基于无创式实时手术定位导航设备的骨科手术机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于无创式实时手术定位导航设备的骨科手术机器人。
【背景技术】
[0002]传统手术方式下，医生主要凭借视觉的主观判断和积累的手术临床经验来决定手术路径。特别是针对一些较为隐蔽的器官，即使经验很丰富的外科医生有时在手术中也不能完全确认手术器械当前所在的准确位置，存在一定的失败率，尤其是高难度手术，比如颈椎手术，存在一定死亡率和致残率。此外，长时间的手术操作，会医生会是一个极大的体力负担，医生容易发生疲劳，影响手术效果。
[0003]目前，世界上很多国家都致力于开发各种手术机器人，来克服人手操作的不足。手术机器人具有人手无法比拟的高稳定性和精准度，超越了肉眼和人手的局限，且由此完成的手术创伤更小、失血更少，患者在术后恢复更快，愈合更好，能缩短住院时间。
[0004]目前手术机器人的建构方式主要是三维图像导航与机械臂相结合。专利号为02158691.8的专利，“计算机辅助髓内钉远端锁定系统”，利用计算机视觉的三维导航原理，实现手术路径的快速定位，从而实现髓内钉固定的半自动化。专利号为200910237998.6的专利“骨科手术机器人辅助装置及定位系统”，同样也是利用三维导航实现了多个位置的骨固定术。
[0005]但由于采用这种建构方式，这类手术机器人在使用过程中存在缺陷与不足:1.需要固定参考架，不仅给患者带来额外的创伤，而且如果参考架术中移位(骨折块移动、骨折疏松等)，则会发生定位错位，影响手术精度;2.需要三维重建，这不仅增加患者额外的辐射暴露，图像采集及三维重建同样也增加了手术时间。
[0006]为了改进现有技术中存在的不足，我们拟开发的手术机器人，采用了一种创新的建构模型一二维图像导航，精度高、辐射低、实时、无创。该设备适配二维转三维装置，实现极低辐射的三维导航。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于无创式实时手术定位导航设备的骨科手术机器人的技术方案，能够快速、精确的建立微创手术的手术通道，增加手术安全性，提高手术准确率，同时减少辐射暴露及减少手术创伤。
[0008]所述的基于无创式实时手术定位导航设备的骨科手术机器人，其特征在于包括手术床、固定装置、执行机构、机械臂和机械手，手术床上滑动设置固定装置，固定装置上方设置执行机构，执行机构一侧设置机械臂，机械臂内卡接设置机械手。
[0009]所述的基于无创式实时手术定位导航设备的骨科手术机器人，其特征在于:
所述的手术床，其与固定装置通过轨道连接，轨道上具有锁定装置，能在轨道的任意位置进行锁定；
所述的固定装置，其包括水平移动机构、垂直移动机构和肢体夹紧装置，水平移动机构通过轨道副与手术床连接，用于机器人的初步定位;垂直运动机构通过螺旋副来控制升降，用于适用不同体厚的患者;肢体夹紧装置为一对固定夹，通过手柄调整固定夹位置能够夹紧患者的肢体；
所述的执行机构，安装于固定装置的平台上，用于激光线的捕捉和把持;执行机构包括上平面运动机构和下平面运动机构，上平面运动机构包括了上平面X向移动机构和上平面Y向移动机构，上平面X向移动机构上设有上平面激光点捕捉面板;下平面运动机构包括了下平面X向移动机构和下平面Y向移动机构，下平面X向移动机构上设有下平面激光点捕捉面板；
所述的机械臂，其与执行机构、机械手连接，具有绕正交两轴旋转的自由度，旋转中心点在夹持的机械手的几何轴线上;机械臂包括机械臂基座、旋转轴和圆弧型夹持机构，圆弧型夹持机构设置在机械臂基座内，旋转轴一端连接机械臂基座，旋转轴另一端连接上平面X向移动机构或下平面X向移动机构，旋转轴能够在上平面X向移动机构或下平面X向移动机构内转动；圆弧型夹持机构包括相向设置的一对带外齿弧形爪、小齿轮、复位弹簧和齿条，小齿轮通过轴转动设置在圆弧型夹持机构的壳体上，带外齿弧形爪与齿条通过小齿轮啮合且带外齿弧形爪与齿条相向运动，齿条与圆弧型夹持机构的壳体侧壁之间设置用于对齿条复位的复位弹簧；
所述的机械手，其卡接设置在机械臂的圆弧型夹持机构内；机械手包括钢针夹持机构、高速旋转机构、轴向移动机构、上极限位置行程开关和下极限位置行程开关，其中钢针夹持机构与轴向移动机构的主轴连接，上极限位置行程开关和下极限位置行程开关安装在行程的上限位置和下限位置;钢针夹持机构主要由卡爪、卡爪固定轴及壳体组成，其中卡爪通过卡爪固定轴固定在壳体上；主轴处于高速旋转状态时，钢针夹持机构中的卡爪的尾部由于离心力的作用向外甩出，整个卡爪绕卡爪固定轴旋转，则卡爪的头部向心夹紧钢针，三个卡爪同时运动时，即可完成对钢针的夹持动作;高速旋转机构主要由高速电机软轴输入轴、斜齿轮和带花键斜齿轮组成，其中的带花键斜齿轮与轴向移动机构的主轴通过花键副连接，斜齿轮设置在高速电机软轴输入轴上，斜齿轮与带花键斜齿轮啮合，高速电机通过软轴将动力传递到高速电机软轴输入轴，高速电机软轴输入轴再带动斜齿轮运动，斜齿轮再驱动带花键斜齿轮，最后带花键斜齿轮通过花键副带动轴向移动机构的主轴，使其获得高速旋转的动力；轴向移动机构主要由轴向电机软轴输入轴、主轴、平面齿轮、齿条型轴向移动机身和角接触轴承组成，其中角接触轴承的外圈与齿条型轴向移动机身的内孔连接，角接触轴承的内圈与主轴的轴连接，轴向电机通过软轴将动力传递到轴向电机软轴输入轴上，再由轴向电机软轴输入轴带动平面齿轮，平面齿轮通过齿轮齿条传动的方式驱动齿条型轴向移动机身的轴向运动，最终通过角接触轴承来实现主轴在高速旋转的同时进行轴向运动；通过钢针夹持机构、高速旋转机构、轴向移动机构的联动，实现2mm钢针的置针穿刺动作。
[0010]所述的基于无创式实时手术定位导航设备的骨科手术机器人，其特征在于所述上平面激光点捕捉面板和下平面激光点捕捉面板上均设置有一个黑色的十字标志点，激光线穿过上平面激光点捕捉面板的十字标志点和下平面激光点捕捉面板的十字标志点时即捕捉到激光线的位置。
[0011]本发明的固定装置具有很高的操作灵活性，通过水平移动机构可以快速的将骨科手术机器人移动至定位激光线附近，即缩短了执行机构的捕捉行程，又增大了骨科手术机器人的工作范围；固定装置中还包括固定夹和垂直移动机构，其中的固定夹可以快速方便的固定患者的肢体，而垂直移动机构则可以实现高度方向上的大幅度调整，从而可以根据手术床上的患者的肢体的高度情况对骨科手术机器人在高度方向上作相应的调整，使得骨科手术机器人被调整到最佳的摆放位置，即将机械手调整到了最合适的初始高度位置。整个调整过程简单、便捷，减少了骨科手术机器人的姿态调整时间，从而使手术更加的方便。
[0012]本发明的执行机构包括上平面运动机构和下平面运动机构，其中上平面运动机构中又包括有上平面激光点捕捉面板，下平面运动机构中又包括有下平面激光点捕捉面板，通过两个激光捕捉面板依次去捕捉定位激光线与面板的相交点，通过两点一线的方式来确定需要捕捉的那条定位激光线。这样便简单的实现了定位激光线的精确捕捉。完成捕捉后，上平面运动机构和下平面运动机构中的电机分别自动锁定，便实现了定位激光线的把持功會K。
[0013]本发明的机械臂分别与执行机构和机械手连接，具有绕正交两轴旋转的自由度。本发明包含有两个机械臂，两个机械臂的末端旋转轴分别与执行机构中的上平面运动机构和下平面运动机构相连接。两个机械臂的旋转中心分别为上平面激光点捕捉面板和下平面激光点捕捉面板捕捉到的激光点。其中机械臂、机械手均为可消毒部件。机械臂末端旋转轴插入执行机构后便自动锁定，实现机械手与执行机构的隔离，防止机械手在安装使用中被污染。这样便无需在手术前后对骨科手术机器人的各大部件进行高温蒸煮等消毒灭菌处理，也就解决了无需在手术前后对骨科手术机器人的各部件进行组装、拆卸，更加解决了骨科手术机器人的某些部件根本无法进行常规的高温蒸煮消毒灭菌的问题。
[0014]本发明的机械臂还设置有自动复位的圆弧型夹持机构。该圆弧型夹持机构与机械手的外圆弧表面精确配合，通过具有自动复位功能的圆弧型夹持机构可以实现机械手的快速安装和拆卸。这样医生在手术中可以根据手术的需求来更换不同的机械手，同时该置换机械手的操作模式又增强了骨科手术机器人的可拓展性，可以适用于多种应用。