CN112402000B - 一种钢板插入辅助装置、钢板自动插入系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种钢板插入辅助装置、钢板自动插入系统及控制方法,钢板插入辅助装置包括与钢板的夹持部表面弧度匹配的板体，板体上设置机械臂末端连接部、一个或多个凸起和第一固定孔，凸起与钢板夹持部的凹槽相匹配，所述第一固定孔用于实现辅助装置与钢板的固定连接，机械臂末端连接部与机械臂末端固定连接；所述板体上还设置有通孔，该通孔设置于钢板与骨骼连接的置钉位置的对应位置，并且通孔的直径大于置钉位置的钉孔直径。设计了作为机械臂和钢板连接中间件的钢板插入辅助装置，该装置同时解决了机械臂的夹持强度问题和钉空遮挡问题，在导航系统的引导下，应用机械臂将钢板准确插入，不需要反复透视，提高了操作的安全性和稳定性。

Description

一种钢板插入辅助装置、钢板自动插入系统及控制方法

技术领域

本公开涉及医疗器械相关技术领域，具体的说，是涉及一种钢板插入辅助装置、钢板自动插入系统及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

骨折的一般治疗过程是先把断骨复位，对接后将对接的两段或者多段断骨进行固定，一般的方法是采用开放置入钢板的方法，对于不同断骨可以选择不同的钢板，并且对于同一断骨根据入路不同,钢板选择也不同。对于LiSS钢板，我们虽然可以通过小切口插入钢板，但却很难一次性将其插入到合适位置，往往需要反复透视确定。

随着机器人技术，计算机技术及虚拟仿真技术的发展，机器人已越来越多的用于骨折治疗。发明人发现，机器人可以将钢板准确的放置到最佳位置，但在螺钉自动植入方面上存在不小的困难。在钢板植入装置方面，主要困难在于钢板夹持强度与钉空遮挡之间的矛盾，为了使钢板与机器人之间有足够的夹持强度，我们往往需要夹住钢板足够大的地方，但随着钢板夹持范围的扩大，钉空的遮挡也在加大。不能为螺钉的植入提供足够的空间，导致植入失败，多次植入延长手术时间，降低了钢板自动植入的效率。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种钢板插入辅助装置、钢板自动插入系统及控制方法,设计了作为机械臂和钢板连接中间件的钢板插入辅助装置，该装置同时解决了机械臂的夹持强度问题和钉空遮挡问题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种钢板插入辅助装置，包括与钢板的夹持部表面弧度匹配的板体，板体上设置机械臂末端连接部、一个或多个凸起和第一固定孔，凸起与钢板夹持部的凹槽相匹配，所述第一固定孔用于实现辅助装置与钢板的固定连接，机械臂末端连接部与机械臂末端固定连接；所述板体上还设置有通孔，该通孔设置于钢板与骨骼连接的置钉位置的对应位置，并且通孔的内径与套筒的外径相匹配。

一个或多个实施例提供了一种钢板自动插入系统，包括主控终端、机械臂、钢板以及上述一种钢板插入辅助装置，所述钢板插入辅助装置用于建立或者断开机械臂与钢板的固定连接，所述主控终端控制机械臂移动从而将钢板移动至目标位置。

一个或多个实施例提供了一种钢板自动插入方法，包括如下步骤：

将机械臂、导航系统和影像系统进行注册，使之坐标系统一；

将钢板插入辅助装置安装到机械臂末端上，将钢板插入辅助装置与钢板固定连接；

驱动机械臂将钢板移动到钢板植入点，并记录钢板的实时位置；

根据目标位置和实时的钢板位置，规划钢板插入轨迹；

按照规划的轨迹，控制机械臂移动，将钢板按照规划估计插入至目标位置；

将钢板与目标位置的目标物固定，将钢板从钢板插入辅助装置上拆卸。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开的一种钢板插入辅助装置通过设置与钢板夹持部相匹配的结构，能够实现与钢板的刚性连接，同时设置了机械臂末端连接装置，能够实现该辅助装置与机械臂末端的连接；辅助装置在钢板与骨骼连接的置钉位置设置了与套筒外径相匹配的通孔，当采用套筒安装，这种结构可以更容易地找到锁钉中心线，能够实现钢板插入后钢板与骨骼的准确固定，能够提高操作的灵活性，该辅助作为机械臂与钢板之间的中间连接件，能够减少或解除由于钢板的大小对夹持力度的限制，同时方便置钉，为置钉设置了足够的空间。

本公开将钢板插入辅助装置作为中间件实现机械臂与钢板的稳定可靠固定，在导航系统的引导下，通过对钢板插入轨迹的规划，应用机械臂将钢板准确插入，不需要反复透视，提高了操作的安全性和稳定性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例2的钢板自动插入系统部分结构示意图；

图2是本公开实施例1的钢板插入辅助装置3正面图；

图3是本公开实施例1的钢板插入辅助装置3背面图；

图4是本公开实施例1的示例钢板结构示意图；

图5是本公开实施例2的系统钢板插入前的显示效果图；

图6是本公开实施例2的系统钢板插入后的显示效果图；

其中：1、机械臂末端，2、钢板，3、钢板插入辅助装置，3-1、板体，3-2、凸起，3-3、通孔，3-4、第一固定孔。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1-3所示，一种钢板插入辅助装置3，包括与钢板2的夹持部表面弧度匹配的板体3-1，板体3-1上设置机械臂末端连接部、一个或多个凸起3-2和第一固定孔3-4，凸起3-2与钢板夹持部的凹槽相匹配，所述第一固定孔3-4用于实现辅助装置与钢板的固定连接，机械臂末端连接部与机械臂末端1固定连接；所述板体上还设置有通孔3-3，该通孔3-3设置于钢板2与骨骼连接的置钉位置的对应位置，并且通孔3-3的直径大于置钉位置的钉孔直径，通孔3-3的内径与套筒的外径相匹配；其中所述套筒为用于实现钢板2与骨骼连接的安装工具，与此处的置钉尺寸相匹配。

本实施例的一种钢板插入辅助装置通过设置与钢板夹持部相匹配的结构，能够实现与钢板的刚性连接，同时设置了机械臂末端连接装置，能够实现该辅助装置与机械臂末端1的连接；辅助装置在钢板干骺端背侧的置钉位置设置了与套筒外径相匹配的通孔，能够实现钢板插入后钢板与骨骼的固定，能够提高操作准确性，该辅助作为机械臂与钢板之间的中间连接件，能够减少或解除钢板的大小对夹持力度的限制，同时方便置钉，为置钉设置了足够的空间。

用于人体骨骼固定的钢板的结构：钢板的形状、大小和弯曲弧度不同，现实中，为实现操作的一致性，用于固定骨骼的钢板具有相同结构的夹持部，夹持部至少包括三个按照三角形排列的凹陷，凹陷的中间设置了一个螺钉孔3-4用于实现钢板与辅助装置的固定，本实施例的目标物为骨骼。

如图4中的一种钢板的结构示意图，本实施例的辅助装置适用于LiSS系列的钢板，其中比较宽的干骺端有三个凹陷，三个凹陷的连线形成三角形，三个凹陷靠近中间的位置设置有一个与钢板实现固定的螺钉孔，对于LiSS系列多数植钢板该三个凹陷以及螺钉孔的相对位置、大小、形状都是相同的。

可实现的，通孔3-3的大小根据实际使用需要设置，当固定螺钉的头部为外六方，通孔3-3的大小则需要大于安装套筒的外径，当固定螺钉的头部为十字头，通孔的大小大于螺钉的头部大小就可以。通孔3-3的位置与钢板螺钉孔的位置相对应。

可选的，第一固定孔3-4可以设置为一个，第一固定孔3-4设置在凸起3-2的之间的位置。通过三个凸起3-2的定位以及将第一固定孔3-4的紧固固定，可以使得本实施例的辅助装置与钢板的有效固定。

可选的，机械臂末端连接部的结构可以为连接柱4，可以设置为两端大小不一致的锥体、多面体等形状，所述机械臂末端连接部较小的端面固定连接板体3-1的一端。

可选的，连接柱4与板体3-1的设置通孔3-3一侧的表面的夹角可以为钝角，优选的，可以设置为135度。

本实施例的设置的辅助装置作为中间件，大小只覆盖钢板的夹持部，结构形状与钢板的夹持部的形状相匹配，适用于具有该夹持部的钢板，具有广泛的适用性。

实施例2

本实施例提供一种钢板自动插入系统，可以用于骨骼固定手术中，包括主控终端、机械臂、钢板以及实施例1所述一种钢板插入辅助装置3，所述钢板插入辅助装置3用于建立或者断开机械臂与钢板的固定连接，所述主控终端控制机械臂移动从而将钢板移动至目标位置。

所述主控终端包括主控模块、导航系统和影像系统，所述导航系统用于根据主控模块输出的控制指令将机械臂末端移动至目标位置；所述影像系统用于获取工作现场图像信息；所述主控模块根据采集的图像信息处理获得相应的控制指令。工作现场如果为骨骼固定手术，工作现场图像信息用于确定断骨的位置和钢板的实时位置。

为实现操作过程的实时演示，还包括显示设备，所述显示设备与主控模块通信连接，用于可视化显示操作的动作过程。

本实施例还提供一种钢板自动插入方法，包括如下步骤：

步骤1、将机械臂、导航系统和影像系统进行注册，使之坐标系统一；

步骤2、将钢板插入辅助装置3安装到机械臂末端1上，将钢板插入辅助装置3与钢板固定连接；

具体的，将钢板夹持部的凹槽与凸起3-2对齐，钢板插入辅助装置3通过第一固定孔3-4旋入固定螺钉与钢板固定连接；钢板插入辅助装置3通过连接柱4实现辅助装置与机械臂末端的固定连接。

步骤3、驱动机械臂将钢板移动到钢板植入点，并记录钢板的实时位置；

本步骤中，由于钢板安装位置唯一，钢板上任意一点在机械臂坐标系中的坐标均可得到；

步骤4、根据目标位置和实时的钢板位置，规划钢板插入轨迹；

步骤5、按照规划的轨迹，控制机械臂移动，将钢板按照规划估计插入至目标位置；

可选的，将轨迹规划数据输入机械臂，自动完成钢板的准确插入；也可对夹持钢板机械臂进行遥操作，完成钢板的插入。

步骤6、将钢板与目标位置的目标物固定，将钢板从钢板插入辅助装置3上拆卸。

在骨折复位手术后的钢板插入系统中，目标位置的目标物为断骨，钢板插入后根据钢板上螺钉孔位置将锁定螺钉通过螺钉孔打入骨骼，完成钢板和骨骼之间的固定。

进一步地，步骤6之后还包括将设备复原的步骤，旋松钢板紧固螺钉，分离钢板和钢板插入辅助装置3，机械臂复位到初始位置。

进一步的，还包括可视化显示的步骤：

步骤41、获取目标位置的目标物的虚拟模型及钢板的虚拟模型；

本实施例的目标物为断骨，如图5和6所示为显示界面的显示效果图，显示界面显示了断骨的形状和钢板的形状和结构。图5中为初始位置，图6为钢板自动插入后的位置。

步骤42、将目标物设置在目标位置的对应坐标处；根据实时获取的钢板位置实时更新钢板在显示界面中的位置，直到将钢板移动至目标位置。

通过可视化显示能够提高操作的直观性，能够将自动执行过程的错误操作及时停止或者进行纠正，提高操作的安全性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种钢板插入辅助装置，其特征是：包括与钢板的夹持部表面弧度匹配的板体，板体上设置机械臂末端连接部、一个或多个凸起和第一固定孔，凸起与钢板夹持部的凹槽相匹配，所述第一固定孔用于实现辅助装置与钢板的固定连接，机械臂末端连接部与机械臂末端固定连接；所述板体上还设置有通孔，该通孔设置于钢板与骨骼连接的置钉位置的对应位置，并且通孔的内径与套筒的外径相匹配；所述钢板夹持部至少包括三个按照三角形排列的凹陷，还设置有螺钉孔用于实现钢板与目标物的固定；第一固定孔设置为一个，第一固定孔设置在多个凸起的之间的位置。

2.如权利要求1所述的一种钢板插入辅助装置，其特征是：机械臂末端连接部的结构为连接柱。

3.如权利要求2所述的一种钢板插入辅助装置，其特征是：连接柱的两端大小不同，所述机械臂末端连接部较小的端面固定连接板体的一端；或/和,连接柱的形状为锥体或多面体。

4.一种钢板自动插入系统，其特征是：包括主控终端、机械臂、钢板以及权利要求1-3任一项所述一种钢板插入辅助装置，所述钢板插入辅助装置用于建立或者断开机械臂与钢板的固定连接，所述主控终端控制机械臂移动从而将钢板移动至目标位置。

5.如权利要求4所述的一种钢板自动插入系统，其特征是：所述主控终端包括主控模块、导航系统和影像系统，所述导航系统用于根据主控模块输出的控制指令将机械臂末端移动至目标位置；所述影像系统用于获取工作现场图像信息；所述主控模块根据采集的图像信息处理获得相应的控制指令。

6.如权利要求4所述的一种钢板自动插入系统，其特征是：还包括显示设备，所述显示设备与主控模块通信连接，用于可视化显示操作的动作过程。

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