CN113876435B

CN113876435B - 一种骨科手术用可调节定点指向作业机构

Info

Publication number: CN113876435B
Application number: CN202110680921.7A
Authority: CN
Inventors: 吕飞舟; 邵明昊; 唐文彬; 宓海; 钱进; 姜建元
Original assignee: Shanghai Jirui Medical Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Jirui Medical Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2041-06-18
Also published as: CN113876435A

Abstract

本发明公开了一种骨科手术用可调节定点指向作业机构，所述作业机构包括：并联机构，包括基座和与所述基座活动相连的调节单元，所述基座具有第一曲面，所述调节单元包括活动铰接的若干臂，所述若干臂具有第二曲面，所述第一曲面和所述第二曲面的球心相同；驱动单元，所述驱动单元驱动所述调节单元围绕所述球心转动。本作业机构在调节过程中只是调节了作业工具的指向，并且作业工具的指向始终指向作业点，操作简单，在并联机构的作用下，长臂之间的铰链能快速准确地转到相应的作业方位。

Description

一种骨科手术用可调节定点指向作业机构

技术领域

本发明涉及一种手术机器人的末端执行机构，特别是一种骨科手术用可调节定点指向作业机构。

背景技术

随着骨科诊疗技术的发展，骨科手术越来越多，骨科机器人也得到极大的发展。在骨科手术中置钉和截骨等手术操作也越来越多。现有的骨科机器人主要作用是协助医生引导作业，但是由于骨骼的形状和结构位置的不同，置钉和截骨操作的角度是多方位的，通常是通过调节机械臂的位姿来实现引导的姿态和角度。机械臂姿态的变化导致机械臂需要重新定位配准，操作控制都比较麻烦。

现代医学手术中越来越普遍应用到手术机器人，但在手术过程中，首先需要进行定位，不同性质的手术定位的方式也不一样，比如达芬奇手术机器人主要是做腹腔微创手术，因此达芬奇手术机器人定位点在腹腔微创创口处。

骨科手术机器人通常包括机器人本体和固定在机器人本体上的机械臂、智能骨钻、定位模块和各种控制模块，其中智能骨钻包括手术电钻、套接在手术电钻的电钻头的引导机构、推进机构、双目视觉识别系统、固定在手术电钻上的压力传感器和骨钻控制器等等相当复杂的组成。

但，由于骨科手术主要是涉及骨头的置钉或者截骨。骨科有很多部位骨折(如股骨髁部骨折、胫骨平台骨折、髋臼骨折、肩胛骨骨折、距骨骨折、股骨颈骨折)在手术打钉治疗时，由于周围有很多重要的血管神经或者是关节面不能损坏，需要准确置钉，且不能反复打钉。目前骨科手术用的瞄准器如膝关节前、后交叉韧带瞄准器，踝关节瞄准器，髋臼骨折瞄准器，髓内钉瞄准器等都是单平面的瞄准固定，参照定位点和瞄准点在同一平面，瞄准侧套筒一般都可伸缩，而用于定位一侧的部件的长度往往固定不可变；在髋臼骨折、胫骨平台骨折、距骨骨折、Hoffa骨折等手术治疗时仍没有理想的、灵活方便的三维瞄准器；部分骨盆骨折手术瞄准器理论上虽可以达到三维瞄准，但设计比较繁琐，参照点在骨折复位过程中容易变化，瞄准器环节过多容易产生系统误差。

另外一个骨科临床手术是截骨，截骨术一般是从病变关节处截断骨头，人为的造成骨折，然后再进行固定，使骨头愈合。截骨术的目的是改变关节负重面，使重量从病变的区域转移到健康的软骨区域。患者截骨后可将截骨面紧密对齐，用石膏或外固定架进行固定。

可见，截骨术主要是通过将病变关节处截断，人为造成骨折，然后再进行固定，使骨头愈合，从而使重量从病变区转移到健康区，对病变关节起到治疗的作用。

由此可见，无论是置钉还是截骨，两种手术的直接作业点都在骨头上，这个点基本上不会变，因此，首要的特别要求是：作业方向会有变化，比如置钉方向需要根据骨头内部结构进行调整，选择合理的置钉方向，同样截骨也是一样，骨头表面形状比较复杂，截骨过程中也需要调整作业头的方向，如果都通过调节机械臂，过程比较繁琐，需要重新配准机械臂，影响作业的速度和精度。

发明内容

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。

针对上述问题，本发明提出骨科手术用可调节定点指向作业机构，在机械臂定位后标靶始终指向目标点，通过调整该作业机构实现作业导引围绕着目标点旋转到合适位置方向实现作业引导。

本发明公开了一种骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，所述作业机构包括：

并联机构，包括基座和与所述基座活动相连的调节单元，所述基座具有第一曲面，所述调节单元包括活动铰接的若干臂，所述若干臂具有第二曲面，所述第一曲面和所述第二曲面的球心相同；

驱动单元，所述驱动单元驱动所述调节单元围绕所述球心转动。

比较好的是，本发明进一步公开了一种骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，

所述调节单元的若干臂至少包括对称相连的两组臂，所述任一组臂包括一对活动铰接的主、从动臂，所述两组臂中的所述从动臂相连构成一铰接点，所述铰接点包括插设部，所述插设部用于插入手术工具；

其中，所述主动臂和所述从动臂具有所述第二曲面。

驱动单元，设置在所述基座上，通过驱动所述调节单元的所述主动臂转动，带动所述从动臂相连的所述铰接点绕所述球心转动。

所述驱动单元包括驱动电机对，分别设置在所述基座的所述第一曲面的第一面的对称两侧位置，所述调节单元的所述主动臂设置在所述第一曲面的第二面；

其中，所述驱动电机分别驱动所述主动臂进行转动。

所述作业机构进一步包括：

末端执行器安装轴，与所述基座的第一面相连；

标靶，固定连接在所述末端执行器安装轴上，用以配合激光定位系统行定位。

所述主动臂为长臂，所述从动臂为短臂。

所述手术工具包括置钉器和磨钻。

采用上述结构的作业机构，在调节过程中只是调节了作业工具的指向，并且作业工具的指向始终指向作业点，操作简单，在并联机构的作用下，长臂之间的铰链能快速准确地转到相应的作业方位。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本发明一较佳实施例的组成结构示意图；

图2(1)和图2(2)分别展示图1实施例的工作示意图；

图3本发明应用在置钉手术的结构示意图；

图4示意了本发明应用在磨钻手术上的结构示意图。

附图标记

1――曲面长臂对

10――插设部

11――长臂第一端

2――曲面短臂对

21――短臂第一端

22――短臂第二端

3――驱动电机对

4――曲面基座

41――第一面

42――第二面

5――末端执行器安装轴

6――标靶

300――置钉器

400――磨钻

800――手术工具

900――标靶下方的箭头指向

901――作业中心点

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

请参见图1所示本发明的骨科手术用可调节定点指向作业机构。

该机构的主体是一并联机构，该并联机构由曲面长臂对1、曲面短臂对2和基座4组成的球面五杆机构。

其中，基座4具有第一曲面，与长臂对2的第二曲面、短臂对1的第三曲面具有相同的球心，即该并联机构的各部分曲面的中心对应同一球心，该球心构成本机构的作业中心点901。

在图1所示的五杆机构实施例中，具体是：基座4呈对称曲面形状，包括第一面41和第二面42，调节单元中的曲面短臂对2中任一短臂第一端21对称且活动连接于第二面42，曲面短臂对2中任一短臂第二端22连接长臂对1中任一长臂第一端11，长臂对1的长臂第二端两两铰接，构成本作业机构的铰接点，该铰接点包括插设部10，根据具体手术需要，将对应的手术工具800插入该插设部10。

除了上述并联机构外，本作业机构还包括驱动电机对3，分别对称固定在基座4的第一面41的两端，该驱动电机对3中任一个可以驱动其对应第二面42的短臂对2中任一个绕其第一端21转动，从而通过长臂对1带动铰接点处的插设部10转动到合适位置。

上述结构中，短臂对2就构成调节单元在转动过程中的主动臂，长臂对1为从动臂。

本作业机构的基座4的第一面41还连接末端执行器安装轴5，标靶6固定于该安装轴5上，该标靶6用以配合激光定位系统进行定位使用。

下面结合图2所示，提供实施例1和实施例2，详细说明本发明的结构及具体使用。

实施例1

置钉操作引导。

置钉操作作为骨科手术中的重要部分。首先，医生规划骨科手术作业点和作业方向，然后，操作本发明的作业机构，将本机构的作业中心点与规划的手术作业点重合，利用激光定位系统由标靶6实现定位，对应为图2(1)所示的标靶6下方的箭头指向示意900，置钉手术作业中心点901就在该方向上。

接下来，控制本作业机构的驱动电机对3分别旋转两个短臂对2同时转过一定的角度，从而调整了两个长臂对1相连铰链点的位置，对应也在调整插设部10内置钉器300的角度位置，由于铰链点的中心轴线始终指向本机构作业中心点901，如图2(2)所示，此时，置钉器300按照规划的作业方向指向作业点进行置钉操作。

图3给出了该手术下的具体结构示意图。

实施例2

截骨操作定位。

起始的步骤类似于前述实施例1中的情况。即首先，根据医生规划的骨科手术作业点和作业方向，将本机构的中心点与医生规划的手术作业点重合，利用激光定位系统根据标靶6进行定位，同样，对应为图2(1)所示的标靶6下方的箭头指向示意900，截骨手术作业中心点901就在该方向上。

然后，控制两个驱动电机对3分别旋转两个短臂对2各转过一定的角度，从而调整了两个长臂对1相连铰链点的位置，对应也在调整插设部10内磨钻400的角度位置，由于铰链点的中心轴线始终指向本机构的中心点901，进而指向作业点，如图2(2)所示，实现磨钻400按照规划的作业方向指向作业点进行截骨操作。

图4给出了该手术的具体结构示意图。

通过本发明的本发明的骨科手术用可调节定点指向作业机构，在机械臂定位后标靶始终指向目标点，通过调整该作业机构实现作业导引围绕着目标点旋转到合适位置方向实现作业引导。

该作业机构相对传统的复杂机械臂，操作简单，并且大大提高作业的速度和精度，同时有利于医生和患者。

本发明的骨科手术用可调节定点指向作业机构采用了独特的设计，其球心和手术作业点始终重合，因此，在调节过程中只是调节了作业工具的指向，并且作业工具的指向始终指向作业点。操作也非常简单，只需计算前后两个位置之间短臂的角度差，电机驱动短臂转过相应的角度，在并联机构的作用下，长臂之间的铰链快速准确地转到相应的作业方位。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，所述作业机构包括：

并联机构，包括基座和与所述基座活动相连的调节单元，所述基座具有第一曲面，所述调节单元包括活动且两两铰接的若干臂，所述若干臂具有第二曲面，所述第一曲面和所述第二曲面的球心相同；

驱动单元，所述驱动单元驱动所述调节单元围绕所述球心转动；

其中，所述调节单元的若干臂至少包括对称相连的两组臂，任一组臂包括一对活动铰接的主动臂、从动臂，所述两组臂中的所述从动臂相连构成一铰接点，所述铰接点包括插设部，所述插设部用于插入手术工具；

其中，所述主动臂和所述从动臂具有所述第二曲面；

其中，所述作业机构进一步包括：

末端执行器安装轴，与所述基座的第一面相连；

2.根据权利要求1所述的骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，

其中，所述驱动电机分别驱动所述主动臂进行转动。

4.根据权利要求1所述的骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，

所述主动臂为长臂，所述从动臂为短臂。

5.根据权利要求4所述的骨科手术用可调节定点指向作业机构，其特征在于，

所述手术工具包括置钉器和磨钻。