一種前交叉韌帶重建術(shù)中的機(jī)器人末端執(zhí)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種前交叉韌帶重建術(shù)中的機(jī)器人末端執(zhí)行器，屬于外科醫(yī)療器械領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶重建手術(shù)由醫(yī)生手持電鉆進(jìn)行脛骨和股骨鉆孔，然后將韌帶移植物固定在隧道孔中，并施加一定的預(yù)張力。鉆孔位置和力度都依賴醫(yī)生操作經(jīng)驗(yàn)，難以準(zhǔn)確把握。鉆頭在運(yùn)行中受力變化直接反映了電鉆與骨組織的相互作用狀態(tài)，因鉆孔不當(dāng)會引起神經(jīng)、血管等軟組織損傷，可導(dǎo)致嚴(yán)重后果。另外，韌帶移植物的預(yù)張力大小對膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性也產(chǎn)生重要影響:如果沒有施加預(yù)張力，術(shù)后韌帶強(qiáng)度會下降約30%;預(yù)張力過低，會造成關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降；預(yù)張力過高，會造成R0M(關(guān)節(jié)活動度)降低。
[0003]由于醫(yī)生的水平參差不齊，操作稍有不當(dāng)，則會影響手術(shù)效果。目前，隨著醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)器人的高精度和可重復(fù)性操作的特點(diǎn)可以輔助醫(yī)生完成高質(zhì)量的手術(shù)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高手術(shù)效果和安全性，提供一種前交叉韌帶重建術(shù)中的機(jī)器人末端執(zhí)行器，它能夠完成鉆孔的自動進(jìn)給以及牽拉力的精確控制，輔助醫(yī)生完成手術(shù)操作。
[0005]本實(shí)用新型一種前交叉韌帶重建術(shù)中的機(jī)器人末端執(zhí)行器，包括:直線進(jìn)給運(yùn)動組件，操作力測量組件，電鉆組件，視覺反饋組件。它們之間的位置連接關(guān)系是:直線進(jìn)給運(yùn)動組件位于末端執(zhí)行器底部，視覺反饋組件通過螺釘與直線進(jìn)給運(yùn)動組件連接，電鉆組件位于視覺反饋組件內(nèi)部并通過操作力測量組件及電鉆組件的電鉆夾持器上、下端蓋16、19與之連接，操作力測量組件位于視覺反饋組件內(nèi)部并通過螺釘與直線進(jìn)給運(yùn)動組件中的絲杠螺母部件7的平臺表面連接。
[0006]所述的直線進(jìn)給運(yùn)動組件包括:齒輪擋蓋1，齒輪3，電機(jī)安裝法蘭4，軸承5，滑動絲杠6，絲杠螺母部件7，支承法蘭8，機(jī)座9，進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌滑塊10，進(jìn)給運(yùn)動直線導(dǎo)軌11，直流電機(jī)12。它們之間的的位置連接關(guān)系是:滑動絲杠6與絲杠螺母部件7 —起組成絲杠傳動，直流電機(jī)12通過齒輪3將運(yùn)動和動力傳遞到滑動絲杠6上，帶動滑動絲杠6轉(zhuǎn)動。齒輪檔蓋I固定在電機(jī)安裝法蘭4上，遮擋住齒輪3，防止其與醫(yī)生或患者發(fā)生碰撞，提高手術(shù)安全性。進(jìn)給運(yùn)動直線滑塊10和進(jìn)給運(yùn)動直線導(dǎo)軌11 一起組成導(dǎo)軌-滑塊連接。滑動絲杠6通過軸承5固定在電機(jī)安裝法蘭4和支承法蘭8上，以減小摩擦，提高精度。機(jī)座9及電機(jī)安裝法蘭4、支承法蘭8 一起構(gòu)成整個(gè)末端執(zhí)行器的基礎(chǔ)部件，用于固定滑動絲杠6、直流電機(jī)12、安裝進(jìn)給運(yùn)動直線導(dǎo)軌11并支撐其他部件。該滑動絲杠6是一種市購普通滑動絲杠，用于和絲杠螺母部件7下部的螺母配合實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動。該進(jìn)給運(yùn)動直線導(dǎo)軌11是兩根平行安裝的市購普通導(dǎo)軌，用于約束進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌滑塊10只產(chǎn)生沿導(dǎo)軌的平移運(yùn)動。該直流電機(jī)12是市購空心杯直流伺服電機(jī)，帶有減速箱及光電編碼器。該直線進(jìn)給運(yùn)動組件中的齒輪3為傳動比為1:1的直齒輪組，用于傳遞電機(jī)扭矩。該電機(jī)安裝法蘭4是打有安裝孔的板狀構(gòu)件，用于對直流電機(jī)12的固定和滑動絲杠6的軸端固定。該軸承5是市購的小型深溝球軸承，用于支撐絲杠6的轉(zhuǎn)動，降低其運(yùn)動過程中的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。該齒輪擋蓋I是鈑金結(jié)構(gòu)件；該支承法蘭8是長方形板狀結(jié)構(gòu)件。
[0007]所述的操作力測量組件包括:絲杠螺母部件7，平端緊定螺釘13，預(yù)緊力調(diào)節(jié)墊片14，壓力傳感器15，電鉆夾持器下端蓋16，測力組件導(dǎo)軌滑塊17，測力組件直線導(dǎo)軌18。它們之間的的位置連接關(guān)系是:測力組件導(dǎo)軌滑塊17和測力組件直線導(dǎo)軌18 —起組成導(dǎo)軌-滑塊連接，安裝并固定在絲杠螺母部件7的平臺表面。電鉆夾持器下端蓋16固定在測力組件導(dǎo)軌滑塊17上，使其在測力組件直線導(dǎo)軌18上能自由滑動。規(guī)格尺寸相同的兩個(gè)壓力傳感器15通過螺紋連接分別固定在絲杠螺母部件7前后兩端的法蘭板上，且壓力傳感器15與電鉆夾持器下端蓋16的前后兩個(gè)表面分別以一定預(yù)緊力接觸。預(yù)緊力調(diào)節(jié)墊片14裝在絲杠螺母部件7的前端法蘭板與壓力傳感器15之間，平端緊定螺釘13通過絲杠螺母部件7前端法蘭板上的螺紋孔對預(yù)緊力調(diào)節(jié)墊片14施加一定的壓力，從而可以調(diào)節(jié)壓力傳感器15與電鉆夾持器下端蓋16之間的預(yù)緊力。該壓力傳感器15是市購高速壓力傳感器，能以較高頻率采集壓力信息，兩個(gè)壓力傳感器一起組成拉、壓力測力系統(tǒng)。該測力組件導(dǎo)軌滑塊17及測力組件直線導(dǎo)軌18是一種市購普通直線導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，平行安裝，用于約束電鉆夾持器下端蓋16，限制力傳感器受力方向。該絲杠螺母部件7是市購或加工的T型螺旋副結(jié)構(gòu)件；該平端緊定螺釘13與預(yù)緊力調(diào)節(jié)墊片14也是市購件。
[0008]所述的電鉆組件包括:手術(shù)器械2，電鉆夾持器下端蓋16，電鉆夾持器上端蓋19，電鉆20。其中電鉆夾持器下端蓋16和電鉆夾持器上端蓋19通過螺紋緊固構(gòu)成電鉆夾持機(jī)構(gòu)，用于固定電鉆20。該電鉆20是市購手術(shù)專用電鉆，松開電鉆夾頭可換手術(shù)器械2，實(shí)現(xiàn)多種操作。
[0009]所述的視覺反饋組件為立體光學(xué)標(biāo)記框架21，固定在絲杠螺母部件7上。為減輕機(jī)構(gòu)重量，立體光學(xué)標(biāo)記框架21內(nèi)部鏤空，可在其多個(gè)表面上制作手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可識別的光學(xué)標(biāo)記，經(jīng)處理能夠獲取手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。
[0010]本實(shí)用新型一種前交叉韌帶重建術(shù)中的機(jī)器人末端執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)該末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，直線進(jìn)給精度高，且通過更換鉆頭或牽拉頭即可用同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆孔和牽拉操作；(2)該末端執(zhí)行器通過力傳感器反饋信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔和牽拉過程中力的變化，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆孔的自動進(jìn)給與停止，以及準(zhǔn)確施加韌帶張力；(3)通過視覺反饋獲取術(shù)中手術(shù)器械的位置和姿態(tài)，利用該反饋信息采控制末端執(zhí)行器的運(yùn)動，能有效提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。
【附圖說明】
[0011]圖1是機(jī)器人末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是直線進(jìn)給運(yùn)動組件結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖3是操作力測量組件結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖4是電鉆組件結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5是視覺反饋組件結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖中，1、齒輪檔蓋，2、手術(shù)器械，3、齒輪，4、電機(jī)安裝法蘭，5、軸承，6、滑動絲杠，7、絲杠螺母部件，8、支承法蘭，9、機(jī)座，10、進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌滑塊，11、進(jìn)給運(yùn)動直線導(dǎo)軌，12、直流電機(jī)，13、平端緊定螺釘，14、預(yù)緊力調(diào)節(jié)墊片，15、壓力傳感器，16、電鉆夾持器下端蓋，17、測力組件導(dǎo)軌滑塊，18、測力組件直線導(dǎo)軌，19、電鉆夾持器上端蓋，20、電鉆，21、立體光學(xué)標(biāo)記框架。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0018]本實(shí)施例的一種前交叉韌帶重建術(shù)中的機(jī)器人末端執(zhí)行器主要由直線進(jìn)給運(yùn)動組件，操作力測量組件，電鉆組件，視覺反饋組件組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:直線進(jìn)給運(yùn)動組件位于末端執(zhí)行器底部，視覺反饋組件通過螺釘與直線進(jìn)給運(yùn)動組件連接，電鉆組件位于視覺反饋組件內(nèi)部并通過操作力測量組件及電鉆組件的電鉆夾持器上、下端蓋16、19與之連接，操作力測量組件位于視覺反饋組件內(nèi)部并通過螺釘與直線進(jìn)給運(yùn)動組件中的絲杠螺母部件7的平臺表面連接。
[0019]進(jìn)行股骨或脛骨鉆孔操作時(shí)，進(jìn)給運(yùn)動組件帶著電鉆組件沿著直線導(dǎo)軌向前自動進(jìn)給，通過操作力測量組件和視覺反饋組件獲取鉆孔力的大小以及鉆頭位置信息，反饋給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給；進(jìn)行韌帶牽拉操作時(shí)，更換手術(shù)器械，進(jìn)給運(yùn)動組件帶著電鉆組件沿著直線導(dǎo)軌向后自動進(jìn)給，通過操作力測量組件獲取牽拉力的大小，反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確的韌帶預(yù)張力設(shè)置。
[0020]參照圖1，齒輪檔蓋I通過螺釘固定在電機(jī)安裝法蘭4上，用于屏蔽齒輪3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，避免人體與運(yùn)動部件發(fā)生碰撞。
[0021]參照圖2，直流電機(jī)12通過其減速箱上的安裝螺紋孔使用螺釘固定在電機(jī)安裝法蘭4上；直流電機(jī)12的D型輸出軸與齒輪3的軸孔采用過盈配合裝配在一起，通過齒輪組將電機(jī)的