[发明专利]骨科手术辅助机器人系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种骨科手术辅助机器人系统。

背景技术

随着机器人技术与医学科学的交叉发展，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。手术机器人是其中的前沿研究热点之一。目前医疗机器人已经在脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除手术、人工关节置换、整形外科、泌尿外科手术等方面取得了广泛的应用，在提高手术效果和精度的同时，也不断开创新的应用领域。

机器人与医生手工操作相比在某些方面具有极大的优势，因为机械手的定位更为准确、稳定且有力，可以避免外科医生长时间手术而带来的疲劳，以及可能造成外科医生手臂颤动，从而提高了手术的精度、稳定性以及安全性。正由于机器人的上述优点，手术机器人的临床应用已经展开到外科的各个领域。

目前现有的手术机器人产品和技术主要是基于遥操作机器人的，即医师通过远程操纵装置来控制机器人完成各项动作。机器人在手术全程都由受过专业培训的医师来操作，基本不具备自主性。

外科手术由于手术类型的不同，对手术机器人的要求也不同。骨科手术中常常需要精确的切削、磨削、固定等操作，这类操作对操作精度和力量要求较高，但动作比较简单，可以由机器人自主完成。因此，具有一定自主能力，能辅助医师完成这些费时费力操作的机器人装置，能大大减低医师的作业强度，节约手术时间，提高作业精度，减少创口大小，是骨科手术的迫切需要。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号：200710117890.4提出了一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人，由横向移动组件、减速器组件、上下移动组件、小臂移动组件、小臂组件、正中组件和3D鼠标组成；3D鼠标安装在小臂组件的小臂壳体上，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，但是此技术本身并不能完全实现六个自由度运动，而3D鼠标仅用于粗定位。此外，该技术完全没有涉及控制方法和控制器，应不具有自主控制功能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种骨科手术辅助机器人系统，可以辅助骨科手术医师完成截骨、磨削、固定等操作。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机器人本体、控制器和操纵杆，其中：操纵杆位于机器人本体的手腕处并与机器人控制器相连以传输传递操纵者的手动操作信号，控制器位于机器人本体的底座内并与机器人本体以及操纵杆相连结实现对机器人本体的控制，机器人本体安放于手术台边辅助主刀医师实现对患者的手术操作。

所述的机器人本体包括：可移动基座、七自由度机械臂和机器人末端执行器，其中：可移动基座作为整个装置的基座，七自由度机械臂固定安装于可移动基座的上方通过信号电缆与控制器相连并接受其控制信号，机器人末端执行器固定安装于机械臂末端的机械接口上并通过导线与控制器相连以接收控制信号，机器人末端执行器作为机器人的作业工具，包括手术用的骨锯、骨钻和夹持工具。

所述的可移动基座的底部设有滚轮，在工作时轮子脱离地面，由支承脚着地，使基座稳定固定于地面，以获得较高的定位精度。

所述的七自由度机械臂的为开链式机构，包括：肩部、肘部和腕部，其中：肩部、腕部采用三关节轴线相互垂直交于一点的球副结构，便于运动控制算法的简化，肘部采用一个转动副，实现了肩部、腕部各具有三个自由度，肘部具有一个自由度。

所述的机器人末端执行器的通过机械锁定装置固定安装于机械臂末端机械接口，需要更换时可快速解除锁定，将其拆卸下来。

所述的控制器包括：中央控制模块、多轴运动控制模块、交流伺服驱动器、显示模块和传感模块，其中：中央控制模块通过局域网络与导航装置相连接，接受来自导航装置的导航指令，并将机器人位置、姿态等自身信息输出到导航装置，中央控制模块通过PCI总线与多轴运动控制模块相连接，中央控制模块完成机器人运动规划，并将指令发送到多轴运动控制模块，由后者具体实现机器人运动控制，中央控制模块通过IO接口与传感模块相连接，接受来自后者的传感信息，显示模块与中央控制模块相连，作为人机交互界面用于在工作过程中监控机器人工作状态，并通过触摸屏方式接受用户输入信息，可用于工作模式选择，工作参数设定，流伺服驱动器通过信号电缆与多轴运动控制模块相连接，接受来自中央控制模块的运动规划信息，按照控制算法完成插补运算，生成具体的驱动信号发送到各交流伺服驱动器，控制各电机运动以完成指令动作。