一种骨科手术设备和钻削装置

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种钻削装置。还涉及一种骨科手术设备，包括前述钻削装置。

背景技术

骨钻削是骨科手术中至关重要的手术操作之一。

骨钻削操作一般依靠医生手持骨钻完成，存在精准性差、安全性低、效率低、劳动强度大的问题，尤其是骨组织突破瞬间难以控制，从而易伤害骨组织周围血管、神经等；而且进给速度、进给力、钻速等工艺参数的选择依赖于医生经验，容易造成骨组织的机械和热损伤。为此，用于骨钻削作业的骨科手术机器人应运而生。

目前骨科手术所用的骨钻大多仅具有旋转方向的转速控制功能，不具有进给方向上位置和力的感知及控制功能，往往也不具有旋转方向的力矩感知功能。虽然少数骨钻在推进机构和旋转运动电机之间增加了压力传感器，用来实现进给方向位置与力的感知和控制，但是，由于骨钻过程中钻头和骨头表面难以保证绝对的垂直，所以压力传感器除了承受压力外还承受了侧向力，此外高速旋转的细长钻头也容易产生离心力，当连接处支撑刚度不足时就会导致钻头末端抖动。可见，骨钻的压力传感器的可靠性低，钻头的切削特性差。

综上，如何实现骨钻在不同方向上的感知功能和智能控制，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种钻削装置，可以检测并精确控制钻头在旋转方向和进给方向的运动。本申请的另一目的是提供一种骨科手术设备，包括钻削装置。

为实现上述目的，本申请提供一种钻削装置，包括钻头、旋转驱动机构、直线驱动机构和导向件；旋转驱动机构包括机座和旋转输出端，直线驱动机构包括滑块，导向件包括刚性部和仅沿滑块的滑动方向弹性变形的柔性部，刚性部和柔性部分别连接于滑块和机座；钻头设于旋转输出端；机座和滑块之间设有拉压力传感器，钻头和旋转驱动机构之间设有扭矩传感器。

在一些实施例中，刚性部包括与滑块固定连接的导向块；柔性部包括与机座固定连接的薄板构件；薄板构件的板厚方向平行于滑动方向。

在一些实施例中，薄板构件包括成对分布且相互平行的第一薄板和设于一对第一薄板之间的移动块；移动块位于任一第一薄板的板面中间，移动块分离于导向块；机座固定于移动块。

在一些实施例中，薄板构件还包括多个第二薄板；任一第一薄板与至少一个第二薄板紧邻且平行，任一第一薄板和与其紧邻的第二薄板板边相接；全部第二薄板固定连接于导向块，全部第一薄板分离于导向块。

在一些实施例中，与同一移动块连接的两个第一薄板板边相接。

在一些实施例中，导向块内设有凹槽；薄板构件设于凹槽内。

在一些实施例中，机座连接于两个以上薄板构件。

在一些实施例中，旋转驱动机构还包括旋转电机；扭矩传感器设于旋转电机和旋转输出端之间。

在一些实施例中，钻头的前方设有钻头保护套；钻头保护套内的通孔与钻头共线；钻头保护套与直线驱动机构的导轨相对固定。

本申请还提供一种骨科手术设备，包括机械臂和上述钻削装置，直线驱动机构的导轨固定于机械臂。

相对于上述背景技术，本申请所提供的钻削装置包括钻头、旋转驱动机构、直线驱动机构和导向件；在该钻削装置中，旋转驱动机构包括机座和旋转输出端，直线驱动机构包括滑块，导向件包括刚性部和仅沿滑块的滑动方向弹性变形的柔性部，刚性部和柔性部分别连接于滑块和机座；其中，钻头设于旋转输出端，机座和滑块之间设有拉压力传感器，钻头和旋转驱动机构之间设有扭矩传感器。

在该钻削装置中，旋转驱动机构驱动钻头旋转，与此同时，扭矩传感器检测钻头钻孔时受到的扭矩，直线驱动机构驱动钻头做直线往复运动，与此同时，拉压力传感器检测钻头钻孔时受到的压力。由此可见，该钻削装置利用旋转驱动机构、直线驱动机构、扭矩传感器和拉压力传感器精确控制钻头在旋转方向和直线进给方向的运动，感知钻头进入人体的深度和所处的位置等信息，以便操作者根据骨组织不同位置的不同特性给出最适合的工艺参数，可以提高骨钻作业的精准性、高效性、安全性，降低医生的劳动强度，降低骨组织的机械和热损伤。

在该钻削装置中，机座和滑块之间设有导向件；当钻头受钻孔方向的力时，设于机座和滑块之间的导向件会产生微小的位移量，而当钻头受除钻孔方向以外的其他方向的力时，导向件可以阻止钻头在这些方向上产生位移，可见，导向件可以确保拉压力传感器仅用于检测钻头钻孔时受到的拉压力，还可以降低钻头端部的抖动，改善钻头的钻孔特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的钻削装置在第一方向上的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的钻削装置的剖视图；

图3为本申请实施例所提供的钻削装置在第二方向上的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的导向件的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的导向件发生变形时的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的骨科手术设备的结构示意图。

其中，1-钻头、2-旋转驱动机构、21-机座、22-旋转输出端、23-旋转电机、3-直线驱动机构、31-滑块、32-导轨、4-导向件、41-导向块、42-薄板构件、421-第一薄板、422-移动块、423-第二薄板、43-凹槽、5-拉压力传感器、6-扭矩传感器、7-钻头保护套、8-机械臂。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本申请实施例所提供的钻削装置在第一方向上的结构示意图；图2为本申请实施例所提供的钻削装置的剖视图；图3为本申请实施例所提供的钻削装置在第二方向上的结构示意图；图4为本申请实施例所提供的导向件的结构示意图；图5为本申请实施例所提供的导向件发生变形时的结构示意图；图6为本申请实施例所提供的骨科手术设备的结构示意图。

请参考图1至图3，本申请提供一种钻削装置，包括钻头1、用于驱动钻头1旋转的旋转驱动机构2和用于驱动钻头1直线往复移动的直线驱动机构3；前述直线驱动机构3包括滑块31，旋转驱动机构2包括机座21和旋转输出端22，钻头1设于旋转驱动机构2的旋转输出端22，旋转驱动机构2的机座21则设于直线驱动机构3的滑块31，因此，直线驱动机构3利用滑块31带动旋转驱动机构2和钻头1共同直线往复移动，在此基础上，旋转驱动机构2利用旋转输出端22带动钻头1旋转，实现钻削。

在该实施例中，旋转驱动机构2和直线驱动机构3之间设有导向件4，导向件4包括刚性部和柔性部，柔性部仅可沿滑块31的滑动方向弹性变形，刚性部和柔性部二者中的其中一者与直线驱动机构3的滑块31连接，刚性部和柔性部二者中的另一者则与旋转驱动机构2的机座21连接。其中，滑块31的滑动方向对应于钻头1的钻孔方向。

此外，在该实施例中，机座21和滑块31之间设有拉压力传感器5，钻头1和旋转驱动机构2之间设有扭矩传感器6，显然，拉压力传感器5用于检测钻头1钻孔时受到的压力，扭矩传感器6用于检测钻头1钻孔时受到的扭矩。

本申请所提供的钻削装置利用旋转驱动机构2驱动钻头1旋转并利用扭矩传感器6检测钻头1钻孔时受到的扭矩，利用直线驱动机构3驱动钻头1做直线往复运动并利用拉压力传感器5检测钻头1钻孔时受到的压力；设于机座21和滑块31之间的导向件4可以调整钻削装置中多个零部件的受力特性和运动特性。当钻头1受钻孔方向的力时，设于机座21和滑块31之间的导向件4会产生微小的位移量，而当钻头1受除钻孔方向以外的其他方向的力时，导向件4可以阻止钻头1在这些方向上产生位移，可见，设置导向件4一则可以确保拉压力传感器5仅用于检测钻头1钻孔时受到的拉压力，二则可以降低钻头1端部的抖动，改善钻头1的钻孔特性。

下面结合附图和实施方式，对本申请所提供的钻削装置做更进一步的说明。

请参考图4和图5，在一些实施例中，导向件4的刚性部包括导向块41，导向件4的柔性部包括薄板构件42，薄板构件42设于导向块41内部，薄板构件42的板厚方向平行于滑块31的滑动方向，当然也就平行于钻头1的钻孔方向。前述导向块41可以与直线驱动机构3的滑块31固定连接，前述薄板构件42可以与旋转驱动机构2的机座21固定连接。薄板构件42具有薄板特性，例如，板厚方向的尺寸很小而板面方向的尺寸很大，因此易于沿板厚方向变形而难以在除板厚方向以外的其他方向变形。

上述薄板构件42可以包括成对分布的第一薄板421和设于一对第一薄板421之间的移动块422；旋转驱动机构2的机座21固定于薄板构件42的移动块422。在该实施例中，成对分布的第一薄板421相互平行，薄板构件42的板厚方向也就是任意一个第一薄板421的板厚方向；移动块422设于一对第一薄板421之间且分离于导向块41，当一对第一薄板421沿板厚方向变形时，移动块422可随这对第一薄板421的变形而移动。第一薄板421的板面中间的变形量大于第一薄板421的板面边缘的变形量，因此，移动块422的两端可以分别连接于一对第一薄板421的板面中间。

上述薄板构件42还可以包括多个第二薄板423。任意一个第一薄板421与至少一个第二薄板423紧邻且平行，与此同时，任意一个第一薄板421和与其紧邻的第二薄板423板边相接，举例来说，一个第一薄板421和一个第二薄板423彼此紧邻且相互平行，则前述第一薄板421的板体边缘和前述第二薄板423的板体边缘相互对准且连接于一体，从而拼接形成一个盒状结构。

在上述实施例中，第二薄板423可以与导向块41固定连接，而第一薄板421可以分离于导向块41。第二薄板423与导向块41固定连接可以指第二薄板423的至少一侧边缘固定于导向块41，例如，第二薄板423为矩形板，此矩形板侧立，此矩形板的底边贴合且固定于导向块41。

基于第一薄板421、第二薄板423和移动块422的上述连接关系，移动块422可以牢固稳定地连接旋转驱动机构2的机座21，保障旋转驱动机构2和导向件4的安装强度，第一薄板421和移动块422可以沿板厚方向弹性变形且仅沿板厚方向弹性变形，以阻止钻头1在除钻孔方向以外的其他方向产生位移，第二薄板423与第一薄板421连接，在维持第一薄板421的变形特性的前提下可以提高第一薄板421的结构强度。

除了图4和图5所示的形状造型以外，薄板构件42还可以呈现其他形状造型，例如，任意一个第一薄板421和与其紧邻的第二薄板423板边相接，与此同时，与同一移动块422连接的两个第一薄板421板边相接，根据上文可知，移动块422设于一对第一薄板421之间，因此，一对第一薄板421和与这对第一薄板421紧邻的多个第二薄板423均相互平行且板边相接。

对于设有薄板构件42和导向块41的导向件4而言，导向块41内往往设有凹槽43，薄板构件42设于凹槽43内，例如，导向块41的顶面设有朝下凹陷的凹槽43，薄板构件42设于前述凹槽43内，薄板构件42的顶端可以略高于导向块41的顶面，也可以不超于导向块41的顶面。前述导向块41可以采用线切割加工的方式一体成型。

上述实施例中，薄板构件42的第一薄板421、第二薄板423均可以看作是片簧，因此，对于图5所示的导向件4而言，设于移动块422两侧的两个第一薄板421和两个第二薄板423从左向右依次可视为第一片簧、第二片簧、第三片簧、第四片簧；第一片簧和第二片簧并联组成一个平行四边形机构，第三片簧和第四片簧并联组成一个平行四边形机构，移动块422位于这两个平行四边形机构之间；第一片簧和第四片簧二者的中部均连接于导向块41，第二片簧和第三片簧二者的中部均连接于移动块422。当钻头1在钻孔过程中受力时，其中一个平行四边形机构的两个片簧之间的距离变大(小)，与此同时，另一个平行四边形机构的两个片簧之间的距离相应的变小(大)，此时，移动部产生的位移为位于两个平行四边形机的内侧的片簧的位移之和。片簧仅沿钻孔方向产生微量变形，使得旋转驱动机构2和直线驱动机构3沿钻孔方向产生微量的相对运动。多个片簧组成的双平行四边形机构的结构设计可以有效增大薄板构件42的灵敏度，使其具有拉压方向刚度小且其余方向刚度大的特点。

通常，旋转驱动机构2的机座21连接于两个以上薄板构件42，换句话说，多个薄板构件42共同支撑旋转驱动机构2的机座21。

在本申请所提供的钻削装置中，除了机座21和旋转输出端22，旋转驱动机构2还包括旋转电机23；该钻削装置的扭矩传感器6设于旋转电机23和旋转输出端22之间。可参考图2，旋转电机23、扭矩传感器6和旋转输出端22三者同轴分布且依次连接。

当然，除了机座21、旋转输出端22和旋转电机23以外，旋转驱动机构2还包括其他零部件，例如第一编码器、行星减速机、主轴、弹性筒夹、箱体和上盖板等。在该旋转驱动机构2中，第一编码器位于旋转电机23的后端，行星减速机位于旋转电机23的前端，第一编码器、旋转电机23和行星减速机三者通过一体化设计成一个整体；主轴通过滚动轴承与旋转电机23同轴设置并隔开一段距离；弹性筒夹位于主轴的前部，用于夹紧钻头1的夹紧；扭矩传感器6位于旋转电机23和主轴之间，扭矩传感器6的两端通过联轴器分别连接旋转驱动电机和主轴，从而驱动钻头1旋转并实时感知钻头1在旋转方向上的扭矩；箱体和上盖板则用于将编码器、行星减速机、主轴、弹性筒夹等多个零部件封闭起来。

至于该钻削装置的直线驱动机构3，除了滑块31以外，其还可以包括直线驱动电机、第二编码器、传动机构、滚珠丝杆等；第二编码器位于直线驱动电机的后端；直线驱动电机通过传动机构带动滚珠丝杆转动，从而驱动设于滚珠丝杆的滑块31做直线运动；其中，滑块31可以看作是丝杠螺母，也可以看作是与丝杠螺母固定连接的载物平台。

此外，本申请所提供的钻削装置还包括设于钻头1的前方的钻头保护套7；其中，钻头保护套7内设有与钻头1共线的通孔，而且钻头保护套7与直线驱动机构3的导轨32相对固定，可见，当直线驱动机构3驱动旋转驱动机构2和钻头1做做直线运动时，钻头1穿梭于通孔内，因此钻头保护套7既可以对钻头1起导向作用，还可以保护人体组织免被高速旋转的钻头1绞伤。

可参考图1和图2，钻头保护套7可以包括与钻头1相配的套管；还可以包括安装支架、涨紧套支座、涨紧套、Z形支架；套管与钻头1同轴，套管的内孔直径稍大于钻头1外径，用于引导钻头1直线进给；套管的外壁用于保护人体组织免被高速旋转的钻头1绞伤，用户可以根据实际需要更换不同直径、长短的套管；套管通过涨紧套连接在涨紧套支座内，并进一步通过安装支架和Z形支架连接在直线驱动机构3的导轨32的前端。

可参考图1、图2和图6，在上文各个实施例所提供的钻削装置的基础上，本申请还提供一种骨科手术设备；在该骨科手术设备中，钻削装置设于机械臂8，例如，直线驱动机构3的导轨32固定于机械臂8，机械臂8在相关自动控制系统控制下将钻削装置移动到指定位置，再由钻削装置实现钻孔切削。

综上，本申请所提供的骨科手术设备及其钻削装置能够在旋转方向和直线进给方向上精确控制转速和位移，感知钻头1进入人体的深度和所处的位置等信息，以便根据骨组织不同位置的不同特性给出最适合的工艺参数，提高骨钻作业的精准性、高效性、安全性，降低了医生的劳动强度，降低骨组织的机械和热损伤。前述钻削装置的导向件4可以使拉压力传感器5在任何时候仅承受拉压力，同时提高连接部位的支撑刚度并降低钻头1的抖动，由此提高拉压力传感器5的可靠性，进而提高整机的可靠性；其中，导向件4采用片簧结构，具有无摩擦、无间隙的特点，可以提高骨钻的力控精度和灵敏度。

以上对本申请所提供的骨科手术设备和钻削装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。