CN115869038A - 一种椎板磨削手术装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种椎板磨削手术装置，椎板磨削手术机器人安装于机械臂末端，椎板磨削手术机器人的高速磨钻安装于快换机构上，快换机构安装在被动减振机构的直线导轨上，被动减振机构与第一六维力传感器连接，第一六维力传感器固定在末端主连接件上；末端主连接件的中间安装有第二六维力传感器；拖动操作把手固定安装在第二六维力传感器的上表面。本发明提出的适用于手术机器人的椎板磨削手术装置，解决椎板减压手术机器人在手术过程中的高频小信号问题。

Description

一种椎板磨削手术装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种椎板磨削手术装置。

背景技术

随着我国人口老龄化问题的进一步加深，中老年人的骨科手术量也逐年增长。腰椎管狭窄症是骨科手术中的常见疾病，最常用的治疗方法是椎板减压手术即椎板切除手术。传统椎板减压手术是一种开放式手术，需要医生长时间手持器械对脊柱进行磨削，医生容易疲劳且手部颤抖，此外手术区域视野易受遮挡使医生难以操作，更重要的是在手术过程中容易受到外界干扰进而造成手术失败。

机器人技术凭借其精准性和稳定性，在医疗领域的贡献越来越大。手术机器人具有高精度、高可靠性及高稳定性等特点，可在术前规划后辅助医生完成精细的手术操作，提高手术效率并减少手术并发症。椎板磨削手术机器人通常包括机械臂本体及高速磨钻，其工作原理是通过机械臂本体控制末端的高速磨钻对椎板进行磨削。通过手术机器人实施椎板磨削手术的关键问题之一是控制高速磨钻与脊椎的接触力保持在有效范围内。目前常用的接触力控制方法是先通过六维力传感器采集接触力信号，随后将采集到接触力信号用于高速磨钻的反馈控制。然而，由于呼吸运动与组织附加位移，存在着高频小信号，而这些高频小信号会影响力传感器的采集精度，加剧高速磨钻的磨损，也直接影响接触力的稳定控制，从而导致骨组织热损伤或者神经损伤，造成严重后果。

哈尔滨工业大学孙宇等人提出一种套筒式的高速磨钻弹性夹具(孙宇.机器人辅助脊柱椎板减压手术的图像导航与状态感知研究[D].哈尔滨工业大学,2019.)，其中连接环用于与机械臂末端相连，连接螺栓用于连接外套筒与连接环，限位螺栓与外套筒共同限制内套筒的运动范围。内圈的弹簧作用是为了采集接触力信号时的缓冲效果，进而保证系统响应速度，同时消除微小振动。该技术存在以下的缺点：

1.整体结构过大，安装困难。

2.弹簧与外套筒无固定连接且两者有一定的间隙，当吸气时(脊柱上升)弹簧先上移且上端与外套筒接触后才会被压缩，这导致这种结构有可能无法采集有效的力信号(较大幅度的力信号)，此外由于这种间隙也会产生一定的噪声。

3.弹簧与内套筒无固定连接，当呼气时(脊柱下降)内套筒由于重力快速下降，会撞击固定夹从而产生较大撞击声。

4.内套筒与外套筒滑动摩擦，会增加力信号的幅度，影响控制精度。

5.内外套筒的内壁为安装面，其比较难加工，整体的公差降低，而从结构上直接降低了控制精度。

天津大学左思洋等人提出一种具有手动快换机构的手术机器人末端夹具(左思洋,王震,王树新.具有手动快换机构的手术机器人末端器[P].天津市：CN111839734B,2022-06-03)。该夹具的快速更换原理是通过旋转快换按钮，滑动销会沿器械轴套的“S”型槽上升或下降，夹持外管也会跟随上升或下降，由于加持外观的下端是锥形孔，因此当加持外管上升时会夹紧手术器械，下降时会松开，因此通过旋转快换按钮便可实现跨换。该技术存在以下的缺点：

1.需要较大的夹紧力，因此需要较大的旋转力才能保证手术器械不会松动，浙江导致手术时需要耗费医务人员很大的体力。

2.夹持外管是通过锥型内孔来夹紧器械的，而这种锥形内孔的加工难度很大，加工精度较低。

3.加持外管只能夹持同一外径的手术器械，无法兼容其他的手术器械，因此当有其他不同外径的手术器械时，就无法实现快换功能，只能更换全部末端。

4.无法保证是否安装到位，也无法保证器械手术器械的中心点与之前的一致。

发明内容

本发明提供一种椎板磨削手术装置，主要是为了解决椎板减压手术机器人在手术过程中的高频小幅度接触力以及在手术过程中的快速更换器械，以达到下述的目的：

1.整体结构合适，能够快速拆卸与安装；

2.保证有效范围内的力信号能够采集到，而高频小信号能够被消除。

3.高速磨钻在呼吸时能够跟随脊柱的运动，同时在运动过程不会产生撞击声。

4.高速磨钻在运动时，摩擦力小且可测。

5.手术器械可快速更换，且更换结束后可通过按钮锁紧器进行锁紧，并确认安装是否到位。

本发明的具体技术方案为：

一种椎板磨削手术装置，包括机械臂，椎板磨削手术机器人，椎板磨削手术机器人安装于机械臂末端。

所述的椎板磨削手术机器人包括高速磨钻、快换机构，高速磨钻安装于快换机构上，并通过工具固定块进行固定；

快换机构安装在被动减振机构的直线导轨上，实现高速磨钻的快换及减振；

被动减振机构与第一六维力传感器连接，第一六维力传感器用于监测磨削过程的力信号保证手术的安全性；

第一六维力传感器固定在末端主连接件上；

末端主连接件的中间有一个内螺纹孔内，传感器固定座垂直安装在内螺纹孔内；第二六维力传感器固定在传感器固定座上；拖动操作把手固定安装在第二六维力传感器的上表面，第二六维力传感器用于识别医生的操作意图，提供更安全的人机交互操作。

所述的快换机构包括快换安装块、快换基座和按钮锁紧器；

高速磨钻安装于快换机构的快换安装块上；快换机构通过快换基座安装在被动减振机构的直线导轨上；

快换安装块底部有四个凸起块，对应的快换基座上有四个凹槽，凹槽底部是镂空的，作为快换安装快的旋转空间；四个凸起块与四个凹槽，形成旋转卡槽结构；并通过按钮锁紧器将快换安装块与快换基座锁紧定位。

所述的被动减振机构包括减振基座、直线导轨、两个压缩弹簧、两个导向轴；减振基座上有四个第二凸台，用于固定导向轴；压缩弹簧的套在导向轴上，同时快换基座上通过第一凸台与导向轴连接。

本发明提出的适用于手术机器人的椎板磨削手术装置，解决椎板减压手术机器人在手术过程中的高频小信号问题，具有以下技术效果：

1.椎板磨削手术装置可实现书中快速更换高速磨钻(1)，且无需任何工具，如扳手螺丝刀等；

2.可更换不同刚度的压缩，保证有效力信号能够采集到，高频小信号能够被消除；

3.高速磨钻在呼吸时能够跟随脊柱的运动，同时在上下运动过程不会产生撞击声。

4.直线导轨的摩擦系数为0.04，高速磨钻在运动时，摩擦力小且可测；

5.椎板磨削手术装置有两个六维力传感器，可实现手术机器人自主操作的同时，医生可通过拖动操作把手引导手术机器人的操作，实现更加安全的人机交互操作；

5.除了压缩弹簧、直线导轨、六维力传感器为标准件为，其他零件结构均为外表面加工，整体公差可保证在0.1mm。

附图说明

图1为本申请的实施例中手术机器人的结构示意图；

图2为本申请的实施例中椎板磨削手术机器人的结构示意图；

图3为本申请的实施例中椎板磨削手术机器人的爆炸图；

图4为本申请的实施例中快换机构的结构示意图；

图5为本申请的实施例中被动减振机构的结构示意图；

1、高速磨钻；2、快换机构；201、快换基座；2011、第一凸台；2012、凹槽；202、快换安装块；2021、凸起块；3、被动减振机构；301、减振基座；3011、第二凸台；4、第一六维力传感器；5、末端主连接件；6、传感器固定座；7、第二六维力传感器；8、拖动操作把手；9、工具固定块；11、直线导轨；12、压缩弹簧；13、导向轴；14、第一链接螺钉；15、第二链接螺钉；16、第三链接螺钉；1000、椎板磨削手术机器人；2000、机械臂。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1和图2所示，一种椎板磨削手术装置，包括机械臂2000，椎板磨削手术机器人1000。

如图3所示，椎板磨削手术机器人1000的爆炸图，高速磨钻1安装于快换安装块202上，并通过工具固定块9进行固定。快换安装块202是快换机构2的一部分，快换机构2又通过快换基座201通过第三链接螺钉16安装在被动减振机构3的直线导轨11上，实现高速磨钻1的快换及减振。被动减振机构3与第一六维力传感器4连接，第一六维力传感器4是监测磨削过程的力信号保证手术的安全性。第一六维力传感器4固定在末端主连接件5上。末端主连接件5的中间有一个内螺纹孔内，传感器固定座6垂直安装在内螺纹孔内。第二六维力传感器7固定在传感器固定座6上，拖动操作把手8固定安装在第二六维力传感器7的上表面，第二六维力传感器7是用于识别医生的操作意图，提供更安全的人机交互操作。

如图4所示，椎板磨削手术机器人1000的快换机构2。快换机构2包含一个快换安装块202、快换基座201和按钮锁紧器。快换安装块202底部有四个凸起块2021，对应的快换基座201上有四个凹槽2012，凹槽2012底部是镂空的，该空间是快换安装快的旋转空间。本发明的快换过程为：在术前先将需要使用的高速磨钻1安装在快换安装块202上，四个凸起块2021对准快换基座201的四个凹槽2012，随后将快换安装块202推到底部，当无法再推动时，再将快换安装块202顺时针旋转，直到无法旋转，此时快换安装块202与快换基座201完全配合，快换安装块202在轴向与径向都已完全约束。为了保证快换安装块202在手术过程中可能发生的旋转，需要将按钮锁紧器从快换安装块202沿轴线插入到快换基座201底部，最后按下按钮，按钮锁紧器的两个滚珠会凸出并将快换安装块202与快换基座201锁紧并实现定位。同时，拆卸过程与安装过程相反，需要先按下按钮锁紧器，并将按钮锁紧器拔出，再逆时针旋转快换安装块202，直到凸起块2021与凹槽2012重合，再将快换安装块202撤走。

如图5所示，椎板磨削手术机器人1000的被动减振机构3。被动减振机构3包含一个减振基座301，一个直线导轨11，两个压缩弹簧12，两个导向轴13。减振基座301上有四个第二凸台3011，用于固定导向轴13，导向轴13两端分别通过第一链接螺钉14、第二链接螺钉15安装在第二凸台3011上。压缩弹簧12的套在导向轴13上，同时快换基座201上通过第一凸台2011与导向轴13连接。本发明的消除高频小幅度力信号原理为：当高速磨钻1与骨组织接触并产生接触力时，快换基座201能够在导向轴13上运动，同时由于导向轴13上的压缩弹簧12，接触力能够通过压缩弹簧12的位移消除，此时所有的力信号都将消除。为了保留有效的力信号并消除高频小赋值力信号，需要调整快换安装块202的抖动范围，因此通过改变压缩弹簧12的刚度，可实现抖动范围进行约束，从而实现对高频小幅度的力信号进行消除。

椎板磨削手术机器人1000安装于机械臂2000末端。椎椎板磨削手术机器人1000工作时，机械臂2000将椎板磨削手术机器人1000移动到相应位置，使高速磨钻1的头部与骨组织接触，并对骨组织进行磨削。进行磨削时，高速磨钻1头部与骨组织接触并产生力信号，随即被第一六维力传感器4捕获。Z轴方向产生的高频小信号可通过两个压缩弹簧的位移被动消除。可选的，在磨削时，可更换不同刚度压缩弹簧以抵消不同幅度的力信号，通过更换不同刚度的压缩可使该手术装置适用于不同骨组织。高速磨钻1与快换安装块202为可拆卸连接，以便于更换不同的工具，适应于不同的手术。直线导轨11的摩擦系数为0.04，摩擦力可计算。

高速磨钻1是骨磨削工具，也可替换成超声骨刀、麻花钻等。直线导轨11也可替换成滚珠丝杆等直线运动机构。可选的，在工具固定块9和快换安装块202中间可增加弹性垫圈，以消除XY方向的高频小幅度振动。

本发明具有以下效果：

1.椎板磨削手术机器人(1000)通过螺钉连接能够快速拆卸与安装；

2.手术器械夹持部分可纯手动完成快换，无需任何工具，完成更换可通过按钮锁紧器提示是否安装到位。

2.压缩弹簧可根据需要更换不同刚度、不同尺寸的，通过更换压缩弹簧可实现调节高频小幅度力信号的幅值，保证有效力信号能够采集到，高频小幅度力信号能够被消除。

3.高速磨钻在呼吸时能够跟随脊柱的运动，同时在上下运动过程不会产生撞击声。

4.摩擦力小且可测。

5.通过压缩弹簧可消除Z轴方向的高频小幅度力信号。

Claims (3)

1.一种椎板磨削手术装置，其特征在于，包括机械臂(2000)，椎板磨削手术机器人(1000)；椎板磨削手术机器人(1000)安装于机械臂(2000)末端

所述的椎板磨削手术机器人(1000)包括高速磨钻(1)、快换机构(2)，高速磨钻(1)安装于快换机构(2)上，并通过工具固定块(9)进行固定；

快换机构(2)安装在被动减振机构(3)的直线导轨(11)上，实现高速磨钻(1)的快换及减振；

被动减振机构(3)与第一六维力传感器(4)连接，第一六维力传感器(4)用于监测磨削过程的力信号保证手术的安全性；

第一六维力传感器(4)固定在末端主连接件(5)上；

末端主连接件(5)的中间有一个内螺纹孔内，传感器固定座(6)垂直安装在内螺纹孔内；第二六维力传感器(7)固定在传感器固定座(6)上；拖动操作把手(8)固定安装在第二六维力传感器(7)的上表面，第二六维力传感器(7)用于识别医生的操作意图，提供更安全的人机交互操作。

2.根据权利要求1所述的一种椎板磨削手术装置，其特征在于，所述的快换机构(2)包括快换安装块(202)、快换基座(201)和按钮锁紧器；

高速磨钻(1)安装于快换机构(2)的快换安装块(202)上；快换机构(2)通过快换基座(201)安装在被动减振机构(3)的直线导轨(11)上；

快换安装块(202)底部有四个凸起块(2021)，对应的快换基座(201)上有四个凹槽(2012)，凹槽(2012)底部是镂空的，作为快换安装快的旋转空间；四个凸起块(2021)与四个凹槽(2012)，形成旋转卡槽结构；并通过按钮锁紧器将快换安装块(202)与快换基座(201)锁紧定位。

3.根据权利要求1所述的一种椎板磨削手术装置，其特征在于，所述的被动减振机构(3)包括减振基座(301)、直线导轨(11)、两个压缩弹簧(12)、两个导向轴(13)；减振基座(301)上有四个第二凸台(3011)，用于固定导向轴(13)；压缩弹簧(12)的套在导向轴(13)上，同时快换基座(201)上通过第一凸台(2011)与导向轴(13)连接；直线导轨上(11)安装在减振基座(301)的凹槽中。

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