CN107080588A - 一种由线驱动的新型微创手术机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型微创手术机器人控制装置，新型微创手术机器人控制装置包括固定组件(1)、驱动组件(2)、机械臂组件(3)和末端执行器(4)。固定组件包括手环、中环、外环壳体；驱动组件包括手柄、铰链、驱动滑轮、线缆、换向滑轮等；机械臂组件包括框架、工具杆；末端执行器包括十字万向节等。医生通过手握手柄带动驱动滑轮旋转，使缠绕在上面的线缆跟着产生位移变化，进而使末端执行器对医生发出的指令产生相应的响应。本发明能灵巧和直观的实现手臂、腕状控制，能实现人体内任意角度的转动，并且结构简单独特、成本低廉，实用性强，工作效率高，能够满足手术医生对微创手术器械的要求。

Description

一种由线驱动的新型微创手术机器人控制装置

技术领域

本发明属于微创手术辅助设备的技术领域，特别涉及一种新型微创手术机器人控制装置。

背景技术

微创手术是一种主要透过内窥镜、腹腔镜及胸腔镜等现代医疗器械及各种显像技术而使外科医生在无需对患者造成巨大伤口的情况下施行手术。病人无须开刀，只需在身上开1-3个0.5-1厘米个小孔，以后一切操作均通过这些管道进行；再用特制的加长手术器械在图像监视下完成与开放手术同样的步骤。这种手术治疗方式具有出血少、创伤小、并发症少、安全可靠和术后恢复快等优点，极大的降低了传统手术对人体的伤害，减少了疾病给患者给来的不便和痛苦。

由于微创手术是将医疗器械通过小孔进入人体，在人体内部完成手术动作，所以为了病人的安全考虑，整个手术过程所使用的医疗器械就必须要满足非常高的要求。但是，目前的微创手术器械在人体内转动的角度受到很大限制，并且医生很难控制器械末端执行器的动作；而且很多微创手术器械体积较大、操作复杂，而且成本较高。就知名度较高的达芬奇医疗手术机器人系统而言，虽然具有一定的可靠性，但是操作起来十分麻烦，一台手术下来，消耗的时间较长，降低了手术效率，而且整个手术辅助系统价格以百万计，十分昂贵，使得其在医院的普及程度大大降低。其次，价格便宜一些的器械往往操作起来十分的笨拙，大大降低了手术的可靠性，不利于病人的安全。因此，目前的微创医疗手术器械在现有基础上亟待得到“质”的蜕变。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，开发一种低成本的微创外科手术器件，它能灵巧和直观的实现手臂、腕状控制，提供一种结构精巧、操作简单、实用性强、工作效率高、可靠性高的微创手术机器人控制装置。

为达到上述目的，本发明所提供的微创手术机器人控制装置采用下述技术方案：

一种新型微创手术机器人控制装置，包括：

手臂固定组件，用于实现整套装置与手术医生手臂之间的固定连接，其包括手环、中环和外环壳体三个部件。所述手环用于将整个装置和手臂固结在一起，所述中环与所述手环连接在一起，所述外环壳体又与所述中环连接在一起，环环相扣，实现连接功能。

进一步地，还包括驱动组件，其包括手柄、铰链链接、驱动滑轮、换向滑轮、线缆。所述手柄握于医生手中，跟随医生手的动作一起运动，实现医生手动作的模拟，并往装置的下一个构件传递，以此为整个装置提供动力。所述铰链链接用于将手柄和该装置手臂固定组件的外环壳体连接起来。所述驱动滑轮有两个，分别安装在外环壳体的底部和右侧，并与前面所述铰链连接在一起，所述换向滑轮安装在外环壳体上部，所述线缆有四根，它们一端缠绕并固结在驱动滑轮上，沿外环壳体表面绕过换向滑轮，将驱动力往后传。

更进一步的，还包括机械臂组件，其包括框架、工具杆。所述框架与外环壳体连接在一起，中间设有线缆通道，所述工具杆与框架末端连接在一起，且内部中空。

末端执行器，所述末端执行器与所述工具杆末端连接在一起，执行医生发出的手臂指令。

具体的，所述驱动滑轮还包括滑轮底座平台、张紧柱体、固结柱体，特别的，所述四者是一个整体，所述张紧柱体设计在所述滑轮底座平台上，用于滑轮在转动过程中对线缆提供张紧力，所述固结柱体用于固结线缆的首端。

更具体地，所述末端执行器由十字万向节构成。所述十字万向节的最后一节还设有四个用于固结线缆末端的凸起圆柱体。

特别的，所述外环壳体内部设有环形沟槽，可以绕中环360°旋转。

本发明与现有技术相比较，具有以下实质性特点和优点：

(1)本发明所提供的新型微创手术机器人控制装置能灵巧和直观的实现腕状控制，围绕外科医生的手腕创建一种机制，几何地投影出一个由手柄、铰链链接和滑轮传动三者组成的“虚拟旋转中心”，依靠“虚拟中心”的技术，可以将从外科医生的手腕的运动完全机械地传递到末端执行器。

(2)本发明所提供的新型微创手术机器人控制装置能够实现空间6个自由度的运动。其中四个自由度是仪器直接将外科医生前臂的三个平移和旋转动作(手臂旋转角度小于360°)传递到工具轴和末端执行器。特别的，旋转手柄，可以通过外环壳体带动框架、工具杆及末端执行器实现360°旋转，有效的弥补了角度受到限制这个缺点。

除了这四个自由度外，外科医生的手腕左右和上下倾斜的两个自由度由“虚拟中心”系统捕获并且经由铰链链接，滑轮和缆线传输到末端执行器。以上下倾斜为例，手腕上下倾斜，手柄也会同步运动，将通过铰链带动外环壳体右侧的驱动滑轮转动，此时，外环壳体底部的滑轮不转动，以此带动控制末端执行器上下倾斜的两根线缆绕驱动滑轮转动并产生位移变化，最终实现末端执行器上下倾斜。同理，左右倾斜通过底部驱动滑轮带动线缆转动来实现。

(3)本发明所提供的新型微创手术机器人控制装置能够直接固结在手臂上，并且整体的结构功能是通过铰链、滑轮、线缆等简单、纯粹的传统机械传动来实现的，有效的降低了装置的体积尺寸，而且能够将医生手臂的动作直接反映到末端执行器上，说明本发明结构紧凑、操作简单、实用性强。

(4)本发明所提供的新型微创手术机器人控制装置的所有零部件都可以通过3D打印的方法来制造，有效的降低了成本，价格低廉，打破了“高端功能对应高成本，低端功能对应低成本”的传统思维。

(5)本发明所提供的新型微创手术机器人控制装置，可以平稳、快速、准确地将医生手臂动作传递到末端执行器，有效节省了手术所需的时间，提高手术的效率，增加了接受治疗的病人人数。

附图说明

图1为本发明实施例中新型微创手术机器人控制装置的示意图；

图2为本发明实施例中新型微创手术机器人控制装置的固定组件示意图；

图3为本发明实施例中新型微创手术机器人控制装置的驱动组件示意图；

图4为本发明实施例中新型微创手术机器人控制装置的机械臂组件示意图；

图5为本发明实施例中新型微创手术机器人控制装置的末端执行器示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实例提供了一种新型微创手术机器人控制装置，包括固定组件(1)、驱动组件(2)、机械臂组件(3)和末端执行器(4)。

参见图2，提供了本发明实例新型微创手术机器人控制装置的固定组件(1)，包括：手环(5)、中环(6)及外环壳体(7)。所述手环(5)用于将整个装置和手臂固结在一起，所述中环(6)与所述手环(5)连接在一起，所述外环壳体(7)通过环形沟槽(9)又与所述中环(6)连接在一起，并且由于环形沟槽(9)的存在，可以使外环壳体(7)实现绕手环(5)360°旋转。柱状体(8)则是为了将其它零部件与所述固定组件有效的连接在一起。

参见图3，提供了本发明实例新型微创手术机器人控制装置的驱动组件(2)，包括：手柄(10)、铰链(11)、驱动滑轮(12)、圆柱桩(13)、张紧柱(14)、线缆(15)、线缆通道(16)、换向滑轮(17)，所述手柄(10)紧握与医生手中，通过铰链(11)与驱动滑轮(12)连接在一起，所述驱动滑轮(12)又通过柱状体(8)连接在外环壳体(7)上。所述线缆(15)一端固结于圆柱桩(13)上，然后绕过驱动滑轮(12)，通过线缆通道(16)，经换向滑轮(17)进入机械臂组件(3)。

参见图4，提供了本发明实例新型微创手术机器人控制装置的机械臂组件(3)，包括：框架(18)、工具杆(20)。所述框架(18)内设有四个线缆沟槽(19)，并且所述工具杆(20)是中空的，方便线缆从中间穿过。

参见图4，提供了本发明实例新型微创手术机器人控制装置的末端执行件(4)，包括：十字万向节(21)、通孔(22)、柱状栓(23)，所述十字万向节(21)与工具杆末端连接在一起，所述通孔(22)有四个并贯穿十字万向节(21)，以便线缆从中通过并固结在末端柱状栓(23)的上面。

本发明实施例结构简单、体积小，操作灵活，能使手臂的动作直观准确的反映在末端执行器上，有效提高手术的效率和成功率，减轻医护人员的工作强度，减少手术所需的时间，减轻了病人痛楚，增加了接受治疗的病人人数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型微创手术机器人控制装置，其特征在于，包括：手臂固定组件，用于实现整套装置与手术医生手臂之间的固定连接，其包括手环、中环和外环三个部件。所述手环用于将整个装置和手臂固结在一起，所述中环与所述手环连接在一起，所述外环壳体又与所述中环连接在一起，环环相扣，实现连接功能。

2.如权利要求1所述的新型微创手术机器人控制装置，其特征在于：还包括驱动组件，其包括：手柄、铰链链接、驱动滑轮、换向滑轮、线缆。所述手柄握于医生手中，跟随医生手的动作一起运动，实现医生手动作的模拟，并往装置的下一个构件传递，以此为整个装置提供动力。所述铰链链接用于将手柄和该装置手臂固定组件的外环壳体连接起来。所述驱动滑轮有两个，分别安装在外环壳体的底部和右侧，并与前面所述铰链连接在一起，所述换向滑轮安装在外环壳体上部，能实现线缆方向的改变，所述线缆有四根，它们一端缠绕并固结在驱动滑轮上，沿外环壳体表面绕过换向滑轮，将驱动力往后传。

3.如权利要求1所述的新型微创手术机器人控制装置，其特征在于：还包括机械臂组件，其包括架、工具杆。所述框架与外环壳体连接在一起，中间设有四条线缆通道，所述工具杆与框架末端连接在一起，且内部中空，方便线缆穿过。

4.如权利要求1所述的新型微创手术机器人控制装置，其特征在于：还包括末端执行器，所述末端执行器是由十字万向节串接而成，所述十字万向节上设有四个通孔方便线缆通过，且所述十字万向节最后一节还设有四个用于固结线缆末端的凸起圆柱体。

5.如权利要求1所述的新型微创手术机器人控制装置，其特征在于：所述外环壳体内设有环形沟槽，可使外环壳体绕手环实现360°旋转。

6.如权利要求2所述的新型微创手术机器人控制装置，其特征在于：所述驱动滑轮还包括滑轮底座平台、张紧柱体、圆柱桩，特别的，所述四者是一个整体，所述张紧柱体设计在所述滑轮底座平台上，驱动滑轮在转动过程中用于对线缆提供张紧力，所述圆柱桩用于固结线缆的首端。

7.如权利要求2所述的新型微创手术机器人控制装置，其驱动方式是手柄、铰链、驱动滑轮来带动线缆产生位移变化，并将其传递给末端执行器。

8.如权利要求1和2所述的新型微创手术机器人控制装置，其特征在于：所述手臂固定装置和驱动装置会形成一个“虚拟旋转中心”，外科医生的手腕左右和上下倾斜的两个自由度由“虚拟中心”系统捕获并且经由铰链链接，滑轮和缆线传输到末端执行器。