CN108904050B - 一种插管手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插管手术机器人，包括机械臂，机械臂由带有电机的旋转基座、大臂关节、小臂关节和一个具有两个自由度的腕部关节构成，旋转基座内部设有法兰盘，大臂关节固定在法兰盘上，且大臂关节底部通过花键与法兰盘上的基座滑槽连接；大臂关节通过转动机构连接小臂关节，小臂关节的末端设有可旋转的腕部关节，腕部关节能够完成自身回转和俯仰运动，腕部关节上设有机械夹持器，夹持器上爪上还设有滚子转动齿轮组，滚子转动齿轮组的内部设有多个啮合的滚子转动齿轮，通过小电机带动滚子转动齿轮组内的滚子转动齿轮转动。本发明的机械结构简单，体积小，制造成本低，使用起来非常方便，可以大规模推广使用。

Description

一种插管手术机器人

技术领域

本发明属于临床手术机器人技术领域，具体涉及一种插管手术机器人。

背景技术

遥操作插管手术机器人属于遥操作机器人的一种。由于医护人员在救治病人时必须与患者直接接触，若病人患有严重传染性疾病，我们的医护人员在救治病人的过程中被感染的机率非常大。它要求该机器人在主机械手控制下代替医生帮助病人完成全套插管手术。现如今外科手术很多情况是要进行一步插管手术，其原因在于在病人全身麻醉或者局部麻醉时，病人不能正常维持与使用呼吸功能。

插管手术正常需要完成的操作有以下几点，首先选择与病人相匹配的气管导管，并准备型号合适的喉镜。将病人的头部扬起，将病人的口腔打开并用手抵住病人的下齿列，防止病人因自主意识口腔闭合。再运用喉镜进行探照并暴露病患声门，在运用导管沿着喉镜方向把尖端插入病人声门。所以插管手术机器人所要代替医疗人员完成的插管手术动作分为给病患开口腔，固定病患头部，固定病患下颚及其口部状态，根据病患的咽腔情况选取合适大小的喉镜进行暴露声门的操作以及在喉镜检查的帮助下为病患进行插管手术的整体操作。

国内外现有的各种医疗机器人系统均有一个不足，即只具有视觉信息，且一般为二维图像，并且插管手术过程中的管子容易滑动，易对病人造成二 次伤害。此外，现有的各种医疗机器人系统的制造成本高、体积大、使用起来非常不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种插管手术机器人，解决了现有技术中插入的管子易滑动，使用起来不方便的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种插管手术机器人，包括机械臂，机械臂由带有电机的旋转基座、大臂关节、小臂关节和一个具有两个自由度的腕部关节构成，旋转基座内部设有电机、齿轮传动机构，旋转基座的上方设有法兰盘，电机连接齿轮传动机构的输入端，齿轮传动机构的输出端连接法兰盘，大臂关节固定在法兰盘上，且大臂关节底部通过花键与法兰盘上的基座滑槽连接；大臂关节通过转动机构连接小臂关节，小臂关节的末端设有腕部关节，腕部关节上设有机械夹持器；

机械夹持器包括夹持器壳体、旋转卡盘、滚子、夹持器上爪、夹持器下爪，夹持器壳体的尾部通过螺纹轴、螺丝与腕部关节配合连接，夹持器壳体的端面铣有滑块凹槽，内部安装有小电机；夹持器壳体内部设有伺服电机，伺服电机的输出轴插入旋转卡盘的尾孔，且与尾孔通过不规则形状过盈配合连接，旋转卡盘的端面为螺旋滑道，且螺旋滑道上设有滑道齿，夹持器上爪通过根部的凹齿与滑道齿啮合来与旋转卡盘连接，夹持器下爪直接与夹持器壳体固定；夹持器上爪与夹持器下爪上分别设有多个半露在外面的滚子，且设置于夹持器上爪上的滚子为主动滚子，设置于夹持器下爪上的滚子为从动滚子，夹持器上爪上还设有滚子转动齿轮组，滚子转动齿轮组的输入端连接小电机的输出端，滚子转动齿轮组的内部设有多个啮合的滚子转动齿轮，每个主动滚子均固定设置在滚子转动齿轮转动轴上的滚子支撑硬管上。

齿轮传动机构包括第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、第四传动轴；电机的转动轴通过六角螺栓与第一传动轴的一端连接，第一传动轴的另一端与第二传动轴的一端通过锥齿轮传动连接，第二传动轴的另一端与第三传动轴的一端通过齿轮传动连接，第三传动轴与第四传动轴的一端通过齿轮啮合传动连接，第四传动轴的另一端为齿轮传动机构的输出端。

小臂关节内部设有腕部转动电机、腕部传动机构，腕部传动机构包括第五传动轴、第六传动轴、第七传动轴、第八传动轴，腕部转动电机与第五传动轴的一端固定，第五传动轴的另一端与第六传动轴的一端通过锥齿轮传动连接，第六传动轴与第七传动轴的一端通过齿轮传动连接，第七传动轴的另一端与第八传动轴通过齿轮传动连接，第八传动轴的端部与腕部关节固定。

大臂关节底部设有双向减速电机，双向减速电机连接花键的转动端。

本发明的有益效果是，本发明的一种插管手术机器人通过旋转基座、大臂关节、小臂关节和一个具有两个自由度的腕部关节能够使得插管机器人到达床体上半部分的任意一处位置，可以实现控制插管手术机器人对点或连续轨迹的运动。在夹持器末端设有多个滚子用来固定气管使气管在插入病人口腔后不宜滑动，防止给病人在手术中因为定位误差造成二次伤害。本发明结构简单，能够使得插管手术在精确定位的情况进行，大大提高插管手术的成功率以及效率，整体的制造成本低，可以大范围推广使用。

附图说明

图1为本发明的插管手术机器人的结构图；

图2为本发明的插管手术机器人的侧视图；

图3为本发明的插管手术机器人的俯视图；

图4为本发明的插管手术机器人的旋转基座的内部结构图；

图5为本发明的插管手术机器人的大臂关节的结构图；

图6为本发明的插管手术机器人的小臂关节的结构图；

图7为本发明的插管手术机器人的腕部关节的结构图；

图8为本发明的插管手术机器人的机械夹持器的内部结构图；

图9为本发明的插管手术机器人的机械夹持器的滚子转动齿轮组的结构图。

图中，1.旋转基座，2.电机，3.齿轮传动机构，4.法兰盘，5.基座滑槽，6.花键，7.大臂关节，8.转动机构，9.小臂关节，10.腕部关节，11.机械夹持器，111.夹持器壳体，112.伺服电机，113.旋转卡盘，114.滚子，115.夹持器上爪，116.夹持器下爪，117.滚子支撑硬管，118.小电机，119.滚子转动齿轮组，301.第一传动轴，302.第二传动轴，303.第三传动轴，304.第四传动轴，61.双向减速电机，91.腕部转动电机，92.第五传动轴，93.第六传动轴，94.第七传动轴，95.第八传动轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一个实施例中，提出一种插管手术机器人结构如图1-图3所示，插管手术机器人包括机械臂，机械臂由带有电机2的旋转基座1(如图4所示)、大臂关节7(如图5所示)、小臂关节9(如图6所示)和一个具有两个自由度的腕部关节10(如图7所示)构成，旋转基座1内部设有电机2、齿轮传动机构3，旋转基座1的上方设有法兰盘4，电机2连接齿轮传动机构3的输入端，齿轮传动机构3的输出端连接法兰盘4，大臂关节7固定在法兰盘4上，且大臂关节7底部通过花键6与法兰盘4上的基座滑槽5连接；大臂关节7通过转动机构8连接小臂关节9，小臂关节9的末端设有腕部关 节10，腕部关节10上设有机械夹持器11，腕部关节10可进行旋转，通过腕部关节10能够完成自身回转和俯仰运动。

其中，大臂关节7和小臂关节9的整体材料选用钛合金，使大臂、小臂结构更灵活，满足手臂要求。

工作时，旋转基座1中的电机2转动，经齿轮传动机构3后，带动法兰盘4转动，进而带动设置在法兰盘4上的大臂关节7旋转方向，在大臂关节7上的转动机构8带动小臂关节9沿大臂关节7转动，腕部关节10沿小臂关节9转动，进而带动腕部关节10上的机械夹持器11沿小臂关节9转动。从而实现插管手术机器人多自由的运动。

如图8所示，机械夹持器11包括伺服电机112、夹持器壳体111、旋转卡盘113、滚子114、夹持器上爪115、夹持器下爪116，夹持器壳体111的尾部通过螺纹轴、螺丝与腕部关节10配合连接，夹持器壳体111的端面铣有滑块凹槽，内部安装有小电机118；夹持器壳体111内部设有伺服电机112，伺服电机112的输出轴插入旋转卡盘113的尾孔，且与尾孔通过不规则形状过盈配合连接，可以带动旋转卡盘113旋转。旋转卡盘113与夹持器壳体111之间设有滑动轴承，且滑动轴承与旋转卡盘113与夹持器壳体111都是过盈配合。

旋转卡盘113为非标准件，需要单独制造。旋转卡盘只驱动单个手爪，且旋转卡盘113端面为螺旋滑道，螺旋滑道跟随旋转卡盘旋转，且螺旋滑道上设有滑道齿，夹持器上爪115通过根部的凹齿与滑道齿啮合来与旋转卡盘113连接。

夹持器下爪116直接与夹持器壳体111固定；夹持器上爪115与夹持器下爪116上分别设有多个半露在外面的滚子114，即，滚子114一端固定于 夹持器上爪115或夹持器下爪116，另一端露出于夹持器上爪115或夹持器下爪116。

设置于夹持器上爪115上的滚子114为主动滚子，设置于夹持器下爪116上的滚子114为从动滚子，夹持器上爪115上还设有滚子转动齿轮组119(如图9所示)，滚子转动齿轮组119的输入端连接小电机118的输出端，滚子转动齿轮组119的内部设有多个啮合的滚子转动齿轮，通过小电机带动滚子转动齿轮组119内的滚子转动齿轮转动。每个主动滚子均固定在设置在滚子转动齿轮转动轴上的滚子支撑硬管117上。

工作时，伺服电机112带动旋转卡盘113转动，使得夹持器上爪115沿旋转卡盘113的端面的螺旋滑道运动；小电机118带动滚子转动齿轮组119内的滚子转动齿轮转动，进而带动夹持器上爪115上的滚子转动。

本发明的另一个实施例中，多个滚子的材料不定，可以加以延伸提高性能，也可以改变滚子形状，进而改变滚子输送方向；例如在滚子上加入凹槽。

本发明的另一个实施例中，在从动滚子上加入感应器，能够得到对手部更详细的说明。例如在从动滚子上旁边加入高智能摄像头和定位装置，通过高智能摄像探头可以清晰显示插管手术工作，通过控制系统对机械臂实时控制，完成这个微创手术的操作流程；保证了在手术中的成功性和精准度，在定位的基础上让医护人员了解病人的实时状态。

本发明的另一个实施例中，机械夹持器11内的滚子数量优选为7个，这7个滚子相互配合，夹持器上爪115上分布有3个滚子，夹持器下爪116上分布有4个滚子，可以让软呼吸管在机械夹持器11中行程一个波浪的曲线，根据不同的需要完成插管手术的操作。一般情况下病人的呼吸管在7.0-8.0mm之间，本发明的插管手术机器人的最大啮合时滚子与滚子之间的 间隙为5mm，呼吸管在手爪之中属于一种卡紧的状态。

本发明的另一个实施例中，滑道齿的齿宽可以为2mm、齿深3mm，齿型为直角型，共有4圈半。

需要说明的是，上述示例仅是为了更好的解释其工作原理，并不是为了限制本发明的范围。

本发明的另一个实施例中，齿轮传动机构3包括第一传动轴301、第二传动轴302、第三传动轴303、第四传动轴304；电机2的转动轴通过六角螺栓与第一传动轴301的一端连接，第一传动轴301的另一端与第二传动轴302的一端通过锥齿轮传动连接，第二传动轴302的另一端与第三传动轴303的一端通过齿轮传动连接，第三传动轴303与第四传动轴304的一端通过齿轮啮合传动连接，第四传动轴304的另一端为齿轮传动机构3的输出端。

工作时，电机2带动第一传动轴301转动，第一传动轴301带动第二传动轴302转动，第二传动轴302带动第三传动轴303转动，第三传动轴303带动第四传动轴304转动进而带动法兰盘转动。

本发明的另一个实施例中，小臂关节9内部设有腕部转动电机91、腕部传动机构，腕部传动机构包括第五传动轴92、第六传动轴93、第七传动轴94、第八传动轴95，腕部转动电机91与第五传动轴92的一端固定，第五传动轴92的另一端与第六传动轴93的一端通过锥齿轮传动连接，第六传动轴93与第七传动轴94的一端通过齿轮传动连接，第七传动轴94的另一端与第八传动轴95通过齿轮传动连接，第八传动轴95的端部与腕部关节10固定。

工作时，腕部转动电机91带动第五传动轴92转动，第五传动轴92带动第六传动轴93转动，第六传动轴93带动第七传动轴94转动，第七传动轴94带动第八传动轴95转动，进而带动腕部关节10转动。

本发明的另一个实施例中，大臂关节7底部设有双向减速电机61，且双向减速电机61连接花键6的转动端。通过双向减速电机61可以控制大臂关节7的转动角度。

本发明的插管手术机器人具有以下功能：

1、旋转功能：整个手部结构可以通过夹持器壳体内部电机带动旋转。

2、夹紧功能：夹持器上爪通过抓根部的滑齿与旋转卡盘啮合，并且夹持器上爪由于与夹持器壳体配合只能上下移动。夹持器壳内部电机带动旋转卡盘旋转，旋转卡盘滑道旋转并带动滑齿移动。滑齿可在滑道上旋转2周，每转一周上手抓移动4mm。

3、输送功能(可延伸研究)：机械夹持器上安装滚子。夹持器上爪上安装的滚子为从动滚子。夹持器下爪上安装的滚子为主动滚子，滚子一端设置在滚子转动齿轮的转动轴上，通过一个小电机带动旋转，可以输送管子进入人体。

4、延伸功能：多个滚子材料不定，可以加以延伸提高性能。也可以改变滚子形状，改变管子输送方向(如在滚子上加入凹槽)。从动滚子上可以加入感应器。对手部的更详细说明。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (4)

1.一种插管手术机器人，其特征在于，包括机械臂，所述机械臂由带有电机的旋转基座(1)、大臂关节(7)、小臂关节(9)和一个具有两个自由度的腕部关节(10)构成，所述旋转基座(1)内部设有电机(2)、齿轮传动机构(3)，所述旋转基座(1)的上方设有法兰盘(4)，所述电机(2)连接齿轮传动机构(3)的输入端，所述齿轮传动机构(3)的输出端连接法兰盘(4)，所述大臂关节固定在法兰盘(4)上，且大臂关节(7)底部通过花键(6)与法兰盘(4)上的基座滑槽(5)连接；所述大臂关节(7)通过转动机构(8)连接小臂关节(9)，所述小臂关节(9)的末端设有腕部关节(10)，所述腕部关节(10)上设有机械夹持器(11)；

所述机械夹持器(11)包括夹持器壳体(111)、旋转卡盘(113)、滚子(114)、夹持器上爪(115)、夹持器下爪(116)，所述夹持器壳体(111)的尾部通过螺纹轴、螺丝与腕部关节(10)配合连接，所述夹持器壳体(111)的端面铣有滑块凹槽，内部安装有小电机(118)；所述夹持器壳体(111)内部设有伺服电机(112)，所述伺服电机(112)的输出轴插入旋转卡盘的尾孔，且与尾孔通过不规则形状过盈配合连接，所述旋转卡盘(113)的端面为螺旋滑道，且螺旋滑道上设有滑道齿，所述夹持器上爪(115)通过根部的凹齿与滑道齿啮合来与旋转卡盘(113)连接，所述夹持器下爪(116)直接与夹持器壳体(111)固定；所述夹持器上爪(115)与所述夹持器下爪(116)上分别设有多个半露在外面的滚子，且设置于夹持器上爪上的滚子(114)为主动滚子，设置于夹持器下爪(116)上的滚子为从动滚子，所述夹持器上爪(115)上还设有滚子转动齿轮组(119)，所述滚子转动齿轮组(119)的输入端连接小电机(118)的输出端，滚子转动齿轮组(119)的内部设有多个啮合的滚子转动齿轮，每个主动滚子均固定设置在滚子转动齿轮转动轴上的滚子支撑硬管(117)上。

2.根据权利要求1所述的一种插管手术机器人，其特征在于：所述齿轮传动机构(3)包括第一传动轴(301)、第二传动轴(302)、第三传动轴(303)、第四传动轴(304)；所述电机(2)的转动轴通过六角螺栓与第一传动轴(301)的一端连接，所述第一传动轴(301)的另一端与第二传动轴(302)的一端通过锥齿轮传动连接，所述第二传动轴(302)的另一端与第三传动轴(303)的一端通过齿轮传动连接，所述第三传动轴(303)与第四传动轴(304)的一端通过齿轮啮合传动连接，所述第四传动轴(304)的另一端为齿轮传动机构(3)的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种插管手术机器人，其特征在于：所述小臂关节(9)内部设有腕部转动电机、腕部传动机构，所述腕部传动机构包括第五传动轴(92)、第六传动轴(93)、第七传动轴(94)、第八传动轴(95)，所述腕部转动电机(91)与第五传动轴(92)的一端固定，所述第五传动轴(92)的另一端与第六传动轴(93)的一端通过锥齿轮传动连接，所述第六传动轴(93)与第七传动轴(94)的一端通过齿轮传动连接，所述第七传动轴(94)的另一端与第八传动轴(95)通过齿轮传动连接，所述第八传动轴(95)的端部与腕部关节(10)固定。

4.根据权利要求1所述的一种插管手术机器人，其特征在于：所述大臂关节(7)底部设有双向减速电机(61)，所述双向减速电机(61)连接花键(6)的转动端。

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