CN104586514A - 用于腹腔微创手术的视觉机器人 - Google Patents

Abstract

用于腹腔微创手术的视觉机器人，它涉及一种视觉机器人，以解决现有手持或头戴的视觉手术器械在进行手术时，存在易受医生情绪和疲劳程度影响，智能化程度较低，手术精度和质量差，以及基于机器人技术的智能化视觉手术机器人系统价格昂贵、成本高、灵活性和自由性较差的问题，它包括壳体和清洁基体；它还包括三段轴结构、悬挂支架、电机、曲柄滑块机构、摄像头模块、无线收发模块、中枢控制电路模块、两个永磁铁、两个固定轴和多个LED灯；三段轴结构包括第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、弹簧和方形键；曲柄滑块机构包括驱动轴、曲柄、连杆、滑块、连接杆、导轨、冠状齿轮、直齿轮、第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮；本发明用于腹腔微创手术。

Description

用于腹腔微创手术的视觉机器人

技术领域

本发明涉及一种视觉机器人，具体涉及一种用于腹腔微创手术的视觉机器人，它是在腹腔微创手术中替代内窥镜的角色，给手术区域提供照明，并通过摄像模块将手术区域的视野拍摄并传递到体外的显示器上，辅助医生进行手术。

背景技术

微创手术具有切口小、疼痛轻、对组织损伤小、术后恢复周期短及美化伤疤且术后复发率低等优点，有助于提高人们的生活质量和对美的追求，日益在国内外外科手术中得到广泛的应用。目前已经成熟的微创手术大多是通过3到5个微小的切口将手术器械插入到人体内部进行手术，减少切口的数量有助于提高手术的质量，增加术后的美观效果，因此单孔腹腔镜手术(LESS)和经自然腔道内镜手术(NOTES)吸引了越来越多研究者的目光。但是目前常规的腹腔镜手术器械在开展LESS和NOTES存在不便，如医生直接手持手术器械进行手术时存在以下问题：直接接触易感染病毒会造成自身的感染；由于个人原因会出现“手眼不协调”和手臂颤抖现象；手术精度和质量易受医生情绪和疲劳程度影响等。机器人技术能够适应复杂的环境且不会产生疲劳和受情绪影响的现象，能够很好的解决上述问题，因此将机器人技术和传统的手术器械结合起来已经得到国内外学者的深入研究，且西方发达国家也研制出了通过FDA认证的产品，但价格昂贵、手术成本较高、体积较大、灵活性和自由性较差，目前还没得到普及。没有手术区域的视野，人体内部的手术就无法进行，内窥镜由于不能全方位的提供手术区域的视野且智能化较低，存在着传统手术器械的普遍缺点。

发明内容

本发明是为解决现有手持或头戴的视觉手术器械在进行手术时，存在易受医生情绪和疲劳程度影响，智能化程度较低，手术精度和质量差，以及基于机器人技术的智能化视觉手术机器人系统价格昂贵、成本高、灵活性和自由性较差的问题，进而提供一种用于腹腔微创手术的视觉机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的用于腹腔微创手术的视觉机器人包括壳体和清洁基体；它还包括三段轴结构、悬挂支架、电机、曲柄滑块机构、摄像头模块、无线收发模块、中枢控制电路模块、两个永磁铁、两个固定轴和多个LED灯；

三段轴结构包括第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、弹簧和方形键，第一传动轴的一端和第二传动轴的一端通过插装在二者上的方形键连接，第一传动轴的一端和第二传动轴的一端之间套装有顶靠在二者上的弹簧，第二传动轴的另一端为空心的螺旋状端面；第三传动轴为一阶梯轴，一阶梯轴的台肩处设有与螺旋状端面匹配的螺旋状限位块，第三传动轴的细轴伸入第二传动轴的另一端内且二者通过螺旋状端面和螺旋状限位块传动连接；

壳体由两个半腔体对接而成，悬挂支架的两端的上表面上各镶嵌有一个永磁铁；其中一个半腔体的两端各转动安装有水平设置的一个固定轴，悬挂支架与两个固定轴连接；

曲柄滑块机构包括驱动轴、曲柄、连杆、滑块、连接杆、导轨、冠状齿轮、直齿轮、第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮；导轨和电机均安装在所述其中一个半腔体内，电机的输出端与第一传动轴的另一端连接，冠状齿轮安装在第二传动轴上，第一圆柱齿轮安装在第三传动轴上，第二圆柱齿轮安装在所述其中一个固定轴上，第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮啮合，直齿轮安装在驱动轴上，直齿轮与冠状齿轮啮合，驱动轴的上端与曲柄的一端连接，曲柄的另一端与连杆的一端转动连接，连杆的另一端与滑块转动连接，导轨上加工有滑槽，滑块滑动设置在滑槽内，连接杆的一端与滑块连接，连接杆的另一端安装有清洁基体，清洁基体布置在摄像头的上部；

所述其中一个半腔体内布置有摄像头模块、无线收发模块、中枢控制电路模块、曲柄滑块机构和多个LED灯；所述其中一个半腔体的底部加工有通孔，摄像头模块镶嵌在通孔内，摄像头模块的底面上沿摄像头的周向均布安装有多个LED灯；

中枢控制电路模块通过数据线与无线收发模块连接，摄像头模块通过数据线与无线收发模块连接，中枢控制电路模块用于控制LED灯的亮度及电机的转速和转向。

本发明的有益效果是：一、本发明整个机器人仅仅需要通过一个小的切口就能进入患者体内，然后锚定在腹腔内壁上辅助医生进行手术。由于整个机器人积极小，因此创伤小，且将伤口减少到一个，有助于缩短恢复周期和美化伤疤效果。本发明为一款腹腔内磁锚定视觉手术机器人，它通过一个切口进入腹腔内部，然后通过内外磁铁锚定在腹腔内壁上，具有照明和摄像模块，能够实时得将手术区域的视野通过无线通讯的方式传送到外边的显示屏上，辅助医生进行手术。医生可通过控制面板调整视场角度和光照亮度，并可擦拭镜头上的组织液和水蒸气。整个视觉机器人在手术过程中充当传统内窥镜的角色，但智能化程度高，且不受医生情绪和疲劳程度的影响。

二、整个视觉机器人通过内外磁铁锚定在腹腔内壁上，通过移动外磁铁可带动镶嵌在悬挂直接上的内磁铁运动，从而带动整个视觉机器人的运动，大大增加了视觉机器人的灵活性和自由性；同时视觉主体可绕悬挂支架的轴360旋转，大大增加了手术的视野范围。

三、三段轴结构的使用可通过一个电机的正反转同时传递两种不同的运动，即正转调整视场，反转擦拭镜头上的组织液或水蒸气(现有视觉机器人都没有自清洁功能)，减少一个电机，大大减少了机器人的整体体积，成本降低，对于微创手术有着非常重要的意义。

四、整个手术机器人系统采用无线通讯的方式进行控制，医生通过观测外部显示器的情况，操作控制面板上的按钮和操作手柄给上位机发送命令，上位机检测到信号后，以无线通讯的方式发送给视觉机器人主体的下位机，下位机接收到命令后控制机器人主体做出相应的动作。避免了医生直接与病人接触而感染疾病的概率，同时可消除医生主观情绪和疲劳程度对手术质量的影响。本发明的曲柄滑块机构和三段轴结构的设计使的本发明视觉机器人灵活性和自由性较高。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是图1的B向视图，图3是图1的俯视图，图4是图3的主视图，图5是图3的左视图，图6是电机、三段轴结构和曲柄滑块机构连接的立体结构示意图，图7是电机、三段轴结构和曲柄滑块机构连接的结构示意图，图8是图7的俯视图，图9是三段轴结构的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图9说明，本实施方式的用于腹腔微创手术的视觉机器人包括壳体12和清洁基体13；它还包括三段轴结构、悬挂支架1、电机2、曲柄滑块机构4、摄像头模块6、无线收发模块7、中枢控制电路模块8、两个永磁铁9、两个固定轴11和多个LED灯5；

三段轴结构包括第一传动轴21、第二传动轴22、第三传动轴20、弹簧26和方形键27，第一传动轴22的一端和第二传动轴21的一端通过插装在二者上的方形键27连接，第一传动轴22的一端和第二传动轴21的一端之间套装有顶靠在二者上的弹簧26，第二传动轴22的另一端为空心的螺旋状端面22-2；第三传动轴20为一阶梯轴，一阶梯轴的台肩处设有与螺旋状端面22-2匹配的螺旋状限位块20-2，第三传动轴20的细轴20-1伸入第二传动轴22的另一端内且二者通过螺旋状端面22-2和螺旋状限位块20-2传动连接；

壳体12由两个半腔体12-1对接而成，悬挂支架1的两端的上表面上各镶嵌有一个永磁铁9；其中一个半腔体12-1的两端各转动安装有水平设置的一个固定轴11，悬挂支架1与两个固定轴11连接；

曲柄滑块机构4包括驱动轴4-1、曲柄4-2、连杆4-3、滑块4-4、连接杆4-5、导轨4-6、冠状齿轮4-7、直齿轮4-8、第一圆柱齿轮4-9和第二圆柱齿轮4-10；导轨4-6和电机2均安装在所述其中一个半腔体12-1内，电机2的输出端与第一传动轴21的另一端连接，冠状齿轮4-7安装在第二传动轴22上，第一圆柱齿轮4-9安装在第三传动轴20上，第二圆柱齿轮4-10安装在所述其中一个固定轴11上，第一圆柱齿轮4-9和第二圆柱齿轮4-10啮合，直齿轮4-8安装在驱动轴4-1上，直齿轮4-8与冠状齿轮4-7啮合，驱动轴4-1的上端与曲柄4-2的一端连接，曲柄4-2的另一端与连杆4-3的一端转动连接，连杆4-3的另一端与滑块4-4转动连接，导轨4-6上加工有滑槽4-11，滑块4-4滑动设置在滑槽4-11内，连接杆4-5的一端与滑块4-4连接，连接杆4-5的另一端安装有清洁基体13，清洁基体13布置在摄像头的上部；

所述其中一个半腔体12-1内布置有摄像头模块6、无线收发模块7、中枢控制电路模块8、曲柄滑块机构4和多个LED灯5；所述其中一个半腔体12-1的底部加工有通孔12-2，摄像头模块6镶嵌在通孔12-2内，摄像头模块6的底面上沿摄像头的周向均布安装有多个LED灯5；

中枢控制电路模块8通过数据线与无线收发模块7连接，摄像头模块6通过数据线与无线收发模块7连接，中枢控制电路模块8用于控制LED灯5的亮度及电机2的转速和转向。

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中枢控制电路模块。中枢控制电路模块可采用已有技术的通用控制模块实现控制。

本实施方式的基于PIC的中枢控制电路模块主要控制电机的转速和转向及LED灯的亮度，摄像头模块主要用于拍摄图像并传输到上位机的显示器上，本实施方式的中枢控制电路模块、摄像头模块和电机所需电源置于体外，在不拆开壳体的同时进行充电。

本实施方式的壳体上还设置有视频天线孔15，LED灯5通过胶水粘贴在壳体的型腔内。本实施方式的固定轴11通过轴承转动安装在其中一个半腔体12-1上。

具体实施方式二：结合图8说明，本实施方式的滑槽4-11为燕尾槽或倒凸形槽。如此设置，便于滑块在滑槽内实现顺畅的滑动，能很好地实现清洁基体对镜头上组织液和水蒸气的擦拭。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3、图4和图6说明，本实施方式所述第一圆柱齿轮4-9和第二圆柱齿轮4-10均为直齿圆柱齿轮。使用方便可靠，运行稳定。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图3、图4和图6说明，本实施方式的第一圆柱齿轮4-9与第二圆柱齿轮4-10的传动比为1:1。如此设置，便于完成机器人等比例倾角调节。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图3说明，本实施方式所述悬挂支架1包括支撑臂1-1和两个连接臂1-2，支撑臂1-1为I形支撑臂，连接臂1-2为[形连接臂，支撑臂1-1的两个短臂的上表面上各镶嵌有一个永磁铁9，支撑臂1-1与两个连接臂1-2连接，两个连接臂1-2与两个固定轴11连接。如此设置，便于机器人整体旋转。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图7和图8说明，本实施方式所述曲柄滑块机构4还包括两个轴承4-12，曲柄4-2的另一端通过轴承4-12与连杆4-3的一端连接，连杆4-3的另一端通过轴承4-12与滑块4-4连接。如此设置，轴承镶嵌在连杆的形腔内，可减小连杆和曲柄之间的阻力，有利于滑块的移动。其它与具体实施方式一、二或五相同。

具体实施方式七：结合图6和图7说明，本实施方式所述曲柄滑块机构4还包括基座4-13，基座4-13固装在所述其中一个半腔体12-1内，导轨4-6安装在基座4-13上，驱动轴4-1的上端穿出基座4-13并与曲柄4-2连接。如此设置，导轨固定稳定可靠，有利于滑块的稳定运行。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1和图3说明，本实施方式所述悬挂支架1为中空悬挂支架。如此设置，悬挂支架是中空的，用于电源线的布线，这样避免调整视场过程中电源线与机器人中间主体部分的缠绕。其它与具体实施方式七相同。

工作原理

本发明是一款用于腹腔内磁锚定的视觉手术机器人，机器人的截面是直径为20mm的圆柱状，长80mm，整体体积在同类机器人中是最小的，且手术过程中仅需一个切口进入患者体内，充当内窥镜的角色，智能化程度高，其自清洁功能也是在该类机器人的应用中首先提出的。

在进行临床时，首先通过气泵将患者体内冲入气体，增大患者内部组织与腹腔内壁的空间，将视觉手术机器人通过一个切口送入腹腔内，通过悬挂支架上的永磁铁和体外的永磁铁将本发明视觉机器人锚定在腹腔内壁上，医生通过观察外部视觉显示器上的视野情况，操作镶嵌有外磁铁的手柄可移动和转动整个机器人到目标位置；整个机器人采用无线通讯的方式进行控制，医生通过操作外部显示面板上的按钮可调整照明系统的亮度，同时医生可操作手柄调整视场的角度和完成镜头的清洁功能，摄像系统采集手术区域的图像并通过无线通讯的方式适时的反馈到外部显示器，辅助医生进行手术。整个系统包括显示器，基于STM32的上位机、基于PIC的下位机、照明系统、摄像模块、无线收发模块和自清洁模块等，电源置于患者体外。

三段轴结构的工作原理是：电机2正转时候在弹簧26的弹力的作用下，第二传动轴22向第三传动轴20串动，第二传动轴22和第三传动轴20刚好的螺旋面啮合，由于第二传动轴22的串动使的冠状齿轮4-7和直齿轮4-8分开，此时带动第三传动轴20上的圆柱齿轮副进行运动，由于第二圆柱齿轮2安装在与悬挂支架1转动相连的固定轴11上，因此，悬挂支架1运动带动壳体12旋转，调整机器人视场。电机2反转的时候由于第二传动轴22和第三传功轴20的螺旋面的存在使得第二传动轴22向第一传动轴21串动，并和第三传动轴20分离，同时第二传动轴22上的冠状齿轮4-7向第一传动轴21方向串动和直齿轮4-8啮合，带动曲柄滑块机构运动，从而擦拭摄像头。第一传动轴21和第二传动轴22之间用方形键27进行传动，使得彼此始终能传递运动且可轴向滑动，第二传动轴22和第三传动轴20直接用细轴20-1连接使得彼此间串动的时候不能传递转动。

Claims (8)

1.用于腹腔微创手术的视觉机器人，它包括壳体(12)和清洁基体(13)；其特征在于：它还包括三段轴结构、悬挂支架(1)、电机(2)、曲柄滑块机构(4)、摄像头模块(6)、无线收发模块(7)、中枢控制电路模块(8)、两个永磁铁(9)、两个固定轴(11)和多个LED灯(5)；

三段轴结构包括第一传动轴(21)、第二传动轴(22)、第三传动轴(20)、弹簧(26)和方形键(27)，第一传动轴(22)的一端和第二传动轴(21)的一端通过插装在二者上的方形键(27)连接，第一传动轴(22)的一端和第二传动轴(21)的一端之间套装有顶靠在二者上的弹簧(26)，第二传动轴(22)的另一端为空心的螺旋状端面(22-2)；第三传动轴(20)为一阶梯轴，一阶梯轴的台肩处设有与螺旋状端面(22-2)匹配的螺旋状限位块(20-2)，第三传动轴(20)的细轴(20-1)伸入第二传动轴(22)的另一端内且二者通过螺旋状端面(22-2)和螺旋状限位块(20-2)传动连接；

壳体(12)由两个半腔体(12-1)对接而成，悬挂支架(1)的两端的上表面上各镶嵌有一个永磁铁(9)；其中一个半腔体(12-1)的两端各转动安装有水平设置的一个固定轴(11)，悬挂支架(1)与两个固定轴(11)连接；

曲柄滑块机构(4)包括驱动轴(4-1)、曲柄(4-2)、连杆(4-3)、滑块(4-4)、连接杆(4-5)、导轨(4-6)、冠状齿轮(4-7)、直齿轮(4-8)、第一圆柱齿轮(4-9)和第二圆柱齿轮(4-10)；导轨(4-6)和电机(2)均安装在所述其中一个半腔体(12-1)内，电机(2)的输出端与第一传动轴(21)的另一端连接，冠状齿轮(4-7)安装在第二传动轴(22)上，第一圆柱齿轮(4-9)安装在第三传动轴(20)上，第二圆柱齿轮(4-10)安装在所述其中一个固定轴(11)上，第一圆柱齿轮(4-9)和第二圆柱齿轮(4-10)啮合，直齿轮(4-8)安装在驱动轴(4-1)上，直齿轮(4-8)与冠状齿轮(4-7)啮合，驱动轴(4-1)的上端与曲柄(4-2)的一端连接，曲柄(4-2)的另一端与连杆(4-3)的一端转动连接，连杆(4-3)的另一端与滑块(4-4)转动连接，导轨(4-6)上加工有滑槽(4-11)，滑块(4-4)滑动设置在滑槽(4-11)内，连接杆(4-5)的一端与滑块(4-4)连接，连接杆(4-5)的另一端安装有清洁基体(13)，清洁基体(13)布置在摄像头的上部；

所述其中一个半腔体(12-1)内布置有摄像头模块(6)、无线收发模块(7)、中枢控制电路模块(8)、曲柄滑块机构(4)和多个LED灯(5)；所述其中一个半腔体(12-1)的底部加工有通孔(12-2)，摄像头模块(6)镶嵌在通孔(12-2)内，摄像头模块(6)的底面上沿摄像头的周向均布安装有多个LED灯(5)；

中枢控制电路模块(8)通过数据线与无线收发模块(7)连接，摄像头模块(6)通过数据线与无线收发模块(7)连接，中枢控制电路模块(8)用于控制LED灯(5)的亮度及电机(2)的转速和转向。

2.根据权利要求1所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：滑槽(4-11)为燕尾槽或倒凸形槽。

3.根据权利要求1或2所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：所述第一圆柱齿轮(4-9)和第二圆柱齿轮(4-10)均为直齿圆柱齿轮。

4.根据权利要求3所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：第一圆柱齿轮(4-9)与第二圆柱齿轮(4-10)的传动比为1:1。

5.根据权利要求4所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：所述悬挂支架(1)包括支撑臂(1-1)和两个连接臂(1-2)，支撑臂(1-1)为I形支撑臂，连接臂(1-2)为[形连接臂，支撑臂(1-1)的两个短臂的上表面上各镶嵌有一个永磁铁(9)，支撑臂(1-1)与两个连接臂(1-2)连接，两个连接臂(1-2)与两个固定轴(11)连接。

6.根据权利要求1、2或5所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：所述曲柄滑块机构(4)还包括两个轴承(4-12)，曲柄(4-2)的另一端通过轴承(4-12)与连杆(4-3)的一端连接，连杆(4-3)的另一端通过轴承(4-12)与滑块(4-4)连接。

7.根据权利要求6所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：所述曲柄滑块机构(4)还包括基座(4-13)，基座(4-13)固装在所述其中一个半腔体(12-1)内，导轨(4-6)安装在基座(4-13)上，驱动轴(4-1)的上端穿出基座(4-13)并与曲柄(4-2)连接。

8.根据权利要求7所述的用于腹腔微创手术的视觉机器人，其特征在于：所述悬挂支架(1)为中空悬挂支架。