一种脊柱微创手术机器人.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201611034687.6 (22)申请日 2016.11.22 (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 杜志江 于洪健 闫志远 杨文龙 王吉 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 牟永林 (51)Int.Cl. A61B 34/30(2016.01) A61B 17/00(2006.01) A61B 17/88(2006.01) A61B 17/16(2006.01) (5。

2、4)发明名称 一种脊柱微创手术机器人 (57)摘要 一种脊柱微创手术机器人， 它涉及一种微创 手术机器人， 具体涉及一种脊柱微创手术机器 人。 本发明为了解决现有脊柱微创手术机器人操 控精度要求较高的问题。 本发明包括底座、 主机 械臂、 滑台、 支架、 水平直线移动机构、 竖直直线 移动机构、 活动关节组件和置针机构， 主机械臂 的中部通过所述水平直线移动机构安装在所述 支架的上端， 所述支架安装在底座上， 所述竖直 直线移动机构安装在所述支架的一侧， 且主机械 臂的下端与所述竖直直线移动机构连接， 滑台通 过所述活动关节组件安装在主机械臂的上端， 置 针机构安装在所述活动关节组件上。 本发。

3、明属于 医疗机械领域。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 106344162 A 2017.01.25 CN 106344162 A 1.一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 所述一种脊柱微创手术机器人包括底座 (1)、 主机械臂(2)、 滑台(4)、 支架、 水平直线移动机构、 竖直直线移动机构、 活动关节组件和 置针机构(15)， 主机械臂(2)的中部通过所述水平直线移动机构安装在所述支架的上端， 所 述支架安装在底座(1)上， 所述竖直直线移动机构安装在所述支架的一侧， 且主机械臂(2) 的下端与所述竖直直线移动机构连接， 滑台(4)通过所述活动关节组件安装在主机械臂(2) 。

4、的上端， 置针机构(15)安装在所述活动关节组件上。 2.根据权利要求1所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 所述活动关节组件由进 给螺旋机构、 第五电机(11)和转动关节(3)组成， 所述进给机构包括第三电机(8)、 精密滚珠 丝杠滚珠花键组件(9)和第四电机(10)， 第三驱动电机(8)的转动轴通过同步带轮与精密滚 珠丝杠滚珠花键组件(9)的滚珠丝杠部连接， 精密滚珠丝杠滚珠花键组件(9)的滚珠花键部 通过齿轮组与第四电机(10)的转动轴连接， 精密滚珠丝杠滚珠花键组件(9)通过转动关节 (3)与滑台(4)连接， 转动关节(3)通过谐波减速器和锥齿轮与第五电机(11)的转动轴连接。 。

5、3.根据权利要求2所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 转动关节(3)上安装有 六维传感器(12)。 4.根据权利要求1所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 滑台(4)由第六电机 (13)和直线模组(14)组成， 第六电机(13)通过联轴器与直线模组(14)连接。 5.根据权利要求1所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 滑台(4)上安装有光学 标记球(16)。 6.根据权利要求1所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 所述水平直线移动机构 包括第一电机(6)、 水平直线模组(7)和连接机械臂(19)， 连接机械臂(19)的一端与主机械 臂(2)的中部连接， 连接机械臂(1。

6、9)的另一端与水平直线模组(7)连接， 水平直线模组(7)与 第一电机(6)连接。 7.根据权利要求1所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 所述竖直直线移动机构 包括竖直直线模组(20)和第二电机(21)， 主机械臂(2)的下端与竖直直线模组(20)连接， 竖 直直线模组(20)与第二电机(21)连接。 8.根据权利要求1或4所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 置针机构(15)包括 双V块快换接头(23)、 第七电机(24)、 齿轮室(25)和夹针轴(26)， 双V块快换接头(23)与滑台 (4)的直线模组(14)连接， 第七电机(24)安装在双V块快换接头(23)上， 第七电机。

7、(24)通过 齿轮室(25)与夹针轴(26)连接。 9.根据权利要求1所述一种脊柱微创手术机器人， 其特征在于： 所述一种脊柱微创手术 机器人还包括磨削机构， 所述磨削机构磨钻夹持座(27)和磨钻(28)， 磨钻(28)通过磨钻夹 持座(27)安装在双V块快换接头(23)上。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 106344162 A 2 一种脊柱微创手术机器人 技术领域 0001 本发明涉及一种微创手术机器人， 具体涉及一种脊柱微创手术机器人， 属于医疗 机械领域。 背景技术 0002 依据临床数据显示， 脊柱胸腰椎退行性病、 骨折等脊柱类疾病成为临床最主要的 病种， 而采用传统的开放。

8、式手术并发症严重， 所以采用脊柱微创手术是发展的必然。 目前手 术室中在进行脊柱微创手术时都是凭借医生丰富的经验和多次X光机拍照实现， 这样不仅 对医生的技术有较高的要求， 同时由于多次X光机拍照给医生和患者带来严重辐射， 这些都 是目前临床中亟待解决的问题。 0003 随着计算机、 自动化等技术的发展， 机器人在精度、 可靠性、 宜人性等方面都有了 较大的提高， 采用机器人去解决临床手术中的难点已经成为可能。 当前国内外对脊柱类手 术机器人的研究比较多， 其中以色列Renaissance机器人、 法国ROSA机器人、 中国Tirobot机 器人是研究比较成熟的， 但是它们在功能上都只是完成了。

9、机器人辅助医生导向的功能， 虽 然减少了X光机拍摄次数， 并且在一定程度上提高了手术精度， 但是在向人体中打入克氏针 以及实现椎板减压过程中， 依然对医生的技术有较高的要求， 微小的失误都有可能造成严 重的后果。 0004 基于脊柱微创手术的要求以及现有产品的不足， 本发明通过主操作端控制从端实 现预期轨迹规划运动， 并采用模块化思想， 通过快换装置完成导向模块、 进针模块和磨削模 块在机器人上的快速切换， 最终实现机器人辅助医生完成导向、 进针和磨削功能。 通过机器 人辅助医生完成椎弓根钉固定手术、 椎板减压手术以及椎体后凸成型手术， 最大程度的减 少术中X光机拍摄次数、 降低对医生技术的要。

10、求、 缩短手术时间、 缩短患者的康复期， 较好的 解决了目前临床中面临的技术难题。 发明内容 0005 本发明为解决现有脊柱微创手术机器人操控精度要求较高的问题， 进而提出一种 脊柱微创手术机器人。 0006 本发明为解决上述问题采取的技术方案是： 本发明包括底座、 主机械臂、 滑台、 支 架、 水平直线移动机构、 竖直直线移动机构、 活动关节组件和置针机构， 主机械臂的中部通 过所述水平直线移动机构安装在所述支架的上端， 所述支架安装在底座上， 所述竖直直线 移动机构安装在所述支架的一侧， 且主机械臂的下端与所述竖直直线移动机构连接， 滑台 通过所述活动关节组件安装在主机械臂的上端， 置针机。

11、构安装在所述活动关节组件上。 0007 本发明的有益效果是： 本发明混联机构的脊柱微创手术机器人共有六自由度， 其 中水平直线模组7和竖直直线模组20为并联机构， 为机器人提供两自由度。 其余四自由度为 串联机构。 结合了串联机构的工作空间大、 运动灵活和并联机构的刚度大、 承载能力强、 精 度高等优点。 得到六自由度混联机构。 不但实现了脊柱微创手术中的定位导向功能。 更增加 说 明 书 1/4 页 3 CN 106344162 A 3 了自动钻克氏针和自动磨削功能。 同时能对钻克氏针和磨削力的测量与监测， 可以防止传 统手术中克氏针钻穿脊柱的发生和避免磨削脊柱不准确的情况。 附图说明 00。

12、08 图1是本发明的等轴侧示意图， 图2是本发明内部结构示意图， 图3是置针机构的结 构示意图， 图4是磨削机构的结构示意图。 具体实施方式 0009 具体实施方式一： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人包括底座1、 主机械臂2、 滑台4、 支架、 水平直线移动机构、 竖直直线移动机构、 活 动关节组件和置针机构15， 主机械臂2的中部通过所述水平直线移动机构安装在所述支架 的上端， 所述支架安装在底座1上， 所述竖直直线移动机构安装在所述支架的一侧， 且主机 械臂2的下端与所述竖直直线移动机构连接， 滑台4通过所述活动关节组件安装在主机械臂 2的上端， 置。

13、针机构15安装在所述活动关节组件上。 本实施方式中水平直线移动机构、 竖直 直线移动机构、 活动关节组件和置针机构15均有控制台5操控。 底座1上还安装有刹车装置 22， 刹车装置22用于机器人整体的固定。 0010 具体实施方式二： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人的活动关节组件由进给螺旋机构、 第五电机11和转动关节3组成， 所述进给机构 包括第三电机8、 精密滚珠丝杠滚珠花键组件9和第四电机10， 第三驱动电机8的转动轴通过 同步带轮与精米滚珠丝杠滚珠花键组件9的滚珠丝杠部连接， 精密滚珠丝杠滚珠花键组件9 的滚珠花键部通过齿轮组与第四电机10的转动。

14、轴连接， 精密滚珠丝杠滚珠花键组件9通过 转动关节3与滑台4连接， 转动关节3通过谐波减速器和锥齿轮与第五电机11的转动轴连接。 精密滚珠丝杠滚珠花键组件9的滚珠丝杠部通过同步带轮由第三电机驱动8， 实现前端滑台 4进给运动； 精密滚珠丝杠滚珠花键组件9的滚珠花键部通过齿轮由第四电机驱动10， 实现 滑台4的螺旋运动； 当第三电机8和第四电机10同时运动， 实现滑台4的左右旋转运动； 精密 滚珠丝杠滚珠花键9与滑台4由转动关节3连接， 转动关节3通过谐波减速器和锥齿轮第五电 机11驱动， 实现滑台4的俯仰运动。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 0011 具体实施方式三： 结合图1和图。

15、2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人的转动关节3上安装有六维传感器12。 六维传感器12可以测量进给克氏针和磨 削脊柱时所受到的力， 并起到防止钻穿脊柱的功能。 其它组成及连接关系与具体实施方式 二相同。 0012 具体实施方式四： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人的滑台4由第六电机13和直线模组14组成， 第六电机13通过联轴器与直线模组 14连接。 滑台4上安装有双V块快换装置17， 来实现置针机构和磨削装置的往复运动和快速 切换； 滑台4上安装有导向装置18， 通过螺丝连接可以快速的安装与拆卸； 滑台4上有控制六 维传感器12的。

16、开关； 可以实现机器人在医生手的引导， 到达预定位置。 其它组成及连接关系 与具体实施方式一相同。 0013 具体实施方式五： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人的滑台4上安装有光学标记球16。 光学标记球16通过螺丝可与双V块快换装置17 说 明 书 2/4 页 4 CN 106344162 A 4 安装和拆卸， 可以使主操作台知道机器人坐标。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相 同。 0014 具体实施方式六： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人的水平直线移动机构包括第一电机6、 水平直线模组7和连接机械臂19， 连。

17、接机 械臂19的一端与主机械臂2的中部连接， 连接机械臂19的另一端与水平直线模组7连接， 水 平直线模组7与第一电机6连接。 水平直线模组7通过带轮连接由第一电机6驱动。 其它组成 及连接关系与具体实施方式一相同。 0015 具体实施方式七： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创 手术机器人的竖直直线移动机构包括竖直直线模组20和第二电机21， 主机械臂2的下端与 竖直直线模组20连接， 竖直直线模组20与第二电机21连接。 竖直直线模组通过联轴器由第 二电机21驱动。 第一电机6和第二电机21均有制动装置； 水平直线模组7和竖直直线模组20 为并联机构， 为机器人提供。

18、两自由度， 并联机构刚度大、 承载能力强， 精度高。 其它组成及连 接关系与具体实施方式一相同。 0016 具体实施方式八： 结合图3说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创手术机 器人的置针机构15包括双V块快换接头23、 第七电机24、 齿轮室25和夹针轴26， 双V块快换接 头23与滑台4的直线模组14连接， 第七电机24安装在双V块快换接头23上， 第七电机24通过 齿轮室25与夹针轴26连接。 第七电机24通过V块快换接头23来与滑台4实现快速安装和拆 卸； 电机24通过齿轮室25， 驱动夹针轴26旋转。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相 同。 0017 具体实施方式九： 结。

19、合图4说明本实施方式， 本实施方式所述一种脊柱微创手术机 器人还包括磨削机构， 所述磨削机构磨钻夹持座27和磨钻28， 磨钻28通过磨钻夹持座27安 装在双V块快换接头23上。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 0018 工作原理 0019 以后路L3， L4腰椎后路减压椎弓根钉内固定术为例,手术操作步骤如下： 0020 1、 在L7腰椎上固定光学标记球， 主操作台进行标定， 然后X光机对L3， L4腰椎进行 拍摄。 确认椎弓根进钉点。 0021 2、 将混联机构脊柱微创手术机器人推至床边， 安装导向装置18， 启动机器人。 可以 通过主操作台5进行自主操作， 也可以使用滑台4上的开关。

20、来实现人手的半自主操作。 导向 装置18通过主操作台5和光学标记球16到达手术位置。 并且导向装置18的轴心既是椎弓根 的中心。 医生通过导向装置18和一级套管开切口。 将一级套管深入体内， 将二级套管深入一 级套管内， 并抵到腰椎上。 0022 3、 通过V块快换装置17将置针机构15安装。 将克氏针插入到夹针轴26中， 并抵到腰 椎。 0023 4、 通过操作主操作台5， 将克氏针自动钻入到椎弓根中， 将置针机构15从滑台4上 拆除， 移走滑台4， 拔出二级套管。 同理， 打入其余三根克氏针。 0024 5、 沿克氏针依次入椎弓根螺钉4枚， 安装连杆， 分别拧紧锁固螺母。 0025 6、 。

21、将磨削装置安装在滑台4上。 通过主操作台5自动磨削棘突及椎板， 达到充分减 压目的。 0026 上述手术过程不但实现了以往脊柱微创手术机器人单纯的导向功能， 增加了自动 说 明 书 3/4 页 5 CN 106344162 A 5 钻入克氏针， 自动磨削和防刺穿功能。 减轻了医生的工作量。 减少了医生和患者X光辐射时 间， 减少了患者手术时间。 对患者术后恢复起到了很大的作用。 0027 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制， 虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明， 任何熟悉本专业的技术人 员， 在不脱离本发明技术方案范围内， 当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例， 但凡是未脱离本发明技术方案内容， 依据本发明的技术实质， 在 本发明的精神和原则之内， 对以上实施例所作的任何简单的修改、 等同替换与改进等， 均仍 属于本发明技术方案的保护范围之内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 106344162 A 6 图1 图2 图3 说 明 书 附 图 1/2 页 7 CN 106344162 A 7 图4 说 明 书 附 图 2/2 页 8 CN 106344162 A 8 。