CN106308932A - 面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，包括：软体机构模块、软体机构充气排气气管、软体机构变形控制充气设备模块、刚性微型手术机械手、刚性微型内窥镜夹持臂、柔性传动机构以及刚性机械手外置驱动模块；所述刚性微型手术机械手、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂连接在可变形的所述软体机构模块上；所述刚性机械手外置驱动模块通过所述柔性传动机构驱动所述刚性微型手术机械手、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂；所述软体机构变形控制充气设备模块通过所述软体机构充气排气气管连通所述软体机构模块。本发明聚集在一起所占尺寸体积较小，可方便通过微创口进入患者体内。

Description

面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人

技术领域

本发明涉及机器人，具体地，涉及一种面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人。

背景技术

在自然灾害、战场、爆炸、事故等突发危险的环境下，会有大量伤员遭受胸腹腔内组织和器官损伤出血等危机情况，此时急需现场或者救护车上能够对伤员施加有效急救，比如进入胸腹腔内对受损组织和器官进行及时止血凝血，对扭曲变形受压迫的组织器官进行拨动甚至切除等措施；且急救措施往往为了保住伤员生命而需要一些及时的简要处理，以为后续精细的救助处理争取宝贵的生命维持时间。直接对伤员进行开膛破肚施加急救却往往导致更大的风险，故微创介入手术以及单孔微创手术方式在近些年来逐渐广受欢迎。若能在急救环境下也能通过微创手术方式及时实施将对降低突发危急伤员的死亡率会有很大帮助。在危急情况下的微创急救若能通过单孔手术机器人精准介入施加急救则更能降低因环境恶劣而容易带来更多风险的可能性，提高急救成功率。

微创手术机器人系统现阶段国内外可临床使用商业化的平台被一家垄断，且体积庞杂且价格高昂，其手术创口多达三个及以上一般通过3-5个5-12mm的小创孔来完成手术，手术影响范围较大；随着外科微创手术逐步普及，广大患者对微创手术的要求也越来高，突出表现在患者介意创口数量和部位希望伤疤尽量少、减轻痛苦；这就促使了为进一步减小或减少手术切口降低感染获得更小的手术创伤和疼痛，缩短住院时间改善美容效果等，可以试图通过单个创口或者自然腔道介入体内的单孔微创手术机器人系统的研发成为新的热点。故单孔微创手术机器人系统有着广泛的市场需求和良好的应用前景。

单孔手术机器人系统的研发严重受限于机器人结构的微型化设计，要求满足能够收缩通过直径小于30mm的单孔进入体内，并能够展开形成手术操作空间三角分布；普通刚性结构的设计对集成设计要求很高难度非常大，且刚性结构的微型化设计使加工难度大大提高。

目前世界范围内现有或在研的手术机器人或手术器械基本都是刚性结构结构设计或刚性连接，在对具有一定体积的组织或器官手术时，常需要对其进行抓取、拖拽和揉捏等操作，而刚性器械操作和接触容易对柔性器官产生意外擦伤、划伤、夹伤等损伤而具有很大的局限性；参考和借鉴人手动手术操作时产生的反作用力都直接或间接作用在人体具有柔性的软体组织或器官的手部而具有刚-柔一体特性。研究和发明刚软耦合一体单孔手术机器人一方面不仅可以借助软体机构的体积可收缩可扩展的特性实现收缩时机器人结构的高度集成和微型化以便于通过单创口进入胸腹腔内，之后软体机构的变形扩展可实现手术操作作业，另一方面可以更有利于模拟医生实际具备柔性的手术操作提供好的安全性。

刚性结构的微创手术机器人或手术器械在进入胸腹腔内之后，在外部需要刚性支撑以保证前端器械的稳定操作同时需要提供远心运动以防止刚性机构对手术创口的破坏。若采用刚软体耦合机构，则体外不需要再提供额外支撑，也不需要远心机构提供远心运动保证创口不被破坏，而是与创口接触的机构变为软体的气管及具有柔弹性的钢丝绳，这样刚软体耦合一体化设计可以大大简化外部支撑同时避免对创口的意外破坏。此外，软体结构在收缩进入胸腹腔内扩展开后，充气体积增大会直接与体内的组织和器官接触，接触面积扩大可以为整个机器人机构提供有效的支撑，且软体结构不会对体内组织和器官产生意外破坏。由此，刚软体耦合一体设计单孔微创手术机器人具有显著的优势，且能够有效应对急救场合下需要及时通过单创口降低风险进入胸腹腔内进行简要的急救处理任务。

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面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人。

根据本发明提供的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，包括：软体机构模块、软体机构充气排气气管、软体机构变形控制充气设备模块、刚性微型手术机械手、刚性微型内窥镜夹持臂、柔性传动机构以及刚性机械手外置驱动模块；

所述刚性微型手术机械手、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂连接在可变形的所述软体机构模块上；

所述刚性机械手外置驱动模块通过所述柔性传动机构驱动所述刚性微型手术机械手、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂；

所述软体机构变形控制充气设备模块通过所述软体机构充气排气气管连通所述软体机构模块。

优选地，还包括创口套管；

所述软体机构充气排气气管、所述柔性传动机构从所述创口套管的内侧穿过；

所述刚性机械手外置驱动模块、所述软体机构变形控制充气设备模块设置在所述创口套管的一侧；软体机构模块、刚性微型手术机械手、刚性微型内窥镜夹持臂设置在所述创口套管的另一侧。

优选地，所述软体机构模块包括可扩张收缩囊状软体机构和软体机构分块隔离壁；

其中，所述软体机构分块隔离壁的一端连接所述可扩张收缩囊状软体机构的一侧端，另一端连接所述可扩张收缩囊状软体机构，从而将所述可扩张收缩囊状软体机构分隔；

所述软体机构分块隔离壁的数量为多个，将所述可扩张收缩囊状软体机构分隔为依次排列的第一安装区域、第二安装区域以及第三安装区域；

一所述刚性微型手术机械手设置在所述第一安装区域，另一所述刚性微型手术机械手设置在所述第三安装区域；所述刚性微型内窥镜夹持机械臂设置在所述第二安装区域。

优选地，所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域分别通过软体机构充排气气管连接所述软体机构变形控制充气设备模块；

所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域对应的软体机构充排气气管上均设置有充排气管气阀。

优选地，所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域均包括分隔开前安装区域和后控制区域。

优选地，所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域均为气囊结构。

优选地，所述可扩张收缩囊状软体机构采用硅胶材料3D打印制成。

优选地，所述柔性传动机构采用多根传动弹性钢丝绳；

所述软体机构变形控制充气设备模块采用气泵。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明软体机构模块呈收缩状态时，本发明聚集在一起所占尺寸体积较小，可方便通过微创口进入患者体内，到达目标手术区域时软体机构模块可气动扩张变形，使安装在软体机构模块上的两只刚性微型机械手模块和一只内窥镜夹持臂携带的内窥镜模块在空间扩展开分布和布局达到所需的初始分布状态和合适的手术操作准备姿态，为后续进一步通过外部操控完成单孔手术操作做好准备。

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为本发明的一种状态示意图；

图2为本发明的另一种状态示意图；

图中：

1为气泵；

2为充排气管气阀；

3为创口套管；

4为患者胸腹腔壁；

5为软体机构充排气气管；

6为可扩张收缩囊状软体机构；

7为软体机构分块隔离壁；

8为刚性微型手术机械手；

9为手术病灶区；

10为刚性微型内窥镜夹持臂；

11为传动弹性钢丝绳；

12为刚性机械臂外置驱动模块。

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。

在本实施例中，本发明提供的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，包括：软体机构模块、软体机构充气排气气管5、软体机构变形控制充气设备模块、刚性微型手术机械手8、刚性微型内窥镜夹持臂10、柔性传动机构以及刚性机械手外置驱动模块12；

所述刚性微型手术机械手8、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂10连接在可变形的所述软体机构模块上；

所述刚性机械手外置驱动模块12通过所述柔性传动机构驱动所述刚性微型手术机械手8、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂10；

所述软体机构变形控制充气设备模块通过所述软体机构充气排气气管5连通所述软体机构模块。

本发明提供的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，还包括创口套管3；

所述软体机构充气排气气管5、所述柔性传动机构从所述创口套管3的内侧穿过；

所述刚性机械手外置驱动模块12、所述软体机构变形控制充气设备模块设置在所述创口套管3的一侧；软体机构模块、刚性微型手术机械手8、刚性微型内窥镜夹持臂10设置在所述创口套管3的另一侧。

所述软体机构模块包括可扩张收缩囊状软体机构6和软体机构分块隔离壁7；

其中，所述软体机构分块隔离壁7的一端连接所述可扩张收缩囊状软体机构6的一侧端，另一端连接所述可扩张收缩囊状软体机构6，从而将所述可扩张收缩囊状软体机构6分隔；

所述软体机构分块隔离壁7的数量为多个，将所述可扩张收缩囊状软体机构6分隔为依次排列的第一安装区域、第二安装区域以及第三安装区域；

一所述刚性微型手术机械手8设置在所述第一安装区域，另一所述刚性微型手术机械手8设置在所述第三安装区域；所述刚性微型内窥镜夹持机械臂10设置在所述第二安装区域。

所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域分别通过软体机构充排气气管5连接所述软体机构变形控制充气设备模块；

所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域对应的软体机构充排气气管5上均设置有充排气管气阀2。

所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域均包括分隔开前安装区域和后控制区域。

所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域均为气囊结构。所述可扩张收缩囊状软体机构6采用硅胶材料3D打印制成。

所述柔性传动机构采用多根传动弹性钢丝绳；所述软体机构变形控制充气设备模块采用气泵1。

当使用本发明提供的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人时，使所述软体机构模块呈收缩状态时，本发明聚集在一起所占尺寸体积较小，可方便通过微创口进入患者体内，到达目标手术区域时软体机构模块可气动扩张变形，使安装在软体机构模块上的两只刚性微型机械手模块和一只内窥镜夹持臂携带的内窥镜模块在空间扩展开分布和布局达到所需的初始分布状态和合适的手术操作准备姿态，为后续进一步通过外部操控完成单孔手术操作做好准备。

本发明的核心在于软体结构模块和刚性结构模块的耦合一体设计，可以通过对软体机构的变形控制实现对整个机器人机构所占空间体积的变化和安装的刚性微型手术机械手8、刚性微型内窥镜夹持臂9的空间分布进行控制，实现整个机器人机构的收缩和扩展状态切换。

当处于收缩状态时，如图1所示，机器人整体所占体积小，外径可小于16mm，便于机器人整体通过单个手术微创口进入胸腹腔内和到达目标手术区域实现单孔微创手术。当处于扩展状态时，如图2所示，整个收缩状态的机器人即通过单个安放在患者胸腹腔壁上的创口套管进入患者体内，一方面可以使安装在软体结构上的两只刚性微型手术机械手8、一只刚性微型内窥镜夹持臂10携带的内窥镜处于合适的空间分布状态如手术操作需要的倒三角布局等以便于进行手术准备作业；另一方面软体机构气动撑开后体积变大使其具有较大的表面积，此时软体机构表面可以附着在人体的组织器官表面，软体机构与人体的组织器官接触产生的附着力和支撑力可以有效地支撑整个机器人机构包括软体机构和刚性机构而不会给人体组织器官带来意外损伤。

软体机构的变形控制使整个机器人整体收缩和扩展状态的切换、整体所占空间体积和安装刚性执行机构的空间布局的变化，均是通过与软体机构相连接的气管的充气和排气控制实现的，充气排气均由各自的软体机构充排气气管连接外部气泵和充排气管气阀2进行实际控制。软体机构扩展后可为手术操作的刚性执行机构模块提供必要的支撑，同时可以初步调节刚性执行机构模块的空间位置以达到接近适合刚性微型手术机械手8的前端进行手术操作的大致空间位姿。

其中软体机构模块内部根据实际任务、安装的刚性机构模块的分支数、需要初步控制实现的位姿调整情况和整体形态和分布分成不同数量的分区域，具体数量因这些需求可改变，如图1中所示的将软体机构模块分成6个分区域，每一分区域是一个体积可控的气囊，都由软体机构充排气气管5连接至外部气泵1结合充排气管气阀2进行体积控制，从而实现在充气时呈扩展开状态，在排掉气体时呈收缩状态。每一个单独的分区域可均连接气管通过充气排气实现对单个分区域的控制，每一分区域的充排气量会影响其各自的体积大小从而影响整体软体结构的体积和外形，整体软体机构模块可以随相连接的各分区域各自体积的变化可实现连接刚性模块的位置在空间上产生移动和偏转变化，即实现基本的位置和姿态初步调整。

所述软体机构模块经过三维建模设计之后直接采用三维打印软的硅胶材料加工得到，并通过实验进行设计改进与完善。气泵1以及刚体机械手机构外置驱动模块12放置在外部，这样在进入体内做手术的整个过程中，可以将体积较大的这两类装置放置在患者体外，以实现手术创口的单创口化和微型化。气管的数量根据软体结构内部块数决定，线弹性钢丝绳的数量根据实际刚性结构的机械手的关节数和自由度数量决定。气管与气泵的连接，线弹性钢丝绳与驱动模块的连接都采用插拔式可以方便机器人整体机构通过创口进入体内后气管和传动弹性钢丝绳位置分布的调整从而避免相互交叉干涉。

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 (8)

1.一种面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，包括：软体机构模块、软体机构充气排气气管(5)、软体机构变形控制充气设备模块、刚性微型手术机械手(8)、刚性微型内窥镜夹持臂(10)、柔性传动机构以及刚性机械手外置驱动模块(12)；

所述刚性微型手术机械手(8)、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂(10)连接在可变形的所述软体机构模块上；

所述刚性机械手外置驱动模块(12)通过所述柔性传动机构驱动所述刚性微型手术机械手(8)、所述刚性微型内窥镜夹持机械臂(10)；

所述软体机构变形控制充气设备模块通过所述软体机构充气排气气管(5)连通所述软体机构模块。

2.根据权利要求1所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，还包括创口套管(3)；

所述软体机构充气排气气管(5)、所述柔性传动机构从所述创口套管(3)的内侧穿过；

所述刚性机械手外置驱动模块(12)、所述软体机构变形控制充气设备模块设置在所述创口套管(3)的一侧；软体机构模块、刚性微型手术机械手(8)、刚性微型内窥镜夹持臂(10)设置在所述创口套管(3)的另一侧。

3.根据权利要求1所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，所述软体机构模块包括可扩张收缩囊状软体机构(6)和软体机构分块隔离壁(7)；

其中，所述软体机构分块隔离壁(7)的一端连接所述可扩张收缩囊状软体机构(6)的一侧端，另一端连接所述可扩张收缩囊状软体机构(6)，从而将所述可扩张收缩囊状软体机构(6)分隔；

所述软体机构分块隔离壁(7)的数量为多个，将所述可扩张收缩囊状软体机构(6)分隔为依次排列的第一安装区域、第二安装区域以及第三安装区域；

一所述刚性微型手术机械手(8)设置在所述第一安装区域，另一所述刚性微型手术机械手(8)设置在所述第三安装区域；所述刚性微型内窥镜夹持机械臂(10)设置在所述第二安装区域。

4.根据权利要求3所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域分别通过软体机构充排气气管(5)连接所述软体机构变形控制充气设备模块；

所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域对应的软体机构充排气气管(5)上均设置有充排气管气阀(2)。

5.根据权利要求3所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域均包括分隔开前安装区域和后控制区域。

6.根据权利要求3所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，所述第一安装区域、所述第二安装区域以及所述第三安装区域均为气囊结构。

7.根据权利要求3所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，所述可扩张收缩囊状软体机构(6)采用硅胶材料3D打印制成。

8.根据权利要求1所述的面向手术急救的刚软体耦合设计的单孔手术机器人，其特征在于，所述柔性传动机构采用多根传动弹性钢丝绳；

所述软体机构变形控制充气设备模块采用气泵(1)。