CN106983560B - 软镜手术辅助机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种实用的软镜手术辅助机器人系统，具体包括用于使软镜实现四个自由度运动的机器人；用于将多自由度操作动作转化为控制信号从而精确同步控制执行端的远程操控装置和控制方法；能精确夹持、控制软镜拨盘的拨盘机构；适配不同规格型号的软镜以及能够快速安装、拆卸的软镜夹持部件；能辅助支撑软镜软体部分协同工作的支撑架；本发明能让医生在机器人上快速安装、拆卸手术的软鏡，准确夹持控制软鏡的控制拨盘，利用本发明中的控制端器件精确同步控制机器人手臂四个自由度的运动，从而实现远程精确操控软鏡进行手术，避免医生受到现场X光射线的辐射，同时降低了手术难度，减少了手术失误，也延长了软镜的使用寿命。

Description

软镜手术辅助机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体来说是一种软镜手术辅助机器人系统。

背景技术

专利号为201310342896.7的发明专利公开了一种软镜手术辅助机械手系统及其控制方法，包括用于使软镜五维运动的机械手；用于收集和处理操作杆和触摸屏的控制信号，并通过通讯模块将控制信号传输给执行控制器的中央控制器；用于接收控制信号并驱动相应的电机实现五维运动的执行控制器；用于安装操作杆、触摸显示屏和控制辅助设备的控制操作台；其中，执行控制器通过线缆分别连接机械手和控制操作台，控制操作台安放在手术室外。

但是，上述发明存在下述缺点：

1、软镜拨盘夹持不稳，容易脱落。其软镜拨盘机构采用电机转轴顶端的固定卡直接与软镜拨盘固定连接的方式来构成软镜拨盘机构，此种结构是两个刚性部件构成，容易因为拨盘和固定卡的不同轴运动而使拨盘脱落。

2、软镜夹持器无法适配不同型号的软镜，夹持稳定性不够，而且也无法满足快速便捷地安装和拆卸软镜的要求。

其软镜夹持器依靠第一调整螺钉和夹持移动块来固定软镜，在操作时需要拧紧第一调整螺钉，不仅固定很不方便，而且容易因第一调整螺钉松弛而导致软镜晃动；更为重要的是，其软镜夹持器的本体上设有螺栓孔，直接利用螺栓将本体与机械手固定连接，而无法调整本体相对于机械手的位置和角度，这样在使用不同型号的软镜时，因为不同型号的软镜在结构上具有细微差别，因此该固定方式必然存在软镜固定位置不准确、精度不高的问题。更进一步地说，在手术过程中，夹持器需要多次快速便捷地安装和拆卸软镜，上述软镜夹持器不仅无法适配不同型号的软镜，而且也无法快速便捷地安装和拆卸软镜。

3、控制端的设计难以精确控制执行端，尤其是需要同时操作多个自由度运动时，更难准确操控。其各个操作杆只能向主控制器发出方向信号，主控制器根据收到的方向信号来控制执行端动作，这种操作方式的弊端如下：a、难以保证执行端的控制精度，因为操作杆的动作与执行端的动作之间存在一定的时间延迟，特别是远程控制的时候，当操作人员通过远程的观察或者其它信号得知执行端已经执行到位而停止操作杆的动作时，执行端仍然要继续动作一定时间，从而造成了执行端位置的偏差，这对于医疗等技术领域来说是不可接受的；b、无法从操作杆的位置、状态直接地观察到执行端的位置、状态，也就是说，操作杆只能提供给执行端的运动方向的信号，操作杆自身的位置、状态（例如说旋转或倾斜角度）等与执行端的位置、状态完全无关，操作人员只能通过其他途径来获知执行端的位置、状态，不仅具有延时，而且出错的机会也多。C、当需要同时控制多个执行端的多自由度运动时，由于操作杆发出的是方向信号，因此人手难以同时精确控制多个执行端，使其停止在预定的位置及状态。

4、软镜软体部分没有支撑，容易下垂 、折弯从而导致软镜容易损坏并造成操控精度差。

基于上述问题，本发明的发明人做了针对性的改进，使得本发明的软镜手术辅助机器人系统更具有可靠性和实用性。

发明内容

本发明的目的是提出一种实用的软镜手术辅助机器人系统，以提高辅助机器人系统的控制精度、便利程度和通用性。

本发明的软镜手术辅助机器人系统包括用于使软镜多自由度运动的机器人；将操作动作转化为控制信号的控制端；用于接收控制信号并根据控制信号来直接和/或通过传动机构驱动机器人动作的执行端；用于收集和处理控制端的控制信号，并将控制信号传输给执行端的中央控制器；所述机器人由升降机械臂、水平伸缩机械臂、旋转机械臂、软镜弯曲控制机构、软镜夹持器组成；所述水平伸缩机械臂安装于升降机械臂上，以使水平伸缩机械臂能够随升降机械臂升降；所述升降机械臂由丝杆转动模组与升降伺服电机组成，水平伸缩机械臂由丝杆转动模组与水平伺服电机组成；所述旋转机械臂为通过连接轴与水平伸缩机械臂前端相连接的“U”型机械臂，且连接轴与安装于水平伸缩机械臂上的旋转伺服电机连接，以使旋转机械臂在旋转伺服电机的带动下转动；所述软镜弯曲控制机构、软镜夹持器均安装在旋转机械臂的前端。

上述机器人具有升降、前后伸缩以及转动的自由度控制，可以控制软镜升降、前后伸缩以及转动，并通过软镜弯曲控制机构来控制软镜前端的弯曲，从而满足相关手术的需要。

进一步地，所述控制端设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，所述执行端设有驱动电机及用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，所述控制编码器、执行编码器、驱动电机分别与中央控制器通讯连接，中央控制器根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比；所述驱动电机包括所述升降伺服电机、水平伺服电机及旋转伺服电机，所述执行编码器为上述伺服电机自身所设有的编码器。

现有技术中的控制端只能提供前进或旋转等的方向性动作控制信号，并不能提供关于控制端位置、形态的状态控制信号，因此其执行端的动作只能按照动作控制信号持续进行相应的动作，造成了控制的延迟和不精准。而在本发明中，控制端提供的不再是前进或旋转等自由度的方向性动作控制信号，而是关于控制端转动角度的状态控制信号（即控制端目前所处角度的角度值信号），中央控制器接收到状态控制信号后，通过执行编码器来检测驱动电机所处角度与控制端所处角度之间的差异，并根据该差异来控制执行端的驱动电机，使得驱动电机向减少该角度差异的方向转动，直到驱动电机的电机轴的转动角度与旋钮的转动角度相对应（即执行端驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比，比如根据预设定的控制端和执行端的行程比例为1:1或5:1等），这样，操作人员只要将控制端的角度转动至预定角度，即可控制执行端的驱动电机的电机轴角度也转动至相应的预定角度，保证了执行端角度控制的精确度，并避免了控制延迟而可能造成的执行端转动过度的问题。上述控制方式可以应用于控制软镜升降、前后伸缩、弯曲以及转动。

上述控制编码器可采用绝对值型编码器，所述控制编码器传输的控制信号为反映旋钮当前角度信息的信号，所述执行编码器的反馈信号为反映执行端当前角度信息的信号。上述绝对值型编码器就是对应每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量，从而正确检测旋钮及执行端的当前所处的角度。

进一步地，所述控制端包括第一旋钮、第二旋钮、第三旋钮和触摸屏；所述第一旋钮与第一控制编码器固定连接，所述第二旋钮与第二控制编码器固定连接，所述第三旋钮与第三控制编码器固定连接；所述第一旋钮内部中空而形成空腔，空腔的侧壁设有镂空部，所述第二旋钮及第二控制编码器均安装于空腔内，第二旋钮的部分通过镂空部露出于第一旋钮外；所述第一旋钮还设有供第二控制编码器的导线引出的引线通道。操作人员可以在用手掌控第一旋钮转动的同时，利用单个手指来同时控制第二旋钮的转动，提高了操作的方便性。可以根据需要来分配第一旋钮、第二旋钮、第三旋钮所控制的部件，同时可以增加第四旋钮。上述触摸屏也可以用来控制相应的部件，例如说升降机械臂的动作。

进一步地，所述控制端包括第一安装板和第二安装板，所述第一旋钮与第一控制编码器分别位于第一安装板的两侧，第一旋钮的转轴穿过第一安装板，并通过联轴器与第一控制编码器的转轴固定连接；第一安装板在位于第一控制编码器的一侧固定设有第一控制编码器支架，所述第一控制编码器固定于第一控制编码器支架上；所述第二旋钮与第二控制编码器分别位于第二安装板的两侧，第二旋钮的转轴穿过第二安装板，并通过联轴器与第二控制编码器的转轴固定连接；第二安装板在位于第二控制编码器的一侧固定设有第二控制编码器支架，所述第二控制编码器固定于第二控制编码器支架上；第二安装板或第二控制编码器支架与第一旋钮的空腔的侧壁固定连接。上述第一安装板、第二安装板提供了相应旋钮及控制编码器的安装基础，使得第一旋钮、第二旋钮及对应的控制编码器各自形成独立、稳定的结构模块，非常便于装配。

进一步地，所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一调阻尼板，所述第一旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第一调阻尼板与第一旋钮的环形板之间，以及第一旋钮的环形板与第一安装板之间均夹设有弹性阻尼材料；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二调阻尼板，所述第二旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第二调阻尼板与第二旋钮的环形板之间，以及第二旋钮的环形板与第二安装板之间均夹设有弹性阻尼材料。上述旋钮调节其转动阻尼的原理如下：调阻尼板、弹性阻尼材料、旋钮的环形板、弹性阻尼材料、安装板依次叠放，使得旋钮的环形板上下两侧均与弹性阻尼材料接触，当调阻尼板在螺栓的作用下朝向安装板移动时，就会增加环形板与弹性阻尼材料之间的压力，从而增加环形板与弹性阻尼材料之间的摩擦力，提高旋钮的转动阻尼。相应地，需要减少旋钮转动阻尼时，只需要增加调阻尼板与安装板之间的间距即可，此处不再赘述。

进一步地，所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一稳定盘，所述第一稳定盘设有供第一旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第一旋钮的转轴的稳定性，所述第一控制编码器支架固定于第一稳定盘上；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二稳定盘，所述第二稳定盘设有供第二旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第二旋钮的转轴的稳定性，所述第二控制编码器支架固定于第二稳定盘上。上述稳定盘的厚度较厚，可以增加与旋钮转轴的接触长度，从而稳定旋钮的转轴，防止旋钮的转轴发生倾斜。

进一步地，所述第一旋钮的转轴中空并与所述空腔连通，所述引线通道位于第一旋钮的转轴侧壁上，并位于第一安装板的朝向第一控制编码器的一侧。将第二控制编码器的导线从第一旋钮的转轴侧壁处引出，其引出方向基本与第一控制编码器的导线方向相同，不仅可以提高接线的方便性，避免导线露出于第一安装板朝向第一旋钮的一侧而影响外观，而且该导线不会阻碍第一旋钮的转动。

进一步地，所述软镜夹持器包括本体和与本体配合连接的夹持盖，以用于将软镜夹持于夹持盖与本体之间；所述本体设有贯通的螺孔，所述螺孔内安装有中空螺栓；所述中空螺栓沿其轴向贯通设有条形孔，所述条形孔内安装有调整螺栓，调整螺栓的螺帽的直径大于条形孔的宽度；所述旋转机械臂的端部设有安装螺孔，所述软镜夹持器的调整螺栓穿过所述中空螺栓并旋入安装螺孔内，从而将本体固定于旋转机械臂的端部。上述软镜夹持固定及调整原理如下：首先翻开夹持盖，将软镜放置于夹持盖与本体之间，然后扣合夹持盖，将夹持盖与本体固定，从而将软镜固定于夹持盖与本体之间。将软镜夹持器安装到软镜手术辅助机器人上的步骤如下：首先根据所选用的软镜及实际的需要来调整中空螺栓相对于本体的角度，使得中空螺栓的条形孔的方向朝向于预定的方向；然后再将调整螺栓穿过本体（即中空螺栓的条形孔），用手握住本体，来微调本体相对于旋转机械臂的位置，待本体的位置调整完毕后，将调整螺栓旋入旋转机械臂的安装螺孔内，从而将软镜夹持器与旋转机械臂固定连接。

由于中空螺栓的角度可调以及调整螺栓相对于中空螺栓的位置可调，因此可以相对于旋转机械臂来从多个角度调整软镜夹持器本体的位置，在不更换软镜夹持器的前提下，满足多种软镜的调整需要，保证软镜的安装位置和角度符合预期，提高了软镜夹持器的通用性。

进一步地，所述贯通的螺孔至少有三个，所述贯通的螺孔在本体上呈多边形分布；所述夹持盖的一侧与本体铰接，另一侧设有用于与本体扣合的卡扣。通过多个平行的中空螺栓可以提高对本体的支撑力，增强本体相对于机器人的稳定性，使得本体能够稳定于设定的角度。打开卡扣即可将夹持盖翻开，而锁上卡扣即可将夹持盖与本体固定，上述过程省却了原来的拧螺钉的步骤，实现快速安装、快速拆卸功能，操作更加方便。

为避免软镜在夹持盖与本体之间晃动，所述夹持盖的底面与本体的顶面设有用于限位软镜的凹部，通过该凹部可以对软镜进行限位，提高软镜的稳定度。

进一步地，所述机器人设有活动支撑架，所述活动支撑架包括导向管及一端伸入至导向管内的杆体，所述杆体能够相对导向管移动；所述杆体上设有用于支撑软镜前端软体部分的支撑部件；所述导向管与前后伸缩机械臂固定连接，且导向管位于旋转机械臂的下方。在手术状态时，杆体伸出，并将软镜前端软体部分架在活动支撑架前端的支撑部件上，这样就可以防止软镜在其自身重力作用下下垂及晃动，保障软镜前端软体部分能够在一个水平面上做前后的直线运动和在同一个轴心上做旋转运动，提高了手术操作的准确率和可靠性，同时减少软镜损坏的几率。在非手术状态的时候，杆体缩回，以便于机器人的存放，并避免杆体对软镜造成干涉，影响移动等。上述导向管可以严格控制杆体的伸缩行进路径，并对杆体形成稳定的支撑，从而保证杆体的状态稳定可控。

进一步地，所述支撑部件有一个或多个，支撑部件设有供杆体穿过的通孔，以使支撑部件能够沿杆体滑动；所述支撑部件的顶端设有与软镜前端软体部分适配的凹槽。支撑部件可以沿杆体滑动，这样就可以根据实际需要来调整支撑部件的位置以及相邻支撑部件的距离，从而保证对软镜前端软体部分的支撑有效。支撑部顶端的凹槽可以防止软镜前端软体部分在手术时从支撑部件上掉落。优选地，所述支撑部件在凹槽的旁侧设有用于防止软镜前端软体部分自凹槽处脱离的卡扣。

进一步地，所述软镜弯曲控制机构包括固定于旋转机械臂上的拨盘伺服电机，所述拨盘伺服电机的电机轴固定连接有一连接板，所述连接板在偏离于拨盘伺服电机的电机轴的位置设有用于夹持软镜拨盘的夹持部；所述连接板垂直于拨盘伺服电机的电机轴，所述夹持部由立柱及设于立柱顶端的适配连接件构成，所述连接板设有安装孔，所述立柱穿过安装孔，且立柱的底端设有截面大于安装孔截面的防脱部；所述立柱在连接板的上方处套有弹簧，弹簧的底端与连接板相抵，弹簧的顶端与适配连接件相抵；所述执行端中的驱动电机还包括拨盘伺服电机。使用时，只要将软镜拨盘与适配连接件连接即可实现由拨盘伺服电机带动软镜拨盘转动的目的。由于在连接板与适配连接件之间设置了弹簧，该弹簧的弹力可以向上顶托适配连接件，保证适配连接件部分始终与软镜拨盘相抵，进而保证适配连接件能够始终驱动软镜拨盘同步转动。软镜弯曲控制同样采用控制端发出的状态信号来控制，可以精确控制软镜的弯曲动作。

进一步地，所述适配连接件通过螺钉安装于立柱上。在软镜更换为其他规格的软镜时，可以针对所更换的软镜来更换对应的适配连接件，从而保证了软镜拨盘控制的精确性。

进一步地，所述适配连接件为夹槽，采用夹槽的方式来固定软镜拨盘，安装更加方便。

相比于现有技术，本发明做出了下述改进，并取得了良好的技术效果，解决了所述的现有公开技术存在的缺点，满足了软镜手术辅助机器人系统的应用需求。

1、本发明改变了传统控制系统中的信号类型和控制原理，同时优化了具体的结构，使得远程控制的精度大大提高，使其不会因为控制延迟而造成执行端动作过度，使得多自由度同时协同控制时各自由度得到精确控制，同时还提高了控制的精确性和便利性。

2、本发明针对软镜拨盘机构做了新设计，能够保证对软镜拨盘控制的可靠性，控制更加方便，通用性更好。

3、本发明在软镜手术辅助机器人上增设了活动支撑架，可以在手术状态时为软镜提供可靠的支撑，且在非手术状态时缩回以避免影响移动等，是现有软镜手术辅助机器人的良好补充。

4、本发明的软镜夹持器通过设置中空螺栓和调整螺栓，可以调节软镜位置及角度，从而适用于不同型号的软镜，提高了通用性；同时还通过铰接式的夹持盖及卡扣，提高了操作的便利性。

5、本发明通过软镜夹持器的位置调整，可以保证软镜拨盘中心与拨盘伺服电机的电机轴同轴，从而保证拨盘动作准确。

附图说明

图1是软镜手术辅助机器人系统的整体示意图。

图2是软镜手术辅助机器人系统中的机器人的结构示意图。

图3是软镜手术辅助机器人系统中控制端、执行端及中央控制器的连接原理图。

图4是软镜手术辅助机器人系统中控制端的立体结构示意图（未包括第三旋钮及触摸屏）。

图5是软镜手术辅助机器人系统中控制端的剖视图（未包括第三旋钮及触摸屏）。

图6是软镜手术辅助机器人系统中的控制端的布置图。

图7是软镜手术辅助机器人系统中软镜夹持器的正视图。

图8是软镜手术辅助机器人系统中软镜夹持器的立体视图。

图9是软镜手术辅助机器人系统中软镜夹持器的安装结构的剖视图（未画出调整螺栓）。

图10是软镜手术辅助机器人系统中软镜拨盘机构的结构示意图。

图11是软镜手术辅助机器人系统中软镜拨盘机构的使用状态图。

图12是活动支撑架部分的结构示意图。

附图标示：1、机器人；2、升降机械臂；3、水平伸缩机械臂；4、旋转机械臂；5、软镜弯曲控制机构；6、软镜夹持器；7、活动支撑架；8、升降伺服电机；9、水平伺服电机；10、旋转伺服电机；11、软镜；12、软镜的拨盘；13、软镜的前端软体部分；14、控制端；15、执行端；16、中央控制器；17、第一旋钮；18、第二旋钮；19、第一控制编码器；20、第二控制编码器；21、第三旋钮；22、第三控制编码器；23、第一安装板；24、第二安装板；25、第一稳定盘；26、第一控制编码器支架；27、第一调阻尼板；28、第二稳定盘；29、第二控制编码器支架；30、第二调阻尼板；31、引线通道；32、弹性阻尼材料；33、联轴器；34、导线；35、操控台；36、显示屏；37、第一旋钮的环形板；38、第二旋钮的环形板；39、触摸屏；

501、拨盘伺服电机；502、电机轴；503、连接板；504、立柱；505、适配连接件；506、弹簧；

601、本体；602、夹持盖；603、卡扣；604、贯通的螺孔；605、中空螺栓；606、条形孔；607、调整螺栓；608、合页；609、安装螺孔；

701、导向管；702、杆体；703、支撑部件；704、凹槽。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。

实施例1：

如图所示，本实施例的软镜手术辅助机器人系统包括用于使软镜多自由度运动的机器人1；将操作动作转化为控制信号的控制端14；用于接收控制信号并根据控制信号来直接和/或通过传动机构驱动机器人1动作的执行端15；用于收集和处理控制端14的控制信号，并将控制信号传输给执行端15的中央控制器16。

机器人1由升降机械臂2、水平伸缩机械臂3、旋转机械臂4、软镜弯曲控制机构5、软镜夹持器6以及活动支撑架7组成；其中水平伸缩机械臂3安装于升降机械臂2上，以使水平伸缩机械臂3能够随升降机械臂2升降；所述升降机械臂2由丝杆转动模组与升降伺服组合而实现升降或水平伸缩的动作，早已是现有技术，此处不再赘述。

旋转机械臂4为通过连接轴与水平伸缩机械臂3前端相连接的“U”型机械臂，且连接轴与安装于水平伸缩机械臂3上的旋转伺服电机10连接，以使旋转机械臂4在旋转伺服电机10的带动下转动；所述软镜弯曲控制机构5、软镜夹持器6均安装在旋转机械臂4的前端。

上述机器人1具有升降、前后伸缩以及转动的自由度控制，可以控制软镜11升降、前后伸缩以及转动，并可以通过软镜弯曲控制机构5来控制软镜11前端软体部分的弯曲，从而满足相关手术的需要。

在本实施例中，软镜弯曲控制机构5包括固定于旋转机械臂4上的拨盘伺服电机501，所述拨盘伺服电机501的电机轴502固定连接有一连接板503，所述连接板503在偏离于拨盘伺服电机501的电机轴502的位置设有用于夹持软镜11的拨盘12的夹持部；所述连接板503垂直于拨盘伺服电机501的电机轴502，所述夹持部由立柱504及设于立柱504顶端的适配连接件505构成，所述连接板503设有安装孔，所述立柱504穿过安装孔，且立柱504的底端设有截面大于安装孔截面的防脱部；所述立柱504在连接板503的上方处套有弹簧506，弹簧506的底端与连接板503相抵，弹簧506的顶端与适配连接件505相抵；所述执行端中的驱动电机还包括拨盘伺服电机501。使用时，只要将软镜11的拨盘12与适配连接件505连接即可实现由拨盘伺服电机501带动软镜11的拨盘12转动的目的。由于在连接板503与适配连接件505之间设置了弹簧506，该弹簧506的弹力可以向上顶托适配连接件505，保证适配连接件505部分始终与软镜11的拨盘12相抵，进而保证适配连接件505能够始终驱动软镜11的拨盘12同步转动。软镜11弯曲控制同样采用控制端发出的状态信号来控制，可以精确控制软镜11的弯曲动作。

适配连接件505通过螺钉安装于立柱504上。在软镜11更换为其他规格的软镜11时，可以针对所更换的软镜11来更换对应的适配连接件505，从而保证了软镜11的拨盘12控制的精确性。适配连接件505为单端封闭的槽体，所述槽体的轮廓与待固定软镜11的拨盘12轮廓相符，采用上述槽体来固定软镜11的拨盘12，安装时只需要将软镜11的拨盘12对准槽体并向下压入槽体即可，更加方便，更为重要的是，槽体的封闭端可以与软镜11的拨盘12的端部相抵，对软镜11的拨盘12形成轴向方向的限位，使得软镜11的拨盘12的位置可控，从而保证软镜11的拨盘12的转动轴心与拨盘电机的轴心在同一条直线上。

在本实施例中，软镜夹持器6包括本体601、利用合页608与本体601铰接的夹持盖602，以用于将软镜11夹持于夹持盖602与本体601之间，夹持盖602的一侧设有用于与本体601扣合的卡扣603；所述本体601设有三个贯通的螺孔604，螺孔604之间互相平行，贯通的螺孔604在本体601上呈三角形分布；螺孔604内安装有中空螺栓605；所述中空螺栓605沿其轴向贯通设有条形孔606，所述条形孔606内安装有调整螺栓607，调整螺栓607的螺帽的直径大于条形孔606的宽度；所述旋转机械臂4的端部设有安装螺孔609，所述软镜夹持器6的调整螺栓607穿过所述中空螺栓605并旋入安装螺孔609内，从而将本体601固定于旋转机械臂4的端部。

上述软镜夹持固定及调整原理如下：首先翻开夹持盖602，将软镜11放置于夹持盖602与本体601之间，然后扣合夹持盖602，将夹持盖602与本体601固定，从而将软镜11固定于夹持盖602与本体601之间。将软镜夹持器6安装到软镜手术辅助机器人1上的步骤如下：首先根据所选用的软镜11及实际的需要来调整中空螺栓605相对于本体601的角度，使得中空螺栓605的条形孔606的方向朝向于预定的方向；然后再将调整螺栓607穿过本体601（即中空螺栓605的条形孔606），用手握住本体601，来微调本体601相对于旋转机械臂4的位置，待本体601的位置调整完毕后，将调整螺栓607旋入旋转机械臂4的安装螺孔609内，从而将软镜夹持器6与旋转机械臂4固定连接。

通过多个平行的中空螺栓605可以提高对本体601的支撑力，增强本体601相对于机器人1的稳定性，使得本体601能够稳定于设定的角度。打开卡扣603即可将夹持盖602翻开，而锁上卡扣603即可将夹持盖602与本体601固定，上述过程省却了现有技术的拧螺钉的步骤，实现快速安装、快速拆卸功能，操作更加方便。

由于中空螺栓605的角度可调以及调整螺栓607相对于中空螺栓605的位置可调，因此可以相对于旋转机械臂4来从多个角度调整软镜夹持器6本体601的位置，在不更换软镜夹持器6的前提下，满足多种软镜11的调整需要，保证软镜11的安装位置和角度符合预期，提高了软镜夹持器6的通用性，特别是与软镜弯曲控制机构5配合，可以保证拨盘动作的准确性。

为避免软镜11在夹持盖602与本体601之间晃动，所述夹持盖602的底面与本体601的顶面设有用于限位软镜11的凹部，通过该凹部可以对软镜11进行限位，提高软镜11的稳定度。

在本实施例中，活动支撑架7包括导向管701及一端伸入至导向管701内的杆体702，所述杆体702能够相对导向管701移动；所述杆体702上设有两个用于支撑软镜11前端软体部分的支撑部件703，支撑部件703设有供杆体702穿过的通孔，以使支撑部件703能够沿杆体702滑动，支撑部件703的顶端设有与软镜11前端软体部分13适配的凹槽704；导向管701与前后伸缩机械臂固定连接，且导向管701位于旋转机械臂4的下方。

支撑部件703可以沿杆体702滑动，这样就可以根据实际需要来调整支撑部件703的位置以及相邻支撑部件703的距离，从而保证对软镜11前端软体部分13的支撑有效。支撑部顶端的凹槽704可以防止软镜11前端软体部分13在手术时从支撑部件703上掉落。优选地，所述支撑部件703在凹槽704的旁侧设有用于防止软镜11前端软体部分13自凹槽704处脱离的卡扣。

在手术状态时，杆体702伸出，并将软镜11前端软体部分13架在活动支撑架7前端的支撑部件703上，这样就可以防止软镜11在其自身重力作用下下垂及晃动，保障软镜11前端软体部分13能够在一个水平面上做前后的直线运动和在同一个轴心上做旋转运动，提高了手术操作的准确率和可靠性，同时减少软镜11损坏的几率。在非手术状态的时候，杆体702缩回，以便于机器人1的存放，并避免杆体702对软镜11造成干涉，影响移动等。上述导向管701可以严格控制杆体702的伸缩行进路径，并对杆体702形成稳定的支撑，从而保证杆体702的状态稳定可控。

在本实施例中，控制端14设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，执行端15设有驱动电机及用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，控制端、执行端分别与中央控制器16通讯连接，中央控制器16根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比；所述驱动电机包括所述升降伺服电机8、水平伺服电机9、旋转伺服电机10及拨盘伺服电机501，所述执行编码器为上述各伺服电机自身所设有的编码器。

控制端14提供关于控制端14转动角度的状态控制信号（即控制端14旋钮目前所处角度的角度值信号），中央控制器16接收到状态控制信号后，通过执行编码器来检测驱动电机所处角度与控制端14所处角度之间的差异，并根据该差异来控制执行端15的驱动电机，使得驱动电机向减少该角度差异的方向转动，直到驱动电机的电机轴的转动角度与旋钮的转动角度相对应（即执行端15驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比，比如根据预设定的控制端14和执行端15的行程比例为1:1或5:1等），这样，操作人员只要将控制端14的角度转动至预定角度，即可控制执行端15的驱动电机的电机轴角度也转动至相应的预定角度，保证了执行端15角度控制的精确度，并避免了控制延迟而可能造成的执行端15转动过度的问题。上述控制方式可以应用于控制软镜11的升降、前后伸缩、弯曲以及转动。

上述控制编码器采用绝对值型编码器，所述控制编码器传输的控制信号为反映旋钮当前角度信息的信号，所述执行编码器的反馈信号为反映执行端15当前角度信息的信号。上述绝对值型编码器就是对应每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量，从而正确检测旋钮及对应执行端15的当前所处的角度。

在本实施例中，控制端14包括第一旋钮17、第二旋钮18、第三旋钮19和触摸屏39；第一旋钮17、第二旋钮18、第三旋钮19输出关于自身转动角度的状态控制信号，其中第一旋钮17用于控制旋转机械臂4的转动，即其对应的执行端为旋转伺服电机10；第二旋钮18用于控制软镜弯曲控制机构5，即控制软镜11前端软体部分13的弯曲动作，对应的执行端为拨盘伺服电机501；第三旋钮19用于控制水平伸缩机械臂3，即其对应的执行端为水平伺服电机9；

同样地，可增加第四旋钮（和第三旋钮一样的旋钮）用于控制升降机械臂2，对应的执行端为升降伺服电机8。

实际应用中，升降机械臂2用于手术前调整好水平伸缩机械臂3的高度，机械人1的左右位置由机械人1的脚轮调整。手术过程中，机器人1的高度和左右位置很少需要调整。在本实施例中，升降机械臂2用触摸屏39控制，触摸屏39位于操控台35上，触摸屏39通讯口通过信号线与中央控制器16连接，对应的执行端为升降伺服电机8。通过编程，触摸屏39设有升降触摸按钮，每一次的触摸信号传到中央控制器16后被转化为预设定的执行端的角度值，从而控制升降机械臂2的高低。

控制端14还包括第一安装板23和第二安装板24，所述第一旋钮17与第一控制编码器19分别位于第一安装板23的两侧，第一旋钮17的转轴穿过第一安装板23所设的通孔，并通过联轴器33与第一控制编码器19的转轴固定连接；第一安装板23上还通过螺栓安装有第一稳定盘25，所述第一稳定盘25设有供第一旋钮17的转轴穿过的通孔，该通孔与第一旋钮17的转轴之间为间隙配合，以提高第一旋钮17的转轴的稳定性；第一稳定盘25在位于第一控制编码器19的一侧通过螺丝固定有U形的第一控制编码器支架26，所述第一控制编码器19固定于第一控制编码器支架26上。为方便操作，第一旋钮17的转轴偏心于第一旋钮17的中心。

所述第一安装板23上还通过螺栓安装有第一调阻尼板27，所述第一旋钮17的转轴设有突出的环形板37，所述第一调阻尼板27与第一旋钮的环形板37之间，以及第一旋钮的环形板37与第一安装板23之间均夹设有弹性阻尼材料32；所述第二安装板24上还通过螺栓安装有第二调阻尼板30，所述第二旋钮的转轴设有突出的环形板38，所述第二调阻尼板30与第二旋钮的环形板38之间，以及第二旋钮的环形板38与第二安装板24之间均夹设有弹性阻尼材料32。在本实施例中，第一调阻尼板27、第二调阻尼板30的截面均设有弯折部，以限位对应的弹性阻尼材料和环形板。

所述第二旋钮18与第二控制编码器7分别位于第二安装板24的两侧，第二旋钮18的转轴穿过第二安装板24，并通过联轴器33与第二控制编码器7的转轴固定连接；第二安装板24上还通过螺栓安装有第二稳定盘28，所述第二稳定盘28设有供第二旋钮18的转轴穿过的通孔，该通孔与第二旋钮18的转轴之间为间隙配合，以提高第二旋钮18的转轴的稳定性，第二稳定盘28在位于第二控制编码器7的一侧固定设有第二控制编码器支架29，所述第二控制编码器7固定于第二控制编码器支架29上；第二安装板24与第一旋钮17的空腔的侧壁固定连接。

上述第一安装板23、第二安装板24提供了相应旋钮及控制编码器的安装基础，使得第一旋钮17、第二旋钮18及对应的控制编码器各自形成独立、稳定的结构模块，非常便于装配。

上述旋钮调节其转动阻尼的原理如下：调阻尼板、弹性阻尼材料、旋钮的环形板、弹性阻尼材料、安装板依次叠放，使得旋钮的环形板上下两侧均与弹性阻尼材料接触，当调阻尼板在螺栓的作用下朝向安装板移动时，就会增加环形板与弹性阻尼材料之间的压力，从而增加环形板与弹性阻尼材料之间的摩擦力，提高旋钮的转动阻尼。相应地，需要减少旋钮转动阻尼时，只需要增加调阻尼板与安装板之间的间距即可，此处不再赘述。

上述稳定盘的厚度较厚，可以增加与旋钮转轴的接触长度，从而稳定旋钮的转轴，防止旋钮的转轴发生倾斜。

第一旋钮17的转轴中空并与所述空腔连通，所述引线通道31位于第一旋钮17的转轴侧壁上，并位于第一安装板23的朝向第一控制编码器19的一侧。将第二控制编码器7的导线34从第一旋钮17的转轴侧壁处引出，其引出方向基本与第一控制编码器19的导线34方向相同，不仅可以提高接线的方便性，避免导线34露出于第一安装板23朝向第一旋钮17的一侧而影响外观，而且该导线34不会阻碍第一旋钮17的转动。

本实施例中的第三旋钮21的结构与第二旋钮18的结构类似，此处不再赘述。上述第一旋钮17、第二旋钮18、第三旋钮21及中央控制器均安装于操控台35上。

在本实施例中，显示屏36位于操控台35上方，用于接收软镜手术的实时信号；触摸屏39与中央控制器16通讯连接，中央控制器16读取控制执行编码器的数据显示在触摸屏39上，这样操作人员可以直观地看到每个操作旋钮对应的机器人的自由度的动态状态图，提高了操作的可靠性，减少了出错的可能性。

本实施例中，控制台35通过通讯电缆与机器人1连接，控制台35置于手术室外，医生通过实时的手术视频图像，利用所述的控制旋钮实现远程精确控制四自由度机器人1，关键的是：a、可快速夹持、拆卸软镜、准确夹持控制软镜拨盘；b、双手能同时精确控制机器人水平伸缩机械臂3、旋转机械臂4、软镜弯曲控制机构5三个自由度的运动，解决了所述的现有公开技术存在的缺点，满足了软镜手术辅助机器人系统的应用需求。

Claims (9)

1. 一种软镜手术辅助机器人系统，包括用于使软镜多自由度运动的机器人；将操作动作转化为控制信号的控制端；用于接收控制信号并根据控制信号来直接和/或通过传动机构驱动机器人动作的执行端；用于收集和处理控制端的控制信号，并将控制信号传输给执行端的中央控制器；其特征在于所述机器人由升降机械臂、水平伸缩机械臂、旋转机械臂、软镜弯曲控制机构、软镜夹持器组成；所述水平伸缩机械臂安装于升降机械臂上，以使水平伸缩机械臂能够随升降机械臂升降；所述升降机械臂由丝杆转动模组与升降伺服电机组成，水平伸缩机械臂由丝杆转动模组与水平伺服电机组成；所述旋转机械臂为通过连接轴与水平伸缩机械臂前端相连接的“U”型机械臂，且连接轴与安装于水平伸缩机械臂上的旋转伺服电机连

接，以使旋转机械臂在旋转伺服电机的带动下转动；所述软镜弯曲控制机构、软镜夹持器均

安装在旋转机械臂的前端；

所述软镜夹持器包括本体和与本体配合连接的夹持盖，以用于将软镜夹持于夹持盖与本体之间；所述本体设有贯通的螺孔，所述螺孔内安装有中空螺栓；所述中空螺栓沿其轴向贯通设有条形孔，所述条形孔内安装有调整螺栓，调整螺栓的螺帽的直径大于条形孔的宽度；所述旋转机械臂的端部设有安装螺孔，所述软镜夹持器的调整螺栓穿过所述中空螺栓并旋入安装螺孔内，从而将本体固定于旋转机械臂的端部。

2. 根据权利要求 1 所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述控制端设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，所述执行端设有驱动电机及用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，所述控制编码器、执行编码器、驱动电机分别与中央控制器通讯连接，中央控制器根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比；所述驱动电机包括所述升降伺服电机、水平伺服电机及旋转伺服电机，所述执行编码器为上述伺服电机自身所设有的编码器。

3. 根据权利要求 2 所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述控制端包括第一旋钮、第二旋钮、第三旋钮和触摸屏；所述第一旋钮与第一控制编码器固定连接，所述第二旋钮与第二控制编码器固定连接，所述第三旋钮与第三控制编码器固定连接；所述第一旋钮内部中空而形成空腔，空腔的侧壁设有镂空部，所述第二旋钮及第二控制编码器均安装于空腔内，第二旋钮的部分通过镂空部露出于第一旋钮外；所述第一旋钮还设有供第二控制编码器的导线引出的引线通道。

4. 根据权利要求 3 所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述控制端包括第一安装板和第二安装板，所述第一旋钮与第一控制编码器分别位于第一安装板的两侧，第一旋钮的转轴穿过第一安装板，并通过联轴器与第一控制编码器的转轴固定连接；第一安装板在位于第一控制编码器的一侧固定设有第一控制编码器支架，所述第一控制编码器固定于第一控制编码器支架上；所述第二旋钮与第二控制编码器分别位于第二安装板的两侧，第二旋钮的转轴穿过第二安装板，并通过联轴器与第二控制编码器的转轴固定连接；第二安装板在位于第二控制编码器的一侧固定设有第二控制编码器支架，所述第二控制编码器固定于第二控制编码器支架上；第二安装板或第二控制编码器支架与第一旋钮的空腔的侧壁固定连接。

5. 根据权利要求 4 所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一调阻尼板，所述第一旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第一调阻尼板与第一旋钮的环形板之间，以及第一旋钮的环形板与第一安装板之间均夹设有弹性阻尼材料；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二调阻尼板，所述第二旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第二调阻尼板与第二旋钮的环形板之间，以及第二旋钮的环形板与第二安装板之间均夹设有弹性阻尼材料；所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一稳定盘，所述第一稳定盘设有供第一旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第一旋钮的转轴的稳定性，所述第一控制编码器支架固定于第一稳定盘上；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二稳定盘，所述第二稳定盘设有供第二旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第二旋钮的转轴的稳定性，所述第二控制编码器支架固定于第二稳定盘上。

6. 根据权利要求 1所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述贯通的螺孔至少有三个，所述贯通的螺孔在本体上呈多边形分布；所述夹持盖的一侧与本体铰接，另一侧设有用于与本体扣合的卡扣。

7. 根据权利要求 1 所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述机器人设有活动支撑架，所述活动支撑架包括导向管及一端伸入至导向管内的杆体，所述杆体能够相对导向管移动；所述杆体上设有用于支撑软镜前端软体部分的支撑部件；所述导向管与前后伸缩机械臂固定连接，且导向管位于旋转机械臂的下方。

8. 根据权利要求 7所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述支撑部件有一个或多个，支撑部件设有供杆体穿过的通孔，以使支撑部件能够沿杆体滑动；所述支撑部件的顶端设有与软镜前端软体部分适配的凹槽。

9. 根据权利要求 1 所述的软镜手术辅助机器人系统，其特征在于所述软镜弯曲控制机构包括固定于旋转机械臂上的拨盘伺服电机，所述拨盘伺服电机的电机轴固定连接有一连接板，所述连接板在偏离于拨盘伺服电机的电机轴的位置设有用于夹持软镜拨盘的夹持部；所述连接板垂直于拨盘伺服电机的电机轴，所述夹持部由立柱及设于立柱顶端的适配连接件构成，所述连接板设有安装孔，所述立柱穿过安装孔，且立柱的底端设有截面大于安装孔截面的防脱部；所述立柱在连接板的上方处套有弹簧，弹簧的底端与连接板相抵，弹簧的顶端与适配连接件相抵；所述执行端中的驱动电机还包括拨盘伺服电机。