2自由度膝关节用截骨执行器

1.本发明涉及医疗器械领域，具体地说是一种2自由度膝关节用截骨执行器。


背景技术：

2.人工全膝关节置换(tka，total knee arthroplasty)是针对膝关节疾病的一种手术治疗方式，其将膝关节的连接表面用关节假体替换，能有效治疗重度膝关节病痛，提高病人的生活质量。
3.tka操作的影响因素包括三维立体空间上的准确截骨、韧带等软组织的平衡及稳定、关节假体安放的位置和角度等。传统手术通过机械导向装置进行髓内外定位后截骨，手术者仅凭肉眼、手感和经验进行截骨操作，手术精确性难以得到一致性保证。随着科技发展，现有技术中出现了一些自动化的截骨装置，如授权公告号为cn212592301u的中国实用新型专利中就公开了一种智能截骨系统及截骨装置，该装置包括横向移动、纵向移动、深度移动等机构，该装置中设有六轴传感器，但所述六轴传感器直接安装于连接平台和安装接口座之间，所述安装接口座直接安装于手术机器人上，也即手术机器人直接通过所述六轴传感器感知该装置的力矩情况，而该装置中的截骨工具为电磨头，其安装于深度移动机构下端，与六轴传感器之间有一定距离，因此六轴传感器并不能直接感知截骨工具受力情况，而针对关节置换手术而言，其常采用大切口手术操作模式，手术损伤大，而且力反馈透明度低，tka关键的软组织平衡难以实现，没有力反馈的精确安全范围限制以及缺乏对末端执行器的约束机制，这会提高手术风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种2自由度膝关节用截骨执行器，其将骨切割工具直接与六维力传感器相连，可以获得骨切割工具精准的力及力反馈，从而可以辅助系统完成切骨轨迹在线规划以及切骨轨迹跟踪，最终实现高效、安全的机器人自动切骨手术，并且本发明能够精确控制骨切割工具位移，保证手术顺利进行。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种2自由度膝关节用截骨执行器，包括y向移动机构、x向移动机构、六维力传感器和骨切割工具，所述y向移动机构设有y向驱动组件、y向架体和y向滑座，所述y向驱动组件和y向滑座均设于所述y向架体上，且所述y向滑座与所述y向架体滑动连接并通过所述y向驱动组件驱动移动，所述x向移动机构包括x向驱动组件、x向架体和x向滑座，所述x向架体与所述y向滑座固连，x向驱动组件和x向滑座均设于所述x向架体上，且所述x向滑座与所述x向架体滑动连接并通过所述x向驱动组件驱动移动，所述骨切割工具安装于所述x向滑座上，且所述骨切割工具与所述x向滑座之间设有六维力传感器，所述y向架体上设有限定所述y向滑座位移和方向的y向限位滑槽，在所述y向架体内设有实时监测所述y向滑座位移的y向移动传感器，所述x向架体上设有限定所述x向滑座位移和方向的x向限位滑槽，在所述x向架体内设有实时监测所述x向滑座位移的x向移动传感器。
7.所述y向驱动组件包括y向伺服电机、y向减速器、y向丝杠和y向丝母，所述y向伺服电机与y向减速器固连，所述y向减速器输出轴通过联轴器与所述y向丝杠连接，所述y向丝母套装于所述y向丝杠上，所述y向滑座与所述y向丝母固连。
8.所述y向架体上设有y向滑轨，所述y向滑座下侧设有滑块与所述y向滑轨配合。
9.所述y向架体包括y向架体面板，所述y向滑轨设于所述y向架体面板中部，所述y向架体面板一侧设有所述y向限位滑槽、另一侧与架体底板间形成y向安装开口，所述y向滑座一侧通过第一连板伸入所述y向限位滑槽中与所述y向丝母固连，另一侧通过第二连板伸入所述y向安装开口中与所述y向丝母固连，第一连板上设有导向滑块沿着所述y向限位滑槽移动。
10.所述x向驱动组件包括x向伺服电机、x向减速器、x向丝杠和x向丝母，所述x向伺服电机与x向减速器固连，所述x向减速器输出轴通过联轴器与所述x向丝杠连接，所述x向丝母套装于所述x向丝杠上，所述x向滑座与所述x向丝母固连。
11.所述x向架体上设有x向滑轨，所述x向滑座下侧设有滑块与所述x向滑轨配合。
12.所述x向架体包括x向架体面板，所述x向滑轨设于所述x向架体面板中部，所述x向架体面板一侧设有所述x向限位滑槽、另一侧与架体底板间形成x向安装开口，所述x向滑座一侧通过第三连板伸入所述x向限位滑槽中与所述x向丝母固连，另一侧通过第四连板伸入所述x向安装开口中与所述x向丝母固连，第三连板上设有导向滑块沿着所述x向限位滑槽移动。
13.所述y向架体上设有连接法兰盘。
14.本发明的优点与积极效果为：
15.1、本发明将骨切割工具直接与六维力传感器相连，能够获得骨切割工具精准的力及力反馈，从而可以辅助系统完成切骨轨迹在线规划，进而设计自适应模型预测控制器实现切骨轨迹跟踪，最终实现高效、安全的机器人自动切骨手术。
16.2、本发明通过伺服电机 丝杠丝母组件结构保证直线输出，并利用y向架体和x向架体上的限位滑槽限定对应滑座位移和方向，利用移动传感器实时监测对应滑座位移并及时反馈给系统，从而保证骨切割工具移动精确，进而保证切骨轨迹精确，保证手术顺利进行。
17.3、本发明y向架体和x向架体均为镂空式的轻量化设计，适合切骨手术作业，并且丝杠丝母组件均设于对应架体内部，整体结构紧凑。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图，
19.图2为本发明的控制原理示意图。
20.其中，1为y向移动机构，101为y向伺服电机，102为y向滑轨，103为y向滑座，104为y向架体，105为y向限位滑槽，106为y向架体面板，2为x向移动机构，201为x向伺服电机，202为x向滑轨，203为x向滑座，204为x向架体，205为x向限位滑槽，206为x向架体面板，3为六维力传感器，4为骨切割工具，5为连接法兰盘。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步详述。
22.如图1～2所示，本发明包括y向移动机构1、x向移动机构2、六维力传感器3和骨切割工具4，所述y向移动机构1设有y向驱动组件、y向架体104和y向滑座103，所述y向驱动组件和y向滑座103均设于所述y向架体104上，且所述y向滑座103与所述y向架体104滑动连接并通过所述y向驱动组件驱动移动，所述x向移动机构2包括x向驱动组件、x向架体204和x向滑座203，所述x向架体204与所述y向滑座103固连，x向驱动组件和x向滑座203均设于所述x向架体204上，且所述x向滑座203与所述x向架体204滑动连接并通过所述x向驱动组件驱动移动，所述骨切割工具4安装于所述x向滑座203上，且所述骨切割工具4与所述x向滑座203之间设有六维力传感器3。所述骨切割工具4和六维力传感器3均为本领域公知技术且为市购产品。
23.如图1所示，本实施例中，所述y向驱动组件包括y向伺服电机101、y向减速器、y向丝杠和y向丝母，所述y向伺服电机101与y向减速器固连，所述y向减速器输出轴通过联轴器与所述y向丝杠连接，所述y向丝母套装于所述y向丝杠上，所述y向滑座103与所述y向丝母固连。装置工作时，所述y向伺服电机101驱动y向丝杠转动，进而驱动y向丝母带动所述y向滑座103移动。
24.如图1所示，本实施例中，所述y向架体104上设有y向滑轨102，所述y向滑座103下侧设有滑块与所述y向滑轨102配合。
25.如图1所示，所述y向架体104上设有y向限位滑槽105限定所述y向滑座103的位移和方向，并且在所述y向架体104内设有y向移动传感器实时监测所述y向滑座103的位移情况并反馈给控制系统，所述y向移动传感器为本领域公知技术且为市购产品。
26.如图1所示，所述y向架体104包括y向架体面板106，所述y向滑轨102设于所述y向架体面板106中部，所述y向架体面板106一侧设有所述y向限位滑槽105，所述y向架体面板106另一侧与y向架体104底板间形成y向安装开口，所述y向滑座103一侧通过第一连板伸入所述y向限位滑槽105中与所述y向丝母固连，另一侧通过第二连板伸入所述y向安装开口中与所述y向丝母固连，第一连板上设有导向滑块沿着所述y向限位滑槽105移动起到限位导向作用。
27.如图1所示，本实施例中，所述x向驱动组件包括x向伺服电机201、x向减速器、x向丝杠和x向丝母，所述x向伺服电机201与x向减速器固连，所述x向减速器输出轴通过联轴器与所述x向丝杠连接，所述x向丝母套装于所述x向丝杠上，所述x向滑座203与所述x向丝母固连。装置工作时，所述x向伺服电机201驱动x向丝杠转动，进而驱动x向丝母带动所述x向滑座203移动。
28.如图1所示，本实施例中，所述x向架体204上设有x向滑轨202，所述x向滑座203下侧设有滑块与所述x向滑轨202配合。
29.如图1所示，所述x向架体204上设有x向限位滑槽205限定所述x向滑座203的位移，并且在所述x向架体204内设有x向移动传感器实时监测所述x向滑座203的位移情况并反馈给控制系统，所述x向移动传感器为本领域公知技术且为市购产品。
30.如图1所示，所述x向架体204包括x向架体面板206，所述x向滑轨202设于所述x向架体面板206中部，所述x向架体面板206一侧设有所述x向限位滑槽205，所述x向架体面板
206另一侧与x向架体204底板间形成x向安装开口，所述x向滑座203一侧通过第三连板伸入所述x向限位滑槽205中与所述x向丝母固连，另一侧通过第四连板伸入所述x向安装开口中与所述x向丝母固连，第三连板上设有导向滑块沿着所述x向限位滑槽205移动起到限位导向作用。
31.如图1所示，所述y向架体104上设有连接法兰盘5用于与切骨机器人连接。
32.本发明的工作原理为：
33.本发明通过y向移动机构1和x向移动机构2构成直线输出驱动骨切割工具4移动，除了可以精确控制骨切割工具4的y向和x向位移外，还可以通过x向滑座203与骨切割工具4之间的六维力传感器3获得精准的力及力反馈，如图2所示，本发明的一个实施例工作时通过所述六维力传感器3对骨切割工具4的有效力进行辨识，然后系统通过卡尔曼滤波数据融合建立多元耦合动力学模型，在得到多元耦合模型后，采用加权动态系统完成切骨轨迹在线规划，并利用扩张观测器获得力矩引导信息，进而设计自适应模型预测控制器实现切骨轨迹跟踪，最终实现高效、安全的机器人自动切骨手术。另外由于本发明将骨切割工具4直接和六维力传感器3连接，为了保证骨切割工具4的移动精度和连接刚度，本发明在y向架体104上设有y向限位滑槽105限定所述y向滑座103的位移和方向，x向架体204上设有x向限位滑槽205限定所述x向滑座203的位移和方向，并且所述y向架体104和x向架体204内均设有移动传感器实时监测对应滑座位移情况，并及时反馈给控制系统进行路径控制和调整，进而充分切骨轨迹精确，保证手术顺利进行。