一种骨科手术设备和钻削装置

本申请涉及医疗器械，尤其涉及一种钻削装置。还涉及一种骨科手术设备，包括前述钻削装置。

背景技术：

1、骨钻削是骨科手术中至关重要的手术操作之一。

2、骨钻削操作一般依靠医生手持骨钻完成，存在精准性差、安全性低、效率低、劳动强度大的问题，尤其是骨组织突破瞬间难以控制，从而易伤害骨组织周围血管、神经等；而且进给速度、进给力、钻速等工艺参数的选择依赖于医生经验，容易造成骨组织的机械和热损伤。为此，用于骨钻削作业的骨科手术机器人应运而生。

3、目前骨科手术所用的骨钻大多仅具有旋转方向的转速控制功能，不具有进给方向上位置和力的感知及控制功能，往往也不具有旋转方向的力矩感知功能。虽然少数骨钻在推进机构和旋转运动电机之间增加了压力传感器，用来实现进给方向位置与力的感知和控制，但是，由于骨钻过程中钻头和骨头表面难以保证绝对的垂直，所以压力传感器除了承受压力外还承受了侧向力，此外高速旋转的细长钻头也容易产生离心力，当连接处支撑刚度不足时就会导致钻头末端抖动。可见，骨钻的压力传感器的可靠性低，钻头的切削特性差。

4、综上，如何实现骨钻在不同方向上的感知功能和智能控制，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种钻削装置，可以检测并精确控制钻头在旋转方向和进给方向的运动。本申请的另一目的是提供一种骨科手术设备，包括钻削装置。

2、为实现上述目的，本申请提供一种钻削装置，包括钻头、旋转驱动机构、直线驱动机构和导向件；旋转驱动机构包括机座和旋转输出端，直线驱动机构包括滑块，导向件包括刚性部和仅沿滑块的滑动方向弹性变形的柔性部，刚性部和柔性部分别连接于滑块和机座；钻头设于旋转输出端；机座和滑块之间设有拉压力传感器，钻头和旋转驱动机构之间设有扭矩传感器。

3、在一些实施例中，刚性部包括与滑块固定连接的导向块；柔性部包括与机座固定连接的薄板构件；薄板构件的板厚方向平行于滑动方向。

4、在一些实施例中，薄板构件包括成对分布且相互平行的第一薄板和设于一对第一薄板之间的移动块；移动块位于任一第一薄板的板面中间，移动块分离于导向块；机座固定于移动块。

5、在一些实施例中，薄板构件还包括多个第二薄板；任一第一薄板与至少一个第二薄板紧邻且平行，任一第一薄板和与其紧邻的第二薄板板边相接；全部第二薄板固定连接于导向块，全部第一薄板分离于导向块。

6、在一些实施例中，与同一移动块连接的两个第一薄板板边相接。

7、在一些实施例中，导向块内设有凹槽；薄板构件设于凹槽内。

8、在一些实施例中，机座连接于两个以上薄板构件。

9、在一些实施例中，旋转驱动机构还包括旋转电机；扭矩传感器设于旋转电机和旋转输出端之间。

10、在一些实施例中，钻头的前方设有钻头保护套；钻头保护套内的通孔与钻头共线；钻头保护套与直线驱动机构的导轨相对固定。

11、本申请还提供一种骨科手术设备，包括机械臂和上述钻削装置，直线驱动机构的导轨固定于机械臂。

12、相对于上述背景技术，本申请所提供的钻削装置包括钻头、旋转驱动机构、直线驱动机构和导向件；在该钻削装置中，旋转驱动机构包括机座和旋转输出端，直线驱动机构包括滑块，导向件包括刚性部和仅沿滑块的滑动方向弹性变形的柔性部，刚性部和柔性部分别连接于滑块和机座；其中，钻头设于旋转输出端，机座和滑块之间设有拉压力传感器，钻头和旋转驱动机构之间设有扭矩传感器。

13、在该钻削装置中，旋转驱动机构驱动钻头旋转，与此同时，扭矩传感器检测钻头钻孔时受到的扭矩，直线驱动机构驱动钻头做直线往复运动，与此同时，拉压力传感器检测钻头钻孔时受到的压力。由此可见，该钻削装置利用旋转驱动机构、直线驱动机构、扭矩传感器和拉压力传感器精确控制钻头在旋转方向和直线进给方向的运动，感知钻头进入人体的深度和所处的位置等信息，以便操作者根据骨组织不同位置的不同特性给出最适合的工艺参数，可以提高骨钻作业的精准性、高效性、安全性，降低医生的劳动强度，降低骨组织的机械和热损伤。

14、在该钻削装置中，机座和滑块之间设有导向件；当钻头受钻孔方向的力时，设于机座和滑块之间的导向件会产生微小的位移量，而当钻头受除钻孔方向以外的其他方向的力时，导向件可以阻止钻头在这些方向上产生位移，可见，导向件可以确保拉压力传感器仅用于检测钻头钻孔时受到的拉压力，还可以降低钻头端部的抖动，改善钻头的钻孔特性。

技术特征：

1.一种钻削装置，其特征在于，包括钻头(1)、旋转驱动机构(2)、直线驱动机构(3)和导向件(4)；所述旋转驱动机构(2)包括机座(21)和旋转输出端(22)，所述直线驱动机构(3)包括滑块(31)，所述导向件(4)包括刚性部和仅沿所述滑块(31)的滑动方向弹性变形的柔性部，所述刚性部和所述柔性部分别连接于所述滑块(31)和所述机座(21)；所述钻头(1)设于所述旋转输出端(22)；所述机座(21)和所述滑块(31)之间设有拉压力传感器(5)，所述钻头(1)和所述旋转驱动机构(2)之间设有扭矩传感器(6)。

2.根据权利要求1所述的钻削装置，其特征在于，所述刚性部包括与所述滑块(31)固定连接的导向块(41)；所述柔性部包括与所述机座(21)固定连接的所述薄板构件(42)；所述薄板构件(42)的板厚方向平行于所述滑动方向。

3.根据权利要求2所述的钻削装置，其特征在于，所述薄板构件(42)包括成对分布且相互平行的第一薄板(421)和设于一对所述第一薄板(421)之间的移动块(422)；所述移动块(422)位于任一所述第一薄板(421)的板面中间，所述移动块(422)分离于所述导向块(41)；所述机座(21)固定于所述移动块(422)。

4.根据权利要求3所述的钻削装置，其特征在于，所述薄板构件(42)还包括多个第二薄板(423)；任一所述第一薄板(421)与至少一个所述第二薄板(423)紧邻且平行，任一所述第一薄板(421)和与其紧邻的所述第二薄板(423)板边相接；全部所述第二薄板(423)固定连接于所述导向块(41)，全部所述第一薄板(421)分离于所述导向块(41)。

5.根据权利要求4所述的钻削装置，其特征在于，与同一所述移动块(422)连接的两个所述第一薄板(421)板边相接。

6.根据权利要求4所述的钻削装置，其特征在于，所述导向块(41)内设有凹槽(43)；所述薄板构件(42)设于所述凹槽(43)内。

7.根据权利要求6所述的钻削装置，其特征在于，所述机座(21)连接于两个以上所述薄板构件(42)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的钻削装置，其特征在于，所述旋转驱动机构(2)还包括旋转电机(23)；所述扭矩传感器(6)设于所述旋转电机(23)和所述旋转输出端(22)之间。

9.根据权利要求1至7任一项所述的钻削装置，其特征在于，所述钻头(1)的前方设有钻头保护套(7)；所述钻头保护套(7)内的通孔与所述钻头(1)共线；所述钻头保护套(7)与所述直线驱动机构(3)的导轨(32)相对固定。

10.一种骨科手术设备，其特征在于，包括机械臂(8)和如权利要求1至9任一项所述的钻削装置，所述直线驱动机构(3)的导轨(32)固定于所述机械臂(8)。

技术总结
本申请公开了一种骨科手术设备和钻削装置。钻削装置包括钻头、旋转驱动机构、直线驱动机构和导向件；旋转驱动机构包括机座和旋转输出端，直线驱动机构包括滑块，导向件包括刚性部和仅沿滑块的滑动方向弹性变形的柔性部，刚性部和柔性部分别连接于滑块和机座；钻头设于旋转输出端；机座和滑块之间设有拉压力传感器，钻头和旋转驱动机构之间设有扭矩传感器。该钻削装置利用旋转驱动机构、直线驱动机构、扭矩传感器和拉压力传感器精确控制钻头在旋转方向和直线进给方向的运动，感知钻头进入人体的深度和所处的位置等信息；还利用导向件阻止钻头在除钻孔方向以外的其他方向产生位移，确保拉压力传感器的检测精度，降低钻头的抖动，改善钻孔特性。

技术研发人员：熊次远,杨桂林,陈庆盈,张驰,安永峰
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13