CN217611393U - 一种手术机器人自动上钉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种手术机器人自动上钉系统，包括机座、都安装在机座上的控制单元和机械臂、驱动机械臂运动的臂驱动源、安装在机械臂远端的末端执行器、以及安装在末端执行器远端的上钉器，臂驱动源与控制单元通讯连接，上钉器的远端具有螺钉连接部，螺钉连接部用于和内植物螺钉可拆卸连接；机械臂的远端具有可转动的腕关节，臂驱动源包括与腕关节传动连接的转动驱动源，末端执行器与腕关节相固定。本申请中，控制单元通过对臂驱动源的控制，能够控制机械臂的运动轨迹，而机械臂带动末端执行器、上钉器和内植物螺钉一起运动，能够将连接在上钉器远端的内植物螺钉自动且精准地植入患者体内，实现了自动上钉，进而有效提高内植物螺钉的植入效率。

Description

一种手术机器人自动上钉系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人自动上钉系统。

背景技术

目前，在向患者体内植入螺钉时，通常都会使用到手术机器人。然而，现有的手术机器人仅能提供辅助导航功能，钉道方向可以由导向器进行引导，但螺钉植入体内的上钉过程仍需要术者手动操作，螺钉在体内的植入深度仍需要术者手动控制。因此，现有的手术机器人无法完成螺钉的自动化且精准植入。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种手术机器人自动上钉系统，能够自动化且精准的完成螺钉植入。

为实现上述目的，本实用新型提供一种手术机器人自动上钉系统，包括机座、都安装在机座上的控制单元和机械臂、驱动机械臂运动的臂驱动源、安装在机械臂远端的末端执行器、以及安装在末端执行器远端的上钉器，所述臂驱动源与控制单元通讯连接，所述上钉器的远端具有螺钉连接部，所述螺钉连接部用于和内植物螺钉可拆卸连接；所述机械臂的远端具有可转动的腕关节，所述臂驱动源包括与腕关节传动连接的转动驱动源，所述末端执行器的近端与腕关节的远端相固定。

上述技术方案的优选方案为：所述腕关节上安装有力传感器，所述力传感器与控制单元通讯连接。

上述技术方案的优选方案为：所述末端执行器包括沿近端朝向远端的方向依次固定相连的近端接头、扩展接头、连接接头和快换手柄，所述近端接头与腕关节固定相连，所述快换手柄的远端与上钉器的近端可拆卸连接。

上述技术方案的优选方案为：所述近端接头和扩展接头之间、所述扩展接头和连接接头之间、以及所述连接接头和快换手柄之间都设置有定位组件。

上述技术方案的优选方案为：所述近端接头与扩展接头之间、所述扩展接头与连接接头之间、以及所述连接接头与快换手柄之间都通过数个螺钉固定相连。

上述技术方案的优选方案为：所述快换手柄的远端设有内套管、以及与内套管相连的拆装按钮，所述内套管中开设有连接孔，所述上钉器的近端可拆卸的插入在连接孔中。

上述技术方案的优选方案为：所述手术机器人自动上钉系统还包括安装在机械臂远端的视觉系统、以及安装在机座上的显示器，所述视觉系统用于获取末端执行器、上钉器和内植物螺钉的图像，所述视觉系统和显示器都与控制单元通讯连接。

上述技术方案的优选方案为：所述手术机器人自动上钉系统还包括安装在机座上的定位装置，所述定位装置与控制单元通讯连接。

上述技术方案的优选方案为：所述上钉器包括起子杆、以及可移动且可转动地套在起子杆外周的套管，所述起子杆的近端与末端执行器的远端相连，所述套管通过所述螺钉连接部与内植物螺钉可拆卸连接。

上述技术方案的优选方案为：所述套管的近端固设有旋转旋钮。

如上所述，本实用新型涉及的手术机器人自动上钉系统，具有以下有益效果：

本申请中，控制单元通过对臂驱动源的控制，能够控制机械臂的运动轨迹，而机械臂带动末端执行器、上钉器和内植物螺钉一起运动，由此能够精准地控制钉道方向，并能够将连接在上钉器远端的内植物螺钉自动且精准地植入患者体内，实现了自动上钉，进而有效提高内植物螺钉的植入效率。

附图说明

图1为本申请中手术机器人自动上钉系统的结构示意图。

图2为本申请中机械臂远端、末端执行器和上钉器之间的连接示意图。

图3为本申请中末端执行器的结构示意图。

图4至图6为本申请中近端接头、扩展接头和连接接头之间的连接示意图；其中，图4和图5都为爆炸图，图6为剖视图。

图7为本申请中快换手柄的结构示意图。

图8为本申请中上钉器的结构示意图。

图9为图8的A圈放大图。

图10为本申请中内植物螺钉的结构示意图。

图11为本申请中上钉器与内植物螺钉的连接示意图，该图为剖视图。

图12为本申请中手术机器人自动上钉系统的上钉示意图。

元件标号说明

10 机座

11 移动轮

20 控制单元

30 机械臂

31 腕关节

32 力传感器

40 末端执行器

41 近端接头

411 第一轴部

412 第一轴毂部

42 扩展接头

421 第二轴部

422 第二轴毂部

43 连接接头

431 第三轴部

432 第三轴毂部

433 圆形内孔

44 快换手柄

441 连接管

442 棘轮组件

443 拆装按钮

444 内套管

445 旋转套

446 连接孔

45 第一定位销

46 第二定位销

47 第三定位销

50 上钉器

51 起子杆

511 插入部

512 限位凸台

52 套管

521 外螺纹段

522 旋转旋钮

53 挡块

54 固定销

60 内植物螺钉

61 钉杆

62 钉座

621 卡槽

622 内螺纹段

70 显示器

80 定位装置

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本申请涉及医疗器械领域，特别是提供一种手术机器人自动上钉系统。下述实施例中，“近端”是指靠近术者的一端，“远端”是指远离术者的一端，术者即为手术操作者。如此，图12所示的视图中，纸面的上侧为近端，纸面的下侧为远端。

如图1、图2和图12所示，本申请涉及的手术机器人自动上钉系统包括机座10、都安装在机座10上的控制单元20和机械臂30、驱动机械臂30运动的臂驱动源、安装在机械臂30远端的末端执行器40、以及安装在末端执行器40远端的上钉器50，臂驱动源与控制单元20通讯连接，上钉器50的远端具有螺钉连接部，螺钉连接部用于和内植物螺钉60可拆卸连接。机械臂30的近端为底座，该底座固定在机座10上，由此将机械臂30整体安装在机座10上；机械臂30的远端具有可转动的腕关节31，臂驱动源包括与腕关节31传动连接的转动驱动源，转动驱动源驱动腕关节31绕其中心轴线转动，末端执行器40的近端与腕关节31的远端相固定；腕关节31、末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60四者同轴线。

上述手术机器人自动上钉系统工作时，如图12所示，根据术者已规划的内植物螺钉60的规格和种类，选取合适的内植物螺钉60，并将其连接在上钉器50的远端，此时，内植物螺钉60与上钉器50远端的螺钉连接部接合，机械臂30、末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60沿近端朝向远端的方向依次相连。根据术者预先设定的钉道和深度，控制单元20控制臂驱动源的输出，进而控制机械臂30的运动轨迹，而机械臂30带动末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60一起运动，也就控制末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60的运动轨迹，由此能够精准地控制钉道方向，自动将内植物螺钉60精准地植入患者体内预先设定的位置。控制单元20控制转动驱动源动作，转动驱动源驱动腕关节31转动，腕关节31带动末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60一起转动，实现内植物螺钉60的自动上钉。在内植物螺钉60植入完成后，使内植物螺钉60与上钉器50远端的螺钉连接部解锁，控制单元20再次控制臂驱动源的输出，使机械臂30带动末端执行器40和上钉器50退出工作区域。至此，完成内植物螺钉60的植入工作。因此，本申请涉及的手术机器人自动上钉系统实现了内植入螺钉的自动上钉，不需要术者手动操作上钉，还通过控制臂驱动源输出去自动控制内植物螺钉60在患者体内的植入深度，进而有效提高内植物螺钉60的植入效率。

进一步地，如图1所示，手术机器人自动上钉系统还包括安装在机械臂30远端的视觉系统、以及都安装在机座10上的显示器70和定位装置80，视觉系统用于获取末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60的图像，视觉系统、显示器70和定位装置80都与控制单元20通讯连接。在内植物螺钉60的植入过程中，控制单元20将视觉系统获得的末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60的图像，实时地显示在显示器70上，实现末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60位置的实时可视化，便于术者进行操作，确保螺钉植入上钉过程的准确性和安全性，提高内植物螺钉60的植入效率。定位装置80用于对机械臂30的底座、末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60的位置进行定位。

优选地，控制单元20可选用计算机及附属系统，控制机械臂30的运动、以及术前术中图像配准等工作。定位装置80可选用光学设备或电磁设备，实现位置定位。如图1所示，机座10的底部安装有移动轮11，便于整体移动手术机器人自动上钉系统。另外，机械臂30的远端可以设置一个腕关节31，则对应连接一个末端执行器40；或者，机械臂30的远端可以设置多个腕关节31，则对应连接多个末端执行器40，每个腕关节31对应连接一个末端执行器40。腕关节31和末端执行器40的实际数量的设置根据各种器械的集成安装与拆卸进行确定。

下述对机械臂30、末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60的优选结构展开叙述。

机械臂30

如图2所示，机械臂30中，转动驱动源驱动腕关节31绕其中心轴线转动，也即驱动腕关节31绕末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60的中心轴线进行旋转，由此带动内植物螺钉60一并转动，为内植物螺钉60的上钉植入过程提供扭转力。本实施例中，末端执行器40的远端连接上钉器50，进行上钉操作。当然，在其他实施例中，末端执行器40的远端可连接其他多种手术器械。

优选地，如图2所示，腕关节31上安装有力传感器32，力传感器32与控制单元20通讯连接。力传感器32实时反馈末端执行器40的受力情况，包括力和力矩信息，控制单元20根据力传感器32反馈的受力情况判断上钉过程是否成功。比如：当出现内植物螺钉60打滑、骨组织断裂等情况时，力传感器32反馈的实时扭矩会突然减小，此时，控制单元20控制臂驱动源停止动作，进而根据扭矩变化在上钉失效的第一时间停止机械臂30运动，防止危险情况的发生，进而确保上钉过程的安全性。

末端执行器40

如图3所示，末端执行器40包括沿近端朝向远端的方向依次固定相连的近端接头41、扩展接头42、连接接头43和快换手柄44，近端接头41与腕关节31通过数个螺钉固定相连，快换手柄44的远端与上钉器50的近端可拆卸连接。优选地，近端接头41与扩展接头42之间通过数个螺钉可拆卸连接，扩展接头42与连接接头43之间也通过数个螺钉可拆卸连接，连接接头43与快换手柄44之间也通过数个螺钉可拆卸连接。日常使用时，近端接头41与腕关节31之间不拆卸、两者始终固定，近端接头41和扩展接头42之间不拆卸、两者始终固定，连接接头43和快换手柄44之间也不拆卸、两者始终固定，术前对快换手柄44进行消毒时，只需将扩展接头42与连接接头43之间的连接螺钉拆除即可。如此，扩展接头42和连接接头43可选用耐磨材料、或耐腐蚀材料，提高扩展接头42和连接接头43的耐久性，而近端接头41选用常规轻质材料即可，由此低成本地实现末端执行器40的经久耐用；并且，即使长期使用导致零件磨损，也只需更换磨损部件，而不需要更换末端执行器40整体，由此降低成本。

进一步地，如图6所示，近端接头41和扩展接头42之间、扩展接头42和连接接头43之间、以及连接接头43和快换手柄44之间都设置有定位组件，定位组件为轴毂配合结构，保证近端接头41、扩展接头42和连接接头43之间的同轴度，从而保证末端执行器40、以及其与上钉器50等手术器械连接的稳定性。具体说，一、近端接头41和腕关节31：如图3和图4所示，近端接头41包括第一轴部411、以及设在第一轴部411近端的第一轴毂部412，第一轴毂部412通过第一定位销45与腕关节31的远端端面定位、且通过多个螺钉相固定。二、扩展接头42和近端接头41：如图4至图6所示，扩展接头42包括伸入第一轴部411内的第二轴部421、以及设在第二轴部421远端的第二轴毂部422，第一轴部411与第二轴部421紧配合，第二轴毂部422通过第二定位销46与第一轴部411的远端端面定位、且通过多个螺钉相固定。三、连接接头43和扩展接头42：如图4至图6所示，连接接头43包括第三轴部431和设在第三轴部431外周的第三轴毂部432，第三轴部431的近端伸入第二轴毂部422中、两者紧配合，第三轴毂部432通过第三定位销47与第二轴毂部422的远端端面定位、且通过多个螺钉相固定。四、快换手柄44与连接接头43：如图6和图7所示，连接接头43的第三轴部431内开设有轴向贯通的圆形内孔433，快换手柄44的近端为圆形的连接管441，连接管441伸入第三轴部431的圆形内孔433内、两者紧配合；并且，连接管441和第三轴部431之间还通过径向拧入的螺钉或销钉相固定，或者，连接管441和第三轴部431之间还焊接固定。

进一步地，如图7所示，快换手柄44除了包括连接管441以外，快换手柄44还包括棘轮组件442、拆装按钮443、内套管444、以及旋转套445。其中，旋转套445用于连接无菌袋或无菌袋支架，旋转套445可转动的套设在连接管441的外周，由此防止机械臂30的腕关节31带动末端执行器40旋转时无菌袋扭曲破裂。棘轮组件442作用于连接管441，当机械臂30的腕关节31通过近端接头41、扩展接头42和连接接头43带动连接管441按一个方向旋转至极值时，棘轮组件442发挥作用，限制连接管441的旋转，也就使连接管441只能转动到极值；之后，机械臂30的腕关节31带动连接管441自由回转，然后腕关节31再继续转动、并施加上钉扭矩。当然，在其他实施例中，当不限定腕关节31的极值时，腕关节31可以连续旋转，此时可以不设置棘轮组件442。内套管444中开设有连接孔446，拆装按钮443与内套管444相连；当拆装按钮443向近端推动时，能够将上钉器50安装在内套管444的连接孔446中、或者将上钉器50从连接孔446中拆下。内套管444的连接孔446可以设置为标准接口，在手术时可以快速更换手术器械，而不用拆卸快换手柄44。

上钉器50和内植物螺钉60

如图8、图9和图11所示，上钉器50包括起子杆51、以及可移动且可转动地套在起子杆51外周的套管52，起子杆51沿近端朝向远端的方向轴向延伸，起子杆51的近端插入内套管444的连接孔446中，实现起子杆51的近端与末端执行器40的远端相连。起子杆51的远端固定有位于套管52外部的挡块53，螺钉连接部为设在套管52远端的外螺纹段521。如图10所示，内植物螺钉60包括钉杆61、以及一体地固定在钉杆61近端的钉座62，钉座62中开设有与挡块53卡接配合的卡槽621，钉座62的内壁上设有与外螺纹段521螺纹连接的内螺纹段622。优选地，套管52的近端固设有旋转旋钮522，便于人工转动套管52。

将内植物螺钉60装在上钉器50上时，将内植物螺钉60的钉座62套在起子杆51的远端，并使挡块53卡接在卡槽621中；之后，通过旋转旋钮522旋转套管52，将套管52拧入内植物螺钉60的钉座62内，直至挡块53压紧在钉座62的底部、或钉杆61的头部，挡块53和卡槽621的配合可防止拧偏，保证同轴度，通过套管52远端的外螺纹段521与钉座62的内螺纹段622之间的螺纹配合实现内植物螺钉60与上钉器50远端的接合，完成内植物螺钉60的安装，则机械臂30的腕关节31即可通过末端执行器40和上钉器50带动内植物螺钉60转动，进行自动上钉。上钉结束后，通过旋转旋钮522反向旋转套管52，将套管52从内植物螺钉60的钉座62内旋出，实现内植物螺钉60与上钉器50远端的解锁，则机械臂30的腕关节31即可通过末端执行器40带动上钉器50退出。

优选地，如图9和图11所示，起子杆51的远端具有从套管52中向外伸出的一段插入部511，钉座62内设有容插入部511插入的定位孔，挡块53通过固定销54固定在插入部511上。挡块53能与套管52的远端相抵接；起子杆51的外周面上设有限位凸台512，限位凸台512位于套管52的外部，限位凸台512能与套管52的近端相抵接；通过挡块53和限位凸台512对套管52实现限位。起子杆51的近端从套管52中的伸出部分有一定长度，用于插入末端执行器40的连接孔446中，保证连接的稳固性。

具有上述结构的手术机器人自动上钉系统的工作原理如下：如图12所示，根据术者已规划的内植物螺钉60的规格和种类，选取合适的内植物螺钉60；将内植物螺钉60的钉座62套在起子杆51的插入部511上，再将套管52的外螺纹段521拧入钉座62内，完成内植物螺钉60在上钉器50远端的安装；将起子杆51插入末端执行器40的连接孔446中；根据术者预先设定的钉道和深度，控制单元20控制机械臂30的运动轨迹，自动将内植物螺钉60精准地植入患者体内预先设定的位置；在显示器70上确认内植物螺钉60的位置后，控制单元20控制腕关节31转动，腕关节31带动末端执行器40、上钉器50和内植物螺钉60一起转动，自动将内植物螺钉60钉入骨组织内；可选地，术者可通过控制单元20操作机械臂30沿内植物螺钉60的轴向施加一定的回退拉力，辅助术者判断内植物螺钉60是否有足够的抗拔力，该步骤对于确定内固定系统的稳定性具有重要的临床意义；最后，将套管52从内植物螺钉60的钉座62内旋出，机械臂30带动上钉器50退出工作区域。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种手术机器人自动上钉系统，其特征在于：包括机座(10)、都安装在机座(10)上的控制单元(20)和机械臂(30)、驱动机械臂(30)运动的臂驱动源、安装在机械臂(30)远端的末端执行器(40)、以及安装在末端执行器(40)远端的上钉器(50)，所述臂驱动源与控制单元(20)通讯连接，所述上钉器(50)的远端具有螺钉连接部，所述螺钉连接部用于和内植物螺钉(60)可拆卸连接；所述机械臂(30)的远端具有可转动的腕关节(31)，所述臂驱动源包括与腕关节(31)传动连接的转动驱动源，所述末端执行器(40)的近端与腕关节(31)的远端相固定。

2.根据权利要求1所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述腕关节(31)上安装有力传感器(32)，所述力传感器(32)与控制单元(20)通讯连接。

3.根据权利要求1所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述末端执行器(40)包括沿近端朝向远端的方向依次固定相连的近端接头(41)、扩展接头(42)、连接接头(43)和快换手柄(44)，所述近端接头(41)与腕关节(31)固定相连，所述快换手柄(44)的远端与上钉器(50)的近端可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述近端接头(41)和扩展接头(42)之间、所述扩展接头(42)和连接接头(43)之间、以及所述连接接头(43)和快换手柄(44)之间都设置有定位组件。

5.根据权利要求3所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述近端接头(41)与扩展接头(42)之间、所述扩展接头(42)与连接接头(43)之间、以及所述连接接头(43)与快换手柄(44)之间都通过数个螺钉固定相连。

6.根据权利要求3所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述快换手柄(44)的远端设有内套管(444)、以及与内套管(444)相连的拆装按钮(443)，所述内套管(444)中开设有连接孔(446)，所述上钉器(50)的近端可拆卸的插入在连接孔(446)中。

7.根据权利要求1所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：还包括安装在机械臂(30)远端的视觉系统、以及安装在机座(10)上的显示器(70)，所述视觉系统用于获取末端执行器(40)、上钉器(50)和内植物螺钉(60)的图像，所述视觉系统和显示器(70)都与控制单元(20)通讯连接。

8.根据权利要求1所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：还包括安装在机座(10)上的定位装置(80)，所述定位装置(80)与控制单元(20)通讯连接。

9.根据权利要求1所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述上钉器(50)包括起子杆(51)、以及可移动且可转动地套在起子杆(51)外周的套管(52)，所述起子杆(51)的近端与末端执行器(40)的远端相连，所述套管(52)通过所述螺钉连接部与内植物螺钉(60)可拆卸连接。

10.根据权利要求9所述的手术机器人自动上钉系统，其特征在于：所述套管(52)的近端固设有旋转旋钮(522)。

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