一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人.pdf

本发明公开了一种3D鼠标操作的微创骨科手术机器人，由横向移动组件(1)、减速器组件(2)、上下移动组件(3)、小臂组件(4)、腕部组件(5)和3D鼠标(6)组成；3D鼠标(6)安装在小臂组件(4)的小臂壳体(401)的上，减速器组件(2)的机座(207)与横向移动组件(1)的旋转法兰(101)通过螺钉连接，上下移动组件(3)的安装底座(305)与减速器组件(2)的接口(202)通过两个锁杆(210)连接，小臂组件(4)的滑槽(402)与上下移动组件(3)的C滑槽(301)连接，且在滑动槽(316)内滑动，腕部组件(5)的腕部法兰(501)与小臂组件(4)的减速器的输出轴(408)通过键连接。该机器人是针对骨科手术的临床需求和手术环境，按照骨科手术过程中的高安全性要求，以实用性和适用性为基本的出发点，采用主动约束加被动安全保障的规划思想，设计了结构化、模块化的骨科手术机器人。

权利要求书
1、  一种基于3D鼠标进行安全操作的微创手术骨科机器人，其特征在于：由横向移动组件(1)、减速器组件(2)、上下移动组件(3)、小臂组件(4)、腕部组件(5)和3D鼠标(6)组成；3D鼠标(6)安装在小臂组件(4)的小臂壳体(401)的上，减速器组件(2)的机座(207)与横向移动组件(1)的旋转法兰(101)通过螺钉连接，上下移动组件(3)的安装底座(305)与减速器组件(2)的接口(202)通过两个锁杆(210)连接，小臂组件(4)的滑槽(402)与上下移动组件(3)的C滑槽(301)连接，且在滑动槽(316)内滑动，腕部组件(5)的腕部法兰(501)与小臂组件(4)的减速器的输出轴(408)通过键连接；
横向移动组件(1)的导轨(104)的底部安装有齿条(105)，导轨(104)的中间设有走线槽(107)，导轨(104)的一端通过转轴(102)与旋转法兰(101)的一端连接，导轨(104)的另一端穿过连接座(130)的通孔(136)，且滑动连接在连接座(130)上；连接座(130)在横向方向上设有通孔(136)，连接座(130)的右面板(135)的四周安装有A横向转轴(131)、B横向转轴(132)、C横向转轴(133)、D横向转轴(134)；连接座(130)的上面板(145)的四周安装有A纵向转轴(141)、B纵向转轴(142)、C纵向转轴(143)、D纵向转轴(144)；连接座(130)的左端为连接端(137)；连接座(130)的下面板(155)的中心设有圆孔(151)，圆孔(151)内安装有齿轮，齿轮与A电机的输出轴连接，A电机安装在下面板(155)上；下面板(155)的两侧分别开有A凹槽(152)、B凹槽(153)，A凹槽(152)内放置有A滚轮，B凹槽(153)内放置有B滚轮，A滚轮套接在C横向转轴(133)上，B滚轮套接在B横向转轴(132)上；
减速器组件(2)的机座(207)内安装有蜗轮(205)、蜗杆(206)，蜗轮(205)通过A球轴承(213)、B球轴承(214)与机座(207)连接，蜗轮(205)的一端设有蜗轮端盖(204)，蜗轮(205)的另一端通过螺钉与接口(202)连接，接口(202)的两端分别设有两个锁杆(210)，机座(207)的斜面(215)上开有调节槽(212)；B电机(203)的输出轴与蜗杆(206)的一端连接，蜗杆(206)的另一端安装在平面轴承(201)的中心孔内，平面轴承(201)通过螺钉与B压板(209)连接，平面轴承(201)顶紧在蜗杆端盖(208)上，蜗杆端盖(20)8通过螺钉安装在机座(207)的内壁上；
上下移动组件(3)的壳体(307)的正面板上开有滑动槽(316)，C电机(315)安装在壳体(307)上端，且C电机(315)的输出轴穿过壳体上设有的孔后与联轴器(309)一端连接，联轴器(309)另一端与丝杠(313)一端连接，丝杠(313)另一端穿过滑块螺母(304)后与轴承配合安装在壳体(307)下端，壳体(307)的后面板的内壁安装有导轨底座(308)，导轨底座(308)上安装有直线导轨，直线导轨上安装有滑块螺母(304)，滑块螺母(304)另一端面与导轨法兰(303)一端连接，导轨法兰(303)另一端上安装有A底座(302)，A底座(302)上设有C滑槽(301)；
小臂组件(4)的D滑槽(402)安装在D壳体(401)的左端面上，D壳体(401)内设有隔板(404)，隔板(404)上安装有D电机(406)，D电机(406)的输出轴与联轴器(405)连接，联轴器(405)的另一端与减速器(407)的一端连接，减速器(407)的输出轴(408)与腕部组件(5)的腕部法兰(501)连接，D壳体(401)的上部设有挡板(403)；
腕部组件(5)的E电机(512)与电机法兰(511)连接，电机法兰(511)安装在E壳体(502)的右侧板上，E壳体(502)的右侧板外壁与腕部法兰(501)连接，E壳体(502)的右半部用于安装E电机(512)部位上加盖有E挡板(515)，E电机(512)的输出轴与丝杠(504)的一端连接，丝杠(504)的另一端穿过拨块(503)后安装在左侧板(516)上，拨块(503)的纵向中心设有E滑槽(513)，E滑槽(513)的上端部开有的圆孔内安装有销轴(508)，拨块(503)的E滑槽(513)内通过安装一沉头螺钉(514)实现拨块(503)与丝杆(504)连接，拨块(503)的正面凹槽内压盖有压板(509)后与导向块(507)连接，导向块(507)的中心设有定位孔(506)。

说明书一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人
技术领域
本发明涉及一种骨科手术用的机器人，具体地说，是指一种为提高手术过程中的安全性、稳定性、可靠性而设计的，采用6自由度的3D鼠标操作与控制的微创骨科手术辅助机器人。
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，空心钉固定术、髓内钉内固定术作为几种典型的微创手术正逐渐成为治疗骨折的首选术式。比如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，这种微创手术对于患者的损伤较小、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，不仅患者和医务人员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基于3D鼠标进行安全操作的微创手术骨科机器人，该骨科机器人通过模块化设计各个的机构，配合3D鼠标进行主、被动控制，可以在有限的手术空间中完成对手术路径的导航，并精确定位，辅助医生完成手术操作。机器人各个机构可以简单的拆卸和组装，便于对其进行消毒和灭菌操作。
本发明是一种基于3D鼠标进行安全操作的微创手术骨科机器人，由横向移动组件、减速器组件、上下移动组件、小臂组件、腕部组件和3D鼠标组成；3D鼠标安装在小臂组件的小臂壳体的上，减速器组件的机座与横向移动组件的旋转法兰通过螺钉连接，上下移动组件的安装底座与减速器组件的接口通过两个锁杆连接，小臂组件的滑槽与上下移动组件的C滑槽)连接，且在滑动槽内滑动，腕部组件的腕部法兰与小臂组件的减速器的输出轴通过键连接。
本发明微创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；(2)串联的机器人结构方式可以灵活控制，布局合理；(3)所采用的结构设计使得整个运动精密且容易实现各部件的功能；(4)横向移动组件采用齿轮、齿条在电机的驱动下运动，提高了运动精度；(5)采用的3D鼠标安装在小臂组件4的移动臂前端，方便医生操作和控制，该3D鼠标含有六个自由度，可以实现笛卡尔坐标系中的六个方向运动控制；(6)减速器组件采用蜗轮、蜗杆的传动方式，有利于上下移动组件3、小臂组件4、腕部组件5可以沿蜗杆206的轴心转动。
附图说明
图1是本发明微创骨科机器人的外部结构图。
图2是本发明连接座的外部结构图。   图2A是连接座下面板的结构图。
图2B是旋转法兰与导轨的装配示意图。图3是本发明减速器组件的仰视图。
图3A是图3的A-A视图。              图3B是本发明减速器组件的俯视图。
图3C是图3B的B-B视图。             图4是本发明上下移动组件的剖面图。
图4A是图4的A-A视图。              图5是本发明小臂组件的剖面图。
图6是本发明腕部组件的外部结构图。 图6A是图6的A-A视图。
图6B是无导向块、挡板时的腕部组件的外部结构图。
图中：    1.横向移动组件  101.旋转法兰   102.转轴      103.定位销104.导轨      105.齿条        106.销孔       107.走线槽    130.连接座131.A横向转轴 132.B横向转轴   133.C横向转轴  134.D横向转轴 135.右面板136.通孔      137.连接端      141.A纵向转轴  142.B纵向转轴 143.C纵向转轴144.D纵向转轴 145.上面板      151.圆孔       152.A凹槽     153.B凹槽154.螺纹孔    155.下面板      2.减速器组件   201.平面轴承  202.接口203.B电机     204.涡轮端盖    205.涡轮       206.涡杆      207.机座208.涡杆端盖  209.B压板       210.锁杆       211.张紧螺钉  212.调节槽213.A球轴承   214.B球轴承     215.斜面       3.上下移动组件301.C滑槽302.A底座     303.导轨法兰    304.滑块螺母   305.B底座     307.壳体308.导轨底座  309.联轴器      313.丝杠       315.C电机     316.滑动槽4.小臂组件    401.D壳体       402.D滑槽      403.挡板      404.隔板405.联轴器    406.D电机       407.减速器     408.输出轴    5.腕部组件501.腕部法兰  502.E壳体       503.拨块       504.丝杆      506.定位孔507.导向块    508.销轴        509.压板       511.电机法兰  512.E电机513.E滑槽     514.沉头螺钉    515.E挡板      516.左侧板    6.3D鼠标
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。
请参见图1所示，本发明是一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人，是一种适用于下半部身体骨折复位和创伤手术的医疗器械。由横向移动组件1、减速器组件2、上下移动组件3、小臂组件4、腕部组件5和3D鼠标6组成；3D鼠标6安装在小臂组件4的小臂壳体401的上，减速器组件2的机座207与横向移动组件1的旋转法兰101通过螺钉连接，上下移动组件3的安装底座305与减速器组件2的接口202通过两个锁杆210连接，小臂组件4的滑槽402与上下移动组件3的C滑槽301连接，且在滑动槽316内滑动，腕部组件5的腕部法兰501与小臂组件4的减速器的输出轴408通过键连接。本发明主要包括的五个部分组成，每个部分均采用直流电机驱动，即A电机(图中未示出)驱动横向移动组件1，B电机驱动减速器组件2，C电机驱动上下移动组件3，D电机驱动小臂组件4，E电机驱动腕部组件5。
下面将对本发明的每个组件的机械结构进行详细说明：
横向移动组件1：参见图2B所示，导轨104的底部安装有齿条105，导轨104的中间设有走线槽107(走线槽107用于放置横向移动组件1和减速器组件2所需的驱动线、电源线)，导轨104的一端通过转轴102与旋转法兰101的一端(旋转法兰101的另一端面上安装有减速器组件2的机座207连接，导轨104的另一端穿过连接座130的通孔136，且滑动连接在连接座130上。在进行手术时，通过定位销103使旋转法兰101与导轨104平行；当结束手术时，通过取下定位销103，使销钉安装在销孔106中实现收起减速器组件2、上下移动组件3、小臂组件4和腕部组件5。参见图2、图2A所示，连接座130在横向方向上设有通孔136，连接座130的右面板135的四周安装有A横向转轴131、B横向转轴132、C横向转轴133、D横向转轴134；连接座130的上面板145的四周安装有A纵向转轴141、B纵向转轴142、C纵向转轴143、D纵向转轴144；连接座130的左端为连接端137，用于实现本发明的连接座130与手术床固定连接；连接座130的下面板155的中心设有圆孔151，圆孔151内安装有齿轮(在电机的作用下，用于驱动齿条105在横向方向上往复运动)，齿轮与横向移动组件电机的输出轴连接，横向移动组件电机(A电机)安装在下面板155上，即将螺钉穿过横向移动组件电机上的安装板、以及下面板155上的螺纹孔154实现横向移动组件电机与下面板155的固定；下面板155的两侧分别开有A凹槽152、B凹槽153，A凹槽152内放置有A滚轮，B凹槽153内放置有B滚轮，A滚轮套接在C横向转轴133上，B滚轮套接在B横向转轴132上。在本发明中，四个纵向转轴(A纵向转轴141、B纵向转轴142、C纵向转轴143、D纵向转轴144)和四个横向转轴(A横向转轴131、B横向转轴132、C横向转轴133、D横向转轴134)可以使导轨104在连接座130中无间隙的滑动，提高了直线运动的精度。
减速器组件2：参见图3、图3A、图3B、图3C所示，机座207内安装有蜗轮205、蜗杆206，蜗轮205通过A球轴承213、B球轴承214与机座207连接，蜗轮205的一端设有蜗轮端盖204，蜗轮205的另一端通过螺钉与接口202连接，接口202的两端分别设有两个锁杆210，锁杆210用于实现减速器组件2与下上移动组件3之间的连接，机座207的斜面215上开有调节槽212，调节槽212通过张紧螺钉211调节蜗轮205与蜗杆206之间的配合精度；B电机203的输出轴与蜗杆206的一端连接，蜗杆206的另一端安装在平面轴承201的中心孔内，平面轴承201通过螺钉与B压板209连接，平面轴承201顶紧在蜗杆端盖208上，蜗杆端盖208通过螺钉安装在机座207的内壁上。在本发明中，采用B电机203驱动蜗杆206转动的同时带动蜗轮205转动，从而实现蜗轮205的减速旋转，解决了上下移动组件3、小臂组件4、腕部组件5可以沿蜗杆206的轴心转动。
上下移动组件3：参见图4、图4A所示，壳体307的正面板上开有滑动槽316，滑动槽316用于小臂组件4的一端在槽内上下滑动，C电机315安装在壳体307上端，且C电机315的输出轴穿过壳体上设有的孔后与联轴器309一端连接，联轴器309另一端与丝杠313一端连接，丝杠313另一端穿过滑块螺母304后与轴承配合安装在壳体307下端，壳体307的后面板的内壁安装有导轨底座308，导轨底座308上安装有直线导轨，直线导轨上安装有滑块螺母304，滑块螺母304与导轨法兰303一端连接，导轨法兰303另一端上安装有A底座302，A底座302上设有C滑槽301。
小臂组件4：参见图5所示，D滑槽402安装在D壳体401的左端面上，D壳体401内设有隔板404，隔板404上安装有D电机406，D电机406的输出轴与联轴器405连接，联轴器405的另一端与减速器407的一端连接，减速器407的输出轴408与腕部组件5的腕部法兰501连接，D壳体401的上部设有挡板403。D滑槽402与C滑槽301配合完成小臂组件4与上下移动组件3的对接。
腕部组件5：参见图6、图6A、图6B所示，E电机512与电机法兰511连接，电机法兰511安装在E壳体502的右侧板上，E壳体502的右侧板外壁与腕部法兰501连接，E壳体502的右半部用于安装E电机512部位上加盖有E挡板515，E电机512的输出轴与丝杠504的一端连接，丝杠504的另一端穿过拨块503后安装在左侧板516上，(参见图6B所示)拨块503的纵向中心设有E滑槽513，E滑槽513的上端部开有的圆孔内安装有销轴508，销轴508的设计有利于拨块503绕此销轴508转动，拨块503的E滑槽513内通过安装一沉头螺钉514实现拨块503与丝杆504连接，拨块503的正面凹槽内压盖有压板509后与导向块507连接，导向块507的中心设有定位孔506。
本发明微创骨科手术机器人采用3D鼠标6进行操作的控制系统能够实现被动约束的控制方式，即操作3D鼠标6就能控制机器人达到手术区域；也可以实现主动控制的方式，此时3D鼠标6起着一种安全保障的作用，即在该种模式下，医生可以让机器人自动控制，但在机器人运动出现超速、跨越工作轨迹等问题的情况下，医生可以操作3D鼠标6，使其停止或者按照被动方式进行运动。
本发明微创骨科手术机器人按照关节划分可以有水平运动关节(横向移动组件1)、转向运动关节(减速器组件2)、平面旋转运动关节(上下移动组件3)、垂直运动关节(小臂组件4)、旋转运动关节(腕部组件5)。横向移动组件1采用齿轮齿条105传动，小臂组件4的上下移动采用直线导轨、滑块实现垂直方向上的上下运动。
本发明的微创骨科手术机器人的横向移动组件1采用齿轮齿条105结构，运行行程长，可以有很大的工作空间，能在相对较长的手术床范围内运动并经确定位，并且第一关节与手术床本体之间采用方孔配合进行连接，便于拆卸。
本发明的微创骨科手术机器人为了保障机器人运动过程中的安全性和便于医生的操控，在小臂组件4的D壳体401上安装了一个六自由度的3D鼠标6来实现安全操控系统，医生可以通过该手柄，操纵机器人的运动轨迹，完成机器人的粗定位和导航，避免由机器人的自动轨迹规划所可能造成的人机干涉问题。
本发明公开了一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人，该机器人是针对骨科手术的临床需求和手术环境，按照骨科手术过程中的高安全性要求，以实用性和适用性为基本的出发点，采用主动约束规划思想，设计了结构化、模块化的骨科手术机器人。本发明综合利用了机械设计、机构学、机器人学、自动控制、计算机技术、电子技术、通信技术等多门学科技术，解决了微创骨科手术中路径导航和精确定位的问题。该机器人既为微创骨科手术提供了稳定可靠的手术导航方法，又能简单的拆卸和组装，并且具有控制安全、结构紧凑、操作简便等优点，适合在我国的国情下进行临床应用的推广。