CN104523339B - 用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人 - Google Patents

Abstract

用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，它涉及一种用于微创手术的机器人，以解决现有腹腔微创手术过程中，手术医生直接手持手术器械操作影响手术的精度和质量，以及现有手术机器人成本高、占用体积大，移动自由性较差的问题，它包括机械结构单元和电控单元；机械结构单元包括壳体、第一蜗杆、第二蜗杆、蜗轮、齿条、永磁铁、悬挂基座和夹持机构；夹持机构包括第三电机、丝杠副、第一连杆、第二连杆、第三连杆和钳子；电控单元包括第一电机、第二电机、控制电路模块和无线收发模块；壳体的内侧壁上镶嵌有控制电路模块和无线收发模块，壳体内布置有第一蜗杆、第二蜗杆、蜗轮、齿条、第一电机、第二电机和夹持机构。本发明用于微创手术。

Description

用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人

技术领域

本发明涉及一种用于微创手术的机器人，具体涉及一种腹腔内磁锚定夹持手术机器人。

背景技术

与普通开放式外科手术相比，微创外科手术具有创伤小、失血少、疼痛轻、手术感染风险低、术后恢复时间短及术后伤疤小等优点，更符合人们对生活质量和美的追求，因此在外科手术领域得到一致的认可，并广泛应用于国内外很多医院的外科手术中。

然而，现有的微创外科手术有些方面尚需完善。例如：当进行一些易传染性病变的手术，医生直接操持手术器械与病人接触会可能造成自身的感染；医生长时间操持手术器械进行手术，易产生疲劳，从而影响手术的精度；医生情绪或生理活动等不稳定因素导致的手部抖动会影响手术精度，等都会影响微创手术的质量。

机器人技术具有精度高、定位准、能够适应恶劣环境、不会疲劳且不受人的主观因素影响，并且已经在工业领域取得了非常好的效果。因此，将机器人技术引入到微创手术中将解决传统微创手术存在的问题。目前，世界上一些发达国家已经成功研制成微创外科手术机器人，并且通过了FDA认证，但是这些机器人大都价格昂贵，一些手术器械需要定期更换，更换的费用也非常贵，大部分医院没有能力承担。有些公立医院和大型医院引进了几台国外的微创手术人，但是手术的费用相当昂贵，一般病人负担不起，因此，这些手术机器人很难得到普及。同时上述手术机器人由于体积较大，移动的自由性较差，手术器械通过戳卡进入患者体内，彼此存在一定的干扰。本发明旨在发明一款基于机器人技术的微创手术机器人，它不仅成本低，而且体积小，能够完全进入患者体内锚点在腹腔内壁上，灵活性和自由性大大增加。

发明内容

本发明是为解决现有腹腔微创手术过程中，手术医生直接手持手术器械操作影响手术的精度和质量，以及现有手术机器人成本高、占用体积大，移动自由性较差的问题，进而提供一种用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人包括机械机构单元和电控单元；

机械结构单元包括壳体、第一蜗杆、第二蜗杆、蜗轮、齿条、永磁铁、悬挂基座和夹持机构；夹持机构包括第三电机、丝杠副、第一连杆、第二连杆、第三连杆和钳子；电控单元包括第一电机、第二电机、控制电路模块和无线收发模块；

壳体为两端敞口的空腔体，壳体的内侧壁上镶嵌有控制电路模块和无线收发模块，壳体内布置有第一蜗杆、第二蜗杆、蜗轮、齿条、第一电机、第二电机和夹持机构；控制电路模块通过数据线与无线收发模块连接，控制电路模块用于控制第一电机、第二电机和第三电机的转动方向和转速；

齿条滑动安装在壳体内，第一电机的输出端安装有第一蜗杆，第一蜗杆与齿条啮合，蜗轮安装在蜗轮轴上，蜗轮轴转动安装在壳体上，第二电机的输出端安装有第二蜗杆，第二蜗杆与蜗轮啮合，壳体的与蜗轮邻近的端部开有定位凹槽；悬挂基座的一端伸入定位凹槽内并安装在蜗轮轴上，悬挂基座的另一端镶嵌有永磁铁；

齿条内布置有夹持机构，第三电机的轴向与齿条的长度方向平行，第三电机与齿条固接，第三电机的输出端与丝杠副的丝杠连接且二者同轴设置，丝杠副的丝母滑动安装在齿条上开有的滑槽内，丝母与第一连杆固接；第二连杆的一端和第三连杆的一端均与第一连杆铰接，第二连杆和第三连杆呈V形布置，第二连杆的另一端和第三连杆的另一端与钳子的相对应的柄部铰接，钳子的钳嘴穿出壳体，钳嘴上的固定轴固装在齿条上。

本发明的有益效果是：一、本发明是为改善普通手术器械和现有微创手术机器人存在的问题而设计的一款腹腔内微创智能手术机器人，机器人的末端是一个夹持机构，钳子可以夹持组织，在机器人的带动下可分离组织，从而将病灶部分暴露出来。整个机械臂通过微小创口完全进入腹腔内充当传统手术器械的角色，不用医生直接手持操作，而是通过磁铁锚定在腹腔内壁上，医生操作手柄，通过无线通讯的方式控制智能机械臂进行手术，替代传统手术夹子的功能，医生通过控制面板进行无线控制。本发明将机器人技术应用到医学领域，提高了手术器械的智能化程度，减轻了医生手术过程中的劳动强度，有助于提高手术的质量。本发明解决了普通的手术器械给手术带来的问题，如进行一些传染性疾病的手术医生直接手持手术器械进行手术易感染，医生长时间的操持手术器械易产生疲劳，从而影响手术的精度和质量，医生主观情绪造成的手术器械的颤抖甚至误操作等，同时还解决了目前已存在的微创手术机器人价格昂贵、成本高，移动灵活性和自由较差的缺点。

二、本发明采用外磁铁的灵活移动，将内磁铁移动到目标位置，从而将机械臂移动到目标位置，增加了机器人在体内的移动灵活性和操作范围，同时永磁铁还可以对人体组织起到磁疗的效果。

三、本发明整个手术机器人体积较小，机构简单，集成度较高，整个机器人的成本低，且末端钳子的两个爪可根据具体的手术做成不同的形状，可以广泛的应用到需要分离组织的手术中，且手术费用较低，具有很强的推广应用价值。

四、本发明的腕关节采用蜗杆齿条机构，齿条直接沿壳体导槽运动，明显的减小了整个机器人的尺寸，整个机器人具有两个自由度，肩关节由蜗杆蜗轮运动副驱动，腕关节由蜗杆齿条运动副驱动，肩关节采用蜗轮蜗杆传动使得真个机器人的传动更加紧凑，同时壳体上加工有定位凹槽，蜗轮蜗杆具有自锁功能，增加了机械臂定位的稳定性。

五、本发明中夹持机构采用丝杠副带动连杆机构，丝杠直接与电机连接，丝母外形可设计成方形的滑块，可沿着齿条内部开设的滑槽滑动，从而带动连杆运动，实现钳子的钳嘴的两爪的夹持和张开。整个机构非常紧凑，传动精度也非常高。

六、壳体开设的开放式型腔易于装配，特别是电路板(控制电路模块和无线收发模块)的装配和线路的布置，电路板嵌入壳体后用热塑胶枪进行密封固定，并用医用胶布进行封装，增加整个机器人防潮效果和工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是本发明去掉控制电路模块和无线收发模块的立体结构示意图，图3是图1的A向视图，图4是图3的B-B向视图，图5是夹持机构与齿条连接的立体结构示意图，图6是夹持机构的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人包括机械机构单元和电控单元；

机械结构单元包括壳体1、第一蜗杆2、第二蜗杆3、蜗轮4、齿条5、永磁铁6、悬挂基座7和夹持机构；夹持机构包括第三电机13、丝杠副14、第一连杆15、第二连杆16、第三连杆17和钳子18；电控单元包括第一电机8、第二电机9、控制电路模块10和无线收发模块11；

壳体1为两端敞口的空腔体，壳体1的内侧壁上镶嵌有控制电路模块10和无线收发模块11，壳体1内布置有第一蜗杆2、第二蜗杆3、蜗轮4、齿条5、第一电机8、第二电机9和夹持机构；控制电路模块10通过数据线与无线收发模块11连接，控制电路模块10用于控制第一电机8、第二电机9和第三电机13的转动方向和转速；

齿条5滑动安装在壳体1内，第一电机8的输出端安装有第一蜗杆2，第一蜗杆2与齿条5啮合，蜗轮4安装在蜗轮轴4-1上，蜗轮轴4-1转动安装在壳体1上，第二电机9的输出端安装有第二蜗杆3，第二蜗杆3与蜗轮4啮合，壳体1的与蜗轮4邻近的端部开有定位凹槽1-1；悬挂基座7的一端伸入定位凹槽1-1内并安装在蜗轮轴4-1上，悬挂基座7的另一端镶嵌有永磁铁6；

齿条5内布置有夹持机构，第三电机13的轴向与齿条5的长度方向平行，第三电机13与齿条5固接，第三电机13的输出端与丝杠副14的丝杠14-1连接且二者同轴设置，丝杠副14的丝母14-2滑动安装在齿条5上开有的滑槽5-1内，丝母14-2与第一连杆15固接；第二连杆16的一端和第三连杆17的一端均与第一连杆15铰接，第二连杆16和第三连杆17呈V形布置，第二连杆16的另一端和第三连杆17的另一端与钳子18的相对应的柄部18-1铰接，钳子18的钳嘴18-2穿出壳体1，钳嘴18-2上的固定轴18-3固装在齿条5上。

本实施方式的机器人内集成基于PIC的控制电路模块和基于nRF24L01的无线收发模块；本实施方式的基于PIC的控制电路模块与无线收发电路模块连接。无线收发模块用于接收上位机发送的数据并传递给控制电路模块。控制电路模块可采用已有技术的通用控制模块实现三个电机的基本控制。

其中基座部分开设有一个小U型槽，关于对称线对称，在腹腔内壁移动过程中，小U型槽可以使机器人与机器人主体部分相对固定。

机器人壳体的设计考虑控制电路模块和无线收发模块板的放置和布线，因此，壳体内部设计有安转两个模块的支架，壳体上开有布线槽；蜗轮蜗杆采用锡青铜，可避免对磁场的干扰。为了保证蜗杆蜗轮之间的紧密啮合，壳体上安装轴的孔和安装电机的孔要求严格定位，同时壳体上开有紧定电机的螺纹孔。

紧定螺钉19采用没有冒的自攻丝螺钉，该设计中采用“一”字螺钉；第一电机8和第二电机9通过紧定螺钉19安装在壳体1内。为了与相对应的电机的输出轴配合，第一蜗杆的内孔为2mm，第二蜗杆的内孔为1.5mm，第一蜗杆和第二螺杆上均开有螺纹孔用于实现相应蜗杆与各自电机的输出轴的固定，齿条的截面为10mm×10mm。为了减小钳子的钳嘴上两爪之间的阻力，在安转两爪的固定轴上安装有套筒20，从而减小绕固定轴的阻力。

具体实施方式二：结合图1-图2及图4-图5说明，本实施方式的齿条5为钛合金齿条。如此设置，减轻了齿条的重量，同时增加齿条的强度，避免对磁铁磁场的干扰，从而增加锚定的稳定性。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图2及图4-图5说明，本实施方式的齿条5的模数为0.5。如此设置，方便使用，使用可靠。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图4说明，本实施方式的第二电机9为减速电机。如此设置，一体化集成，可传递很大的扭矩，结构稳定可靠，使用方便。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图5说明，本实施方式所述丝母14-2为方形丝母。如此设置，运行稳定可靠，丝杠可做成两节阶梯轴，大直径段与第三电机的输出端连接，小直径段上旋拧有丝母并与第一连杆连接。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图3说明，本实施方式所述悬挂基座7主要由制成一体的悬挂杆7-1和基盘7-2组成；悬挂杆7-1的一端与蜗轮轴4-1连接，悬挂杆7-1的另一端连接基盘7-2，基盘7-2的外端面上安装有永磁铁6。如此设置，使用方便。其它与具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1-图3说明，本实施方式所述壳体1为二阶梯式壳体，第一电机8布置在壳体1的第一台阶体内，第二电机9布置在壳体1的第二台阶体内。如此设置，壳体设计成阶梯状，装有电刀部分的壳体截面积小，靠近悬挂基座部分的壳体截面积大，不会影响到手术过程中视野的范围，壳体内部有加强筋增加了整个壳体的强度。其它与具体实施方式六相同。

工作过程

手术机械臂的壳体最大截面为21mm×18.5mm，壳体长90mm，是目前国内磁锚定腹腔内手术机器人整体尺寸最小的机械臂。机械臂内集成基于PIC的控制电路模块和基于nRF24L01的无线收发模块，整个机械臂具有三个自由度，肩关节由蜗杆蜗轮运动副驱动，腕关节由蜗杆齿条运动副驱动，末端的夹持机构由丝杠副带动连杆机构驱动。

在临床上进行微创手术前，首先通过气泵将患者腹腔鼓气，从而增大腹腔内壁和体内组织之间的空间，将手术机器人通过微小创口送进腹腔内，机器人通过体外的永磁铁和镶嵌在悬挂基座上的永磁铁锚定在腹腔内壁上。通过移动体外的永磁铁可带动悬挂基座上的永磁铁移动，从而可将机器人移动到目标位置，同时体外的永磁铁可绕圆形的悬挂基座上的永磁铁的中心轴线360度转动，从而带动内部机器人绕磁铁轴线方向转动。机器人锚定在目标位置后，医生操作控制面板，上位机接收到信号进行处理并通过无线的方式控制机器人的肩关节和腕关节的运动，肩关节通过蜗轮蜗杆驱动，可使得机器人通过蜗轮轴绕悬挂基座在贯通的定位凹槽内左右各90度运动，腕关节通过蜗杆齿条驱动主要实现齿条的伸缩，肩关节和腕关节的配合运动将末端的夹子送到目标位置，第三电机驱动丝杠副运动带动连杆机构运动可以驱动钳子的钳嘴的两爪夹持组织，然后肩关节和腕关节配合运动可以牵拉组织和分离组织，从而使病灶部分暴露出来，以方便进行手术。整个手术机器人与外界采用无线通讯的方式进行控制，机器人的电源置于患者体外。

Claims (7)

1.用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：它包括机械机构单元和电控单元；

机械结构单元包括壳体(1)、第一蜗杆(2)、第二蜗杆(3)、蜗轮(4)、齿条(5)、永磁铁(6)、悬挂基座(7)和夹持机构；夹持机构包括第三电机(13)、丝杠副(14)、第一连杆(15)、第二连杆(16)、第三连杆(17)和钳子(18)；电控单元包括第一电机(8)、第二电机(9)、控制电路模块(10)和无线收发模块(11)；

壳体(1)为两端敞口的空腔体，壳体(1)的内侧壁上镶嵌有控制电路模块(10)和无线收发模块(11)，壳体(1)内布置有第一蜗杆(2)、第二蜗杆(3)、蜗轮(4)、齿条(5)、第一电机(8)、第二电机(9)和夹持机构；控制电路模块(10)通过数据线与无线收发模块(11)连接，控制电路模块(10)用于控制第一电机(8)、第二电机(9)和第三电机(13)的转动方向和转速；

齿条(5)滑动安装在壳体(1)内，第一电机(8)的输出端安装有第一蜗杆(2)，第一蜗杆(2)与齿条(5)啮合，蜗轮(4)安装在蜗轮轴(4-1)上，蜗轮轴(4-1)转动安装在壳体(1)上，第二电机(9)的输出端安装有第二蜗杆(3)，第二蜗杆(3)与蜗轮(4)啮合，壳体(1)的与蜗轮(4)邻近的端部开有定位凹槽(1-1)；悬挂基座(7)的一端伸入定位凹槽(1-1)内并安装在蜗轮轴(4-1)上，悬挂基座(7)的另一端镶嵌有永磁铁(6)；

齿条(5)内布置有夹持机构，第三电机(13)的轴向与齿条(5)的长度方向平行，第三电机(13)与齿条(5)固接，第三电机(13)的输出端与丝杠副(14)的丝杠(14-1)连接且二者同轴设置，丝杠副(14)的丝母(14-2)滑动安装在齿条(5)上开有的滑槽(5-1)内，丝母(14-2)与第一连杆(15)固接；第二连杆(16)的一端和第三连杆(17)的一端均与第一连杆(15)铰接，第二连杆(16)和第三连杆(17)呈V形布置，第二连杆(16)的另一端和第三连杆(17)的另一端与钳子(18)的相对应的柄部(18-1)铰接，钳子(18)的钳嘴(18-2)穿出壳体(1)，钳嘴(18-2)上的固定轴(18-3)固装在齿条(5)上。

2.根据权利要求1所述的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：齿条(5)为钛合金齿条。

3.根据权利要求1或2所述的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：齿条(5)的模数为0.5。

4.根据权利要求3所述的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：第二电机(9)为减速电机。

5.根据权利要求4所述的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：所述丝母(14-2)为方形丝母。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：所述悬挂基座(7)主要由制成一体的悬挂杆(7-1)和基盘(7-2)组成；悬挂杆(7-1)的一端与蜗轮轴(4-1)连接，悬挂杆(7-1)的另一端连接基盘(7-2)，基盘(7-2)的外端面上安装有永磁铁(6)。

7.根据权利要求6所述的用于微创手术的腹腔内磁锚定夹持手术机器人，其特征在于：所述壳体(1)为二阶梯式壳体，第一电机(8)布置在壳体(1)的第一台阶体内，第二电机(9)布置在壳体(1)的第二台阶体内。