一種適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，包括支撐框架，支撐框架內安裝有二維運動機構以及設置在二維運動機構上的切割機構；升降機構；用于調整切割機構內刀片切割方向的旋轉機構；二維運動機構用于驅動切割機構在垂直于升降機構升降方向的平面內進行二維方向的調整；控制器，用于接收待加工缺損三維模型數據，并將其轉化為二維運動機構的運行軌跡以及刀片切割方向數據，用于控制二維運動機構和旋轉機構的運行。本發明的缺損智能制造裝置結構簡單，裝置制造成本低，操作方便，智能化集成度高，能夠在不破壞骨壁下組織的前提下，自動的按照設計要求完成對具有不同壁厚的顱骨缺損的制造，而且缺損的形狀任意。
【專利說明】
一種適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種缺損制造裝置，尤其是涉及一種在動物薄壁骨、顱骨等上的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置。
【背景技術】
[0002]骨組織工程修復是當今世界研究的一個熱點，為了研究新型生物材料對骨組織修復性能的影響，科研工作者需要進行各種的動物實驗，其中最常見的就有顱骨修復實驗，事先在動物的顱骨上制造一個缺損，然后把生物材料填充進去，目前最常見的就是打孔，用一個手持式的打磨機，外加一個環狀鉆頭，而常規的生物材料也是做成很薄的圓柱體形狀，然后通過對圓柱體形狀結構生物材料的骨修復情況來說明材料的好壞。
[0003]但真實的情況是創傷后所需要修復的形狀不一定是圓形的，它可能是一個三角形，也可能是一個多邊形，或者是一個復雜的形狀，同時骨修復的理念是對缺損的位置進行CT掃描，獲取其三維結構，然后制造相應的結構進行填充修復，這就使得結構的形狀不再單一，為了更接近真實情況，更好的體現材料的修復效果，需要研究復雜結構的骨修復情況，隨著制造技術的發展，基于三維打印技術可以制造很復雜形狀的結構，解決了材料制造的問題，而對應的缺損制造工具，卻還是傳統的打孔裝置，沒有新的設備來制造，對于有創傷的人，其缺損是已經存在的，不需要人為進行制造，但對于科研工作者，為了實驗，就需要人為制造缺損，雖然可以通過手持式的打磨機外加一個鉆頭進行缺損的制造，但存在一些問題，比如這是人為手工操作，在制造的時候可能會打穿顱骨，因為不同的動物其顱骨壁厚不同，同一個動物其顱骨壁厚也是不同的，而顱骨的下面就是腦膜和腦組織，在深度上面控制不好，就有可能破壞掉顱骨下面的腦組織或者是腦組織上的血管，造成大出血，這就大大增加了缺損制造過程中，動物死亡的幾率;另外，要手工制造一個形狀復雜的缺損，沒有一定的經驗和技術是做不到的，因為無法保證尺寸和形狀與設計目標的一致性，同時，作為一個實驗，需要很多重復組，手工操作無法保證每次做的缺損形狀和尺寸都是一樣的，因此，為了解決這個問題，就需要開發出一臺設備，能夠按照需求，自動的完成在顱骨上形狀復雜的缺損的制造，同時缺損具有可重復性，而不引起動物死亡。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種結構簡單、操作方便、缺損制作效率高、在動物顱骨、薄壁骨等部位上能適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置。
[0005]—種適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，包括支撐框架，所述支撐框架內安裝有二維運動機構以及設置在二維運動機構上的:
[0006]用于缺損切削的切割機構；
[0007]用于驅動切割機構升降的升降機構；
[0008]用于調整切割機構內刀片切割方向的旋轉機構；
[0009]所述二維運動機構用于驅動切割機構在垂直于升降機構升降方向的平面內進行二維方向的調整;通過升降機構和二維運動機構配合作業，實現對切割機構三維運動方向的控制。
[0010]作為優選，還包括:
[0011 ]控制器，用于接收待加工缺損三維模型數據，并將其轉化為二維運動機構的運行軌跡以及刀片切割方向數據，用于控制二維運動機構和旋轉機構的運行；
[0012]用于檢測切割機構所受壓力的壓力傳感器；
[0013]所述控制器同時用于接收壓力傳感器的壓力信號，同時根據壓力信號對所述切割機構、升降機構進行控制。
[0014]作為優選，所述支撐框架包括:
[0015]支撐板，所述二維運動機構安裝在該支撐板上；
[0016]與所述支撐板固定、用于罩蓋所述旋轉機構的端蓋；
[0017]固定在支撐板底部的腳架。
[0018]作為進一步優選，所述支撐框架還包括用于固定供液機構或者控制器的隔離板，以及固定安裝在支撐板下面包圍腳架的保護套;保護套用于對切割作業進行防護。所述的保護套為透明的亞克力板，分為4塊，相互連接，每塊板又安裝在上述的支撐板上，當支撐板運動時，跟隨支撐板一起上下運動，保護套的最低點比切割機構的最低點要低，能起到更好的保護作用，通過保護套可以看到內部的打孔情況，又能阻隔外部臟物進入內部。
[0019]所述的二維運動機構包括X軸運動模塊和Y軸運動模塊，所述的X軸運動模塊安裝在Y軸運動模塊上，Y軸運動模塊帶動X軸運動模塊在Y軸方向進行移動，X軸運動模塊上的移動滑塊上安裝有切割機構，帶動切割機構在X軸方向進行移動，當需要切割目標結構時，二維運動機構上的X軸運動模塊和Y軸運動模塊一起運動，帶動切割機構在X軸和Y軸方向進行運動，實現切割機構在二維平面內任意軌跡的運動，完成對目標結構在水平面內的切割，當然切割的截面也包括普通的圓軌跡，正方形軌跡以及多邊形軌跡，而且調節起來很方便，只需要改變裝置內的程序參數就可以實現，不需要改變和拆裝裝置內的結構，方便操作人員隨時更改形狀。作為優選，
[0020]作為優選，兩個運動模塊都是采用電機經聯軸器帶動絲桿旋轉的傳動方式，絲桿上安裝有移動滑塊，移動滑塊沿著導軌平滑運動，Y軸運動模塊中，對稱分布著兩個滑塊和兩個導軌，X軸運動模塊安裝在兩個滑塊上，使得X軸運動模塊在Y軸運動模塊上運動時更加的平穩。
[0021]作為優選，所述腳架包括:
[0022]腳架固定座；
[0023]滑動設置在腳架固定座頂部的腳架活動座；
[0024]設置在腳架固定座內用于驅動腳架活動座升降運動的腳架電機。通過該技術方案，可以根據需要對腳架的高度進行調整，操作簡便。
[0025]作為優選，所述的腳架均勻分布在支撐板的4個角落上，當需要調節裝置的高度時，操作裝置通過控制板(或者控制器)控制4個腳架一起升高或者下降，所述的安裝在腳架固定座底部的腳架底座底部是橡膠材料，頂部中間有調節螺母和一根螺桿，螺桿上端連接著腳架固定座的底部，通過這種設計，可以使得當裝置安放在底面不平的平面上時，通過調節螺母調節腳架底座的高度來對裝置進行調平，使得切割機構與要切割的面是垂直的，保證裝置能夠順利進行缺損的制造。
[0026]作為優選，所述腳架電機輸出端設有腳架絲桿；
[0027]所述腳架活動座與所述腳架絲桿螺紋配合，實現腳架電機動力的傳輸；
[0028]所述腳架活動座與腳架絲桿之間設有升降導向機構。
[0029]作為進一步優選，所述的腳架包括腳架底座，安裝在腳架底座上的腳架固定座，固定安裝在腳架固定座上端的腳架固定座上端蓋，固定安裝在腳架固定座底部的腳架電機，安裝在腳架電機輸出軸上的腳架聯軸器，安裝在腳架聯軸器另一端的腳架絲桿，固定安裝在腳架絲桿一端上的腳架滑塊，安裝在腳架滑塊內的腳架光桿，安裝在腳架光桿一端的腳架活動座端蓋和安裝在腳架光桿另一端的腳架活動座，所述的腳架活動座端蓋固定安裝在腳架活動座上，所述的腳架絲桿與腳架活動座底部中心以螺紋方式配合，實現腳架電機驅動力的傳動，腳架光桿有2根或2根以上，均勻或對稱分布在腳架絲桿四周或兩側，所述腳架光桿和腳架滑塊構成所述的升降導向機構，用來對腳架滑塊的移動起輔助導向作用，防止腳架絲桿在轉動中由于距離太長而變形，所述的腳架活動座端蓋的上表面又與上述的支撐板接觸，支撐板固定安裝在腳架活動座端蓋上，當需要升高整個裝置的高度時，腳架電機旋轉，通過腳架聯軸器帶動腳架絲桿旋轉，腳架活動座向上運動，即整個機器向上運動，從而對安裝在支撐框架上的切割機構進行高度方向的調節，以適應不同尺寸和不同類型的動物，在這個過程中，腳架滑塊和腳架絲桿的設計，可以使得腳架活動座的運動更加平穩。所述腳架滑塊和腳架光桿構成所述的升降導向機構。
[0030]作為優選，還包括:
[0031]用于檢測切割機構的刀片距離待加工表面距離的距離檢測儀，該距離檢測儀檢測得到的距離數據同時輸入給控制器，用于控制升降機構運動。
[0032]作為優選，所述旋轉機構包括旋轉電機;所述升降機構包括:
[0033]通過升降電機外殼與所述旋轉電機輸出軸固定的升降電機；
[0034]所述升降電機輸出軸通過一支撐座與所述切割機構安裝固定。
[0035]作為優選，所述切割機構包括:
[0036]與所述支撐座固定的切割電機外殼；
[0037]設置在切割電機外殼內的切割電機；
[0038]受所述切割電機驅動的刀片。
[0039]具體講，所述的升降機構包括與上述旋轉電機旋轉軸固定安裝的聯軸器，安裝在聯軸器下端的升降電機外殼，固定安裝在升降電機外殼底部上的升降電機底板，固定安裝在升降電機底板上的升降電機，固定安裝在升降電機輸出軸上的支撐座，安裝在支撐座上的壓力傳感器，與壓力傳感器相連的微位移彈簧，彈簧的末端固定安裝有上述的切割機構，所述的升降電機為直線電機，當升降電機上的輸出軸向下運動時，輸出軸上的支撐座也向下運動，使得固定在支撐座上的壓力傳感器也向下運動，進而使與壓力傳感器相連的彈簧壓縮，產生的反作用力推動切割機構向下運動，通過與二維運動機構和旋轉機構的配合實現對目標結構在深度方向的切割，反之，當升降電機上的輸出軸向上運動時，帶動輸出軸上的支撐座向上運動，支撐座的底部帶動切割模塊向上運動。
[0040]作為優選，所述支撐座包括:
[0041]用于與升降電機輸出軸固定的桿體；
[0042]與桿體一體設置，用于與切割電機外殼固定的筒體；
[0043]所述筒體開口部位設有內翻的環形的支撐臺階;所述切割電機外殼頂部設有用于卡合在所述支撐臺階上的圓臺；
[0044]所述壓力傳感器設置在筒體底部，壓力傳感器與切割電機外殼之間設有彈簧。
[0045]作為優選，所述支撐座與所述切割電機外殼之間設有防止切割電機外殼相對支撐座轉動的周向定位件。
[0046 ]具體講，所述的切割機構包括切割電機外殼，安裝在切割電機外殼內的切割電機，與切割電機輸出軸相連的傳動機構以及安裝在傳動機構上的刀片，所述的切割機構外殼外有一個凸起塊，與上述支撐座內的周向限位凹槽配合，使得切割機構外殼無法轉動，只能上下運動，所述的切割機構外殼的上端有一個突出的圓臺，與支撐座上的支撐臺階卡合，保證支撐座向上運動時，能帶動外殼一起向上運動，當需要切割目標物體時，電機轉動，通過傳動機構帶動刀片旋轉，實現對目標物體的切割。
[0047]所述的刀片末端是一個圓臺面或者圓柱面，在切割的過程中，使得切下來的結構比切的缺損結構要小很多，便于取出切下來的結構。
[0048]在切割機構進行切割的過程中，二維運動機構帶動旋轉的刀片運動進行水平面的切割，刀片的旋轉面與刀片的前進方向相同，如果遇到正方形結構，當切割完一條邊，開始切與它垂直的邊時，旋轉電機會通過帶動安裝在旋轉電機旋轉軸上的升降模塊旋轉，即帶動安裝在升降模塊上的切割機構旋轉，最后實現刀片90度的旋轉，使得刀片的旋轉面與刀片的前進方向再一次相同，開始新的一條邊的切割，通過旋轉電機的實時旋轉，實現正方形結構的切割；如果是圓結構，則旋轉電機會一直連續旋轉，調節刀片的角度，使得在二維運動機構帶動刀片作圓周運動的過程中，刀片的旋轉面與圓總是相切，形成一個圓軌跡，實現圓截面的切割；如果是復雜的曲線截面，則通過控制系統，會自動計算切割該曲線截面時，二維運動機構的運動軌跡和旋轉電機的旋轉角度，使得刀片的旋轉面始終與要切割的曲線相切，即刀片的旋轉面與曲線相切點的法線垂直，以配合刀片的轉動實現對不同形狀的結構的切割。
[0049]作為優選，本發明還包括供液機構以及光源;供液機構可對切割機構以及切割部位進行消毒或者降溫;光源用與對切割機構提供照明。
[0050]所述的供液機構包括直線電機，活塞頭，供液箱，安裝在供液箱底部控制液體流出的電磁閥，安裝在電磁閥末端的管道，所述的管道安裝在旋轉機構上，沿著旋轉機構一直下降到切割模塊，管道的末端以一定的傾斜角度斜對著刀片的旋轉中心，所述的供液機構安裝在隔離板上，當需要擠出液體時，電磁閥打開，直線電機推動活塞頭運動，活塞頭擠壓供液箱內的液體通過電磁閥流向管道，最后從管道流出的液體直接流向刀片旋轉位置的中心，因為管道固定在旋轉模塊上，所以當二維運動機構帶動刀片作平面運動時，管道也會跟著一起運動，使得管道流出來的水始終流向刀片旋轉位置的中心，在加工時，旋轉電機會帶動刀片轉動，液體始終流向刀片旋轉位置的中心，然后往四周流動接觸到刀片，對刀片進行清洗和冷卻。
[0051 ]作為優選，所述的供液箱內的液體為氯化鈉溶液，即生理鹽水，在液體沖洗結構表面和冷卻刀片的時候，也會沖洗走切削時產生的骨渣和骨頭中滲出的血液，即清理切削區域，方便操作人員更清楚的看清已切割的形狀和缺損制造進程，如果遇到突發事情，可以手動控制緊急停止加工。
[0052]所述的光源有兩個，都安裝在隔離板的下面，對稱分布在隔離板的兩個角落上，以一定的傾斜角度對著支撐板的中心區域，照亮裝置內的加工區域，使得缺損智能制造裝置在制造缺損時，操作人員通過透明的保護套可以隨時跟蹤觀看制造情況，如果遇到突發事情時也可以及時處理。
[0053]本發明的缺損智能制造裝置針對不同壁厚的骨缺損結構的工作原理如下:升降電機帶動升降電機輸出軸上的支撐座向下運動，導致切割模塊向下運動，如果運動一個距離后，刀片沒有接觸到結構，則此時壓力傳感器上的值保持不變，即彈簧還處于原先設定的壓縮狀態，如果當運動一個距離后，切割機構上的刀片接觸到目標結構，則切割模塊會擠壓彈簧，彈簧的反作用力會擠壓壓力傳感器，此時壓力傳感器上檢測到的壓力值升高，并且會很大，系統判斷為遇到切割目標，需要切割，則開啟切割機構內的電機，帶動刀片旋轉進行切害J。二維運動機構按照計算機輸出的軌跡帶動刀片運動，進行同一個高度內的水平面切割，切割開始時，記下當時的壓力反饋值，當在一個高度內的水平面切割完成后，壓力值會下降，以此來判斷完成當前水平面的切割，然后刀片停止運動，升降電機帶動刀片下降一個距離，開始壓力檢測，如果壓力很大，則繼續重復前面的工作，開始加工，當遇到最后一層加工完成后，升降電機帶動刀片繼續下降一個距離，因為此時接觸的是顱骨壁下面與腦組織之間的間隙或者接觸腦組織，但腦組織會回收，而且是軟的，不像顱骨壁是硬的，所以檢測到的壓力值會很小，認為是最小壓力值，則系統自動判斷為該處已切割完成，記下當前的位置和深度，然后二維運動機構帶動刀片沿著軌跡移動一段距離，如果此時檢測到的壓力值很大，則認為此處切割沒有完成，需要切割，二維運動機構則帶動刀片運動，當遇到剛才標記過的位置時，刀片會停止轉動，進行避讓，等過了位置后繼續轉動進行切割，如果在剛開始運動過程中遇到壓力很小的值，或者在切割過程中，在其他位置遇到最小值，則認為那處也是切割完成的位置，記下新的位置，并且按照前面的方式進行避讓，然后重復前面的工作，直到壓力傳感器檢測到同一個水平面軌跡范圍內設定的點的壓力值都是很小時，認為缺損的切割工作完成，停止加工，升降電機帶動刀片回到初始的位置，然后人為的取出切割完的結構，即完成缺損的制造。
[0054]適應各種形狀不同壁厚的缺損智能制造裝置的制造方法如下:
[0055]—、按常規手術操作方法暴露需要進行缺損制造的部位，把裝置放在其正上方，調節裝置的高度和水平度，加入生理鹽水。
[0056]二、把含有缺損形狀信息的文件輸入到計算機，設定制造的起點，計算機軟件自動計算出刀片的移動路徑和旋轉角度等參數。
[0057]三、缺損智能制造裝置開始加工:打開光源，流出生理鹽水，刀片按照設定的參數進行運動，旋轉和切割，直到完成整個缺損的制造。
[0058]四、取出切割下來的缺損結構。
[0059]當需要在同一個動物上加工多個缺損時，只需要在加工完前一個缺損后，在計算機內移動下缺損的位置，重新生成新的刀片移動路徑和旋轉角度即可。
[0060]考慮到骨結構不是水平面的結構，有些部位是曲面的形狀，在本發明裝置中，作為優選，選擇離刀片垂直距離最近的骨位置作為切割開始的起點，即骨的最高位置。
[0061]作為優選，也可以在本發明裝置上加上一個距離檢測裝置，事先沿著刀片的運動軌跡測量刀片與骨結構之間的距離，然后由計算機反算出骨結構表面的輪廓高度，計算機按照由高到低的加工方法生成路徑，先切割最高處的結構，即離刀片最近的骨結構水平面，切割完成后再慢慢往下降。
[0062]本發明的缺損智能制造裝置的切割工作是靠刀片旋轉完成的，二維運動機構只是帶動刀片整體沿著缺損的外輪廓進行運動，并沒有進行高速的切割工作，二維運動機構的移動速度不快，而孔的深度通過升降電機來完成，刀片的切割工作通過彈簧反饋給壓力傳感器的壓力值來控制。在剛開始切割的時候，升降電機的下降距離可以適當增大，以提高加工效率，隨著打孔深度的增加，慢慢的減小下降距離，同時隨著打孔深度的增加，在越接近壁的底部時，壓力傳感器檢測到的壓力值的越小，以此來調節下降的距離。
[0063]作為優選，初始的升降距離為100?500微米，后面慢慢下降到50微米，最后的階段為10?20微米，但其值與壓力值匹配，在壓力值高的位置其下降距離也大，便于提高效率。
[0064]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0065]—、本發明的缺損智能制造裝置結構簡單，裝置制造成本低，操作方便，智能化集成度高，利用壓力傳感器檢測到的壓力值來控制刀片切割，能夠在不破壞骨壁下組織的前提下，自動的按照設計要求完成對具有不同壁厚的顱骨缺損的制造。
[0066]二、本發明的裝置通過二維運動機構和旋轉機構的配合，使得刀片實現在同一個平面內作二維任意軌跡輪廓的運動，只需要往計算機內導入缺損形狀，就可以加工不同形狀和不同尺寸的缺損結構，大大增加了裝置的應用范圍。
[0067]三、本發明的裝置對操作人員的技能沒有要求，沒有經驗的人也能使用和制造出想要的孔，避免了制造過程中人為因素的影響。
[0068]四、本發明的裝置可以在同一個動物上實現不同形狀缺損或多個缺損的加工，不需要更換裝置的零件或移動整個裝置，只需要簡單的導入新的缺損形狀或者移動下缺損位置，重新生成加工軌跡即可，操作方便。
[0069]五、本發明的裝置高度自動可調節設計，方便對不同的體型的動物進行操作。
[0070]六、本發明的裝置制造的缺損都是裝置自動加工完成，保證了缺損形狀和尺寸的一致性。
[0071]七、本發明的供液機構一方面能夠為刀片提供冷卻液，降低刀片工作時產生的高溫，延長刀片的壽命，另一方面能夠帶走刀片工作時產生的雜質，防止其殘留在刀片和切削的位置，影響孔的制造，同時，也能在制造過程中清理干凈打孔的位置，方便操作人員更清楚的看清已打孔的形狀和打孔進程，及時進行相應的操作。
【附圖說明】
[0072]圖1是本發明的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置的結構示意圖；
[0073]圖2是本發明裝置的腳架結構示意圖；
[0074]圖3是本發明裝置的切割模塊結構示意圖；
[0075]圖4是本發明裝置的支撐座與切割機構連接示意圖；
[0076]圖5是本發明裝置的供液機構結構示意圖；
[0077]圖6是本發明裝置的缺損制造原理圖；
[0078]圖7是本發明裝置的適應不同壁厚制造各種形狀缺損結構的制造方法流程圖；
[0079]圖中:I為腳架，2為保護套，3為支撐板，4為隔離板，5為端蓋，6為二維運動機構，7為供液機構，8為光源，9為切割模塊，10為腳架底座，11為腳架固定座，12為腳架固定座上端蓋，13為腳架活動座，14為腳架活動座端蓋，15為腳架光桿，16為腳架滑塊，17為腳架絲桿，18為腳架聯軸器，19為腳架電機，20為旋轉電機端蓋，21為旋轉電機外殼，22為旋轉電機，23為聯軸器，24為升降電機外殼，25為升降電機，26為升降電機底板，27為支撐座，28為壓力傳感器，29為彈簧，30為外殼，31為刀片，32為直線電機，33為活塞頭，34為供液箱，35為電磁閥，36為管道。
【具體實施方式】
[0080]下面結合附圖和實施過程對本發明作進一步的說明。
[0081 ]如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，一種適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，包括:支撐框架、安裝在支撐框架內的二維運動機構6、安裝在二維運動機構6上的切割模塊9、供液機構7以及光源8;
[0082]如圖1所示，二維運動機構包括X軸運動模塊和Y軸運動模塊，Y軸運動模塊包括對稱分布著兩個Y軸滑塊和兩個Y軸導軌，Y軸滑塊沿著Y軸導軌運動;X軸運動模塊安裝在Y軸運動模塊的兩個Y軸滑塊上，Y軸運動模塊帶動X軸運動模塊在Y軸方向進行移動;X軸運動模塊包括固定在兩個Y軸滑塊上的X軸導軌和X軸滑塊，X軸滑塊沿著X軸導軌運動；
[0083]X軸滑塊上安裝有切割模塊9，帶動切割模塊9在X軸方向進行移動，當需要切割目標結構時，二維運動機構上的X軸運動模塊和Y運動模塊一起運動，帶動切割模塊9在X軸和Y軸方向進行運動，實現切割機構在二維平面內任意軌跡的運動，完成對目標結構在水平面內的切割。
[0084]支撐框架包括支撐板3，隔離板4，安裝在支撐板3上的端蓋5，固定安裝在支撐板3下面的腳架I以及保護套2; 二維運動機構安裝在支撐板3上，支撐板3中部為鏤空結構，用于避讓切割模塊9，給切割模塊9預留充足的工作空間。
[0085]如圖2所示，腳架I包括腳架底座10，固定安裝在腳架底座10頂部的腳架固定座11，固定安裝在腳架固定座11上端的腳架固定座上端蓋12，固定安裝在腳架固定座11底部的腳架電機19，安裝在腳架電機19輸出軸上的腳架聯軸器18，安裝在腳架聯軸器18另一端的腳架絲桿17，固定安裝在腳架絲桿17—端(靠近頂端)上的腳架滑塊16，安裝在腳架滑塊16內的腳架光桿15，安裝在腳架光桿15—端的腳架活動座端蓋14和安裝在腳架光桿15另一端的腳架活動座13，腳架活動座端蓋14固定安裝在腳架活動座13上，腳架絲桿17與腳架活動座13底部中心以螺紋方式配合，實現傳動，將腳架絲桿17的轉動位移轉化為腳架活動座13豎直方向上的直線位移，腳架光桿15有2根，對稱分布在腳架絲桿17兩側，支撐板3固定安裝在腳架活動座端蓋14上。
[0086]其中，腳架固定座上端蓋12上設有供腳架活動座13穿過的孔結構；腳架滑塊16通過軸承與腳架絲桿17實現轉動配合，且軸向相對固定;腳架光桿15通過腳架活動座端蓋14固定在腳架活動座13內；腳架滑塊16滑動的穿設在兩根腳架光桿15上，實現對腳架活動座13的導向，保證腳架活動座13在豎直方向上能夠穩定運動。
[0087]腳架I均勻分布在支撐板3的4個角落上，當需要調節整個裝置的高度時，控制板控制腳架電機19旋轉，通過腳架聯軸器18帶動腳架絲桿17旋轉，腳架活動座13向上或向下運動，4個腳架一起升高或者下降。
[0088]隔離板4上安裝有控制裝置用的控制系統。
[0089]腳架底座10的底部設有橡膠材料，頂部中間固定有調節螺母，該調節螺母內螺紋配合有螺桿，螺桿上端與腳架固定座11的底部相對固定，通過旋轉調節螺母，調節螺桿伸出腳架底座10的長度，從而可以調節腳架底座的高度，進而對裝置進行調平。
[0090]保護套2為透明的亞克力板，分為4塊，相互連接，每塊板又安裝在上述的支撐板3上，當支撐板3上下運動時，保護套2跟隨支撐板3—起上下運動，保護套2的最低點比切割模塊9的最低點要低，能起到更好的保護作用，防止切割碎片等飛出傷人。
[0091]如圖3所示，切割模塊9包括旋轉機構，安裝在旋轉機構下的升降機構和安裝在升降機構下的切割機構；
[0092]旋轉機構包括旋轉電機端蓋20，固定安裝在旋轉電機端蓋下面的旋轉電機外殼21和固定安裝在旋轉電機外殼21底部的旋轉電機22，旋轉電機端蓋20與上述的X軸運動模塊上的X軸滑塊連接，當二維運動機構運動時，通過移動滑塊帶動旋轉電機端蓋20運動，SP帶動切割模塊9運動。旋轉機構用于驅動升降機構和切割機構旋轉。
[0093]如圖4所示，所述的升降機構包括與上述旋轉電機22旋轉軸固定安裝的聯軸器23，安裝在聯軸器23下端的升降電機外殼24，固定安裝在升降電機外殼24底部上的升降電機底板26，固定安裝在升降電機底板26上的升降電機25，固定安裝在升降電機25輸出軸上的支撐座27，安裝在支撐座27上的壓力傳感器28，與壓力傳感器28相連的微位移彈簧29，彈簧29的末端固定安裝有上述的切割機構。升降電機25為直線電機，當升降電機25上的輸出軸向下運動時，輸出軸上的支撐座27也向下運動，使得固定在支撐座27上的壓力傳感器28也向下運動，進而使與壓力傳感器28相連的彈簧29壓縮，產生的反作用力推動切割機構向下運動，通過與二維運動機構6和旋轉機構的配合實現對目標結構在深度方向的切割，反之，當升降電機25上的輸出軸向上運動時，帶動輸出軸上的支撐座27向上運動，支撐座27帶動切割機構向上運動。
[0094]支撐座27頂部為桿體，用于與升降電機25的輸出軸軸接，底部為開口向下的筒體，筒體結構開口邊緣向內翻折，形成環形的支撐臺階。支撐座27的筒體結構內壁設有周向限位凹槽。
[0095]切割機構包括外殼30，安裝在外殼30內的切割電機，與切割電機輸出軸相連的傳動機構以及安裝在傳動機構上的刀片31，外殼30外有一個周向限位的凸起塊，與上述支撐座內的周向限位凹槽配合，使得外殼無法轉動，只能上下運動。外殼的上端有一個突出的支撐圓臺，與支撐座27上的支撐臺階卡合，保證支撐桿向上運動時，能帶動外殼一起向上運動，當需要切割目標物體時，切割電機轉動，通過傳動機構帶動刀片旋轉，實現對目標物體的切割。
[0096]如圖5所示，供液機構7包括直線電機32，活塞頭33，供液箱34，安裝在供液箱底部控制液體流出的電磁閥35，安裝在電磁閥末端的管道36，管道36安裝在旋轉機構的旋轉電機外殼21上，沿著旋轉電機外殼21 —直下降到外殼30，管道36的末端以一定的傾斜角度斜對著刀片31的旋轉中心，供液機構7安裝在隔離板4上，當需要擠出液體時，電磁閥35打開，直線電機32推動活塞頭33運動，活塞頭33擠壓供液箱34內的液體通過電磁閥35流向管道36，最后從管道36流出的液體直接流向刀片31旋轉位置的中心。
[0097]如圖1所示，光源8有兩個，都安裝在隔離板4的下面，對稱分布在隔離板4的兩個角落上，以一定的傾斜角度對著支撐板3的中心區域，照亮裝置內的加工區域。
[0098]如圖6所示，為本發明的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置的工作原理如下:升降電機帶動升降電機輸出軸上的支撐座向下運動，導致切割模塊向下運動，如果運動一個距離后，刀片沒有接觸到結構，則此時壓力傳感器上的值保持不變，即彈簧還處于原先設定的壓縮狀態，如果當運動一個距離后，切割機構上的刀片接觸到目標結構，則切割模塊會擠壓彈簧，彈簧的反作用力會擠壓壓力傳感器，此時壓力傳感器上檢測到的壓力值升高，并且會很大，系統判斷為遇到切割目標，需要切割，則開啟切割機構內的電機，帶動刀片旋轉進行切割。二維運動機構按照計算機輸出的軌跡帶動刀片運動，進行同一個高度內的水平面切割，切割開始時，記下當時的壓力反饋值，當在一個高度內的水平面切割完成后，壓力值會下降，以此來判斷完成當前水平面的切割，然后刀片停止運動，升降電機帶動刀片下降一個距離，開始壓力檢測，如果壓力很大，則繼續重復前面的工作，開始加工，當遇到最后一層加工完成后，升降電機帶動刀片繼續下降一個距離，因為此時接觸的是顱骨壁下面與腦組織之間的間隙或者接觸腦組織，但腦組織會回收，而且是軟的，不像顱骨壁是硬的，所以檢測到的壓力值會很小，認為是最小壓力值，則系統自動判斷為該處已切割完成，記下當前的位置和深度，然后二維運動機構帶動刀片沿著軌跡移動一段距離，如果此時檢測到的壓力值很大，則認為此處切割沒有完成，需要切割，二維運動機構則帶動刀片運動，當遇到剛才標記過的位置時，刀片會停止轉動，進行避讓，等過了位置后繼續轉動進行切害J，如果在剛開始運動過程中遇到壓力很小的值，或者在切割過程中，在其他位置遇到最小值，則認為那處也是切割完成的位置，記下新的位置，并且按照前面的方式進行避讓，然后重復前面的工作，直到壓力傳感器檢測到同一個水平面軌跡范圍內設定的點的壓力值都是很小時，認為缺損的切割工作完成，停止加工，升降電機帶動刀片回到初始的位置，然后人為的取出切割完的結構，即完成缺損的制造。在切割機構進行切割的過程中，二維運動機構帶動旋轉的刀片運動進行水平面的切割，刀片的旋轉面與刀片的前進方向相同，如果遇到正方形結構，當切割完一條邊，開始切與它垂直的邊時，旋轉電機會通過帶動安裝在旋轉電機旋轉軸上的升降模塊旋轉，即帶動安裝在升降模塊上的切割機構旋轉，最后實現刀片90度的旋轉，使得刀片的旋轉面與刀片的前進方向再一次相同，開始新的一條邊的切割，通過旋轉電機的實時旋轉，實現正方形結構的切割；如果是圓結構，則旋轉電機會一直連續旋轉，調節刀片的角度，使得在二維運動機構帶動刀片作圓周運動的過程中，刀片的旋轉面與圓總是相切，形成一個圓軌跡，實現圓截面的切割；如果是復雜的曲線截面，則通過控制系統，會自動計算切割該曲線截面時，二維運動機構的運動軌跡和旋轉電機的旋轉角度，使得刀片的旋轉面始終與要切割的曲線相切，即刀片的旋轉面與曲線相切點的法線垂直，以配合刀片的轉動實現對不同形狀的結構的切割。
[0099]實施例1
[0100]如圖7所示，以在兔子顱蓋骨上制造4個形狀為六邊形的缺損結構為例，來說明本發明裝置的適于各種形狀和壁厚缺損制作的制造方法如下:
[0101]—、取一只重量在3?3.6kg之間的兔子，在兔子的耳緣靜脈上注入一定劑量的全麻試劑(戊巴比妥鈉)對兔子進行全身麻醉，然后在兔子顱蓋骨位置進行剃毛處理，把兔子放在手術臺上，對剃完毛后的位置用碘伏進行消毒滅菌處理，然后鋪上洞巾，在暴露的位置注射少量的局麻試劑(利多卡因)，用手術器械切開皮膚，暴露要打孔的顱蓋骨位置；
[0102]二、把提前做過消毒處理的刀片安裝到本發明的裝置上，對刀片附近的切割機構進行碘伏消毒處理，然后把裝置擺放到手術臺上，利用手動控制模式控制二維運動機構運動調節刀片的位置，當刀片位于所打孔位置的正上方時，手動回零，后面的操作都以這個位置為零點，即建立一個相對坐標系，這個位置是相對零點的位置；
[0103]三、通過控制器同時控制4個腳架電機旋轉，自動調節腳架的高度，在刀片距離顱骨外壁的合適距離處停止下降，完成裝置的高度調節;如果發現裝置的水平度有問題，則旋轉4個腳架中I個或幾個腳架底座中的調節螺母，調節螺桿伸出的長度，進而調節腳架底座的高度，從而微調節裝置的水平度，在水平的位置重新擰緊調節螺母；
[0104]四、往供液箱內注入生理鹽水:打開供液箱34頂部的注液口，啟動加入溶液按鈕，裝置會自動關閉電磁閥35，然后控制直線電機32轉動，帶動直線電機32輸出軸上的活塞頭33運動到最大行程處，通過供液箱34頂部的注液口手動注入生理鹽水，加滿后關閉注液口，再關閉加入溶液按鈕即可；
[0105]五、往計算機內部輸入“六邊形”形狀結構的文件，移動六邊形結構的位置，其在軟件中坐標系的位置是相對于步驟二中的設定的相對零點的位置，把六邊形結構放在一個合適的位置，然后目測顱骨外壁結構，選擇一個離刀片垂直距離比較近的位置作為切割開始的起點，計算機自動生成切割時所需要的水平面“六邊形”輪廓，即刀片的移動路徑和旋轉角度等參數；
[0106]六、點擊開始按鈕，裝置開始自動加工:自動打開光源，照亮需要加工的位置;二維運動機構6按照設定的軌跡先運動到切割的起點位置，升降電機25帶動刀片慢慢下移，當檢測到有壓力時，即刀片碰到顱蓋骨后，裝置打開電磁閥35，直線電機32推動活塞頭33擠壓供液箱34內的生理鹽水，使其經電磁閥35沿著管道36流向切割區域，切割機構內的切割電機帶動刀片旋轉，開始第一層的切割，二維運動機構6帶動刀片作六邊形運動，在運動過程中，遇到從一條邊到另一條邊過渡的地方時，旋轉電機22帶動刀片旋轉60度，然后繼續運動，一開始下降距離比較大，下降幾層后，慢慢降低每層的下降高度，每次切割完成后，刀片在升降電機25的帶動下下降一個距離，開始新一輪的切割，如果在切割過程中遇到壁厚不同的顱蓋骨壁時，按照前面說的刀片進行自動的停止轉動和避讓，然后繼續轉動，直到最后檢測到所有壓力值為設定的最低壓力值時，刀片停止下降，上升回到初始位置，直線電機32停止運動，電磁閥35關閉，操作人員用工具取出骨結構；
[0107]七、在計算機內移動六邊形結構的位置，然后按照步驟五重新生成新的加工路徑，重復步驟六開始加工第二個缺損；
[0108]八、重復步驟七，直到4個缺損都制造完成；
[0109]九、等到所有操作都完成后，縫合傷口，用酒精擦洗傷口，把兔子放進籠子，進行飼養。
[0110]實施例2
[0111]以在兔子顱蓋骨上制造3個不同形狀(六邊形，四邊形，三角形)的缺損結構為例，來說明本發明裝置在同一個動物上加工多個不同形狀和不同尺寸缺損結構的制造方法:
[0112]先制造形狀為六邊形的缺損結構，步驟一到步驟六跟實施例1中的步驟相同；
[0113]七、在計算機內重新輸入新的“四邊形”形狀的圖案文件，移動圖案使之與前面制造的缺損結構有一定的距離，然后重復步驟五生成新的加工路徑，重復步驟六開始加工第二個缺損結構，在這個過程中，當加工完一條邊，從一條邊到另一條邊過渡時，旋轉電機22帶動刀片旋轉90度，然后繼續加工，直到缺損加工完成；
[0114]八、在計算機內重新輸入新的“三角形”形狀的圖案文件，移動圖案使之與前面制造的兩個缺損結構都有一定的距離，然后重復步驟五生成新的加工路徑，重復步驟六開始加工第三個缺損結構，在這個過程中，當加工完一條邊，從一條邊到另一條邊過渡時，旋轉電機22帶動刀片旋轉120度，然后繼續加工，直到缺損加工完成；
[0115]九、等到所有操作都完成后，縫合傷口，用酒精擦洗傷口，把兔子放進籠子，進行飼養。
[0116]實施例3
[0117]作為優選，也可以在本發明裝置上加上一個距離檢測裝置，這時，就不需要選擇一個位置作為起始加工位置，以制造實施例1中的結構為例來具體說明該情況下的加工方法:
[0118]除了步驟五，其他步驟都跟實施例1中的步驟相同；
[0119]五、往計算機內部輸入“六邊形”形狀結構的文件，移動六邊形結構到一個合適的位置，計算機自動生成切割時所需要的水平面“六邊形”輪廓，然后二維運動機構帶動刀片先沿著生成的輪廓軌跡運動一遍，距離檢測裝置自動檢測刀片與骨結構之間的距離，然后由計算機反算出骨結構表面的輪廓高度，計算機按照由高到低的加工方法生成加工路徑，加工時，直接先下降到第一層水平切割的高度位置，然后開始水平面的切割，切割完成后再往下降，開始第二層的切割，這個跟實施例1中的步驟六中的一開始下降有點不同，因為已經知道確切的下降高度，后面的下降規律跟實施例1中的相同。距離檢測裝置一般可采用現有的各種距離檢測裝置，比如超聲波測距儀、激光測距儀、紅外測距儀等。
【主權項】
1.一種適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，包括支撐框架，其特征在于，所述支撐框架內安裝有二維運動機構以及設置在二維運動機構上的: 用于缺損切削的切割機構； 用于驅動切割機構升降的升降機構； 用于調整切割機構內刀片切割方向的旋轉機構； 所述二維運動機構用于驅動切割機構在垂直于升降機構升降方向的平面內進行二維方向的調整。2.根據權利要求1所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，還包括: 用于檢測切割機構所受壓力的壓力傳感器； 控制器，用于接收待加工缺損三維模型數據，并將其轉化為二維運動機構的運行軌跡以及刀片切割方向數據，用于控制二維運動機構和旋轉機構的運行； 所述控制器同時用于接收壓力傳感器的壓力信號，同時根據壓力信號對所述切割機構、升降機構進行控制。3.根據權利要求1所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述支撐框架包括: 支撐板，所述二維運動機構安裝在該支撐板上； 與所述支撐板固定、用于罩蓋所述旋轉機構的端蓋； 固定在支撐板底部的腳架。4.根據權利要求3所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述腳架包括: 腳架固定座； 滑動設置在腳架固定座頂部的腳架活動座； 設置在腳架固定座內用于驅動腳架活動座升降運動的腳架電機。5.根據權利要求4所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述腳架電機輸出端設有腳架絲桿； 所述腳架活動座與所述腳架絲桿螺紋配合； 所述腳架活動座與腳架絲桿之間設有升降導向機構。6.根據權利要求1所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，還包括: 用于檢測切割機構的刀片距離待加工表面距離的距離檢測儀，該距離檢測儀檢測得到的距離數據用于控制升降機構運動。7.根據權利要求1或2所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述旋轉機構包括旋轉電機;所述升降機構包括: 通過升降電機外殼與所述旋轉電機輸出軸固定的升降電機； 所述升降電機輸出軸通過一支撐座與所述切割機構安裝固定。8.根據權利要求7所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述切割機構包括: 與所述支撐座固定的切割電機外殼； 設置在切割電機外殼內的切割電機； 受所述切割電機驅動的刀片。9.根據權利要求8所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述支撐座包括: 用于與升降電機輸出軸固定的桿體； 與桿體一體設置，用于與切割電機外殼固定的筒體； 所述筒體開口部位設有內翻的環形的支撐臺階;所述切割電機外殼頂部設有用于卡合在所述支撐臺階上的圓臺； 所述壓力傳感器設置在筒體底部，壓力傳感器與切割電機外殼之間設有彈簧。10.根據權利要求9所述的適于各種形狀和壁厚缺損制作的智能加工裝置，其特征在于，所述支撐座與所述切割電機外殼之間設有防止切割電機外殼相對支撐座轉動的周向定位件。
【文檔編號】A61D1/00GK105963041SQ201610341503
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】傅建中, 邵惠鋒, 趙海明, 賀永, 柯秀榮
【申請人】浙江大學