踝关节融合手术机器人的制作方法

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种踝关节融合手术机器人。

背景技术：

踝关节融合术是一种将踝关节骨性结构进行融合的手术，可借以减轻疼痛、终止病变或提供关节稳定性。主要的适应症：踝关节骨折或类风湿关节炎等退行性改变导致的继发性疼痛，与关节炎进行性发展有关的踝关节排列错乱，经常规治疗不能改善功能缓解疼痛的，均需要考虑通过关节融合来进行治疗。其中包括：1.踝关节创伤性关节炎引起的严重关节功能障碍，或顽固的关节疼痛；2.结核性或化脓性关节炎后期遗留的严重关节疼痛；3.由于神经病变或损伤而致肌肉瘫痪，引起关节严重不稳，包括脊髓灰质炎后遗症，严重的外周或中枢神经损伤等；4.先天或后天性畸形；5.严重类风湿或骨关节炎；6.人工踝关节置换术失败；7.踝关节肿瘤、感染；8.距骨缺血性坏死。在踝关节融合手术中，通常需要用2～3枚固定钉内将胫腓骨下端、内外踝及距骨体融合固定，以强化和固定踝关节。由于该手术基本由医务人员手动操作完成，且程序复杂，透视次数较多，劳动强度大，导致手术效率不高。近年来，为简化手术程序，减少透视次数，降低劳动强度，本领域技术人员提出了可以进行该手术的机器人，对降低劳动强度有一定帮助，但仍存在以下缺陷：

1)没有固定钉输送系统，无法自动完成运送及安装固定钉；

2)没有独立的固定驱动系统，稳定性差。现有技术采取机械手进行固定操作，但由于机械手为实现多自由度，各组合段之间多通过活动关节进行连接，刚度相对较差，而将固定钉钉入骨或关节，需要较大的作用力和力矩，操作时，机械手难免出现不稳定的情况，与计算路径仍然存在偏差，进而影响手术的可靠性；

3)没有具有自导向功能的固定钉，需要克氏针导向，增加了手术程序，延长了手术时间。

因此，有必要研发一种踝关节融合手术机器人，可自动完成对具有自导向功能的固定钉的输送、安装及固定驱动，使踝关节融合手术机械化、自动化及智能化，提高手术效率和质量，降低手术成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种踝关节融合手术机器人。

本发明的目的通过以下方案实现：

踝关节融合手术机器人，包括:

固定钉，具有自导向功能，用于踝关节的固定，所述固定钉包括旋转驱动结构、钉体、直径小于钉体且与钉体同轴一体设置的导向杆和同轴一体设置在钉体与导向杆之间的锥状过渡段，所述钉体与锥状过渡段均设置外螺旋切削刃，所述导向杆的端部设置有切削引导头，所述切削引导头设置有180°双侧切削刃，所述切削刃具有30-120°的刃尖，所述旋转驱动结构包括外六角驱动头和设置在钉体中部与外六角驱动头相配合的内六角孔，

固定钉输送系统，用于固定钉的存放、选择和输送，

固定钉钉入驱动系统，用于将固定钉钉入踝关节，

机械手,具有七自由度，用于将固定钉从输送系统移送至驱动系统，

导航系统，用于固定固定钉，并确定固定钉钉入的空间位置，包括固定装置和CT扫描仪，固定装置用于对踝关节前端的脚掌及后端的小腿进行固定，CT扫描仪用于对踝关节扫描成像，

控制系统，用于对固定钉输送系统、固定钉钉入驱动系统、机械手及导航系统的控制，以自动完成踝关节融合手术，所述控制系统包括存储器、处理芯片及输入输出设备，所述处理芯片与存储器、输入输出设备、固定装置、CT扫描仪、固定钉输送系统及固定钉钉入驱动系统电性连通。

进一步，所述内六角孔的深度为40-60mm。

进一步，所述固定钉输送系统包括固定壳和多个可一根一根输出固定钉的出料单元，以及设置在多个出料单元下方接料并送料的送料装置，

所述出料单元包括从上到下依次设置在固定壳内的存料斗、出料斗及旋转拔料机构，任一所述存料斗可同向存放多根同规格的固定钉，所述出料斗具有与存料斗出口尺寸相同且连接密封在一起的进钉口，具有固定钉只能一根根单独通过的出钉口，所述旋转拔料机构包括设置在出钉口下方的拔料转轴、套装于所述拔料转轴上的拔料轮和固定于所述拔料转轴一端的驱动电机，所述拔料轮的外圆周上均布有多个拔料通槽，所述拔料通槽为具有与固定钉的外形相适应的弧形缺口，

所述固定壳的底部设置出料口，所述出料口的上方设置有用于接纳所有旋转拔料机构拔出来的固定钉的汇集空间，

所述送料装置包括设置在出料口下方的输送带和导向机构。

进一步，所述导向机构包括两根对称布置在输送带纵向两侧的导向板，两导向板与输送方向呈远小近大的锥度设置。

进一步，所述固定钉钉入驱动系统包括：

支架，具有多自由度，在笛卡尔坐标系中，至少具有Y轴方向的移动自由度、XOZ平面及YOZ平面的旋转自由度，

支架包括Z向臂、X向臂及Y向伸缩缸，X向臂通过球铰固定在Z向臂的顶端，所述Y向伸缩缸通过旋转电机固定在X向臂的远端，所述固定座通过球铰固定在Y向伸缩缸的近端，所述Z向臂与X向臂之间设置XOZ平面旋转缸，所述Y向伸缩缸与固定座之间设置有YOZ平面旋转缸。

固定钉，固定在该支架上，

滑动配合座，设置在固定钉与支架之间，包括固定座和滑动座，固定座固定在支架顶部，滑动座固定在固定钉底部，固定座上设置有与固定钉轴线方向平行的T型滑槽，滑动座上设置有与T型滑槽滑动配合的T型滑条，

导向座，包括对称设置在固定钉轴向两侧的左导向座和右导向座，所述左座体和右座体均包括支承座、导向半圆套及设置在支承座与导向半圆套之间可调节两者距离的调节机构。

进一步，还包括可对固定钉进行行进驱动的驱动缸，所述驱动缸的缸座固定在固定座上，活塞端固定在固定钉上。

进一步，所述固定装置包括底板及分别固定于所述底板前后两端的小腿固定位和脚掌固定位，

小腿固定位包括左小腿固定位和右小腿固定位，左小腿固定位和右小腿固定位均包括小腿固定左块和小腿固定右块，小腿固定左块设置有水平向左凹的小腿固定左弧面，小腿固定右块设置有与小腿固定左弧面对称的小腿固定右弧面，左小腿固定位的小腿固定左块通过伸缩装置I与小腿固定右块可移动连接，右小腿固定位的小腿固定右块通过伸缩装置II与小腿固定左块可移动连接，

脚掌固定位包括左脚掌固定位和右脚掌固定位，左脚掌固定位和右脚掌固定位均包括脚掌固定左块和脚掌固定右块，脚掌固定左块设置有水平向左凹的脚掌固定左弧面，左脚掌固定位的脚掌固定左块通过伸缩装置III与脚掌固定右块可移动连接，右脚掌固定位的脚掌固定右块通过伸缩装置IV与脚掌固定左块可移动连接，

小腿固定左块一体设置有等高的小腿固定左底块，所述小腿固定左底块具有与小腿固定左弧面相接的小腿支撑左弧面，

小腿固定右块一体设置有等高的小腿固定右底块，小腿固定右底块具有与小腿固定右弧面弧形相接的小腿支撑右弧面；

脚掌固定左块一体设置有等高的脚掌固定左底块，所述脚掌固定左底块具有与脚掌固定左弧面相接的脚掌支撑左弧面，

脚掌固定右块一体设置有等高的脚掌固定右底块，脚掌固定右底块具有与脚掌固定右弧面弧形相接的脚掌支撑右弧面；

小腿固定位还包括小腿压紧装置，所述小腿压紧装置包括左小腿压块、右小腿压块、伸缩装置V及承压梁，所述左小腿压块和右小腿压块分别固定在承压梁的两端，承压梁的另一侧的中部与伸缩装置V固定，伸缩装置V的另一端与底板固定；

脚掌固定位还包括脚掌压紧装置，所述脚掌压紧装置包括左脚掌压块、右脚掌压块、伸缩装置VI及支承梁，所述左脚掌压块和右脚掌压块分别固定在支承梁的两端，支承梁的另一侧的中部与伸缩装置VI固定，伸缩装置VI的另一端与底板固定；

左小腿压块和右小腿压块上对称设置有小腿压紧凹面，左脚掌压块和右脚掌压块上对称设置有脚掌压紧凹面，

进一步，所述CT扫描仪包括设置在小腿固定位与脚掌固定位之间呈上下分布的CT扫描上半圆模块及CT扫描下半圆模块。

进一步，所述导航系统还包括与CT扫描上半圆模块可拆卸连接且具有七自由度的移动机械手。

进一步，所述脚掌固定左弧面、脚掌固定右弧面、小腿固定左弧面和小腿固定右弧面上设置有一段用于侧面限位的侧挡面，所述侧挡面为与各弧面的上末端相切的竖直面。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过固定钉输送系统可分选出指定的不同规格的固定钉，再通过送料装置可将选出的固定钉一根一根的送出，实现了固定钉的自动送料；

2、本发明通过导航系统对踝关节形成有效固定，并通过CT扫描仪可将踝关节实时的空间位置准确传递到控制系统，通过控制系统对实时空间位置与模型进行高度拟合，进而得到固定钉实际的固定位置、钉入方向及钉入点，进而完成固定钉的准确钉入；

3、本发明通过固定钉钉入驱动系统使固定钉具有多自由度、运动路径稳定可靠，提高了钉入质量；

4、本发明通过导向杆与切削引导头组合结构使固定钉具有自导向功能，可直接一次性旋入完成固定操作，简化了程序，提高了效率；

5、本发明通过控制系统对各功能系统的统一控制，使各功能系统协同作业，自动进行踝关节融合手术。

总之，本发明能在控制系统自动控制下，一次性自动完成对具有自导向功能的固定钉的输送、固定、空间定位及固定驱动等操作，使踝关节融合手术实现机械化、自动化及智能化，其手术效率、质量显著提高，对于提高手术效率、降低手术成本具有重大的现实意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明踝关节融合手术机器人的三维示意图；

图2为固定钉的三维示意图；

图3为固定钉去掉旋转驱动结构后的主视图；

图4为图3的左视图；

图5为图3的局部放大图；

图6为固定钉输送系统的三维示意图；

图7为外壳的主视图；

图8为外壳的俯视图；

图9为出料单元的主视图；

图10为图9的左视图；

图11为固定外壳的主视图；

图12为图11的俯视图；

图13为固定钉钉入驱动系统的三维示意图；

图14为固定钉钉入驱动系统的主视图；

图15为图14的俯视图；

图16为图14的顶视图；

图17为导航系统的三维示意图；

图18为导航系统的主视图；

图19为图18的左视图；

图20为固定装置的三维示意图；

图21为固定装置的俯视图；

图22为图21的左视图；

图23为图21的右视图；

图24为本发明数据信息获取示意图。

附图标记：

1-固定钉；2-固定钉输送系统；3-固定钉钉入驱动系统；4-机械手；5-导航系统；6-控制系统；7-存储器；8-处理芯片；9-输入输出设备；10-钉体；11-导向杆；12-锥状过渡段；13-外螺旋切削刃；14-切削引导头；15-外六角驱动头；16-内六角孔；17-外壳；18-固定壳；19-出料单元；20-送料装置；21-出料单元容纳腔；22-存料斗；23-出料斗；24-锥形过渡段；25-拔料转轴；26-拔料轮；27-驱动电机；28-拔料通槽；29-出料口；30-汇集空间；31-输送带；32-导向板；33-固定装置；34-CT扫描仪；35-出料通道；36-支架；37-滑动配合座；38-导向座；39-Z向臂；40-X向臂；41-Y向伸缩缸；42-固定座；43-滑动座；44-XOZ平面旋转缸；45-YOZ平面旋转缸；46-支承座；47-导向半圆套；48-调节机构；49-左小腿固定位；50-右小腿固定位；51-小腿固定左块；52-小腿固定右块；53-电动推杆I；54-电动推杆I I；55-左脚掌固定位；56-右脚掌固定位；57-脚掌固定左块；58-脚掌固定右块；59-电动推杆III；60-电动推杆IV；61-导向杆；62-小腿固定左底块；63-小腿固定右底块；64-脚掌固定左底块；65-脚掌固定右底块；66-左小腿压块；67-右小腿压块；68-电动推杆V；69-承压梁；70-左脚掌压块；71-右脚掌压块；72-电动推杆VI；73-支承梁；74-CT扫描上半圆模块；75-CT扫描下半圆模块；76-移动机械手；77-侧挡面；78-T型滑槽；79-T型滑条；80-骨钻；81-底板；82-小腿固定位；83-脚掌固定位。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，为本发明的踝关节融合手术机器人，包括：

固定钉1，具有自导向功能，用于踝关节的固定，具体的结构如图2-图5所示：包括旋转驱动结构、钉体10、直径小于钉体且与钉体同轴一体设置的导向杆11和同轴一体设置在钉体与导向杆之间的锥状过渡段12，钉体与锥状过渡段均设置外螺旋切削刃13，导向杆的端部设置有切削引导头14，切削引导头设置有180°双侧切削刃，切削刃具有30-120°的刃尖，旋转驱动结构包括外六角驱动头15和设置在钉体中部与外六角驱动头相配合的内六角孔16，由于外六角驱动头与内六角孔匹配，孔径相对较小，不方便与驱动系统连接，为解决此问题，本实施例的外六角驱动头还包括一体设置在外六角驱动头端部的外四方动力端，这样，可将外四方动力端的尺寸设置得较大一些，方便与驱动系统连接，实现传动，同样，为传送相对大的转动力矩，内六角孔需要一定的深度才能得到较大的受力面积从而提高传递力矩的能力，同时，还需考虑手术中固定钉存在折断，以及术后需要取出的情况，经过发明人深入的理论研究和反复的临床试验认为：内六角孔的深度至少为40mm，可以达到满意效果，结合加工的方便性，最终认为内六角孔的深度40-60mm是最佳的，

固定钉输送系统2，用于固定钉的存放、选择和输送，具体结构如图6-12所示：包括外壳17、固定壳18、多个出料单元19及送料装置20，外壳具有容纳固定壳的空腔，固定壳可拆卸地放置在空腔内，固定壳内并排设置有多个出料单元容纳腔21，出料单元一一对应放置在出料单元容纳腔内，具体的，出料单元包括从上到下依次设置的存料斗22、出料斗23及旋转拔料机构，任一存料斗可同向存放多根同一规格的固定钉，即同一存料斗只存放一种规格的固定钉，不同存料斗存放不同规格的固定钉，这样，在具体使用时，可根据具体情况，存放多种规格的固定钉，以适应不同的需要，本实施例的出料斗具有与存料斗出口尺寸相同且连接在一起的进钉口，可与存料斗形成无缝联接，无泄漏，接料准确可靠，同时，还具有固定钉只能一根根单独通过的出钉口，为实现此目标，本实施例的出料斗在进钉口与出钉口之间的区域设置为锥形过渡段24，锥形过渡段的大端与可空纳多根固定钉，小端只能容纳一根固定钉，如将锥形过渡段的大端设置为：长与固定钉长度相同或略长、宽比固定钉直径大得多的尺寸，而在小端设置为：长与固定钉长度相同或略长、宽与固定钉直径差不多的尺寸即可；本实施例的旋转拔料机构包括设置在出钉口下方的拔料转轴25、套装于拔料转轴上的拔料轮26和固定于拔料转轴一端的驱动电机27，拔料轮的外圆周上均布有多个拔料通槽28，拔料通槽为具有与固定钉的外形相适应的弧形缺口，固定壳的底部设置出料口29，出料口的上方设置有用于接纳所有旋转拔料机构出来的固定钉的汇集空间30，通过汇集空间将所有固定钉集中起来，本实施例还包括送料装置，其包括设置在出料口下方的输送带31和导向机构，导向机构包括两根对称布置在输送带纵向两侧的导向板32，两导向板一端通过铰链可旋转固定在空腔的下方，一端通过伸缩机构可调整的固定在输送带的前方，伸缩机构可以是气缸、油缸等现有技术，使两导向板与输送方向呈远小近大的锥度，对进入输送带的固定钉进行导向，将固定钉送入外壳在输送带的输出端设置的出料通道35上，从而实现分选和输送，

具体的分选过程：

当固定钉在重力作用下掉入弧形缺口时，驱动电机启动，驱动拔料转轴、拔料轮旋转，同时带动固定钉旋转，当旋转到一定角度，固定钉在重力作用下滑出弧形缺口掉入汇集空间实现分选，

具体的输送过程：

在汇集空间内的固定钉通过出料口来到输送带上，输送带的移动带动固定钉同行移动，在移动的同时，导向机构开始工作，由于两导向板与输送方向呈远小近大的锥度，对固定钉进行导向，将固定钉准确送入出料通道，从而实现运送，

固定钉钉入驱动系统3，用于将固定钉钉入踝关节，具体结构如图13-图16所示，包括支架36、骨钻、滑动配合座37及导向座38，在笛卡尔坐标系中，支架包括Z向臂39、X向臂40及Y向伸缩缸41，滑动配合座设置在固定钉与支架之间，其包括固定座42和滑动座43，X向臂通过球铰固定在Z向臂的顶端，Y向伸缩缸通过旋转电机固定在X向臂的远端，使Y向伸缩缸可相对于X向臂作旋转运动，固定座通过球铰固定在Y向伸缩缸的近端，Z向臂与X向臂之间设置XOZ平面旋转缸44，Y向伸缩缸与固定座之间设置有YOZ平面旋转缸45，因而，支架具有Y轴方向的移动自由度、XOZ平面及YOZ平面的旋转自由度，固定钉固定在该支架上，因而使固定钉也具有Y轴方向的移动自由度、XOZ平面及YOZ平面的旋转自由度，进行多空间位置的调节，以适应不同的固定方向；固定座固定在支架顶部，滑动座固定在固定钉底部，固定座上设置有与固定钉轴线方向平行的T型滑槽，滑动座上设置有与T型滑槽滑动配合的T型滑条，通过T型滑条与T型滑槽的滑动配合，使固定钉运动路径稳定可靠；导向座包括对称设置在固定钉轴向两侧的左导向座和右导向座，左座体和右座体均包括支承座46、导向半圆套47，在支承座与导向半圆套之间设置有调节机构48，调节机构可以是电动推杆，也可以是油缸等现有技术，本实施例为电动推杆，通过电动推杆的推动作用，调节两个导向半圆套之间的距离，使其与钻杆的直径相匹配，对钻杆形成导向，由于钻杆工作时，具有旋转自由度，因此，为防止对导向半圆套的磨损，本实施例的导向半圆套采用可淬火材料制成，如各种高碳钢、模具钢等，具体如T10A、Cr12MoV，可提高其耐磨性，从而提高其使用寿命，

上述导向座采取两个导向半圆套的组合结构的好处还在于：可以将两个导向半圆套完全分开，使钻杆末端无干涉地贴近人体，不再进行由于端部凸出于人体需要进行截断的操作，利于简化操作程序，提高手术效率，

还包括驱动缸，驱动缸的缸座固定在固定座上，活塞端固定在骨钻上，驱动缸驱使骨钻按一定速度移动，使骨钻的行进匀速、稳定，避免速度过快对钻杆造成损伤，也避免过慢影响手术效率

机械手4,具有七自由度，用于将固定钉从输送系统移送至驱动系统，

导航系统5，用于固定固定钉，并确定固定钉钉入的空间位置，如图17-19所示，包括固定装置33和CT扫描仪34，固定装置用于对踝关节前端的脚掌及后端的小腿进行固定，CT扫描仪用于对踝关节扫描成像，

如图20-23所示，固定装置包括底板81及分别固定于底板前后两端的小腿固定位82和脚掌固定位83，可分别对踝关节的前端小腿及踝关节的后端脚掌进行固定：

本实施例的小腿固定位包括左小腿固定位49和右小腿固定位50，左小腿固定位和右小腿固定位均包括小腿固定左块51和小腿固定右块52，小腿固定左块设置有水平向左凹的小腿固定左弧面，小腿固定右块设置有与小腿固定左弧面对称的小腿固定右弧面，用两个对称设置的弧形面可以对小腿的左右两个方向进行对称固定，使固定力均匀一致，同时，为增强适应性，本实施例左小腿固定位的小腿固定左块通过电动推杆I 53与小腿固定右块连接，右小腿固定位的小腿固定右块通过电动推杆II 54与小腿固定左块连接，这种可移动连接可调整两者之间的空间，以适应不同尺寸的腿部固定；

同样，本实施例的脚掌固定位也包括左脚掌固定位55和右脚掌固定位56，左脚掌固定位和右脚掌固定位均包括脚掌固定左块57和脚掌固定右块58，脚掌固定左块设置有水平向左凹的脚掌固定左弧面，脚掌固定右块设置有与脚掌固定左弧面对称的脚掌固定右弧面，用两个对称设置的弧形面可以对脚掌的左右两个方向进行对称固定，使固定力均匀一致，同时，为增强适应性，左脚掌固定位的脚掌固定左块通过电动推杆III 59与脚掌固定右块可移动连接，右脚掌固定位的脚掌固定右块通过电动推杆IV 60与脚掌固定左块可移动连接，这种可移动连接可调整两者之间的空间，以适应不同尺寸的脚掌固定；

为提高移动稳定性，在小腿固定左块和小腿固定右块之间，以及脚掌固定左块和脚掌固定右块之间设置有导向杆61，导向杆可以设置多根，本实施例各设置两根，分别对称设置在小腿固定左块和小腿固定右块之间，以及脚掌固定左块和脚掌固定右块之间，

为增强限位效果，小腿固定左块一体设置有等高的小腿固定左底块62，小腿固定左底块具有与小腿固定左弧面相接的小腿支撑左弧面，小腿固定右块一体设置有等高的小腿固定右底块63，小腿固定右底块具有与小腿固定右弧面弧形相接的小腿支撑右弧面；通过在小腿支撑左弧面及小腿支撑右弧面分别对小腿下方的左右两侧进行限位支撑，提高了小腿固定的准确性；

同理，脚掌固定左块一体设置有等高的脚掌固定左底块64，脚掌固定左底块具有与脚掌固定左弧面相接的脚掌支撑左弧面，脚掌固定右块一体设置有等高的脚掌固定右底块65，脚掌固定右底块具有与脚掌固定右弧面弧形相接的脚掌支撑右弧面；通过在脚掌支撑左弧面及脚掌支撑右弧面分别对脚掌下方的左右及前后侧进行限位支撑，提高了脚掌固定的准确性；

为进一步提高固定效果，本实施例的小腿固定位还包括小腿压紧装置，所述小腿压紧装置包括左小腿压块66、右小腿压块67、电动推杆V68及承压梁69，左小腿压块和右小腿压块分别固定在承压梁的两端，承压梁的另一侧的中部与电动推杆V固定，电动推杆V的另一端与底板固定，由于左小腿压块和右小腿压块分别固定在承压梁的两端，并通过一个电动推杆进行伸缩限制，当左小腿压块和右小腿压块的长度一定时，则在同一电动推杆的作用下，可以得到同样的压紧力，当作用在同一人的两个肢体上，且左小腿压块和右小腿压块上对称设置小腿压紧凹面，因此，可以得到相对一致的变形量，固定效果会更好，本实施例的“相对一致的变形量”是相对于不同人体而言；

同样，为提高固定效果，本实施例的脚掌固定位还包括脚掌压紧装置，所述脚掌压紧装置包括左脚掌压块70、右脚掌压块71、电动推杆VI 72及支承梁73，左脚掌压块和右脚掌压块分别固定在支承梁的两端，支承梁的另一侧的中部与电动推杆VI固定，伸缩装置VI的另一端与底板固定，且左脚掌压块和右脚掌压块上对称设置有脚掌压紧凹面，因此，也可以得到相对一致的变形量，从而提高固定效果；

如图19所示，本实施例的CT扫描仪包括呈上下分布的CT扫描上半圆模块74及CT扫描下半圆模块75，与CT扫描上半圆模块可拆卸连接有移动机械手76，CT扫描上半圆模块及CT扫描下半圆模块内均设置有X射线发生器与X射线探测器，当由CT扫描上半圆模块发出X射线束时，则CT扫描下半圆模块接收X射线束；当由CT扫描下半圆模块发出X射线束时，则CT扫描上半圆模块接收X射线束，并根据其X射线的衰减系数和吸收系数进行数据处理得到扫描实体的模型，具体的处理过程及原理是公知技术，这是不再熬述。移动机械手具有七自由度，可进行灵活的空间移动，实现CT扫描上半圆模块的移进或移出操作，以适应不同的使用状态，如需扫描时，则将CT扫描上半圆模块移进，与CT扫描下半圆模块相配合进行扫描操作，当扫描结束后，则将CT扫描上半圆模块移出，方便进行固定操作。

控制系统6，用于对固定钉输送系统、固定钉钉入驱动系统、机械手及导航系统的控制，以自动完成踝关节融合手术，如图1所示，控制系统包括存储器7、处理芯片8及输入输出设备9，处理芯片与存储器、输入输出设备、固定装置、CT扫描仪、固定钉输送系统及固定钉钉入驱动系统电性连通。

本实施例具体的导航方法，包括以下步骤：

1)建立如上所述的固定装置的三维模型；

2)通过对踝关节进行CT断层扫描得到踝关节的三维数据信息，再通过逆向工程，建立踝关节模型；

3)将踝关节模型拟合放置在固定装置的三维模型上，即模拟患者平躺的姿态，并通过医生经验预设定固定钉的固定位置；

4)将固定钉模型装入踝关节模型，并建立CAE仿真模型，设定各材料参数，进行分析计算；

5)分析完成后，比较分析结果，当应力值满足设定值时，则进行以下步骤，否则重复步骤3)及4)；

6)确定固定钉的理论固定位置，保存数据，备手术时调用；

7)手术时，首先通过固定装置将患者的踝关节固定；

8)然后，通过上述CT扫描仪对患者的踝关节进行二次成像，并将二次成像信息传递到控制系统；

9)控制系统通过二次成像信息建立二次成像的踝关节实时模型，调整踝关节模型与踝关节实时模型的空间位置，使两者完全重合，然后，再在踝关节实时模型上确定要进行固定的位置、钉入方向及钉入点；

10)根据步骤9)确定的钉入方向及钉入点实施固定手术，导航结束。

在步骤9)中，也可以通过二次成像信息仅建立二次成像的踝关节实时方位模型，然后调整踝关节模型与踝关节实时方位模型，如图24所示，实体中心与模型中心存在差异，需要将模型中心进行X方向及负Y方向的移动，才能使两者的中心及方位完全重合，同样，也可达到导航的目的。

本实施例的具体操作过程：

1、通过固定装置自动将踝关节固定；

2、通过导航系统采用上述导航方案自动在关节模型上预定好固定钉的固定位置，准备手术；

3、通过控制系统调整好驱动系统的空间方位；

4、通过控制系统从输送系统调取指定的固定钉；

5、通过机械手抓取固定钉装入驱动系统；

6、驱动系统移动到固定钉钉入初始点；

7、导向座的两个导向半圆套闭合，对固定钉形成限位导向；

8、骨钻旋转，驱动缸启动，驱动骨钻按一定速度将固定钉钉入；

9、当到达一定长度时，导向座的两个导向半圆套分开，导向结束；

10、当到达指定长度时，骨钻停止工作，驱动缸反向移动，带动骨钻脱离固定钉，回到原位，固定结束。

本实施例可以在控制系统自动控制下，一次性自动完成对具有自导向功能的固定钉的输送、固定、空间定位及固定驱动等精确操作，大幅提高了手术效率和手术质量，基本实现踝关节融合手术的全自动作业，仅有后续的缝合工作还需要人工的参与，对于提高手术效率、降低手术成本具有重大的现实意义。

作为本实施例的改进，脚掌固定左弧面、脚掌固定右弧面、小腿固定左弧面和小腿固定右弧面上设置有一段用于侧面限位的侧挡面77，侧挡面为与各弧面的上末端相切的竖直面，通过侧挡面可以对小腿和脚掌的左右两侧进行限位，即使在抬高的时候也不会滑出，同时，也通过竖直的侧挡面可以将小腿和脚掌导入固定位，以进行初始限位，提高固定效果。

为减小固定钉往下掉的冲击力，降低对固定钉的损伤，本实施例在出钉口与弧形缺口之间设置有缓冲通道，该缓冲通道与出钉口成夹角20-80°设置，可降低下降速度，对固定钉形成保护，更优的，夹角在30-60°范围时，可对固定钉形成良好的保护，且不影响固定钉的自由下坠。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。