CN107468293A - 微创手术机器人及应用其的外科手术设备 - Google Patents

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赵保亮
胡颖
王丽
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Abstract

本发明公开了一种微创手术机器人及应用其的外科手术设备，涉及医疗器械技术领域，以解决现有的微创手术机器人通常无法灵活应用于各种腔镜手术的技术问题。本发明所述的微创手术机器人中，可移动平台用于带动微创手术机器人在各手术室之间移动；高度调整机构位于可移动平台内，用于调整微创手术机器人的高度以适应不同的手术床高度；位置调整机构与高度调整机构连接、且位于可移动平台的上方，包括一个水平面内的旋转关节和两个垂直面内的旋转关节；姿态调整机构与位置调整机构连接，采用双平行四边形机构；末端执行机构与姿态调整机构连接，包括夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。

Description

微创手术机器人及应用其的外科手术设备
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种微创手术机器人及应用其的外科手术设备。
背景技术
近十年来，机器人辅助微创手术已广泛应用于实际临床手术中。现有的微创手术机器人系统通常是为某些特定的手术设计，价格高昂，功能单一，通用性差。以达芬奇手术系统为例，其为一个多臂系统，各机械臂不能单独使用，并且人机交互方式单一，只能采用主从方式应用于胸腔镜手术、腹腔镜手术等腔镜手术。
此外，现有的微创手术机器人中的机械臂系统，其末端器械/腔镜的姿态调整通常依靠被动关节实现，容易对皮肤上的手术切口造成撕扯；并且，用于位置调整的三个关节中，第一个关节为移动关节，反向可驱动性较差，不利于医生的初始拖拽定位，后两个旋转关节置于水平面，占用宝贵的手术空间，在多臂协同工作中容易产生碰撞问题。
因此，如何提供一种低成本、模块化、通用型的微创手术机器人，能够根据需要灵活应用于各种腔镜手术，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微创手术机器人及应用其的外科手术设备，以解决现有的微创手术机器人通常无法灵活应用于各种腔镜手术的技术问题。
本发明提供一种微创手术机器人，包括：可移动平台，用于带动所述微创手术机器人在各手术室之间移动；高度调整机构，所述高度调整机构位于所述可移动平台内，用于调整所述微创手术机器人的高度以适应不同的手术床高度；位置调整机构，所述位置调整机构与所述高度调整机构连接、且位于所述可移动平台的上方，所述位置调整机构包括一个水平面内的旋转关节和两个垂直面内的旋转关节；姿态调整机构，所述姿态调整机构与所述位置调整机构连接，所述姿态调整机构采用双平行四边形机构；末端执行机构，所述末端执行机构与所述姿态调整机构连接，所述末端执行机构包括夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。
其中，所述可移动平台为可移动小车，所述可移动小车包括车架，所述车架的底端设有四个可制动滚轮，所述车架的顶端一侧设有推柄。
其中，所述高度调整机构为丝杠机构，所述丝杠机构包括电机，所述电机通过带轮驱动丝杠，使得第一滑块沿第一导轨移动。
具体地，所述高度调整机构通过支撑架固定于所述车架内，且竖直布置；所述车架的顶端还设有连接件，所述位置调整机构通过所述连接件与所述高度调整机构连接。
其中，所述位置调整机构包括第一旋转关节、第二旋转关节和第三旋转关节，且所述第一旋转关节水平布置、所述第二旋转关节和所述第三旋转关节在竖直面内平行布置；第一关节驱动电机固定于所述可移动平台内，并通过直齿轮驱动所述第一旋转关节和第一杆件；第二关节驱动电机固定于所述第一杆件内，并通过锥齿轮驱动所述第二旋转关节和第二杆件；第三关节驱动电机固定于所述第二杆件内，并通过锥齿轮驱动所述第三旋转关节和第三杆件。
其中，所述姿态调整机构包括：前杆、第一主杆、第一副杆、第二主杆、第二副杆和第四杆件，且所述姿态调整机构通过所述前杆与所述位置调整机构的所述第三杆件连接；所述第一主杆和所述第二主杆为外壳，且所述第一副杆置于所述第一主杆内部、所述第二副杆置于所述第二主杆内部；所述第一主杆和所述第一副杆的一端分别通过第一转轴和第二转轴与所述前杆连接，另一端分别通过第三转轴和第四转轴与所述第二主杆连接；所述第二副杆通过第五转轴与所述第一主杆连接，所述第二主杆和所述第二副杆在另一端分别通过第六转轴和第七转轴与所述第四杆件连接。
具体地，所述姿态调整机构包括两个自由度，第一个自由度由第一电机通过行星齿轮机构驱动所述前杆绕自身的轴线旋转，第二个自由度由第二电机通过蜗轮蜗杆机构驱动所述双平行四边形机构绕所述第二转轴转动。
进一步地，所述第一电机和所述第二电机均安装在所述前杆内。
其中，所述末端执行机构的导轨通过所述第四杆件与所述姿态调整机构连接；所述导轨上安装有第三电机，所述第三电机通过齿轮驱动滚珠丝杠旋转，以驱动滑块沿所述导轨移动；所述滑块上安装有末端把持件，所述末端把持件上安装有第四电机和手术器械/腔镜，且所述第四电机通过齿轮驱动所述手术器械/腔镜绕自身的轴线旋转。
相对于现有技术，本发明所述的微创手术机器人具有以下优势：
本发明提供的微创手术机器人中，包括：可移动平台，高度调整机构，位置调整机构，姿态调整机构和末端执行机构；其中，可移动平台用于带动微创手术机器人在各手术室之间移动；高度调整机构位于可移动平台内，用于调整微创手术机器人的高度以适应不同的手术床高度；位置调整机构与高度调整机构连接、且位于可移动平台的上方，位置调整机构包括一个水平面内的旋转关节和两个垂直面内的旋转关节；姿态调整机构与位置调整机构连接，姿态调整机构采用双平行四边形机构；末端执行机构与姿态调整机构连接，末端执行机构包括夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。由此分析可知，本发明提供的微创手术机器人中，由于位置调整机构采用三个旋转关节实现位置调整，且均布置于竖直面，因此反向可驱动性较好且能够有效节省手术床周围空间；此外，由于设置了姿态调整机构和末端执行机构，因此有效提高了微创手术机器人的安全性。综上，本发明提供的微创手术机器人，不仅能够有效用于各种腔镜手术中的器械和腔镜夹持任务，而且在满足手术需求的同时考虑到人机交互性、结构紧凑性以及手术安全性。
本发明还提供一种外科手术设备，包括：如上述任一项所述的微创手术机器人。
所述外科手术设备与上述微创手术机器人相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的微创手术机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微创手术机器人中可移动平台的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的微创手术机器人中高度调整机构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的微创手术机器人中位置调整机构的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的微创手术机器人中位置调整机构的内部结构示意图；
图6为本发明实施例提供的微创手术机器人中姿态调整机构的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的微创手术机器人中姿态调整机构的内部结构示意图；
图8为本发明实施例提供的微创手术机器人中末端执行机构的结构示意图。
图中：1－可移动平台；2－高度调整机构；310－位置调整机构；410－姿态调整机构；510－末端执行机构；101－可制动滚轮；102－车架；103－推柄；21－带轮；22－电机；23－丝杠；24－第一滑块；25－第一导轨；26－连接件；27－支撑架；311－第一杆件；312－第二杆件；313－第三杆件；314－第一关节驱动电机；315－第二关节驱动电机；316－第三关节驱动电机；317－第一旋转关节；318－第二旋转关节；319－第三旋转关节；411－前杆；412－第一主杆；413－第二主杆；414－第四杆件；415－第一副杆；416－第二副杆；417－第一转轴；418－第二转轴；419－第三转轴；420－第四转轴；421－第五转轴；422－第六转轴；423－第七转轴；424－第一电机；425－第二电机；426－远端中心点；511－导轨；512－第三电机；513－滚珠丝杠；514－滑块；515－末端把持件；516－第四电机；517－手术器械/腔镜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明实施例提供的微创手术机器人的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供一种微创手术机器人，包括：可移动平台1，用于带动微创手术机器人在各手术室之间移动；高度调整机构2，高度调整机构2位于可移动平台1内，用于调整微创手术机器人的高度以适应不同的手术床高度；位置调整机构310，位置调整机构310与高度调整机构2连接、且位于可移动平台1的上方，位置调整机构310包括一个水平面内的旋转关节和两个垂直面内的旋转关节；姿态调整机构410，姿态调整机构410与位置调整机构310连接，姿态调整机构410采用双平行四边形机构；末端执行机构510，末端执行机构510与姿态调整机构410连接，末端执行机构510包括夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。
相对于现有技术，本发明实施例所述的微创手术机器人具有以下优势：
本发明实施例提供的微创手术机器人中，如图1所示，包括：可移动平台1，高度调整机构2，位置调整机构310，姿态调整机构410和末端执行机构510；其中，可移动平台1用于带动微创手术机器人在各手术室之间移动；高度调整机构2位于可移动平台1内，用于调整微创手术机器人的高度以适应不同的手术床高度；位置调整机构310与高度调整机构2连接、且位于可移动平台1的上方，位置调整机构310包括一个水平面内的旋转关节和两个垂直面内的旋转关节；姿态调整机构410与位置调整机构310连接，姿态调整机构410采用双平行四边形机构；末端执行机构510与姿态调整机构410连接，末端执行机构510包括夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。由此分析可知，本发明实施例提供的微创手术机器人中，由于位置调整机构310采用三个旋转关节实现位置调整，且均布置于竖直面，因此反向可驱动性较好且能够有效节省手术床周围空间；此外，由于设置了姿态调整机构410和末端执行机构510，因此有效提高了微创手术机器人的安全性。综上，本发明实施例提供的微创手术机器人，不仅能够有效用于各种腔镜手术中的器械和腔镜夹持任务，而且在满足手术需求的同时考虑到人机交互性、结构紧凑性以及手术安全性。
此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的微创手术机器人，是一种低成本、模块化、通用型的微创手术机器人。
图2为本发明实施例提供的微创手术机器人中可移动平台的结构示意图。
其中，为了较好地使微创手术机器人能够在各手术室之间移动，如图1结合图2所示，上述可移动平台1可以为可移动小车，该可移动小车可以包括车架102，且车架102的底端可以设有四个可制动滚轮101，车架102的顶端一侧可以设有推柄103。
图3为本发明实施例提供的微创手术机器人中高度调整机构的结构示意图。
其中，为了较好地使微创手术机器人的高度能够适应不同的手术床高度，如图1结合图3所示，上述高度调整机构2可以为丝杠机构，该丝杠机构可以包括电机22，且电机22可以通过带轮21驱动丝杠23，从而使得第一滑块24沿第一导轨25移动，进而带动微创手术机器人适应不同的手术床高度。
具体地，如图1－图3所示，上述高度调整机构2可以通过支撑架27固定于车架102内，且竖直布置；上述车架102的顶端还可以设有连接件26，从而位置调整机构310能够通过该连接件26与高度调整机构2连接。
图4为本发明实施例提供的微创手术机器人中位置调整机构的结构示意图；图5为本发明实施例提供的微创手术机器人中位置调整机构的内部结构示意图。
其中，位置调整机构310是由三个旋转关节构成，可实现微创手术机器人末端在三维空间内的位置调整，从而位置调整机构310能够用于术前调整微创手术机器人的位置，将微创手术机器人末端的手术器械/腔镜调整到病灶区域。具体地，如图1结合图4和图5所示，上述位置调整机构310可以包括第一旋转关节317、第二旋转关节318和第三旋转关节319，且第一旋转关节317水平布置、第二旋转关节318和第三旋转关节319在竖直面内平行布置；第一关节驱动电机314固定于可移动平台1内，并通过直齿轮驱动第一旋转关节317和第一杆件311；第二关节驱动电机315固定于第一杆件311内，并通过锥齿轮驱动第二旋转关节318和第二杆件312；第三关节驱动电机316固定于第二杆件312内，并通过锥齿轮驱动第三旋转关节319和第三杆件313。
本发明实施例提供的微创手术机器人中，上述位置调整机构310采用三个旋转关节实现位置调整，反向可驱动性好，医生拖动微创手术机器人做术前初始定位容易；并且，三个旋转关节均布置于竖直面，能够有效节省手术床周围空间，在多个微创手术机器人协作的情况下能够最大程度地避免碰撞的发生。
图6为本发明实施例提供的微创手术机器人中姿态调整机构的结构示意图；图7为本发明实施例提供的微创手术机器人中姿态调整机构的内部结构示意图。
其中，姿态调整机构410是在手术过程中提供一个空间不动点使得手术器械始终绕手术切口这个固定点运动，可以采用双平行四边形机构实现，通过机械约束的方式形成一个虚拟的远端不动点，使得微创手术机器人在运动过程中避免对手术切口造成损伤。具体地，如图1结合图6和图7所示，上述姿态调整机构410可以包括：前杆411、第一主杆412、第一副杆415、第二主杆413、第二副杆416和第四杆件414，且姿态调整机构410可以通过前杆411与位置调整机构310的第三杆件313连接；进一步地，第一主杆412和第二主杆413可以为外壳，且第一副杆415可以置于第一主杆412内部、第二副杆416可以置于第二主杆413内部；第一主杆412和第一副杆415的一端可以分别通过第一转轴417和第二转轴418与前杆411连接，另一端可以分别通过第三转轴419和第四转轴420与第二主杆413连接；第二副杆416可以通过第五转轴421与第一主杆412连接，第二主杆413和第二副杆416可以在另一端分别通过第六转轴422和第七转轴423与第四杆件414连接。此种设置，六个杆件：前杆411、第一主杆412、第一副杆415、第二主杆413、第二副杆416和第四杆件414构成双平行四边形机构，约束实现远端中心点426。
具体地，如图1结合图6和图7所示，上述姿态调整机构410可以包括两个自由度，第一个自由度可以由第一电机424通过行星齿轮机构驱动前杆411绕自身的轴线旋转，第二个自由度可以由第二电机425通过蜗轮蜗杆机构驱动双平行四边形机构绕第二转轴418转动。
进一步地，如图1结合图6和图7所示，上述第一电机424和第二电机425均可以安装在前杆411内。
图8为本发明实施例提供的微创手术机器人中末端执行机构的结构示意图。
其中，末端执行机构510可以包括器械夹持件和驱动器械进给的移动关节，该末端执行机构510主要是为了实现手术器械/腔镜沿着手术切口的进给运动和绕自身轴线的旋转运动。具体地，如图1结合图8所示，上述末端执行机构510的导轨511可以通过第四杆件414与姿态调整机构410连接，且沿手术切口的进给运动可以由第三电机512通过滚珠丝杠513驱动；进一步地，上述导轨511上安装有该第三电机512，第三电机512可以通过齿轮驱动滚珠丝杠513旋转，以驱动滑块514沿导轨511移动；滑块514上可以安装有末端把持件515，该末端把持件515上可以安装有第四电机516和手术器械/腔镜517，且第四电机516可以通过齿轮驱动手术器械/腔镜517绕自身的轴线旋转。
本发明实施例还提供一种外科手术设备，包括：如上述任一项所述的微创手术机器人。
本发明实施例提供的微创手术机器人及应用其的外科手术设备，主要具有以下几点优势：
一、低成本、模块化、通用型的微创手术机器人，可根据需要灵活应用于各种腔镜手术中的器械和腔镜夹持任务；
二、可移动平台的设置，有利于微创手术机器人在各手术室流动使用；
三、高度调整机构的设置，能够调整微创手术机器人至一个适应手术床高度的合理位置；
四、采用三个旋转关节实现位置调整，且均布置于竖直面，反向可驱动性好并有效节省手术床周围空间；
五、姿态调整机构采用双平行四边形机构，杆件可充当外壳，结构更为简单，外形更为美观；
六、具有末端执行机构，包括器械夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微创手术机器人，其特征在于，包括：
可移动平台，用于带动所述微创手术机器人在各手术室之间移动；
高度调整机构，所述高度调整机构位于所述可移动平台内，用于调整所述微创手术机器人的高度以适应不同的手术床高度；
位置调整机构，所述位置调整机构与所述高度调整机构连接、且位于所述可移动平台的上方，所述位置调整机构包括一个水平面内的旋转关节和两个垂直面内的旋转关节；
姿态调整机构，所述姿态调整机构与所述位置调整机构连接，所述姿态调整机构采用双平行四边形机构；
末端执行机构，所述末端执行机构与所述姿态调整机构连接，所述末端执行机构包括夹持件、驱动器械进给的移动关节和驱动器械绕自身轴线旋转的转动关节。
2.根据权利要求1所述的微创手术机器人，其特征在于，所述可移动平台为可移动小车，所述可移动小车包括车架，所述车架的底端设有四个可制动滚轮，所述车架的顶端一侧设有推柄。
3.根据权利要求1所述的微创手术机器人，其特征在于，所述高度调整机构为丝杠机构，所述丝杠机构包括电机，所述电机通过带轮驱动丝杠，使得第一滑块沿第一导轨移动。
4.根据权利要求2所述的微创手术机器人，其特征在于，所述高度调整机构通过支撑架固定于所述车架内，且竖直布置；
所述车架的顶端还设有连接件，所述位置调整机构通过所述连接件与所述高度调整机构连接。
5.根据权利要求1所述的微创手术机器人，其特征在于，所述位置调整机构包括第一旋转关节、第二旋转关节和第三旋转关节，且所述第一旋转关节水平布置、所述第二旋转关节和所述第三旋转关节在竖直面内平行布置；
第一关节驱动电机固定于所述可移动平台内，并通过直齿轮驱动所述第一旋转关节和第一杆件；第二关节驱动电机固定于所述第一杆件内，并通过锥齿轮驱动所述第二旋转关节和第二杆件；第三关节驱动电机固定于所述第二杆件内，并通过锥齿轮驱动所述第三旋转关节和第三杆件。
6.根据权利要求5所述的微创手术机器人，其特征在于，所述姿态调整机构包括：前杆、第一主杆、第一副杆、第二主杆、第二副杆和第四杆件，且所述姿态调整机构通过所述前杆与所述位置调整机构的所述第三杆件连接；
所述第一主杆和所述第二主杆为外壳，且所述第一副杆置于所述第一主杆内部、所述第二副杆置于所述第二主杆内部；所述第一主杆和所述第一副杆的一端分别通过第一转轴和第二转轴与所述前杆连接，另一端分别通过第三转轴和第四转轴与所述第二主杆连接；所述第二副杆通过第五转轴与所述第一主杆连接，所述第二主杆和所述第二副杆在另一端分别通过第六转轴和第七转轴与所述第四杆件连接。
7.根据权利要求6所述的微创手术机器人，其特征在于，所述姿态调整机构包括两个自由度，第一个自由度由第一电机通过行星齿轮机构驱动所述前杆绕自身的轴线旋转，第二个自由度由第二电机通过蜗轮蜗杆机构驱动所述双平行四边形机构绕所述第二转轴转动。
8.根据权利要求7所述的微创手术机器人，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机均安装在所述前杆内。
9.根据权利要求6所述的微创手术机器人，其特征在于，所述末端执行机构的导轨通过所述第四杆件与所述姿态调整机构连接；
所述导轨上安装有第三电机，所述第三电机通过齿轮驱动滚珠丝杠旋转，以驱动滑块沿所述导轨移动；
所述滑块上安装有末端把持件，所述末端把持件上安装有第四电机和手术器械/腔镜，且所述第四电机通过齿轮驱动所述手术器械/腔镜绕自身的轴线旋转。
10.一种外科手术设备，其特征在于，包括：如上述权利要求1－9中任一项所述的微创手术机器人。
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