CN110251197A - 一种脊柱钻孔手术辅助装置 - Google Patents
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Abstract
一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：包括底座、立柱、七自由度机械臂；所述七自由度机械臂中的旋转关节能够改变阻尼并且能够锁紧；所述七自由度机械臂能够重力自平衡；所述七自由度机械臂末端为移动副并且进给运动可控；该脊柱钻孔手术辅助装置结构简单，功能容易实现，操作方便，能减轻医生的工作强度，降低手术失败的风险。
Description
技术领域
本发明涉及医用机器人领域，具体是一种脊柱钻孔手术辅助装置。
背景技术
针对骨质疏松性脊柱压缩性骨折目前我国主要采用经皮椎弓根螺钉内固定手术进行治疗，然而国内大多数医院实施经皮椎弓根螺钉内固定手术时依然是医生手持骨钻进行钻孔手术，医生长时间的手术操作所带来的疲劳以及医生手部的生理颤抖增加了手术失误的可能性；因此使用脊柱钻孔手术辅助装置能够很大程度地降低手术的风险并减轻医生的负担。其中脊柱钻孔辅助装置各个旋转关节能够改变阻尼以及锁紧是非常有必要的。当医生实施钻孔定位时，需要直接拖动脊柱钻孔辅助装置到达指定位置，在拖动的过程中，当机械臂末端离定位点较远时，减小各个旋转关节的阻尼，使末端能够快速到达定位点附近，提高作业效率；当机械臂末端到达定位点附近时，增加各个旋转关节的阻尼以方便定位；当机械臂末端到达定位点时，锁紧各个旋转关节以及移动关节，完成定位；脊柱钻孔手术辅助装置能够很好的减轻医生的工作强度，降低手术的风险。
发明内容
本发明是为了解决上述问题提出的，提出了一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：包括底座、立柱、七自由度机械臂；所述七自由度机械臂中的旋转关节能够变阻尼可控并且能够锁紧；所述七自由度机械臂能够重力自平衡；所述七自由度机械臂末端为移动副并且进给运动可控所述七自由度机械臂中的旋转关节能够变阻尼可控并且能够锁紧是通过装在旋转关节内的磁粉离合器实现；具体来说是通过改变输入给磁粉离合器的电流来改变磁粉离合器的阻尼力矩以实现旋转关节变阻尼，当电流大到使磁粉离合器的能提供阻尼力矩大于负载力矩时就实现了旋转关节的锁紧；所述七自由度机械臂通过悬挂重物能够重力自平衡；所述七自由度机械臂末端移动副的进给运动可控是通过直线模组实现的；所述底座包括箱体（1）、载物台（2）、移动元件（22），载物台固定元件（202），其特征在于：四个移动元件（22）与箱体（1）底部四个角固定连接，所述脊柱钻孔手术辅助装置可以通过移动元件（22）在地面任意地移动，所述箱体（1）侧面与所述载物台（2）侧面通过载物台固定元件（202）连接；所述立柱包括立柱主体（3）、导轨（4）、滚珠丝杠（5）、滚珠丝杠座（7）、电磁离合器（23）、滑轮（8）、绳子（6），平衡重物（24），其特征在于：立柱主体（3）下端与箱体（1）上表面固定连接，所述立柱主体（3）上装有滚珠丝杠（5），所述滚珠丝杠（5）上下两侧装有滚珠丝杠座（7），所述滚珠丝杠座（7）与所述立柱主体（3）固定连接，所述立柱主体（3）上固定连接着两条导轨（4），所述滑轮（8）与立柱主体上端固定连接，所述电磁离合器（23）与滚珠丝杠（5）下端固定连接；所述七自由度机械臂包括第一关节臂（9）、第二关节臂（11）、第三关节臂（12）、第四关节臂（13）、第五关节臂（14）、第六关节臂（15）、第一旋转关节（21）、第二旋转关节（20）、第三旋转关节（19）、第四旋转关节（18）、第五旋转关节（17）、第一移动关节（25）、第二移动关节（26）、滑块（16），其特征在于：所述第一关节臂（9）右端与所述立柱主体（3）上的两条导轨（4）形成移动副，所述第一关节臂（9）与所述第二关节臂（11）通过所述第一旋转关节（21）绕竖直方向转动，所述第二关节臂（11）与所述第三关节臂（12）通过第二旋转关节（20）绕竖直方向转动，所述第三关节臂（12）与所述第四关节臂（13）通过所述第三旋转关节（19）绕水平方向转动，所述第四关节臂（13）与所述第五关节臂（14）通过所述第四旋转关节（18）绕第四旋转关节轴线转动，所述第五关节臂（14）与所述第六关节臂（15）通过第五旋转关节（17）绕第五旋转关节轴线转动，所述滑块（16）与第六关节臂（15）形成第二移动关节（26）；所述滑块（16）与所述骨钻或穿刺工具（27）连接；当需要使用脊柱钻孔手术辅助装置进行穿刺时，滑块就与穿刺工具连接，具体的连接形式视情况而定；当需要使用脊柱钻孔手术辅助装置进行钻孔时，滑块就与骨钻连接，具体的连接形式视情况而定；所述旋转关节变阻尼可控并且能够锁紧，可以使用磁粉制动器，电源，磁粉制动器驱动器，单片机实现；当机械臂末端离手术定位点较远时，单片机控制磁粉驱动器输给磁粉离合器的电流较小，使阻尼力矩较小；当机械臂末端离手术定位点附近时，单片机控制磁粉离合器驱动器输给磁粉离合器的电流较大，使阻尼力矩增大；当机械臂末端到达手术定位点，单片机控制磁粉离合器驱动器输给磁粉离合器的电流增大使阻尼力矩大于负载力矩，从而旋转关节锁紧；第二移动关节的进给可控使用直线模组实现。
本发明提出的一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：所述立柱主体（3）上端与两个滑轮（8）固定连接，所述滑轮（8）一个位于立柱主体（3）前侧，所述滑轮（8）另一个位于立柱主体（8）后侧，所述立柱主体上部设有孔（301），所述绳子（6）左端与第一关节臂（9）连接，所述绳子（6）右端穿过立柱主体前侧滑轮，并从孔（301）穿出，并穿过立柱主体后侧的滑轮，最后绳子（6）右端与立柱主体后侧的平衡重物连接；所述箱体（1）侧面设有两条用于载物台（2）升降的导槽（101），所述载物台（2）与箱体（1）紧贴的一面设有两条载物台导槽（201），所述载物台固定元件（202）穿过导槽（101）与载物台导槽（202）从而将载物台（2）与箱体（1）连接在一起，调节载物台固定元件使载物台（2）能够在箱体上下滑动以便调节载物台的高度。
本发明提出的一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：所述两条导轨（4）与立柱主体（3）固定连接，所述两条导轨（4）沿着竖直方向布置，所述两条导轨（4）平行；所述第一关节臂右端两条导向槽（91）与导轨（4）形成移动副，所述第一关节臂（9）右端螺母孔及螺母（91）与滚珠丝杠（5）连接并构成丝杠螺母副，导向槽（91）与导轨（4）形成的移动副与第一关节臂（9）右端螺母孔及螺母（91）与滚珠丝杠（5）连接并构成的丝杠螺母副形成第一移动关节（25）。
本发明提出的一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：所述第一旋转关节（21）的旋转轴线竖直向下，所述第二旋转关节（20）的轴线竖直向下，第三旋转关节（19）的旋转轴线在水平方向上并且与第二旋转关节（20）的旋转轴线垂直交于一点，所述第四旋转关节（18）的旋转轴线与所述第三旋转关节（19）的旋转轴线垂直交于一点；所述第五旋转关节（17）的旋转轴线与所述第四旋转关节（18）的旋转轴线垂直交于一点；所述第三旋转关节的旋转轴线、所述第四旋转关节的旋转轴线、所述第五旋转关节的旋转轴线交于一点；所述第三旋转关节以及第四旋转关节以及第五旋转关节形成的末端角度微调机构实现绕竖直方向20°范围内可调。
附图说明
图1是本发明一种脊柱钻孔手术辅助装置的立体结构简图。
图2是本发明一种脊柱钻孔手术辅助装置工作时的立体结构简图。
图3是本发明一种脊柱钻孔手术辅助装置立柱部分的立体结构简图。
图4是本发明一种脊柱钻孔手术辅助装置机械臂远离立柱部分的立体简图。
图5是本发明一种脊柱钻孔手术辅助装置机械臂靠近立柱部分的立体简图。
图6是本发明一种脊柱钻孔手术辅助装置底座部分立体见图。
图中：1箱体，101导槽，2载物台，201载物台导槽，202载物台固定元件，3立柱主体，301孔，4导轨，5丝杠，6绳子，7丝杠座，8滑轮，9第一关节臂，91螺母孔及螺母，92导向槽，11第二关节臂，12第三关节臂，13第四关节臂，14第五关节臂，15第六关节臂，151导轨，16滑块，17第五旋转关节，18第四旋转关节，19第三旋转关节，20第二旋转关节，21第一旋转关节，22脚轮，23电磁离合器，24平衡重物，25第一移动关节，26第二移动关节，27骨钻或穿刺工具。
具体实施方式
在下面详细描述本发明的具体实施案例,所述具体实施示例在附图中已经标出，相同元件或者结构自始至终都使用相同的标号。
在本发明的描述中，一些方向或者位置关系术语，如“侧面”、“下端”、“上端”、“上表面”、“右端”、“左端”、“上”、“两侧”、“前侧”、“后侧”等，均是按附图所示的方位或者位置关系给出的；此外其他一些没有明确限定的术语都应该做广义的理解，例如“固定连接”只是说没有相对运动，“固定连接”的两个物体也可能拆开，即可拆卸连接；骨钻或穿刺工具（27）具体是什么视情况而定，当脊柱钻孔手术辅助装置做脊柱钻孔操作时，骨钻或穿刺工具（27）是骨钻；当脊柱钻孔辅助装置做脊柱穿刺操作时，骨钻或穿刺工具（27）是穿刺工具。
具体实施方式一：结合图2到图4说明具体实施方式一。具体实施方式完成了骨钻定位，钻孔等操作，而穿刺由其他装置完成。首先病人平卧在病床背部朝上，医生已经使用其他装置完成脊柱穿刺，主要由C-arm以及穿刺工具完成。在钻孔手术实施前，需要严格无菌的部分进行消毒，允许带菌的部分使用无菌塑料纸包覆，使手术术野区无菌。将骨钻固定在滑块（16）上，完成术前准备。当钻头末端远离穿刺点，减小各个旋转关节的阻尼以及松开电磁离合器，医生能过快速拖动钻臂使骨钻末端到达手术定位点（先前的脊柱穿刺点）附近，该过程主要是通过上下拖动第一移动关节，旋转第一旋转关节以及第二旋转关节以使钻头末端到达手术定位点（先前的脊柱穿刺点）附近；当钻头末端到达穿刺点附近时，适当增加各个旋转关节的阻尼有利于钻臂的定位，并且微拖动机械臂末端并微调第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节使钻头末端到达穿刺点并且钻头轴线与穿刺孔同轴线；当钻头末端到达穿刺点并且钻头轴线与穿刺孔同轴线时，迅速增加所有旋转关节的阻尼使阻尼力矩大于负载力矩从而使旋转关节锁紧；并且电磁离合器通电使丝杠不能转动从而使第一关节臂不能沿导轨上下滑动，实现第一移动关节锁紧。当完成定位和锁紧操作后，机械臂末端的第二移动关节实现自动进给到医生给定的深度，第二移动关节的自动进给可以用直线模组，驱动器，电源，单片机实现。钻孔过程中，使用C-arm随时检测钻头的位置以及方位，当位置或者方位出现偏差立即停止钻孔并退出钻头，再重新进行定位以及钻孔，当钻到合适的位置时，退出钻头，并使骨钻钻头离穿刺点有一定的安全距离，适当减小各个关节的阻尼并松掉电磁离合器，拖动钻臂使钻臂末端远离穿刺点，从而完成了整个钻孔手术。
具体实施方式二：结合图2到图4进行说明具体实施方式二。具体实施方式二既完成脊柱穿刺又完成脊柱钻孔。首先病人平卧在病床背部朝上，在脊柱穿刺前，需要严格无菌的部分进行严格消毒处理，允许带菌的部分使用无菌纸包覆，使手术术野无菌；将穿刺工具（例如穿刺套筒）固定在滑块（16）上，当穿刺工具远离穿刺点时，减小各个旋转关节的阻尼并且松开电磁离合器，拖动机械臂使穿刺工具靠近穿刺点，当穿刺工具到达穿刺点附近时，增加各个旋转关节的阻尼以利于定位，当穿刺工具到达了穿刺点并且穿刺工具的方位与需要穿刺的方位相同时，迅速增加各旋转关节的阻尼使阻尼力矩大于负载力矩（并且有一定的安全系数，例如阻尼力矩大于负载力矩的1.5倍）使各旋转关节锁紧；同时电磁离合器通电使电磁离合器锁紧从而使第一移动关节锁紧，同时第二移动关节不进给；完成穿刺工具定位后，使用克氏针进行穿刺，使用C-arm观察穿刺的深度方位，到达指定的深度后，退出克氏针，减小各个旋转关节的阻尼，松开电磁离合器拖动机械臂远离穿刺点，取下穿刺套筒，完成穿刺过程。接下来完成脊柱钻孔手术。在脊柱钻孔手术实施前，需要严格无菌的部分进行消毒，允许带菌的部分使用无菌塑料纸包覆，使手术术野区无菌。将骨钻固定在滑块（16）上，完成术前准备。当骨钻钻头末端远离穿刺点，减小各个旋转关节的阻尼并松开电磁离合器，医生能过快速拖动机械臂使钻头末端到达穿刺点附近，该过程主要是通过上下拖动第一移动关节，旋转第一旋转关节以及第二旋转关节；当钻头末端达到穿刺点附近时，恰当增加各个旋转关节的阻尼有利于机械臂的定位，并且微拖动机械臂并微调第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节使钻头末端到达穿刺点并且钻头轴线与穿刺孔同轴线；当钻头末端到达穿刺点以及钻头轴线与穿刺孔同轴线时，迅速增加各个旋转关节的阻尼使阻尼力矩大于负载力矩从而使旋转关节锁紧；并且电磁离合器通电使丝杠不能转动从而使第一关节臂不能沿导轨上下滑动，从而实现锁紧。当完成定位和锁紧操作后，机械末端的第二移动关节自动进给到医生给定的深度，第二移动关节的自动进给可以用直线模组，驱动器，电源，单片机实现，钻孔过程中，使用C-arm随时检测钻孔的位置以及方位，当位置或者方位出现偏差立即停止钻孔并退出钻头，再重新进行定位以及钻孔，当钻到合适的位置时，退出钻头，并使骨钻钻头离穿刺点有一定的安全距离，适当减小各个关节的阻尼并松掉电磁离合器，拖动机械臂使骨钻末端远离穿刺点，从而完成了整个钻孔手术。
具体实施方式三：具体实施方式三仅仅完成脊柱穿刺过程，钻孔操作由医生手动完成。首先病人平卧在病床背部朝上，在脊柱穿刺前，需要严格无菌的部分进行严格消毒处理，允许带菌的部分使用无菌纸包覆，使手术术野无菌；将穿刺工具（例如穿刺套筒）固定在滑块（16）上，当穿刺工具远离穿刺点时，减小各个旋转关节的阻尼并且松开电磁离合器，拖动机械臂使穿刺工具靠近穿刺点，当穿刺工具到达穿刺点附近时，增加各个旋转关节的阻尼以利于定位，当穿刺工具到达了穿刺点并且穿刺工具的方位也和需要穿刺的方位相同时，迅速增加各旋转关节的阻尼使阻尼力矩大于负载力矩（并且有一定的安全系数，例如阻尼力矩大于负载力矩的1.5倍）使各旋转关节锁紧；电磁离合器通电使电磁离合器锁紧从而使第一移动关节锁紧，同时第二移动关节不进给；完成穿刺工具定位后，使用克氏针进行穿刺，使用C-arm观察穿刺的深度方位，到达指定的深度后，退出克氏针，减小各个旋转关节的阻尼，松开电磁离合器拖动机械臂远离穿刺点，取下穿刺套筒，完成穿刺过程。
Claims (4)
1.一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：包括底座、立柱、七自由度机械臂；所述七自由度机械臂中的旋转关节能够改变阻尼并且能够锁紧；所述七自由度机械臂能够重力自平衡；所述七自由度机械臂末端为移动副并且进给运动可控；
所述七自由度机械臂中的旋转关节能够变阻尼可控并且能够锁紧是通过装在旋转关节内的磁粉离合器实现；具体来说是通过改变输入给磁粉离合器的电流来改变磁粉离合器的阻尼力矩以实现旋转关节变阻尼，当电流大到使磁粉离合器能提供的阻尼力矩大于负载力矩时就实现了旋转关节的锁紧；所述七自由度机械臂通过悬挂重物以实现重力自平衡；所述七自由度机械臂末端移动副的进给运动可控是通过直线模组实现的；
所述底座包括箱体（1）、载物台（2）、移动元件（22），载物台固定元件（202），其特征在于：四个移动元件（22）与箱体（1）底部四个角固定连接，所述脊柱钻孔手术辅助装置通过移动元件（22）能在地面移动，所述箱体（1）侧面与所述载物台（2）侧面通过载物台固定元件（202）连接；
所述立柱包括立柱主体（3）、导轨（4）、滚珠丝杠（5）、滚珠丝杠座（7）、电磁离合器（23）、滑轮（8）、绳子（6），平衡重物（24），其特征在于：立柱主体（3）下端与箱体（1）上表面固定连接，所述立柱主体（3）上装有滚珠丝杠（5），所述滚珠丝杠（5）上下两侧装有滚珠丝杠座（7），所述滚珠丝杠座（7）与所述立柱主体（3）固定连接，所述立柱主体（3）上固定连接着两条导轨（4），所述滑轮（8）与立柱主体上端固定连接，所述电磁离合器（23）与滚珠丝杠（5）下端固定连接；
所述七自由度机械臂包括第一关节臂（9）、第二关节臂（11）、第三关节臂（12）、第四关节臂（13）、第五关节臂（14）、第六关节臂（15）、第一旋转关节（21）、第二旋转关节（20）、第三旋转关节（19）、第四旋转关节（18）、第五旋转关节（17）、第一移动关节（25）、第二移动关节（26）、滑块（16），其特征在于：所述第一关节臂（9）右端与所述立柱主体（3）上的两条导轨（4）形成移动副，所述第一关节臂（9）与所述第二关节臂（11）通过所述第一旋转关节（21）绕竖直方向转动，所述第二关节臂（11）与所述第三关节臂（12）通过第二旋转关节（20）绕竖直方向转动，所述第三关节臂（12）与所述第四关节臂（13）通过所述第三旋转关节（19）绕水平方向转动，所述第四关节臂（13）与所述第五关节臂（14）通过所述第四旋转关节（18）绕第四旋转关节轴线转动，所述第五关节臂（14）与所述第六关节臂（15）通过第五旋转关节（17）绕第五旋转关节轴线转动，所述滑块（16）与第六关节臂（15）形成第二移动关节（26）；所述滑块（16）与所述骨钻或穿刺工具（27）连接。
2.根据权利要求1所述的一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：所述立柱主体（3）上端与两个滑轮（8）固定连接，所述滑轮（8）一个位于立柱主体（3）前侧，所述滑轮（8）另一个位于立柱主体（8）后侧，所述立柱主体上部设有孔（301），所述绳子（6）左端与第一关节臂（9）连接，所述绳子（6）右端穿过立柱主体前侧滑轮，并从孔（301）穿出，并穿过立柱主体后侧的滑轮，最后绳子（6）右端与立柱主体后侧的平衡重物连接；所述箱体（1）侧面设有两条用于载物台（2）升降的导槽（101），所述载物台（2）与箱体（1）紧贴的一面设有两条载物台导槽（201），所述载物台固定元件（202）穿过导槽（101）与载物台导槽（202）从而将载物台（2）与箱体（1）连接在一起，调节载物台固定元件使载物台（2）能够在箱体上下滑动以便调节载物台的高度。
3.根据权利要求1所述的一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：所述两条导轨（4）与立柱主体（3）固定连接，所述两条导轨（4）沿着竖直方向布置，所述两条导轨（4）平行；所述第一关节臂右端两条导向槽（91）与导轨（4）形成移动副，所述第一关节臂（9）右端螺母孔及螺母（91）与滚珠丝杠（5）连接并构成丝杠螺母副，导向槽（91）与导轨（4）形成的移动副与第一关节臂（9）右端螺母孔及螺母（91）与滚珠丝杠（5）连接并构成的丝杠螺母副形成第一移动关节（25）。
4.根据权利要求1所述的一种脊柱钻孔手术辅助装置，其特征在于：所述第一旋转关节（21）的旋转轴线竖直向下，所述第二旋转关节（20）的轴线竖直向下，第三旋转关节（19）的旋转轴线在水平方向上并且与第二旋转关节（20）的旋转轴线垂直交于一点，所述第四旋转关节（18）的旋转轴线与所述第三旋转关节（19）的旋转轴线垂直交于一点；所述第五旋转关节（17）的旋转轴线与所述第四旋转关节（18）的旋转轴线垂直交于一点；所述第三旋转关节的旋转轴线、所述第四旋转关节的旋转轴线、所述第五旋转关节的旋转轴线交于一点；所述第三旋转关节、第四旋转关节以及第五旋转关节形成的末端角度微调机构实现末端进给装置绕竖直方向20°范围内可调。
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