智能进给式骨钻、其控制方法及骨科手术机器人技术

本发明专利技术公开了一种智能进给式骨钻、其控制方法及骨科手术机器人。所述智能进给式骨钻包括：钻头；旋转驱动部件，用于驱动钻头进行旋转运动；进给驱动部件，用于驱动钻头进行直线方向进给运动；所述进给驱动部件包括进给方向编码器，所述进给方向编码器用于感知进给方向的位置；拉压力传感器部件，连接所述旋转驱动部件和进给驱动部件，用于感知进给方向的压力；处理器，用于根据所述位置和压力对钻头的钻削参数进行调整。本发明专利技术提供的智能进给式骨钻及控制方法可实现精确制孔功能，从而提高骨钻的精准性、高效性和安全性，降低对骨骼周围神经和软组织造成伤害的风险，同时有利于缩短病人术后的康复时间，减轻医生的劳动强度。减轻医生的劳动强度。减轻医生的劳动强度。

【技术实现步骤摘要】
智能进给式骨钻、其控制方法及骨科手术机器人


[0001]本专利技术属于医疗器械领域，具体涉及一种智能进给式骨钻、其控制方法及骨科手术机器人。

技术介绍

[0002]随着交通运输业的不断发展，交通事故的发生也不断攀升，创伤已经成为全球的主要死因。所以，发展新的骨科手术技术具有非常重大的意义。
[0003]骨钻削是骨科手术中至关重要的手术操作之一，传统的骨钻削操作主要依靠医生手持骨钻完成，对不同的骨组织层没有调整工艺参数、及时检测突破和监测钻头磨损和折断的功能，存在精准性差、安全性低、效率低、劳动强度大的问题。尤其是骨骼的周围遍布血管、肌肉与神经，钻头达到期望深度时要及时停止钻削，避免对骨骼周围神经和软组织造成伤害。骨钻削过程中，如果不能及时检测到突破而停止钻削过程，钻头就会进入软组织，对血管、肌肉以及神经造成严重的伤害。基于此，通过设计一种智能进给式骨钻及控制方法能够有效地解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种智能进给式骨钻、其控制方法及骨科手术机器人，从而克服现有技术的不足。
[0005]为了达到前述专利技术目的，本专利技术采用了以下方案：
[0006]本专利技术的一个方面提供了一种智能进给式骨钻，包括：
[0007]钻头；
[0008]旋转驱动部件，用于驱动钻头进行旋转运动；
[0009]进给驱动部件，用于驱动钻头进行直线方向进给运动；所述进给驱动部件包括进给方向编码器，所述进给方向编码器用于感知进给方向的位置；
[0010]拉压力传感器部件，连接所述旋转驱动部件和进给驱动部件，用于感知进给方向的压力；
[0011]处理器，用于根据所述位置和压力对钻头的钻削参数进行调整。
[0012]本专利技术的另一个方面提供了一种智能进给式骨钻的控制方法，所述方法包括：
[0013]获取钻头在进给方向的位置；
[0014]获取钻头在进给方向的压力；
[0015]根据所述位置和压力对钻头的钻削参数进行调整。
[0016]本专利技术的另一个方面提供了一种骨科手术机器人，其包括机械臂、计算机控制系统，以及前述的智能进给式骨钻，所述智能进给式骨钻设置在机器人的末端法兰上。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下优点：
[0018]1)本专利技术提供的智能进给式骨钻，在旋转和进给两个方向同时安装了驱动电机、编码器和力/力矩传感器，能够进行旋转和进给两个方向上精确的转速、位置和力的感知与
控制，从而提高骨钻的精准性、高效性、安全性，减轻了医生的劳动强度；
[0019]2)本专利技术提供的智能进给式骨钻控制方法，通过位置传感器和力传感器信息的融合，智能感知钻头进入人体骨组织的深度和所处的位置等信息，从而根据骨组织不同位置处不同的特性给出最优的工艺参数，并可进行精确的突破检测，降低骨组织的机械和热损伤，进一步提高骨钻操作的精准性、安全性。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1是本专利技术一实施方式中的骨钻整体立体图；
[0022]图2是本专利技术一实施方式中的骨科手术机器人系统图；
[0023]图3是本专利技术一实施方式中骨组织钻削时力随进给位置变化的示意图；
[0024]图4是本专利技术一实施方式中智能进给式骨钻及控制方法的流程示意图；
[0025]附图标记说明：1
‑
旋转驱动部件；2
‑
进给驱动部件；3
‑
保护套部件；4
‑
拉压力传感器部件；5
‑
扭矩传感器部件；6
‑
机械臂；7
‑
转接法兰；8
‑
机器人底座；9
‑
骨组织的皮质骨层；10
‑
骨组织的松质骨层。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。
[0027]本专利技术的一个方面提供了一种智能进给式骨钻，包括：
[0028]钻头；
[0029]旋转驱动部件，用于驱动钻头进行旋转运动；
[0030]进给驱动部件，用于驱动钻头进行直线方向进给运动；所述进给驱动部件包括进给方向编码器，所述进给方向编码器用于感知进给方向的位置；
[0031]拉压力传感器部件，连接所述旋转驱动部件和进给驱动部件，用于感知进给方向的压力；
[0032]处理器，用于根据所述位置和压力对钻头的钻削参数进行调整。
[0033]在一个实施例中，所述骨钻还包括：
[0034]扭矩传感器部件，连接所述旋转驱动部件，用于感知钻头旋转方向的扭矩；
[0035]保护套部件，连接在所述进给驱动部件前端，对钻头起导向作用，并保护人体组织免被高速旋转的钻头绞伤。
[0036]在一个实施例中，所述处理器用于根据所述拉压力传感器的测量数据F
z
和所述进给方向编码器的测量数据实现钻削零位的设定，具体包括：
[0037]设置钻孔参数，包括进给速度f、主轴旋转速度υ、期望的智能骨钻位置x
d
和骨钻在进给方向上的初始位置x
i
；
[0038]钻头开始运动后，所述拉压力传感器采集进给方向的压力信号，所述进给方向编码器采集进给方向的位置信号，如果|F
z
‑
F
(z
‑
1)
|≥F
t
，即钻头已接触骨组织的第一层皮质骨，设定当前位置为钻削零位；
[0039]其中，F
z
表示拉压力传感器采集的当前时刻钻头进给方向的压力，F
(z
‑
1)
表示拉压力传感器采集的前一时刻钻头进给方向的压力，F
t
表示力值差异的阈值。
[0040]在一个实施例中，所述处理器还用于根据所述拉压力传感器的测量数据F
z
和所述进给方向编码器的测量数据实现三阶段钻削过程的突破检测与工艺参数的自动调整，具体包括：
[0041]第一阶段：检测钻头是否突破骨组织的第一层皮质骨；
[0042]如果|F
z
‑
F
(z
‑
1)
|≥F
t
，|x
n
‑
x
d(A)
|≤ε，即钻头已突破骨组织的第一层皮质骨，骨钻的钻削参数将调整为低转速大进给本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能进给式骨钻，其特征在于，包括：钻头；旋转驱动部件，用于驱动钻头进行旋转运动；进给驱动部件，用于驱动钻头进行直线方向进给运动；所述进给驱动部件包括进给方向编码器，所述进给方向编码器用于感知进给方向的位置；拉压力传感器部件，连接所述旋转驱动部件和进给驱动部件，用于感知进给方向的压力；处理器，用于根据所述位置和压力对钻头的钻削参数进行调整。2.根据权利要求1所述的骨钻，其特征在于，所述骨钻还包括：扭矩传感器部件，连接所述旋转驱动部件，用于感知钻头旋转方向的扭矩；保护套部件，连接在所述进给驱动部件前端，对钻头起导向作用，并保护人体组织免被高速旋转的钻头绞伤。3.根据权利要求1所述的骨钻，其特征在于，所述处理器用于根据所述拉压力传感器的测量数据F
z
和所述进给方向编码器的测量数据实现钻削零位的设定，具体包括：设置钻孔参数，包括进给速度f、主轴旋转速度v、期望的智能骨钻位置x
d
和骨钻在进给方向上的初始位置x
i
；钻头开始运动后，所述拉压力传感器采集进给方向的压力信号，所述进给方向编码器采集进给方向的位置信号，如果|F
z
‑
F
(z
‑
1)
|≥F
t
，即钻头已接触骨组织的第一层皮质骨，设定当前位置为钻削零位；其中，F
z
表示拉压力传感器采集的当前时刻钻头进给方向的压力，F
(z
‑
1)
表示拉压力传感器采集的前一时刻钻头进给方向的压力，F
t
表示力值差异的阈值。4.根据权利要求3所述的骨钻，其特征在于，所述处理器还用于根据所述拉压力传感器的测量数据F
z
和所述进给方向编码器的测量数据实现三阶段钻削过程的突破检测与工艺参数的自动调整，具体包括：第一阶段：检测钻头是否突破骨组织的第一层皮质骨；如果|F
z
‑
F
(z
‑
1)
|≥F
t
，|x
n
‑
x
d(A)
|≤ε，即钻头已突破骨组织的第一层皮质骨，骨钻的钻削参数将调整为低转速大进给；第二阶段：检测钻头是否突破骨组织的第二层松质骨；如果|F
z
‑
F
(z
‑
1)
|≥F
t
，|x
n
‑
x
d(B)
|≤ε，即钻头已突破骨组织的第二层松质骨，骨钻的钻削参数将调整为高转速小进给；第三阶段：检测钻头是否突破骨组织的第三层皮质骨；如果|F
z
‑
F
(z
‑
1)
|≥F
t
，|x
n
‑
x
d(C)
|≤ε，即钻头已突破骨组织的第三层皮质骨，骨钻将停止钻削并回到初始位置x
i
；其中，x
d(A)
表示骨钻到达第一层皮质骨与第二层松质骨交界处的期望进给位置，x
d(B)
表示骨钻到达第二层松质骨与第三层皮质骨交界处的期望进给位置，x
d(C)
表示骨钻到达第三层皮质骨与其它组织交界处的期望进给位置，x
n
表示钻头的实际进给位置，ε表示骨钻的安全极限距离。5.根据权利要求4所述的卡扣定位方法，其特征在于，所述处理器对所述工艺参数的调整，具体为：
F
z
＝C

【专利技术属性】
技术研发人员：熊次远，安永峰，陈庆盈，张驰，戴俊杰，陈涵，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：