骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统的制作方法

本发明涉及一种骨植入材料的软骨旋转剔除设备，具体涉及一种骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统。

背景技术：

骨植入材料的制备过程繁杂，其中尤以骨植入材料表面的软骨剔除程度极为重要，现如今在骨移植临床手术中常见的骨植入材料有自体骨、同种异体骨、合成材料以及具有成骨作用的生物制品，目前较为常见的同种异体骨材料的软骨剔除形式是手工剥除和半自动化剥除，符合要求的骨植入材料在医疗、科研工业生产等许多领域中都有着广泛的应用。

由于骨质为多孔性材料，具有很好的生物相容性，进行移植之后可以很好地与体内自身的骨组织融为一体，然而进行移植的骨料必须进行相关加工，如软骨剔除、切割、免疫源性去除、灭菌等工序才能进行移植。这需要将附着在骨端、骨面等部位上的软骨组织进行切割剔除，以获得相对干净光滑的生骨骨质。而在人体软骨剔除方面，相关设备及技术还处于研究和探索状态。

本发明是针对人体同种骨、动物源型骨质上附着的关节软骨剔除技术而研发的，目的是获得相对干净光滑的生骨骨质，用于骨移植手术、医学研究、临床药物试验等等。另一方面，目前软骨剔除基本以人工操作为主，然而骨质表面附着的软骨（关节软骨）具有粘弹性、生物力学等活体生物组织特性，和一般材料有所不同，软骨的润滑性非常好，对于操作者是一个巨大的挑战，而且生骨标本的来源十分可贵，操作者往往会戴上好几层手套进行切割，防止自己手部受伤，同时小心操作防止标本损坏，如此操作耗时长、质量低、精度低、效率差，相比较来说，本发明的医用软骨旋转剔除设备的最大特点是采用机械自动化，克服了传统医用软骨的手工剥离，且操作十分简单方便，安全性好，加工效果好。

技术实现要素：

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统，包括底座、红外扫描测距仪、抓取固定装置、旋转刨削切割装置、控制电路、计算机，其特征在于：所述旋转刨削切割装置架设于底座的中间架，所述旋转刨削切割装置由六轴关节机械臂和旋转切割刀组成，旋转切割刀安装在六轴关节机械臂上，旋转切割刀通过六轴关节机械臂可前后伸缩调节以适应不同角度剔除软骨材料不同角度切割剔除；所述旋转切割刀由外刀壳和内刀组成，外刀壳外刀壳的远端椭球体区域设有一个切割窗口，外刀壳内嵌套一个中空的内刀，内刀可以绕着外刀壳的中心轴高速旋转；内刀也设有一与外刀壳切割窗口相配合的开口，所述中心轴为中空轴，便于切割后将碎软骨吸出切割刀，暂贮于骨料收集盒，防止刀具堵塞发生故障；当进行软骨剔除作业时，软骨材料边缘靠近切割窗口，高速旋转的内刀将需要切除的软骨和组织迅速切割成小块剔除，由真空源将碎骨碎肉吸出，避免设备因切削到来的污染和设备故障。

进一步，所述抓取固定装置由自动抓持机械手和八爪卡盘组成，自动抓持机械手和八爪卡盘分别安装在底座的左右两端；所述红外扫描测距仪安装在底座的前侧面的测距仪滑槽上，为自动抓持机械手的夹持提供行进路程；所述八爪卡盘的爪的指尖内侧设有位移传感器和压力传感器，所述计算机连接红外扫描测距仪、位移传感器和压力传感器，并通过控制电路连接自动抓持机械手、旋转刨削切割装置。

进一步，所述控制电路中的主电动由km1和km2主触点控制正反转，以带动旋转切割刀的旋转和进给，并实现双速电动机的两极启动控制；所述控制电路中的机械制动电磁铁线圈由km5和km6触点控制，以实现主电动的制动。

进一步，所述八爪卡盘的中心轴位置固定骨料一端，当启动设备后，所述红外扫描测距仪将测出的骨料长度传入计算机，计算机通过控制电路控制自动抓持机械手到达指定位置，当距离传感器数值为零且压力传感器压力数值到达指定值时，所述自动抓持机械手中的手指驱动电机停止转动，自动抓持机械手的旋转电机带动自动抓持机械手旋转360°，由红外扫描测距仪测量骨料界面长度、组织和软骨厚度、硬骨所在位置，并由计算机计算出走刀方式和切割厚度，并控制六轴关节机械臂上的伺服电机工作，以及控制旋转切割刀接触骨料进行切削，直至骨料加工至符合所需要求。

本发明的有益效果是：

1）采用新颖的软骨旋转切割刀技术，改进后切割精细程度大大增高，以旋转切割边缘将接触切割刀边缘的软骨或组织切成小块，由真空源将碎骨碎肉吸出，避免了设备因切削到来的污染和设备故障。

2）以六轴关节坐标机械臂作为切割刀的移动载体运动方式稳定、安全、可靠，其多自由度灵活运动方式和多角度走刀路线给予切割刀更多的切割选择。

3）整个底座为各个部件提供了安装空间，螺孔的位置精准提供了安装位置。左侧t型滑槽为自动抓手提供了更大的可移动范围，也为红外扫描测距装置提供了移动路径。

4）抓取固定装置：采用左右两侧双夹持方式，右侧使用八爪单动卡盘，以固定座固定于底板上不进行移动设计，以止推轴承作为旋转机构不做动力设计，避免了因两侧夹持装置电机转速不同而导致的骨料损坏或骨料滑脱，其八个卡爪均匀分布与盘面加大了夹持的稳定程度。而左侧夹持装置则使用自动抓手形式，以推杆电机作为自动抓手左右移动的手臂，用以旋转电机作为手腕的旋转运动方式。两抓手轴心处于同一高度，经由计算机控制红外测距装置得到抓握距离，使夹持更稳定。八爪卡盘的爪尖设置有压力传感器和距离传感器并且还在爪尖处覆盖医用硅胶，其目的在于实时监测自动抓手对骨料施加的力，以免自动夹持时损伤骨料。

5）红外扫描测距装置：其主要功能是在八爪卡盘先行夹持住骨料之后，为自动抓手的夹持提供行进路程。并且在两夹持装置都到达工作面的时候扫描骨料一周，计算出软骨的厚度、截面长度、硬骨距离等重要信息，使计算机能计算出切割装置最佳走刀路线。

附图说明

图1是本发明的骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统整体结构示意图；

图2是本发明的骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统左视图；

图3是本发明的骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统的旋转切割刀示意图；

图4是本发明的骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统操作流程图；

图5是本发明的骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统电路控制图。

具体实施方式

下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解发明专利的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1，2，3，5所示，一种骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统，包括底座1、红外扫描测距仪10、抓取固定装置、旋转刨削切割装置、骨料收集箱7、安全防护装置、控制电路、计算机。旋转刨削切割装置架设于底座1的中间架，旋转刨削切割装置由六轴关节机械臂6和旋转切割刀8组成，旋转切割刀8安装在六轴关节机械臂6上，旋转切割刀8通过六轴关节机械臂6可前后伸缩调节以适应不同角度剔除软骨材料不同角度切割剔除。抓取固定装置由自动抓持机械手5和八爪卡盘9组成，自动抓持机械手5和八爪卡盘5分别安装在底座1的左右两端。骨料收集箱7设置在旋转切割刀8的后方。红外扫描测距仪10安装在底座1的前侧面的测距仪滑槽11上，为自动抓持机械手5的夹持提供行进路程。八爪卡盘9的八个爪均匀对称分布在卡盘上,八个爪上分别套装有医用硅橡胶弹性护套，防止夹持骨块损伤及切割过程的滑动，在各爪的指尖内侧设有位移传感器和压力传感器。计算机连接红外扫描测距仪10、位移传感器和压力传感器，并通过控制电路连接自动抓持机械手、旋转刨削切割装置。

本发明中的六轴关节机械臂分为底座组件、肩部组件、大臂组件、肘部组件、小臂组件、腕部组件、手部组件和手指组件，其目的在于提供给切割刀实现六轴运动的能力。

底座组件包括：第一伺服电机、第一谐波减速器。肩部组件包括：肩腔体、第二伺服电机、第二谐波减速器、第一偏心轮制动机构。大臂组件包括：正对安放的左臂和右臂，左臂内有第三伺服电机。第三谐波减速器和动力输出组件，右臂有第二偏心轮制动机构。肘部组件包括：肘腔体、第四伺服电机、第四谐波减速器。小臂组件包括：正对安放的左小臂和右小臂，左小臂内有第五伺服电机、第五谐波减速器和动力输出组件。右小臂内有第三偏心轮制动机构。腕部组件包括：腕腔体、第六伺服电机和第六谐波减速器。手部组件包括：正对安放的左手体和右手体，左手体内有第七伺服电机、第七谐波减速器和动力输出组件，右手体内有第四偏心轮制动机构。手指组件包括：手指腔体、高速切割电机。

如图3所示，本发明中的旋转切割刀8在外刀壳8-1的远端椭球体区域设计一0.5-1cm切割窗口，在外刀壳8-1内嵌套一个中空的内刀8-2，内刀可以绕着外刀壳8-1的中心轴8-3高速旋转。内刀8-2也设计一开口以外刀壳窗口配合，在高速切割电机带动下旋转内刀完成切割动作。当进行切割作业时，外刀壳的窗口提供了一个可切割的进步窗口，通过可旋转的内刀旋转切割边缘，可将需要切除的软骨和组织切割成小块。高速切割电机提供给内刀高速旋转切割力，其结构紧凑、易于平衡、传动效率高的特点给予了旋转切割刀可靠的切割动力，应用气动原理，中心轴部分完全可以做成中空样式，便于切割后将碎骨和碎肉吸出切割刀内。

本发明中的自动抓持机械手后端依次连接旋转电机4、推杆电机3，推杆电机3通过支架安装在t型滑槽2上，推杆电机3可带动机械手沿t型滑槽作直线运动。推杆电机3横向安装在支架上并带动机械手作直线运动；旋转电机4安装在推杆电机3的前端并带动机械手作旋转运动；机械手与旋转电机4的旋转轴固定相连。自动抓持机械手包括机械手掌、手指驱动电机、机械手指，机械手掌与旋转电机的旋转轴固定相连,机械手掌为圆盘形结构件,机械手掌背面装有四台手指驱动电机,机械手掌的正面装有四个机械手指,四个机械手指分别穿过机械手掌与相应的手指驱动电机传动相连。

本发明中的八爪卡盘夹持机构的八个爪均匀对称分布在卡盘上,八个爪上分别套装有医用硅橡胶弹性护套，防止夹持骨块损伤及切割过程的滑动，在各爪的指尖内侧设有位移传感器和压力传感器。

本发明中的所述安全防护装置将底座、旋转刨削切割装置和抓取固定装置一起封罩，确保软骨切割过程中骨料不飞溅。安全防护装置选用环氧树脂材料制作,并由上防护罩和下防护罩组合构成,上防护罩和下防护罩的侧挡板可分别向两端推移,方便对旋转刨削切割装置进行相应的手工操作。

本发明中的骨料收集盒采用开合箱式结构。

本发明的骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统，可实现对不规则的人体新鲜骨组织的夹持固定、精准扫描和精细剔除软骨等功能，使整个加工过程更加简单化、自动化，避免工人在劳动过程中带来人身伤害，减少人力，使生产更加有效，卫生，以求更加科学合理地切除作为此切割装置切割对象的人体软骨组织，得到符合标准的人体植入骨材料，同时符合医疗器械加工生产的质量管理规范的要求。

如图4所示，所述设备需先将人体骨料放置于八爪卡盘的中心轴位置并固定一端骨组织，再粗调自动抓手，启动设备，红外扫描测距仪测出骨料长度传入计算机，计算机根据测量数值计算出推杆电机的行进距离，推杆电机到达指定位置，四个手指驱动电机开始工作，机械手指缓慢下降，并实时传输于电脑距离与压力传感器数值。当距离传感器数值为零且相应压力传感器压力数值到达标准值时，计算机控制手指驱动电机停止转动，自动抓手进行360度旋转，同时红外扫描测距仪测量骨料界面长度、组织和软骨厚度、硬骨所在位置等，计算合理的走刀方式和切割厚度，计算机控制机械臂上的伺服电机工作，控制驱动电机和制动电机交替工作，以最为合理的方式控制旋转切割刀接触骨料进行切削，待切割设备完成切割作业后，自动抓手松开骨料，退回初始位置，取出成品骨料。

如图5所示，主电路有两台电动机，m2为主电动机，由km1和km2的主触点控制其正反转，以带动旋转切割刀的旋转和进给。要求m2能正反向运动，正反向电动，制动，高低速调速，并由双速电动机的两极启动控制，保证旋转切割刀的旋转和进给量都有足够的调节范围。m1为推杆电动机，由km3、km4的主触点来控制其正反转，通过不同的齿轮、齿条、丝杠的不同连接来实现自动抓持机械手运动方向的移动。qs为总电源开关，熔断器fu1、fu2起主电路短路保护作用，热继电器fr起主电动机m2的过载保护作用。该骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统采用电磁铁控制的机械制动装置，电路中的yb是机械制动电磁铁线圈，由km5和km6的触点控制。m2无论正反转，yb均得电吸合，使电动机轴上的制动轮松开，电动机即可自由转动，m2和yb同时断电时，在弹簧的作用下，杠杆将制动带紧箍在制动轮上制动，电动机停止转动。

该骨植入材料的软骨旋转剔除设备系统是通过对不规则的人体新鲜骨组织的夹持固定、精准扫描，进而实现对软骨的精细剔除功能，使整个加工过程更加简单化、自动化，避免手工软骨剥除过程中带来人身伤害，减少人力，使生产更加有效，卫生，以求更加科学合理地切除作为此切割装置切割对象的软骨组织，得到符合标准的人体骨植入材料，同时符合医疗器械加工生产的质量管理规范的要求。

以上公开的仅为本发明专利的一个具体实施例,但是,本发明专利并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明专利的保护范围。