种植牙机器人系统及其种牙方法与流程

本发明涉及种植牙技术领域，提供种植牙机器人系统及其种牙方法。

背景技术：

口腔种牙手术是在狭小空间内局部麻醉下的精密操作，由于口腔的非直视环境、操作空间狭小以及医生缺乏经验等因素，造成手术的失败率较高。因此国内外相继开展了口腔种植牙机器人的相关研究，利用手术机器人精准、灵活、微创等特点，提高种植精度与效果。

但是现阶段种植牙机器人的集成度不够高，比如要外置牙科种植机和脚踏开关等专用器械，操作时仍需要手动进行连接或调整，导致种植牙机器人的使用不方便灵活，并且种植牙机器人布线不够简洁。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种种植牙机器人系统，其集成度高，牙科种植机集成于机器人基座壳内部，操作时无需手动连接或调整，使用灵活且布线简洁。

本发明还提出一种根据上述种植牙机器人系统的种牙方法。

根据本发明第一方面实施例的种植牙机器人系统，包括：

机器人基座壳；

机械臂，固定端安装于所述机器人基座壳，自由端位于所述机器人基座壳外部；

种植手机，安装于所述机械臂自由端；

机械臂控制器，安装于所述机器人基座壳的内部，且所述机械臂控制器连接所述机械臂；

牙科种植机，位于所述机器人基座壳的内部，且所述牙科种植机连接所述种植手机；

交换机，连接所述机械臂控制器和牙科种植机，且所述交换机位于所述机器人基座壳的内部；

工控机，连接所述交换机，且所述工控机位于所述机器人基座壳的内部。

根据本发明实施例的种植牙机器人系统，牙科种植机集成于机器人基座壳内部，集成度高，操作时无需手动连接或调整，使用灵活且布线简洁，可以缩短手术操作时间。并且，由于各元件之间通过交换机连接工控机，因此该种种植牙机器人系统扩展性好、开发与维护方便。

根据本发明的一个实施例，还包括：触摸屏，连接所述工控机，通过所述触摸屏向所述工控机输入所述机械臂和种植手机的控制参数。

根据本发明的一个实施例，还包括：

力传感器，位于所述种植手机和所述机械臂自由端之间；

信号采集器，位于所述机器人基座壳的内部，连接所述力传感器，并将获取的所述力传感器的参数发送给所述交换机。

根据本发明的一个实施例，所述种植手机安装有视觉标记；

所述种植牙机器人系统还包括：

导航仪器，位于所述机器人外壳的外部，追踪所述视觉标记，并将导航信息通过交换机发送给工控机；

显示器，连接所述工控机，用于显示导航信息。

根据本发明的一个实施例，还包括：

蠕动泵，安装于所述机器人基座壳且位于所述机器人基座壳外部，所述蠕动泵通过管道连接所述种植手机，且所述蠕动泵通过所述牙科种植机以及交换机连接所述工控机。

根据本发明的一个实施例，所述机器人基座壳底部安装有万向轮和可升降支撑腿。

根据本发明的一个实施例，还包括：

脚踏开关，连接所述机械臂控制器。

根据本发明第二方面实施例的种植牙机器人系统的种牙方法，包括：

接收脚踏开关的触发信号；

获取机械臂的位置信息；

机械臂与口腔距离大于设定距离值，减小拖拽机械臂的阻尼；

机械臂与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼。

根据本发明的一个实施例，在所述机械臂与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼的步骤之后，包括：

获取种植手机钻孔扭矩和/或钻孔阻力；

所述扭矩大于设定扭矩值，降低种植手机进给速度，提高种植手机钻头转速，反之，提高种植手机进给速度，降低种植手机钻头转速；

或者，所述钻孔阻力大于设定阻力值，降低种植手机进给速度，提高种植手机钻头转速，反之，提高种植手机进给速度，降低种植手机钻头转速。

根据本发明的一个实施例，在所述机械臂与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼的步骤的之后，包括：

发送种植手机的触发信号；

控制向口腔内喷水。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的种植牙机器人系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的种植牙机器人的机器人基座壳及其内部元件的结构示意图；

图中：1：种植手机；2：视觉标记；3：力传感器；4：机械臂；5：触摸屏；6：脚踏开关；7：支撑腿；8：机器人基座壳；9：蠕动泵；10：显示器；11：导航仪器；12：脚踏开关接口；13：机械臂接口；14：蠕动泵接口；15：种植手机马达接口；16：力传感器接口；17：导航仪器接口；18：显示器信号接口；19：触摸屏接口；20：机械臂控制器；21：牙科种植机；22：交换机；23：工控机；24：信号采集器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1和图2，根据本发明的实施例，提供种植牙机器人系统，包括：机器人基座壳8、机械臂4、种植手机1、机械臂控制器20、牙科种植机21、交换机22和工控机23。其中，机械臂4的固定端安装于机器人基座壳8，机械臂4的自由端位于机器人基座壳8外部；种植手机1安装于机械臂4的自由端；机械臂控制器20安装于机器人基座壳8的内部，且机械臂控制器20连接机械臂4；牙科种植机21位于机器人基座壳8的内部，且牙科种植机21连接种植手机1；交换机22连接机械臂控制器20和牙科种植机21，且交换机22位于机器人基座壳8的内部；工控机23连接交换机22，且工控机23位于机器人基座壳8的内部。

该种种植牙机器人系统，牙科种植机21集成于机器人基座壳8内部，集成度高，操作时无需手动连接或调整，使用灵活且布线简洁，可以缩短手术操作时间。并且，由于各元件之间通过交换机22连接工控机23，因此该种种植牙机器人系统扩展性好、开发与维护方便。

其中，牙科种植机21也即种植手机控制器，通过牙科种植机21可以达到控制种植手机1的目的。

机械臂4可以为六自由度、七自由度甚至冗余自由度机械臂4。机械臂4用于带动种植手机1实现定位与钻孔进给操作。种植手机1为末端执行器，用于完成种植体窝洞制备(钻孔)以及种植体的拧入。

根据本发明的实施例，种植牙机器人系统还包括触摸屏5，触摸屏5连接工控机23，通过触摸屏5向工控机23输入机械臂4和种植手机1的控制参数。由此，触摸屏5相当于可以实现传统种植手机1上所有开关或者旋钮的作用，并且可以实现传统机械臂4上所有开关或者旋钮的作用，便于通过触摸屏5人为调节机械臂4和种植手机1。除此以外，当种植牙机器人系统包括后续提及的蠕动泵9或者其它组成部件的时候，触摸屏5还可以通过向工控机23输入其它程序或者参数，进而达到控制其它部件的目的。例如，触摸屏5上可方便地调整钻孔转速、蠕动泵9水量、种植手机1灯光亮度等相关参数。

根据本发明的实施例，种植牙机器人系统还包括力传感器3，力传感器3位于种植手机1和机械臂4自由端之间，进而通过力传感器3感知使用者自由拖拽末端执行器(种植手机1)时的力信息以灵活拖拽机器人，同时还可以可感知种植手机1钻孔时的阻力。

进一步的，种植牙机器人系统还包括信号采集器24，信号采集器24位于机器人基座壳8的内部，连接力传感器3，并将获取的力传感器3的参数发送给交换机22。由于交换机22和工控机23连接，进而工控机23可以基于获取的信号采集器24的参数，对机械臂4以及种植手机1的相应参数进行调整。例如，工控机23获取力传感器3信号之后，可以通过交换机22将控制信号发送给机械臂控制器20和牙科种植机21，进而自动地、智能地调整种植手机1钻头转速、进给速度等参数，适应不同的骨质结构，保证种植操作的精准与安全。

根据本发明的实施例，机械臂4自由端设置有法兰，力传感器3固定于法兰，且种植手机1连接力传感器3。当然，力传感器3的安装形式不受此处举例的限制。

其中，力传感器3可以采用六维力传感器3，感知外界的力和力矩。力传感器3用螺柱连接安装在机械臂4自由端的法兰上，另一端通过螺纹或其它方式与种植手机1进行连接。

除了设置上述力传感器3，也可以在种植手机1上设置扭矩传感器，当钻头钻到密质骨(骨质结构致密，硬度较大)时钻头受到的阻力会变大，扭矩反馈增大，扭矩传感器通过牙科种植机21和交换机22将反馈信息传递给工控机23，工控机23内的控制程序可根据不同大小的扭矩反馈来自动调整钻头转速等参数，使得钻孔过程更顺利。当然，扭矩传感器除了通过牙科种植机21和交换机22将反馈信息传递给工控机23，也可以上述提及的信号采集器24以及交换机22将反馈信息传递给工控机23。

根据本发明的实施例，种植手机1安装有视觉标记2，种植牙机器人系统还包括导航仪器11和显示器10，导航仪器11位于机器人基座壳8的外部，追踪视觉标记2，并将通过视觉标记2获取的导航信息通过交换机22发送给工控机23；工控机23通过显示器10显示导航信息。

将视觉标记2固定在种植手机1上，导航仪器11可以在手术中实时追踪并监测种植手机1空间位置与姿态，实现导航手术。显示器10用于显示虚拟的手术导航信息，并将种植手机1实时位置偏差显示在屏幕上。此外，上述力传感器3、扭矩传感器等获取的操作力的大小、扭矩等关键信息也可以通过显示器10进行显示，使得医生对整个手术操作过程了如指掌。

根据本发明的实施例，种植牙机器人系统还包括蠕动泵9，蠕动泵9安装于机器人基座壳8且位于机器人基座壳8外部，蠕动泵9通过管道连接种植手机1，且蠕动泵9通过牙科种植机21和交换机22连接工控机23。

其中，考虑防水因素将蠕动泵9安装在机器人基座壳8外部，可以防止液体流入机器人基座壳8内的电路中。使用时可将管道一端接入蠕动泵9，另一端接入种植手机1，进而驱动蠕动泵9进行泵水。此外，蠕动泵9通过牙科种植机21和交换机22连接工控机23，具体的，蠕动泵9马达的电线接到机器人基座壳8内的牙科种植机21上，牙科种植机21通过交换机22连接工控机23，进而工控机23通过牙科种植机21控制蠕动泵9的转速，以调节钻孔时的喷水量，用来给操作处降温，防止骨细胞因高温损伤。

此外，通过工控机23中预设的程序，可以控制蠕动泵9是否向口腔喷水。例如，工控机23可以基于种植手机1的触发信号控制蠕动泵9，只有在种植手机1发出触发信号开始进行种植牙操作的时候，此时工控机23才控制蠕动泵9向口腔喷水。其中，种植手机1的触发信号对应的是种植手机1的启动，也即当种植手机1开始进行种植牙操作的时候，种植手机1发出触发信号。

根据本发明的实施例，机器人基座壳8底部安装有万向轮和可升降支撑腿7。万向轮可以便于种植牙机器人系统的移动，当种植牙机器人系统移动到合适位置后可控制可升降支撑腿7将机器人顶升离开地面，为种植牙机器人系统提供更稳定的接触，避免了机械臂4运动过程中的抖动影响手术操作精度。

根据本发明的实施例，种植牙机器人系统还包括脚踏开关6，脚踏开关6连接机械臂控制器20。其中，脚踏开关6可以用于控制机械臂4运动、种植手机1钻孔、蠕动泵9喷水、灯光开闭等相关手术操作。

例如，踩踏脚踏开关6上的踏板即可用手去拖拽种植手机1来拖动机械臂4，将机械臂4先拖拽到手术区域，直到机械臂4进入口腔或者距离口腔不超过设定距离值，其中的设定距离值可以人为设定，以保证手术安全为前提。松开脚踏开关6机械臂4的运动即停止，保证了手术操作的安全。

再例如，踩踏脚踏开关6上的踏板即可控制种植手机1自动钻孔、蠕动泵9喷水、机械臂4进给或者灯光开启，松开踏板自动操作即停止，也即手机停止自动钻孔、蠕动泵9停止喷水、机械臂4停止进给或者灯光关闭。

此处脚踏开关6所实现的功能在某些情况下可以通过触摸屏5实现。但是在手术过程中，操作脚踏开关6较之于操作触摸屏5更加方便。

根据本发明的实施例，力传感器3和种植手机1的线缆绕在机械臂4上，并从机器人基座壳8上的接口接入机器人基座壳8内部；显示器10与导航仪器11也将线缆连接到机器人基座壳8对应的接口上，进行供电和信息交换。触摸屏5与脚踏开关6的线缆连接到机器人基座壳8的接口上，并连接到机器人基座壳8内部。由此，图1中种植牙机器人系统的布线十分简洁。

请参见图2，机器人基座壳8内主要包括牙科种植机21、信号采集器24、机械臂控制器20、工控机23和交换机22五大部分。

其中，牙科种植机21用于控制灯光、蠕动泵9的水量以及种植手机1的马达转速和种植手机1的马达扭矩；信号采集器24接收力传感器3的原始电信号进行信号处理后解析为数字量，之后通过交换机22发送给工控机23；机械臂控制器20用于控制机械臂4按设定的运动轨迹实现运动，机械臂控制器20上还具有数字信号输入输出功能，可读取脚踏开关6输入的数字信号量；工控机23作为信息处理中心，运行着整个种植牙机器人系统手术规划和导航程序，控制种植牙机器人系统精准的完成种植体窝洞制备；交换机22主要作为种植牙机器人系统中各种信息连接和交换的中心。

其中，信号采集器24输出的阻力反馈信息，种植手机1转速和扭矩，蠕动泵9水量等控制和反馈信息，机械臂4位置速度等控制及反馈信息，导航仪器11输出的标记点空间位置信息等均通过交换机22与工控机23进行信息交换。

通过图2发现，在机器人基座壳8上设置有多个接口，包括脚踏开关接口12、机械臂接口13、蠕动泵接口14、种植手机马达接口15、力传感器接口16、导航仪器接口17、显示器信号接口18和触摸屏接口19等。其中，由于机械臂控制器20一般设置有io接口，因此脚踏开关接口12对应机械臂控制器20设置。由此，通过集成在机器人基座壳8上的接口，可以将机器人基座壳8外部的部件(机械臂4、种植手机1、导航仪器11和显示器10等)与机器人基座壳8内部的元件(机械臂控制器20、牙科种植机21、信号采集器24、交换机22和工控机23等)连接起来。

本发明实施例的种植牙机器人系统，物理连接上采用标准的网线进行通讯。交换机22具备poe(poweroverethernet，也即以太网供电)功能，在传输信号的同时可直接给外部设备供电(本实施例中导航仪器11采用poe供电)，以减少连接线缆的数量，提高系统可靠性。

牙科种植机21通过以太网接口按照tcptransmissioncontrolprotocol传输控制协议)或udp(userdatagramprotocol，用户数据报协议)接收工控机23发送的指令，牙科种植机21上的电机驱动单元将转换后的控制指令发送给种植手机1马达和蠕动泵9电机等，可独立控制种植手机1马达转速、扭矩、灯光亮度以及蠕动泵9水量。

机器人基座壳8内各元件通过交换机22组成局域网，局域网内数据通过各自不同的ip(互联网协议)地址进行通信。机械臂控制器20通过以太网接口接收工控机23发出的上层控制指令，然后将指令转换为机械臂4运动参数，并发送给机械臂4关节的驱动单元控制电机运动，从而带动关节运动。

根据本发明实施例，提供种植牙机器人系统的种牙方法，包括：

接收脚踏开关6的触发信号；

获取机械臂4的位置信息；

机械臂4与口腔距离大于设定距离值，减小拖拽机械臂的阻尼；

机械臂4与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼。

其中，“脚踏开关6的触发信号”也即当踩踏脚踏开关6的时候发出的信号。

该种种牙方法，基于机械臂4的位置自动调节拖拽机械臂4的阻尼，当机械臂4与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂4的阻尼，此时即使误操作给机械臂4施加较大拖拽力，但是由于拖拽阻尼增加，可以进行精准定位、防止误伤患者，保证操作的安全性。而在机械臂4与口腔距离大于设定距离值时，通过减小拖拽阻尼可以使得机械臂操作更加灵活。

进一步的，在“机械臂4与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼”的步骤之后，包括：

获取种植手机1钻孔扭矩和/或钻孔阻力；

扭矩大于设定扭矩值，降低种植手机1进给速度，提高种植手机1钻头转速，反之，提高种植手机1进给速度，降低种植手机1钻头转速；

或者，钻孔阻力大于设定阻力值，降低种植手机1进给速度，提高种植手机1钻头转速，反之，提高种植手机1进给速度，降低种植手机1钻头转速。

进一步的，在“机械臂4与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼”的步骤的之后，包括：

发送种植手机1的触发信号；

控制向口腔内喷水。

对应的，种植牙机器人系统的工控机23包括：

位置信息获取模块，通过交换机22连接导航仪器11，并基于脚踏开关6的触发信号获取机械臂4的位置信息；

机械臂拖拽阻尼调节模块，机械臂4与口腔距离大于设定距离值，减小拖拽机械臂的阻尼，机械臂4与口腔距离不大于设定距离值，增加拖拽机械臂的阻尼。

进一步的，工控机23包括：

力学参数获取模块，获取种植手机1钻孔扭矩和/或钻孔阻力；

力学参数控制模块，在扭矩大于设定扭矩值的时候，力学参数控制模块控制降低种植手机1进给速度，提高种植手机1钻头转速，反之，力学参数控制模块控制提高种植手机1进给速度，降低种植手机1钻头转速；

或者，在钻孔阻力大于设定阻力值的时候，力学参数控制模块控制降低种植手机1进给速度，提高种植手机1钻头转速，反之，力学参数控制模块控制提高种植手机1进给速度，降低种植手机1钻头转速。

进一步的，工控机23包括：

触发信号发送模块，发送种植手机1的触发信号；

喷水控制模块，控制向口腔内喷水。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。