一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置及使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置及使用方法，该装置包括直线驱动机构、刀具旋转电机，刀具旋转电机采用直线驱动机构驱动，钻削刀具从后往前沿轴线依次贯穿轴向力传感器的测量轴、刀具旋转电机的中空输出轴、轴向力传感器的中空孔，且刀具旋转电机能够带动钻削刀具旋转；穿过轴向力传感器的钻削刀具部分套置有尾端固定在轴向力传感器上的侧向力传递机构，该侧向力传递机构的前端内壁上设有约束凸起。使用时，确定机械臂末端上的刀具旋转电机的空间坐标并使得钻削刀具尖端回到原点，进行骨钻削操作时，自动计算出钻削刀具的尖端偏移量。本发明专利技术的装置能够帮助机器人感知钻削刀具侧向受力、计算钻削路径的侧向偏移程度。的侧向偏移程度。的侧向偏移程度。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置及使用方法


[0001]本专利技术涉及计算机辅助医疗
，尤其涉及应用于机器人辅助深部骨组织钻削手术的设备，具体地说是一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置及使用方法。

技术介绍

[0002]近年来，机器人辅助钻骨手术在临床中得到了广泛的应用。由于骨组织表面形态各异，钻头与复杂骨组织间发生钻削作用的同时不仅会产生钻头轴向的推力和扭矩，还会产生侧向的推力。对于深部骨组织的微创钻削手术，往往需要细长的钻削刀具才能完成钻削。钻削过程侧向推力极易导致细长钻头发生侧向弯曲形变，从而偏离预定手术路径。手术机器人导航系统仅能获得钻头尾部的空间位置信息，对于钻头尖端侧向受力发生的形变和位移，机器人系统无法感知，由此造成的安全风险不容忽视。
[0003]现有机器人系统对钻骨过程的力感知信息主要集中在钻头轴向的推力和扭矩上。典型如专利技术专利(申请号：201310676213)公布的在钻骨进给单元上安装力传感器，其本质检测的就是钻骨的推力信息。瑞士伯恩大学研究组利用机器人骨钻削过程的推力曲线和钻削路径的CT影像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：该装置包括直线驱动机构、刀具旋转电机(9)、轴向力传感器(8)、侧向力传感器(11)，刀具旋转电机(9)采用直线驱动机构驱动，刀具旋转电机(9)的尾端设置轴向力传感器(8)、前方设置侧向力传感器(11)，钻削刀具(16)从后往前沿轴线依次贯穿轴向力传感器(8)的测量轴、刀具旋转电机(9)的中空输出轴、侧向力传感器(11)的中空孔，且刀具旋转电机(9)能够带动钻削刀具(16)旋转；穿过侧向力传感器(11)的钻削刀具(16)部分套置有尾端固定在侧向力传感器(11)上的侧向力传递机构，该侧向力传递机构的前端内壁上设有约束钻削刀具(16)侧向运动的约束凸起(15)。2.根据权利要求1所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述的侧向力传递机构包括长的侧向力传递套筒(13)和短的侧向力接触套筒(14)，侧向力接触套筒(14)的尾部内壁与侧向力传递套筒(13)的前部外壁通过精密螺纹作轴向连接，所述侧向力传递套筒(13)的尾端通过套筒固定座(12)固定在侧向力传感器(11)上，约束凸起(15)位于侧向力接触套筒(14)的前端内壁上。3.根据权利要求1或2所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述的侧向力传递机构的轴线与侧向力传感器(11)的中空孔轴线重合。4.根据权利要求1或2所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述的侧向力传感器(11)固定在侧向力传感器固定架(6)上，呈L型的侧向力传感器固定架(6)固定在直线驱动机构中的进给电机支架(2)的前端。5.根据权利要求1所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述刀具旋转电机(9)的尾端通过轴向力传感器(8)与L型的旋转电机支架(7)刚性连接，使得刀具旋转电机(9)相对旋转电机支架(7)呈悬空状态；所述的刀具旋转电机(9)前端的钻削刀具卡盘(10)用于固定钻削刀具(16)。6.根据权利要求1或5所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述的直线驱动机构包括进给电机支架(2)、进给电机(3)、丝杠联轴器(4)和旋进丝杠(5)，进给电机(3)安装在进给电机支架(2)的尾部，进给电机(3)通过丝杠联轴器(4)驱动旋进丝杠(5)带动旋转电机支架(7)完成沿钻孔路径方向的进给与退回运动，旋转电机支架(7)和旋进丝杠(5)构成丝杠螺母结构。7.根据权利要求6所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述的进给电机支架(2)通过其底部的机械臂固定法兰(1)固定在骨钻削手术机器人的机械臂末端。8.根据权利要求1所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，其特征在于：所述直线驱动机构中的进给电机(3)和刀具旋转电机(9)分别通过驱动器与信息控制系统相连接，所述轴向力传感器(8)和侧向力传感器(11)分别通过对应的信号采集卡与信息控制系统相连接；所述的信息控制系统还与骨钻削手术机器人系统相连接，以读取骨钻削手术机器人的机械臂末端坐标信息、并控制骨钻削手术机器人系统。9.一种如权利要求1
‑
8任一所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置的使用方法，其特征在于：该使用方法的步骤如下：第一步、将机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置固定于骨钻削手术机器人的机械臂末端上，确定机械臂末端坐标系与刀具旋转电机(9)轴线的相对位置，以读出任意时刻刀
具旋转电机(9)原点O的空间坐标和轴线方向；第二步、使钻削刀具(16)的尖端与侧向力接触套筒(14)的前端保持同一位置；第三步、根据手术计划进行骨钻削操作，在需要测量的任意时刻，信息控制系统能够从直线驱动机构中读出钻削刀具(16)的当前钻头进给量l
fead
，从轴向力传感器(8)中读出Z轴推力F
z_origin
、和扭矩M
z_origin
，从侧向力传感器(11)中读出X轴和Y轴方向的受力F
x_radial
、F
y_radial
；第四步、根据第三步读出的数据进行钻削刀具(16)在侧向受力过程中的尖端偏移量的计算。10.根据权利要求9所述的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置的使用方法，其特征在于：所述尖端偏移量的计算方法为：A、传感器数据到钻削刀具的尖端受力数据变量替换：F
x
＝F
x_tip
＝F
x_radial
F
y
＝F
y_tip
＝F
y_radial

【专利技术属性】
技术研发人员：李亮，刘宾，朱松盛，李建清，王焕钧，陈立超，
申请(专利权)人：南京医科大学，
类型：发明
国别省市：