一种用于髋关节置换的末端执行器和骨科机器人

技术领域

本发明属于医疗器械领域，涉及一种用于髋关节置换的末端执行器和骨科机器人。

背景技术

骨科导航手术中要求在不同体位场景下，示踪器1都在摄像机的可视范围内，且示踪器1能准确标定臼杯3的空间位置，比如标定髋关节置换手术中臼杯3的空间位置，现有技术使用多面示踪器1解决可视性问题，即将多组示踪器1分布在不同的面上，保证在不同体位场景下，总有一组示踪器1在可视范围内，但多面示踪器1使用更多的反光球，设备成本提高，且多面示踪器1的尺寸更大，影响机械臂的摆位，另外，现有技术中示踪器1与臼杯3等器件之间是刚性连接，但关联的零件数量多，每个零件都有加工误差，导致经坐标计算的臼杯3位置与真实位置有较大偏差，实际使用时，需要先用安放杆2将臼杯3放入髋臼窝，然后使安放杆2与机械臂末端的器械连接，但安放杆2较长，操作时使用不便。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种用于髋关节置换的末端执行器和骨科机器人。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于髋关节置换的末端执行器,包括示踪器、安放杆、末端连接器和周向调整装置，安放杆固设有臼杯，示踪器与安放杆固定连接，示踪器包括反光件，至少两组反光件与臼杯共面，末端连接器与机械臂连接，末端连接器设置在安放杆，周向调整装置设置在安放杆与末端连接器之间，通过周向调整装置将安放杆与末端连接器解锁使示踪器沿安放杆的周向转动。

进一步的，所述示踪器包括连接件和示踪器本体，示踪器本体与连接件连接，安放杆与连接件连接。

进一步的，所述示踪器本体包括示踪架，反光件固设在示踪架，若干反光件构成示踪面，示踪面与连接件倾斜设置，示踪面与连接件的中心轴线的夹角范围设为15°-40°。

进一步的，两组所述反光件沿连接件轴向分布与连接件的中心轴线共面，两组沿所述连接件轴向分布的反光件之间的间距范围为70-170mm。

进一步的，所述安放杆设为多段式分体结构，至少包括可拆卸连接的第一安放杆与第二安放杆，两者同步沿轴向移动或沿周向转动。

进一步的，所述第一安放杆设有限位环，第二安放杆设有限位轴，通过限位环和限位轴使示踪器与安放杆固定连接。

进一步的，所述臼杯和示踪器设置在第一安放杆，末端连接器设置在第二安放杆。

进一步的，所述末端连接器包括壳体，壳体内部设有穿腔，第二安放杆沿其轴向穿设于穿腔，周向调整装置套设在第二安放杆外侧，位于第二安放杆和壳体之间，周向调整装置用于切换安放杆的锁紧状态或解锁状态。

进一步的，所述周向调整装置包括固定座、环套、锁定件和拉环，固定座套设在第二安放杆，固定座与壳体固设连接，环套套设在固定座外侧且两者滑动连接，环套与锁定件连接，通过拉环带动环套在穿腔内相对于固定座沿安放杆的轴向运动，环套内侧设置变径槽。

一种骨科机器人，包括所述的末端执行器。

综上所述，本发明的有益之处在于：

1)本发明将示踪器安装在安放杆上，减少示踪器与臼杯之间关联的零件，从而减少累计误差，能更准确的标定臼杯的空间位置，同时将两组反光件与臼杯共面，该两组反光件空间变化直接反映臼杯的位置变化，减少反光件与目标空间位置的中间换算过程，精简目标空间位置的运算，且该两组反光件之间的间距远大于其他反光件之间的间距，不仅有效缩小了示踪器本体在径向的尺寸，减少了空间占用；同时增大两组沿连接件轴向分布的反光件之间的间距，使这两组反光件对于两者连线方向的空间位置变化具备更高的灵敏性，以便得到目标精确的空间位置。

2)本发明将安放杆设置为多段式分体结构，在第一安放杆和第二安放杆分别与部件装配后，将两者可拆卸连接，不仅解决了较长安放杆带来的操作不便的问题，同时以方便组装的可拆卸连接将第一安放杆和第二安放杆进行组装，组装方式简单，方便在骨科手术中将器械组装，便于使用者使用。

3)本发明通过周向调整装置对安放杆进行解锁，使示踪器可在周向的朝向进行调整，以满足在不同体位场景下都在摄像机的可视范围内，不仅减少空间占用，减少成本，同时使示踪器的朝向调整更灵活；周向调整装置对安放杆进行锁紧，可提高末端执行器的稳定性。

4)本发明通过限位环以及限位轴对限制了示踪器在轴向的移动，同时限位轴限制了示踪器沿周向的转动，实现了示踪器与安放杆的同步运动，操作方式简单方便，极大方便了使用者的操作。

附图说明

图1为本发明的末端执行器轴测图。

图2为本发明的末端执行器主视图。

图3为本发明的示踪器轴测图。

图4为本发明的示踪器俯视图。

图5为图1中Ⅰ的放大示意图。

图6为本发明的末端执行器半剖图。

图7为图2中A-A的剖视图。

图8为图6中Ⅱ的放大示意图。

图中标识：示踪器1、安放杆2、臼杯3、末端连接器4、周向调整装置5、机械臂6、连接件11、示踪器本体12、支架13、增厚端111、示踪架121、反光件122、第一反光件1221、第二反光件1222、第三反光件1223、第四反光件1224、第一安放杆21、第二安放杆22、限位环210、限位轴211、键槽221、壳体41、连接臂42、固定块411、固定座51、锁定件52、环套53、定位块54、拉环55、第一复位件56、第二复位件57、变径槽531、第一内腔540、第一凸块541、第二凸块542、手柄551、限制块552。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、横向、纵向……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

因安装误差等原因，本发明实施例中所指的平行关系可能实际为近似平行关系，垂直关系可能实际为近似垂直关系。

实施例：

如图1-8所示，一种用于髋关节置换的末端执行器，包括示踪器1、安放杆2、末端连接器4和周向调整装置5，安放杆2的一端固设有臼杯3，示踪器1与安放杆2固定连接，末端连接器4与机械臂连接，安放杆2设为多段式分体结构，至少包括可拆卸连接的第一安放杆21与第二安放杆22，末端连接器4设置在安放杆2，周向调整装置设置在安放杆2与末端连接器4之间，通过周向调整装置将安放杆2与末端连接器4锁定使示踪器1无相对转动或解锁使示踪器1沿安放杆2的周向转动。

图中x轴方向设定为连接件11的轴向，y轴方向设为连接件11的径向、箭头S方向为沿背离臼杯3的轴向移动方向。

示踪器1与安放杆2固定连接，使两者同步沿安放杆2的轴向移动或沿安放杆2的周向转动，使示踪器1在周向的朝向调整更灵活，从而在不使用多面示踪器的情况下，使示踪器1在不同体位场景下都在摄像机的可视范围内，因无需多面示踪器，从而减少空间占用。

示踪器1用于臼杯3的空间位置，包括连接件11和示踪器本体12，示踪器本体12与连接件11连接，臼杯3杆穿过连接件11并与连接件11连接，示踪器本体12包括反光件122，至少两组反光件122与臼杯3共面。

示踪器本体12与连接件11通过两组支架13固定连接，两组支架13位于连接件11的两端，支架13的两端分别与示踪器本体12与连接件11连接，在其他一些实施例中，示踪器本体12与连接件11可一体成型，或示踪器本体12与连接件11其中之一与支架13一体成型。

本实施例中，连接件11为管状结构，连接件11套设安装在安放杆2，连接件11的中心轴线与安放杆2的中心轴线共线或者近似共线，安放杆2的中心轴线与臼杯3的球心共线。

连接件11可由分体式的多组管状结构构成，如由多组套环构成，也可为一体式的管状结构，如套管，优选的，本实施例中，连接件11采用一体式的管状结构，方便转动连接件11，以对示踪器本体12进行周向调整。

连接件11的两端为增厚端111，增厚端111的外径大于连接件11中间端的外径，增厚端111为示踪器本体12的连接位置，从而加强连接位置的结构强度，连接件11中间端形成内凹结构，便于握持。

在其他一些实施例中，连接件11不限于管状结构。

示踪器本体12包括示踪架121，反光件122固设在示踪架121，反光件122设有四组，四组反光件122分布在示踪架121的周向位置，四组反光件122构成示踪面，示踪面与连接件11倾斜设置，连接件11与安放杆2共线，因而示踪面与安放杆2倾斜设置，倾斜角度范围设为15°-40°。

两组反光件122沿连接件11轴向分布与连接件11的中心轴线共面，进而与臼杯3共面，两组反光件122空间变化直接反映臼杯3的位置变化，减少反光件122与臼杯3空间位置的中间换算步骤，精简臼杯3空间位置的运算，另两组反光件122分布在连接件11的径向两侧，两组沿连接件11径向分布的反光件122之间的间距小于两组沿连接件11轴向分布的反光件122之间的间距，在满足示踪器1的距离定则：任意两组反光件122之间的间距差值大于5mm的情况下，两组沿连接件11轴向分布的反光件122之间的间距尽可能大，本实施例两组沿连接件11轴向分布的反光件122之间的间距范围为70-170mm：以缩小了两组沿连接件11径向分布的反光件122之间的间距，不仅有效缩小了示踪器本体12在径向的尺寸，减少了空间占用；同时增大两组沿连接件11轴向分布的反光件122之间的间距，使这两组反光件122对于空间位置的变化具备更高的灵敏性，以便得到臼杯3精确的空间位置。本实施例中，四组反光件122分别设为第一反光件1221、第二反光件1222、第三反光件1223和第四反光件1224，第二反光件1222和第四反光件1224之间的间距大于第一反光件1221和第三反光件1223之间的间距，且第二反光件1222和第四反光件1224与连接件11的中心轴线共面。

本实施例并不对连接件11和示踪器本体12在z轴方向的距离进行限定，为缩小示踪器1的空间占用，在保证示踪器1功能的前提下缩小两者的间距。

在其他实施例中，反光件122的数量可能大于或小于四组，在不同方向分布的反光件122根据需要自行设置。

安放杆2为多段式分体结构，至少包括第一安放杆21和第二安放杆22，第一安放杆21与第二安放杆22可拆卸连接，且两者同步沿轴向移动或沿周向转动，本实施例将安放杆2设置为多段式分体结构，相互之间以可拆卸方式连接，方便在骨科手术中将器械组装，便于医生使用。

第一安放杆21与第二安放杆22的可拆卸连接可设为螺纹连接、销连接、键连接等，本实施例对于可拆卸连接的类型并不限定。

本实施例示踪器1与安放杆2的固定连接具体为：第一安放杆21靠近臼杯3的一端设有限位环210，限位环210的外径大于连接件11的内径，第一安放杆21穿过连接件11，限位环210与连接件11相抵，对连接件11在轴向的一侧移动进行限制，第二安放杆22的端部设有限位轴211，限位轴211与限位孔适配，限位轴211设置在限位孔内，限位轴211对连接件11在轴向的另一侧移动进行限制，从而限制了连接件11在轴向的移动，同时限位轴211限制了连接件11沿周向的转动，实现了示踪器1与安放杆2的同步运动。

第一安放杆21的一端与臼杯3固设连接，另一端与第二安放杆22可拆卸连接；末端连接器4设置在第二安放杆22，周向调整装置设置在安放杆2与末端连接器4之间。

多段式分体结构的安放杆2操作过程为：第一安放杆21将臼杯3放入髋臼窝，再将示踪器1安装在第一安放杆21，将第二安放杆22与末端连接器4连接，然后将第一安放杆21和第二安放杆22可拆卸连接，同时示踪器1的限位孔与第二安放杆22上的限位轴211装配，从而实现末端执行器的装配，相较于现有较长的安放杆在操作中带来的不便，本申请将安放杆2设置为多段式分体结构，在第一安放杆21和第二安放杆22分别与部件装配后，将两者可拆卸连接，不仅解决了较长安放杆2带来的操作不便的问题，同时以方便组装的可拆卸连接将第一安放杆21和第二安放杆22进行组装，组装方式简单，方便在骨科手术中将器械组装，便于使用者使用。

末端连接器4包括壳体41，壳体41内部设有穿腔(图未系显示)，第二安放杆22沿其轴向穿设于穿腔，周向调整装置5套设在第二安放杆22外侧，位于第二安放杆22和壳体41之间，周向调整装置5用于调整安放杆2处于锁紧状态或解锁状态，本实施例中安放杆2处于锁紧状态时，安放杆2沿其轴向移动或沿其周向转动的运动被锁定，进而使示踪器1的位置被锁定，安放杆2处于解锁状态时，安放杆2可沿其轴向移动或沿其周向转动，不仅可调整安放杆2的有效长度，以便适应不同操作距离的要求，同时可调整示踪器1的朝向，使示踪器朝向调整更灵活，本申请通过周向调整装置5对安放杆2进行解锁，使示踪器可在周向的朝向进行调整，以满足在不同体位场景下都在摄像机的可视范围内，相较于采用多面示踪器的常规方案，不仅减少空间占用，减少成本，同时使示踪器的朝向调整更灵活；周向调整装置5对安放杆2进行锁紧，可提高末端执行器的稳定性。

安放杆2处于锁紧状态或解锁状态即为第二安放杆22锁紧状态或解锁状态。

周向调整装置5包括固定座51，固定座51套设在第二安放杆22外侧，位于第二安放杆22和壳体41之间，固定座51与壳体41固设连接，在锁紧状态时，固定座51与第二安放杆22处于锁紧状态，两者无相运动，在解锁状态时，固定座51与第二安放杆22处于解锁状态，第二安放杆22相对固定座51其轴向移动或沿其周向转动。

周向调整装置5包括环套53、锁定件52和拉环55，环套53套设在固定座51外侧且两者滑动连接，环套53相对固定座51可沿轴向滑动，环套53与锁定件52连接，拉环55带动环套53在穿腔内相对于固定座51沿安放杆2的轴向运动，环套53内侧设置变径槽531，变径槽531沿图中箭头S方向内径逐渐变小。

固定座51设有与锁定部件52配合的第一通孔(图未标识)，第二安放杆22设置有沿其轴向延伸的键槽221，当锁定部件52一部分位于第一通孔中，另一部分位于键槽221中，此时锁定部件52限制了固定座51和第二安放杆22之间的相对转动。

在本实施例中，锁定部件52一部分位于键槽221中，另一部分位于第一通孔中，在第二安放杆22转动时，键槽221、第二安放杆22和第一通孔相互干涉，能够限制固定座51与第二安放杆22之间发生相对转动，从而限制第二安放杆22沿其周向转动；第二安放杆22处于锁紧状态时，锁定件52一部分位于变径槽531内，另一部分穿过第一通孔位于键槽221内；第二安放杆22处于非锁紧状态时，锁定件52全部位于变径槽531内。

拉环55带动环套53沿箭头S反方向滑动时，锁定件52与变径槽531的相对位置由变径槽531内径较大向内径较小一侧移动，此过程中，锁定件52逐渐被变径槽531内壁通过第一通孔抵至键槽221，此时，锁定件52一部分位于变径槽531内，另一部分穿过第一通孔位于键槽221内，锁定件52同时与第一通孔和键槽221干涉，此时第二安放杆22处于被周向调整装置5锁定的锁紧状态，第二安放杆22不能沿其轴向移动或沿其周向转动。

拉环55带动环套53沿箭头S方向滑动时，锁定件52与变径槽531的相对位置由变径槽531内径较小向内径较大一侧移动，此过程中，锁定件52的可活动空间增加，环套53滑动至变径槽531与固定座51之间的空间可容纳全部锁定件52时，环套53内壁对锁定件52施加径向力消失，当第二安放杆22转动时，锁定件52受第二安放杆22的侧向力作用，具有向上移动的趋势，进而使锁定件52避让第一通孔和键槽221，此时第二安放杆22处于被周向调整装置5解锁的解锁状态，第二安放杆22可以相对固定座51沿轴向移动或沿周向转动。

优选的，环套53的移动范围控制在变径槽531始终与第一通孔位置相对，第一通孔与锁定件52始终位于变径槽531内。

优选的，锁定件52为卡珠，卡珠的数量可以为一个或多个，卡珠的数量与第一通孔的数量相同。锁定件52为卡珠可以减小卡珠与键槽221和变径槽531之间摩擦，卡珠的材质可以为钢，钢珠具有较好的耐磨性。

优选的，键槽221的截面为与锁定件52适配的半圆形状。

优选的，拉环55包括手柄551，手柄551位于壳体41的外侧，手柄551方便使用者移动拉环55，使用者通过驱动手柄551将安放杆2由锁紧状态切换至解锁状态。

周向调整装置5还包括定位块54，定位块54套设在固定座51的外部，定位块54与壳体41内壁滑动连接，定位块54位于环套53和拉环55之间，且两端分别与环套53和拉环55连接，拉环55通过带动定位块54移动进而带动环套53移动。

周向调整装置5还包括第一复位件56，定位块54设有第一内腔540，壳体41固设有固定块411，第一复位件56位于穿腔内，且一端与第一内腔540的内壁连接，另一端与固定块411连接，通过外力拉动拉环55使环套53沿箭头S方向滑动，第二安放杆22处于解锁状态，在此过程中压缩第一复位件56，第一复位件56产生驱动拉环55、定位块54以及环套53沿箭头S反方向滑动的回复力，当无外力作用下后，第一复位件56产生的回复力驱动拉环55、定位块54以及环套53移动，使第二安放杆22处于锁紧状态。

优选的，第一复位件56可以为弹簧等弹性部件。

优选的，定位块54设有第一凸块541和第二凸块542，拉环55设有限制块552，限制块552位于第一凸块541和第二凸块542之间，第一凸块541和第二凸块542之间的区域为缓冲区域，以缓冲第一复位件56带来的冲击力，当拉环55沿箭头S方向滑动至限制块552与第二凸块542相抵时，带动环套53继续移动，直至第二安放杆22处于解锁状态，但第一复位件56产生回复力时，因限制块552与第二凸块542相抵，进而驱动拉环55沿沿箭头S反方向移动，当第一复位件56回复力消失，在惯性作用下，拉环55在缓冲区域继续向同方向移动一段距离，直至惯性消失，在此过程中，缓冲区域对拉环55的惯性移动进行缓冲以避免拉环55直接碰撞至第二凸块542，可避免直接对定位块54的碰撞，防止影响定位块54的寿命以及定位块54与相关零件的连接关系，同时可减少噪声。

周向调整装置5还包括第二复位件57，第二复位件57一端与壳体41连接，另一端与第二安放杆22连接，需要调整安放杆2的有效长度时(安放杆2的有效长度是机械臂与臼杯2之间的长度，安放杆2具有初始有效长度)，切换安放杆2至解锁状态，锁定件52不受径向力的作用，第二安放杆22沿其轴向移动时，锁定件52沿键槽221移动，直至安放杆2达到有效长度，键槽221的长度为安放杆2长度调整的范围，在此过程中拉伸第二复位件57，使其具有回复力，在安放杆2处于解锁状态时，第二复位件57产生的回复力驱动第二安放杆22移动至初始有效长度，便于后续进行调整。

优选的，第二复位件57可以为弹簧等弹性部件。

末端连接器4还包括连接臂42，连接臂42设置在壳体41，连接臂42与机械臂6固定连接。

本实施例中，末端连接器4通过连接臂42固定在机械臂6的末端，进而使末端连接器4搭载在机械臂6的末端实现手术导航，保证手术过程中医生对于末端连接器4的高精度操作。当机械臂6调整末端连接器4到设定的部位和姿态时，末端连接器4保证臼杯3的位置不变以便医生进行操作。

优选的，连接臂42可拆卸的安装于壳体41，或连接臂42与壳体41一体成型。

在解锁状态下，示踪器1、第一安放杆21、第二安放杆22、臼杯3保持沿周向的同步转动。

本申请提供了一种骨科机器人，包括上述的末端执行器。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。