腔内，光轴A(208)、丝杠(207)和光轴B(206)分别穿过水平滑块(220)上的光轴孔A(221)、丝杠孔(222)和光轴孔B(223)后安装在骨架(101)中部的U形空腔内，丝杠(207)放置在光轴A(208)和光轴B(206)的中间，光轴A(208)在光轴孔A(221)内滑动配合运动，光轴B(206)在光轴孔B(223)内滑动配合运动，丝杠(207)在丝杠孔(222)内螺纹配合运动，丝杠(207)一端通过联轴器与安装在骨架(201)端面的步进电机(205)输出轴连接；所述的导向关节A(3)由U形关节座(301)、导向轴(305)和导向筒(302)构成，导向筒(302)安装在U形关节座(301)内；所述导向筒(302)的中心设有通孔(303)；所述导向轴(305)的一端通过螺纹连接在U形关节座(301)的下端，另一端安装在水平滑块(220)的安装孔(224)内；所述U形关节座(301)的两个侧面上分别设有销孔(304)。
2.根据权利要求1所述的模块化骨科机器人，其特征在于水平运动关节A(2)串行联接在垂直运动关节A(1)的输出端上，构成一个运动平面；水平运动关节B(8)串行联接在垂直运动关节B(7)的输出端上，构成另一个运动平面；这两个相互平行的运动平面组成龙门型单闭环并联机器人结构。
3.根据权利要求1所述的模块化骨科机器人，其特征在于导向关节A(3)和导向关节B(9)的中心连线构成髓内钉远端锁定的空间直线路径。
4.根据权利要求1所述的模块化骨科机器人，其特征在于导向关节A(3)绕导向轴(305)的轴线转动，导向筒(302)绕穿过U形关节座(301)上销孔(304)的销子转动。
5.根据权利要求1所述的模块化骨科机器人，其特征在于锁扣以连接柱(114)为转动点。
6.根据权利要求1所述的模块化骨科机器人，其特征在于四个步进电机的工作电流为1.5A。
全文摘要
本发明公开了一种用于辅助髓内钉远端锁定的模块化骨科机器人，其包括垂直运动关节A、垂直运动关节B、水平运动关节A、水平运动关节B、底座、连接板A、连接板B、导向关节A、导向关节B和四个步进电机，该模块化骨科机器人由两个运动平面组成龙门型单闭环并联机器人结构，其底座是静平台，两个导向关节中心的连线是动平台，动、静平台间的支链由水平运动关节和垂直运动关节串联而成。本发明综合利用了机械设计、机构学、机器人学等多门学科技术，解决了髓内钉内固定手术中路径导航的问题。该机器人既为髓内钉远端锁定提供了稳定可靠的手术导航方法，又能简单地拆卸和组装，便于消毒灭菌操作，并且具有结构紧凑、操作简便、成本低廉等优点。
文档编号A61B19/00GK1775488SQ20051013473
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年12月21日
发明者王满宜, 王田苗, 王军强, 胡磊, 赵春鹏, 王豫, 苏永刚, 刘文勇, 周力, 徐颖, 张 杰, 张维军, 张丰全, 张家磊, 张利军, 张薇 申请人:王满宜, 王田苗