CN115517763A - 光学定位装置及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学定位装置及手术机器人，光学定位装置包括：光学示踪器；单一的固定结构，用于固定在骨骼中；稳定结构，安装在固定结构上，稳定结构能与骨骼的骨面连接；连接结构，光学示踪器通过连接结构与稳定结构连接。本发明的光学定位装置及手术机器人，通过安装在固定结构上的稳定结构与骨面连接，从而提高了固定结构的稳定性，避免手术过程中固定结构松动而造成光学示踪器与患者的相对位置发生变化，并且光学示踪器通过连接结构与稳定结构连接，可以避免安装光学示踪器的位置时造成固定结构松动，因此，本发明无需通过多个固定结构钻入骨骼中便能确保光学示踪器的稳定性，使手术机器人在手术过程通过光学示踪器获取的患者位置更准确。

Description

光学定位装置及手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别地，涉及一种光学定位装置及手术机器人。

背景技术

手术机器人主要由机械臂、光学相机和主机构成。光学相机相当于眼睛，通过固定在机械臂上的光学示踪器来获取机械臂末端的空间姿态，通过光学示踪器配合固定在患者的骨骼中的骨针或骨钉，从而将光学示踪器固定在患者身上，使手术机器人能根据该光学示踪器来获取患者的位置；主机相当于大脑，通过一系列运算将运动指令传给机械臂，通过机械臂带动其末端的工具精准运动到患者的手术位置，从而辅助医生进行后续操作。

为了确保手术过程中光学示踪器与患者的相对位置不会随意变动，要求固定在患者身上的光学示踪器稳定牢固，以便于手术机器人实时且准确识别手术部位的位置。现有的，均是通过多根骨针或骨钉钻入骨骼中，也即通过增加固定点的数量来提高光学示踪器的稳定性，但却增加了患者的伤口数量，并且需要对多根骨针或骨钉之间的相对位置进行定位，操作繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学定位装置及手术机器人，以解决目前通过增加固定点的数量提高光学示踪器的稳定性而造成患者的伤口数量增多的技术问题，以及需要对多根骨针或骨钉之间的相对位置进行定位而造成操作繁琐的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种光学定位装置，包括：光学示踪器；单一的固定结构，单一的所述固定结构用于固定在骨骼中；稳定结构，安装在所述固定结构上，所述稳定结构能与所述骨骼的表面连接；连接结构，所述光学示踪器通过所述连接结构与所述稳定结构连接。

本发明的实施方式中，所述稳定结构包括套管，所述套管套设在所述固定结构上，所述套管的第一端与所述连接结构连接，所述套管的第二端能沿所述固定结构滑动至所述骨骼的表面处，所述套管的第二端设有咬合结构，所述咬合结构能咬入所述骨骼的表面中。

本发明的实施方式中，所述咬合结构包括多个尖牙结构和/或设有多个刃槽的刃面结构。

本发明的实施方式中，所述连接结构通过第一转动结构与所述稳定结构连接，所述第一转动结构能绕第一轴线转动设置，所述连接结构通过第二转动结构与所述光学示踪器连接，所述第二转动结构能绕第二轴线转动设置。

本发明的实施方式中，所述第一转动结构包括第一固定接头和第一转动接头，所述第一固定接头与所述稳定结构连接，所述第一转动接头套设在所述稳定结构上并且能相对于所述第一固定接头绕第一轴线转动。

本发明的实施方式中，所述第二转动结构包括第二固定接头和第二转动接头，所述第二固定接头与所述第一转动接头连接，所述第二转动接头与所述光学示踪器连接，所述第二转动接头能相对于所述第二固定接头绕所述第二轴线转动。

本发明的实施方式中，所述第一固定接头与所述第一转动接头之间设有相配合的第一分度凹槽和第一分度凸齿，第二固定接头与第二转动接头之间设有相配合的第二分度凹槽和第二分度凸齿。

本发明的实施方式中，所述第一固定接头和第一转动接头通过第一锁紧结构锁紧固定，所述第二固定接头和第二转动接头通过第二锁紧结构锁紧固定。

本发明的实施方式中，所述固定结构包括骨针，所述骨针具有相连接的螺纹段和尖端，所述骨针通过所述尖端刺穿所述骨骼而将所述螺纹段钻入所述骨骼中。

本发明的实施方式中，所述尖端上设有导槽，所述导槽与所述螺纹段上的螺旋槽相连通。

本发明的实施方式中，所述螺纹段包括相连接的第一螺纹段和第二螺纹段，所述第一螺纹段与所述尖端连接，所述第一螺纹段的螺距大于所述第二螺纹段的螺距，或者；

所述螺纹段的螺距朝向远离所述尖端的一侧逐渐减小。

本发明的实施方式中，所述骨针还具有光面段，所述光面段位于所述螺纹段的上方，所述光面段上沿所述骨针的轴向间隔设置有多个深度标识结构。

本发明的实施方式中，所述光学示踪器包括安装架以及光学标记结构，所述安装架与所述连接结构连接，所述光学标记结构安装在所述安装架上。

本发明还提供一种手术机器人，包括上述光学定位装置。

本发明的特点及优点是：

本发明的光学定位装置及手术机器人，通过安装在固定结构上的稳定结构与骨面连接，从而提高了固定结构的稳定性，避免手术过程中固定结构松动而造成光学示踪器与患者的相对位置发生变化，并且光学示踪器通过连接结构与稳定结构连接，可以避免安装光学示踪器的位置时造成固定结构松动，因此，本发明无需通过多个固定结构钻入骨骼中便能确保光学示踪器的稳定性，使手术机器人在手术过程通过光学示踪器获取的患者位置更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的第一实施例的光学定位装置的结构示意图。

图2为本发明的第一实施例的光学定位装置的使用状态图。

图3为本发明的第一实施例的光学定位装置的另一使用状态图。

图4为本发明的第一实施例的光学定位装置的再一使用状态图。

图5为本发明的第一实施例的稳定结构的结构示意图。

图6为本发明的第二实施例的光学定位装置的结构示意图。

图7为本发明的第二实施例的稳定结构的结构示意图。

图8为本发明的第一转动结构和第一锁定结构的结构示意图。

图9为本发明的第二转动结构和第二锁定结构的结构示意图。

图10为本发明的第一转动接头和第二固定接头的结构示意图。

图11为本发明的角度标识结构的结构示意图。

图12为本发明的骨针的结构示意图。

图13为本发明的骨针的尖端的结构示意图。

图14为本发明的骨针的螺纹段的结构示意图。

图15为本发明一实施例的光学示踪器的结构示意图。

图16为本发明另一实施例的光学示踪器的结构示意图。

图17为本发明又一实施例的光学示踪器的结构示意图。

图18为本发明的光学定位装置的***图。

图19为本发明的光学定位装置的操作示意图。

图20为本发明的手术机器人的使用状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1、图2以及图20所示，本发明提供一种光学定位装置100，包括：光学示踪器1；单一的固定结构2，用于固定在骨骼201中；稳定结构3，安装在固定结构2上，稳定结构3能与骨骼201的骨面202连接；连接结构4，光学示踪器1通过连接结构4与稳定结构3连接。其中，骨面202即骨骼201的表面。

本发明的光学定位装置100，通过安装在固定结构2上的稳定结构3与骨面202连接，从而提高了固定结构2的稳定性，避免手术过程中固定结构2松动而造成光学示踪器1与患者200的相对位置发生变化，并且光学示踪器1通过连接结构4与稳定结构3连接，可以避免安装光学示踪器1的位置时造成固定结构2松动，因此，本发明无需通过多个固定结构2钻入骨骼201中便能确保光学示踪器1的稳定性，使手术机器人在手术过程通过光学示踪器1获取的患者200位置更准确。

如图2和图12所示，本实施例中，固定结构2为骨针21。骨针21能够穿过患者200的软组织层203钻入骨骼201中。骨针21具有相连接的螺纹段23和尖端22，骨针21通过尖端22刺穿骨骼201而将螺纹段23钻入骨骼201中。可选的，固定结构也可为骨钉，通过先将患者的软组织层切开，再将骨钉钻入骨骼。可选的，通过先将患者的软组织层切开，再将骨针钻入骨骼。

本实施例中，骨针21的数量为一根，能够最大化地减少患者200的伤口数量，并且最大化地简化操作流程。采用单一骨针21的光学定位装置100特别适用于计算机辅助的脊柱创伤手术中。

如图1、图5、图6以及图7所示，本发明的实施方式中，稳定结构3包括套管31，套管31套设在固定结构2上，套管31的第一端与连接结构4连接，套管31的第二端能沿固定结构2滑动至骨面202处。通过套管31套设在固定结构2上，能够对固定结构2进行限位，避免固定结构2发生倾斜，并且无需通过其他工具保证固定结构2与套管31之间的相对位置准确，操作简单。

具体的，如图5所示，套管31内沿其轴向贯穿有一导向孔312，该导向孔312与骨针21滑动配合。骨针21钻入骨骼201中后，套管31顺着骨针21滑至骨面202处。套管31上靠近其第二端的部位设有多个向内凹陷的渐缩槽311，且该渐缩槽311的宽度和深度均由套管31的第二端向套管31的第一端逐渐减小，使得套管31上靠近其第二端的部位呈渐缩状，并具有一定地弹性夹持力，从而能夹紧骨针21。

结合图5和图7所示，本发明的实施方式中，套管31的第二端设有咬合结构32，咬合结构32能咬入骨面202中。通过咬合结构32咬入骨面202，提高套管31稳定性地同时，对骨面202造成的创伤小。咬合结构32包括多个尖牙结构321和/或设有多个刃槽323的刃面结构322。可选的，套管的第二端也可以通过现有技术中能够提供抓紧力的结构抓紧骨面。

如图5所示，第一实施例中，咬合结构32为多个尖牙结构321，通过多个尖牙结构321刺入骨面202中，实现套管31的固定。

如图7所示，第二实施例中，咬合结构32为设有多个刃槽323的刃面结构322，该刃面结构322通过设置多个刃槽323，使得刃面结构322形成多个尖刀结构，既能够切入骨面202中，又能减小对骨面202造成的创伤。

如图1所示，本发明的实施方式中，连接结构4通过第一转动结构41与稳定结构3连接，第一转动结构41能绕第一轴线Z₁转动设置，连接结构4通过第二转动结构42与光学示踪器1连接，第二转动结构42能绕第二轴线Z₂转动设置，第一轴线Z₁与第二轴线Z₂相垂直。通过第一转动结构41和第二转动结构42相配合，能够实现光学示踪器1在整个空间内任意方向的调节，以适应手术机器人的光学相机300的识别范围，而无需通过调整患者200的手术部位的摆放位置来适应的光学相机300的识别范围，并且也能将光学示踪器1调节到更有利于手术机器人识别的位置，从而能够使手术机器人获取的患者200位置信息更加精确。

具体的，如图2、图3、图4以及图20所示，手术过程中，光学相机300无需水平摆动，只需竖直摆动，因此，本实施例中，第一轴线Z₁沿骨针21的轴向设置，第二轴线Z₂沿骨针21的径向设置。手术前安装固定光学定位装置100时，便将第一转动结构41转动调节到位，手术操作过程中，根据光学相机300的竖直摆动后的识别范围，仅通过第二转动结构42转动调节光学示踪器1相对于第二轴线Z₂的角度。可选的，第一轴线沿骨针的径向设置，第二轴线沿骨针的轴向设置。

如图8所示，第一转动结构41包括第一固定接头412和第一转动接头411，第一固定接头412与稳定结构3连接，第一转动接头411套设在稳定结构3上并且能相对于第一固定接头412绕第一轴线转动。第二转动结构42包括第二固定接头422和第二转动接头421，第二固定接头422与第一转动接头411连接，第二转动接头421与光学示踪器1连接，第二转动接头421能相对于第二固定接头422绕第二轴线转动。先根据光学相机300相对于第一轴线Z₁所在的方位，转动第一转动接头411将第二固定接头422调整到位，并且第一转动接头411不会与固定结构2接触，从而避免第一转动接头411转动而造成固定结构2松动；再根据光学相机300相对于第二轴线Z₂所在的方位，通过操作光学示踪器1带动第二转动接头421转动，从而将光学示踪器1调整到位。

结合图10所示，第一固定接头412与第一转动接头411之间设有相配合的多个第一分度凹槽413和多个第一分度凸齿414。通过设置相配合的多个第一分度凹槽413和多个第一分度凸齿414，能够更好地控制第一转动接头411转动的角度，并且能避免第一转动接头411在调整到位后随意地转动。具体的，第一固定接头412与第一转动接头411之间绕第一轴线Z₁间隔设置有30个第一分度凹槽413和30个第一分度凸齿414，第一转动接头411转动调节的角度最小能达到12度。

结合图10所示，第二固定接头422与第二转动接头421之间设有相配合的多个第二分度凹槽423和多个第二分度凸齿424。通过设置相配合的多个第二分度凹槽423和多个第二分度凸齿424，能够更好地控制第二转动接头421转动的角度，并且能避免第二转动接头421在调整到位后随意地转动。具体的，第二固定接头422与第二转动接头421之间绕第二轴线Z₂间隔设置有30个第二分度凹槽423和30个第二分度凸齿424，第二转动接头421转动调节的角度最小能达到12度。如图11所示，第二固定接头422上设有角度标识结构425，以便于参照角度标识结构425转动第二转动接头421。

如图1、图8以及图9所示，本发明的实施方式中，第一固定接头412和第一转动接头411通过第一锁紧结构43锁紧固定，第二固定接头422和第二转动接头421通过第二锁紧结构44锁紧固定。通过设置第一锁紧结构43和第二锁紧结构44，确保第一转动接头411和第二转动接头421转动到位后不会随意转动。

如图8所示，第一锁紧结构43包括锁紧螺母431，固定结构2的一端依次穿过稳定结构3和第一转动接头411与锁紧螺母431连接。通过锁紧螺母431提供的沿骨针21轴向的压紧力将第一转动接头411压紧固定于第一固定接头412上，并且通过第一固定接头412将压紧力传递至稳定结构3，从而将稳定结构3压紧固定于骨面202上，使咬合结构32咬入骨面202中。

具体的，如图5和图7所示，第一固定接头412与套管31连接呈一体结构。第一固定接头412靠近套管31的第一端设置，如图8所示，第一转动接头411从套管31的第一端套设在套管31上。第一转动接头411具有相对的第一端和第二端。第一转动接头411的第一端设有多个第一分度凹槽413和多个第一分度凸齿414，以与第一固定接头412相配合。第一转动接头411的第一端设有与套管31相配合的安装孔。第一转动接头411的第二端设有用于骨针21穿过的安装孔，且第一转动接头411与骨针21不接触。结合图12所示，骨针21上设有用于与锁紧螺母431螺纹连接的安装端25。

如图9所示，第二锁紧结构44包括锁紧螺钉441，锁紧螺钉441穿过第二转动接头421与第二固定接头422连接。通过锁紧螺钉441的头部将第二转动接头421压紧固定于第二固定接头422上。

具体的，如图18所示，第二转动接头421与光学示踪器1连接呈一体结构。如图10所示，第一转动接头411与第二固定接头422连接呈一体结构。如图9所示，第二转动接头421的一端套设在第二固定接头422。

如图13所示，本发明的实施方式中，尖端22上设有导槽221，导槽221与螺纹段23上的螺旋槽233相连通。通过在尖端22设置导槽221，使得尖端22刺穿骨骼201时产生的骨质结构能够从导槽221导入螺旋槽233中，最后经螺旋槽233导出至骨骼201外，有利于螺纹段23钻入骨骼201中。

如图14所示，螺纹段23包括相连接的第一螺纹段231和第二螺纹段232，第一螺纹段231与尖端22连接，第一螺纹段231的螺距大于第二螺纹段232的螺距，骨骼201包括由内至外分布的松质骨和皮质骨，第一螺纹段231用于钻入松质骨中，第二螺纹段232用于钻入皮质骨中。相较于松质骨，皮质骨比较坚硬，通过螺距更小的第二螺纹段232钻入皮质骨中，并且能够使第二螺纹段232与皮质骨配合的更紧密。可选的，螺纹段为渐变螺纹段，该渐变螺纹段的螺距由靠近尖端的一端向远离尖端的一端逐渐减小。

如图12所示，骨针21还具有光面段24，光面段24位于螺纹段23的上方，光面段24上沿骨针21的轴向间隔设置有多个深度标识结构241。结合图2和图4所示，将螺纹段23钻入骨骼201中时，通过外部的多个深度标识结构241判断螺纹段23钻入的深度。具体的，多个深度标识结构241为根据螺纹段23的长度设置的由光面段24靠近螺纹段23的一端向光面段24远离螺纹段23的一端依次增大的数字标识。

如图1和图18所示，本发明的实施方式中，光学示踪器1包括安装架11以及光学标记结构12，安装架11与连接结构4连接，光学标记结构12安装在安装架11上。具体的，安装架11与第二转动接头421连接呈一体结构。

如图15所示，一实施例中，光学标记结构12包括多个反光贴纸121，多个反光贴纸121粘接在安装架11上对应的凹陷部中。

如图16所示，另一实施例中，光学标记结构12包括多个自发光元件122，多个自发光元件122装配在安装架11上对应的凹陷部中。

如图17所示，又一实施例中。光学标记结构12包括多个反光球123，多个反光球123嵌装在安装架11上对应的凹陷部中。

如图19和图20所示，本发明的光学定位装置100固定在患者200身上的操作流程为：

将一骨针21穿过患者200的软组织层203钻入骨骼201中；

将套管31顺着骨针21滑过软组织层203，直至绞合结构与骨面202接触；

将第一转动接头411套设在套管31上，并根据手术机器人上的光学相机300相对于第一轴线Z₁所在的方位带动第二固定接头422转动调节至该方位；

将锁紧螺母431从骨针21的安装端25向骨针21的尖端22旋入，从而将第一转动接头411压紧固定于第一固定接头412上，并使咬合结构32咬入骨面202中；

将第二转动接头421套设在第二固定接头422上，并根据手术机器人上的光学相机300相对于第二轴线Z₂所在的方位带动光学示踪器1转动调节到该方位；

将锁紧螺钉441依次穿过第二转动接头421和第二固定接头422，将第二转动接头421和第二固定接头422锁紧固定，从而完成光学定位装置100的固定。

实施方式二

如图20所示，本发明还提供一种手术机器人，包括光学定位装置100。本实施方式的光学定位装置100与实施方式一中的光学定位装置100的具体结构、工作原理以及有益效果均相同，在此不再赘述。手术机器人还包括视觉单元300、机械臂400、机械臂光学示踪器500以及控制模块600，通过视觉单元300采集机械臂光学示踪器500的位姿信息和患者200身上的光学示踪器1(如图1所示)的位姿信息，控制模块600根据机械臂光学示踪器500的位姿信息和患者200身上的光学示踪器1的位姿信息控制机械臂400的姿态。

本发明的手术机器人的操作流程为：

患者200躺在手术床700上后，根据患者200的手术部位确定手术机器人的摆放位置；

将光学定位装置100固定在患者200身上；

调整机械臂400，使机械臂光学示踪器500能被视觉单元300捕捉；

通过控制模块600控制机械臂400运动至目标位置，从而辅助医生完成手术。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种光学定位装置，其特征在于，包括：

光学示踪器；

单一的固定结构，单一的所述固定结构用于固定在骨骼中；

稳定结构，安装在所述固定结构上，所述稳定结构能与所述骨骼的表面连接；

连接结构，所述光学示踪器通过所述连接结构与所述稳定结构连接。

2.根据权利要求1所述的光学定位装置，其特征在于，

所述稳定结构包括套管，所述套管套设在所述固定结构上，所述套管的第一端与所述连接结构连接，所述套管的第二端能沿所述固定结构滑动至所述骨骼的表面处，所述套管的第二端设有咬合结构，所述咬合结构能咬入所述骨骼的表面中。

3.根据权利要求2所述的光学定位装置，其特征在于，

所述咬合结构包括多个尖牙结构和/或设有多个刃槽的刃面结构。

4.根据权利要求1所述的光学定位装置，其特征在于，

所述连接结构通过第一转动结构与所述稳定结构连接，所述第一转动结构能绕第一轴线转动设置，所述连接结构通过第二转动结构与所述光学示踪器连接，所述第二转动结构能绕第二轴线转动设置。

5.根据权利要求4所述的光学定位装置，其特征在于，

所述第一转动结构包括第一固定接头和第一转动接头，所述第一固定接头与所述稳定结构连接，所述第一转动接头套设在所述稳定结构上并且能相对于所述第一固定接头绕第一轴线转动。

6.根据权利要求5所述的光学定位装置，其特征在于，

所述第二转动结构包括第二固定接头和第二转动接头，所述第二固定接头与所述第一转动接头连接，所述第二转动接头与所述光学示踪器连接，所述第二转动接头能相对于所述第二固定接头绕所述第二轴线转动。

7.根据权利要求6所述的光学定位装置，其特征在于，

所述第一固定接头与所述第一转动接头之间设有相配合的第一分度凹槽和第一分度凸齿，第二固定接头与第二转动接头之间设有相配合的第二分度凹槽和第二分度凸齿。

8.根据权利要求6所述的光学定位装置，其特征在于，

所述第一固定接头和第一转动接头通过第一锁紧结构锁紧固定，所述第二固定接头和第二转动接头通过第二锁紧结构锁紧固定。

9.根据权利要求1所述的光学定位装置，其特征在于，

所述固定结构包括骨针，所述骨针具有相连接的螺纹段和尖端，所述骨针通过所述尖端刺穿所述骨骼而将所述螺纹段钻入所述骨骼中。

10.根据权利要求9所述的光学定位装置，其特征在于，

所述尖端上设有导槽，所述导槽与所述螺纹段上的螺旋槽相连通。

11.根据权利要求9所述的光学定位装置，其特征在于，

所述螺纹段包括相连接的第一螺纹段和第二螺纹段，所述第一螺纹段与所述尖端连接，所述第一螺纹段的螺距大于所述第二螺纹段的螺距，或者；

所述螺纹段的螺距朝向远离所述尖端的一侧逐渐减小。

12.根据权利要求11所述的光学定位装置，其特征在于，

所述骨针还具有光面段，所述光面段位于所述螺纹段的上方，所述光面段上沿所述骨针的轴向间隔设置有多个深度标识结构。

13.根据权利要求1所述的光学定位装置，其特征在于，

所述光学示踪器包括安装架以及光学标记结构，所述安装架与所述连接结构连接，所述光学标记结构安装在所述安装架上。

14.一种手术机器人，其特征在于，包括权利要求1-13中任一项所述的光学定位装置。

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