CN113143395A - 一种脊柱椎板磨削微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，属于医疗机器人技术领域，包括底部设置医用万向轮的底座、设置在底座上端的升降柱、设置在升降柱上端的工作平台、固定安装在工作平台上的空间角度调节装置和与空间角度调节装置固定连接的磨削进给装置；空间角度调节装置中的滑座一、二分别通过齿轮、滚轮啮合于圆弧导轨一、二上，且圆弧导轨一、二的合成运动呈球状，磨削进给装置中的传感器通过螺栓与滑台上T形板固定连接，电机安装座通过螺栓与传感器固定连接，骨钻电机通过螺栓与电机安装座呈同心固定连接。本发明适合患者侧卧多角度位姿下进行作业，能够同时实现大范围角度的精准调节与小范围空间局部精细磨削作业。

Description

一种脊柱椎板磨削微创手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，尤其是一种脊柱椎板磨削微创手术机器人。

背景技术

在椎板磨削减压术作业过程中，针对侧卧位患者的位姿情况，首先需要完成术中导管空间角度方位的建立，这也是手术后续工作（即磨削、清除髓核碎片等）开展的唯一通道，然后将医学骨磨削钻（以下统称为“骨钻”）调整至导管相同的空间角度方位，完成对椎板骨的磨削操作。由于椎板骨内壁周围布满脊髓、神经等，若对椎板骨磨削量少则医生无法顺利开展手术的下一步操作；若磨削过量则可能会触及并损害椎板骨内壁周围的等部位，较轻情况造成麻木，严重情况造成患者全身瘫痪，而唯有将椎板骨进行磨削的成功建立后，医生才可进行下一步的手术操作。

故在上述过程中，目前的椎板磨削手术过程全程由医生人为徒手操作，其在操作磨削过程中的精度与安全性难以保证，一旦出现医生超时长操作的疲劳、抖动、情绪等情况，后果将不堪设想。并在此过程中医生人为徒手操作存在着耗时长、效率低下、术中信息不准确等缺点。

申请号为201721785531.1的实用新型专利公开了一种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，该机器人能够为手术操作提供准确导向和进给，但其驱动方式较为复杂。申请号为201721421736.1的实用新型专利公开了一种脊柱微创手术机器人，包括手术床、直线导轨、圆弧支撑基座、圆弧导轨、转动机构、六自由度并联机构和进针机构，该机器人具有手术创伤小、术中出血量少、术后恢复更快等优势，但其是针对俯卧位而设计的，且工作流程较为繁琐。申请号为202020498083.2的实用新型专利公开了一种脊柱微创手术机器人辅助定位设备，包括导航示踪器、多边形框支架、万向节、三杆连接件，该设备可降低脊柱手术的训练成本、缩短医生的训练周期，提高脊柱等骨科手术的精确性，但其仅能提供定位功能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，该机器人可同时实现大范围角度空间精准定位与小范围空间局部精细磨削作业，满足在侧卧位患者位姿下的椎板磨削手术要求，并将机器人的高精准性、稳定性和医生超时长操作时的缺陷形成互补，有效地解决耗时长、术中信息不准确等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，包括底部设置医用万向轮的底座、设置在底座上端的升降柱、设置在升降柱上端的工作平台、固定安装在工作平台上的空间角度调节装置和与空间角度调节装置固定连接的磨削进给装置；

所述空间角度调节装置包括固定安装于工作平台下表面的限位块一和圆弧导轨一、通过滚轮一和齿轮一与圆弧导轨一进行啮合连接的滑座一、通过螺纹与齿轮一连接的减速器三、通过螺纹与减速器三连接的电机三、安装在滑座一背部的手柄、安装在滑座一上表面的竖直安装板、安装在竖直安装板的背部的肋板、安装在竖直安装板正表面上的圆弧导轨二、安装在竖直安装板正表面底部的限位块二和限位块三、通过滚轮二、齿轮二与圆弧导轨二进行啮合连接的滑座二、通过螺纹与齿轮二连接的减速器一、通过螺纹与减速器一连接的电机一；

所述磨削进给装置包括通过螺栓连接至滑座二上表面的滑台、通过螺纹与滑台固定连接的减速器二、通过螺栓与减速器二固定连接的电机二、通过螺栓连接至滑台上表面的传感器安装T形板、通过螺栓与传感器安装T形板固定连接的传感器、通过螺栓连接至传感器的上表面的电机安装座、通过螺栓与电机安装座的前端孔形成同心固定连接的骨钻电机、通过螺纹与骨钻电机固定连接的钻夹头、通过螺纹与钻夹头固定连接的钻头。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述底座下表面四角处各设置1个固定连接医用万向轮的螺纹孔；所述底座上表面设置固定连接升降柱的通孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述圆弧导轨一、圆弧导轨二均为集内齿与V型槽于一体的圆弧导轨。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述滑座一的上、下表面均设置通孔，以便滚轮一、齿轮一、减速器三和竖直安装板与之连接；所述滑座一的背部设置固定连接手柄的通孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述滑座二的上、下表面均设置连接滚轮二、齿轮二和减速器二的通孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电机安装座的前端设置按圆周均布的两排若干个固定连接骨钻电机的螺纹孔；所述电机安装座的两侧圆周上设置安装控制电路的两侧方形通孔。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明通过设置医用万向轮、升降柱、空间角度调节装置和磨削进给装置等相互配合，可同时实现大范围角度空间精准定位与小范围空间局部精细磨削作业，满足在侧卧位患者位姿下的椎板磨削手术要求，并将机器人的高精准性、稳定性和医生超时长操作时的缺陷形成互补，有效地解决耗时长、术中信息不准确等问题。

2、本发明结构简单、制造工艺性好，适合患者侧卧多角度位姿下进行作业，能够实现大范围角度的精准调节，还实现小范围空间局部精细磨削作业。

3、本发明使用性能强，能够适应多个脊柱手术中均需进行椎板磨削的操作，适应性能均能够达到很好的效果，可在多个脊柱手术中投入使用，适用范围广泛。

附图说明

图1是本发明的轴测图；

图2是本发明的细节轴测图一；

图3是本发明的细节轴侧图二；

图4是本发明的工作台左侧视图；

图5是本发明的工作状态示意图。

其中，1、医用万向轮，2、底座，3、升降柱，4、限位块一，5、圆弧导轨一，6、工作平台，7、滑座一，8、限位块二，9、电机一，10、电机二，11、减速器二，12、减速器一，13、滑座二，14、圆弧导轨二，15、竖直安装板，16、滚轮二，17、传感器安装T形板，18、传感器，19、滑台，20、电机安装座，21、钻头，22、钻夹头，23、骨钻电机，24、电机三，25、减速器三，26、手柄，27、齿轮二，28、肋板，29、限位块三，30、人体骨架，31、手术床。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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专利的限制。

如图1-5所示，一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，包括底部设置医用万向轮1的底座2、设置在底座2上表面的升降柱3、设置在升降柱3上端的空间角度调节装置和磨削进给装置；具体的：

医用万向轮1通过螺纹连接至底盘2下表面，升降柱3通过螺栓连接固定在底座2上表面，工作平台6通过螺栓连接固定在升降柱3上表面；

所述空间角度调节装置包括工作平台6、限位块一4、电机三24、减速器三25、圆弧导轨一5、滑座一7、手柄26、竖直安装板15、肋板28、电机一9、减速器一12、圆弧导轨二14、滑座二13、滚轮二16、齿轮二27、限位块二8、限位块三29、滚轮一和齿轮一；限位块一4与圆弧导轨一5均通过螺栓固定于工作平台6的下表面，滚轮一和齿轮一通过螺栓连接固定至滑座一7上，滑座一7通过滚轮一、齿轮一与圆弧导轨一5进行啮合形成连接，减速器三25通过螺纹与齿轮一连接，电机三24通过螺纹与减速器三25连接；如图3、5所示，减速器三25和电机三24依次设置在滑座一7的底端，手柄26通过铆接至滑座一7背部；竖直安装板15通过螺栓连接至滑座一7的上表面，肋板28通过螺栓连接至竖直安装板15的背部，圆弧导轨二14、限位块二8与限位块三29均通过螺栓连接至竖直安装板15的正表面，滚轮二16和齿轮二27通过螺栓连接固定至滑座二13上，滑座二13通过滚轮二16、齿轮二27与圆弧导轨二14进行啮合形成连接，减速器一12通过螺纹与齿轮二27连接，电机一9通过螺纹与减速器一12连接。圆弧导轨一5、圆弧导轨二14的合成运动呈球状。限位块二8和限位块三29分别设置在圆弧导轨二14的两侧。

所述滚轮一和所述滚轮二16结构相同，所述齿轮一和齿轮二27结构相同。滚轮一和齿轮一图中未示出，滚轮二16和齿轮二27通过螺栓连接固定至滑座二13上。

所述磨削进给装置包括电机二10、减速器二11、滑台19、传感器安装T形板17、传感器18、电机安装座20、钻头21、钻夹头22、骨钻电机23，滑台19通过螺栓连接至滑座二13的上表面，减速器二11通过螺纹与滑台19连接，电机二10通过螺栓与减速器二11连接，传感器安装T形板17通过螺栓连接至滑台19的上表面，传感器18通过螺栓与传感器安装T形板17固定连接，电机安装座20通过螺栓连接至传感器18的上表面，骨钻电机23通过螺栓与电机安装座20的前端孔形成同心固定连接，钻夹头22通过螺纹与骨钻电机23固定连接，钻头21通过螺纹与钻夹头22固定连接。

所述底座2可通过钣金冲压或焊接制成，其中底座下表面四角处各钻有螺纹孔，以便医用万向轮1与之固定连接，医用万向轮1设置为4个，安装在底座2底部的四角处；且底座2上表面钻有通孔，以便升降柱3与之固定连接。

所述圆弧导轨一5、所述圆弧导轨二14均为集内齿与V型槽于一体的圆弧导轨，以便滚轮一与齿轮一与之相互啮合连接。

所述滑座一7可通过钣金冲压或焊接制成，其中滑座一7的上、下表面均钻有通孔，以便滚轮一、齿轮一、减速器三25和竖直安装板15与之连接，且滑座一7的背部钻有通孔，以便手柄26与之连接。

所述滑座二13通过钣金或冲压方式完成，其中滑座二13的上、下表面均钻有通孔，以便滚轮二16、齿轮二27和减速器一12与之连接。

所述电机安装座20可通过钣金冲压或焊接制成，其前端钻有按圆周均布的两排多个螺纹孔，以便于骨钻电机23与之同心固定连接；且电机安装座20的圆周上开有两侧方形通孔，以便后续控制电路的安装。

使用方法：

患者以侧卧体位在手术床上，此处仅用人体骨架30代替患者人体予以示意。如图5所示，人体骨架30呈侧卧体位在手术床31上，本发明放置在手术床31的旁边，本发明在使用时，当该机器人未工作时，升降柱3、滑座一7、滑座二13与滑台19均为初始状态（原点状态），此时该机器人占用空间面积最小；当该机器人在工作时，首先完成的是空间角度定位调节，此时升降柱3用于调整整体机器人工作空间的高度调节，随后滑座一7通过电机三24的带动下进行水平角度调整，滑座二13通过电机一12的带动下进行竖直角度调节，即滑座一7与滑座二13的合成角度调节将钻头21位姿调整至工作时的位姿，然后滑台19通过电机二10将钻头21原点移动至初始磨削点，至此即机器人的磨削准备阶段工作完毕；在钻头21原点的位姿确定下，骨钻电机23带动钻头21开始回转，滑台19通过电机二10的带动下实现钻头21的移动磨削动作，并在此磨削的过程中，传感器18进行磨削力（矩）的采集，进一步地了解磨削进给状态，将磨削状态数据传递至控制元件并分析，以实现危险区域预警及停止工作，如此完成脊柱椎板磨削作业。本发明适合多种脊柱手术。

综上所述，本发明通过设置医用万向轮、升降柱、空间角度调节装置和磨削进给装置等相互配合，可同时实现大范围角度空间精准定位与小范围空间局部精细磨削作业，满足在侧卧位患者位姿下的椎板磨削手术要求，并将机器人的高精准性、稳定性和医生超时长操作时的缺陷形成互补，有效地解决耗时长、术中信息不准确等问题。

Claims (6)

1.一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，其特征在于：包括底部设置医用万向轮（1）的底座（2）、设置在底座（2）上端的升降柱（3）、设置在升降柱（3）上端的工作平台（6）、固定安装在工作平台（6）上的空间角度调节装置和与空间角度调节装置固定连接的磨削进给装置；

所述空间角度调节装置包括固定安装于工作平台（6）下表面的限位块一（4）和圆弧导轨一（5）、通过滚轮一和齿轮一与圆弧导轨一（5）进行啮合连接的滑座一（7）、通过螺纹与齿轮一连接的减速器三（25）、通过螺纹与减速器三（25）连接的电机三（24）、安装在滑座一（7）背部的手柄（26）、安装在滑座一（7）上表面的竖直安装板（15）、安装在竖直安装板（15）的背部的肋板（28）、安装在竖直安装板（15）正表面上的圆弧导轨二（14）、安装在竖直安装板（15）正表面底部的限位块二（8）和限位块三（29）、通过滚轮二（16）、齿轮二（27）与圆弧导轨二（14）进行啮合连接的滑座二（13）、通过螺纹与齿轮二（27）连接的减速器一（12）、通过螺纹与减速器一（12）连接的电机一（9）；

所述磨削进给装置包括通过螺栓连接至滑座二（13）上表面的滑台（19）、通过螺纹与滑台（19）固定连接的减速器二（11）、通过螺栓与减速器二（11）固定连接的电机二（10）、通过螺栓连接至滑台（19）上表面的传感器安装T形板（17）、通过螺栓与传感器安装T形板（17）固定连接的传感器（18）、通过螺栓连接至传感器（18）的上表面的电机安装座（20）、通过螺栓与电机安装座（20）的前端孔形成同心固定连接的骨钻电机（23）、通过螺纹与骨钻电机（23）固定连接的钻夹头（22）、通过螺纹与钻夹头（22）固定连接的钻头（21）。

2.根据权利要求1所述的一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，其特征在于：所述底座（2）下表面四角处各设置1个固定连接医用万向轮（1）的螺纹孔；所述底座（2）上表面设置固定连接升降柱（3）的通孔。

3.根据权利要求1所述的一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，其特征在于：所述圆弧导轨一（5）、圆弧导轨二（14）均为集内齿与V型槽于一体的圆弧导轨。

4.根据权利要求1所述的一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，其特征在于：，所述滑座一（7）的上、下表面均设置通孔，以便滚轮一、齿轮一、减速器三（25）和竖直安装板（15）与之连接；所述滑座一（7）的背部设置固定连接手柄（26）的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，其特征在于：所述滑座二（13）的上、下表面均设置连接滚轮二（16）、齿轮二（27）和减速器二（11）的通孔。

6.根据权利要求1所述的一种脊柱椎板磨削微创手术机器人，其特征在于：所述电机安装座（20）的前端设置按圆周均布的两排若干个固定连接骨钻电机（23）的螺纹孔；所述电机安装座（20）的两侧圆周上设置安装控制电路的方形通孔。

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