CN106510848A - 一种经尿道的手术机器人及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经尿道的手术机器人及控制系统，包括机架，在机架的底部固定连接底盘，机架的顶部通过传动链连接支架，在支架上固定连接膀胱镜和两手术工具；手术工具包括柔性连续体机械臂和机械臂驱动装置；支架包括膀胱镜安装座和两手术工具安装座；膀胱镜安装座与膀胱镜固定连接；手术工具安装座通过直线运动机构与立板连接，立板的前侧固定连接一连接外罩，后侧固定连接多个用于对柔性连续体机械臂进行弯转控制的第一电机；还包括控制机柜，控制机柜包括工业计算机、转接板、多个电机驱动器和第一显示器，工业计算机与转接板电连接，转接板分别与电机驱动器、第一显示器电连接；各电机驱动器分别与各第一电机电连接。

Description

一种经尿道的手术机器人及控制系统

技术领域

本发明涉及一种经尿道的手术机器人及控制系统，属于医疗器械领域。

背景技术

在现代医疗领域中，微创手术已经在减少病人的术后疼痛和并发症、缩短住院时间、改善术后的疤痕状况等方面取得了成功。在该领域内，目前已成功商业化的IntuitiveSurgical公司所开发的da Vinci多孔腹腔镜手术机器人能够满足多种微创手术的要求。但随着医疗技术的日趋成熟和患者越来越高的要求，出现了经人体自然腔道手术(naturalorifice trans-luminal endoscopic surgery,NOTES)，其特点是不需要任何切口，手术器械需要通过一个狭长复杂的人体腔道之后到达术部进行夹持缝合等手术动作。目前，包括诸如da Vinci在内的大部分现有手术机器人因其刚性结构、外观尺寸和自由度配置等的限制，均难以满足经人体自然腔道手术的技术要求，尤其对于经尿道施展的泌尿外科手术。由于尿道直径通常小于8mm，目前世界范围内尚无公司开发出可经尿道的手术机器人，因此，经尿道施展的泌尿手术作为经人体自然腔道手术的一个重要分支，具有极高的创新性和广泛的社会应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种可经尿道进入膀胱进行检查及手术的经尿道的手术机器人及控制系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：包括一机架，在所述机架的底部固定连接一底盘，所述机架的顶部通过一传动链连接一支架，在所述支架上固定连接一膀胱镜和两手术工具；所述手术工具包括一柔性连续体机械臂和一机械臂驱动装置；所述支架包括一膀胱镜安装座和两对称设置在所述膀胱镜安装座两侧的手术工具安装座；所述膀胱镜安装座与所述膀胱镜固定连接；所述手术工具安装座通过一直线运动机构与一立板连接，所述立板的前侧固定连接一连接外罩，后侧固定连接多个用于对所述柔性连续体机械臂进行弯转控制的第一电机，所述连接外罩通过一无菌屏障与所述手术工具的壳体的后端连接；所述经尿道的手术机器人及控制系统还包括一控制机柜，所述控制机柜包括一工业计算机、一转接板、多个电机驱动器和一第一显示器，所述工业计算机与所述转接板电连接，所述转接板分别与所述电机驱动器、第一显示器电连接；各所述电机驱动器分别与各所述第一电机电连接；所述第一电机为带有编码器的伺服电机且均与所述转接板电连接；所述工业计算机通过内部板卡和所述电机驱动器对所述第一电机进行闭环控制；所述转接板用于接收来自所述膀胱镜的膀胱镜信号和来自各所述编码器的计数信号，通过所述电机驱动器向所述第一电机发送电机驱动能量流，向所述第一显示器发送膀胱镜信号。

所述传动链包括一与所述机架顶部固定连接的底座，在所述底座上固定连接两垂直布置的支撑臂，在其中一所述支撑臂上固定连接一第二电机，所述第二电机的输出轴连接一同步带，在所述同步带的前侧紧固连接一第一滑块，在所述第一滑块的前侧固定连接一第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端通过一垂直设置的第三电机连接一第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端通过一垂直设置的第四电机连接一第三连杆的一端，所述第三连杆的另一端通过一垂直设置的第五电机连接一第四连杆的一端，所述第四连杆的另一端通过一水平设置的第六电机连接一第五连杆的一端，所述第五连杆的另一端同轴固定连接一水平设置的第七电机，所述第七电机的输出轴固定连接一第六连杆的一端，所述第六连杆的另一端固定连接所述膀胱镜安装座的后端；所述第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机、第七电机亦分别与所述电机驱动器电连接。

还包括一控制端，所述控制端包括一上位计算机、一第二显示器、两遥控设备和两踏板，其中，所述第一显示器、两遥控设备和两踏板均与所述上位计算机电连接，所述上位计算机与所述工业计算机电连接；所述上位计算机通过以太网与所述工业计算机交换控制信号，所述遥控设备用于下达控制信号，目的是对所述镜体和柔性连续体机械臂末端的位置和指向进行控制；所述第二显示器与所述转接板电连接，用于显示来自转接板的膀胱镜信号。

所述膀胱镜包括一镜体和一镜体驱动单元；所述镜体包括一携带照明模块的高清摄像头、一固定盘、两第一结构骨、一第二结构骨、一支撑构件和一截面呈圆形的薄壁管；所述高清摄像头的线缆与所述转接板电连接；两所述第一结构骨和一所述第二结构骨呈三角形均匀分布且三者的前端共同紧固连接所述固定盘的一侧，所述固定盘的另一侧固定连接所述高清摄像头；所述支撑构件为细长体结构，所述支撑构件的后端与所述镜体驱动单元连接，在所述支撑构件上设置有供所述第一结构骨、第二结构骨和高清摄像头的线缆穿过的通道；两所述第一结构骨和一所述第二结构骨的后端穿过所述支撑构件后与所述镜体驱动单元连接；所述薄壁管套在所述支撑构件的外部；所述镜体驱动单元包括一主壳体和一副壳体，所述主壳体包括一前端板、一后端板和一呈筒状的外罩，所述主壳体通过一第二无菌屏障与所述膀胱镜安装座连接；所述副壳体固定连接在所述主壳体的前侧，所述副壳体的前端固定连接所述薄壁管；所述镜体的所述第一结构骨、第二结构骨和支撑构件均从所述副壳体的内部通过且穿过所述前端板伸入所述主壳体；在所述副壳体的两侧对称设置两接口，在所述副壳体内部设置有两与每一所述接口连通的腔道，在所述支撑构件的两侧开设有与每一所述腔道连通的开放腔道；在所述主壳体的内部设置有主要由第一螺杆和第一螺母组成的第一传动机构、主要由第二螺杆和第二螺母组成的第二传动机构以及主要由蜗轮和蜗杆组成的第三传动机构；在所述主壳体的外部转动设置有三个控制转环；所述第一传动机构用于将第一个所述控制转环的转动转换为推拉支撑构件及两根第一结构骨、一根第二结构骨以实现整体进给运动，所述第二传动机构用于将第二个所述控制转环的转动转换为推拉两根第一结构骨和一根第二结构骨以实现两根第一结构骨和一根第二结构骨伸出支撑构件的运动，所述第三传动机构用于将第三个所述控制转换的转动转换为推拉两根第一结构骨以实现高清摄像头的俯仰运动。

所述第一螺杆转动连接在所述前端板与所述后端板之间，所述第一螺杆的后端穿过所述后端板，所述第一螺母配合连接在所述第一螺杆上；在所述前端板与所述后端板之间固定设置有第一导杆，所述第一螺母与所述第一导杆滑动连接；在所述第一螺母上固定连接一框形基座；所述框形基座与所述支撑构件的后端固定连接；第一个所述控制转环通过第一传动组件与所述第一螺杆的后端连接，用于将第一个所述控制转环的转动运动传递给所述第一螺杆；所述第一传动组件包括一第一内齿圈和一第一齿轮，所述第一内齿圈固定设置在第一个所述控制转环的内侧，所述第一齿轮固定连接在所述第一螺杆的后端，所述第一齿轮与所述第一内齿圈啮合；所述第二螺杆转动支撑在所述框形基座上，所述第二螺母配合连接在所述第二螺杆上；在所述前端板与所述后端板之间固定设置有第二导杆，所述第二螺母与所述第二导杆滑动连接；在所述第二螺母上固定连接一第一压板，所述第一压板与所述第二结构骨的后端固定连接；第二个所述控制转环通过第二传动组件与所述第二螺杆的后端连接，用于将第二个所述控制转环的转动运动传递给所述第二螺杆；所述第二传动组件包括一第二内齿圈、一第二齿轮、一惰轮、一第一套筒和一第一方形轴；所述第二内齿圈固定设置在第二个所述控制转环的内侧；所述第二内齿圈通过所述惰轮与所述第二齿轮传动连接；所述第一套筒与第二齿轮的前侧中心固定连接，所述第一套筒穿过所述后端板且与所述后端板转动连接，所述第一套筒沿周向开设有方形槽，所述第一套筒通过所述方形槽可滑动地连接所述第一方形轴，所述第一方形轴与所述第二螺杆的后端固定连接；所述第三传动机构包括所述蜗杆、所述蜗轮、一第七连杆、一第二滑块和一第三导杆；所述第三导杆固定连接在所述前端板与所述后端板之间，所述第二滑块可滑动地连接在所述第三导杆上；所述蜗杆转动连接在所述第二螺母上；所述蜗轮转动支撑在所述第二螺母上且与所述蜗杆啮合；在所述蜗轮靠近边缘的轮盘处转动连接所述连杆的一端，所述连杆的另一端与所述第二滑块转动连接；在所述第二滑块上固定连接有一第二压板，所述第二压板与两所述第一结构骨的后端固定连接；第三个所述控制转环通过第三传动组件与所述蜗杆的后端连接，用于将第三个所述控制转环的转动运动传递给所述蜗杆；所述第三传动组件包括一第三内齿圈、一第三齿轮、一第二套筒和一第二方形轴；所述第三内齿圈固定设置在第三个所述控制转环的内侧；所述第三齿轮与所述第三内齿圈啮合；所述第二套筒固定连接在所述第三齿轮的前侧中心，所述第二套筒穿过所述后端板且与所述后端板转动连接；所述第二套筒沿轴向开设有方形槽，所述第二套筒通过方形槽可滑动地连接所述第二方形轴，所述第二方形轴的前端与所述蜗杆的后端固定连接。

两所述手术工具的所述柔性连续体机械臂分别依次穿过所述副壳体的所述接口、位于所述副壳体内的所述腔道和位于所述支撑构件两侧的所述开放腔道；所述柔性连续体机械臂包括一第一节连续体和一第二节连续体；所述第一节连续体包括四根等间隔平行设置的第三结构骨、多个等间隔分布的第一间隔盘和一第一固定片；所述第三结构骨后端与所述机械臂驱动装置连接，前端依次穿过各所述第一间隔盘后与所述第一固定片固定连接；所述第二节连续体包括四根等间隔平行设置的第四结构骨、多个等间隔分布的第二间隔盘和一第二固定片；所述第四结构骨后端与所述机械臂驱动装置连接，前端依次穿过各所述第一间隔盘、第一固定片和各第二间隔盘后与所述第二固定片固定连接；所述机械臂驱动装置包括一壳体和四个位于所述壳体内部的结构骨驱动组件；其中，每一所述结构骨驱动组件与穿过所述壳体前端的两根所述第三结构骨或两根所述第四结构骨连接；每一所述结构骨驱动组件包括一第一基座、一第一联轴器公头、一双节万向联轴器、一第八连杆、两第三压板和两第三滑块；在所述壳体的前端和后端之间设置有四根导轨，在每一所述导轨上同时滑动连接两个属于不同所述结构骨驱动组件的第三滑块；所述第一基座位于两所述导轨之间且与所述壳体的后端固定连接，所述第一联轴器公头位于所述壳体的后端且与一传动轴的一端固定连接，所述传动轴与所述壳体转动连接，所述传动轴的另一端固定连接所述双节万向联轴器的一端，所述双节万向联轴器的另一端通过另一传动轴固定连接在所述第八连杆的中部，所述另一传动轴通过一轴承转动支撑在所述第一基座上；所述第八连杆的两端分别可滑动且可转动地连接一所述第三压板，每一所述第三压板与一所述第三结构骨或一所述第四结构骨的后端固定连接；两所述第三压板分别与一所述第三滑块固定连接；所述第一联轴器公头通过位于所述无菌屏障上的联轴器公母连接件与所述第一电机的输出端连接。

在所述柔性连续体机械臂的前端设置一手术钳，在所述壳体内设置一手术钳驱动组件，手术钳控制线的后端依次从中心穿过所述第二固定片、各第二间隔盘、第一固定片、各第一间隔盘后与手术钳驱动组件连接；所述手术钳驱动组件包括一第二基座、一引导套管、一第二联轴器公头、一第三螺杆、一第三螺母、一第四压板和一第四导杆；所述第四导杆固定连接在所述壳体的前端与后端之间且与所述第三螺母滑动连接，所述第二基座与所述壳体的前端固定连接，所述第二联轴器公头位于所述壳体的后端且与所述第三螺杆的一端固定连接，所述第三螺杆的两端均与所述壳体转动连接，所述第三螺杆与所述第四导杆平行，所述第三螺母与所述第三螺杆螺纹配合，所述第三螺母与所述第四压板固定连接，所述第四压板与所述手术钳控制线的后端固定连接；所述引导套管设置在所述壳体的前端与所述第二基座之间，所述手术钳控制线从所述引导套管中穿过；所述第二无菌屏障上的其中一所述联轴器公母连接件的前端与所述第二联轴器公头的后端连接，后端与所述立板上的其中一所述第一电机的输出轴连接。

每一所述结构骨驱动组件还包括一微调机构；所述微调机构包括两螺栓、两柱形螺母和两拉簧；其中，每一所述螺栓穿过所述壳体的前端且栓头位于所述壳体的外部；所述螺栓的后端通过螺纹连接一所述柱形螺母的一端，所述柱形螺母的另一端通过一所述拉簧连接所述第八连杆的一端。

所述直线运动机构包括一固定连接在所述手术工具安装座上的第八电机，所述第八电机的输出轴固定连接一丝杠的一端，所述丝杠的两端与所述手术工具安装座转动连接，在所述丝杠上套设一矩形螺母，在所述矩形螺母上固定连接一固定块，在所述固定块上固定连接所述立板。

在所述柔性连续体机械臂的前端设置一电切刀，在所述控制机柜中设置有一电切发生器，所述电切发生器分别与所述转接板、电切刀的线缆电连接，用于在所述遥控设备的控制下产生电切能量流。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的经尿道的手术机器人系统包括有一个具有三个自由度的膀胱镜、两个具有五个自由度的手术工具，两手术工具借助于薄壁管、支撑构件与膀胱镜结合在一起，能够配合完成各类泌尿手术，因此，本发明具有很高的医学应用价值。2、本发明膀胱镜的镜体在镜体驱动单元的驱动下能够实现三个可精确手动调节的自由度，分别是推拉支撑构件及两根第一结构骨、一根第二结构骨实现的整体进给运动，共同推拉两根第一结构骨和一根第二结构骨实现的进给运动(即调节两根第一结构骨和一根第二结构骨伸出支撑构件的长度)，以及同时推拉两根第一结构骨实现的高清摄像头的俯仰运动，在自由度上能够满足进入人体尿道实施检查的要求。3、本发明手术工具的柔性连续体机械臂在机械臂驱动装置的驱动下，能够实现四个弯转自由度、一个整体进给自由度和手术钳的开合，因此，在自由度上能够满足进入人体尿道实施手术的要求。4、本发明在机械臂驱动装置中还设置有与每一结构骨驱动组件连接的微调结构，因此，能够保证每一第三结构骨和第四结构骨在没有动力输入的状态下始终位于固定的初始位置。5、本发明在第一无菌屏障和第二无菌屏障的边缘固定连接同一无菌塑料薄膜，第一无菌屏障、第二无菌屏障连同无菌塑料薄膜可以将包括膀胱镜和手术工具的消毒部分与未消毒部分分隔开来，满足手术需求。6、本发明还设置有主控端和控制机柜，用闭环运动控制的方式对手术工具、运动链等的运动实现远程精确操控，因此手术实施过程仅需要一名远程操控设备的医生和一名位于病人侧的医生即可完成。本发明可广泛应用于膀胱检查与手术过程中。

附图说明

图1是本发明实施例一的整体结构示意图；

图2是本发明支架与膀胱镜、手术工具的连接示意图；

图3是本发明膀胱镜和手术工具的前端结构示意图；

图4是本发明膀胱镜的结构示意图；

图5是本发明镜体的结构示意图；

图6是本发明镜体驱动单元的外部结构示意图；

图7是本发明镜体驱动单元的第一传动机构、第二传动机构的结构示意图；

图8是本发明镜体驱动单元的内部结构示意图；

图9是本发明镜体驱动单元的第三传动机构的局部放大示意图；

图10是本发明手术工具的结构示意图；

图11是本发明手术工具在另一视角下的结构示意图；

图12是本发明柔性连续体机械臂的结构示意图；

图13是本发明机械臂驱动装置的结构示意图；

图14是本发明结构骨驱动组件的结构示意图；

图15是本发明结构骨驱动组件在另一视角下的结构示意图；

图16是本发明手术钳驱动组件的结构示意图；

图17是本发明手术工具安装座的结构示意图；

图18是本发明手术工具安装座的局部结构示意图；

图19是本发明第二无菌屏障的结构示意图；

图20是本发明第二无菌屏障在另一视角下的结构示意图；

图21是本发明传动链的结构示意图；

图22是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

如图1～3所示，本实施例包括一机架10，在机架10的底部固定连接一底盘20，机架10的顶部通过一传动链30连接一支架40，在支架40上固定连接一膀胱镜50和两手术工具60。

如图4所示，膀胱镜50包括一镜体501和一镜体驱动单元502。

如图4、图5所示，镜体501包括一携带照明模块的高清摄像头503、一固定盘504、两第一结构骨505、一第二结构骨506、一支撑构件507和一截面呈圆形的薄壁管508。其中，两第一结构骨505和一第二结构骨506呈三角形均匀分布且三者的前端共同紧固连接固定盘504的一侧。固定盘504的另一侧固定连接高清摄像头503，并且高清摄像头503的照明模块位于第二结构骨506的延长线上。支撑构件507为细长体结构，其后端与镜体驱动单元502连接(后文将详细介绍)，在支撑构件507上设置有供第一结构骨505、第二结构骨506和高清摄像头503的线缆509穿过的通道。两第一结构骨505和一第二结构骨506的后端穿过支撑构件507后与镜体驱动单元502连接。薄壁管508套在支撑构件507的外部。本实施例的镜体501在镜体驱动单元502的驱动下能够实现三个可精确手动调节的自由度，分别是：①推拉支撑构件507及两第一结构骨505、一第二结构骨506实现的整体进给运动；②共同推拉两第一结构骨505和一第二结构骨506实现的进给运动，即调节两第一结构骨505和一第二结构骨506伸出支撑构件507的长度；③同时推拉两第一结构骨505实现的高清摄像头503的俯仰运动。

如图6～8所示，镜体驱动单元502包括一主壳体510和一副壳体511。主壳体510包括一前端板512、一后端板(图中未示出)和一呈筒状的外罩513。副壳体511固定连接在主壳体510前端板512的前侧。副壳体511的前端固定连接薄壁管508。镜体501的第一结构骨505、第二结构骨506和支撑构件507均从副壳体511的内部通过且穿过前端板512伸入主壳体510。在副壳体511的两侧对称设置两接口514，在副壳体511内部设置有两与每一接口514连通的腔道，在支撑构件507两侧开设有与每一腔道连通的开放腔道。由此提供了用于容纳两手术工具60的通道，从而使膀胱镜50可以与两手术工具60共同实施经尿道的泌尿手术。在主壳体510的内部设置有第一传动机构515、第二传动机构516和第三传动机构517，其分别用于驱动实现前述镜体501的三个自由度。在主壳体510的外部转动设置有三个控制转环518，控制转环518为带有内齿圈的圆环，其分别与第一传动机构515、第二传动机构516和第三传动机构517连接，三个控制转环518为手动控制的控制终端。如图7所示，第一传动机构515包括一导杆519、一齿轮520、一螺杆521和一螺母522。其中，导杆519固定连接在前端板512与后端板之间，螺杆521转动连接在前端板512与后端板之间，螺杆521的后端穿过后端板并与齿轮520的中心固定连接，齿轮520与一控制转环518的内齿圈啮合；螺母522通过螺纹连接螺杆521且与导杆519可滑动地连接。在螺母522上还固定连接一框形基座523，框形基座523的前端与支撑构件507的后端固定连接。第二传动机构516包括一导杆524、一惰轮525、一齿轮526、一套筒527、一方形轴528、一螺杆529、一螺母530和一压板531。其中，导杆524固定连接在前端板512与后端板之间，螺杆529转动支撑在框形基座523上。套筒527固定连接在齿轮526的前侧中心，套筒527穿过后端板且与后端板转动连接，套筒527沿轴向开设有方形槽，套筒527通过方形槽可滑动地连接方形轴528，方形轴528的前端与螺杆529的后端固定连接。惰轮525与齿轮526、一控制转环518的内齿圈同时啮合，惰轮525通过一转轴与后端板转动连接。螺母530通过螺纹连接螺杆529且与导杆524可滑动地连接。压板531固定连接在螺母530上，其与第二结构骨506的后端固定连接。如图8、图9所示，第三传动机构517包括一导杆532、一齿轮533、一套筒534、一方形轴535、一蜗杆536、一蜗轮537、一连杆538、一滑块539和一压板540。其中，导杆532固定连接在前端板512与后端板之间，滑块539可滑动地连接在导杆532上。套筒534固定连接在齿轮533的前侧中心，套筒534穿过后端板且与后端板转动连接。齿轮533与一控制转环518啮合。套筒534沿轴向开设有方形槽，套筒534通过方形槽可滑动地连接方形轴535，方形轴535的前端与蜗杆536的后端固定连接，蜗杆536转动连接在螺母530上。蜗轮537转动支撑在螺母530上且与蜗杆536啮合。在蜗轮537靠近边缘的轮盘处转动连接连杆538的一端，连杆538的另一端与滑块539转动连接。压板540固定连接在滑块539上，压板540与两第一结构骨505的后端固定连接。

本实施例膀胱镜50的三个自由度运动的实现过程如下：当转动第一个控制转环518时，其可驱动齿轮520转动，从而驱动螺杆521转动，进而驱动螺母522带动框形基座523沿导杆519线性滑动，框形基座523的线性滑动可以带动支撑构件507以及第二传动机构516、第三传动机构517的主体传动部分同时做线性移动，因此能够实现支撑构件507及两根第一结构骨505、一根第二结构骨506实现的整体进给运动。当转动第二个控制转环518时，其可通过惰轮525驱动齿轮526转动，从而通过套筒527驱动方形轴528带动螺杆529转动，进而驱动螺母530沿导杆524线性滑动，螺母530的线性滑动可以带动第二结构骨506以及第三传动机构517的主体传动部分同时做线性移动，因此能够实现两根第一结构骨505和一根第二结构骨506相对于支撑构件507的进给运动。当转动第三个控制转环518时，其可驱动齿轮533转动，从而通过套筒534驱动方形轴535带动蜗杆536转动，进而驱动蜗轮537转动，蜗轮537的转动通过连杆538带动滑块539沿导杆532线性滑动，滑块539的线性滑动可以带动两根第一结构骨505做线性移动，因此能够实现高清摄像头503的俯仰运动。

如图10、图11所示，手术工具60包括一柔性连续体机械臂601和一机械臂驱动装置602，其中，两柔性连续体机械臂601分别依次穿过副壳体511的接口514、位于副壳体511内的腔道和位于支撑构件507内的开放腔道，从而使手术工具60的末端能够与高清摄像头503配合使用。

如图12所示，柔性连续体机械臂601包括一第一节连续体603、一第二节连续体604和一手术钳605。第一节连续体603包括四根等间隔平行设置的第三结构骨606、多个等间隔分布的第一间隔盘607和一个第一固定片608，其中，第三结构骨606后端与机械臂驱动装置602连接(下文将详细说明)，前端依次穿过各第一间隔盘607后与第一固定片608固定连接。第二节连续体604包括四根等间隔平行设置的第四结构骨609、多个等间隔分布的第二间隔盘610和一个第二固定片611，其中，第四结构骨609后端与机械臂驱动装置602连接，前端依次穿过各第一间隔盘607、第一固定片608和各第二间隔盘610后与第二固定片611固定连接。手术钳605设置在第二节连续体604的前端，手术钳控制线612的后端依次从中心穿过第二固定片611、各第二间隔盘610、第一固定片608、各第一间隔盘607后与机械臂驱动装置602连接。该柔性连续体机械臂601可实现空间上四个自由度的弯转运动和一个进给自由度。其中，在第一节连续体603中，通过协同推拉相隔180°的两根第三结构骨606，可实现在两根第三结构骨606所形成的平面内的一个弯转自由度，因此包含有四根第三结构骨606的第一节连续体603可实现两个弯转自由度；同理，包含有四根第四结构骨609的第二节连续体604可实现两个弯转自由度。手术钳605可由对手术钳控制线612的推拉而实现开合。

如图10、图11、图13所示，机械臂驱动装置602包括一壳体613、四个位于壳体613内部的结构骨驱动组件614和一位于壳体613内部的手术钳驱动组件615。其中，每一结构骨驱动组件614与穿过壳体613前端的两根第三结构骨606或两根第四结构骨609连接；手术钳驱动组件615与穿过壳体613前端的手术钳控制线612连接。如图14、图15所示，每一结构骨驱动组件614包括一基座616、一联轴器公头617、一双节万向联轴器618、一连杆619、两压板620和两滑块622。在壳体613的前端和后端之间设置有四根导轨621，在每一根导轨621上同时滑动连接两个属于不同结构骨驱动组件614的滑块622。基座616位于两导轨621之间且与壳体613的后端固定连接，联轴器公头617位于壳体613的后端且与一传动轴623的一端固定连接，传动轴623与壳体613转动连接，传动轴623的另一端固定连接双节万向联轴器618的一端，双节万向联轴器618的另一端通过另一传动轴固定连接在连杆619的中部，并且，另一传动轴通过一轴承转动支撑在基座616上。连杆619的两端分别可滑动且可转动地连接一压板620，每一压板620与一第三结构骨606或一第四结构骨609的后端固定连接。两压板620分别与一滑块622固定连接。如图16所示，手术钳驱动组件615包括一基座624、一引导套管625、一联轴器公头626、一螺杆627、一螺母628、一压板629和一导杆630。其中，导杆630固定连接在壳体613的前端与后端之间且与螺母628滑动连接，基座624与壳体613的前端固定连接，联轴器公头626位于壳体613的后端且与螺杆627的一端固定连接，螺杆627的两端均与壳体613转动连接，螺杆627与导杆630平行，螺母628与螺杆627螺纹配合，螺母628与压板629固定连接，压板629与手术钳控制线612的后端固定连接。引导套管625设置在壳体613的前端与基座624之间，手术钳控制线612从引导套管625中穿过，引导套管625用于为手术钳控制线612提供固定的空间轨道。当联轴器公头626转动时，可驱动螺杆627转动进而驱动螺母628沿导杆630做直线运动，从而实现对手术钳控制线612的推拉，最终实现手术钳605的开合。

如图2、图17所示，支架40包括一膀胱镜安装座401和两对称设置在膀胱镜安装座401两侧的手术工具安装座402，其中，膀胱镜安装座401通过一第一无菌屏障(图中未示出)与膀胱镜50的主壳体510后端固定连接；手术工具安装座402通过一直线运动机构与一立板403连接，立板403的前侧固定连接一连接外罩404(如图18所示)，后侧固定连接五个电机405，每一电机405的输出端穿过立板403。连接外罩404通过一第二无菌屏障406与手术工具60的壳体613的后端连接。如图19、图20所示，第二无菌屏障406呈一端封闭、一端敞口的筒状结构，在第二无菌屏障406的封闭端转动连接五个联轴器公母连接件407。每一联轴器公母连接件407的后端与一电机405的输出端连接，前端与一联轴器公头617、626的后端连接。

如图21所示，传动链30包括一与机架10顶部固定连接的底座301，在底座301上固定连接两垂直布置的支撑臂302，在其中一支撑臂302上固定连接一电机303，电机303的输出轴连接一同步带304，在同步带304的前侧紧固连接一滑块305，在滑块305的前侧固定连接一连杆306的一端，连杆306的另一端通过一垂直设置的电机307连接一连杆308的一端，连杆308的另一端通过一垂直设置的电机309连接一连杆310的一端，连杆310的另一端通过一垂直设置的电机311连接一连杆312的一端，连杆312的另一端通过一水平设置的电机313连接一连杆314的一端，连杆314的另一端同轴固定连接一水平设置的电机315，电机315的输出轴固定连接一连杆316的一端，连杆316的另一端固定连接膀胱镜安装座401的后端。本实施例的运动链30可实现六个自由度，其中，电机303可驱动同步带304带动滑块305运动，进而驱动连杆306实现升降自由度；电机307可驱动连杆308转动；电机309可驱动连杆310转动；电机311可驱动连杆312转动；电机313可驱动连杆314转动；电机315可驱动连杆316转动。本实施例通过传动链30可以实现支架40的精确定位。

上述实施例中，柔性连续体机械臂601前端的手术钳605也可以根据实际手术需要替换成其它的手术器械，例如电切刀。相应地，当手术钳605替换为电切刀时，机械臂驱动装置602中的手术钳驱动组件615亦可以省略。

进一步地，每一结构骨驱动组件614还包括一微调机构631，如图14、图15所示，微调机构631包括两螺栓632、两柱形螺母633和两拉簧634，其中，每一螺栓632穿过壳体613的前端且栓头位于壳体613的外部，螺栓632的后端通过螺纹连接一柱形螺母633的一端，柱形螺母633的另一端通过一拉簧634连接连杆619的一端。微调机构631的作用是实现每一结构骨驱动组件614所连接的两根第三结构骨606或第四结构骨609在没有动力输入状态下始终保持在固定的初始位置。

进一步地，如图17所示，直线运动机构包括一固定连接在手术工具安装座402上的电机408，电机408的输出轴固定连接一丝杠409的一端，丝杠408的两端与手术工具安装座402转动连接，在丝杠409上套设一矩形螺母410，在矩形螺母410上固定连接一固定块411，在固定块411上固定连接立板403。

进一步地，在第一无菌屏障和第二无菌屏障406的边缘固定连接同一无菌塑料薄膜，第一无菌屏障、第二无菌屏障406连同无菌塑料薄膜可以将包括膀胱镜50和手术工具60的消毒部分与未消毒部分分隔开来，满足手术需求。

进一步地，如图11、图18～图20所示，在壳体613后侧固定连接一RFID(无线射频识别)标签412；在第二无菌屏障406的封闭端与RFID标签412相对的位置设置一RFID读写模块安装槽413；在立板403的前侧固定连接一RFID读写模块414，RFID读写模块414穿入RFID读写模块安装槽413且与RFID标签412留有间距。RFID标签412的作用是存储手术工具60的使用次数。

进一步地，在底盘20的底部设置有三个万向轮201，便于实现本实施例的远距离运输。

实施例二：

如图22所示，本实施例在实施例一的基础上，还增加了一控制端70和一控制机柜80。控制端70包括一上位计算机701、一显示器702、两遥控设备703和两踏板704，其中，显示器702、两遥控设备703和两踏板704均与上位计算机701电连接。控制机柜80包括一工业计算机801、一转接板802、多个电机驱动器803和一显示器804。工业计算机801分别与上位计算机701、转接板802电连接，转接板802分别与电机驱动器803、显示器702、显示器804、高清摄像头503的线缆509电连接。各电机驱动器803分别与电机405、电机303、电机307、电机309、电机311、电机313、电机315电连接。电机405、电机303、电机307、电机309、电机311、电机313和电机315均为带有编码器的伺服电机，且均与转接板802电连接。

上位计算机701通过以太网与工业计算机801交换控制信号。工业计算机801通过内部板卡与电机驱动器803对电机405、电机303、电机307、电机309、电机311、电机313和电机315进行闭环控制。转接板802用于接收来自膀胱镜50的膀胱镜信号和来自电机编码器的计数信号，通过电机驱动器803向电机405、电机303、电机307、电机309、电机311、电机313和电机315发送电机驱动能量流，通过工业计算机801向上位计算机701发送以太网控制信号，向显示器702和显示器804发送膀胱镜信号。遥控设备703用于下达控制信号，目的是对镜体501和柔性连续体机械臂601末端的位置和指向进行控制。本实施例所述的手术机器人系统可在两名医生协作下实施手术，其中一名医生在主控端70处对手术机器人系统进行操控，另一名医生则在病人侧辅助手术的进行。

上位计算机701以特定的周期将以太网控制信号传送至工业计算机801，工业计算机801以特定的周期运行xpc target实时运算系统。在工业计算机801的每个周期内，实时运算系统首先根据从以太网控制信号中读取的遥控设备703的位置、指向信息，通过逆运动学运算反解出对应每个电机的目标转角位置。通过工业计算机中801计数器板卡，编码器将电机的实时位置信息与所述电机的目标转角位置进行对比，实现闭环运动控制。

进一步地，当手术工具60的前端设置电切刀时，控制机柜80还相应地设置有一电切发生器805，电切发生器805与转接板802、电切刀的线缆电连接，用于在遥控设备703的控制下产生电切能量流。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：包括一机架，在所述机架的底部固定连接一底盘，所述机架的顶部通过一传动链连接一支架，在所述支架上固定连接一膀胱镜和两手术工具；

所述手术工具包括一柔性连续体机械臂和一机械臂驱动装置；

所述支架包括一膀胱镜安装座和两对称设置在所述膀胱镜安装座两侧的手术工具安装座；所述膀胱镜安装座与所述膀胱镜固定连接；所述手术工具安装座通过一直线运动机构与一立板连接，所述立板的前侧固定连接一连接外罩，后侧固定连接多个用于对所述柔性连续体机械臂进行弯转控制的第一电机，所述连接外罩通过一无菌屏障与所述手术工具的壳体的后端连接；

所述经尿道的手术机器人及控制系统还包括一控制机柜，所述控制机柜包括一工业计算机、一转接板、多个电机驱动器和一第一显示器，所述工业计算机与所述转接板电连接，所述转接板分别与所述电机驱动器、第一显示器电连接；各所述电机驱动器分别与各所述第一电机电连接；所述第一电机为带有编码器的伺服电机且均与所述转接板电连接；所述工业计算机通过内部板卡和所述电机驱动器对所述第一电机进行闭环控制；所述转接板用于接收来自所述膀胱镜的膀胱镜信号和来自各所述编码器的计数信号，通过所述电机驱动器向所述第一电机发送电机驱动能量流，向所述第一显示器发送膀胱镜信号。

2.如权利要求1所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：所述传动链包括一与所述机架顶部固定连接的底座，在所述底座上固定连接两垂直布置的支撑臂，在其中一所述支撑臂上固定连接一第二电机，所述第二电机的输出轴连接一同步带，在所述同步带的前侧紧固连接一第一滑块，在所述第一滑块的前侧固定连接一第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端通过一垂直设置的第三电机连接一第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端通过一垂直设置的第四电机连接一第三连杆的一端，所述第三连杆的另一端通过一垂直设置的第五电机连接一第四连杆的一端，所述第四连杆的另一端通过一水平设置的第六电机连接一第五连杆的一端，所述第五连杆的另一端同轴固定连接一水平设置的第七电机，所述第七电机的输出轴固定连接一第六连杆的一端，所述第六连杆的另一端固定连接所述膀胱镜安装座的后端；所述第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机、第七电机亦分别与所述电机驱动器电连接。

3.如权利要求1所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：还包括一控制端，所述控制端包括一上位计算机、一第二显示器、两遥控设备和两踏板，其中，所述第一显示器、两遥控设备和两踏板均与所述上位计算机电连接，所述上位计算机与所述工业计算机电连接；所述上位计算机通过以太网与所述工业计算机交换控制信号，所述遥控设备用于下达控制信号，目的是对所述镜体和柔性连续体机械臂末端的位置和指向进行控制；所述第二显示器与所述转接板电连接，用于显示来自转接板的膀胱镜信号。

4.如权利要求1所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：所述膀胱镜包括一镜体和一镜体驱动单元；所述镜体包括一携带照明模块的高清摄像头、一固定盘、两第一结构骨、一第二结构骨、一支撑构件和一截面呈圆形的薄壁管；所述高清摄像头的线缆与所述转接板电连接；两所述第一结构骨和一所述第二结构骨呈三角形均匀分布且三者的前端共同紧固连接所述固定盘的一侧，所述固定盘的另一侧固定连接所述高清摄像头；所述支撑构件为细长体结构，所述支撑构件的后端与所述镜体驱动单元连接，在所述支撑构件上设置有供所述第一结构骨、第二结构骨和高清摄像头的线缆穿过的通道；两所述第一结构骨和一所述第二结构骨的后端穿过所述支撑构件后与所述镜体驱动单元连接；所述薄壁管套在所述支撑构件的外部；

所述镜体驱动单元包括一主壳体和一副壳体，所述主壳体包括一前端板、一后端板和一呈筒状的外罩，所述主壳体通过一第二无菌屏障与所述膀胱镜安装座连接；所述副壳体固定连接在所述主壳体的前侧，所述副壳体的前端固定连接所述薄壁管；所述镜体的所述第一结构骨、第二结构骨和支撑构件均从所述副壳体的内部通过且穿过所述前端板伸入所述主壳体；在所述副壳体的两侧对称设置两接口，在所述副壳体内部设置有两与每一所述接口连通的腔道，在所述支撑构件的两侧开设有与每一所述腔道连通的开放腔道；在所述主壳体的内部设置有主要由第一螺杆和第一螺母组成的第一传动机构、主要由第二螺杆和第二螺母组成的第二传动机构以及主要由蜗轮和蜗杆组成的第三传动机构；在所述主壳体的外部转动设置有三个控制转环；所述第一传动机构用于将第一个所述控制转环的转动转换为推拉支撑构件及两根第一结构骨、一根第二结构骨以实现整体进给运动，所述第二传动机构用于将第二个所述控制转环的转动转换为推拉两根第一结构骨和一根第二结构骨以实现两根第一结构骨和一根第二结构骨伸出支撑构件的运动，所述第三传动机构用于将第三个所述控制转换的转动转换为推拉两根第一结构骨以实现高清摄像头的俯仰运动。

5.如权利要求4所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：所述第一螺杆转动连接在所述前端板与所述后端板之间，所述第一螺杆的后端穿过所述后端板，所述第一螺母配合连接在所述第一螺杆上；在所述前端板与所述后端板之间固定设置有第一导杆，所述第一螺母与所述第一导杆滑动连接；在所述第一螺母上固定连接一框形基座；所述框形基座与所述支撑构件的后端固定连接；第一个所述控制转环通过第一传动组件与所述第一螺杆的后端连接，用于将第一个所述控制转环的转动运动传递给所述第一螺杆；所述第一传动组件包括一第一内齿圈和一第一齿轮，所述第一内齿圈固定设置在第一个所述控制转环的内侧，所述第一齿轮固定连接在所述第一螺杆的后端，所述第一齿轮与所述第一内齿圈啮合；

所述第二螺杆转动支撑在所述框形基座上，所述第二螺母配合连接在所述第二螺杆上；在所述前端板与所述后端板之间固定设置有第二导杆，所述第二螺母与所述第二导杆滑动连接；在所述第二螺母上固定连接一第一压板，所述第一压板与所述第二结构骨的后端固定连接；第二个所述控制转环通过第二传动组件与所述第二螺杆的后端连接，用于将第二个所述控制转环的转动运动传递给所述第二螺杆；所述第二传动组件包括一第二内齿圈、一第二齿轮、一惰轮、一第一套筒和一第一方形轴；所述第二内齿圈固定设置在第二个所述控制转环的内侧；所述第二内齿圈通过所述惰轮与所述第二齿轮传动连接；所述第一套筒与第二齿轮的前侧中心固定连接，所述第一套筒穿过所述后端板且与所述后端板转动连接，所述第一套筒沿周向开设有方形槽，所述第一套筒通过所述方形槽可滑动地连接所述第一方形轴，所述第一方形轴与所述第二螺杆的后端固定连接；

所述第三传动机构包括所述蜗杆、所述蜗轮、一第七连杆、一第二滑块和一第三导杆；所述第三导杆固定连接在所述前端板与所述后端板之间，所述第二滑块可滑动地连接在所述第三导杆上；所述蜗杆转动连接在所述第二螺母上；所述蜗轮转动支撑在所述第二螺母上且与所述蜗杆啮合；在所述蜗轮靠近边缘的轮盘处转动连接所述连杆的一端，所述连杆的另一端与所述第二滑块转动连接；在所述第二滑块上固定连接有一第二压板，所述第二压板与两所述第一结构骨的后端固定连接；第三个所述控制转环通过第三传动组件与所述蜗杆的后端连接，用于将第三个所述控制转环的转动运动传递给所述蜗杆；所述第三传动组件包括一第三内齿圈、一第三齿轮、一第二套筒和一第二方形轴；所述第三内齿圈固定设置在第三个所述控制转环的内侧；所述第三齿轮与所述第三内齿圈啮合；所述第二套筒固定连接在所述第三齿轮的前侧中心，所述第二套筒穿过所述后端板且与所述后端板转动连接；所述第二套筒沿轴向开设有方形槽，所述第二套筒通过方形槽可滑动地连接所述第二方形轴，所述第二方形轴的前端与所述蜗杆的后端固定连接。

6.如权利要求4所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：两所述手术工具的所述柔性连续体机械臂分别依次穿过所述副壳体的所述接口、位于所述副壳体内的所述腔道和位于所述支撑构件两侧的所述开放腔道；所述柔性连续体机械臂包括一第一节连续体和一第二节连续体；所述第一节连续体包括四根等间隔平行设置的第三结构骨、多个等间隔分布的第一间隔盘和一第一固定片；所述第三结构骨后端与所述机械臂驱动装置连接，前端依次穿过各所述第一间隔盘后与所述第一固定片固定连接；所述第二节连续体包括四根等间隔平行设置的第四结构骨、多个等间隔分布的第二间隔盘和一第二固定片；所述第四结构骨后端与所述机械臂驱动装置连接，前端依次穿过各所述第一间隔盘、第一固定片和各第二间隔盘后与所述第二固定片固定连接；

所述机械臂驱动装置包括一壳体和四个位于所述壳体内部的结构骨驱动组件；其中，每一所述结构骨驱动组件与穿过所述壳体前端的两根所述第三结构骨或两根所述第四结构骨连接；每一所述结构骨驱动组件包括一第一基座、一第一联轴器公头、一双节万向联轴器、一第八连杆、两第三压板和两第三滑块；在所述壳体的前端和后端之间设置有四根导轨，在每一所述导轨上同时滑动连接两个属于不同所述结构骨驱动组件的第三滑块；所述第一基座位于两所述导轨之间且与所述壳体的后端固定连接，所述第一联轴器公头位于所述壳体的后端且与一传动轴的一端固定连接，所述传动轴与所述壳体转动连接，所述传动轴的另一端固定连接所述双节万向联轴器的一端，所述双节万向联轴器的另一端通过另一传动轴固定连接在所述第八连杆的中部，所述另一传动轴通过一轴承转动支撑在所述第一基座上；所述第八连杆的两端分别可滑动且可转动地连接一所述第三压板，每一所述第三压板与一所述第三结构骨或一所述第四结构骨的后端固定连接；两所述第三压板分别与一所述第三滑块固定连接；所述第一联轴器公头通过位于所述无菌屏障上的联轴器公母连接件与所述第一电机的输出端连接。

7.如权利要求6所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：在所述柔性连续体机械臂的前端设置一手术钳，在所述壳体内设置一手术钳驱动组件，手术钳控制线的后端依次从中心穿过所述第二固定片、各第二间隔盘、第一固定片、各第一间隔盘后与手术钳驱动组件连接；所述手术钳驱动组件包括一第二基座、一引导套管、一第二联轴器公头、一第三螺杆、一第三螺母、一第四压板和一第四导杆；所述第四导杆固定连接在所述壳体的前端与后端之间且与所述第三螺母滑动连接，所述第二基座与所述壳体的前端固定连接，所述第二联轴器公头位于所述壳体的后端且与所述第三螺杆的一端固定连接，所述第三螺杆的两端均与所述壳体转动连接，所述第三螺杆与所述第四导杆平行，所述第三螺母与所述第三螺杆螺纹配合，所述第三螺母与所述第四压板固定连接，所述第四压板与所述手术钳控制线的后端固定连接；所述引导套管设置在所述壳体的前端与所述第二基座之间，所述手术钳控制线从所述引导套管中穿过；所述第二无菌屏障上的其中一所述联轴器公母连接件的前端与所述第二联轴器公头的后端连接，后端与所述立板上的其中一所述第一电机的输出轴连接。

8.如权利要求6所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：每一所述结构骨驱动组件还包括一微调机构；所述微调机构包括两螺栓、两柱形螺母和两拉簧；其中，每一所述螺栓穿过所述壳体的前端且栓头位于所述壳体的外部；所述螺栓的后端通过螺纹连接一所述柱形螺母的一端，所述柱形螺母的另一端通过一所述拉簧连接所述第八连杆的一端。

9.如权利要求4所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：所述直线运动机构包括一固定连接在所述手术工具安装座上的第八电机，所述第八电机的输出轴固定连接一丝杠的一端，所述丝杠的两端与所述手术工具安装座转动连接，在所述丝杠上套设一矩形螺母，在所述矩形螺母上固定连接一固定块，在所述固定块上固定连接所述立板。

10.如权利要求6所述的一种经尿道的手术机器人及控制系统，其特征在于：在所述柔性连续体机械臂的前端设置一电切刀，在所述控制机柜中设置有一电切发生器，所述电切发生器分别与所述转接板、电切刀的线缆电连接，用于在所述遥控设备的控制下产生电切能量流。