CN101112329A - 主被动式内镜操作手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是公开一种主被动式内镜操作手术机器人，用于微创手术中必备的内镜的位姿调整。它包括运载车、升降机构、大小转动臂、步进电机、内镜夹持装置和由控制面板、DSP数字信号处理器、步进电机驱动器、组成的控制系统。利用本发明，通过按动操作面板上的操作按钮，产生DSP数字信号处理器可接受的信息，并借助步进电机驱动器发出相关指令，改变大、小转动臂电机的旋转方向和角度；于是，穿透患者腹(胸)腔壁的内镜在插入点皮肤的约束下运动，便可在显示器上获得手术部位的最佳图像。所述的“主被动式”是以运动杆件有无可控电机拖动来区分。本发明的结构和控制原理简单，制作成本相对不高，便于产品开发和生产。

Description

主被动式内镜操作手术机器人

技术领域

一种主被动式内镜操作手术机器人，用于内镜(内窥镜)位姿调整。属于手术用辅助设备。

背景技术

随着科学技术的进步，人们逐步将传统医疗器械与信息、微电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机地结合起来，以提高医疗质量。

与传统的开放性手术相比，内镜微创手术以其创面小、患者痛楚小、恢复期短、手术风险和费用低等优点，受到医生和患者的普遍欢迎，具有广阔的应用前景。在进行此类手术的过程中，需根据主刀医生的要求不断调整内镜的方位，以便从显示器上及时准确地观察到手术部位的图像。为此，人们研制了各种控制内镜运动的设备。发明专利“ROBOTIZED SYSTEM FOR THE CONTROLAND MICROMETRIC ACTUATION OF AN ENDOSCOPE”(内窥镜控制及微动作机器人系统)(专利号：WO2006016390)公开了一种用于控制内窥镜精确操作的机器人系统，此外，它还能用于新生儿的内镜手术。其主要结构由通过主动模式控制保持机器人实际位置的三至五个自平衡机械臂(也可用于被动控制)组成。至少两个机械臂支撑微创手术内窥镜的运动系统，其中每个机械臂都能驱动内窥镜绕两个相互垂直的轴转动，并能独立夹持内窥镜沿切口插入病人的体内，同时也能旋转其他手术工具及控制轴的移动，手术工具的系列动作(包括剪、镊等)在适当位置上能被控制精确到微米级。力传感器的安装使用使医生在做各种手术动作时有力感。保持机械臂的作用是夹持各种其他的附件(摄像机，吹药器等)并在医生的控制下移动他们，命令和控制信号由控制台发出。这套设备研制的目的是精确控制机器人的移动，避免手术中人手操作的随意性，这套手术机器人系统不久将应用于医院临床实践中。

其不足之处在于：系统结构复杂，控制难度较大，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的是公开一种主被动式内镜操作手术机器人，根据主刀医生的要求，手动控制操作面板上的按钮，产生DSP数字信号处理器可接受的信息，并发出相关指令，改变升降电机和大、小转动臂电机的旋转方向和角度；于是，穿透患者腹(胸)腔壁的内镜在插入点皮肤的约束下运动，以便在显示器上获得手术部位的最佳图像。所述的“主被动式”是以运动杆件有无可控电机拖动来区分。本发明的结构和控制原理简单，制作成本相对不高，便于产品开发和生产。

主被动式内镜操作手术机器人包括运载车、升降机构、大转动臂、小转动臂、步进电机、带有球铰链的内镜夹持装置和DSP数字信号处理器、步进电机驱动器、控制面板组成的控制系统；其中，升降机构为丝杠螺母机构；可升降的套筒借助一侧外壁上的滑块沿铅垂导轨滑动；螺母固装在套筒下端；旋入螺母内的丝杠外端与步进电机相连；于是，在该步进电机的带动下，套筒可沿导轨上下滑动；大转动臂水平地置于套筒顶部，并与固装在套筒内的步进电机的输出轴相连；于是，在该步进电机的带动下，大转动臂可绕套筒轴线转动；小转动臂可绕大转动臂的端部水平转动，其动力来自固定于大转动臂另一端的步进电机和齿形带传动副；小转动臂由便于拆卸、相互螺接的两段组成，一段平直，另一段向下弯折45°，其上装有两个小光束源，光束源发出的光束在竖直平面相交于一点，用于标定手术切口相对机器人基础坐标系的位置；内镜夹持装置借助球铰链固装在小转动臂的末端，成弯钩状并使内镜的轴线穿过球铰链球心。铅垂导轨固连在箱式运载车内，套筒连同大、小转动臂以及内镜夹持装置延伸至车厢外。运载车底部装有带锁定机构的滚轮，方便整个装置的搬运和定位。

控制面板固定在运载车箱体的侧上方，其上装有电源开关及其指示灯、模式选择按钮及其指示灯、机器人状态启动和复位按钮及其指示灯、定位和操作按钮及其指示灯、速度调节按钮及其指示LED光柱、前后左右控制按钮、升降控制按钮、(内镜)抽插控制按钮。其中，模式选择按钮用于设置由患者的手术部位所决定的本发明的使用位置，即其置于手术台的左侧还是右侧——这与大、小转动臂工作时的基本转动方向有关；机器人状态启动和复位按钮可直接、快速控制大小转动臂的术前展开和术后大小转动臂的复位及小转动臂收拢到大转动臂的下方；定位和操作按钮分别定义机器人工作时的状态——定位还是操作，定位完成后按下操作按钮的同时机器人将自动记录病人切口相对其坐标系的位置；速度调节按钮用于调节机器人转动时的速度，当机器人用于定位时其运动速度相对较高，当用于手术操作时其运动速度相对较低，便于实际操作又具有较高的安全性；六个手术方向(前、后、左、右、升、降)按钮用于控制机器人小转动臂末端的运动方向；抽插控制按钮用于控制内镜在空间位置保持位姿不变情况下的进出。DSP数字信号处理器装于运载车的箱体内；用于数据处理及向步进电机驱动器发出脉冲信号，驱动与其相连的步进电机转动；控制面板通过数据线与DSP数字信号处理器相连。

运动学方程及正逆运动学模型：本发明为PRRRRR结构，共有6个自由度，其中3个被动关节为集中于一点的球铰链结构，无驱动电机(参见图7)。

各杆件间的变换矩阵： ${}_1{}^{0}T=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ ${}_2{}^{1}T=\left[\begin{array}{cccc}{c}_2& -s_2& 0& 0\\ s_2& c_2& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

${}_3{}^{2}T=\left[\begin{array}{cccc}{c}_3& -s_3& 0& a_2\\ s_3& c_3& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ ${}_4{}^{3}T=\left[\begin{array}{cccc}{c}_4& -s_4& 0& a_3\\ s_4& c_4& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，s₂＝sinθ₂；c₂＝cosθ₂；s₂₃＝sin(θ₂+θ₃)；c₂₃＝cos(θ₂+θ₃)，其中，a₂、a₃分别为大小转动臂的长，θ₂为大转动臂的转角，θ₃为小转动臂的转角。

由 ${}_4{}^{0}T={}_1{}^{0}T\left(d_1\right){}_2{}^{1}T\left({\mathrm{\θ}}_2\right){}_3{}^{2}T\left({\mathrm{\θ}}_3\right){}_4{}^{3}T\left({\mathrm{\θ}}_4\right),$ ${}_4{}^{0}T=\left[\begin{array}{ccccc}{c}_{23}& -s_{23}& & 0& a_2{c}_2+a_3{c}_{23}\\ s_{23}& c_{23}& & 0& a_2{s}_2+a_3{s}_{23}\\ \text{0}& 0& & 1& d_1\\ 0& 0& & \text{0}& 1\end{array}\right]$

可知本发明被动关节中心的位置为(a₂c₂+a₃c₂₃，a₂s₂+a₃s₂₃，d₁)，即 $\left\{\begin{array}{c}{x}_p=a_2{c}_2+a_3{c}_{23}\\ y_p=a_2{s}_2+a_3{s}_{23}\\ z_p=d_1\end{array}\right.;$ 而本发明的逆向运动学模型为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_3=\mathrm{\π}-\mathrm{\α}\\ {\mathrm{\θ}}_2=\arctan \left(\frac{y_p}{x_p}\right)-\arctan \left(\frac{a_3{s}_2}{a_2+a_3{c}_3}\right)\\ \mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{-(x_p^2+y_p^2)+a_2^2+a_3^2}{2a_2{a}_3}\right)\\ d_1=z_p\end{array}.\right.$

使用时确定手术切口相对本发明基础坐标系空间位置的原理及过程：本发明定位、通电、启动后，进行模式选择，初始化后升降机构将大小转动臂升到其行程的最高点，同时大小转动臂按照程序设定好的转角进行展开，安装机器人小转动臂的可拆卸部分，并启动安装在其下部的两个光束源，两光束源被倾斜放置并成不同角度，使其在交点位于球铰链球心的正下方200mm处。此时，通过观察两光束照在人体皮肤上的光点，按动控制面板上的方向按钮，控制大小转动臂转动，使球铰链的球心处于切口的正上方，然后通过控制面板上的升降按钮控制升降机构降低大小转动臂的高度，此时两光束照在人体皮肤上的两个光点的距离逐渐减小，当两光点同时移动到切口处时停止下降，并按下控制面板的操作开关，则即可记录下手术切口在本发明基础坐标系中的位置(x_切口，y_切口，z_切口)即(x_p，y_p，z_p-200)，完成此操作。图8给出了确定手术切口相对本发明基础坐标系空间位置的示意图，其中，8为安装在小转动臂末端的两个光束源，9为光束源发出的光束，02为手术切口，4为小转动臂。

本发明操作过程中内镜的抽插实现过程及内镜的空间矢量：当内镜沿手术切口插入腹(胸)腔内部后，由于手术中观察病灶整体和局部的需要，内镜须保持原来位姿不变的情况沿其轴线运动，即为内镜的抽插。手术中内镜抽的过程可以分解为升降机构带动大小转动臂上升和转动臂向基础坐标转动的过程，插的过程可以分解为升降机构带动大小转动臂下降和转动臂远离基础坐标转动的过程。由于内镜的轴线穿过球铰链的球心，且手术切口及球铰链球心相对机器人基础坐标系的位置已知(x_切口，y_切口，z_切口)、(x_p0，y_p0，z_p0)，内镜所在空间矢量

即可求得，即(x_切口-x_p0，y_切口-y_p0，z_切口-z_p0)，则内镜在手术机器人基础坐标系中的空间直线参数方程为

内镜沿运动时机器人球铰链球心的位置为((x_p0-x_切口)t+x_切口，(y_p0-y_切口)t+y_切口，(z_p0-z_切口)t+z_切口)，即

内镜在切口处沿其空间矢量

运动的距离为 $\mathrm{\Δl}=\sqrt{{(x-x_{p0})}^2+{(y-y_{p0})}^2+{(z-z_{p0})}^2}.$

水平面小转动臂末端直线运动的基本算法：水平面内大小转动臂的雅可比矩阵为 $J\left(q\right)=\left[\begin{array}{cc}-a_2{s}_2-a_3{s}_{23}& -a_3{s}_{23}\\ a_2{c}_2+a_3{c}_{23}& a_3{c}_{23}\end{array}\right];$ 小转动臂末端在水平面以10mm/s的速度垂直y轴运动时，两关节转动的角速度分别为 ${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1=0.01\frac{c_{23}}{a_2{s}_3},$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2=-0.01(\frac{c_2}{a_3{s}_3}+\frac{c_{23}}{a_2{s}_3}).$

小转动臂末端在水平面以10mm/s的速度垂直x轴运动时，两关节转动的角速度为 ${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1=0.01\frac{s_{23}}{a_2{s}_3},$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2=-0.01(\frac{s_2}{a_3{s}_3}+\frac{s_{23}}{a_2{s}_3}).$

本发明升降机构的运动通过控制面板上的升降按钮直接控制。

使用时，将本发明推到手术台旁的相应位置上，锁定车轮将其定位；接通电源；选择机器人工作模式(患者的左侧或右侧)；按下机器人状态启动按钮使升降机构升到最高点及大小转动臂快速展开；按动控制面板上的定位按钮，然后按动方向按钮调整升降机构的高度及小转动臂末端的位置，使小转动臂上的两束光源的交点集中到切口处，按下操作按钮记下手术切口相对机器人基础坐标系的位置；按动方向钮中的上升按钮，为内镜沿内镜夹持装置插入患者体内提供必要的初始位姿。手术过程中，按动控制面板中的方位按钮，使内镜在大、小转动臂的带动下调整位姿，到达主刀医生观察患者手术部位的最佳方位。手术结束后，按动操作面板中的方向按钮改变内镜的位姿，将其从内镜夹持装置上取下；取下可拆卸的小转动臂的外段，作消毒处理，以便下次手术使用。按动操作控制面板中机器人状态的复位键，使大转动臂复位，小转动臂转动到大转动臂的正下方侧。最后，关掉电源，推出手术室，结束本次使用。

附图说明

图1主被动式内镜操作手术机器人主视图

图2主被动式内镜操作手术机器人的被动关节及内镜夹持装置结构示意图(图1I处局部放大)

图3主被动式内镜操作手术机器人的可拆卸小转动臂连接结构示意图(图1II处局部放大)

图4主被动式内镜操作手术机器人工作空间示意图

图5主被动式内镜操作手术机器人控制系统框图

图6主被动式内镜操作手术机器人控制面板示意图

图7主被动式内镜操作手术机器人结构简图及各连杆坐标系

图8主被动式内镜操作手术机器人确定手术切口相对位置示意图

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，并结合附图加以说明。

如图1所示，主被动式内镜操作手术机器人包括运载车1、升降机构2、大转动臂3、小转动臂4、步进电机5、带有球铰链的内镜夹持装置6和由控制面板71、DSP数字信号处理器72、步进电机驱动器73组成的控制系统7；其中，升降机构2为丝杠螺母机构；可升降的套筒21借助一侧外壁上的滑块22沿铅垂导轨23滑动；螺母24固装在套筒21下端，旋入螺母24内的丝杠25外端与步进电机5相连；于是，在该步进电机5的带动下，套筒21可沿导轨23上下滑动；大转动臂3水平地置于套筒21顶部，并与固装在套筒21内的步进电机5的输出轴相连；于是，在该步进电机5的带动下，大转动臂3可绕套筒21轴线转动；小转动臂4可绕大转动臂3的端部水平转动，其动力来自固定于大转动臂3另一端的步进电机5和齿形带传动副；小转动臂4由便于拆卸、相互螺接的两段41和42组成，41为平直段，42带有向下45°的弯折段，下方固装有两个水平倾角分别为-60°和-53°的光束源81、82，两段借助螺纹副43和44连接(参见图3)；内镜夹持装置6借助球铰链将内镜0固装在小转动臂4的末端；球铰链包括带内镜夹的球体61、球座62、弹簧63、紧固螺钉64(参见图2)。铅垂导轨23固连在箱式运载车1内，套筒21连同大、小转动臂3、4以及内镜夹持装置6延伸至车厢外。运载车1底部装有带锁定机构的滚轮11，方便整个装置的搬运和定位。

控制面板71固定在运载车1箱体的侧上方(参见图1)，其上装有电源开关及其指示灯、模式选择按钮及其指示灯、机器人状态启动和复位按钮及其指示灯、定位和操作按钮及其指示灯、速度调节按钮及其指示LED光柱、前后左右控制按钮、升降控制按钮、(内镜)抽插控制按钮(参见图6)。其中，模式选择按钮用于设置由患者的手术部位所决定的本发明的使用位置，即其置于手术台的左侧还是右侧——这与大、小转动臂工作时的基本转动方向有关；机器人状态的启动和复位按钮可直接、快速控制大小转动臂3和4的术前展开和术后大小转动臂3和4的复位及小转动臂4收拢到大转动臂3的下方；定位和操作分别定义机器人工作时的状态——定位还是操作，定位完成后按下操作按钮的同时机器人将记录病人切口相对其坐标系的位置；速度调节按钮用于调节机器人工作时的速度，当机器人用于定位时其运动速度相对较高，当用于手术操作时其运动速度相对较低，便于实际操作又具有较高的安全性；六个手术方向(前、后、左、右、升、降)按钮用于控制机器人小转动臂末端的运动；内镜抽插控制按钮用于控制内镜在一定空间位置的进出。

DSP数字信号处理器72装于运载车1的箱体内；用于数据处理及向步进电机驱动器73发出脉冲信号，驱动与其相连的步进电机5转动；控制面板71通过数据线与DSP数字信号处理器72相连(参见图5)。

所述的控制面板将信号传输到负责数据处理及发出脉冲信号的DSP数字信号处理器72中，经过DSP数字信号处理器72向步进电机驱动器73发出脉冲信号，控制大、小转动臂3和4上的步进电机5转过不同角度。由于内镜0是沿病患部位的切口插入患者体内，插入点便成为限制内镜0横向运动的约束，在大小转动臂的带动下内镜0的运动到方位为手术进行提供手术区域的图像。图4给出了本发明的工作空间示意图，其中02为内镜0的插入点，01和03分别为内镜0在患者体内和体外部分的运动面。

本发明中的DSP数字信号处理器72的型号为TMS320LF2407A，或采用TMS320LF2812系列；步进电机驱动器73采用常州双杰SJ-240M型，或北京四通电机公司SH-20402A型；步进电机5采用42BYG系列或57BYG系列。

本发明的结构和控制原理简单，制作成本相对较低，便于产品开发和生产。

Claims (2)

1.一种主被动式内镜操作手术机器人，其特征在于：它包括运载车(1)、升降机构(2)、大转动臂(3)、小转动臂(4)、步进电机(5)、带有球铰链的内镜夹持装置(6)和控制系统(7)；其中，升降机构(2)为丝杠螺母机构；可升降的套筒(21)借助一侧外壁上的滑块(22)沿铅垂导轨(23)滑动；螺母(24)固装在套筒(21)下端，旋入螺母(24)内的丝杠(25)外端与步进电机(5)相连；大转动臂(3)水平地置于套筒(21)顶部，并与固装在套筒(21)内的步进电机(5)的输出轴相连；小转动臂(4)可绕大转动臂(3)的端部水平转动，其动力来自固定于大转动臂(3)另一端的步进电机(5)和齿形带传动副；小转动臂(4)由便于拆卸、相互螺接的两段(41)和(42)组成，且(42)下方固装有两个水平倾角分别为-60°和-53°的光束源(81、82)；内镜夹持装置(6)借助球铰链将内镜(0)固装在小转动臂(4)的末端；铅垂导轨(23)固连在箱式运载车(1)内，套筒(21)连同大、小转动臂(3、4)以及内镜夹持装置(6)延伸至车厢外；运载车(1)底部装有带锁定机构的滚轮(11)。

2.如权利要求1所述的主被动式内镜操作手术机器人，其特征在于：控制系统(7)包括控制面板(71)、DSP数字信号处理器(72)、步进电机驱动器(73)；其中，控制面板(71)固定在运载车1箱体的侧上方，其上装有电源开关及其指示灯、模式选择按钮及其指示灯、机器人状态启动和复位按钮及其指示灯、定位和操作按钮及其指示灯、速度调节按钮及其指示LED光柱、前后左右控制按钮、升降控制按钮、抽插控制按钮；DSP数字信号处理器(72)通过数据线分别与控制面板(71)和步进电机驱动器(73)相连；手动操作控制面板(71)上的相关按钮，产生DSP数字信号处理器(72)可接受的信息，并发出相关指令，改变升降电机和大、小转动臂电机(5)的旋转方向和角度，进而改变内镜(0)的方位。

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