CN116725681A - 末端执行器及手术系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种末端执行器，包括主体和示踪器；主体具有第一接口、第二接口和动力机构，第一接口用于连接机器人臂，第二接口用于连接锯片，动力机构设置于主体内部，动力机构用于向第二接口提供动力；示踪器设置于主体，用于指示锯片的方位；其中，第二接口被配置为其与锯片之间具有第一连接关系和第二连接关系，在第一连接关系下锯片与主体之间具有第一相对方位关系，第二连接关系下锯片与主体之间具有第二相对方位关系。通过这样的设置，锯片与第二接口分别具有第一连接关系和第二连接关节时，锯片相对于主体的两种方位关系使得末端执行器可以适应不同的手术入路及手术类型。

Description

末端执行器及手术系统

技术领域

本公开涉及医疗器械领域，具体涉及末端执行器及手术系统。

背景技术

先天发育引起的膝关节畸形或膝骨关节炎引起的膝关节病变、畸形，都会严重影响患者下肢的正常站立、行走功能。当前，全膝关节置换手术是治疗上述病症的较为成熟的治疗方法。全膝关节置换手术(Total Knee Arthroplasty，简称TKA)可以直接去除病变的膝关节并更换人工关节以达到彻底治疗病变的目的。TKA需要先对股骨远端和胫骨近端进行整形，整形后安装假体。整形后的骨骼形状与假体适配。高效的整形方式为摆锯截骨。术中患者仰卧，膝关节弯曲，切开软组织使关节骨骼显露，锯片可以从膝关节上方(人体前方)以不同的角度切入骨骼。

然而，关节假体的寿命有限，假体寿命到期后，需要进行人工关节假体翻修手术。人工关节假体翻修手术是非常有挑战的手术，手术过程中可能遇到很多难题，如膝关节局部软组织瘢痕松解困难、关节暴露困难，需要医生有很好的技术储备和翻修手术设备才能获得较满意的手术效果。

另外，随着临床膝关节研究的不断深入、人们保膝意识的不断加强，通过胫骨高位截骨术(High Tibial Osteotomy，简称HTO)、股骨远端截骨术(Distal Femur Osteotomy，简称DFO)或腓骨近端截骨术(Proximal Fibular Osteotomy简称PFO)矫正下肢力线的术式逐渐得到临床工作者的推崇。以膝内翻HTO为例说明手术原理。HTO手术需要从膝关节内侧方向将胫骨近端进行切割形成切口，切口以扩张器扩开一定角度，外加以坚强的内固定,使得双腿变直，力线穿过膝关节外侧间室，减缓膝关节内侧磨损。DFO与HTO手术方式大致相同，同样是从侧方对股骨远端产生一切口来调整下肢力线。上述两种手术能够对下肢力线进行有效矫正，众多的临床实践和研究试验证实了胫骨高位截骨术、股骨远端截骨术治疗膝骨关节炎的有效性和可靠性。而腓骨近端截骨术是指通过截断腓骨近端部分骨质以改善内侧间室压力，从而延缓膝骨关节炎发展的手术方法。该手术基于“膝关节不均匀沉降理论”，使膝关节内侧的压力转移一部分至外侧，以减轻膝关节内侧关节面的过度负荷。并且，上述三种手术方式已经在膝骨关节炎并畸形的临床治疗中得到越来越多的应用。关节的磨损是不可避免的，也许最终患者仍需要进行TKA手术，但HTO、DFO和PFO能使患者避免过早进行TKA手术，可减小患者在生命期内需进行人工关节假体翻修的可能性。

随着计算机辅助手术(Computer-Assisted Surgery，CAS)技术的发展，越来越多的原本需要依靠人工的手术正逐步向半自动化的计算机辅助手术方向靠拢，使得医生能够较为轻松且精准地实施外科手术。现在的思路是利用计算机生成的图形图像进行手术方案规划，通过配准技术将术中患者组织与载有手术方案的图形图像进行对准，术中使用导航系统追踪手术工具与患者组织的相对位置并以图像显示在显示器中，使用机器人辅助手术工具精准定位至规划的位置。如骨科手术中使用CT/MRI/DSA/PET/CTA/MRA等图像数据进行患者骨组织的三维重建，医生可以在三维模型上规划手术方案，确定要截骨的平面的方位信息。配准后，术中医生可以通过对计算机上图像的观察来了解手术的进程并指导手术，机器人可以替代医生把持和定位手术工具。甚至可以由计算机进行手术规划，在经过医生的确认后全自动或半自动地完成手术。这种半自动化的手术方式能够很大程度上避免对医生丰富经验的依赖，且手术方法的学习曲线短，手术精度高，真正为患者和医生带来了便利。

但目前临床中对于膝关节的治疗，计算机辅助手术技术主要应用于TKA，并没有能够进行HTO、DFO或PFO的系统进行膝关节治疗。，专门为TKA设计的手术机器人，会基于TKA的需求和术中限制进行配置。如，TKA手术中膝关节的暴露区域开口朝向仰卧位人体的上方，摆锯需从膝关节上方进入人体；TKA过程中需6次不同角度的截骨操作，因此应保证机器人有足够的灵活性以便在6次截骨过程中调整(摆锯执行器的)锯片相对于关节的位置。需要说明的是，机器人不仅需要将锯片与目标截骨面对准，还需保证摆锯执行器可在用户推动下沿该平面移动。这就需要刚性连接锯片的机器人末节臂具有这种灵活性。为了达到这种效果，机器人的其他臂和关节应有足够的灵活性，以避免任意一节臂到达极限位置。而机器人相对于手术床的位置则是保证上述效果的重要因素。然而，术中不仅要考虑手术机器人的位置，首要考虑的是医生的操作便利性，手术机器人不能过分挤占医生的操作空间。另外，摆锯执行器需要连接机器人、锯片、示踪器及操作把手，术中要保证执行器的灵活性、医生握持把手的舒适性、锯片进入骨骼方向的合理性及示踪器不被遮挡。而HTO、DFO或PFO的需求及术中限制于TKA的并不相同，如HTO截骨时骨骼上的开口方向位于膝关节内侧或外侧，执行器相应地需在膝关节侧面，这就造成机器人更难以到达该位置，且示踪器更容易被遮挡。因此本申请旨在提供一种外科手术机器人用的执行器及外科手术系统，其能够更方便地执行TKA、HTO、DFO或PFO。

发明内容

本公开提供一种末端执行器及手术系统，解决了现有手术机器执行器不能适应多种手术的问题。

本公开的第一方面提供一种末端执行器，包括主体和示踪器；主体具有第一接口、第二接口和动力机构，第一接口用于连接机器人臂，第二接口用于连接锯片，动力机构设置于主体内部，动力机构用于向第二接口提供动力；示踪器设置于主体，用于指示锯片的方位；其中，第二接口被配置为其可以与锯片之间形成第一连接关系或第二连接关系，在第一连接关系下锯片与主体之间具有第一相对方位关系，第二连接关系下锯片与主体之间具有第二相对方位关系。

在第一种可能的实施方式中，第一相对方位关系为锯片与主体具有第一夹角值，第二相对方位关系为锯片与主体具有第二夹角值。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实施方式中，第一相对方位关系为锯片垂直于主体。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实施方式中，第二相对方位关系为锯片平行于主体。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实施方式中，第一接口位于主体的第一端，第二接口位于主体的第一侧。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实施方式中，第二接口位于主体的第一侧的靠近第二端的位置，第二端和第一端为主体的两个末端。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实施方式中，在第一连接关系下，锯片的切削端从主体的第一侧远离主体延伸。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实施方式中，在第二连接关系下，锯片的切削端的指向与主体的第一端的朝向相反。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实施方式中，锯片的平面与主体的虚拟纵剖面平行设置。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实施方式中，虚拟纵剖面为执行器的对称平面。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实施方式中，主体连接至机器人臂时与机器人臂的末端臂同轴设置，虚拟纵剖面与末端臂的轴线平行。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实施方式中，示踪器与第一接口分布在主体的两端。

结合上述可能的实现方式，在第十二种可能的实施方式中，示踪器包括第一示踪器和第二示踪器，第一示踪器用于在锯片与主体具有第一连接关系时指示锯片的方位，第二示踪器用于在锯片与主体具有第二连接关系时指示锯片的方位。

结合上述可能的实现方式，在第十三种可能的实施方式中，第二示踪器与主体之间为可拆卸连接。

结合上述可能的实现方式，在第十四种可能的实施方式中，第二示踪器被设置为示踪元件可拆卸。

结合上述可能的实现方式，在第十五种可能的实施方式中，第二示踪器位于第一示踪器的远离第二接口的方向的一侧。

结合上述可能的实现方式，在第十六种可能的实施方式中，还包括手柄部，手柄部位于主体的第二侧。

本公开的第二方面提出一种外科手术系统，包括末端执行器、机器人臂、定位系统和控制器，末端执行器为第一方面的末端执行器；机器人臂的末端臂固定连接末端执行器；定位系统用于识别示踪器的位置以获取锯片的方位信息；控制器用于基于方位信息和预存储的手术规划控制机器人臂的运动和方位。

本公开第一方面所提出的末端执行器，包括主体和示踪器。主体具有第一接口、第二接口和动力机构，第一接口用于连接机器人臂，第二接口用于连接锯片，动力机构设置于主体内部，动力机构用于向第二接口提供动力；示踪器设置于主体，用于指示锯片的方位；其中，第二接口被配置为其与锯片之间具有第一连接关系和第二连接关系，在第一连接关系下锯片与主体之间具有第一相对方位关系，第二连接关系下锯片与主体之间具有第二相对方位关系。锯片相对于主体的两种方位关系使得末端执行器可以适应不同的手术入路及手术类型。

附图说明

图1为本公开实施例的手术系统结构示意图；

图2为本公开实施例的末端执行器被配置为可执行TKA的示意图；

图3为本公开实施例的末端执行器被配置为可执行HTO的示意图；

图4为图2中所示末端执行器的正视图；

图5为图2中所示末端执行器的右视图；

图6为图5中所示的末端执行器内部动力机构示意图；

图7为图3中所示的末端执行器的右视图；

图8为本公开实施例的右腿全膝关节置换手术示意图；

图9为本公开实施例的末端执行器调整锯片角度示意图；

图10为本公开实施例的锯片与股骨远端目标截骨面b对准状态示意图；

图11为本公开实施例的左腿内侧胫骨高位截骨手术示意图；

图12为本公开实施例的锯片对准胫骨高位示意图一；

图13为本公开实施例的锯片对准胫骨高位示意图二；

图14为本公开实施例的第一种锯片与夹紧机构示意图；

图15为本公开实施例的第二种锯片与夹紧机构示意图一；

图16为本公开实施例的第二种锯片与夹紧机构示意图二；

图17为本公开实施例的第二示踪器与主体连接方式的示意图；

图18为本公开实施例的第二示踪器结构示意图。

附图标记：

1-机器人臂，11-末端臂，12-台车；

2-定位系统，21-双目视觉相机；

5-控制器；

6-锯片，61-切削端，62-连接端；

7-末端执行器，71-主体，701-第一端，702-第二端，703-第一侧，704-第二侧，711-第一接口，712-第二接口，7121-转轴，713-动力机构，7131-电机，7132-减速器，7133-传动机构，721-第一示踪器，722-第二示踪器，723-示踪元件，724-示踪架，73-手柄部；

8-夹紧机构，81-夹紧部；

91、91a-凸起，92、92a-凹槽，921-容纳空间；

101-插销件，102-套件，103-锁紧件；

W-轴线，P-虚拟纵剖面，a-胫骨目标截骨面，b-股骨远端目标截骨面，c-股骨前端目标截骨面，d-股骨后端目标截骨面，e-股骨后斜目标截骨面，g-股骨前斜目标截骨面，h-胫骨高位目标截骨面，A-第一姿态，B-第二姿态，C-第三姿态，D-第四姿态，E-第五姿态，G-第六姿态，M-第一接口的轴线，N-第二接口的轴线，O-手柄部的轴线，F-股骨，T-胫骨。

具体实施方式

下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开，而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对本公开的更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

如图1所示的手术系统结构示意图，本公开涉及计算机辅助手术(Computer-Assisted Surgery,CAS)技术。涉及该技术的外科手术系统包括机器人臂1、定位系统2、搭载有锯片6的末端执行器7和控制器5。机器人臂1相当于外科医生的手臂，可以把持锯片6并以较高的精度定位和移动锯片6。定位系统2相当于外科医生的眼睛，可以实时测量锯片6和患者组织的位置。控制器5相当于外科医生的大脑，内部储存手术规划。控制器5根据术中通过定位系统2获取的位置信息计算机器人臂1的路线和/或应达的位置，可以控制机器人臂1运动，或者通过力反馈模式设置机器人臂1的虚拟边界，由人工推动机器人臂1的末端执行器7在虚拟边界内移动/沿虚拟边界限定的路线、面移动。

参考图2和图3。图2为末端执行器7被配置为可执行TKA的示意图，其中示出了锯片6与末端执行器7的主体71的第一连接关系。该连接关系下，锯片6设置于主体的一侧(图2中主体71的下侧)，锯片6上用于切割骨组织的一端的指向与主体71的长度方向垂直，即图2中锯片6相对于主体71指向下方。在第一连接关系下末端执行器7适于执行全膝关节置换术中的截骨操作。图3为末端执行器7被配置为可执行HTO的示意图，其中示出了锯片6与末端执行器7的主体71的第二连接关系。该连接关系下，锯片6同样设置于主体的一侧(图3中主体71的下侧)，锯片6上用于切割骨组织的一端的指向与主体7的长度方向平行，即图3中锯片6指向主体7的左方。在第二连接关系下末端执行器7适于执行胫骨高位截骨手术、股骨远端截骨手术或腓骨近端截骨手术。

继续参考图2至图7。图4为图2中所示末端执行器的正视图。图5为图2中所示末端执行器的右视图。图6为图5所示的末端执行器7内部结构示意图。图7为图3中所示的末端执行器的右视图。具体的，末端执行器7包括主体71和示踪器。示踪器包括第一示踪器721和第二示踪器722。主体71大致为圆锥体，圆锥体的回转中心线W与机器人臂1的末端臂11的自转中心线同轴。在此基础上，定义主体71的方向参考及坐标系CS。圆锥体的回转中心线W为坐标系CS的Z轴，垂直于Z轴的两个互相垂直的方向为Y轴和X轴。回转中心线W的延伸方向为主体71的长度方向。主体71长度方向的两端分别为第一端701和第二端702。主体71的径向为侧向，具体包括上侧、下侧、前侧和后侧。上侧、下侧、前侧和后侧对应于坐标系CS的Y轴正向、Y轴反向、X轴正向和X轴反向。

主体71连接至机器人臂1的末端臂11时与末端臂11同轴固定，相当于成为机器人臂1的末端臂11的延伸。在其他实施例中，主体71的形状并不局限于圆锥体，只要具有预定长度且连接至机器人臂1时能与末端臂11同轴的规则或不规则形状均可。此处的“同轴”并不严格局限于字面意思，只要是两个杆状结构基本共线地连接即可。当然，其他形状的主体71的长度方向定义也可以参照(主体71连接至机器人臂1时)末端臂11的旋转中心线W，因为主体71随末端臂11自转，二者的旋转中心线相同。

主体71具有第一接口711、第二接口712、动力机构713和手柄部73。第一接口711位于主体71的第一端701。第二接口712位于主体71的第一侧703，并且在长度方向上更靠近第二端702。手柄部73位于主体71的第二侧704，用于为医生提供推拉末端执行器7的着力部。主体71的第一侧703对应前述的下侧，即Y轴的反向；第二侧704对应前述的上侧，即Y轴的正向。第一接口711用于将主体71连接至机器人臂1。第二接口712用于连接锯片6。如图6所示，第二接口712具体为机械连接结构，并且具有能往复转动的转轴7121。锯片6固定在转轴7121上，并在转轴7012的带动下往复摆动。动力机构713设置于主体71内部，动力机构713用于向第二接口712提供动力。动力机构713主要包括电机7131、减速器7132以及传动机构7133。电机7131和减速器7132用于提供初始动力，传动机构7133一端与减速器连接，另一端设置于第二接口712处。锯片6与第二接口712连接时，传动机构7133接收电机7131及减速器7132的初始动力并通过转轴7121驱动锯片6摆动。

锯片6为长条状，两端分别为切削端61和连接端62。切削端61设置有锯齿，用于切割骨组织。连接端62用于与第二接口712连接，接收驱动锯片6摆动的动力。

示踪器设置于主体71的第二端702，用于指示锯片6的方位。示踪器包括第一示踪器721和第二示踪器722。第一示踪器721固定设置于主体71的第二端702，第一示踪器721上的示踪元件723可拆卸。定位系统2可以在手术空间中确定示踪器的方位，并以此确定锯片6的方位。示踪器为光学示踪器，其上安装有示踪元件723，示踪元件723为反光片或反光球。定位系统2包括能够识别反光片或反光球的双目视觉相机21。示踪器使得末端执行器7在把持锯片6运动的过程中，定位系统2能够清楚且精确地了解到锯片6的位置。如切割骨组织时，锯片6对于骨组织切割的程度、以及剩余待切割的骨组织情况可以通过示踪器反映的锯片6位置来确定。在一种可选的实施方式中，示踪器也可以是电磁发射器或位置传感器，能够识别电磁发射信号或位置传感器位置的相应定位系统2可以确定锯片6的方位。

锯片6与第二接口712连接时，锯片6与第二接口712之间可形成第一连接关系或第二连接关系。在第一连接关系下锯片6与主体71之间具有第一相对方位关系，并且由第一示踪器721指示锯片6的方位。第二连接关系下锯片6与主体71之间具有第二相对方位关系，并且由第二示踪器722指示锯片6的方位。

如图2、图4和图5所示为锯片6与第二接口712在第一连接关系下的示意图。在第一连接关系下，锯片6与主体71具有第一夹角，第一夹角为直角，即锯片6的长度方向与主体71的长度方向(旋转中心线W的方向)具有90度的夹角。锯片6的平面与主体71的虚拟纵剖面P平行。虚拟纵剖面P为主体71长度方向的剖切面，虚拟纵剖面P与机器人臂1的末端臂11的轴线平行。具体如图2中所示的，锯片6的长度方向指向Y轴的反向；锯片6的平面与Y轴和Z轴所确定的平面平行。继续参考图2，第一接口的轴线M与第二接口的轴线N均在虚拟纵剖面P上，其中第一接口的轴线M与旋转中心线W重合，即轴线M与CS坐标系中的Z轴同轴。第二接口的轴线N与主体71指向第一侧703的连线重合，即轴线N与CS坐标系中的Y轴平行。以虚拟纵剖面P为镜像面，主体71关于虚拟纵剖面P对称。

如图8至图10所示，图8为右腿全膝关节置换手术示意图。图9为末端执行器7调整锯片6角度示意图。图10为末端执行器7调整角度使锯片与6股骨远端目标截骨面b对准状态示意图。锯片6与主体71间具有第一方位关系的情况下，末端执行器7便于进行膝关节置换手术，如全膝关节置换术或单髁置换术。该手术类型下，以右腿全膝关节置换为例，患者为屈膝仰卧位，机器人臂1及承载其的台车12位于患者的患处侧(患者的右侧)定位系统2位于患处侧的对侧(患者的左侧)。机器人臂1由患处侧指向对侧，机器人臂1的末端段11连接有末端执行器7，机器人臂1将末端执行器7大致保持在膝关节上方且横向于患者。手术时，锯片6将从患者前侧入路，锯片6的切削端61指向膝关节，锯片6截骨时锯片平面只需末端执行器7大致绕平行于人体冠状面与横断面交线的轴线W调整角度，即可实现膝关节置换手术规划的六个平面的定位。

具体参考图9，末端执行器7搭载锯片6进行不同截骨面的定位时，为适应不同目标截骨面的角度，在远离患处的位置处进行锯片6平面调整。机器人臂的末端臂11绕自身轴线的旋转使末端执行器7绕轴线W旋转，锯片6平面转动一定角度。按照临床中的截骨顺序，末端执行器7姿态调整后依次具有第一姿态A、第二姿态B、第三姿态C、第四姿态D、第五姿态E以及第六姿态G。其中末端执行器7的第一姿态A中锯片的6角度与胫骨目标截骨面a的角度对应；第二姿态B中锯片的6角度与股骨远端目标截骨面b的角度对应；第三姿态C中锯片的6角度与股骨前端目标截骨面c的角度对应；第四姿态D中锯片的6角度与股骨后端目标截骨面d的角度对应，第五姿态E中锯片的6角度与股骨后斜目标截骨面e的角度对应，第六姿态G中锯片的6角度与股骨前斜目标截骨面g的角度对应。分别完成锯片6与六个相应的目标截骨面截骨面的角度定位后，机器人臂1在一定范围内按照预定路径平移一定距离即可实现各个平面与目标截骨平面的对准，如图10所示为锯片6与股骨远端目标截骨平面b对准并即将进行截骨的示意图，锯片6定位至该状态后，机器人臂1在控制器的控制下将锯片6的移动范围限制在该平面，医生推动末端执行器7在该平面移动并完成相应的截骨。

继续参考图9，在不考虑锯片6位置平移的情况下，锯片6的角度调整过程中，锯片6为适应不同的目标截骨平面，末端执行器7绕轴线W的旋转带动锯片6进行角度调整。这样，机器人臂1本身无需大角度、大幅度调整自身姿态，只需机器人臂1的末端臂11绕轴线W旋转末端执行器7即可实现锯片6角度的调整。可以理解的是，膝关节单髁置换与全膝关节置换类似，同样是在患者为屈膝仰卧位状态下，锯片6由患者前侧入路进行截骨，具体截骨平面的定位原理与全膝关节置换中的相关定位原理相同，这里不再赘述。

如图11至图13所示为锯片6与第二接口712在第二连接关系下手术空间的示意图。图11为左腿内侧胫骨高位截骨手术示意图。图12和图13所示为锯片对准胫骨高位的示意图。在第二连接关系下，锯片6与主体71具有第二夹角，第二夹角为零角，即锯片6的长度方向与主体71的长度方向(轴线W的方向)平行。锯片6的平面与主体71的虚拟纵剖面P平行，虚拟纵剖面P为主体71长度方向的剖切面。具体的，主体71的虚拟纵剖面P为第一接口的轴线M与第二接口的轴线N所确定的平面，其中第一接口的轴线M与轴线W重合，第二接口的轴线N与主体71指向第一侧703的连线重合。以虚拟纵剖面P为镜像面，主体71关于虚拟纵剖面P对称。

锯片6与主体71间具有第二方位关系的情况下，末端执行器7便于进行胫骨高位截骨术、股骨远端截骨术。该手术类型通过股骨F或胫骨T侧方的开放楔形截骨或闭合截骨以保护膝关节生理结构的完整性，是治疗早期膝关节病变的主要手术方式。不同于膝关节置换手术，胫骨高位截骨术或股骨远端截骨术将以患侧的内侧或外侧入路。如图11所示，以左腿内侧胫骨高位截骨为例，患者为屈膝仰卧位，机器人臂1及承载其的台车12位于患者患处侧的对侧(患者的右侧)，定位系统2位于患处测(患者的左侧)。机器人臂1由患处侧指向对侧，机器人臂的末端臂11连接有末端执行器7，机器人臂1将执行器大致横向于患者且保持在左腿和右腿中间的上方且更靠近左腿。如图12和图13所示，手术时，锯片6将从患者左腿胫骨T近端内侧入路，锯片6的切削端61沿横向于患者的水平方向指向胫骨T近端。截骨时，锯片6平面为适应预定手术计划的规划截骨面，需要末端执行器7大致绕平行于人体冠状面与横断面交线的轴线W调整锯片6平面的角度。角度调整过程中，机器人臂的末端臂11绕自身轴线的旋转使末端执行器7绕轴线W旋转，锯片6平面转动一定角度与胫骨高位目标截骨面h平行。并且，机器人臂1在一定范围内按照预定路径平移一定距离即可实现各个平面与胫骨高位目标截骨面h的对准。

在不考虑锯片6平移的情况下，锯片6的角度调整过程中，锯片6为适应相应的胫骨高位目标截骨面h，机器人臂1本身无需大角度、大幅度调整自身姿态，只需转动机器人臂1末端臂即可实现锯片6角度的调整。可以理解的是，股骨远端截骨术与胫骨高位截骨术情况类似，患者均为屈膝仰卧位的状态，搭载有锯片6的末端执行器7从相应股骨的内侧或外侧入路。并且，腓骨近端截骨术也与胫骨高位截骨术类似。患者通常为仰卧位，搭载有锯片6的末端执行器7从相应腓骨的后外侧入路，切割位置在腓骨头下方6至10cm。手术时，末端执行器7搭载锯片6将腓骨截断约2cm，并在截断端用骨蜡封堵，避免腓骨断端愈合。在股骨远端截骨术和腓骨近端截骨术中，基于相似的入路和锯片6的截骨姿态，锯片6与末端执行器7具有第二连接关系时锯片6的切削端61可以从骨骼侧方指向手术部位。机器人臂1可搭载末端执行器7灵活方便地进行股骨远端截骨手术或腓骨近端截骨手术。

这样，通过锯片6与主体71第一连接关系和第二连接关系的设置，锯片6与主体71具有第一方位关系时，锯片6的切削端61能够在患者前侧更好地指向待手术的膝关节部位。锯片6与主体71具有第二方位关系时，锯片6的切削端61能更好地从患者下肢内侧或外侧指向股骨F、胫骨T或腓骨。锯片6以第一连接关系获第二连接关系与主体71连接，末端执行器7可以适应不同的手术入路及手术类型，承载末端执行器7的机器人臂1无需以复杂或难以到达的姿态将锯片定位至目标截骨平面。医生的操作利、操作空间充足，并且搭载有末端执行器7的机器人具有足够的灵活性以完成多种术式的手术，设备采购成本和医生的学习时间成本将大大降低。

如图14至图16所示，在本实施例中，第二接口712为夹紧机构8，锯片6与通过夹紧机构8连接至末端执行器7。夹紧机构8包括两个相对设置的夹紧部81，两个夹紧部81在外力作用下相互靠近以夹紧锯片6的连接端62。

如图14所示的第一种锯片6与夹紧机构8的示意图。两个夹紧部81与锯片6间设置有换向结构，换向结构能够使锯片6通过第二接口712与主体71连接时形成第一连接关系或第二连接关系。换向结构包括凸起91和凹槽92，凸起91和凹槽92分别设置于夹紧部81和锯片6，凹槽92至少包括两个容纳空间921，两个容纳空间921与所述凸起91配合时分别为锯片6与转轴7121周向固定。

继续参考图14，凸起91设置于其中一个夹紧部81，凹槽92设置于锯片6的连接端62，凸起91和凹槽92均包括周向均匀分布的条状单元。锯片6被夹紧部81夹紧时，锯片6相对于主体71将具有多种角度连接方式，其中两种连接方式分别对应锯片6与主体71的第一连接关系和第二连接关系。这样，需要进行膝关节置换手术时，调整凸起91和凹槽92的配合关系可使锯锯片6与主体71具有第一方位关系。需要进行胫骨高位截骨或股骨远端截骨时，调整凸起91和凹槽92的配合关系可使锯锯片6与主体71具有第二方位关系。在一种可选的实施方式中，凸起91设置于锯片6的连接端62，凹槽92设置于夹紧部81。在一种可选的实施方式中，如图15和图16为第二种锯片6与夹紧结构8的示意图。凸起91a和凹槽92a的形状不同于上述(图14所示的实施方式)。凸起91a为一个条状，凹槽92a具有间隔90度设置的两个容纳空间921，条状的凸起91a在两个容纳空间921中分别对应锯片6与主体71的第一连接关系和第二连接关系。如图15所示的状态使锯片6与主体71具有第一连接关系；如图16所示的状态使锯片6与主体71具有第二连接关系。

如图6、图7以及图17所示，在本实施例中，示踪器包括第一示踪器721和第二示踪器722。第一示踪器721固定设置于主体71的第二端702，第一示踪器721上的示踪元件723可拆卸，锯片6与主体71具有第一连接关系时由第一示踪器721指示方位。第二示踪器722可拆卸连接于主体71的第二端702，锯片6与主体71具有第二连接关系时由第二示踪器722指示方位。

在临床手术中，锯片6与主体71具有第一连接关系时，锯片6由患者前侧(患者屈膝的膝关节上方)指向膝关节，此时的末端执行器7高于屈膝状态的患者腿部，第一示踪器721与主体71相对于患者的高度基本一致。定位系统2位于主体71的对侧，可识别第一示踪器721的位置信息，控制器5根据第一示踪器721的位置信息获得锯片的位置信息，以控制末端执行器7将锯片6定位至目标截骨平面。

锯片6与主体71具有第二连接关系时，将第一示踪器721上的示踪元件723拆除，第二示踪器722与主体71的第二端702连接。第二示踪器722位于第一示踪器721的远离所述第二接口712的方向的一侧。这样，在手术空间内，在末端执行器7位于屈膝状态下的胫骨T近端处时，第二示踪器722能够高于屈膝状态的患者下肢，处于第二示踪器722对侧的定位系统2能够无遮挡地识别到第二示踪器722的位置信息。在对锯片6平面进行校验时的验证架同样需要面对定位系统2，锯片6与主体71更靠近，验证架安装于锯片6时可能遮挡第一示踪器721，第二示踪器722的设置，也使锯片6安装验证架时也不会阻挡第二示踪器722被定位系统2识别的视线。

在一种可选的实施方式中，示踪器可只包含第一示踪器721。在进行全膝关节置换、胫骨高位截骨或股骨远端截骨时，锯片6与主体具有第一连接关系或第二连接关系，定位系统均通过第一示踪器721的位姿确定锯片6在手术空间中的位姿。只设置第一示踪器721的情况下，只需要保证进锯片6与执行器具有第二连接关系时，屈膝状态的患者腿部或验证架不会阻挡定位系统2识别第一示踪器721的视线即可。如可以在图2所示的第一示踪器721的基础上增加其沿Y轴正向的高度。

如图6、图7、图17及图18所示，图17为第二示踪器722与主体71示意图。图18为第二示踪器结构示意图。在本实施例中，第二示踪器722通过可拆固定结构实现与主体71第二端702的连接，可拆固定结构包括插拔组件和锁紧件103，插拔组件包括插销件101和套件102，插销件101与所述套件102插接时，第二示踪器722相对于主体71具有沿与插接方向相反方向移动的剩余自由度。锁紧件103用于沿垂直于所插接方向的方向进给，以限制第二示踪器722相对于主体71的剩余自由度。

继续参考图17和图18，具体的，插销件101设置于主体71，为燕尾型插块。套件102设置于第二示踪器722，为燕尾槽。插销件101与套件102插接时，第二示踪器722相对于主体71在插接方向上具有不固定的剩余自由度。锁紧件103为顶丝结构，锁紧件103固定剩余自由度时，锁紧件103贯穿插槽底面与插销件101表面顶紧接触，限制第二示踪器722沿插接方向的反方向脱离主体71。

如图2至图7、图17及图18所示，示踪器包括示踪架724和示踪部分，示踪架724与执行器主体71连接，示踪部分包括多个与示踪架724连接的示踪元件723，多个示踪元件723沿平面排列，沿平面排列的多个示踪元件723记确定一个平面，该平面由定位系统2识别并据此反映锯片6的方位。

在一种可选的实施方式中，末端执行器7的主体71上不设置手柄部73。这样，操作者可以把持主体71的第二侧704来控制末端执行器的位姿改变或移动。

继续参考图1，第二方面，本公开提出一种外科手术系统，包括末端执行器7、机器人臂1、定位系统2以及控制器5，末端执行器7，为第一方面的末端执行器7；机器人臂1用于搭载末端执行器7，并且为末端执行器7提供动力；定位系统2用于识别示踪器的位置以获取截骨执行器和/或锯片的位置信息；控制器5，用于控制末端执行器7按照预定手术计划截骨。

具体地，控制器5可以控制机器人臂1，使机器人臂1完全自主地按照手术计划移动，或通过提供触觉反馈或力反馈以限制外科医生手动移动手术工具3超出预定虚拟边界，或提供虚拟导向以引导外科医生沿某个自由度移动。虚拟边界和虚拟导向可以来自于手术计划，也可以在术中通过输入装置设置。末端执行器7与机器人臂1之间为可拆卸连接；定位系统2用于获知锯片6以及患者骨骼的位置。定位系统2一般包括定位器(如双目相机21)通过3D测量技术测量上述示踪器的方位。控制器5用于根据手术计划驱动机械臂将假体安装执行器移动至目标位置，以使锯片6定位至目标截骨平面。手术计划中可以包括机械臂移动路径、移动边界等。

在临床应用中，通过改变锯片6与末端执行器7的连接关系，末端执行器7既能够完成膝关节置换手术的手术类型，又能够完成胫骨高位截骨或股骨远端截骨类型的手术。一套系统可适应多种术式和手术操作，既减轻了医生适应手术系统的时间，也无需单独应各种手术而采购相应的专用设备。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本公开作了详尽的描述，但在本发申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本公开精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本公开要求保护的范围。

Claims (18)

1.一种末端执行器，其特征在于，包括：

主体，具有第一接口、第二接口和动力机构，所述第一接口用于连接机器人臂，所述第二接口用于连接锯片，所述动力机构设置于所述主体内部，所述动力机构用于向所述第二接口提供动力；

示踪器，设置于所述主体，用于指示所述锯片的方位；其中

所述第二接口被配置为其可以与所述锯片之间形成第一连接关系或第二连接关系，在所述第一连接关系下所述锯片与所述主体之间具有第一相对方位关系，所述第二连接关系下所述锯片与所述主体之间具有第二相对方位关系。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述第一相对方位关系为所述锯片与所述主体具有第一夹角值，所述第二相对方位关系为所述锯片与所述主体具有第二夹角值。

3.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于，所述第一相对方位关系为所述锯片垂直于所述主体。

4.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于，所述第二相对方位关系为所述锯片平行于所述主体。

5.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述第一接口位于所述主体的第一端，所述第二接口位于所述主体的第一侧。

6.根据权利要求5所述的末端执行器，其特征在于，所述第二接口位于所述主体的所述第一侧的靠近第二端的位置，所述第二端和所述第一端为所述主体的两个末端。

7.根据权利要求5所述的末端执行器，其特征在于，在所述第一连接关系下，所述锯片的切削端从所述主体的所述第一侧远离所述主体延伸。

8.根据权利要求5所述的末端执行器，其特征在于，在所述第二连接关系下，所述锯片的切削端的指向与所述主体的所述第一端的朝向相反。

9.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述锯片的平面与所述主体的虚拟纵剖面平行设置。

10.根据权利要求9所述的末端执行器，其特征在于，所述虚拟纵剖面为所述执行器的对称平面。

11.根据权利要求9所述的末端执行器，其特征在于，所述主体连接至所述机器人臂时与所述机器人臂的末端臂同轴设置，所述虚拟纵剖面与所述末端臂的轴线平行。

12.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述示踪器与所述第一接口分布在所述主体的两端。

13.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述示踪器包括第一示踪器和第二示踪器，所述第一示踪器用于在所述锯片与所述主体具有第一连接关系时指示所述锯片的方位，所述第二示踪器用于在所述锯片与所述主体具有第二连接关系时指示所述锯片的方位。

14.根据权利要求13所述的末端执行器，其特征在于，所述第二示踪器与所述主体之间为可拆卸连接。

15.根据权利要求13所述的末端执行器，其特征在于，所述第一示踪器被设置为示踪元件可拆卸。

16.根据权利要求13所述的末端执行器，其特征在于，所述第二示踪器位于所述第一示踪器的远离所述第二接口的方向的一侧。

17.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，还包括手柄部，所述手柄部位于所述主体的第二侧。

18.一种外科手术系统，其特征在于，包括：

末端执行器，所述末端执行器为权利要求1至17任一项所述的末端执行器；

机器人臂，所述机器人臂的末端臂固定连接所述末端执行器。

定位系统，用于识别所述示踪器的位置以获取所述锯片的方位信息；

控制器，用于基于所述方位信息和预存储的手术规划控制所述机器人臂的运动和方位。