[go: up one dir, main page]

CN116138837B - 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 - Google Patents

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

Info

Publication number
CN116138837B
CN116138837B CN202310176507.1A CN202310176507A CN116138837B CN 116138837 B CN116138837 B CN 116138837B CN 202310176507 A CN202310176507 A CN 202310176507A CN 116138837 B CN116138837 B CN 116138837B
Authority
CN
China
Prior art keywords
drilling tool
lateral
tip
lateral force
force sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310176507.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116138837A (zh
Inventor
李亮
刘宾
朱松盛
李建清
王焕钧
陈立超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Zhuozhi Medical Technology Co ltd
Original Assignee
Nanjing Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Medical University filed Critical Nanjing Medical University
Priority to CN202310176507.1A priority Critical patent/CN116138837B/zh
Publication of CN116138837A publication Critical patent/CN116138837A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116138837B publication Critical patent/CN116138837B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/16—Instruments for performing osteoclasis; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/1613—Component parts
    • A61B17/1615—Drill bits, i.e. rotating tools extending from a handpiece to contact the worked material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/16—Instruments for performing osteoclasis; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/1613—Component parts
    • A61B17/1622—Drill handpieces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/16—Instruments for performing osteoclasis; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/17—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/16—Instruments for performing osteoclasis; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/17—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires
    • A61B17/171—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires for external fixation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/77—Manipulators with motion or force scaling
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
    • A61B2090/065—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension for measuring contact or contact pressure

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Abstract

本发明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。

Description

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
技术领域
本发明涉及计算机辅助医疗技术领域，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。
背景技术
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。
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。典型如发明专利(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影像灰度分布曲线的相似性来估计钻削偏移后真实路径。其也仅利用了钻骨的推力信息(Williamson T M,Bell B J,Gerber N,et al.Estimation of tool pose basedon force-density correlation during robotic drilling[J].IEEE Trans BiomedEng,2013,60(4):969-976.)。此外，还有手术机器人系统在钻头尾端布置6维力传感器(典型如法国Rosa spine脊柱手术机器人将6轴力传感器安装于机械臂的手腕处)，虽然钻头尖端的侧向受力信息会蕴含在尾端的力传感信息中，但是由于钻头受力位置距传感器位置过远，中间机械传动结构本身会耦合其他作用力信息，同时传感器受力和钻头尖端受力的坐标关系也需要进行仔细的标定。
机器人钻骨过程钻头的侧向受力信息对机器人更安全的完成手术任务具有重要意义，现有的技术对面向深部骨组织微创钻削的钻削过程的刀具侧向受力检测和形变问题并没有很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置及其使用方法；提供的技术方案主要解决两方面的问题：其一是给出机械结构和传感装置方案实现机器人深部骨钻削过程中的有效的钻削刀具的侧向受力信息获取；其二是给出上述装置的一种使用方法，解决由钻削刀具侧向力传感信息计算钻削刀具侧向形变位移的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
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、轴向力传感器、侧向力传感器，刀具旋转电机采用直线驱动机构驱动，刀具旋转电机的尾端设置轴向力传感器、前方设置侧向力传感器，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、侧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；穿过侧向力传感器的钻削刀具部分套置有尾端固定在侧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钻削刀具侧向运动的约束凸起。
其中约束凸起为一级约束、侧向力传递机构的整体为二级约束，约束凸起与钻削刀具侧壁接触获得钻削刀具侧向受力，正常情况钻削刀具不会与侧向力传递机构的其他部分接触、只会与凸起接触，视为一级约束；受力过大时，侧向力传递机构会再次约束钻削刀具变形，视为二级约束。
所述的侧向力传递机构包括长的侧向力传递套筒和短的侧向力接触套筒，侧向力接触套筒的尾部内壁与侧向力传递套筒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的尾端通过套筒固定座固定在侧向力传感器上，约束凸起位于侧向力接触套筒的前端内壁上。
所述的侧向力传递机构的轴线与侧向力传感器的中空孔轴线重合。
所述的侧向力传感器固定在侧向力传感器固定架上，呈L型的侧向力传感器固定架固定在直线驱动机构中的进给电机支架的前端。
所述刀具旋转电机的尾端通过轴向力传感器与L型的旋转电机支架刚性连接，使得刀具旋转电机相对旋转电机支架呈悬空状态；所述的刀具旋转电机前端的钻削刀具卡盘用于固定钻削刀具。
所述的直线驱动机构包括进给电机支架、进给电机、丝杠联轴器和旋进丝杠，进给电机安装在进给电机支架的尾部，进给电机通过丝杠联轴器驱动旋进丝杠带动旋转电机支架完成沿钻孔路径方向的进给与退回运动，旋转电机支架和旋进丝杠构成丝杠螺母结构。
所述的进给电机支架通过其底部的机械臂固定法兰固定在骨钻削手术机器人的机械臂末端。
所述直线驱动机构中的进给电机和刀具旋转电机分别通过驱动器与信息控制系统相连接，所述轴向力传感器和侧向力传感器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。
一种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轴线的相对位置，以读出任意时刻刀具旋转电机原点O的空间坐标和轴线方向；
第二步、使钻削刀具的尖端与侧向力接触套筒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的当前钻头进给量lfead，从轴向力传感器中读出Z轴推力Fz_origin、和扭矩Mz_origin，从侧向力传感器中读出X轴和Y轴方向的受力Fx_radial、Fy_radial；
第四步、根据第三步读出的数据进行钻削刀具在侧向受力过程中的尖端偏移量的计算。
该使用方法中，能够根据第三步读出的数据，能够直接进行骨钻削手术机器人钻削过程中的侧向受力信息可视化。
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：
式(1)、(2)中：Fx_radial、Fy_radial为侧向力传感器读出的测量时刻的钻削刀具尖端沿X轴方向和Y轴方向的侧向受力，Fz_origin为轴向力传感器读出的钻削刀具尖端沿Z轴方向的轴向受力数据；Fx_tip、Fy_tip、Fz_tip、Mx_tip、My_tip、Mz_tip分别为钻削刀具尖端沿XYZ方向的受力和扭矩的测量值，因钻削过程的钻削刀具尖端无侧向扭矩，故Mx_tip、My_tip、均为0；Fx、Fy、Fz为替换后变量，分别表示钻削刀具在XYZ轴方向的受力，用于后续计算；
B、钻削刀具尖端的轴向等效力矩和惯性矩计算：
钻削刀具尖端的轴向等效力矩Mzd为：
Mzd＝Mz+θxMy+θyMx (3)
式(3)中：θx、θy分别为钻削刀具尖端在XYZ坐标系下的形变转角；
式(4)中：I为惯性矩，D为钻削刀具直径，π为圆周率；
C、变量归一化计算：
根据以下公式对测量值进行归一化计算：
式(5)中：E为钻削刀具杨氏模量，mx、my、mzd为归一化扭矩，fx、fy、fz为归一化受力，ux、uy、uz为归一化钻削刀具尖端位移量，l＝lfead+s，其中l为钻削刀具尖端到圆环形凸起所在的约束点长度、lfead为钻削刀具进给量，s为侧向力接触套筒到圆环形凸起所在的约束点长度；
D、归一化钻削刀具尖端侧向形变、转角及轴向形变计算
设变量g＝[fy mx fx my]T、v＝[uy θx ux θy]T，则钻削刀具的侧向形变向量v与钻削刀具的侧向受力向量g间的关系为：
钻削刀具的轴向形变关系为：
式(6)为线性方程组，以g为输入、根据式(8)计算出所求钻削刀具的侧向形变向量v，将v带入式(7)中可直接求解出钻削刀具的轴向形变uz；
式(6)、(7)中：k′33、k44及H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7均为计算系数；k′33、k44优选的取：其中，G为钻削刀具材料的剪切模量；
E、钻削刀具尖端的侧向形变、转角及轴向形变计算绝对值恢复：
根据步骤D中计算获得的钻削刀具的侧向形变向量v的值及钻削刀具的轴向形变uz的值，带入关系式(5)中求解出钻削刀具尖端实际偏移量Ux＝uxl、Uy＝uyl、Uz＝uzl，其中Ux、Uy即为骨钻削过程中的钻削刀具尖端在侧向力作用下相对于理想位置的侧向位移，根据该侧向位移数值能够算出机器人深部骨钻削过程中的钻削刀具侧向形变值。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置能够帮助骨钻削手术机器人感知钻削刀具侧向受力、计算钻削路径侧向偏移程度，在面对人体深部复杂骨组织的微创骨切削任务时，可以帮助手术机器人更好的应对人体深部复杂骨组织的微创骨切削任务，增强机器人对钻削刀具尖端侧向受力发生的形变和位移的感知和理解能力，提升机器人复杂骨钻削手术安全性与智能性。
附图说明
附图1为本发明的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置的动力部分和传感器部分的组合结构示意图；
附图2为附图1的剖面结构示意图；
附图3为附图2中A部分的放大结构示意图；
附图4为附图3中B部分的放大结构示意图；
附图5为本发明的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置与骨钻削手术机器人的机械臂末端连接结构正视图；
附图6为本发明的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置与骨钻削手术机器人的机械臂末端连接结构侧视图；
附图7为本发明实施例中的钻削刀具侧向形变偏移过程中的各部分受力与轴向力传感器和侧向力传感器的关系示意图。
其中：1—机械臂固定法兰；2—进给电机支架；3—进给电机；4—丝杠联轴器；5—旋进丝杠；6—侧向力传感器固定架；7—旋转电机支架；8—轴向力传感器；9—刀具旋转电机；10—钻削刀具卡盘；11—侧向力传感器；12—套筒固定座；13—侧向力传递套筒；14—侧向力接触套筒；15—约束凸起；16—钻削刀具。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示：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，其中约束凸起15为一级约束、侧向力传递机构的整体为二级约束。
该机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置还涉及到控制部分，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、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；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。
如图1-4所示，在上述装置中，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，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；进一步的说，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，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。
如图1-2、5-6所示，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，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；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，该刀具旋转电机9前端的钻削刀具卡盘10用于固定钻削刀具16。
一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置的使用方法，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，通过机械测量或者标定方式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；从而可以直接从机械臂末端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、通过进给电机3调整钻削刀具16的位置，使得钻削刀具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、控制骨钻削手术机器人系统、以及直线驱动机构和刀具旋转电机9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lfead，从轴向力传感器8中读出Z轴推力Fz_origin、和扭矩Mz_origin，从侧向力传感器11中读出X轴和Y轴方向的受力Fx_radial、Fy_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；还可根据第三步读出的数据，直接进行骨钻削手术机器人钻削过程中的侧向受力信息可视化。
第四步中的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：
式(1)、(2)中：Fx_radial、Fy_radial为侧向力传感器读出的测量时刻的钻削刀具尖端沿X轴方向和Y轴方向的侧向受力，Fz_origin为轴向力传感器读出的钻削刀具尖端沿Z轴方向的轴向受力数据；Fx_tip、Fy_tip、Fz_tip、Mx_tip、My_tip、Mz_tip分别为钻削刀具尖端沿XYZ方向的受力和扭矩的测量值，因钻削过程的钻削刀具尖端无侧向扭矩，故Mx_tip、My_tip、均为0；Fx、Fy、Fz为替换后变量，分别表示钻削刀具在XYZ轴方向的受力，用于后续计算；
B、钻削刀具尖端的轴向等效力矩和惯性矩计算：
钻削刀具尖端的轴向等效力矩Mzd为：
Mzd＝Mz+θxMy+θyMx (3)
式(3)中：θx、θy分别为钻削刀具尖端在XYZ坐标系下的形变转角；
式(4)中：I为惯性矩，D为钻削刀具直径，π为圆周率；
C、变量归一化计算：
根据以下公式对测量值进行归一化计算：
式(5)中：E为钻削刀具杨氏模量，为l钻削刀具进给量，mx、my、mzd为归一化扭矩，fx、fy、fz为归一化受力，ux、uy、uz为归一化钻削刀具尖端位移量，l＝lfead+s为钻削刀具尖端到圆环形凸起所在的约束点长度；
D、归一化钻削刀具尖端侧向形变、转角及轴向形变计算
设变量g＝[fy mx fx my]T、v＝[uyθx uxθy]T，则钻削刀具的侧向形变向量v与钻削刀具的侧向受力向量g间的关系为：
钻削刀具的轴向形变关系为：
式(6)为线性方程组，以g为输入、根据式(8)计算出所求钻削刀具的侧向形变向量v，将v带入式(7)中可直接求解出钻削刀具的轴向形变uz；
式(6)、(7)中：k′33、k44及H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7均为计算系数；k′33、k44优选的取：其中，G为钻削刀具材料的剪切模量；
E、钻削刀具尖端的侧向形变、转角及轴向形变计算绝对值恢复：
根据步骤D中计算获得的钻削刀具的侧向形变向量v的值及钻削刀具的轴向形变uz的值，带入关系式(5)中求解出钻削刀具尖端实际偏移量Ux＝uxl、Uy＝uyl、Uz＝uzl，其中Ux、Uy即为骨钻削过程中的钻削刀具尖端在侧向力作用下相对于理想位置的侧向位移，根据该侧向位移数值能够算出机器人深部骨钻削过程中的钻削刀具侧向形变值。
实施例
如图1-6所示，本发明提供了一种机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置，该装置整体由骨钻削动力部分、骨钻削力传感部分及信息控制部分组成。
其中骨钻削动力部分具备进给和旋转两个自由度。进给自由度由进给电机3、丝杠联轴器4、旋进丝杠5与旋转电机支架2组成，进给电机3、旋进丝杠5分别安装在进给电机支架2上，丝杠联轴器4安装在进给电机3的输出轴和旋进丝杠5之间，进给电机3为伺服电机，进给电机3通过丝杠联轴器4驱动旋进丝杠5旋转，带动旋转电机支架2完成沿钻孔路径方向的进给与退回运动。旋转自由度由旋转电机支架2、轴向力传感器8、具备空心轴的刀具旋转电机9、钻削刀具卡盘10构成，旋转电机支架2和刀具旋转电机9的尾端之间通过轴向力传感器8刚性连接，刀具旋转电机9的旋转轴线与轴向力传感器8的测量轴重合；轴向力传感器8的测量轴与旋转电机支架2的进给运动方向平行，从而可以通过轴向力传感器8测量刀具旋转电机9旋进过程所受的轴向推力与扭矩；刀具旋转电机9的输出轴为空心轴，内径大于5mm，钻削刀具16(钻头或克氏针)可穿过上述刀具旋转电机9的空心轴，并由钻削刀具卡盘10将二者固定；钻削刀具卡盘10的装夹直径可调，调节范围为0～5mm；钻削刀具16的另一端由侧向力传递套筒13、侧向力接触套筒14构成的侧向力传递机构做侧向约束，其中侧向力传递套筒13为空心且其内径大于钻削刀具16的直径1mm以上，侧向力传递套筒13的一端通过套筒固定座12刚性连接在侧向力传感器11上、另一端与侧向力接触套筒通过精密螺纹做轴向连接，侧向力传感器11通过侧向力传感器固定架6固定在进给电机支架2上，侧向力传感器11为中空六轴传感器(XYZ三个方向的测量轴正交，且交点位于中空轴线上)，侧向力传感器11的中空孔内径大于5mm，侧向力传感器11的中空孔轴线与其中一个受力侧向轴重合(本方案选用Z轴)。侧向力传递套筒13的轴线与侧向力传感器11的中空孔轴线重合；侧向力接触套筒14的内径与侧向力传递套筒13的内径一致，在侧向力接触套筒14靠近钻削刀具16的尖端一侧的内壁上布置有圆环形的约束凸起15，约束凸起15与钻削刀具16为间隙配合(推荐配合F8/h7)，使得钻削刀具16可以在圆环形的约束凸起15的约束下做轴向进给旋转运动，但是钻削刀具16的侧向运动受约束凸起15的约束；约束凸起15距离侧向力接触套筒14的端部距离范围为2-5mm，要求钻削刀具16在允许范围内产生最大形变时仍可以保证前端侧壁仅与约束凸起15接触，不与侧向力接触套筒14的端部内壁接触。整个骨钻削动力部分通过机械臂固定法兰1固定在机械臂末端上。
骨钻削力传感部分由轴向力传感器8与侧向力传感器11构成。轴向力传感器8与侧向力传感器11的布置方式已在骨钻削动力部分描述。机器人的钻削刀具16的受力信息由两个传感器分开测量。其中轴向力传感器8负责测量钻削刀具16钻削过程所受的轴向推力和扭矩信息，钻削刀具16的轴向受力由钻削刀具16、钻削刀具卡盘10、刀具旋转电机9传递到轴向力传感器8上。侧向力传感器11负责测量钻削刀具16的侧向受力信息，钻削刀具16的侧向受力信息由钻削刀具16与侧向力接触套筒14的约束凸起15、侧向力传递套筒13、套筒固定座12传递到侧向力传感器11上。基于所设计结构和传感器布置方式，骨钻削过程中的钻削刀具16的尖端在XYZ方向的受力可以由轴向力传感器8与侧向力传感器11直接测量得到。
信息控制部分由电脑或其他计算设备构成信息控制系统，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、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；信息控制系统能够读取动力系统中的电机运动带来的进给和旋转数值变化、以及传感器的采样数据。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。
计算案例
在骨钻削手术机器人的机械臂末端上安装本发明提供的检测装置，设定角度钻向某骨块，钻削刀具完成钻削。某一时刻侧向力传感器11测量获得侧向推力分别为：Fx_radial＝0.5N、Fy_radial＝4.5N，从轴向力传感器8获得的Z轴推力Fz_origin＝10N、扭矩为Mz_origin＝0.3N·m，钻削刀具的直径D＝3mm；钻削刀具的进给量lfead＝80mm；约束凸起15距离侧向力接触套筒14的端部距离s＝4mm；钻削刀具杨氏模量E＝194×109Pa。
则可根据本发明提供的钻削刀具的尖端偏移量计算方法完成刀具偏移计算：
A、传感器数据到钻削刀具的尖端受力数据变量替换：
B、钻削刀具尖端的轴向等效力矩和惯性矩计算：
钻削刀具尖端的轴向等效力矩Mzd为：
Mzd＝Mz+θxMy+θyMx＝Mz＝0.3N·m (3)；
惯性矩I为：
C、变量归一化计算：
根据以下公式对测量值进行归一化计算：
刀具尖端到圆环形凸起所在的约束点长度l＝lfead+s＝80mm+4mm＝54mm，
D、归一化钻削刀具尖端侧向形变、转角及轴向形变计算
由上可知钻削刀具的侧向受力向量g＝[fy mx fx my]T＝[0.2084 0 0.2547 0]，以g为输入、根据公式(8)计算出钻削刀具的侧向形变向量v＝[uyθx uxθy]T＝[0.013,0.020,0.017,-0.025]，其中侧向形变分别为0.013和0.017，侧向转角分别为-0.0251和0.0196；
将上述各值带入以下公式：
计算可得钻削刀具的轴向形变约为-0.0002，注意本部分所有计算结果均为归一化数值，没有单位；
E、钻削刀具尖端的侧向形变、转角及轴向形变计算绝对值恢复：
根据步骤D中计算获得的钻削刀具的侧向形变向量v的值及钻削刀具的轴向形变uz的值，带入关系式(5)中求解出钻削刀具尖端实际偏移量为：
Ux＝uxl＝0.0014m≈1.4mm(x方向侧向偏移)，
Uy＝uyl＝0.0011m≈1.1mm(y方向侧向偏移)，
Uz＝uzl＝-1.26×10-5m≈-1.26×10-2mm(z方向轴向偏移)。
以上为本发明在一种情况下的计算案例，其计算结果仅用于展示发明技术方案的使用流程，具体数值结果并无具体情况下的实际意义。
本发明的机器人骨钻削刀具侧向受力状态检测装置能够帮助骨钻削手术机器人感知钻削刀具侧向受力、计算钻削路径侧向偏移程度，在面对人体深部复杂骨组织的微创骨切削任务时，可以帮助手术机器人更好的应对人体深部复杂骨组织的微创骨切削任务，增强机器人对钻削刀具尖端侧向受力发生的形变和位移的感知和理解能力，提升机器人复杂骨钻削手术安全性与智能性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (6)

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)；约束凸起(15)与钻削刀具(16)为间隙配合，使得钻削刀具(16)能够在圆环形的约束凸起(15)的约束下做轴向进给旋转运动，但是钻削刀具(16)的侧向运动受约束凸起(15)的约束；要求钻削刀具(16)在允许范围内产生最大形变时仍保证前端侧壁仅与约束凸起(15)接触；其中约束凸起(15)为一级约束、侧向力传递机构的整体为二级约束；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；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；
该装置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、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lfead，从轴向力传感器(8)中读出Z轴推力Fz_origin、和扭矩Mz_origin，从侧向力传感器(11)中读出X轴和Y轴方向的受力Fx_radial、Fy_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；
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：
式(1)、(2)中：Fx_radial、Fy_radial为侧向力传感器读出的测量时刻的钻削刀具尖端沿X轴方向和Y轴方向的侧向受力，Fz_origin为轴向力传感器读出的钻削刀具尖端沿Z轴方向的轴向受力数据；Fx_tip、Fy_tip、Fz_tip、Mx_tip、My_tip、Mz_tip分别为钻削刀具尖端沿XYZ轴方向的受力和扭矩的测量值，因钻削过程的钻削刀具尖端无侧向扭矩，故Mx_tip、My_tip、均为0；Fx、Fy、Fz为替换后变量，分别表示钻削刀具在XYZ轴方向的受力；
B、钻削刀具尖端的轴向等效力矩和惯性矩计算：
钻削刀具尖端的轴向等效力矩Mzd为：
Mzd＝Mz+θxMy+θyMx (3)
式(3)中：θx、θy分别为钻削刀具尖端在XYZ坐标系下的形变转角；
式(4)中：I为惯性矩，D为钻削刀具直径，π为圆周率；
C、变量归一化计算：
根据以下公式对测量值进行归一化计算：
式(5)中：E为钻削刀具杨氏模量，mx、my、mzd为归一化扭矩，fx、fy、fz为归一化受力，ux、uy、uz为归一化钻削刀具尖端位移量，l＝lfead+s，其中l为钻削刀具尖端到圆环形凸起所在的约束点长度、lfead为钻削刀具进给量，s为侧向力接触套筒到圆环形凸起所在的约束点长度；
D、归一化钻削刀具尖端侧向形变、转角及轴向形变计算
设变量g＝[fy mx fx my]T、v＝[uy θx ux θy]T，则钻削刀具的侧向形变向量v与钻削刀具的侧向受力向量g间的关系为：
钻削刀具的轴向形变关系为：
式(6)为线性方程组，以g为输入、根据式(8)计算出所求钻削刀具的侧向形变向量v，将v带入式(7)中可直接求解出钻削刀具的轴向形变uz；
式(6)、(7)中：k’33、k44及H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7均为计算系数；
k’33、k44取：其中，G为钻削刀具材料的剪切模量；
E、钻削刀具尖端的侧向形变、转角及轴向形变计算绝对值恢复：
根据步骤D中计算获得的钻削刀具的侧向形变向量v的值及钻削刀具的轴向形变uz的值，带入关系式(5)中求解出钻削刀具尖端实际偏移量Ux＝uxl、Uy＝uyl、Uz＝uzl，其中Ux、Uy即为骨钻削过程中的钻削刀具尖端在侧向力作用下相对于理想位置的侧向位移，根据该侧向位移数值能够算出机器人深部骨钻削过程中的钻削刀具侧向形变值。
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。
3.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)。
4.根据权利要求1或3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。
5.根据权利要求4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。
6.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。
CN202310176507.1A 2023-02-28 2023-02-28 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 Active CN116138837B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310176507.1A CN116138837B (zh) 2023-02-28 2023-02-28 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

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310176507.1A CN116138837B (zh) 2023-02-28 2023-02-28 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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116138837A CN116138837A (zh) 2023-05-23
CN116138837B true CN116138837B (zh) 2025-08-22

Family

ID=86340599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310176507.1A Active CN116138837B (zh) 2023-02-28 2023-02-28 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

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116138837B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023102615A1 (de) * 2023-02-02 2024-08-08 Aesculap Ag Medizinische Aufnahmevorrichtung, medizinisches Handstück und Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißgrads eines medizinischen Werkzeugs

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109259863A (zh) * 2017-07-18 2019-01-25 格罗伯斯医疗有限公司 用于使用多轴力和力矩反馈插入手术工具的系统和方法
CN113693670A (zh) * 2021-07-16 2021-11-26 深圳市鑫君特智能医疗器械有限公司 骨科置钉装置及系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10568706B2 (en) * 2016-12-15 2020-02-25 Ethicon Llc Trocar Simulation
CN107928769B (zh) * 2017-12-28 2019-09-10 西藏自治区人民政府驻成都办事处医院 一种肿瘤介入治疗装置
CN209644959U (zh) * 2019-01-22 2019-11-19 德宏州人民医院 一种前列腺活检穿刺针

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109259863A (zh) * 2017-07-18 2019-01-25 格罗伯斯医疗有限公司 用于使用多轴力和力矩反馈插入手术工具的系统和方法
CN113693670A (zh) * 2021-07-16 2021-11-26 深圳市鑫君特智能医疗器械有限公司 骨科置钉装置及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN116138837A (zh) 2023-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7455245B2 (ja) 手術ロボットシステム及びその手術器具
US11478316B2 (en) Surgical robot system
US20210038325A1 (en) Drilling control system and drilling control method
CN107961078B (zh) 手术机器人系统及其手术器械
EP2471617B1 (en) Device for detecting tool tip position of remote-controlled actuator
JP5855423B2 (ja) 手術支援装置
CN108210078B (zh) 手术机器人系统
CN106999252A (zh) 用于力控制机器人的独立力/力矩传感器组件
CN116138837B (zh) 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
CN103462694A (zh) 用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统
CN113679473A (zh) 一种人机协同力反馈脑室穿刺机器人装置
CN114848154B (zh) 具有手指夹取力反馈及硬度反馈的主手夹持装置
Wang et al. Hybrid-structure hand-held robotic endoscope for sinus surgery with enhanced distal dexterity
CN113598955A (zh) 一种微创手术机器人动力传递机构
WO2021075213A1 (ja) 手術ロボットシステム、外力推定装置、および、プログラム
Chrysilla et al. A compliance model to improve the accuracy of the da Vinci Research Kit (dVRK)
US8739643B2 (en) Remote-controlled actuator
CN112171674B (zh) 一种柔性机械臂的控制方法及机器人系统
Taha et al. Bone breakthrough detection for orthopedic robot-assisted surgery
CN116077181A (zh) 一种医用骨钻钻头追送方法及夹持设备
EP4014914A1 (en) Systems, devices, and methods for monitoring a rod reduction process
US20220409307A1 (en) Systems and methods for detecting skiving in surgical instruments
Sarakankosol et al. Development of the microVibrated Robot for orthopedic surgery in drilling application
Mohammadi et al. Designing and Integration of Hardware and Software for a Remote Ultrasound Monitoring System
CN114451989A (zh) 手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20250908

Address after: 210000 Jiangsu Province, Nanjing City, Xuanwu District, Xu Zhuang Road No. 6, Building 3, 3rd Floor, B321 Room

Patentee after: Nanjing Zhuozhi Medical Technology Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: No. 101 Jiangning longmian Road District of Nanjing City, Jiangsu province 211100

Patentee before: NANJING MEDICAL University

Country or region before: China