JP7278017B2 - 整形外科用ｚ形切断ガイド装置及びそれを備えた整形外科用ロボット - Google Patents

Description

本発明は、整形外科手術における骨の切断を誘導案内するための整形外科用Ｚ形切断ガイド装置及び整形外科用Ｚ形切断ガイド装置が取り付けられた整形外科用ロボットに関する。

ロボット技術の飛躍的な発展に伴い、その利用需要は多岐に亘っており、医療分野の発展の見込みも目覚ましい。整形外科的処置の観点から、ロボットを補助する利点は、ますます顕著になっている。骨の切断作業において、切断面は、常に操作者の手と目視によって大きな面積を占めるように決定され、これは、作業全体の精度に大きな影響を与え、ひいては患者のリハビリの進行に影響を及ぼす。

上記技術的課題を解決するために、本願は、精確に位置決めすることができる整形外科用Ｚ形切断ガイド装置及びそれを用いた整形外科用ロボットを提供し、術者が作業中に切断面の位置と角度を確定するのを補助し、ロボットアームの能動モードと受動モードに合わせて、両者の相互切り替えにより切断面の精確な位置決めを実現する。

本発明の技術的解決手段は、クイック取り付けフランジと、取り付けベースと、Ｚ形拡張ハンドルと、位置規制器と、を備える整形外科用Ｚ形切断ガイド装置であって、前記クイック取り付けフランジの一端は、ロボットアームの末端に取り付けられ、位置決め構造によりクイック位置決めされ、前記クイック取り付けフランジの他端は、取り付けベースに搭載され、前記取り付けベースには、Ｚ形拡張ハンドルが固定接続され、前記Ｚ形拡張ハンドルの末端には、位置規制器が固定接続され、前記位置規制器の中央には、振り子鋸の刃よりやや広く、刃の通過を許容するガイド溝が形成されることを特徴とする整形外科用Ｚ形切断ガイド装置である。

前記Ｚ形拡張ハンドルはシフトハンドルが中間ねじで固定されている。

前記クイック取付けフランジは、溝状であり、前記位置決め構造は、前記クイック取付けフランジの正面に配置された３つのピン穴を含み、前記３つのピン穴は、二等辺三角形に配置され、それぞれ、クイック位置決めピン、円筒ピン、及び菱形ピンに対応し、頂点の前記ピン穴は、前記クイック取付けフランジ及びロボットアームの端部との接合部の前記クイック位置決めピンと締まり嵌めするように構成され、底辺の前記２つのピン穴は、それぞれ、前記円筒ピン及び前記菱形ピンと係合する。

前記クイック取付けフランジの前面には、前記ピン穴の二等辺三角形と反対側に位置し、３つの皿穴からなる二等辺三角形が設けられ、前記クイック取付けフランジと前記ロボットアーム先端接続部とは、３つの皿ボルトによって前記３つの皿穴をそれぞれ貫通して締結される。

前記クイック取付フランジの前面に、前記取付基部を前記クイック取付フランジに締結するための２つのネジ穴がさらに設けられている。

前記クイックマウントフランジの正面の３つのピン穴、３つの座ぐり穴（ザグリ穴）、および２つのねじ穴は、同一円周上にあり、互いの間に４５°の角度を有する。

前記取り付けベースは、クイック取り付けフランジと実質的に同じ形状を有し、取り付けベースの溝面には、円柱ピン及び菱形ピンとそれぞれ締まり嵌めされ、２つのピン穴と取り付けベースの円中心とを結ぶ線が９０°の角度をなす２つのピン穴が存在する。

前記取り付けベースの凹溝面に、六角穴付ボルトと係合してＺ字状のエクステンションバットを取り付けベースに固定するための六角穴付ボルト用の２つの六角穴が設けられている。

前記取付基部の前面に、六角穴付ボルトによって前記取付基部を前記ロボットアームの先端接続部に固定するための２つの六角穴付ザグリ貫通孔が設けられている。

第一の六角穴付きザグリ貫通孔と第二の六角穴付きザグリ貫通孔とは、互いに９０°の角度をなすように、互いにネジ穴の向きが反対である。

前記取り付けベースの正面には長方形凹溝が併設され、該長方形凹溝の底部は六角穴付きザグリ貫通孔の貫通を許容する。

前記長方形の凹部の４つの頂点に、３／４円柱の凹部が設けられている。

前記Ｚ形拡張ハンドルは全体がＺ形構造であり、Ｚ形拡張ハンドルの取り付けベースとの合わせ面には、取り付けベースの凹溝面の六角穴付きザグリ貫通孔と互いに対応する２つのネジ穴が設けられ、取り付けベースとＺ形拡張ハンドルとはボルトにより締結される。

前記Ｚ形の拡張レバーの２つの角が鈍角である。

前記Ｚ形拡張ハンドルの前方に、位置規制器の中間垂直セクションと係合するクイック・ポジショニング・キャッチ・スロットがある。

前記Ｚ形拡張ハンドルの上方に第一のネジ穴が設けられ、前記位置規制器に第一のネジ穴の位置に対応する第二のザグリ貫通孔が設けられ、位置規制器とＺ形拡張ハンドルは第一のネジ穴と第二のザグリ貫通孔を貫通してネジで固定される。

前記位置規制器もＺ形であり、その折り曲げ角度がいずれも直角である。

前記Ｚ形拡張ハンドルの外表面には、二位置が互いにずれた第一の微小半円凹溝が設けられ、前記位置規制器の外表面には、同様に二位置が互いにずれた第二の微小半円凹溝が設けられ、前記第一の微小半円凹溝と前記第二の微小半円凹溝とは、同じ水平面に位置せず、前記第一の微小半円凹溝と前記第二の微小半円凹溝は共同してＺ形切断ガイド装置の位置決めを行う。

更に、本願は、能動モードと受動モードとの間で切り替え可能なロボットアームと、上記のような整形外科用Ｚ形切断ガイドと、を含み、両者の相互切り替えにより当該整形外科用ロボットのＺ形切断ガイドを動かして、切断面の精確な位置決めを実現する整形外科用ロボットを提供する。

従来技術と比較して、本願の有益な効果は、本願のクイック取付フランジ正面にピン孔二等辺三角形と反対の三つの皿穴からなる二等辺三角形を設置し、皿ボルトが当該皿穴を貫通してクイック取付フランジとロボットアーム末端接合部を締着し、力を均一に保持し、且つクイック取付フランジ上面の空間を十分に節約でき、本願のＺ形拡張ハンドル二回の回転角が何れも鈍角であり、Ｚ形切断ガイド装置全体を十分に拡張して作業者に多くの作業空間を残すことができ、Ｚ形拡張ハンドルの前方にクイック位置決め係止溝が存在し、位置規制器とＺ形拡張ハンドルの相対位置を迅速に位置決めでき、本願は現在の整形外科手術における骨を切り取る時の位置偏差の問題に対して、ロボットアームの主動モードと受動モードを切り替えることで、当該装置の迅速な位置決めと案内を実現し、これにより作業者にさらに優れた操作モードを提供し、構造が簡単で信頼性が高い。

本願の１つの整形外科用Ｚ形切断ガイド装置の構造を示す模式図である。 本願の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置の斜視図である。 本願の整形外科手術用ロボットにおけるロボットアーム先端のインターフェース（接続口）の概略図である。 本願の整形外科手術ロボットのロボットアームとクイックマウントフランジとの位置決め接続後の構造模式図である。 本願の設置ベースのスロット面の構造模式図である。 本考案の設置台座正面の構造模式図である。 本願のＺ形拡張ハンドルの構造模式図である。 本出願の制限アームの構造模式図である。

図中、１－クイックマウントフランジ（クイック取付フランジ、クイック装着フランジ）、２－マウントベース（取り付けベース）、３－Ｚ形拡張ハンドル（Ｚ形拡張シャンク）、４－位置規制具（ストッパー）、５－シフトハンドル、６－菱形ピン、７－円筒ピン、８－ガイド溝、９－第一の六角穴付ザグリ貫通孔、１０－整形外科用Ｚ形切断ガイド、１１－皿穴、１２－ピン穴、１３－ネジ穴Ａ、１４－第二の六角穴付ザグリ貫通孔、１５－ロボットアーム、１６－長方形凹溝、１７－クイックマウントブラケット、１８－第一のネジ穴、１９－第二のネジ穴、２０－第一の微小半円凹溝、２１－第二の微小半円凹溝、２２－ネジ穴Ｂ。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１、図２に示すように、本願の前記整形外科用Ｚ形切断ガイド１０は、一端がロボットアーム１５の末端に取り付けられ、位置決め構造により迅速に位置決めされる迅速取り付けフランジ１と、他端が取り付けベース２を搭載する取り付けベース２と、Ｚ形拡張ハンドル３が固定連結されたＺ形拡張ハンドル３と、末端に位置規制器４が固定連結されたＺ形拡張ハンドル３と、を備え、前記位置規制器４の中央には、振り子刃よりやや広く、刃の通過を許容するガイド溝８が開けられている。

前記Ｚ形拡張ハンドル３には操作者がＺ形切断及びガイド装置１０の迅速な移動を容易にするためにシフトハンドル５がネジ止めされている。

図３及び図４に示すように、クイックマウントフランジ１は、溝状を呈し、それ自体が円筒形であり、位置決め構造は、３つのピン穴１２を含み、３つのピン穴１２は、クイックマウントフランジ１の正面に配置され、二等辺三角形の分布を呈し、且つ、クイック位置決めピン、円筒形ピン６及びひし形ピン７にそれぞれ対応する。頂点にクイック位置決めピンを配置して、クイック取付フランジ１とロボットアーム１５の端部接合部との間の正確な締まり嵌めを可能にする。なお、円筒形ピン６と菱形ピン７は底辺の２つのピン穴にそれぞれ取り付けられ、一方の２ピン位置決め原理により、取り付けベース２は速やかに位置決めされる。

また、クイック取付けフランジ１の正面には、ピン穴の二等辺三角形とは反対側に、３つの皿穴１１からなる二等辺三角形が設けられ、皿穴１１を３つの皿ボルトがそれぞれ貫通しており、これにより、クイック取付けフランジ１とロボットアーム１５の末端接続部とを締着し、力を均等に保持することができ、同時に、クイック取付けフランジ１の上面の空間を十分に節約できる。

また、クイックマウントフランジ１の前面に、マウント基部２をクイックマウントフランジ１に固定するための２つのネジ穴Ａ１３が設けられている。

前記クイック装着フランジ１の前記前面の３つのピン穴１２、３つのザグリ貫通孔（皿穴）１１、及び２つのネジ穴Ａ１３は、同一の円周上にある。ピン孔１２、ダボ挿通孔１１、ネジ穴Ａ１３の角度は４５°に設定されており、加工工数を削減するとともに加工精度を確保するようにしている。

図５、図６に示すように、前記取り付けベース２は、クイック取付フランジ１とほぼ同一の形状を有し、且つクイック取付フランジ１と固定接続され、取り付けベース２の溝面には、２つのピン穴が設けられており、それぞれがクイック取付フランジ１の正表面を通過する円柱ピンと菱形ピンと締まり嵌め可能であり（一つは、断面円の円柱ピンの締り嵌め構造、もう一つは、断面菱形の菱形ピンの締り嵌め構造である）、２つのピン穴と取り付けベース２の円中心とを結ぶ線が９０°の角度を有し、クイック取付フランジ１の正面のピン穴を十分に利用することができる。

前記取り付けベースの凹溝面には六角穴付ボルトと嵌合してＺ形拡張ハンドル３を取り付けベースに固定するための第一の六角穴付ザグリ貫通孔９が２つ設けられ、前記取り付けベース２の正面には、２つの第二の六角穴付きザグリ貫通孔１４が設けられ、該正面の第二の六角穴付きザグリ貫通孔１４は、六角穴付きボルトによって取り付けベース２をロボットアーム１５の末端接続口に固定し、第一の六角穴付きザグリ貫通孔９と第二の六角角穴付きザグリ貫通孔１４とは、ねじ穴の向きが反対であり、互いに９０°の線をなしている。前記取り付けベース２の正面には長方形凹溝１６が共に設けられ、該長方形凹溝１６の底部は六角穴付きザグリ貫通孔９の貫通を許容する。前記長方形凹部１６の四つの頂点には、３／４円柱凹部が設けられ、フライス加工工程で直角が近似できるのみであるため、３／４円柱凹部により直角加工の不便を回避することができ、Ｚ形のエクステンションバット３と取り付けベース２の速やかな位置決めに寄与する。

図７、図８に示すように、前記Ｚ形拡張ハンドル３は全体がＺ形構造であり、その取り付けベース２との合わせ面に対応して２つのネジ穴Ｂ２２が設けられ、該ネジ穴Ｂ２２は取り付けベース２の凹溝面の六角穴付きザグリ貫通孔９と対応してボルトで締結される。前記Ｚ形の拡幅ハンドル３は、２回の回転角度が鈍角に形成され、Ｚ形の切断ガイド全体を十分に拡開することができ、作業者にとって作業スペースを多くとることができる。前記Ｚ形拡張ハンドル３の前方には、位置規制器４の中間垂直段と嵌合するクイック位置決め係止溝１７があり、位置規制器４とＺ形拡張ハンドル３のクイック位置決めを実現する。

前記Ｚ形拡張ハンドル３の上方に第一のネジ穴１８が設けられ、前記位置規制器４に第一のネジ穴１８の位置に対応する第二のネジ穴１９が設けられ、位置規制器４とＺ形拡張ハンドル３は第一のネジ穴１８と第二のネジ穴１９を通してネジで締結される。

前記位置規制器４もＺ形であり、その折り曲げ角度はいずれも直角である。

前記Ｚ形拡張ハンドル３の外表面には、２つの位置が交互に入れ替わる第一の微小半円凹溝２０が設けられ、前記位置規制器４の外表面には、同様に２つの位置が交互に入れ替わる第二の微小半円凹溝が設けられ、前記微小半円凹溝２０と前記第二の微小半円凹溝とは、同じ水平面に位置せず、前記微小半円凹溝２０と前記微小半円凹溝２１は共同してジグザグ切断ガイドの位置決めを行う。位置決め工程は、プローブをマイクロ半円溝１（２０）とマイクロ半円溝２（２１）の位置にポイントし、次に両眼視装置でプローブの位置を読み取り、姿勢変換を通じて、Ｚ形切断ガイド装置の全空間における位置を確定する。

更に、本願は、上述のような整形外科用Ｚ形切断ガイド１０と、能動モードと受動モードとの間で切り替え可能であり、且つ、両者の相互切替により当該整形外科用ロボットのＺ形切断ガイド１０を動かすロボットアーム１５と、を備える整形外科用ロボットを提供し、例えば、受動モードでは、ロボットアームを作業位置の近くまで手動で引き、能動モードに切り替えて、ロボットアームをアルゴリズムに従って自走させて、切断面の精密な位置決めを実現する。これにより、操作者にとってより優れた操作モードが提供され、構造が簡単で信頼性が高い。

＜産業上の利用可能性＞
本願の整形外科用ロボットは、上記のようにしてＺ形切断ガイド１０を装着した後、位置規制器４の切欠を利用して切断位置を決定し、作業者が再び、振り子ブレードを位置規制器４の切欠に沿って挿入した後、切断作業を行うことにより、経験的に切断速度と深さを調節することができ、作業が完了した後、振り子ブレードを戻し、ロボットアーム１５を安全位置に調節することができる。

本発明の設計の特徴と有益な効果は、クイック取り付けフランジ正面に３つのピン孔と３つの皿穴が設けられ、３つのピン孔の間の接続線が構成する二等辺三角形と３つの皿穴の間の接続線が構成する二等辺三角形が互いに逆であり、前記ピン孔は、それぞれ、クイック位置決めピン、円柱ピン、及び菱形ピンと嵌合して取り付けベースをクイック位置決めし、皿ボルトが当該皿穴を貫通してクイック取り付けフランジとロボットアーム末端接続部を締め付けることにより、力を均一に保持し、且つクイック取り付けフランジ上面の空間を十分に節約でき、Ｚ形拡張ハンドルの２つの角がいずれも鈍角であり、Ｚ形切断ガイド装置全体を十分に拡張して、作業者に多くの作業空間を残すことができるとともに、Ｚ形拡張ハンドル前方にクイック位置決め係止溝が存在し、位置規制器とＺ形拡張ハンドルの相対位置をクイック位置決めでき、本発明は、現在の整形外科手術で骨を切り取る際に存在する位置ズレの問題に対して、ロボットアームの主動と受動モードを切り替えることにより、当該装置のクイック位置決めと案内を実現し、これにより、作業者にさらに優れた操作モードを提供し、構造が簡単で、信頼性が高い。

Claims (14)

1. クイック装着フランジ（１）と、取り付けベース（２）と、Ｚ形拡張ハンドル（３）と、位置規制器（４）と、を備える整形外科用のＺ形切断ガイド装置であって、
   前記クイック装着フランジ（１）の一端は、ロボットアームの末端に取り付けられ、位置決め構造によって急速位置決めが行われ、前記クイック装着フランジ（１）の他端は、前記取り付けベース（２）を搭載し、前記取り付けベース（２）に前記Ｚ形拡張ハンドル（３）が固定接続され、前記Ｚ形拡張ハンドル（３）の末端に前記位置規制器（４）が固定接続され、前記位置規制器（４）の中央には、振子鋸の刃よりもやや幅広で、刃の通過を許容するガイド溝が開設されており、
   前記クイック装着フランジ（１）は、凹溝状を呈し、前記位置決め構造は、前記クイック装着フランジ（１）の正面に設けられている３つのピン孔（１２）を含み、前記３つのピン孔（１２）は、頂点が下にある二等辺三角形に分布し、それぞれクイック位置決めピン、円柱ピン（７）及び菱形ピン（６）に対応し、頂点にあるピン孔は前記クイック装着フランジ（１）とロボットアーム末端接続口のクイック位置決めピンとの締まり嵌めに用いられ、底辺にある２つのピン孔はそれぞれ円柱ピン（７）及び菱形ピン（６）と嵌合し、
   前記クイック装着フランジ（１）の正面には、３つのピン孔（１２）からなる二等辺三角形の頂点の向きと逆方向となる位置に頂点がある３つの皿穴（１１）からなる二等辺三角形がさらに設けられ、前記クイック装着フランジ（１）とロボットアーム（１５）の末端接続口は、３つの皿ボルトによって、３つの皿穴（１１）をそれぞれ貫通して締め付けられ、
   前記クイック装着フランジ（１）の正面には、更に、前記取り付けベース（２）を前記クイック装着フランジ（１）に締着するための２つのネジ穴（１３）が存在し、
   前記クイック装着フランジ（１）の正面の３つのピン孔（１２）、３つの皿穴（１１）及び２つのネジ穴（１３）は、同一の円周上に位置し、互いの間の角度は４５°であり、
   前記取り付けベース（２）は、前記クイック装着フランジ（１）とほぼ同一の形状を有し、前記取り付けベース（２）の凹溝面には、２つのピン孔があり、一つは、円柱ピン（７）と締り嵌め、もう一つは、菱形ピン（６）と締り嵌め、２つのピン孔と取り付けベース（２）の円心との間の接続線の夾角は、９０°であることを特徴とする整形外科用のＺ形切断ガイド装置。
2. 前記Ｚ形拡張ハンドル（３）にはシフトハンドル（５）がネジとめされていることを特徴とする請求項１に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
3. 前記取り付けベース（２）の凹溝面には、六角穴付ボルトと嵌合して前記Ｚ形拡張ハンドル（３）を前記取り付けベース（２）に固定するための第一の六角穴付ザグリ貫通孔（９）が２つ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の整形外科用のＺ形切断ガイド装置。
4. 前記取り付けベース（２）の正面には、第二の六角穴付きザグリ貫通孔（１４）が２つ設けられ、前記第二の六角穴付きザグリ貫通孔（１４）は、六角穴付きボルトによって前記取り付けベース（２）を前記ロボットアーム（１５）の末端接続口に固定するためのものであることを特徴とする、請求項３に記載の整形外科用のＺ形切断ガイド装置。
5. 前記第一の六角穴付きザグリ貫通孔（９）と前記第二の六角穴付きザグリ貫通孔（１４）のネジ穴の向きは反対であり、前記第一の六角穴付きザグリ貫通孔（９）の間の接続線と前記第二の六角穴付きザグリ貫通孔（１４）の間の接続線は互いに９０°をなすことを特徴とする請求項４に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
6. 前記取り付けベース（２）の正面には長方形凹溝（１６）が設けられ、前記長方形凹溝（１６）の底部は、前記第一の六角穴付きザグリ貫通孔（９）の貫通を許容することを特徴とする、請求項５に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
7. 前記長方形凹溝（１６）の４つの頂点には、３／４円柱凹溝が設けられることを特徴とする請求項６に記載の整形外科のＺ形切断ガイド装置。
8. 前記Ｚ形拡張ハンドル（３）は全体がＺ形構造であり、前記Ｚ形拡張ハンドル（３）の前記取り付けベース（２）との合わせ面には２つのネジ穴（２２）が対応して設けられ、該ネジ穴（２２）と前記取り付けベース（２）の凹溝面の六角穴付きザグリ貫通孔（９）とは互いに対応し、ボルトによって前記取り付けベース（２）と前記Ｚ形拡張ハンドル（３）とが締め付けられるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
9. 前記Ｚ形拡張ハンドル（３）のＺ曲げの２つの角は、いずれも鈍角であることを特徴とする請求項１に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
10. 前記Ｚ形拡張ハンドル（３）の先端の前方に、前記位置規制器（４）の中間垂直セグメントと嵌合するクイック位置決め係止溝があることを特徴とする、請求項３に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
11. 前記Ｚ形拡張ハンドル（３）の先端の上方に第一のネジ穴（１８）が設けられ、前記位置規制器（４）に第一のネジ穴（１８）の位置に対応する第二のネジ穴（１９）が設けられ、前記位置規制器（４）と前記Ｚ形拡張ハンドル（３）がボルトにより第一のネジ穴（１８）と第二のネジ穴（１９）に通されてロックされることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
12. 前記位置規制器（４）もＺ形であり、その折り曲げ角度はいずれも直角であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の整形外科のＺ形切断ガイド装置。
13. 前記Ｚ形拡張ハンドル（３）の外表面に、２つの位置がずれた第一の微小半円凹溝（２０）が設けられ、前記位置規制器（４）の外表面に、２つの位置がずれた第二の微小半円凹溝（２１）が同様に設けられ、前記第一の微小半円凹溝（２０）と前記第二の微小半円凹溝（２１）は同じ水平面に位置せず、前記第一の微小半円凹溝（２０）と前記第二の微小半円凹溝（２１）の両方によってＺ形切断ガイド装置の位置決めが行われることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載の整形外科用Ｚ形切断ガイド装置と、ロボットアーム（１５）とを備える整形外科用ロボットであって、前記ロボットアームは、能動モードと受動モードの両方を有し、能動モードと受動モードの切り替えによって切断面の正確な位置決めを実現するように前記整形外科用ロボットの前記整形外科用Ｚ形切断ガイド装置を駆動させる、整形外科用ロボット。

Images