CN104000657B - 体内微型手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种体内微型手术机器人，包括：圆筒主体模块、驱动翼模块、注射模块、气囊沉浮模块和定位模块，其中：驱动翼模块通过设置的涡轮轴固定在圆筒主体模块的轴孔上且轴孔内安装小型轴承用以固定涡轮；注射模块固定在圆筒主体模块下面的管道内并与管道中心轴线共线；气囊沉浮模块通过气囊两端刚性结构的过盈配合固定在圆筒主体模块上；定位模块通过过盈配合固定在圆筒主体模块下面的突出圆柱上。本发明所述机器人能够在充满与人体内环境相容的液体中自由运动，准确的到达人体病患处，并且能够顺利完成注射操作。

Description

体内微型手术机器人

技术领域

本发明涉及一种微型机器人技术领域的装置，具体地，涉及一种一种体内微型手术机器人。

背景技术

现代生活节奏加快使得人们滋生多样的疾病，例如胆结石、肾结石、胰腺肿瘤等，治疗这些疾病目前较先进的方法是采用腹腔镜手术。腹腔镜手术是指利用腹腔镜及其相关医疗器械进行的手术，即通过腹腔表面的微创切口将手术操作器械伸入体内，针对病患部位利用简单的拉线原理进行剪切和注射等操作，从而达到减少大量血液流失和伤口发炎感染等体内手术的风险问题。

传统的腹腔镜手术是利用气体撑开腹腔，而使手术具有足够的操作空间，但这种气腹的手术方式具有以下几点不足：①气体充填容易造成内脏器官干燥的问题；②外面空气进入腹腔内容易造成发炎感染；③如果手术时有出血现象，会造成视野模糊，使手术无法进行；④手术时观察到的图像立体感较差。

近年，在传统腹腔镜手术的基础上有医学专家提出了WaFLES(Water-FilledLaparo-EndoscopicSurgery)，即水腹内窥镜微创手术，是指施行内窥镜手术前，用和人体内环境相融的液体充填腹腔，并进行灌注，可以使医生对病人腹腔镜手术的监测和内部组织器官的流动观察更加清晰，为外科手术提供清晰的视野。

新的水腹内窥镜微创手术具有以下优点：①避免了由于气体充填而产生的内脏器官干燥问题；②采用液体充填进一步减少了发炎感染的可能性；③在产生出血现象时，流动液体会将血液冲走，恢复良好的视野；④水环境的存在使得超声波探测监控实现全方位的应用；⑤利用浮力减少手术操作所需的作用力。

新的手术方法，没有现成的完全符合要求的手术器械，需要有新的手术器械。而微型机器人可以在外界视觉的引领下进行运动，实现多自由度的移动，携带摄像头或者手术钳，为手术提供更多的腹腔视野和操作空间。因此，研发一款配合水腹内窥镜微创手术使用的体内微型手术机器人具有十分重要的意义。

基于上述原因，技术人员致力于研发一款配合水腹内窥镜微创手术使用的微型机器人。在此微型机器人的辅助下，可以完成对病患处精确的定位注射操作，从而提高手术的成功率，减少对人体组织的损伤。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种体内微型手术机器人，该机器人能够在充满与人体内环境相容的液体中自由运动，准确的到达人体病患处，并且能够顺利完成注射操作。

为实现以上目的，本发明提供一种体内微型手术机器人，包括：圆筒主体模块、驱动翼模块、注射模块、气囊沉浮模块和定位模块，其中：驱动翼模块中设有两个微型电机、涡轮，该模块通过涡轮轴固定在圆筒主体模块的轴孔上，且在该轴孔内安装小型轴承用以固定涡轮；注射模块固定在圆筒主体模块下面的管道内且注射模块与该管道的中心轴线共线；气囊沉浮模块设有气囊，通过该气囊两端刚性结构的过盈配合固定在圆筒主体模块上；定位模块通过过盈配合固定在圆筒主体模块下面的突出圆柱上；

所述机器人能够在三维空间内自由运动并进行独立控制，即两个微型电机同时以相同的转速转动时机器人进行前进运动，两个微型电机以不同的速度转动时则发生转向运动；气囊沉浮模块中气囊的充气量用以控制机器人在上下方向的沉浮运动；所述驱动翼模块和气囊沉浮模块找到目标位置，再由定位模块在目标位置进行固定，最后注射模块完成注射操作。

优选地，所述的驱动翼模块包括：微型电机、蜗杆、涡轮、被动旋转轴和摆动翼，整个驱动翼模块分左、右两翼并分别由两个微型电机驱动，两个蜗杆分别固定在两个微型电机的转动轴上并分别与两个涡轮配合，两个微型电机的转动分别带动涡轮、蜗杆进行转动，涡轮与摆动翼通过被动旋转轴联接。

更优选地，所述的驱动翼模块中被动旋转轴两端开设凹槽并在凹槽内安装阻尼片，涡轮旋转时摆动翼并不立即跟着转动，而是先在阻尼片上积聚能量，随后寄存在阻尼片内的能量会逐步释放使摆动翼缓慢的转动，在张开时摆动翼的转动滞后于涡轮的转动，从而减小与水接触面积，闭合时则以最大的接触面积拨水，形成动力差使机器人前进。

优选地，所述的圆筒主体模块包括：抛物线头部、圆筒主体、后盖、轴承孔、注射管道和突出圆柱，其中：抛物线头部、圆筒主体和后盖通过机械配合组成一个封闭的整体；抛物线头部保证机器人迎流运动时减小阻力且为机器人提供升力；轴承孔设置于圆柱主体靠近抛物线头部的一端，用以安装轴承并联接驱动翼模块的涡轮；注射管道设置于圆柱主体的底部，用以安装注射模块；突出圆柱设置于圆柱主体靠近后盖的一侧底部，用以安装定位模块。

更优选地，所述的注射模块是用圆筒主体下面预留管道的对半开合进行固定，使注射模块能够沿着管道运动。

优选地，所述的注射模块包括：针头、圆柱塞子和复位弹簧，其中：圆柱塞子上设有圆孔管道用于固定针头，针头末端穿过圆孔管道与输液管相连，圆柱塞子的后端联接复位弹簧，圆柱塞子前端还设有接线的孔，细线与圆柱塞子连接并通过圆筒主体底部所设的孔绕到机器人后面。向后拉动细线使针头向前运动，当圆柱塞子运动到前端极限位置时进行注射，此时复位弹簧被拉伸储存能量；当注射完毕，使紧绷的线松弛，复位弹簧释放能量，针头被拉回来复位。

更优选地，所述的注射模块设有输液管，该输液管是连接在圆柱塞子上并延伸到体外的，注射模块进行拉线操作时针头伸出，通过输液管进行注射操作，完成注射后，复位弹簧使针头恢复到原来的位置。

优选地，所述的气囊沉浮模块包括气囊和给气囊充气的气道，气道后面连接着导管，导管延伸到体外并且连接着充气装置，通过气道给气囊的充气量来控制手术机器人的沉浮，从而使手术机器人能够进行上下方向的运动。

优选地，所述的定位模块包括吸盘和吸气管道，其中：吸盘通过过盈配合固定在吸气管道的一侧上，吸气管道的另一侧连接导管，导管延伸到人体外并且连接着真空发生器，真空发生器使吸盘内成为真空，吸盘紧密吸附在人体组织上从而起到定位作用。

优选地，所述机器人的加工材料采用与人体组织具有相容性的材料，以减少对人体的损伤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明是一种配合水腹内窥镜微创手术使用的微型机器人，在手术过程中能够精确定位，并顺利完成定位手术操作。本发明克服了传统外科手术的诸多缺陷，切口小，对人体组织损伤小，具有很大的操作空间，手术精确度高，对微型机器人在医学领域的应用具有十分重要的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明圆柱主体模块结构示意图；

图3为本发明驱动翼模块结构示意图；

图4为本发明注射模块结构示意图；

图中：圆筒主体模块10，驱动翼模块20，注射模块30，气囊沉浮模块40，定位模块50；抛物线头部101，圆筒主体102，后盖103，轴承孔104，注射管道105，突出圆柱106；微型电机201，蜗杆202，涡轮203，被动旋转轴204，摆动翼205；针头301，圆柱塞子302，弹簧303。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种体内微型手术机器人，包括：圆筒主体模块10、驱动翼模块20、注射模块30、气囊沉浮模块40和定位模块50，其中：驱动翼模块20设置有两个微型电机201、涡轮203，驱动翼模块20通过涡轮轴固定在圆筒主体模块10的轴孔上，且轴孔内安装小型轴承用以固定涡轮203；注射模块30固定在圆筒主体模块10下面的管道内，且注射模块30与管道的中心轴线共线；气囊沉浮模块40设置有气囊，通过该气囊两端刚性结构的过盈配合固定在圆筒主体模块10上；定位模块50也通过过盈配合固定在圆筒主体模块10下面的突出圆柱上；

所述机器人能够在三维空间内自由运动并进行独立控制，即两个微型电机201同时以相同的转速转动时机器人进行前进运动，两个微型电机201以不同的速度转动时则发生转向运动；气囊沉浮模块40中气囊的充气量用以控制机器人在上下方向的沉浮运动；所述驱动翼模块20和气囊沉浮模块40找到目标位置，再由定位模块50在目标位置进行固定，最后注射模块30完成注射操作。

如图2所示，本实施例所述的圆筒主体模块10包括：抛物线头部101、圆筒主体102、后盖103、轴承孔104、注射管道105和突出圆柱106，其中：抛物线头部101、圆筒主体102和后盖103组成一个封闭的整体，起到一定的密封作用，抛物线头部101、圆筒主体102和后盖103之间的联接通过机械配合实现；抛物线头部101具有保证机器人迎流运动时减小阻力的作用，而且还可以为机器人提供一定的升力；轴承孔104设置于圆柱主体102靠近抛物线头部101的一端，用于放置轴承并联接驱动翼模块20中的涡轮203；注射管道105设置于圆柱主体102的底部，用于安装注射模块30；突出圆柱106设置于圆柱主体102靠近后盖103的一侧底部，用于安装定位模块50。

如图3所示，本实施例所述的驱动翼模块20包括：微型电机201、蜗杆202、涡轮203、被动旋转轴204和摆动翼205，其中：整个驱动翼模块20分左、右两翼并分别由两个微型电机201驱动，两个蜗杆202分别固定在两个微型电机201的转动轴上并分别与两个涡轮203配合，两个微型电机201的转动分别带动涡轮203、蜗杆202进行转动；涡轮203与摆动翼205通过被动旋转轴204联接；被动旋转轴204两端开设凹槽并在凹槽内安装阻尼片，涡轮203旋转时摆动翼205并不立即跟着转动，而是先在阻尼片上积聚能量，随后寄存在阻尼片内的能量会逐步释放，使摆动翼205缓慢的转动，在张开时摆动翼205的转动滞后于涡轮203的转动，以减小与水接触面积，闭合时则以最大的接触面积拨水，从而形成压力差使机器人前进。

如图4所示，本实施例所述的注射模块30包括：针头301、圆柱塞子302和复位弹簧303，其中：圆柱塞子302上设有圆孔管道用于固定针头301，针头301的末端穿过圆孔管道与输液管相连，圆柱塞子302的后端联接复位弹簧303，圆柱塞子302前端还设有接线的孔，细线与圆柱塞子302连接并通过圆筒主体102底部所设的孔绕到机器人后面。向后拉动细线使针头301向前运动，当圆柱塞子302运动到前端极限位置时进行注射，此时复位弹簧303被拉伸储存能量；当注射完毕，使紧绷的细线松弛，复位弹簧303释放能量，针头301被拉回来复位。

本实施例中，所述的注射模块30是用圆筒主体102下面预留管道的对半开合进行固定，使注射模块30能够沿着管道运动。

本实施例中，所述的气囊沉浮模块40包括一个特殊形状的气囊和给气囊充气的气道，气囊形状如图1所示，气道后面连接着导管，导管延伸到人体外并且连接充气装置，通过气道给气囊的充气量来控制手术机器人的沉浮，从而使手术机器人能够进行上下方向的运动。

本实施例中，所述的定位模块50包括吸盘和吸气管道，吸盘形状位置如图1所示，吸盘通过过盈配合固定在吸气管道的一侧上，吸气管道的另一侧连接导管，导管延伸到人体外并且连接着真空发生器，真空发生器使吸盘内成为真空，吸盘紧密吸附在人体组织上从而起到定位作用。

本实施例使用情况：

进行手术前，首先通过内窥镜观察体内的情况，找到病患处，将机器人放入体内，通过控制微型电机201的转动和气囊的充气量来控制机器人的运动，使其精确的到达病患处并由定位模块50进行固定，最后进行拉线操作注射模块30完成定位注射手术。

在本实施例中，驱动翼模块20中的涡轮203、蜗杆202是整个机器人中关键的部分，加工的稍有误差，就会给运动带来偏差，甚至卡死。因此，涡轮203、蜗杆202必须要有相当高的加工精度。

在本实施例中，气囊沉浮模块40中气囊在机器人上的位置需要进行估算，以保证机器人上浮时还能够保持水平，而不至于上下倾斜。

在本实施例中，通过两个微型电机201来控制机器人的运动，两个微型电机201同时以相同的转速转动时机器人进行前进运动，两个微型电机201以不同的速度转动时则发生转向运动；而且气囊可以控制机器人在上下方向的沉浮运动，从而使机器人能够实现三维空间的运动，精确的到达病患处。

为了考虑手术的安全性，减少对人体组织的损伤，本发明所述机器人的材料选用与人体组织相容性的材料，同时保证机器人在液体环境中的密封性，以免损坏电机。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种体内微型手术机器人，其特征在于，包括：圆筒主体模块、驱动翼模块、注射模块、气囊沉浮模块和定位模块，其中：驱动翼模块中设有两个微型电机、涡轮，该模块通过涡轮轴固定在圆筒主体模块的轴孔上，且在该轴孔内安装小型轴承用以固定涡轮；注射模块固定在圆筒主体模块下面的管道内且注射模块与该管道的中心轴线共线；气囊沉浮模块设有气囊，通过该气囊两端刚性结构的过盈配合固定在圆筒主体模块上；定位模块通过过盈配合固定在圆筒主体模块下面的突出圆柱上；

所述机器人能够在三维空间内自由运动并进行独立控制，即两个微型电机同时以相同的转速转动时机器人进行前进运动，两个微型电机以不同的速度转动时则发生转向运动；气囊沉浮模块中气囊的充气量用以控制机器人在上下方向的沉浮运动；所述驱动翼模块和气囊沉浮模块找到目标位置，再由定位模块在目标位置进行固定，最后注射模块完成注射操作。

2.根据权利要求1所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的驱动翼模块包括：蜗杆、被动旋转轴和摆动翼，整个驱动翼模块分左、右两翼，左、右两翼分别由一个微型电机驱动，两个蜗杆分别固定在一个微型电机的转动轴上，两个蜗杆分别与一个涡轮配合，两个微型电机的转动分别带动涡轮、蜗杆进行转动，涡轮与摆动翼通过被动旋转轴联接。

3.根据权利要求2所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的驱动翼模块中被动旋转轴两端开设凹槽并在凹槽内安装阻尼片，涡轮旋转时摆动翼并不立即跟着转动，而是先在阻尼片上积聚能量，随后寄存在阻尼片内的能量会逐步释放使摆动翼缓慢的转动，在张开时摆动翼的转动滞后于涡轮的转动，从而减小与水接触面积，闭合时则以最大的接触面积拨水，形成动力差使机器人前进。

4.根据权利要求1所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的圆筒主体模块包括：抛物线头部、圆筒主体、后盖、轴承孔、注射管道和突出圆柱，其中：抛物线头部、圆筒主体和后盖通过机械配合组成一个封闭的整体；抛物线头部保证机器人迎流运动时减小阻力且为机器人提供升力；轴承孔设置于圆柱主体靠近抛物线头部的一端，用以安装轴承并联接驱动翼模块的涡轮；注射管道设置于圆柱主体的底部，用以安装注射模块；突出圆柱设置于圆柱主体靠近后盖的一侧底部，用以安装定位模块。

5.根据权利要求4所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的注射模块是用圆筒主体下面预留管道的对半开合进行固定，使注射模块能够沿着管道运动。

6.根据权利要求1所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的注射模块包括：针头、圆柱塞子和复位弹簧，其中：圆柱塞子上设有圆孔管道用于固定针头，针头末端穿过圆孔管道与输液管相连，圆柱塞子的后端联接复位弹簧，圆柱塞子前端还设有接线的孔，细线与圆柱塞子连接并通过圆筒主体底部所设的孔绕到机器人后面；向后拉动细线使针头向前运动，当圆柱塞子运动到前端极限位置时进行注射，此时复位弹簧被拉伸储存能量；当注射完毕，使紧绷的线松弛，复位弹簧释放能量，针头被拉回来复位。

7.根据权利要求6所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的注射模块设有输液管，该输液管是连接在圆柱塞子上并延伸到体外的，注射模块进行拉线操作时针头伸出，通过输液管进行注射操作，完成注射后，复位弹簧使针头恢复到原来的位置。

8.根据权利要求1所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的气囊沉浮模块包括给气囊充气的气道，气道后面连接着导管，导管延伸到体外并且连接着充气装置，通过气道给气囊的充气量来控制手术机器人的沉浮，从而使手术机器人能够进行上下方向的运动。

9.根据权利要求1所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述的定位模块包括吸盘和吸气管道，其中：吸盘通过过盈配合固定在吸气管道的一侧上，吸气管道的另一侧连接导管，导管延伸到人体外并且连接着真空发生器，真空发生器使吸盘内成为真空，吸盘紧密吸附在人体组织上从而起到定位作用。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种体内微型手术机器人，其特征在于，所述机器人的加工材料采用与人体组织具有相容性的材料。