CN109925020A - 一种脊柱椎板磨削机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例适用于医疗器械技术领域，提供了一种脊柱椎板磨削机器人。该脊柱椎板磨削机器人包括用于实现椎板磨削手术的进给机构和用于对进给机构导向定位的串联机构，串联机构的首端固定，串联机构的末端为自由端，进给机构可转动地安装在串联机构的末端。发明将进给机构安装在串联机构的末端，通过串联机构调整自身末端的位置和角度，从而能够在脊柱手术中，利用串联机构对进给机构进行精准导向定位，再由进给机构实现椎板磨削手术。该脊柱椎板磨削机器人操作简便，为手术操作提供准确导向和进给，不但降低医生的劳动强度，并且手术精度和安全性得到极大保障。

Description

一种脊柱椎板磨削机器人

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种脊柱椎板磨削机器人。

背景技术

现代外科手术的成功与否已不再由医生自身的技术决定，而是以先进的手术器械和智能化设备作为手术成功的保障。相比于医生徒手操作，微创外科手术机器人通过机械的精准定位提高手术的精准性改善过去医生单凭主观判断和手术经验来完成手术操作的状况；另外机器人的高稳定性可以避免因外科医生手臂颤抖引起的误操作，降低手术风险和减少术后并发症的发生率，同时机器人还具有不怕辐射和感染等优点，可替代医生在辐射环境下完成繁重而重复的工作，降低对医生的放射损害，其对于微创外科技术在临床的进一步推广运用具有十分重要的意义和实际应用价值。

目前国内外的骨科手术机器人虽然具有导航指引装置，但其只能完成对手术器械的辅助定位功能，在实际应用中并不能取代医生进行手术操作，虽然能够改善医生的劳动强度，但由于对手术的关键操作仍需要由医生完成，因此手术的准确性依然容易出现偏差，医生的劳动强度比较大。如对于黄韧带骨化症常用的方法为椎板切除术，因骨化的黄韧带与硬脊膜粘连很紧密，甚至骨化可延伸到硬脊膜，稍一不慎即可撕破硬脊膜。在手术过程中，由于目前脊柱手术中，操作椎弓根钉植入手术时，由医生徒手操作，其钻钉道和植钉过程的精度和安全性难以保证。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种脊柱椎板磨削机器人，旨在解决现有脊柱手术中的椎板磨削所存在的劳动强度大以及精度与安全性难以保证的问题。

本发明实施例是这样实现的，提供一种脊柱椎板磨削机器人，其包括用于实现椎板磨削手术的进给机构和用于对所述进给机构导向定位的串联机构，所述串联机构的首端固定，所述串联机构的末端为自由端，所述进给机构可转动地安装在所述串联机构的末端。

进一步地，所述进给机构包括连接座、骨钻、导轨、滑座、丝杆、进给电机、主动轮、从动轮以及红外跟踪靶点；

所述连接座安装在所述串联机构的末端，所述导轨、进给电机以及红外跟踪靶点均固定在所述连接座上，所述骨钻固定安装在所述滑座上，所述滑座可滑动地安装在所述导轨上，所述丝杆与所述滑座螺纹连接，所述丝杆可转动地连接在所述连接座上，并且其通过所述从动轮与所述主动轮传动连接，所述主动轮安装在所述进给电机的输出轴上。

进一步地，所述骨钻通过骨钻夹具可拆卸地安装在所述滑座上。

进一步地，所述滑座上安装有丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述丝杆螺纹连接，所述滑座上安装有轴承，所述丝杆的两端安装在所述轴承上。

进一步地，所述串联机构包括底座、第一关节机构、第二关节机构、第三关节机构、第四关节机构以及第五关节机构；

所述第一关节机构可水平转动地安装在所述底座上，所述第二关节机构可竖直摆动地安装在所述第一关节机构上，所述第三关节机构可竖直摆动地安装在所述第二关节机构上，所述第四关节机构可转动地安装在所述第三关节机构上，所述第五关节机构可竖直摆动地安装在所述第四关节机构上，所述进给机构固定安装在所述第五关节机构上。

进一步地，所述第一关节机构包括第一伺服电机、第一谐波减速器、第一编码器以及第一连杆；所述第一编码器安装在所述第一伺服电机上，所述第一伺服电机的输出端与所述第一谐波减速器传动连接，所述第一谐波减速器与所述第一连杆传动连接，驱动所述第一连杆水平转动。

进一步地，所述第二关节机构包括第二伺服电机、第二谐波减速器、第二编码器以及第二连杆；所述第二伺服电机安装在所述第一连杆上，所述第二编码器安装在所述第二伺服电机上，所述第二伺服电机的输出端与所述第二谐波减速器传动连接，所述第二谐波减速器与所述第二连杆传动连接，驱动所述第二连杆竖直摆动。

进一步地，所述第三关节机构包括第三伺服电机、第三谐波减速器、第三编码器以及第三连杆；所述第三伺服电机安装在所述第二连杆上，所述第三编码器安装在所述第三伺服电机上，所述第三伺服电机的输出端与所述第三谐波减速器传动连接，所述第三谐波减速器与所述第三连杆传动连接，驱动所述第三连杆竖直摆动。

进一步地，所述第四关节机构包括第四伺服电机、第四谐波减速器、第四编码器、第四连杆以及连接盘；所述第四伺服电机安装在所述第三连杆上，所述第四编码器安装在所述第四伺服电机上，所述第四伺服电机的输出端与所述第四谐波减速器传动连接，所述第四谐波减速器与所述连接盘传动连接，所述连接盘与所述第四连杆固定连接，驱动所述第四连杆转动。

进一步地，所述第五关节机构包括第五伺服电机、第五谐波减速器、第五编码器以及第五连杆；所述第五伺服电机安装在所述第四连杆上，所述第五编码器安装在所述第五伺服电机上，所述第五伺服电机的输出端与所述第五谐波减速器传动连接，所述第五谐波减速器与所述第五连杆传动连接，驱动所述第五连杆竖直摆动，所述第五连杆通过力传感器与所述进给机构固定连接。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明将进给机构安装在串联机构的末端，通过串联机构调整自身末端的位置和角度，从而能够在脊柱手术中，利用串联机构对进给机构进行精准导向定位，再由进给机构实现椎板磨削手术。该脊柱椎板磨削机器人操作简便，为手术操作提供准确导向和进给，不但降低医生的劳动强度，并且手术精度和安全性得到极大保障。

附图说明

图1是本发明实施例提供的脊柱椎板磨削机器人立体结构示意图；

图2是图1所示的脊柱椎板磨削机器人主结构示意图；

图3是图2的后视结构示意图；

图4是图1中的进给机构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，是本发明实施例提供的一种脊柱椎板磨削机器人，该脊柱椎板磨削机器人包括用于实现椎板磨削手术的进给机构1和用于对进给机构导向定位的串联机构，串联机构的首端固定，串联机构的末端为自由端，进给机构1可转动地安装在串联机构的末端，由串联机构对其进行导向定位。

请一同参阅图4所示，本实施例中的进给机构1包括连接座11、骨钻12、导轨13、滑座14、丝杆15、进给电机16、主动轮17、从动轮18以及红外跟踪靶点10。连接座11固定安装在串联机构的末端，导轨13、进给电机16以及红外跟踪靶点10均固定在连接座11上，红外跟踪靶点10用于跟踪定位机器人的坐标。骨钻12固定安装在滑座14上，滑座14可滑动地安装在导轨13上，丝杆15与滑座14螺纹连接，丝杆15可转动地连接在连接座11上，并且其通过从动轮18与主动轮17传动连接，主动轮17安装在进给电机16的输出轴上。具体地，骨钻12通过骨钻夹具19可拆卸地安装在滑座14上。滑座14上安装有丝杆螺母140，丝杆螺母140与丝杆15螺纹连接，滑座14上安装有轴承(图中未示出)，丝杆15的两端安装在轴承上。这样，可通过进给电机16驱动主动轮17转动，主动轮17带动从动轮18转动，从动轮18带动丝杆15转动，从而能够通过丝杆传动方式驱动滑座14在导轨13上移动，进而能够带动骨钻12进给，以实现椎板磨削手术操作。在其它实施方式中，上述的进给机构1也可采用同步带与同步带轮之间的带传动或者采用齿轮与齿条之间的齿轮传动等方式来带动骨转12进给。

在本实施例中，串联机构采用具有5个自由度的串联机构，其包括底座2、第一关节机构3、第二关节机构4、第三关节机构5、第四关节机构6以及第五关节机构7。第一关节机构3可水平转动地安装在底座2上，第二关节机构4可竖直摆动地安装在第一关节机构3上，第三关节机构5可竖直摆动地安装在第二关节机构4上，第四关节机构6可转动地安装在第三关节机构5上，第五关节机构7可竖直摆动地安装在第四关节机构6上，进给机构1固定安装在第五关节机构7上。这样，第一关节机构3能带动第二关节机构4、第三关节机构5、第四关节机构6、第五关节机构7以及进给机构1同时在水平面上转动，第四关节机构6能驱动第五关节机构7自转，从而带动进给机构1自转。

上述的第一关节机构3包括第一伺服电机31、第一谐波减速器(图中未示出)、第一编码器(图中未示出)以及第一连杆32。第一编码器安装在第一伺服电机31上，第一伺服电机31的输出端与第一谐波减速器传动连接，第一谐波减速器与第一连杆32传动连接，驱动第一连杆32水平转动。第一伺服电机31输出转速和力矩，通过第一谐波减速器减速后，将力传递给第一连杆32，使第一连杆32绕底座2水平转动，同时通过第一编码器将角位移转换成电信号，实现实时转动角度位置跟踪。

上述的第二关节机构4包括第二伺服电机41、第二谐波减速器(图中未示出)、第二编码器(图中未示出)以及第二连杆42，第二伺服电机41安装在第一连杆32上，第二编码器安装在第二伺服电机41上，第二伺服电机41的输出端与第二谐波减速器传动连接，第二谐波减速器与第二连杆42传动连接，驱动第二连杆42竖直摆动。第二伺服电机41输出转速和力矩，通过第二谐波减速器减速后，将力传递给第二连杆42，使第二连杆42在竖直平面内摆动，同时通过第二编码器将角位移转换成电信号，实现实时摆动位置跟踪。

上述的第三关节机构5包括第三伺服电机51、第三谐波减速器(图中未示出)、第三编码器(图中未示出)以及第三连杆52，第三伺服电机51安装在第二连杆42上，第三编码器安装在第三伺服电机51上，第三伺服电机51的输出端与第三谐波减速器传动连接，第三谐波减速器与第三连杆52传动连接，驱动第三连杆52竖直摆动。第三伺服电机51输出转速和力矩，通过第三谐波减速器减速后，将力传递给第三连杆52，使第三连杆52在竖直平面内摆动，同时通过第三编码器将角位移转换成电信号，实现实时摆动位置跟踪。

上述的第四关节机构6包括第四伺服电机61、第四谐波减速器(图中未示出)、第四编码器(图中未示出)、第四连杆62以及连接盘63；第四伺服电机61安装在第三连杆52上，第四编码器安装在第四伺服电机61上，第四伺服电机61的输出端与第四谐波减速器传动连接，第四谐波减速器与连接盘63传动连接，连接盘63与第四连杆62固定连接，驱动第四连杆62转动。第四伺服电机61输出转速和力矩，通过第四谐波减速器减速后，将力传递给连接盘63，使连接盘63自转，带动第四连杆62自转，同时通过第四编码器将角位移转换成电信号，实现实时转动角度位置跟踪。

上述的第五关节机构7包括第五伺服电机71、第五谐波减速器(图中未示出)、第五编码器(图中未示出)以及第五连杆72；第五伺服电机71安装在第四连杆62上，第五编码器安装在第五伺服电机71上，第五伺服电机的输出端与第五谐波减速器传动连接，第五谐波减速器与第五连杆72传动连接，驱动第五连杆72竖直摆动，第五连杆72通过力传感器8与进给机构1固定连接，力传感器8用于对磨削力实时采集，具体地，通过力传感器8每1ms采集一次力信号，然后进行分析处理，当检测到力的变化幅度不大时，选择继续磨削，当检测到磨削力突然变小时，使骨钻12停止磨削。第五伺服电机71输出转速和力矩，通过第五谐波减速器减速后，将力传递给第五连杆72，使第五连杆72带动进给机构1在竖直平面内摆动，同时通过第五编码器将角位移转换成电信号，实现实时摆动位置跟踪。

在其它实施方式中，上述的串联机构中的自由度的布局和个数可根据实际情况进行设置，在每个关节机构中的连接杆长度根据需求确定，并且每个连接杆可利用电机驱动一些传动组件如齿轮、传动轴、同步带等进行间接驱动，

综上所述，本发明的脊柱椎板磨削机器人在脊柱手术中运用中，利用串联机构对进给机构1进行精准导向定位，再通过进给机构1上的骨钻12进给运动实现椎板磨削手术，其操作简便，为手术操作提供了准确导向和进给，降低了医生的劳动强度，提高了手术精度和安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，包括用于实现椎板磨削手术的进给机构和用于对所述进给机构导向定位的串联机构，所述串联机构的首端固定，所述串联机构的末端为自由端，所述进给机构可转动地安装在所述串联机构的末端。

2.如权利要求1所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述进给机构包括连接座、骨钻、导轨、滑座、丝杆、进给电机、主动轮、从动轮以及红外跟踪靶点；

所述连接座安装在所述串联机构的末端，所述导轨、进给电机以及红外跟踪靶点均固定在所述连接座上，所述骨钻固定安装在所述滑座上，所述滑座可滑动地安装在所述导轨上，所述丝杆与所述滑座螺纹连接，所述丝杆可转动地连接在所述连接座上，并且其通过所述从动轮与所述主动轮传动连接，所述主动轮安装在所述进给电机的输出轴上。

3.如权利要求2所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述骨钻通过骨钻夹具可拆卸地安装在所述滑座上。

4.如权利要求2所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述滑座上安装有丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述丝杆螺纹连接，所述滑座上安装有轴承，所述丝杆的两端安装在所述轴承上。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述串联机构包括底座、第一关节机构、第二关节机构、第三关节机构、第四关节机构以及第五关节机构；

所述第一关节机构可水平转动地安装在所述底座上，所述第二关节机构可竖直摆动地安装在所述第一关节机构上，所述第三关节机构可竖直摆动地安装在所述第二关节机构上，所述第四关节机构可转动地安装在所述第三关节机构上，所述第五关节机构可竖直摆动地安装在所述第四关节机构上，所述进给机构固定安装在所述第五关节机构上。

6.如权利要求5所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述第一关节机构包括第一伺服电机、第一谐波减速器、第一编码器以及第一连杆；所述第一编码器安装在所述第一伺服电机上，所述第一伺服电机的输出端与所述第一谐波减速器传动连接，所述第一谐波减速器与所述第一连杆传动连接，驱动所述第一连杆水平转动。

7.如权利要求6所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述第二关节机构包括第二伺服电机、第二谐波减速器、第二编码器以及第二连杆；所述第二伺服电机安装在所述第一连杆上，所述第二编码器安装在所述第二伺服电机上，所述第二伺服电机的输出端与所述第二谐波减速器传动连接，所述第二谐波减速器与所述第二连杆传动连接，驱动所述第二连杆竖直摆动。

8.如权利要求7所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述第三关节机构包括第三伺服电机、第三谐波减速器、第三编码器以及第三连杆；所述第三伺服电机安装在所述第二连杆上，所述第三编码器安装在所述第三伺服电机上，所述第三伺服电机的输出端与所述第三谐波减速器传动连接，所述第三谐波减速器与所述第三连杆传动连接，驱动所述第三连杆竖直摆动。

9.如权利要求8所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述第四关节机构包括第四伺服电机、第四谐波减速器、第四编码器、第四连杆以及连接盘；所述第四伺服电机安装在所述第三连杆上，所述第四编码器安装在所述第四伺服电机上，所述第四伺服电机的输出端与所述第四谐波减速器传动连接，所述第四谐波减速器与所述连接盘传动连接，所述连接盘与所述第四连杆固定连接，驱动所述第四连杆转动。

10.如权利要求9所述的脊柱椎板磨削机器人，其特征在于，所述第五关节机构包括第五伺服电机、第五谐波减速器、第五编码器以及第五连杆；所述第五伺服电机安装在所述第四连杆上，所述第五编码器安装在所述第五伺服电机上，所述第五伺服电机的输出端与所述第五谐波减速器传动连接，所述第五谐波减速器与所述第五连杆传动连接，驱动所述第五连杆竖直摆动，所述第五连杆通过力传感器与所述进给机构固定连接。