專利名稱：骨科機器人導航裝置及定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療設備，特別是一種用于骨科微創手術的機器人導航裝置及定
位系統。
背景技術：
目前，隨著創傷骨科治療技術的不斷的進步和完善，已經從傳統的開放型的切開
復位及固定方式，發展為閉合復位和微創固定方式，借助這種新的治療手段，從根本上避免
了由于傷患部位切開而造成的二次傷害，降低了患者受到感染的機率，使患者的恢復時間
也大大的縮短。目前骨科微創手術已成為創傷骨科發展的主要方向。這種新型手術方式可
以說是廣大患者的福音，但也存在一些弊病。由于是閉合復位和微創固定，這就決定了很多
工作要暴露在X光下完成，在手術過程中輻射出的大量X射線容易對患者和手術醫生的健
康造成嚴重的威脅甚至傷害，尤其是對于手術醫生，長時間的X射線輻射會造成免疫力低
下等一系列健康問題。目前世界上很多國家都致力于開發各種新型的導航技術，以提高微
創手術的精度，并盡可能減少手術醫生和患者在手術中所受到的X射線輻射。 針對目前骨科微創手術中存在的缺陷和不足，逐漸產生了借助計算機及其控制操
作軟件、定位架來輔助醫生進行手術的髓內釘遠端鎖定技術，見專利號為02158691. 8，發
明名稱為計算機輔助髓內釘遠端鎖定系統的專利，該專利是在傳統髓內釘固定技術的基礎
上，利用計算機視覺的三維成像幾何原理確定出目標點幾何位置，并設計出定位架結構來
實現手術路徑的快速定位，從而實現髓內釘固定的半自動化。該專利所述系統是將患肢放
入定位架內部，由U型架將導向裝置固定，并通過導向裝置上的導向孔穿入鎖釘，以將鎖釘
固定在髓內釘上的銷孔中完成手術，該系統的缺點是導向裝置必須由U型架進行固定，該
U型架的加工涉及切割、校準等復雜工藝，并且成本高，而且一旦由于時效原因發生輕微變
形，會使得導向裝置定位不準確，帶來很大的誤差；另外，在定位架內部放置患肢，無法在大
范圍內調整導向裝置與患者的相對位置，會使得手術所針對的患肢的部位受限，該專利只
適合對脛骨或股骨的髓內釘手術，不適合任意位置的骨固定術；而且定位架在每次手術前
后需要進行消毒、組裝及拆卸等程序，工作繁瑣，消耗人力物力，同時存在組裝不正確帶來
的定位不準確的隱患。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的缺陷或不足，提供一種新型的骨科機器人導航裝
置，該裝置設置于患肢側面并通過將直桿型導向裝置直接卡接在兩個萬向節上來實現直桿
型導向裝置自身的準確定位，從而實現手術路徑在空間上的準確的固定，并可以在大范圍
內調整該直桿型導向裝置與患者的相對位置，適用于任意患肢部位的骨科微創手術，從而
更好地滿足手術的需求，本發明還涉及一種用于骨科微創手術的定位系統。 本發明的技術方案如下 —種骨科機器人導航裝置，其特征在于，包括機座，以及設置于機座上方并與機座相連的四自由度雙平面定位機構，所述四自由度雙平面定位機構包括第一串聯機械臂、
第二串聯機械臂和直桿型導向裝置，所述第一串聯機械臂包括串聯連接的第一水平運動組
件、第一豎直運動組件和第一萬向節，所述第二串聯機械臂包括串聯連接的第二水平運動
組件、第二豎直運動組件和第二萬向節，所述第一水平運動組件和第二水平運動組件均與
機座相連，所述第一水平運動組件與第一豎直運動組件之間、第一豎直運動組件與第一萬
向節之間、第二水平運動組件與第二豎直運動組件之間以及第二豎直運動組件與第二萬向
節之間均通過導軌相連，所述直桿型導向裝置分別與第一萬向節和第二萬向節卡接以實現
直桿型導向裝置自身的定位。 所述直桿型導向裝置包括管狀直桿。 所述管狀直桿的至少一端設置有直桿狀且沿桿長方向伸縮的伸縮管體。 所述四自由度雙平面定位機構與機座之間還設置有高度調整組件，所述第一水平
運動組件和第二水平運動組件均與高度調整組件相連。 所述四自由度雙平面定位機構與高度調整組件之間還設置有水平調整組件，所述 第一水平運動組件和第二水平運動組件均與水平調整組件相連。 所述直桿型導向裝置與第一萬向節和第二萬向節之間均隔有消毒套，所述消毒套
覆蓋于第一串聯機械臂和第二串聯機械臂的外部。 所述機座上設置有腳輪和機座固定裝置。 還包括控制面板，所述控制面板上設置有控制第一水平運動組件、第一豎直運動 組件、第二水平運動組件、第二豎直運動組件、高度調整組件和水平調整組件運動的控制按 鈕。 —種定位系統，包括C型臂、計算機及儲存在計算機內的圖像控制操作軟件，其特 征在于，還包括上述的骨科機器人導航裝置。 所述骨科機器人導航裝置上設置有控制面板，所述控制面板上設置有控制第一水 平運動組件、第一豎直運動組件、第二水平運動組件和第二豎直運動組件運動的控制按鈕， 所述控制按鈕與計算機內的圖像控制操作軟件相連。
本發明的技術效果如下 本發明提供的骨科機器人導航裝置，包括四自由度雙平面定位機構，該四自由度 雙平面定位機構包括第一串聯機械臂、第二串聯機械臂和直桿型導向裝置，通過在第一串 聯機械臂中設置第一水平運動組件，使得該第一串聯機械臂中的第一豎直運動組件和第 一萬向節能夠一起在第一水平運動組件的導軌上做水平運動，通過設置第一豎直運動組 件，使得第一萬向節能夠在第一豎直運動組件的導軌上做豎直運動，所以第一萬向節能夠 在第一水平運動組件和第一豎直運動組件所構成的平面中實現兩個自由度的運動，同理， 第二萬向節也能夠在第二水平運動組件和第二豎直運動組件所構成的平面中實現兩個自 由度的運動，當第一萬向節和第二萬向節分別在各自平面中運動到目標點幾何位置時，將 直桿型導向裝置分別卡接到第一萬向節和第二萬向節上，也就將直桿型導向裝置安裝在了 第一萬向節中心點和第二萬向節中心點之間的定位連線上，使得直桿型導向裝置的位置和 方向均被固定，就實現了直桿型導向裝置自身的定位，該直桿型導向裝置最終能夠實現四 個自由度的運動，故該直桿型導向裝置實質上是一個具有定位作用和導向作用的裝置。將 本發明的骨科機器人導航裝置放置在患肢的側面進行手術，直桿型導向裝置的位置和方向一旦確定，手術路徑就能夠實現空間上的準確的固定，例如最常用的將導針插入到患肢中 的骨科微創手術，將導向套筒放入直桿型導向裝置中，導針通過導向套筒內部最終插入到 患肢中，所以直桿型導向裝置的位置和方向一旦確定，導向套筒以及導針的位置及方向就 隨之精確確定，該裝置無需設置U型架這一設備，故省去了加工U型架時的復雜工藝，降低 了成本，同時解決了U型架由于時效變形原因導致定位不準確帶來誤差的問題，此外，由于 本發明的骨科機器人導航裝置是在患肢的側面手術，只要導針位置精確確定，就可以將該 導針插入到患肢內，可以在大范圍內調整該骨科機器人導航裝置與患者的相對位置，且調 節方便靈活，操作也十分簡便，能夠避開零部件對醫生操作的阻擋干涉，容易得到骨科機器 人導航裝置最佳的擺放位置，提高了該裝置的順應性，故可適用于任意患肢部位的骨固定 術，而并非只是針對脛骨或股骨的髓內釘手術，故本發明的該裝置打破了現有技術中由于 在定位架內部放置患肢造成的對手術部位的局限性。 本發明骨科機器人導航裝置通過設置高度調整組件，使得四自由度雙平面定位機 構可以從整體上實現高度方向的大幅度調整，從而可以根據在手術床上的患肢所處于的高 度對四自由度雙平面定位機構作相應調整，使骨科機器人導航裝置被調整到最佳的擺放位 置，也相當于調整了直桿型導向裝置的高度位置，而無需移動機座，大大提高了骨科機器人 導航裝置的靈活性，縮短手術時間，從而手術更加方便。 同理，本發明骨科機器人導航裝置通過設置水平調整組件，使得四自由度雙平面 定位機構可以從整體上實現水平方向的大幅度調整，從而可以根據在手術床上的患肢所處 于的位置對四自由度雙平面定位機構作相應調整，使骨科機器人導航裝置被調整到最佳的 擺放位置，也相當于調整了直桿型導向裝置的水平位置，而無需移動機座，避免了由于骨科 機器人導航裝置擺放位置不合理對醫生手術動作造成的阻礙。甚至在手術中，可以通過水 平調整組件的運動避開對醫生的干涉，在醫生手術動作結束后，骨科機器人導航裝置可以 準確恢復到運動前的位置，水平調整組件運動準確可靠的特點，是人手調整無法達到的，這 一功能大大提高了骨科機器人導航裝置的靈活性。 直桿型導向裝置與第一萬向節和第二萬向節之間均隔有消毒套，消毒套覆蓋于第 一串聯機械臂和第二串聯機械臂的外部，該骨科機器人導航裝置結構緊湊，可以通過消毒 套實現除直桿型導向裝置之外的整個裝置與手術空間的完全隔離，防止骨科機器人導航裝 置對手術空間的污染，使得手術空間達到手術要求的無菌標準。該骨科機器人導航裝置的 獨特結構使得即使隔著消毒套，直桿型導向裝置與萬向節仍然可以準確定位，實現可靠連 接，并完全杜絕了消毒套被剌破，零部件安裝不到位等隱患，也無需在手術前后對骨科機器 人導航裝置的各部件進行組裝、拆卸，以及高溫蒸煮等消毒滅菌處理，更解決了骨科機器人 導航裝置中體積較大的部件以及機電類裝置根本無法進行常規的高溫蒸煮消毒滅菌的問 題。 本發明涉及的定位系統包括C型臂、計算機及儲存在計算機內的圖像控制操作軟 件，以及本發明的骨科機器人導航裝置，患肢放置在手術床上，將骨科機器人導航裝置放置 在患肢側面，利用C型臂上的X光光源的照射在成像平面上形成圖像，然后基于雙目視覺原 理通過計算機內的圖像控制操作軟件得到導針的定位信息，最后根據這些定位信息調節骨 科機器人導航裝置，用以實現完成直桿型導向裝置的準確定位，從而實現手術路徑在空間 上的準確的固定。本發明的定位系統穩定可靠，并適用于任意患肢部位的骨固定術，能夠很好的滿足手術需求。
圖1為本發明骨科機器人導航裝置的優選實施例的結構示意圖； 圖2為本發明骨科機器人導航裝置中的優選直桿型導向裝置的結構示意圖； 圖3為本發明的定位系統的結構示意圖。 圖中各標號列示如下 1-第一水平運動組件；2-第一豎直運動組件；3-第一萬向節；4_直桿型導向裝置；5-水平調整組件；6-高度調整組件；7-機座；8-機座框架；9-腳輪；10_控制面板；11-第二水平運動組件；12-第二豎直運動組件；13-第二萬向節；14-四自由度雙平面定位機構；15-X光光源；16-C型臂；17-X光成像裝置；18-計算機；19-骨科機器人導航裝置；
20-導針；21-患肢；22-管狀直桿；23-伸縮管體；24-導向套筒。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明進行說明。 圖1為本發明骨科機器人導航裝置的優選實施例的結構示意圖，該裝置包括從上到下包括依次相連的四自由度雙平面定位機構14、水平調整組件5、高度調整組件6和機座7，四自由度雙平面定位機構14包括第一串聯機械臂、第二串聯機械臂和直桿型導向裝置4，第一串聯機械臂包括串聯連接的第一水平運動組件1、第一豎直運動組件2和第一萬向節3，第二串聯機械臂包括串聯連接的第二水平運動組件11、第二豎直運動組件12和第二萬向節13，第一水平運動組件1和第二水平運動組件11均與水平調整組件5相連，第一水平運動組件1上設置有導軌(也可以通過絲桿螺母作為驅動部件)，可以在第一水平運動組件1上設置傳感器或者顯示標尺刻度等作為位移檢測裝置，第一豎直運動組件2可在第一水平運動組件1上水平滑動，從而帶動第一萬向節3做水平運動，第一豎直運動組件2上也設置有導軌(也可以通過絲桿螺母作為驅動部件)并設置位移檢測裝置，第一萬向節3可在第一豎直運動組件2上豎直滑動，故第一萬向節3能夠在第一水平運動組件1和第一豎直運動組件2所構成的豎直平面中實現兩個自由度的運動；同理，第二水平運動組件11上設置有導軌并設置位移檢測裝置，第二豎直運動組件12可在第二水平運動組件11上水平滑動，從而帶動第二萬向節13做水平運動，第二豎直運動組件12上也設置有導軌并設置位移檢測裝置，第二萬向節13可在第二豎直運動組件12上豎直滑動，故第二萬向節13能夠在第二水平運動組件11和第二豎直運動組件12所構成的豎直平面中實現兩個自由度的運動；而且第一萬向節3和第二萬向節13在各自的平面上作相對獨立的運動。當第一萬向節3和第二萬向節13分別運動到各自的目標點幾何位置時，接入直桿型導向裝置4，即直桿型導向裝置4分別與第一萬向節3和第二萬向節13卡接，以實現與第一串聯機械臂和第二串聯機械臂的并聯，故四自由度雙平面定位機構14實質為一個串并混聯的結構，直桿型導向裝置4位于第一萬向節3中心點和第二萬向節13中心點之間的定位連線上，該直桿型導向裝置4卡接后實現了自身定位，能夠實現自身的位置和方向上的準確定位，該直桿型導向裝置最終能夠實現四個自由度的運動，故直桿型導向裝置4實質上是一個具有定位作用和導向作用的裝置。在最常用的將導針插入到患肢中的骨科微創導航手術時，患肢被放置在手術床上，本發明的骨科機器人導航裝置放置在手術床的側面進行直桿型導向裝置4的
定位，將導向套筒24放入直桿型導向裝置4中，直桿型導向裝置4的位置和方向一旦確定，
導向套筒24的位置及方向就隨之精確確定，將導針插入到導向套筒24內部，同時導針的位
置及方向就隨之精確確定，所以醫生能夠將導針準確的插入到患肢內部進行手術。 圖2為本發明骨科機器人導航裝置中的優選直桿型導向裝置的結構示意圖，直桿
型導向裝置4包括管狀直桿22，管狀直桿22的兩端設置均有直桿狀且沿桿長方向伸縮的伸
縮管體23，直桿型導向裝置內套有導向套筒24，導向套筒24內套有導針20。也可以將導
向套筒24直接與第一萬向節3和第二萬向節13卡接，此時導向套筒24即為直桿型導向裝
置。此外，該骨科機器人導航裝置由于能夠實現手術路徑在空間上的準確的固定，故還可以
實現如壞骨頭的病兆探測手術等骨科微創手術。 優選地，可將機座7設置在一個機座框架8上，并在機座框架8的四周設置腳輪9，
這樣方便對整個骨科機器人導航裝置的推移，能夠將該裝置靈活的推到手術床邊，此外還可以在機座框架8的底部設置機座固定裝置，在調整好該骨科機器人導航裝置的位置后，機座固定裝置能夠控制腳輪9使之抬離地面，防止手術中骨科機器人導航裝置的位置發生偏移。高度調整組件6能夠實現四自由度雙平面定位機構14在高度方向的大幅度調整，水平調整組件5能夠實現四自由度雙平面定位機構14在水平方向的大幅度調整，使骨科機器人導航裝置被調整到最佳的擺放位置，相當于根據在手術床上的患肢所處于的高度和位置對直桿型導向裝置4作了相應調整，無需移動機座，使得手術更加方便。此外，還可以在該裝置上設置一個控制面板10，并在控制面板10上設置能夠控制第一水平運動組件1、第一豎直運動組件2、第二水平運動組件11、第二豎直運動組件12、高度調整組件6和水平調整組件5運動的控制按鈕。在手術前，可以在第一串聯機械臂和第二串聯機械臂的外部蓋上消毒套，再將直桿型導向裝置4分別與第一萬向節3和第一萬向節13卡接，這樣能夠通過消毒套實現除直桿型導向裝置4之外的整個裝置與手術空間的完全隔離，防止骨科機器人導航裝置對手術空間的污染，使得手術空間達到手術要求的無菌標準。
圖3為本發明的定位系統的結構示意圖，該系統包括圖1所示的骨科機器人導航裝置19，還包括C型臂16、計算機18及儲存在計算機18內的圖像控制操作軟件，骨科機器人導航裝置19放置在患肢21的側面，其中，C型臂16包括X光光源15和X光成像裝置17， X光光源15從兩個角度照射患肢21，并在X光成像裝置17上形成圖像，將該圖像采集后經過視頻數據線傳輸至計算機18內，經計算機18內的圖像控制操作軟件建立二維坐標體系并基于雙目視覺原理進行計算處理最終確定手術路徑，即確定需插入的導針的軸線位置坐標并作為目標點幾何位置，可以在圖像控制操作軟件中設置運行按鈕，點擊該運行按鈕后能夠控制骨科機器人導航裝置19中的四自由度雙平面定位機構14運動，進一步講，通過第一萬向節3和第二萬向節13分別運動到目標點幾何位置，然后將直桿型導向裝置4卡接到第一萬向節3和第二萬向節13中，將導向套筒放入直桿型導向裝置4中，再將導針20插入該導向套筒的內部，最終將導針20插入到患肢21內完成手術。也可以設置計算機18內的圖像控制操作軟件與骨科機器人導航裝置19中的控制面板10上的控制按鈕相連，該控制按鈕用來控制第一水平運動組件1、第一豎直運動組件2、第二水平運動組件11、第二豎直運動組件12 、高度調整組件6和水平調整組件5運動，通過按動控制按鈕使得骨科機器人導航裝置19中的第一萬向節3和第二萬向節13分別運動到目標點幾何位置。
應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護范圍當中。
權利要求
一種骨科機器人導航裝置，其特征在于，包括機座，以及設置于機座上方并與機座相連的四自由度雙平面定位機構，所述四自由度雙平面定位機構包括第一串聯機械臂、第二串聯機械臂和直桿型導向裝置，所述第一串聯機械臂包括串聯連接的第一水平運動組件、第一豎直運動組件和第一萬向節，所述第二串聯機械臂包括串聯連接的第二水平運動組件、第二豎直運動組件和第二萬向節，所述第一水平運動組件和第二水平運動組件均與機座相連，所述第一水平運動組件與第一豎直運動組件之間、第一豎直運動組件與第一萬向節之間、第二水平運動組件與第二豎直運動組件之間以及第二豎直運動組件與第二萬向節之間均通過導軌相連，所述直桿型導向裝置分別與第一萬向節和第二萬向節卡接以實現直桿型導向裝置自身的定位。
2. 根據權利要求1所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，所述直桿型導向裝置包 括管狀直桿。
3. 根據權利要求2所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，所述管狀直桿的至少一 端設置有直桿狀且沿桿長方向伸縮的伸縮管體。
4. 根據權利要求1至3之一所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，所述四自由度雙 平面定位機構與機座之間還設置有高度調整組件，所述第一水平運動組件和第二水平運動 組件均與高度調整組件相連。
5. 根據權利要求4所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，所述四自由度雙平面定 位機構與高度調整組件之間還設置有水平調整組件，所述第一水平運動組件和第二水平運 動組件均與水平調整組件相連。
6. 根據權利要求1至3之一所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，所述直桿型導向 裝置與第一萬向節和第二萬向節之間均隔有消毒套，所述消毒套覆蓋于第一串聯機械臂和 第二串聯機械臂的外部。
7. 根據權利要求1至3之一所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，所述機座上設置 有腳輪和機座固定裝置。
8. 根據權利要求5所述的骨科機器人導航裝置，其特征在于，還包括控制面板，所述控 制面板上設置有控制第一水平運動組件、第一豎直運動組件、第二水平運動組件、第二豎直 運動組件、高度調整組件和水平調整組件運動的控制按鈕。
9. 一種定位系統，包括C型臂、計算機及儲存在計算機內的圖像控制操作軟件，其特征 在于，還包括權利要求1至8之一所述的骨科機器人導航裝置。
10. 根據權利要求9所述的定位系統，其特征在于，所述骨科機器人導航裝置上設置有 控制面板，所述控制面板上設置有控制第一水平運動組件、第一豎直運動組件、第二水平運 動組件和第二豎直運動組件運動的控制按鈕，所述控制按鈕與計算機內的圖像控制操作軟 件相連。
全文摘要
本發明涉及一種骨科機器人導航裝置及定位系統，該骨科機器人導航裝置包括機座，以及設置于機座上方并與機座相連的四自由度雙平面定位機構，四自由度雙平面定位機構包括第一串聯機械臂、第二串聯機械臂和直桿型導向裝置，第一串聯機械臂包括串聯連接的第一水平運動組件、第一豎直運動組件和第一萬向節，第二串聯機械臂包括串聯連接的第二水平運動組件、第二豎直運動組件和第二萬向節，第一水平運動組件和第二水平運動組件均與機座相連，直桿型導向裝置分別與第一萬向節和第二萬向節卡接的卡接來實現自身的定位。該裝置設置于患肢側面并通過直桿型導向裝置自身來實現準確定位，適用于任意患肢部位的骨固定術，從而更好地滿足手術的需求。
文檔編號G06F19/00GK101700184SQ200910237998
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者周力, 張維軍, 王軍強, 王彬彬, 王豫, 胡磊, 蘇永剛, 趙春鵬, 鐘學東, 閆曉剛 申請人:北京天智航技術有限公司