CN112022243A - 一种腰椎间盘切除手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种腰椎间盘切除手术机器人，包括外壳、U形支架、牵引单元、抓取单元及内窥镜组件，U形支架有三个，规则布置在外壳内部。三个U形支架分别为第一、第二、第三U形支架，各U形支架均配置一个直线驱动装置。牵引单元、抓取单元及内窥镜组件，均设置在外壳的前侧外部。第一U形支架上设有第一旋转机构，牵引单元通过第一推杆与第一旋转机构相连。第二U形支架上设有第二旋转机构，抓取单元通过第二推杆与第二旋转机构相连。内窥镜组件通过第三推杆与第三U形支架固定相连，第三U形支架驱动内窥镜组件沿第三推杆的轴线运动。本发明为柔软灵活的器械，能够进行受控且精确的手术，并且成本更低，降低病人的痛苦，缩短康复周期。

Description

一种腰椎间盘切除手术机器人

技术领域

本发明涉及微创手术器械技术领域，具体涉及一种腰椎间盘切除手术机器人。

背景技术

腰椎间盘突出症一直以来是临床上的常见病症，它是由于纤维环破裂后髓核突出压迫神经根造成的以腰腿痛为主要表现的疾病，也是引起下腰痛和坐骨神经痛的主要原因。且腰椎间盘突出症的患病率较高，对于多数轻症患者通过非手术的方式就可以起到很满意的疗效，但对于重症病例，如果不采取手术可能会导致他们行走困难，甚至截瘫，因此重症患者大多选择通过外科手术的方式来减少疼痛。

目前，腰椎间盘切除手术在临床上，主要分为传统人工开放式手术和机器人微创手术两大类。传统人工开放式手术是指在背部后方开一条3～5cm的皮肤切口，然后深入切开背部肌肉后显露椎板，再用专门器械在椎板上咬开一个小口，牵开神经，然后切除突出的腰椎间盘，缝合组织，最终完成手术。整个过程需要全身麻醉或半身麻醉，但这开放式手术康复周期较长，且具有难以避免的缺陷：出血较多，对脊柱的稳定性影响较大，患者可下地的时间较长，并发症的概率也较大等。

微创手术机器人的研究是当下的一个趋势，而腰椎间盘突出切除微创手术机器人又是属于发展相对较慢的领域。因此，现有技术亟待进一步提高，从机器人灵巧性等方面入手，设计一种辅助微创机器人。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种腰椎间盘切除手术机器人，解决开放式手术康复周期较长，出血较多，对脊柱的稳定性影响较大，患者可下地的时间较长，并发症的概率大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种腰椎间盘切除手术机器人，包括外壳、U形支架、牵引单元、抓取单元及内窥镜组件，U形支架有三个，规则布置在外壳的内部。

三个U形支架分别为第一U形支架、第二U形支架和第三U形支架，各U形支架均通过一个直线驱动装置与外壳相连。

牵引单元、抓取单元及内窥镜组件，均设置在外壳的前侧外部。

第一U形支架上设有第一旋转机构，牵引单元通过其后侧的第一推杆与第一旋转机构相连，第一旋转机构驱动牵引单元绕第一推杆的轴线转动。

第二U形支架上设有第二旋转机构，抓取单元通过其后侧的第二推杆与第二旋转机构相连，第二旋转机构驱动抓取单元绕第二推杆的轴线转动。

内窥镜组件通过其后侧的第三推杆与第三U形支架固定相连，第三U形支架驱动内窥镜组件沿第三推杆的轴线运动。

进一步地，所述外壳包括外壳主体、前端盖和后端盖，外壳主体为两端敞口的等截面圆筒结构，前、后端盖分别位于外壳主体的前后两端，且与外壳主体可拆卸固定相连。

进一步地，直线驱动装置包括导杆、丝杠和平移电机，导杆有两个且相对平行布置，其前后两端分别与外壳固定相连，导杆均穿过对应的U形支架与其滑动配合。

丝杠与导杆相对平行布置，丝杠的前端与外壳转动配合，后端与平移电机的输出端固定相连，丝杠穿过对应的U形支架并驱动其沿导杆滑动。

所述外壳的后端外部设置有电机支架，各平移电机均安装在电机支架上。

进一步地，所述外壳的前侧设有导向套筒，导向套筒与外壳主体相对同轴布置，其后端与前端盖固定相连。

第一推杆、第二推杆、第三推杆均位于导向套筒内，且与导向套筒沿其轴向滑动配合，各推杆的前端均伸至导向套筒的外部。

各推杆的外部均设有一个导向套，导向套固定安装在前端盖的后侧。

进一步地，第一旋转机构包括第一旋转架和第一旋转电机，第一旋转架位于第一U形支架内侧，第一旋转电机设在第一U形支架后侧，其输出端通过第一旋转架与第一推杆的后端固定相连。

第二旋转机构包括第二旋转架和第二旋转电机，第二旋转架位于第二U形支架内侧，第二旋转电机设在第二U形支架后侧，其输出端通过第二旋转架与第二推杆的后端固定相连。

进一步地，所述牵引单元包括牵引基体、牵引头和第一牵引驱动组件，牵引头是由位于前侧的圆锥体和位于后侧的圆柱体连接构成的一体结构。

牵引头的前端为球面外形，牵引头的后端通过第一弹性连接体与牵引基体的前端相连，所述牵引基体的后端与第一推杆的前端固定相连。

所述第一牵引驱动组件设置在第一旋转架上，第一牵引驱动组件与牵引头的两侧对称相连，可驱动牵引头相对于牵引基体横向摆动。

进一步地，第一牵引驱动组件包括第一牵伸电机、第一钢丝线，第一牵伸电机有两个且并列安装在第一旋转架上，各第一牵伸电机的输出端均配置有第一绕线轮。

每个第一绕线轮上均配置有一条第一钢丝线，第一钢丝线一端固定并绕于对应的第一绕线轮上，另一端穿过第一推杆及牵引基体与牵引头的对应侧相连。

进一步地，所述抓取单元包括固定夹爪、活动夹爪、抓取基体和第二牵引驱动组件，抓取基体的后端与第二推杆的前端固定相连，其前端通过第二弹性连接体与固定夹爪的后端相连。

所述活动夹爪位于固定夹爪的一侧，其后端通过第三弹性连接体与固定夹爪的中部相连，自然状态下，活动夹爪与固定夹爪之间呈V形的张开状。

所述第二牵引驱动组件设置在第二旋转架上，第二牵引驱动组件与固定夹爪的两侧对称相连，同时，还与活动夹爪相连。

进一步地，第二牵引驱动组件包括第二牵伸电机、第二钢丝线，第二牵伸电机有两个且并列安装在第一旋转架上，各第二牵伸电机的输出端均配置有第二绕线轮。

每个第二绕线轮上均配置有一条第二钢丝线，第二钢丝线一端固定并绕于对应的第二绕线轮上，另一端穿过第二推杆及抓取基体与固定夹爪的对应侧相连。

第二牵引驱动组件还包括抓取电机和第三钢丝线，抓取电机位于第二牵伸电机的一侧且与其并列布置，其输出端均配置有第三绕线轮。

第三绕线轮上配置有一条第三钢丝线，第三钢丝线的一端固定并绕于第三绕线轮上，另一端依次穿过第二推杆、抓取基体、固定夹爪与活动夹爪相连。

进一步地，内窥镜组件包括内窥镜基体和内窥镜镜头，所述内窥镜镜头固定安装在内窥镜基体的前端，内窥镜基体的后端与第三推杆的前端固定相连。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明用于腰椎间盘突出切除的微创手术，以微创的形式对腰椎间盘的突出髓核进行摘除，缩短病人的康复周期。腰椎间盘切除微创机器人为柔软灵活的器械，能够进行受控且精确的手术，并且成本更低，降低病人的痛苦。

附图说明

图1是本发明一种腰椎间盘切除手术机器人的结构示意图。

图2是本发明一种腰椎间盘切除手术机器人去除外壳后的结构示意图。

图3是图2中某一部分的结构示意图，示出的是牵引单元、第一U形支架及相关部分。

图4是图2中另一部分的结构示意图，示出的是抓取单元、第二U形支架及相关部分。

图5是图2中再一部分的结构示意图，示出的是内窥镜组件、第三U形支架及相关部分。

图6是本发明的牵引单元的结构示意图。

图7是图6中示出的牵引单元的剖视图。

图8是本发明的抓取单元的结构示意图。

图9是图8中示出的抓取单元的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

结合图1至图9，一种腰椎间盘切除手术机器人，包括外壳1、U形支架、牵引单元5、抓取单元6及内窥镜组件7，所述外壳1包括外壳主体11、前端盖12和后端盖13，外壳主体11为两端敞口的等截面圆筒结构，前端盖12和后端盖13分别位于外壳主体11的前后两端，且与外壳主体11可拆卸固定相连。所述外壳1的前侧设有导向套筒2，导向套筒2与外壳主体11相对同轴布置，其后端与前端盖12固定相连，所述导向套筒2的内部具有相对平行布置的三个装配孔，装配孔为直圆孔，其轴线均与导向套筒2的轴线重合。

U形支架有三个，规则布置在外壳1的内部。三个U形支架分别为第一U形支架31、第二U形支架32和第三U形支架33，各U形支架均通过一个直线驱动装置与外壳1相连。所述一种腰椎间盘切除手术机器人，还包括电源及控制系统，所述电源为机器人的各用电部件供电，控制系统采用现有技术，控制各电机转动方向、转速，以及各电机输出轴的转动角度，实现对牵引单元5、抓取单元6及内窥镜组件7运动的精确控制。

直线驱动装置包括导杆41、丝杠42和平移电机43，导杆41有两个,且相对平行布置，其前后两端分别与外壳1固定相连，导杆41均穿过对应的U形支架与其滑动配合。丝杠42与导杆41相对平行布置，丝杠42的前端与外壳1转动配合，后端通过联轴器44与平移电机43的输出端固定相连，平移电机43驱动丝杠42绕其轴线转动。每个丝杠42上均配置有一个丝母，各丝母分别固定安装在对应的U形支架内部，丝杠42穿过对应的U形支架，丝杠42转动时可驱动对应的U形支架沿导杆41滑动。所述外壳1的后端外部设置有电机支架14，各平移电机43均安装在电机支架14上，各平移电机43驱动对应的丝杠42转动，实现各U形支架的位置调节。

牵引单元5、抓取单元6及内窥镜组件7，均设置在外壳1的前侧外部。第一U形支架31上设有第一旋转机构，牵引单元5通过其后侧的第一推杆51与第一旋转机构相连，第一旋转机构驱动牵引单元5绕第一推杆51的轴线转动。第二U形支架32上设有第二旋转机构，抓取单元6通过其后侧的第二推杆61与第二旋转机构相连，第二旋转机构驱动抓取单元6绕第二推杆61的轴线转动。内窥镜组件7通过其后侧的第三推杆71与第三U形支架33固定相连，第三U形支架33驱动内窥镜组件7沿第三推杆71的轴线运动。第一推杆51、第二推杆61和第三推杆71分别位于导向套筒2的三个装配孔内部，U形支架32可驱动与其相连的推杆分别相对于导向套筒2轴向运动，导向套筒2对各推杆起到约束和导向的作用。

第一推杆51、第二推杆61、第三推杆71均位于导向套筒2内，且与导向套筒2沿其轴向滑动配合，各推杆的前端均伸至导向套筒2的外部。各推杆的外部均设有一个导向套，导向套固定安装在前端盖12的后侧。

第一旋转机构包括第一旋转架91和第一旋转电机92，第一旋转架91位于第一U形支架31内侧，第一旋转电机92固定安装在第一U形支架31后侧，其输出端通过第一旋转架91与第一推杆51的后端固定相连。第二旋转机构包括第二旋转架93和第二旋转电机94，第二旋转架93位于第二U形支架32内侧，第二旋转电机94固定安装在第二U形支架32后侧，其输出端通过第二旋转架93与第二推杆61的后端固定相连。

所述牵引单元5包括牵引基体52、牵引头53和第一牵引驱动组件，牵引头53是由位于前侧的圆锥体和位于后侧的圆柱体连接构成的一体结构。牵引头53的圆锥体前端为球面外形，牵引头53的后端通过第一弹性连接体54与牵引基体52的前端相连，所述牵引基体52的后端与第一推杆51的前端固定相连。所述第一牵引驱动组件设置在第一旋转架91上，第一牵引驱动组件与牵引头53的两侧对称相连，可驱动牵引头53相对于牵引基体52横向摆动。

第一牵引驱动组件包括第一牵伸电机55、第一钢丝线56，第一牵伸电机55有两个且并列安装在第一旋转架91上，各第一牵伸电机55的输出端均配置有第一绕线轮57，第一牵伸电机55驱动第一绕线轮57转动。每个第一绕线轮57上均配置有一条第一钢丝线56，第一钢丝线56一端固定并绕于对应的第一绕线轮57上，另一端穿过第一推杆51及牵引基体52与牵引头53的对应侧相连。

使用状态下，各第一牵伸电机55驱动对应的第一绕线轮57转动，第一绕线轮57通过第一钢丝线56驱动牵引头53相对于牵引基体52向两侧摆动，牵引头53的摆动幅度由第一钢丝线56控制，另外，牵引头53摆动的方向是由第一旋转电机92驱动第一推杆51转动实现的，牵引头53沿第一推杆51运动是由平移电机43驱动第一U形支架31沿对应的导杆41运动实现的。

所述抓取单元6包括固定夹爪62、活动夹爪63、抓取基体64和第二牵引驱动组件，抓取基体64的后端与第二推杆61的前端固定相连，其前端通过第二弹性连接体65与固定夹爪62的后端相连。所述活动夹爪63位于固定夹爪62的一侧，其后端通过第三弹性连接体66与固定夹爪62的中部相连，自然状态下，活动夹爪63与固定夹爪62之间呈V形的张开状。所述第二牵引驱动组件设置在第二旋转架93上，第二牵引驱动组件与固定夹爪62的两侧对称相连，同时，还与活动夹爪63相连。

第二牵引驱动组件包括第二牵伸电机81、第二钢丝线82，第二牵伸电机81有两个且并列安装在第一旋转架91上，各第二牵伸电机81的输出端均配置有第二绕线轮83。每个第二绕线轮83上均配置有一条第二钢丝线82，第二钢丝线82一端固定并绕于对应的第二绕线轮83上，另一端穿过第二推杆61及抓取基体64与固定夹爪62的对应侧相连。

第二牵引驱动组件还包括抓取电机84和第三钢丝线85，抓取电机84位于第二牵伸电机81的一侧且与其并列布置，其输出端均配置有第三绕线轮86。第三绕线轮86上配置有一条第三钢丝线85，第三钢丝线85的一端固定并绕于第三绕线轮86上，另一端依次穿过第二推杆61、抓取基体64、固定夹爪62与活动夹爪63相连，第三绕线轮86通过第三钢丝线85牵引活动夹爪63相对于固定夹爪62运动，实现对髓核夹取，所述活动夹爪63复位是由第三弹性连接体66的弹性变形实现的。

使用状态下，各第二牵伸电机81驱动对应的第二绕线轮83转动，第二绕线轮83通过第二钢丝线82驱动固定夹爪62和活动夹爪63相对于抓取基体64向两侧摆动，固定夹爪62和活动夹爪63的摆动幅度由第二钢丝线82控制，另外，固定夹爪62和活动夹爪63摆动的方向是由第二旋转电机94驱动第二推杆61转动实现的，固定夹爪62和活动夹爪63沿第二推杆61运动是由平移电机43驱动第二U形支架32沿对应的导杆41运动实现的。

抓取电机84驱动第三绕线轮86转动，第三绕线轮86通过第三钢丝线85牵引活动夹爪63相对于固定夹爪62运动，实现对髓核夹取。

内窥镜组件7包括内窥镜基体73和内窥镜镜头72，所述内窥镜镜头72固定安装在内窥镜基体73的前端，内窥镜基体73的后端与第三推杆71的前端固定相连。内窥镜镜头72沿第三推杆71的轴向运动，是通过平移电机43驱动第三U形支架33沿对应的导杆41运动实现的，第三U形支架33通过第三推杆71驱动内窥镜基体73和内窥镜镜头72运动，实现观察位置的调节，内窥镜镜头72采集图像和视频信息。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种腰椎间盘切除手术机器人，包括外壳、U形支架、牵引单元、抓取单元及内窥镜组件，其特征在于，U形支架有三个，规则布置在外壳的内部；

三个U形支架分别为第一U形支架、第二U形支架和第三U形支架，各U形支架均通过一个直线驱动装置与外壳相连；

牵引单元、抓取单元及内窥镜组件，均设置在外壳的前侧外部；

第一U形支架上设有第一旋转机构，牵引单元通过其后侧的第一推杆与第一旋转机构相连，第一旋转机构驱动牵引单元绕第一推杆的轴线转动；

第二U形支架上设有第二旋转机构，抓取单元通过其后侧的第二推杆与第二旋转机构相连，第二旋转机构驱动抓取单元绕第二推杆的轴线转动；

内窥镜组件通过其后侧的第三推杆与第三U形支架固定相连，第三U形支架驱动内窥镜组件沿第三推杆的轴线运动。

2.根据权利要求1所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，所述外壳包括外壳主体、前端盖和后端盖，外壳主体为两端敞口的等截面圆筒结构，前、后端盖分别位于外壳主体的前后两端，且与外壳主体可拆卸固定相连。

3.根据权利要求1所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，直线驱动装置包括导杆、丝杠和平移电机，导杆有两个且相对平行布置，其前后两端分别与外壳固定相连，导杆均穿过对应的U形支架与其滑动配合；

丝杠与导杆相对平行布置，丝杠的前端与外壳转动配合，后端与平移电机的输出端固定相连，丝杠穿过对应的U形支架并驱动其沿导杆滑动；

所述外壳的后端外部设置有电机支架，各平移电机均安装在电机支架上。

4.根据权利要求2所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，所述外壳的前侧设有导向套筒，导向套筒与外壳主体相对同轴布置，其后端与前端盖固定相连；

第一推杆、第二推杆、第三推杆均位于导向套筒内，且与导向套筒沿其轴向滑动配合，各推杆的前端均伸至导向套筒的外部；

各推杆的外部均设有一个导向套，导向套固定安装在前端盖的后侧。

5.根据权利要求1所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，第一旋转机构包括第一旋转架和第一旋转电机，第一旋转架位于第一U形支架内侧，第一旋转电机设在第一U形支架后侧，其输出端通过第一旋转架与第一推杆的后端固定相连；

第二旋转机构包括第二旋转架和第二旋转电机，第二旋转架位于第二U形支架内侧，第二旋转电机设在第二U形支架后侧，其输出端通过第二旋转架与第二推杆的后端固定相连。

6.根据权利要求5所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，所述牵引单元包括牵引基体、牵引头和第一牵引驱动组件，牵引头是由位于前侧的圆锥体和位于后侧的圆柱体连接构成的一体结构；

牵引头的前端为球面外形，牵引头的后端通过第一弹性连接体与牵引基体的前端相连，所述牵引基体的后端与第一推杆的前端固定相连；

所述第一牵引驱动组件设置在第一旋转架上，第一牵引驱动组件与牵引头的两侧对称相连，可驱动牵引头相对于牵引基体横向摆动。

7.根据权利要求6所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，第一牵引驱动组件包括第一牵伸电机、第一钢丝线，第一牵伸电机有两个且并列安装在第一旋转架上，各第一牵伸电机的输出端均配置有第一绕线轮；

每个第一绕线轮上均配置有一条第一钢丝线，第一钢丝线一端固定并绕于对应的第一绕线轮上，另一端穿过第一推杆及牵引基体与牵引头的对应侧相连。

8.根据权利要求5所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，所述抓取单元包括固定夹爪、活动夹爪、抓取基体和第二牵引驱动组件，抓取基体的后端与第二推杆的前端固定相连，其前端通过第二弹性连接体与固定夹爪的后端相连；

所述活动夹爪位于固定夹爪的一侧，其后端通过第三弹性连接体与固定夹爪的中部相连，自然状态下，活动夹爪与固定夹爪之间呈V形的张开状；

所述第二牵引驱动组件设置在第二旋转架上，第二牵引驱动组件与固定夹爪的两侧对称相连，同时，还与活动夹爪相连。

9.根据权利要求8所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，第二牵引驱动组件包括第二牵伸电机、第二钢丝线，第二牵伸电机有两个且并列安装在第一旋转架上，各第二牵伸电机的输出端均配置有第二绕线轮；

每个第二绕线轮上均配置有一条第二钢丝线，第二钢丝线一端固定并绕于对应的第二绕线轮上，另一端穿过第二推杆及抓取基体与固定夹爪的对应侧相连；

第二牵引驱动组件还包括抓取电机和第三钢丝线，抓取电机位于第二牵伸电机的一侧且与其并列布置，其输出端均配置有第三绕线轮；

第三绕线轮上配置有一条第三钢丝线，第三钢丝线的一端固定并绕于第三绕线轮上，另一端依次穿过第二推杆、抓取基体、固定夹爪与活动夹爪相连。

10.根据权利要求1所述一种腰椎间盘切除手术机器人，其特征在于，内窥镜组件包括内窥镜基体和内窥镜镜头，所述内窥镜镜头固定安装在内窥镜基体的前端，内窥镜基体的后端与第三推杆的前端固定相连。

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