CN1843304A - 一种用于机器人机械臂上外科手术器械装卡的适配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人机械臂装卡外科手术器械的适配器，其特征在于：连接器和外科手术器械装卡器，其中连接器与机器人的机械臂可拆卸地连接，外科手术器械装卡器用于装卡各种外科手术器械。本发明还涉及一种利用该适配器在机器人机械臂上装卡外科手术器械，进行外科手术的方法。

Description

一种用于机器人机械臂上外科手术器械装卡的适配器

技术领域

本发明涉及一种医疗手术机器人，机器人的机械臂上设有装卡外科手术器械的适配器，使用该适配器能方便地在机器人的机械臂上更换各种外科手术器械。

背景技术

随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。它集机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创手术等诸多技术于一身。医疗手术机器人是其中的前沿研究热点之一。目前，医疗机器人已经在脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除手术、人工关节置换、整形外科、泌尿外科手术等方面取得了广泛的应用，在提高手术效果和精度的同时，也不断开创新的手术，并向其他领域扩展。

与医生手工操作相比在某些方面具有极大的优势，因为机械手的定位比人准确、有力得多，手术过程中外科医生不必长时间地站在病人周围，从而避免手术带来地疲劳。长时间的手术可能造成外科医生手臂颤动，而机械手绝不会出现这种情况。正由于机器人的上述优点，手术机器人的临床应用已经扩展到外科的各个领域。

现有手术机器人多用于内窥镜微创手术，如已公开的美国专利6999852和美国专利6728599分别采用多个机械臂夹持不同的手术器械，用于腹腔镜下的普通外科手术。然而在另一些应用场合，如骨科手术中(脊柱椎弓根钉植入、关节置换等)，需要在同一手术中，随时更换不同的手术器械进行不同的操作，如果采用上面的专利所述的多机械臂手术机器人系统，将会大大增加系统成本。另外，手术操作也极不方便，因为在骨科手术中，一旦确定了机器人机械臂的方位，不同的手术器械都会引着同样的方位进行操作，机械臂需要在一段手术过程中保持一定的角度和方位，这样，使用上述专利的系统就需要对每一个机械臂进行校准、定位、跟踪，操作复杂度加大。

本发明提供一套关节型多自由度手术机器人系统，即该系统只有一个机械臂，通过更换不同的手术器械适配器，可以在同一机械臂上安装上不同的手术器械。在手术机器人的机械臂的手术路径和方位被确定后，只要更换不同的手术器械适配器，就可以使不同的手术器械沿着同一手术路径和方位进行操作，不需要多次校准、定位和跟踪。

一般地，本发明还给出一种能够同时夹持多个手术器械的器械适配器。术者可以通过器械适配器上的切换机构，随时将需要使用的手术器械切换到适配器的前端，并和手术机器人机械臂的前端保持同一中心轴线，通过控制机器人，实现了在同一机械臂上保持同一手术路径和方位的情况下，快速更换不同的手术器械，进行手术操作。

发明内容

本发明的目的：提供一种手术器械适配器，它可用于医疗手术机器人的机械臂夹持手术器械，通过更换不同的适配器，可以方便地更换不同的手术器械。

技术方案：本发明涉及的技术方案有三种：

(1)机器人的机械臂通过不同的适配器夹持不同的器械，更换不同的适配器，可以方便地从机器人的机械臂上更换不同的手术器械：

(2)整个适配器主要由两部分组成，适配器基座和器械装卡器。其中基座用于与机械臂法兰盘的连接和定位，夹持器用于夹持不同的手术器械。基座和夹持器采用螺钉连接，两部分可以方便地拆卸。这样，不需要每次更换基座，仅仅需要使用不同的器械装卡器，就能适应不同的手术器械，以进行不同的手术。

(3)适配器上可以同时装卡两个以上的不同的器械，适配器上同时安装器械切换器，用于将不同的器械切换到可以进行手术操作的的位置。

本发明的获益：本发明通过更换不同的手术器械适配器，或者通过适配器上可以同时装卡两个以上的不同的器械，在控制手术机器人进行外科手术时，可以方便地更换不同的手术器械。

附图说明

通过结合附图对本发明具体实施例的详细描述，会对本发明的发明目的和技术构思有更清楚的了解，其中：

图1是本发明的用于夹持不同的器械的适配器示意图。

图2是本发明的器械装卡器示意图。

图3是本发明的器械适配器上用于与机械臂固定的第一连接器的示意图。

图4是本发明的装有手术器械的适配器的示意图。

图5是一个具有多个自由度的关节型机器人的示意图。

图6(a)是安装1到n多个手术器械适配器的示意图。

图6(b)是安装1到n多个手术器械适配器的示意图。

图6(c)是手术器械m被切换到多手术器械适配器中心轴线位置的示意图。

图6(d)是手术器械m被切换到多手术器械适配器中心轴线位置的示意图。

图6(e)是手术器械n被切换到多手术器械适配器中心轴线位置的示意图。

图6(f)是手术器械n被切换到多手术器械适配器中心轴线位置的示意图。

图7是脊柱椎弓根钉植入手术的示意图。

图8是髋关节置换手术的示意图。

具体实施方式

以下描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

本发明所描述的一种用于外科手术的机器人系统，如图1所示，手术机器人机械臂上安装有手术器械的器械适配器1，包括手术器械装卡器2，该装卡器通过第二连接器4与器械适配器1的底座相连。器械适配器1通过第一连接器3与手术机器人的器械臂相连，在图1所示的例子里，手术器械装卡器2与第一连接器所相连的手术机器人机械臂是同轴的。通过更换不同的手术器械装卡器，可以使手术机器人的机械臂安装不同的手术器械。

本发明所描述的手术器械装卡器，如图2所示，它包括夹环17和连接座4，依据不同的手术器械，设计不同的规格夹环可以夹紧不同的手术器械，在夹环的一侧有一个弹性夹口19，夹紧螺钉21(见图1)通过夹口19上的两个通孔20和22拧紧夹环，以保证手术器械被紧固在器械装卡器2上，在手术过程中，防止器械和装卡器之间错位、打滑等，以保证手术的精度。

器械适配器的第一连接器3通过一组通孔16与机器人的机械臂上的法兰盘相连，通过一组通孔17与手术器械装卡器2相连，通孔23为定位通孔，保证机器人的机械臂与装卡器在同一轴线上，如图3所示。

安装有手术器械5的器械适配器如图4所示。手术器械5的前端装配有手术刀具6，用于进行各种外科手术。特殊地，器械适配器安装超声手术器械及超声手术刀具，可以进行多种骨科手术，如脊柱手术中椎弓根螺钉的植入，髋关节置换等等。手术器械5被器械装卡器2通过螺钉21紧同在夹环17内，器械装卡器2通过第二连接器4与器械适配器1相连，第一连接器3通过一组通孔16把装有手术器械5的适配器1与手术机器人7的机械臂8相连接，以保证手术器械5牢固、精确、同轴地安装机械臂8上。

特殊地，图5表示一个具有多个自由度的关节型机器人。多自由度关节型手术机器人7通过器械适配器1，将手术器械5和手术刀具6固定在机械臂8上。通过控制多自由度关节型机器人7，可以实现对手术器械5的控制，从而使手术器械5可以完成各种复杂、精确的手术操作。具体地，手术机器人7可以精确地控制手术刀具的前端点24的运动轨迹(在本发明中其精确度可以达到0.1mm)，实现对患者实施各种复杂、精确、与重要器官邻近的手术。

手术器械可以是两种情况之一：

(1)自有动力器械，如电动、气动磨钻，刨刀，超声刀等等；自有动力器械只需要手术机器人提供精度位置控制，即可实现精确手术。

(2)不具备自有动力的器械，如手摇式的器械、手钻、手摆钻、骨刀、骨凿等等，这些器械不具备动力，有时需要手术机器人的机器臂提供动力，如旋转、摆动、手动进给等等。

在以上情况(2)时，手术器械的中心轴线必须与机械人的机械臂中心轴线重合，才能保证机械人与手术器械的正常控制。

一般地，本发明涉及的手术器械适配器可以推广至能够在机器人机械臂上安装2以上手术器械的情况。如图6(a)所示的多手术器械适配器一共能安装n个手术器械，分别为手术器械1，手术器械2，...，手术器械m，...，手术器械n。n个手术器械被安装在围绕器械适配器中心轴线周围的位置。如图6(a)和图6(b)。

当使用手术器械m进行手术操作时，手术器械m的位置由适配器中心轴线周围的位置，置换至与机械臂的中心轴线相重合的位置，手术机器人通过该多手术器械适配器控制手术器械m，进行相关外科手术，如图6(c)，图6(d)。

当需要更换手术器械，例如更换手术器n时，同样将手术器械n的位置由适配器中心轴线周围的位置，置换至与机械臂的中心轴线相重合的位置，如图6(e)，图6(f)。依此类推，可以将手术器械1、2、...、m、...、n中的任意一个器械置换至与机械臂的中心轴线相重合的位置，以完成利用该手术器械进行外科手术。

本发明专利还涉及一种利用图5所示的手术机器人进行外科手术的方法，特殊地，利用图5所示的手术机器人可以进行如图7所示脊柱椎弓根钉植入手术。手术机器人可以分为三个步骤：

①通过器械适配器控制电动、气动磨钻或者超声刀等手术器械由患者的脊柱(颈椎、腰椎等)部位的椎弓根12处先沿一定方向钻如一个孔25；

②在器械适配器上更换攻丝器械(电动或者非电动)，由攻丝器械在孔25中攻上螺纹；

③在器械适配器上更换改锥器械(电动或非电动)，由改锥器械把椎弓根钉9植入患者椎弓根12和椎体10中。

在以上3个步骤中，手术者均要通过机器人精确控制各种手术器械进入椎弓根和椎体的位置，以免损伤了患者的脊髓11。

特殊地，利用图5所示的手术机器人可以进行如图8所示的髋关节置换手术中，安装金属臼底14所用的患者盆骨13上的螺钉孔15的形成中。固定螺钉孔15由机器人机械臂控制下的手术器械5上的手术刀具6在患者盆骨13上钻出，其方向的精确度可以由机械臂的精密控制获得，保证了人工髋关节的精确安装。

本发明上述实例和实施方式可认为是实例性的，而不是限定性的，而且本发明并不局限于本说明书所给出的细节，而是在随附权利要求书及其等同替换的范围之内，可以进行改进。

Claims (4)

1.一种用于在机器人机械臂上装卡外科手术器械的适配器，包括：连接器和外科手术器械装卡器，其中连接器与机器人的机械臂可拆卸地连接，外科手术器械装卡器用于装卡各种外科手术器械。

2.如权利要求1所述的适配器，其特征在于：连接器分为第一连接件、第二连接件，其中第一连接件与机器人的机械臂可拆卸地连接，第二连接件与外科手术器械装卡器可拆卸地连接。

3.如权利要求1所述的适配器，其特征在于：连接器和外科手术器械装卡器，其中连接器与机器人的机械臂可拆卸地连接，外科手术器械装卡器装卡器可以装卡两个以上的外科手术器械。

4.一种利用权利要求1所述的适配器，在机器人机械臂上装卡外科手术器械进行外科手术的方法。

该方法包括以下步骤：

所述的外科手术器械通过所述的适配器安装在机器人机械臂上；

手术医生控制手术机器人，通过机器人机械臂带动外科手术器械，完成各种手术动作。

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