[發明專利]骨科手術輔助機器人系統

無效

• 申請號: 201010299237.6
• 申請日: 2010-10-02
• 公開（公告）號: CN101947126A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 欒楠;張詩雷;趙言正;張曉明;徐俊虎
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: A61B17/56
• 分類號: A61B17/56
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種機器人技術領域的裝置，具體是一種骨科手術輔助機器人系統。

背景技術

隨著機器人技術與醫學科學的交叉發展，各種用途的醫用機器人正在醫學領域中得到越來越廣泛的應用。手術機器人是其中的前沿研究熱點之一。目前醫療機器人已經在腦神經外科、心臟修復、膽囊摘除手術、人工關節置換、整形外科、泌尿外科手術等方面取得了廣泛的應用，在提高手術效果和精度的同時，也不斷開創新的應用領域。

機器人與醫生手工操作相比在某些方面具有極大的優勢，因為機械手的定位更為準確、穩定且有力，可以避免外科醫生長時間手術而帶來的疲勞，以及可能造成外科醫生手臂顫動，從而提高了手術的精度、穩定性以及安全性。正由于機器人的上述優點，手術機器人的臨床應用已經展開到外科的各個領域。

目前現有的手術機器人產品和技術主要是基于遙操作機器人的，即醫師通過遠程操縱裝置來控制機器人完成各項動作。機器人在手術全程都由受過專業培訓的醫師來操作，基本不具備自主性。

外科手術由于手術類型的不同，對手術機器人的要求也不同。骨科手術中常常需要精確的切削、磨削、固定等操作，這類操作對操作精度和力量要求較高，但動作比較簡單，可以由機器人自主完成。因此，具有一定自主能力，能輔助醫師完成這些費時費力操作的機器人裝置，能大大減低醫師的作業強度，節約手術時間，提高作業精度，減少創口大小，是骨科手術的迫切需要。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利申請號：200710117890.4提出了一種基于3D鼠標操作的微創骨科手術機器人，由橫向移動組件、減速器組件、上下移動組件、小臂移動組件、小臂組件、正中組件和3D鼠標組成；3D鼠標安裝在小臂組件的小臂殼體上，方便醫生操作和控制。該3D鼠標含有六個自由度，可以實現笛卡爾坐標系中的六個方向運動控制，但是此技術本身并不能完全實現六個自由度運動，而3D鼠標僅用于粗定位。此外，該技術完全沒有涉及控制方法和控制器，應不具有自主控制功能。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種骨科手術輔助機器人系統，可以輔助骨科手術醫師完成截骨、磨削、固定等操作。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：機器人本體、控制器和操縱桿，其中：操縱桿位于機器人本體的手腕處并與機器人控制器相連以傳輸傳遞操縱者的手動操作信號，控制器位于機器人本體的底座內并與機器人本體以及操縱桿相連結實現對機器人本體的控制，機器人本體安放于手術臺邊輔助主刀醫師實現對患者的手術操作。

所述的機器人本體包括：可移動基座、七自由度機械臂和機器人末端執行器，其中：可移動基座作為整個裝置的基座，七自由度機械臂固定安裝于可移動基座的上方通過信號電纜與控制器相連并接受其控制信號，機器人末端執行器固定安裝于機械臂末端的機械接口上并通過導線與控制器相連以接收控制信號，機器人末端執行器作為機器人的作業工具，包括手術用的骨鋸、骨鉆和夾持工具。

所述的可移動基座的底部設有滾輪，在工作時輪子脫離地面，由支承腳著地，使基座穩定固定于地面，以獲得較高的定位精度。

所述的七自由度機械臂的為開鏈式機構，包括：肩部、肘部和腕部，其中：肩部、腕部采用三關節軸線相互垂直交于一點的球副結構，便于運動控制算法的簡化，肘部采用一個轉動副，實現了肩部、腕部各具有三個自由度，肘部具有一個自由度。

所述的機器人末端執行器的通過機械鎖定裝置固定安裝于機械臂末端機械接口，需要更換時可快速解除鎖定，將其拆卸下來。

所述的控制器包括：中央控制模塊、多軸運動控制模塊、交流伺服驅動器、顯示模塊和傳感模塊，其中：中央控制模塊通過局域網絡與導航裝置相連接，接受來自導航裝置的導航指令，并將機器人位置、姿態等自身信息輸出到導航裝置，中央控制模塊通過PCI總線與多軸運動控制模塊相連接，中央控制模塊完成機器人運動規劃，并將指令發送到多軸運動控制模塊，由后者具體實現機器人運動控制，中央控制模塊通過IO接口與傳感模塊相連接，接受來自后者的傳感信息，顯示模塊與中央控制模塊相連，作為人機交互界面用于在工作過程中監控機器人工作狀態，并通過觸摸屏方式接受用戶輸入信息，可用于工作模式選擇，工作參數設定，流伺服驅動器通過信號電纜與多軸運動控制模塊相連接，接受來自中央控制模塊的運動規劃信息，按照控制算法完成插補運算，生成具體的驅動信號發送到各交流伺服驅動器，控制各電機運動以完成指令動作。