一種前交叉韌帶重建術中的機器人末端執行器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種前交叉韌帶重建術中的機器人末端執行器，屬于外科醫療器械領域。
【背景技術】
[0002]傳統關節鏡下前交叉韌帶重建手術由醫生手持電鉆進行脛骨和股骨鉆孔，然后將韌帶移植物固定在隧道孔中，并施加一定的預張力。鉆孔位置和力度都依賴醫生操作經驗，難以準確把握。鉆頭在運行中受力變化直接反映了電鉆與骨組織的相互作用狀態，因鉆孔不當會引起神經、血管等軟組織損傷，可導致嚴重后果。另外，韌帶移植物的預張力大小對膝關節穩定性也產生重要影響:如果沒有施加預張力，術后韌帶強度會下降約30%;預張力過低，會造成關節穩定性下降；預張力過高，會造成R0M(關節活動度)降低。
[0003]由于醫生的水平參差不齊，操作稍有不當，則會影響手術效果。目前，隨著醫療機器人技術的發展，利用機器人的高精度和可重復性操作的特點可以輔助醫生完成高質量的手術。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是為克服現有技術的不足，提高手術效果和安全性，提供一種前交叉韌帶重建術中的機器人末端執行器，它能夠完成鉆孔的自動進給以及牽拉力的精確控制，輔助醫生完成手術操作。
[0005]本實用新型一種前交叉韌帶重建術中的機器人末端執行器，包括:直線進給運動組件，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系是:直線進給運動組件位于末端執行器底部，視覺反饋組件通過螺釘與直線進給運動組件連接，電鉆組件位于視覺反饋組件內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部并通過螺釘與直線進給運動組件中的絲杠螺母部件7的平臺表面連接。
[0006]所述的直線進給運動組件包括:齒輪擋蓋1，齒輪3，電機安裝法蘭4，軸承5，滑動絲杠6，絲杠螺母部件7，支承法蘭8，機座9，進給運動導軌滑塊10，進給運動直線導軌11，直流電機12。它們之間的的位置連接關系是:滑動絲杠6與絲杠螺母部件7 —起組成絲杠傳動，直流電機12通過齒輪3將運動和動力傳遞到滑動絲杠6上，帶動滑動絲杠6轉動。齒輪檔蓋I固定在電機安裝法蘭4上，遮擋住齒輪3，防止其與醫生或患者發生碰撞，提高手術安全性。進給運動直線滑塊10和進給運動直線導軌11 一起組成導軌-滑塊連接。滑動絲杠6通過軸承5固定在電機安裝法蘭4和支承法蘭8上，以減小摩擦，提高精度。機座9及電機安裝法蘭4、支承法蘭8 一起構成整個末端執行器的基礎部件，用于固定滑動絲杠6、直流電機12、安裝進給運動直線導軌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下部的螺母配合實現直線進給運動。該進給運動直線導軌11是兩根平行安裝的市購普通導軌，用于約束進給運動導軌滑塊10只產生沿導軌的平移運動。該直流電機12是市購空心杯直流伺服電機，帶有減速箱及光電編碼器。該直線進給運動組件中的齒輪3為傳動比為1:1的直齒輪組，用于傳遞電機扭矩。該電機安裝法蘭4是打有安裝孔的板狀構件，用于對直流電機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的轉動，降低其運動過程中的摩擦系數，并保證其回轉精度。該齒輪擋蓋I是鈑金結構件；該支承法蘭8是長方形板狀結構件。
[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，預緊力調節墊片14，壓力傳感器15，電鉆夾持器下端蓋16，測力組件導軌滑塊17，測力組件直線導軌18。它們之間的的位置連接關系是:測力組件導軌滑塊17和測力組件直線導軌18 —起組成導軌-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固定在測力組件導軌滑塊17上，使其在測力組件直線導軌18上能自由滑動。規格尺寸相同的兩個壓力傳感器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的前后兩個表面分別以一定預緊力接觸。預緊力調節墊片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緊力調節墊片14施加一定的壓力，從而可以調節壓力傳感器15與電鉆夾持器下端蓋16之間的預緊力。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，兩個壓力傳感器一起組成拉、壓力測力系統。該測力組件導軌滑塊17及測力組件直線導軌18是一種市購普通直線導軌滑塊機構，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型螺旋副結構件；該平端緊定螺釘13與預緊力調節墊片14也是市購件。
[0008]所述的電鉆組件包括:手術器械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通過螺紋緊固構成電鉆夾持機構，用于固定電鉆20。該電鉆20是市購手術專用電鉆，松開電鉆夾頭可換手術器械2，實現多種操作。
[0009]所述的視覺反饋組件為立體光學標記框架21，固定在絲杠螺母部件7上。為減輕機構重量，立體光學標記框架21內部鏤空，可在其多個表面上制作手術導航系統可識別的光學標記，經處理能夠獲取手術器械的位置和姿態。
[0010]本實用新型一種前交叉韌帶重建術中的機器人末端執行器的優點在于:(I)該末端執行器結構緊湊，重量較輕，直線進給精度高，且通過更換鉆頭或牽拉頭即可用同一機構實現鉆孔和牽拉操作；(2)該末端執行器通過力傳感器反饋信息，實時監測鉆孔和牽拉過程中力的變化，控制執行機構實現鉆孔的自動進給與停止，以及準確施加韌帶張力；(3)通過視覺反饋獲取術中手術器械的位置和姿態，利用該反饋信息采控制末端執行器的運動，能有效提高手術的準確性和安全性。
【附圖說明】
[0011]圖1是機器人末端執行器的整體結構圖。
[0012]圖2是直線進給運動組件結構圖。
[0013]圖3是操作力測量組件結構圖。
[0014]圖4是電鉆組件結構圖。
[0015]圖5是視覺反饋組件結構圖。
[0016]圖中，1、齒輪檔蓋，2、手術器械，3、齒輪，4、電機安裝法蘭，5、軸承，6、滑動絲杠，7、絲杠螺母部件，8、支承法蘭，9、機座，10、進給運動導軌滑塊，11、進給運動直線導軌，12、直流電機，13、平端緊定螺釘，14、預緊力調節墊片，15、壓力傳感器，16、電鉆夾持器下端蓋，17、測力組件導軌滑塊，18、測力組件直線導軌，19、電鉆夾持器上端蓋，20、電鉆，21、立體光學標記框架。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本實用新型進行的技術方案做進一步說明。
[0018]本實施例的一種前交叉韌帶重建術中的機器人末端執行器主要由直線進給運動組件，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系是:直線進給運動組件位于末端執行器底部，視覺反饋組件通過螺釘與直線進給運動組件連接，電鉆組件位于視覺反饋組件內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部并通過螺釘與直線進給運動組件中的絲杠螺母部件7的平臺表面連接。
[0019]進行股骨或脛骨鉆孔操作時，進給運動組件帶著電鉆組件沿著直線導軌向前自動進給，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，反饋給控制系統實現自動進給；進行韌帶牽拉操作時，更換手術器械，進給運動組件帶著電鉆組件沿著直線導軌向后自動進給，通過操作力測量組件獲取牽拉力的大小，反饋給控制系統，實現精確的韌帶預張力設置。
[0020]參照圖1，齒輪檔蓋I通過螺釘固定在電機安裝法蘭4上，用于屏蔽齒輪3的旋轉運動，避免人體與運動部件發生碰撞。
[0021]參照圖2，直流電機12通過其減速箱上的安裝螺紋孔使用螺釘固定在電機安裝法蘭4上；直流電機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，通過齒輪組將電機的