CN101357075A - 基于内窥镜的微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内窥镜的微创手术机器人，最前端设置有夹持手指，依次设置了固定手指的弧形运动关节机构、弧形导轨旋转关节机构以及垂直方向位置调整机构。本发明主要应用于基于内窥镜的外科手术，尤其在胃镜、肠镜等外科手术的血管缝合工作中，本发明的基于内窥镜的微创手术机器人能够替代主刀医生完成血管剥离、小创口缝合、剪断等复杂的手术操作。

Description

基于内窥镜的微创手术机器人

技术领域

本发明涉及一种内窥镜外科手术中所用医疗设备的零部件。

背景技术

20世纪90年代初期，医疗外科机器人的研制取得了飞跃性的发展，一批研究成果相继被报道。医疗外科机器人与人类相比，机器人具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和感染等特点。医疗外科机器人不仅可以协助医生完成手术部位的精确定位，解决外科医生手部的颤动、疲劳、肌肉神经的反馈，而且可以实现手术最小损伤，提高疾病诊断、手术治疗的精度与质量，增加手术安全系数，缩短治疗时间，降低医疗成本。

作为一种重要的微创外科手术，内窥镜(光学内窥镜、光导纤维内窥镜)手术近年来得到了迅速发展。电子内窥镜手术除具有普通内窥镜手术创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗成本等特点外，还具有画面清晰、便于图像保存与传输，远程会诊及教学等特点。

在传统内窥镜被广泛应用的同时各国的专家学者也在对内窥镜进行不断的改造，主要包括两个方面的改造一方面是将被动介入的内窥镜利用机器人技术将其该改成主动行走的内窥镜，实现主动控制和对障碍的回避，能够携带内镜通过复杂的腔道；另一方面是在传统的内窥镜上利用机器人技术，增加机器人辅助手术系统，提高了手术中内窥镜的稳定性和减缓手术过程中医生的劳动强度。

迄今为止，已经获得美国FDA认证的达芬奇系统和Zeus系统是微创手术典型系统。在显微外科手术机器人系统方面，日本东京大学通过internet网实现了远程手术，并在700km以外实施了1mm血管缝合实验，但该系统在医生操作过程中不能感受力反馈信息。国内自主研发的医疗机器人主要是针对外科定位，如北京航空航天大学和海军总医院联合开发的脑外科定位机器人系统。但是这些成果中，机器人系统均不能实现复杂手术操作，如缝合和打结。

发明目的

本发明的目的在于克服内窥镜微创手术中存在无法实现管腔内缝合、部分脏器切除困难等不足而提供一种基于内窥镜下的微创手术机器人，在实现现有内窥镜功能的同时增加了缝合功能、增强了切割、磨削与切除物排出体外等主要功能。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于内窥镜的外科手术机器人，采用平面—关节型结构，具有8+1个自由度，包括垂直方向的垂直运动和水平方向的手动调整关节运动，三个自由度实现位置调整，三个自由度实现姿态调整，外加一个开合运动。位置和姿态调整机构由双四连杆机构来完成，用于保证机器人的位置变化时姿态保持不变。双四连杆机构采用新型的丝传动方式，既简化了提及，又减轻了重量，满足了医疗机器人体积小、重量轻的特点。

为了解决上述技术问题，本发明的目的可通过下述的技术方案实现：

基于内窥镜下的微创手术机器人，其最前端设置有夹持手指，依次设置了固定手指的弧形运动关节机构、弧形导轨旋转关节机构以及垂直方向位置调整机构。

所述手指弧形运动关节机构中第三电机与夹持手指的紧箍设置在第一支撑板上，所述第一支撑板与弧形导轨的滑块相连接，所述弧形导轨的导轨通过齿扇与弧形道轨支架相连接，所述第三电机轴上设置有小齿轮，所述小齿轮与齿扇啮合；

所述弧形导轨旋转关节机构中力传感器固定设置于所述弧形导轨支架和自转传动轴之间，所述自转传动轴穿过自转轴承座通过自转联轴器滑块与第四电机的轴相连接，所述自转轴承座固定于斜滑台上，所述自转传动轴外部套装有隔套，端部套装有轴承，所述自转轴承座固定有自转轴承盖；

所述垂直方向位置调整机构中第六电机固定在垂直支架上，所述垂直支架固定于垂直底板上，所述第六电机通过垂直联轴器、垂直滑块与垂直传动丝杠相连接，所述垂直传动丝杠两端部套装有轴承并穿过垂直轴承座，所述垂直轴承座固定于垂直底板上，所述垂直轴承座端部固定有垂直轴承盖，所述垂直底板通过导轨滑块及导轨与垂直传动螺母，其垂直运动通过安装于垂直导轨板上的垂直传动螺母与垂直传动丝杠之间的螺纹传动来实现；

所述第一电机或第二电机或第三电机或第七电机或第八电机为步进式电机，所述第四电机或第五电机或第六电机为伺服电机。

本发明的手指，包括由外套筒和内套筒构成的本体、设置在本体内套筒尾端内的第七电机、设置在本体外套筒尾端的第八电机，以及设置在本体外套筒上的第一限位器，所述第八电机输出端设置有由一次设置的第二主动法兰、传动块、固定在本体内套筒尾端外侧的内挡环，以及锁定在本体内套筒前端外侧的外挡环、密布在内挡环于本体外套筒之间的第二钢珠和密布在外挡环于本体外套筒之间的第三钢珠所构成的器械旋转机构；所述本体内套筒内设置有凸台，卡住由内套筒前端伸出的支撑管；所述第七电机的输出端设置有由在支撑管内依次设置的第一主动法兰、扭转弹簧、钢珠、从动管、螺杆、第二销轴、套接在第二销轴上的支撑块，以及第一销轴、外套固定于支撑管上内套固定于从动管上的轴承和内螺纹套所构成的器械开合机构；

本发明的基于内窥镜下的微创手术机器人与现有技术相比具有以下有益效果：

1、机构为关节式坐标结构，具有8+1个自由度，可以完成各种手术操作，操作轻便灵活；

2、双四连杆机构的采用，使得机器人的工作姿态在工作位置变化时保持稳定不变，实现了位置和姿态的相对独立；

3、采用丝传动结构方式，既减少了机构空间的体积，又减轻了机构的重量；

4、采用角度可调的斜导轨结构，使机器人工作角度更接近手术医生工作姿态；

5、粗调机构可以进行快速定位，精调机构使机器人具有精确的操作精度；

6、系列末端工具的设计如手术刀、剪子、镊子、电凝电切刀等可以使微创手术机器人完成切开、剪断、分离、止血、打结、缝合等手术基本操作。

附图说明

图1是本发明的外科手术机器人从操作手的结构示意图；

图2是本发明的丝传动机构示意图；

图3是本发明的姿态调整部分结构示意图；

图4是本发明的手指的结构示意图；

附图标记：

1-第一电机  2-大臂  3-第一关节  4-第二关节

5-第四关节  6-第五关节  7-弧形导轨  8-斜滑台支架

9-第一小臂  10-第二电机  11-第二小臂  12-第三关节

13-过渡架  14-紧箍  15-第一支撑板  16-弧形导轨

17-弧形导轨支架  18-齿扇  19-第三电机  20-小齿轮

21-力传感器  22-自转传动轴  23-自转轴承盖

24-自转轴承座  25-隔套  26-自转联轴器

27-自转联轴器滑块  28-自转电机支架  29-第四电机

30-第五电机  31-斜滑台  32-过渡法兰  37-钢珠

33、34、35、36、53-螺钉  38-内套筒  39-外套筒

40-第一主动法兰  41-外挡环  42-圆螺母  43-螺杆

44-支撑管  45-支撑块  46-压缩弹簧  47-弹簧套

48-指端更换工具  49-弹簧  50-第一销轴  51-支撑柱

52-第二销轴  54-第六电机  55-间隔套

56-第二主动法兰  57-第七电机  58-手指

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的基于内窥镜下的微创手术机器人进一步详细地描述。

在图1、2中，双四连杆机构由丝传动实现。所述双四连杆机构包括连接大臂和第二小臂的第一关节3、连接第二小臂和过渡架的第二关节4、连接第二电机10与过渡架的第三关节12、连接过渡架和第一小臂的第四关节5、连接第一小臂和斜滑台支架的第五关节6。

在图3中，姿态调整部分的手指圆弧运动关节机构，是一个主动关节，关节的运动是由步进式第三电机19提供，通过齿轮齿条机构实现的。第三电机19与夹持手指的紧箍14安装在支撑板15上，支撑板15与弧形导轨16的滑块固定在一起，并可以在弧形导轨上自由滑动；弧形导轨16的导轨通过齿扇18与弧形导轨支架17固定：第三电机19固定在支撑板15上，小齿轮20装在第三电机19轴上，可以在齿扇18上自由滚动。圆弧运动是第三电机19的轴通过小齿轮20和齿扇18带动支撑板15在弧形导轨16上运动，从而实现手指圆弧的运动。

姿态调整部分的弧形导轨旋转关节机构，是一个主动关节，关节的运动是由步进式第四电机29提供，通过轴承机构来实现的。第四电机29通过自转电机支架28与自转轴承座24连接，自转轴承座24固定在斜滑台31上；轴承装在自转轴承座24内，轴承内部由自转传动轴22支撑，轴承的轴向定位是由隔套25、自转轴承盖23限制；自转传动轴22与弧形导轨支架17连接固定；自转轴承盖23固定在自转轴承座24上，隔套25置于自转轴承座24内的两个轴承之间；自转传动轴22通过自转联轴器26和自转联轴器滑块27于第四电机29的轴连接。旋转运动的传递是通过两个自转联轴器26和自转联轴器气滑块27将电机轴的旋转运动传给自转传动轴22，自转传动轴22与弧形道轨支架17连接，带动整个前端部件进行旋转运动。

姿态调整部分的斜导轨直线运动关节机构，是一个主动关节，关节的运动是由步进式第五电机30提供，通过斜滑台31自带的滚珠丝杠机构实现的。实现该关节运动的主要是由第五电机30驱动斜滑台31，由于其自带的丝杠和滑块的高精度运动实现动滑台的精确运动，从而带动整个前面两个关节实现直线运动。

本发明的手指可以使用专利申请号03100038所公开的手指，也可以使用一下所述手指。在图4中，包括有外套筒39和内套筒38构成的本体、设置在本体内套筒尾端内的第六电机54、由过渡法兰32固定在本体外套筒尾端的第七电机57，以及位于本体外套筒上的第一限位器；所述第七电机57输出端设置有依次设置的第二主动法兰56、传动块、固定在本体内套筒38尾端外侧的内挡环，以及由圆螺母42锁定在本体内套筒38前端外侧的外挡环41、密布在内挡环于本体外套筒之间的钢珠37和密布在外挡环于本体外套筒之间的钢珠37所构成的器械旋转机构；所述本体内套筒38内设置有凸台，卡住有内套筒38前端伸出的支撑管44；所述第七电机57的输出端设置有支撑管44依次设置的第一主动法兰40、扭转弹簧49、钢珠37、螺杆43、第二销轴52、套接在第二销轴52上的支撑块45、以及第一销轴50、外套固定于支撑管44上，内套固定于从动管上的轴承和内螺纹套所构成的器械开合机构；第一销轴50与第二销轴52穿过沟槽固定于支撑管44上；所述支撑管44前端设置有器械快换机构，有依次设置的抵在支撑块上的压缩弹簧46、支撑柱51、指端更换工具48构成。

本发明的手术机器人主要应用于内窥镜下的微创手术，本发明的手术机器人能够替代主刀医生完成剥离、缝合、剪断等复杂的手术操作。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，作出其他实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种基于内窥镜的手术机器人，最前端设置有手指，其特征在于，依次设置有固定手指的圆弧运动关节机构、弧形导轨旋转机构、直线运动机构、小臂旋转机构、垂直方向位置调整机构。

所述手指圆弧运动关节机构中第三电机与夹持手指的紧箍设置在第一支撑板上，所述第一支撑板与弧形导轨的滑块相连接，所述弧形导轨的导轨通过齿扇与弧形导轨支架相连接，所述第三电机轴上设置有小齿轮，所述小齿轮与齿扇啮合；

所述弧形导轨旋转关节机构中力传感器固定设置于所述弧形导轨支架和自转传动轴之间，所述自转传动轴穿过自转轴承座通过自转联轴器和滑块与第四电机的轴相连接，所述第四电机通过自转电机支架与自转轴承座相联接，所述自转轴承座固定于斜滑台上，所述自转传动轴外部套装有隔套，端部套装有轴承，所述自转轴承座固定有自转轴承盖；

所述斜导轨的直线运动关节机构由第五电机、斜滑台和斜滑台支架组成：

所述第一小臂旋转关节机构中第一小臂一端通过第一臂前转轴与斜滑台支架相连接，所述第一小臂另一端通过第一臂后转轴与过渡架相连接，所述第一臂前转轴与第一臂后转轴的两端均设置有轴承，第二电机设置于过渡架上，所述第一臂前转轴与第一臂后转轴上分别设置有刚丝轮，所述两只钢丝轮通过钢丝相连接；

所述第二小臂旋转关节机构中第二小臂一端通过第二臂后转轴与大臂相连，所述第二小臂另一端通过第二臂前转轴与过渡架相连接，所述第二臂前转轴与第二臂后转轴的两端均设置有轴承，所述第二臂前转轴与第二臂后转轴上分别设置有钢丝轮，所述两只钢丝轮通过钢丝连接，第二支撑板固定于钢丝轮上，简支板上设置有支柱，所述支柱的顶部顶在第二支撑板上；

所述大臂旋转关节机构中大臂通过大臂后转轴与大臂支架相连接，所述定位盘与大臂支架相连接，所述定位盘上设置有销轴，所述大臂上设置有第一电机；

所述垂直方向位置调整机构中第六电机固定于垂直支架上，所述垂直支架固定于垂直底板上，所述第六电机通过垂直联轴器、垂直滑块与垂直传动丝杠相连接，所述垂直传动丝杠两端套装有轴承并穿过垂直轴承座，所述垂直轴承座固定于垂直底板上，所述垂直轴承座端部固定有垂直轴承盖，所述垂直底板通过导轨滑块及导轨与垂直导轨板相连接，垂直传动螺母通过垂直调整垫固定于垂直导轨板上，垂直传动丝杠通过垂直传动螺母。

2、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述手指包括有外套筒和内套筒构成的本体、设置在本体内套筒尾端内的第六电机、设置在本体外套筒尾端内的第七电机，以及设置在本体外套筒上的第一限位器，所述第七电机输出端设置有依次设置的第二主动法兰、传动块、固定在本体内套筒尾端外侧的内挡环，以及锁定在本体内套筒前端外侧的外挡环、密布在内挡环与本体外套筒之间的钢珠和密布在外挡环与本体外套筒之间的钢珠所构成的器械旋转机构；所述本体内套筒内设置有凸台，卡住由内套筒前端伸出的支撑管；所述第六电机的输出端设置有在支撑管内依次设置的第一主动法兰、扭转弹簧、第一钢柱、从动管、螺杆、第二销轴、套接在第二销轴上的支撑块，以及第一销轴、外套固定于支撑管上内套固定于从动管上的轴承和内螺纹套所构成的器械开合机构；所述第六电机的尾端设置有间隔套；所述内螺纹套设置有沟槽，第一销轴与第二销轴穿过沟槽固定于支撑管上；所述支撑管前端设置有器械快换机构，他有依次设置的抵在支撑块上的压缩弹簧、支撑柱、指端更换工具构成，所述指端更换工具设置有两条连通的互成60～120度的沟槽；所述第二主动法兰上设置有第二限位器，所述指端更换工具为手术刀、手术镊子、手术剪刀或是电凝电切手术刀。

3、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述第三电机、第四电机、第五电机为步进式电机，所述第一电机、第二电机、第六电机、第七电机为饲服电机。

4、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述底板上沟槽的长度为30～50mm。

5、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述设置于简支板上的支柱为螺栓。

6、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述第一臂前转轴或第一臂后转轴或第二臂前转轴或第二臂后转轴通过轴承、转轴盖和轴用弹性挡圈轴向固定。

7、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述小轴上设置有轴承和套筒，所述小轴末端设置有螺母。

8、根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述定位盘通过螺丝与大臂相连接。

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