1.本发明涉及医疗机器人技术领域，具体涉及一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械。
背景技术：2.机器人骨盆骨折复位手术，需要提供不小于500n的复位力。机器人输出的复位力是通过固定于机器人末端的夹持器械、置入骨盆的骨针，传递到骨盆患侧。复位过程中，容易出现骨盆骨肌组织形变不均或应力集中，导致夹持不稳或脱针现象。因此，需对骨盆进行稳定夹持。
3.现有机器人辅助骨盆复位的夹持器械，多为刚性结构，与所夹持的骨盆骨折组织对为刚性接触，复位过程中难以自适应动态变化的复位力，易导致夹持器械与骨肌组织的刚柔耦合系统的变形协调性差。如果夹持机构采用柔性结构，存在夹持力不足，不能牢固夹持直径细的骨针。
4.针对机器人辅助骨盆骨折复位手术，由于机器人与损伤骨盆骨肌组织之间的空间非常狭小，夹持器械需满足结构紧凑要求，同时应能根据术中复位力的动态变化，自主调控夹持器械的刚度，避免骨针形变不均或应力集中现象，实现对骨盆的稳定夹持。关于机器人骨盆骨折复位的变刚度夹持器械方面，未见报道。
技术实现要素：5.为了解决上述技术问题，本发明涉及一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，由气动变刚度模块、患侧球铰支架模块、健侧夹持模块组成。本发明涉及一种基于仿生缠绕原理的柔性气动变刚度装置，由横纵交错的气动人工肌肉组成，具有稳定夹持和变刚度特性。其中，横向气动人工肌肉螺旋式缠绕在柔性保持架上，通过调控横向气动人工肌肉的充气压力进行夹紧骨针或者松开骨针；采用三根气动人工肌肉竖立安装，通过控制三根纵向气动人工肌肉的气压变化来主动调控骨针刚度，改善术中应力分布，避免术中两根骨针出现形变不均匀或应力集中现象，本发明具有结构紧凑、刚度调整方便、夹持稳定、易装拆等显著优点。
6.为达到上述目的，本发明具体技术方案如下：
7.一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，由气动变刚度模块、患侧球铰支架模块、健侧夹持模块组成；所述气动变刚度模块采用横纵交错的气动人工肌肉形成，通过控制气动人工肌肉的气压进行主动调控骨针刚度，并实现骨针稳定夹持，改善术中应力分布，避免术中两根骨针出现形变不均匀或应力集中；所述患侧球铰支架模块采用球铰结构，与气动变刚度模块连接；所述健侧夹持模块，用于夹持置入健侧骨盆的健侧骨针。
8.所述气动变刚度模块由患侧针杆连接件、气动变刚度夹持器、骨针组成；所述患侧针杆连接件由两块并对的针杆夹持组件形成两个骨针安装孔以及一个螺纹孔，患侧针杆连接件采用螺栓和螺母安装在患侧球铰支架模块的横杆上，通过拧紧螺母达到夹紧骨针的效
果，拧紧前通过旋转适应不同的骨针位姿，所述气动变刚度夹持器安装在骨针上。
9.所述气动变刚度夹持器由缠绕式的横向气动人工肌肉、纵向气动人工肌肉、柔性保持架、上圆盘、下圆盘、防护罩、气动接头、气动堵头、气管组成；所述柔性保持架为变径结构，安装于上圆盘和下圆盘之间，用于向内收缩；所述横向气动人工肌肉依次从柔性保持架上的所有的孔穿插过，其一端套在气动接头上，另一端套在气动堵头上，并通过锁紧环锁紧，通过调整横向气动人工肌肉的气压来夹紧骨针或松开骨针；所述上圆盘和下圆盘皆为法兰式结构，用于与气动接头、气动堵头固连；所述气动接头中心设有轴向通孔，用于充气；所述气动堵头作为密封；所述气动变刚度夹持器共有三根纵向气动人工肌肉；所述三根纵向气动人工肌肉竖立并行安装，其柔性部分是由弹性橡胶管外套上一层编织网形成的，柔性部分的两端分别与气动接头、气动堵头连接，并用锁紧环锁紧，通过控制三根纵向气动人工肌肉内部压强的变化主动调控骨针刚度，改善术中应力分布，避免术中两根骨针出现形变不均匀或者应力集中现象；所述防护罩为内外两侧柔性波纹管结构，安装在横向气动人工肌肉、纵向气动人工肌肉外侧，用于防止骨针和气动人工肌肉受到破坏。
10.所述患侧球铰支架模块由球铰座、球铰限位销、球铰挡块、球铰盖板、球铰横杆组成；所述球铰横杆的一端为球铰，用于调姿，横杆部分用于固定患侧针杆连接件；所述球铰挡块带凹槽一侧与球铰横杆的球铰一侧紧贴，平直一侧置入球铰座中；所述球铰盖板与球铰座固定连接；所述患侧球铰支架模块两侧的结构相同，通过调节球铰横杆与球铰座的角度，提高夹持器械的调节灵活性。
11.所述健侧夹持模块包括健侧固定架、固定架垫片、横杆、健侧针杆连接件、健侧骨针，所述健侧固定架通过固定架垫片固定于手术床侧，健侧固定架通过健侧针杆连接件与横杆相连，横杆与健侧骨针通过健侧针杆连接件相连接固定；横杆和健侧针杆连接件能够适应不同的骨针位姿。
12.本发明于现有技术相比较，具有如下显而易见的预测实质性特点和显著优点：
13.1.本发明的气动变刚度模块，将刚性结构与柔性结构相结合，术中主动调控骨针刚度，并实现骨针的稳定夹持。
14.2.本发明的气动变刚度夹持器，基于仿生缠绕原理，将横向气动人工肌肉螺旋式缠绕在柔性保持架上形成，通过调整横向气动人工肌肉的气压来夹紧骨针或松开骨针，具有稳定夹持的特点。
15.3.本发明的气动变刚度夹持器，纵向变刚度模块采用三根气动人工肌肉并行竖立安装，通过控制三根纵向气动人工肌肉的气压变化来主动调控骨针刚度，改善术中应力分布，避免复位过程中两根骨针出现形变不均匀或应力集中现象。
附图说明
16.图1为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械整体示意图。
17.图2为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械的气动变刚度模块结构示意图。
18.图3为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械的患侧针杆连接件结构示意图。
19.图4为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械的气动变刚度夹持器外观
示意图。
20.图5为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械的气动变刚度夹持器内部结构示意图。
21.图6为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械的患侧球铰支架模块结构示意图。
22.图7为本发明一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械的健侧夹持模块结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图和优选实施例，进一步阐述本发明，应理解下述具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
24.如图1所示，一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，由气动变刚度模块1、患侧球铰支架模块2、健侧夹持模块3组成；所述气动变刚度模块1采用横纵交错的气动人工肌肉形成，通过控制气动人工肌肉的气压进行主动调控骨针6刚度，并实现骨针6稳定夹持，改善术中应力分布，避免术中两根骨针6出现形变不均匀或应力集中；所述患侧球铰支架模块2采用球铰结构，与气动变刚度模块1连接；所述健侧夹持模块3，用于夹持置入健侧骨盆的健侧骨针35。本发明具有结构紧凑、刚度调整方便、夹持稳定、易装拆等显著优点。
25.如图2和图3所示，所述气动变刚度模块1由患侧针杆连接件4、气动变刚度夹持器5、骨针6组成；所述患侧针杆连接件4由两块并对的针杆夹持组件42形成两个骨针安装孔以及一个螺纹孔，患侧针杆连接件4采用螺栓41和螺母43安装在患侧球铰支架模块2的横杆上，通过拧紧螺母43达到夹紧骨针6的效果，拧紧前通过旋转适应不同的骨针6位姿，所述气动变刚度夹持器5安装在骨针6上。
26.如图4和图5所示，所述气动变刚度夹持器5由缠绕式的横向气动人工肌肉56、纵向气动人工肌肉57、柔性保持架55、上圆盘54、下圆盘58、防护罩53、气动接头52、气动堵头59、气管51组成；所述柔性保持架55为变径结构，安装于上圆盘54和下圆盘58之间，用于向内收缩；所述横向气动人工肌肉56依次从柔性保持架55上的所有的孔穿插过，其一端套在气动接头52上，另一端套在气动堵头59上，并通过锁紧环锁紧，通过调整横向气动人工肌肉56的气压来夹紧骨针或松开骨针6；所述上圆盘54和下圆盘58皆为法兰式结构，用于与气动接头52、气动堵头59固连；所述气动接头52中心设有轴向通孔，用于充气；所述气动堵头59作为密封；所述气动变刚度夹持器5共有三根纵向气动人工肌肉57；所述三根纵向气动人工肌肉57竖立并行安装，其柔性部分是由弹性橡胶管外套上一层编织网形成的，柔性部分的两端分别与气动接头52、气动堵头59连接，并用锁紧环锁紧，通过控制三根纵向气动人工肌肉57内部压强的变化主动调控骨针6刚度，改善术中应力分布，避免术中两根骨针6出现形变不均匀或者应力集中现象；所述防护罩53为内外两侧柔性波纹管结构，安装在横向气动人工肌肉56、纵向气动人工肌肉57外侧，用于防止骨针6和气动人工肌肉受到破坏。
27.如图6所示，所述患侧球铰支架模块2由球铰座21、球铰限位销22、球铰挡块23、球铰盖板24、球铰横杆25组成；所述球铰横杆25的一端为球铰，用于调姿，横杆部分用于固定患侧针杆连接件4；所述球铰挡块23带凹槽一侧与球铰横杆25的球铰一侧紧贴，平直一侧置入球铰座21中；所述球铰盖板24与球铰座21固定连接；所述患侧球铰支架模块2两侧的结构
相同，通过调节球铰横杆25与球铰座21的角度，提高夹持器械的调节灵活性。
28.如图7所示，所述健侧夹持模块3包括健侧固定架31、固定架垫片32、横杆33、健侧针杆连接件34、健侧骨针35，所述健侧固定架31通过固定架垫片32固定于手术床侧，健侧固定架31通过健侧针杆连接件34与横杆33相连，横杆33与健侧骨针35通过健侧针杆连接件34相连接固定；横杆33和健侧针杆连接件34能够适应不同的骨针位姿。
29.本发明上述实施例的工作原理：
30.术前，先将健侧夹持模块3固定在手术床合理位置，将骨针分别置入患者的患侧和健侧，调整好位姿后套入气动变刚度夹持器5，并用患侧针杆连接件4紧固在患侧球铰支架模块2上。抓取过程中，通过对缠绕式的横向气动人工肌肉56进行充气，稳定地夹紧骨针6，且具有较大的夹紧力；通过对纵向气动人工肌肉57进行充气进行主动调控骨针6刚度，实现骨针6稳定夹持，改善术中应力分布，避免术中两根骨针6出现形变不均匀或者应力集中现象。本发明采用横向、纵向气动人工肌肉相互配合，具备稳定夹持和变刚度特性。
31.本发明上述实施例采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，由气动变刚度模块、患侧球铰支架模块、健侧夹持模块组成；所述气动变刚度模块采用横纵交错的气动人工肌肉驱动，通过控制气动人工肌肉的气压进行主动调控骨针刚度，实现骨针的稳定夹持，改善术中应力分布，避免术中两根骨针出现形变不均匀或应力集中；所述患侧球铰支架模块采用球铰结构，用于与气动变刚度夹持器模块连接；所述健侧夹持模块，用于夹持置入健侧骨盆的骨针。本发明上述实施例采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械具有结构紧凑、刚度调整方便、夹持稳定、易装拆等显著优点。
32.上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，其特征在于，由气动变刚度模块(1)、患侧球铰支架模块(2)、健侧夹持模块(3)组成；所述气动变刚度模块(1)采用横纵交错的气动人工肌肉形成，通过控制气动人工肌肉的气压进行主动调控骨针(6)刚度，并实现骨针(6)稳定夹持，改善术中应力分布，避免术中两根骨针(6)出现形变不均匀或应力集中；所述患侧球铰支架模块(2)采用球铰结构，与气动变刚度模块(1)连接；所述健侧夹持模块(3)，用于夹持置入健侧骨盆的健侧骨针(35)。2.根据权利要求1所述的采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，其特征在于，所述气动变刚度模块(1)由患侧针杆连接件(4)、气动变刚度夹持器(5)、骨针(6)组成；所述患侧针杆连接件(4)由两块并对的针杆夹持组件(42)形成两个骨针安装孔以及一个螺纹孔，患侧针杆连接件(4)采用螺栓(41)和螺母(43)安装在患侧球铰支架模块(2)的横杆上，通过拧紧螺母(43)达到夹紧骨针(6)的效果，拧紧前通过旋转适应不同的骨针(6)位姿，所述气动变刚度夹持器(5)安装在骨针(6)上。3.根据权利要求2所述的采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，其特征在于，所述气动变刚度夹持器(5)由缠绕式的横向气动人工肌肉(56)、纵向气动人工肌肉(57)、柔性保持架(55)、上圆盘(54)、下圆盘(58)、防护罩(53)、气动接头(52)、气动堵头(59)、气管(51)组成；所述柔性保持架(55)为变径结构，安装于上圆盘(54)和下圆盘(58)之间，用于向内收缩；所述横向气动人工肌肉(56)依次从柔性保持架(55)上的所有的孔穿插过，其一端套在气动接头(52)上，另一端套在气动堵头(59)上，并通过锁紧环锁紧，通过调整横向气动人工肌肉(56)的气压来夹紧骨针或松开骨针(6)；所述上圆盘(54)和下圆盘(58)皆为法兰式结构，用于与气动接头(52)、气动堵头(59)固连；所述气动接头(52)中心设有轴向通孔，用于充气；所述气动堵头(59)作为密封；所述气动变刚度夹持器(5)共有三根纵向气动人工肌肉(57)；所述三根纵向气动人工肌肉(57)竖立并行安装，其柔性部分是由弹性橡胶管外套上一层编织网形成的，柔性部分的两端分别与气动接头(52)、气动堵头(59)连接，并用锁紧环锁紧，通过控制三根纵向气动人工肌肉(57)内部压强的变化主动调控骨针(6)刚度，改善术中应力分布，避免术中两根骨针(6)出现形变不均匀或者应力集中现象；所述防护罩(53)为内外两侧柔性波纹管结构，安装在横向气动人工肌肉(56)、纵向气动人工肌肉(57)外侧，用于防止骨针(6)和气动人工肌肉受到破坏。4.根据权利要求1所述的采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，其特征在于，所述患侧球铰支架模块(2)由球铰座(21)、球铰限位销(22)、球铰挡块(23)、球铰盖板(24)、球铰横杆(25)组成；所述球铰横杆(25)的一端为球铰，用于调姿，横杆部分用于固定患侧针杆连接件(4)；所述球铰挡块(23)带凹槽一侧与球铰横杆(25)的球铰一侧紧贴，平直一侧置入球铰座(21)中；所述球铰盖板(24)与球铰座(21)固定连接；所述患侧球铰支架模块(2)两侧的结构相同，通过调节球铰横杆(25)与球铰座(21)的角度，提高夹持器械的调节灵活性。5.根据权利要求1所述的采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，其特征在于，所述健侧夹持模块(3)包括健侧固定架(31)、固定架垫片(32)、横杆(33)、健侧针杆连接件(34)、健侧骨针(35)，所述健侧固定架(31)通过固定架垫片(32)固定于手术床侧，健侧固定架(31)通过健侧针杆连接件(34)与横杆(33)相连，横杆(33)与健侧骨针(35)通过健侧针杆连接件(34)相连接固定；横杆(33)和健侧针杆连接件(34)能够适应不同的骨针位姿。
技术总结本发明涉及一种采用气动变刚度骨针的骨盆夹持器械，由气动变刚度模块、患侧球铰支架模块、健侧夹持模块组成；所述气动变刚度模块采用横纵交错的气动人工肌肉驱动，通过控制气动人工肌肉的气压进行主动调控骨针刚度，实现骨针的稳定夹持，改善术中应力分布，避免术中两根骨针出现形变不均匀或应力集中；所述患侧球铰支架模块采用球铰结构，用于与气动变刚度夹持器模块连接；所述健侧夹持模块，用于夹持置入健侧骨盆的骨针。本发明具有结构紧凑、刚度调整方便、夹持稳定、易装拆等显著优点。易装拆等显著优点。易装拆等显著优点。
技术研发人员：雷静桃 张发敏
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2022.05.09
技术公布日：2022/11/1
