摆锯引导装置及手术机器人系统的制作方法

本发明涉及一种随动式摆锯引导装置及手术机器人系统。

背景技术：

摆锯导向器械是用于例如全膝关节表面置换截骨手术中，辅助摆锯锯片确定截骨位姿的器械，其可限制摆锯锯片的自由摆动，从而确保截骨位置准确。

目前的摆锯导向器大都由医生手动固定在待切骨表面，随后摆锯在其上的导向槽中只能水平摆动，切除骨头。但在此过程中，摆锯水平移动范围均由人为手动控制，因此水平切削范围无法进行机械限位，在摆动过程中锯片在水平方向会碰撞导向槽内壁引起撞击与振动。

此外，目前的摆锯导向器还无法给使用者提供切削过程中的开阔视野，使用者无法直观的观察到切削情况与摆锯切削动作，因此使用者必须在没有直接观察的情况下通过经验来判断切削情况，从而提高了误切风险，增大了精确切削的难度。

此外，在手术机器人使用摆锯切削骨头时，目前没有一种可以对摆锯进行导向的器械，因此在手术机器人握持摆锯切削骨头时，锯片产生的颤动无法避免，影响手术精度。

现在缺少一种能够在全膝关节表面置换截骨切削过程中避免锯片和导向槽发生震动的导向器，也缺少一种可以直观观察切削过程的导向器，同时还缺少一种可以用于手术机器人的导向器。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明目的在于提供一种随动式摆锯引导器及相应的手术机器人系统，从而可以分别或同时解决上述问题。

根据本发明的一方面，提供一种随动式摆锯引导装置，包括：形成有供锯片穿过的导向槽以用于引导该锯片的锯片导向器，其中，还包括：用于安装所述锯片导向器的导向器固定件；和转动角度调节机构，用于所述锯片导向器与所述导向器固定件在预定角度范围内相对旋转。

优选地，还包括：用于固定摆锯的固定架；固定于所述固定架的第一直行引导部；和用于固定于所述锯片导向器的第二直行引导部，所述第一直行引导部能够接合于所述第二直行引导部，使得彼此能沿直线方向相对移动或保持静止。

优选地，所述第一直行引导部和所述第二直行引导部为能够彼此套接的一对回位套筒和回位导杆。

根据本发明的另一方面，提供一种手术机器人系统，用于通过手术机器人使用摆锯切削骨头，该手术机器人包括机械臂执行器末端，其中，使用上述一项的摆锯引导装置进行导向，其中，所述导向器固定件固定连接在所述机械臂执行器末端，并且固定在由所述机器人确定的所述导向器固定件相对于骨表面的静止位置处。

或者，优选地，所述固定架固定连接在所述机械臂执行器末端，并且所述导向器固定件固定在由所述机器人确定的所述导向器固定件相对于骨表面的静止位置处。

根据本发明的又一方面，提供一种摆锯引导装置，包括：形成有供锯片穿过的导向槽以用于引导该锯片的锯片导向器，用于固定摆锯的固定架；固定于所述固定架的第一直行引导部；和用于固定于所述锯片导向器的第二直行引导部，其中，所述第一直行引导部能够接合于所述第二直行引导部，使得彼此能沿直线方向相对移动或保持静止。

根据本发明的再一方面，提供一种手术机器人系统，用于通过手术机器人使用摆锯切削骨头，该手术机器人包括机械臂执行器末端，其中，使用前一项所述的摆锯引导装置进行导向，其中，所述固定架固定连接在所述机械臂执行器末端，并且所述锯片导向器固定在由所述机器人确定的所述锯片导向器相对于骨表面的静止位置处。

根据本发明的摆锯引导装置和机器人系统，能够在全膝关节表面置换截骨切削过程中，由手术机器人单独或在使用者辅助下使锯片进行切削，有效避免锯片和导向槽发生震动，甚至可以直观观察切削过程。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的摆锯引导装置的整体结构立体图。

图2示意性地示出根据本发明的摆锯引导装置的整体结构立体图。

图3示意性地示出摆锯的一种伸缩状态下的立体图。

图4示意性地示出摆锯的一种转动状态下的立体图。

图5示意性地示出摆锯主体的立体图。

图6示意性地示出锯片的立体图。

图7示意性地示出固定架的立体图。

图8示意性地示出锯片导向器的斜上方外观立体图。

图9示意性地示出锯片导向器的斜后方外观立体图。

图10示意性地示出回位导杆的立体图。

图11示意性地示出导向器固定件的斜上方外观立体图。

图12示意性地示出导向器固定件的斜后方外观立体图。

图13示意性地示出角度调节钉的立体图。

图14示意性地示出固定钉的立体图。

图15示意性地示出带有开口式导向器的摆锯引导装置的立体图。

图16示意性地示出开口式锯片导向器的斜上方外观立体图。

图17示意性地示出开口式锯片导向器的斜后方外观视图。

图18示意性地示出非固定式摆锯导向器的立体图。

图19示意性地示出摆锯锯片的另一安装方式的立体图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本发明。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例并不意在、并且不应该被认为是对本发明保护的范围的限制性描述。

在各实施例的附图中，相同或功能相似的零部件以相同的附图标记示出，并适当省略示出。文中所述的“上”、“下”意在对应于图中所示的纸面上、下侧的相对方位以便于理解，而非限制性方位。

<零部件>

为便于理解本发明，首先对后述零部件作简单介绍。

固定架1：当进行手动截骨操作时，固定架1用于固定摆锯，固定架1上的回位套筒2用于对齐回位导杆3，规定摆锯锯片8的前进伸缩方向，从而避免摆锯自由水平摆动，导致锯片8水平碰撞导向槽86内壁；当手术机器人用于截骨操作时，固定架1作为一个整体，同时与摆锯和机器人末端执行器(未示出)相连，由机器人末端执行器带动固定架1，从而带动摆锯进行截骨操作，同时固定架1的回位套筒2和回位导杆3对齐，保证机器人在截骨时摆锯锯片8位置正确。

回位套筒2：与固定架1连接，同时与回位导杆3配合，从而保证锯片8沿伸缩方向相对移动时不会发生水平方向的自由摆动。

回位导杆3：通过其头部34与锯片导向器4配合，同时通过其杆部33配合回位套筒2，从而保证锯片8沿伸缩方向相对移动时不会发生水平方向的自由摆动。

锯片导向器4：用于对锯片8进行导向，其上的导向槽86的宽度由锯片8的厚度及切削时的自发摆动幅度确定，锯片8切削时在垂直方向无摆动，从而确保切削过程与截骨平面重合；锯片8切削时在水平方向无自由摆动，从而确保锯片8不会碰撞导向槽86内壁引起撞击与振动。导向器4两侧的紧定螺纹孔51、52与回位导管固定槽31、32配合，分别通过紧定螺钉5来固定回位导杆3的头部34(参见图10)。锯片导向器4的下方角度调节凸台101，由不规则半圆柱形状形成，其可与角度调节钉10一起配合，在满足水平方向旋转功能的同时，限制锯片导向器4相对于导向器固定件6的两侧角度。锯片导向器4可以是闭合式的(参见图8、9)也可以是开口式的(参见图16、17)，区别是导向槽86上方是否开口(参见图8、9、16、17)。开口式锯片导向器4可以给使用者提供更好的手术视野，更直观的观察体验。

紧定螺钉5：用于确保回位导杆3与锯片导向器4相对固定无移动。作为紧固件的一例，并不限于此，例如也可以使用锁销。

导向器固定件6：用于限制锯片导向器4的转动，通过角度调节凹台102与锯片导向器4上的角度调节凸台101相互配合，导向器固定件6可以确保锯片导向器4只能够在水平方向进行旋转。通过穿过角度调节孔103的角度调节钉10，可以限制锯片导向器4在水平方向的旋转角度。通过导向器固定件6上的固定孔71、72，固定钉7可以固定在骨表面，从而确保了导向器固定件6与待切骨(未示出)的相对固定，导向器固定件6与待切骨相接处的一面，可以是弧形或其他曲面形状，以更好的贴合骨表面。

固定钉7：用于将一端固定于导向器固定件6，另一端固定在骨表面，确保导向器固定件6的固定面相对骨表面固定。如图2、12、14所示，使用者可手持固定钉7的头部73，使其杆部74穿过贯通导向器固定件6的孔部77(在此例示出了两个)，然后钉入待切骨，从而可将导向器固定件6固定在骨表面。作为固定件的一例，并不限于固定钉，也可以采用线材等。

角度调节钉10：如图13所示，包括头部104和螺杆105。使用者可手持头部104，使其螺杆105穿过贯通导向器固定件6上的角度调节孔103(在此例示出了两个)，由此可以限制锯片导向器4相对导向器固定件6的角度关系，从而限制锯片8在截骨时水平方向的旋转角度。

根据本发明的随动式摆锯引导装置(亦称器械)可以至少在以下六种情况下工作，下面分别说明各实施例。

<实施例1>

图8～9、11～14示出了根据本发明实施例1的随动式摆锯引导装置的构成零部件。它们彼此配合而构成本器械。

本器械可由使用者手动自由使用，此时使用到的器械部件包括：锯片导向器4(参见图8、9)，导向器固定件6(参见图11、12)，角度调节钉10(参见图13)，固定钉7(参见图14)。

使用者先将通过固定钉7将导向器固定件6固定在骨表面准确位置，此时手持摆锯，将锯片8通过锯片导向器4上的导向槽86中进行截骨。通过角度调节钉10，可以限制锯片导向器4水平方向的转动角度。此时锯片导向器4可以是闭口式也可以是开口式。

更具体地，如图9所示，锯片导向器4上的角度调节凸台101例如由一圆柱体切缺而形成为上、下两层的台阶。该凸台101的上侧通过匹配结构连接于锯片导向器4的主体，根据需要设置成可相对转动或固定。相对于上层基部台阶的切缺平面111，下层台阶上形成有凸轮轮廓面115，其包括位于中间的凸轮面110及在其两端侧连接于圆柱体的外周面的止挡面112、113。

如图11所示，当角度调节钉10的螺杆105从导向器固定件6外侧穿过角度调节孔103伸入角度调节凹台102的有底圆筒形凹槽内侧后，两个螺杆105的端部能够分别相应于锯片导向器4与导向器固定件6之间的相对转动而扫过凸轮面110，并在转动极限位置处抵接于止挡面112或止挡面113。从而限定了锯片导向器4与导向器固定件6之间的预定转动角度。

当然，螺杆105的端部可以设成在相对转动期间抵接于下层的凸轮面110，以增加相对转动期间的阻力，使得手动操作者容易掌控锯片导向器4与导向器固定件6之间的相对旋转进度，同时能够限制转动角度。

如此，可利用下层的凸轮轮廓面115和角度调节钉10的配合关系来调节角度。例如，可在角度调节钉10上标记角度，使用角度调节钉10的旋进旋出距离来标定、控制凸台101的转动范围。当达到限定范围时，凸台101的下层会和角度调节钉10接触而阻碍旋转。

在此，利用角度调节凸台101、角度调节凹台102以及角度调节钉10示出了转动角度调节机构的一例，并且示出了两个角度调节钉10，然而并不限于此，另外也可以通过齿轮等其它方式来实现，只要能够使锯片8以随动式跟随着上述相对转动地进行切割。

根据实施例1的本器械，可以在截骨时绕着骨骼长轴方向(下称垂直方向)进行水平转动，转动角度可以由带刻度的角度调节钉10精确限定，水平方向两侧转动角度可以分别设置，从而可以避免转动角度超过范围引起的过切情况发生，提高了手术中的安全防护。

<实施例2>

图1～2等示出了根据本发明实施例2的随动式摆锯引导装置。

本器械可由使用者手动限位使用，此时使用到的器械部件包括：锯片导向器4，导向器固定件6，角度调节钉10，固定钉7，紧定螺钉5，回位导杆3，回位套筒2，固定架1。

使用者先将通过固定钉7将导向器固定件6固定在骨表面准确位置，此时将摆锯安装在带有回位套筒2的固定架1上。当进行截骨操作时，将回位套筒2对齐回位导杆3，锯片对齐锯片导向器4上的导向槽86，此时摆锯上的锯片8可以沿着导向槽方向伸缩移动，但不能相对于锯片导向器4自由水平转动，锯片切削时在垂直方向无摆动，从而确保切削过程与截骨平面重合；锯片切削时在水平方向无自由摆动，从而确保锯片不会碰撞导向槽内壁引起撞击与振动。同时锯片导向器4可以相对导向器固定件6转动，转动角度由角度调节钉10确定，从而完成规定角度的截骨操作。锯片导向器4可以使用闭口式或者开口式，开口式可提供更好的手术视野。

根据实施例2的本器械的回位套筒2和回位导杆3限制锯片8相对于锯片导向器4只能进行伸缩运动，锯片本身可以在水平方向自发摆动，但是无法超出其自发摆动范围，这限制了锯片水平方向的自由摆动幅度，避免锯片水平方向自由摆动时撞击导向槽内壁，从而提高手术精度和效果。

<实施例3>

下面参照图8～9、11～14说明根据本发明实施例3的随动式摆锯引导装置及相应的手术机器人系统。

本器械可由手术机器人配合手动自由使用，此时使用到的器械部件包括：锯片导向器4，导向器固定件6，角度调节钉10。

在手术机器人系统中，当手术机器人配合手动自由使用时，使用者将导向器固定件6与机器人执行器末端固定连接，由机器人找到准确的截骨位置，确保导向器固定件6相对于骨表面静止，使用者在骨表面钉入固定钉7，将导向器固定件6固定在骨表面。使用者此时手持摆锯，将锯片通过锯片导向器4上的导向槽86中进行截骨。通过角度调节钉10，可以限制锯片导向器4水平方向的转动角度。此时锯片导向器4可以是闭口式也可以是开口式。在这种工作情况下，摆锯锯片8并未由回位导杆3和回位套筒2限制水平方向的移动。即，由机械人帮助寻找计划中的导向器固定件6相对骨头的位置，到位之后，人工固定导向固定件6，由于没有回位机构，因此不需要固定架。同时由于没有回位机构，摆锯可以自由伸缩旋转。

本器械也可以配备开口式锯片导向器4，从而保证使用者在操作过程中可以直观的观察到锯片8的切削情况。

<实施例4>

根据实施例4的本器械可由手术机器人配合手动限位使用，此时使用到的器械部件包括：锯片导向器4，导向器固定件6，角度调节钉10，紧定螺钉5，回位导杆3，回位套筒2，固定架1。

当手术机器人配合手动限位使用时，使用者将导向器固定件6与机器人执行器末端固定连接。由机器人找到准确的截骨位置，确保导向器固定件6相对于骨表面静止，使用者在骨表面钉入固定钉7，将导向器固定件6固定在骨表面。此时使用者将摆锯安装在带有回位套筒2的固定架1上。当进行截骨操作时，将回位套筒2对齐回位导杆3，锯片8对齐锯片导向器4上的导向槽86，此时摆锯上的锯片8可以沿着导向槽方向伸缩移动，但不能相对于锯片导向器4自由水平转动，锯片切削时在垂直方向无摆动，从而确保切削过程与截骨平面重合；锯片切削时在水平方向无自由摆动，从而确保锯片不会碰撞导向槽内壁引起撞击与振动。同时锯片导向器4可以相对导向器固定件6转动，转动角度由角度调节钉10确定，从而完成规定角度的截骨操作。锯片导向器4可以使用闭口式或者开口式，开口式可提供更好的手术视野。

由于回位套筒2和回位导杆3起到了导向作用，在使用开口式锯片导向器4时，摆锯锯片8依旧可以贴合导向器表面。

如上，根据实施例3、4的机器人系统的操作方法，器械可以拆分使用，可将锯片导向器4、导向器固定件6、紧定螺钉角度调节钉10单独安装在待切骨表面，摆锯可无固定情况下使用；也可以配套回位导杆3，回位套筒2，固定架1，将摆锯固定使用。根据具体情况可以自由选择，提供了极大便利。

<实施例5>

图1～2等也示出了根据本发明实施例5的随动式摆锯引导装置。

本器械可由手术机器人单独使用，此时使用到的器械部件包括：锯片导向器4，导向器固定件6，角度调节钉10，紧定螺钉5，回位导杆3，回位套筒2，固定架1。

使用者将固定架1固定在机械臂执行器末端，并将其与摆锯主体9固定，固定架1上的回位套筒2与回位导杆3相配合，回位导杆3与锯片导向器4和导向器固定件6相配合，当机器人执行器末端移动时，整个器械随着机器人执行器末端一起移动。

当机器人确定截骨平面后，确保导向器固定件6相对于骨表面静止，使用者在骨表面钉入固定钉7，将导向器固定件6固定在骨表面。此时手术机器人可以单独或者在使用者的辅助下将摆锯锯片8水平转动或伸缩从而进行切削，此时摆锯上的锯片8可以沿着导向槽方向伸缩移动，但不能相对于锯片导向器4自由水平转动，锯片切削时在垂直方向无摆动，从而确保切削过程与截骨平面重合；锯片切削时在水平方向无自由摆动，从而确保锯片不会碰撞导向槽内壁引起撞击与振动。同时锯片导向器4可以相对导向器固定件6转动，转动角度由角度调节钉10确定，从而完成规定角度的截骨操作。锯片导向器4可以使用闭口式或者开口式，开口式可提供更好的手术视野。

本器械可以用于手术机器人相关的摆锯切削场景，手术机器人可以使用本器械确认截骨平面并进行固定，本器械可以对手术机器人握持的摆锯锯片8进行导向，保证其在切削过程中平稳，无颤动，从而提高切削精度，提高切削质量。

<实施例6>

图18示出了根据本发明实施例6的非固定式摆锯导向器的使用方法示意图。

本器械可由手术机器人在无导向器固定件6配合情况下单独使用，此时使用到的器械部件包括：锯片导向器4，紧定螺钉5，回位导杆3，回位套筒2，固定架1。

使用者将固定架1固定在机械臂执行器末端，并将其与摆锯主体9固定，固定架1上的回位套筒2与回位导杆3相配合，回位导杆3与锯片导向器4相配合，当机器人执行器末端移动时，整个器械随着机器人执行器末端一起移动。

当机器人确定截骨平面后，使用者辅助机器人将摆锯锯片8切削骨头。此时锯片导向器4接触骨表面，回位套筒2与回位导杆3配合平移，保证锯片8在切削时沿回位机构固定方向伸缩。锯片导向器4的导向槽86可以限制锯片在截切过程中的上下振动(闭合式上下双方向限位，开放式单方向限位)，使切削面更加平整精准。

<变形例>

上述的器械可由包括：1)固定架1，2)回位套筒2，3)回位导杆3，4)锯片导向器4，5)紧定螺钉5，6)导向器固定件6；7)固定钉7，8)角度调节钉10(角度限位钉)在内共八个主要零部件组成。各零部件之间配合连接或相对运动。

图5中示出了摆锯主体9及其用于安装图6所示的锯片8的安装部81。虽然在上面实施例中皆示出了锯片8的上置方式，即，安装于安装部81的上侧。然而，也可以采用例如图19中所示的安装方式，即，锯片8采用下置方式，此时，相应地将回位导杆3和回位套筒2在固定架1上的位置进行一定调整即可。

图7中示出的固定架1可一体地带有或附装有回位套筒2。此外，图7中示出了用于与摆锯主体9固定连接的套环，然而并不限于此，也可根据需要适当选型。

图15、16示出了开口式锯片导向器4，以与锯片8宽度相应的宽度开设有开口41，使得导向槽86的上侧完全开放，锯片8可以从开口41上方沿导向器4的两内壁面直接放入导向槽86。然而也可以使导向器4上侧的至少一内壁面朝另一内壁面侧伸出，即，使得导向槽86的上侧非完全开放。

上述实施例中示出了固定于固定架1的回位套筒2；和固定于锯片导向器4的回位导杆3，然而也可以反过来将回位套筒2固定于锯片导向器4。即二者在此相当于第一、第二直行引导部，只要能够起到引导直线相对移动即可，而且并不限于上述伸缩式的套筒、导杆，也可采用其它适当的机构，例如齿条齿轮、丝杠螺母等。

本发明中，术语如“固定连接”可以是一体地连接或可拆卸连接、直接或间接相连，可以根据具体情况确定。

对于本领域技术人员不言而喻的是，上述本发明不仅可以适用于仅作为一例的膝关节手术机器人，还可以适用于其它相当的机器人等，因此后者也应当视为等同或相当而落在本发明的范围内。

尽管已经参考各种具体实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在所描述的发明构思的精神和范围内做出变形。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是将具有由所附权利要求的语言所定义的全部范围。由在说明书、附图和/或权利要求书中所公开的特征中的至少两个组成的所有组合落入本发明的范畴中。