CN104287836B - 一种能实现钻磨状态监控的手术机器人半刚性智能器械臂 - Google Patents

Abstract

一种能够实现钻磨状态监控的手术机器人半刚性智能器械臂。该手术机器人半刚性智能器械臂是在手术动力工具的加持部位之前加装一个半刚性悬臂机构（一种圆弧切口结构），在半刚性悬臂机构和手术动力工具的加持部位之间粘附一个振动传感器，振动传感器的输出信号送入器械臂的运动控制器，由控制器对振动传感器的输出信号进行快速傅里叶变换处理，根据处理结果判断手术动力工具中的刀具在两层皮质骨中切削的状态。本发明能够实时测量骨组织磨削过程中的振动信号，根据信号就能够识别刀具与骨组织相对接触位置的变化，从而提高机器人辅助骨外科手术的安全性，灵敏度较高。

Description

一种能实现钻磨状态监控的手术机器人半刚性智能器械臂

技术领域

本发明属于手术辅助器械技术领域，具体涉及能够实现钻磨状态监控的手术机器人半刚性智能器械臂。

背景技术

骨外科手术中医生常用手术动力工具暴露或切除病变部位，手术动力工具通过输出可控的机械动能，驱动铣刀、钻头等器械完成手术。对于传统的人工手术方式而言，切削骨组织的技术参数（包括进给量、切削深度和切削速度等）完全由手术医生自行掌握，因此动力工具的灵活运用必须依靠医生长期体会和经验积累。很多骨外科手术的工作空间都比较狭小，病人个体之间又有一定的病理变异和解剖变异，手术过程中高速旋转的刀具很容易碰到重要组织而造成无法修复的损伤。

手术机器人的出现为解决上述问题提供了可能。国内外许多研究机构尝试将状态监测方法用于骨外科手术机器人中：通过安装在机器人手臂上的传感器检测切削刀具与骨组织相对接触位置的变化，如果遇到危险状态就及时改变切削骨质的技术参数，从而避免对正常组织的损伤，但这种方法获得的力信号信噪比较低。手术动力工具作为一个机械动能的输出设备，不仅通过高速转动的刀具来切削骨组织，还是一个振动的激励源，不同的组织在这个激励下呈现出不同的特征，因此可以通过检测振动幅度的方法来判断刀具与组织的相对位置关系。目前还未见到能够实时采集手术动力工具的振动信号并用于钻磨状态监控的发明出现。

发明内容

本发明目的是解决手术机器人在进行钻磨作业时的安全监控问题，提供一种手术机器人半刚性智能器械臂，以便根据测量的手术动力工具的振动信号检测刀具与组织的相对位置关系，并在出现危险状态时及时停止钻进，避免损伤重要器官。

本发明提供的能够实现钻磨状态监控的手术机器人半刚性智能器械臂，是在手术机器人本体与手术动力工具的加持部位之间加装一个半刚性悬臂机构，在半刚性悬臂机构和手术动力工具的加持部位之间粘附一个振动传感器，振动传感器的输出信号送入器械臂的运动控制器，由运动控制器对振动传感器的输出信号进行快速傅里叶变换处理，根据处理结果判断手术动力工具中的刀具在两层皮质骨中切削的状态。器械臂的运动控制器是指用于驱动器械臂各关节按照指令运动的硬件电路（其核心通常为数字信号处理器和高级精简指令集处理器）及软件系统（通常为嵌入式实时操作系统）。

所述的半刚性悬臂机构是一种圆弧切口结构，即在长方体本体的沿高度方向的中间开有一个截面两端呈半圆中间为矩形的长条通孔，两端半圆的半径为R ₁，在长方体本体的上下表面各开有一个凹槽，该凹槽截面的两端为半径R ₁的圆弧，中间为直线。

所述长方体本体中长条通孔的长度L≥50mm，深度W≥50mm，长方体本体的高度D ₁=4R ₁+2D ₂，其中，D ₂为长条通孔与上下凹槽之间的壁厚，且R ₁/3≤D ₂≤R ₁/2。

所述的由器械臂的运动控制器对振动传感器的输出信号进行快速傅里叶变换处理是，提取f，2f，3f处的傅里叶系数A ₁，A ₂和A ₃，并计算A= A ₁ A ₂ A ₃，其中，f为手术动力工具主轴频率；通过分析谱线的幅度检测骨质被磨穿前的临界状态。当刀具穿越硬度不同骨质产生的振动信号会有所不同，皮质骨A值较大，松质骨A值较小，在出现危险状态时及时控制机器人停止刀具的进给，避免损伤重要组织。

本发明的优点和积极效果：

本发明能够实时测量骨组织磨削过程中的振动信号，根据信号就能够识别刀具与骨组织相对接触位置的变化，从而提高机器人辅助骨外科手术的安全性，灵敏度较高。

附图说明

图1是手术机器人半刚性智能器械臂整体结构及振动传感器的固定位置示意图。

图2是半刚性悬臂机构结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明采用如图1所示的方法测量手术动力工具工作过程中的振动信号，通过对振动信号进行分析实现钻磨状态监控。图中1是手术动力工具，2是手术动力工具上安装的切削刀具，包括铣刀和钻头，3是高灵敏度振动传感器，4是与手术机器人本体的接口，5是半刚性悬臂机构。振动传感器3粘附在半刚性悬臂机构5和手术动力工具的加持部位之间。

半刚性悬臂机构如图2所示，它是一种圆弧切口结构，即在长方体本体的沿高度方向的中间开有一个截面两端呈半圆中间为矩形的长条通孔，两端半圆的半径为R ₁，在长方体本体的上下表面各开有一个凹槽，该凹槽截面的两端为半径R ₁的圆弧，中间为直线。该半刚性悬臂机构受力弯曲时会产生有限角位移，能够在受到切削振动影响时产生微小位移，所用的材料为弹簧钢。对于半刚性悬臂机构，存在长方体本体高度D ₁=4R ₁+2D ₂，D ₂为长条通孔与上下凹槽之间的壁厚，为保证机械臂有足够的刚度，D ₁≥50mm；为保证半刚性悬臂能够产生被传感器检测出的变形量，R ₁/3≤D ₂≤R ₁/2。半刚性悬臂机构中长条通孔的长度L≥50mm，深度W≥50mm。

傅里叶变换处理

设f为手术动力工具主轴频率，由器械臂的运动控制器实时采集并分析振动传感器3输出的信号，通过对该信号进行分析完成以下任务：

对信号进行快速傅里叶变换，提取f，2f，3f处的傅里叶系数A ₁，A ₂和A ₃，并计算A=A ₁ A ₂ A ₃。骨是一种具有独特结构的高密度结缔组织，所有的骨骼都具有外在坚硬的皮质骨和内在疏松的松质骨。当刀具穿越硬度不同骨质产生的振动信号会有所不同，皮质骨A值较大，松质骨A值较小。经数值仿真分析，皮质骨A值约为松质骨A值的6倍以上。根据A值的变化情况可以检测骨质被磨穿前的临界状态，并在出现危险状态时及时控制机器人停止刀具的进给运动，避免损伤重要组织。

Claims (2)

1.一种能够实现钻磨状态监控的手术机器人半刚性智能器械臂，其特征在于所述的手术机器人半刚性智能器械臂是在手术动力工具的加持部位之前安装一个半刚性悬臂机构，在半刚性悬臂机构和手术动力工具的加持部位之间粘附一个振动传感器，振动传感器的输出信号送入器械臂的运动控制器，由运动控制器对振动传感器的输出信号进行快速傅里叶变换处理，根据处理结果判断手术动力工具中的刀具与骨骼的相对位置；所述的半刚性悬臂机构是一种圆弧切口结构，即在长方体本体的沿高度方向的中间开有一个截面两端呈半圆中间为矩形的长条通孔，两端半圆的半径为R₁，在长方体本体的上下表面各开有一个凹槽，该凹槽截面的两端为半径R₁的圆弧，中间为直线。

2.根据权利要求1所述的手术机器人半刚性智能器械臂，其特征在于所述长方体本体中长条通孔的长度L≥50mm，深度W≥50mm，长方体本体的高度D₁＝4R₁+2D₂，其中，D₂为长条通孔与上下凹槽之间的壁厚，且R₁/3≤D₂≤R₁/2。