CN109091232A

CN109091232A - 一种用于腔镜微创手术的机器人系统

Info

Publication number: CN109091232A
Application number: CN201810798506.XA
Authority: CN
Inventors: 李红兵; 陈歆维; 董频
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai First Peoples Hospital
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai First Peoples Hospital
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2018-12-28

Abstract

本发明涉及一种用于腔镜微创手术的机器人系统，包括支撑机器人机构，手术执行机器人机构和联结支架组件，其中：所述支撑机器人机构：用于确保在微创手术过程中手术器械与患者的手术切口点不发生拉扯，确保手术的安全；所述手术执行机器人机构：用于模拟外科医生手部动作，完成具体手术操作；所述联结支架组件：用于通过设置弧形支撑机构的导向驱动器来移动手术执行机器人机构。与现有技术相比，本发明具有高机动性、空间要求低、机械构造更简单、快速便捷装配、兼容性强等优点。

Description

一种用于腔镜微创手术的机器人系统

技术领域

本发明涉及一种腔镜微创手术，尤其是涉及一种用于腔镜微创手术的机器人系统。

背景技术

微创外科手术机器人系统可以显著的提高外科医生手术操作的灵活性。此类微创手术过程通常采用细长的腹腔镜和微创手术器具，通过在患者体表微小切口而进入患者病灶区。在手术实施过程中，利用灵巧的手术器具来对患者病灶组织进行切割、缝合等操作，这种灵巧的手术器具方便了内窥镜式手术操作过程。这种机器人微创手术可以有效的降低患者的手术风险并缩短手术操作时间。

患者侧的微创手术机器人从结构上可以分为：支撑机器人和手术操作执行器两大部分。支撑机器人一般由具有3～4个自由度的刚性关节构成，其主要功能是对手术执行器进行夹持和支撑，实现对手术执行器的位置和姿态进行粗调。手术操作执行器通常设有2～4个自由度，主要用于精确重复外科医生的手术动作，执行具体的手术操作任务，如切割、缝合等。手术操作执行器一般设置的较为精巧，其驱动杆直径通常≤10mm，驱动器部件通常设置于手术操作手抓的远端，实现小惯量、低摩擦的运动控制。

然而，当前微创手术机器人系统体积庞大，需要安排在50～80㎡的洁净手术间，且其术前准备工作繁琐，安装调试耗时30～45分钟，是传统开放手术的准备时间的2倍，庞大而复杂的系统调试是当前微创手术机器人手术推迟的主要原因。此外，庞大的微创手术机器人无菌器械臂在大范围的立体空间内频繁选位、旋转、移动，大大增加了医院术前无菌管理的难度，对构建无菌屏障和降低患者手术部位感染风险带来极高的挑战。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于腔镜微创手术的机器人系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于腔镜微创手术的机器人系统，包括支撑机器人机构，手术执行机器人机构和联结支架组件，其中：

所述支撑机器人机构：用于确保在微创手术过程中手术器械与患者的手术切口点不发生拉扯，确保手术的安全；

所述手术执行机器人机构：用于模拟外科医生手部动作，完成具体手术操作；

所述联结支架组件：用于通过设置弧形支撑机构的导向驱动器来移动手术执行机器人机构。

优选地，所述的支撑机器人机构包括弧形支撑机构和弧形导轨，其中，所述弧形导轨：用于允许设置于其上的手术执行机器人从基座底部向上做圆弧形运动，在患者微创孔处形成远程运动中心RCM。

优选地，所述的弧形导轨设置于所述弧形支撑机构两侧面的弧形板材上，所述弧形导轨与所述弧形板材通过螺栓固定连接。

优选地，所述的弧形导轨设有滑块，所述滑块可沿着导轨做圆弧状运动。

优选地，所述的手术执行机器人机构设置在所述弧形支撑机构的横梁上，所述横梁设有沿着所述手术执行机器人机构轴向方向的平移运动机构，用于实现所述手术执行机器人机构在患者腔内的进出运动。

优选地，所述的平移运动机构上布置有所述手术执行机器人机构的套筒型安装机构，所述套筒型安装机构有两大功能，功能之一是实现对所述手术执行机器人机构的支撑与运动自由度限定作用；功能之二实现使所述手术执行机器人机构绕着其本身轴线方向做旋转运动，用于模拟医生手腕旋转动作。

优选地，所述的手术执行机器人机构末端设有手术操作手爪和柔性联轴器，所述手术操作手爪与所述柔性联轴器固定连接，所述手术操作手爪用于实现开合功能，所述柔性联轴器用于模拟外科医生手腕旋转与偏摆动作。

优选地，所述的导向驱动器包括直流伺服电机、螺纹式驱动轴和驱动绳，所述的直流伺服电机用于驱动螺纹式驱动轴带动驱动绳作缠绕运动，所述驱动绳带动设置于所述圆弧导轨上的腰型支架沿着导轨滑动，实现所述手术执行机器人机构绕着远程运动中心RCM运动。

优选地，所述驱动绳的一端与所述直流伺服电机的电机输出轴连接，另一端与所述腰型支架的固定块连接，所述螺纹式驱动轴安装于所述直流伺服电机输出轴上。

优选地，所述圆弧导轨还设有定向传动轮组，用于在所述直流伺服电机驱动下，驱动所述驱动绳绕着所述定向传动轮组循环运动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的模块化微创手术机器人系统增加机动性、改进手术室的空间应用、更快速便捷的装配、减少手术系统的机械复杂性和尺寸；

(2)本发明的弧形支撑机构以一种简单的形式实现了RCM结构，解决了传统串联多连杆手术机器人需要复杂的几何变换实现RCM的难题；

(3)本发明的整体装置可实现模块化设计，方便与现有手术机器人系统进行整合，系统兼容性强。

附图说明

图1为本发明一种用于腔镜微创手术的机器人系统整体结构示意图；

图2为本发明支撑机器人机构结构示意图；

图3为支撑机器人弧形支撑机构的腰型支架结构示意图；

图4为支撑机器人弧形支撑机构扭曲型横梁支撑架结构示意图。

附图标号说明：

1为弧形板材；3为套筒型安装机构；4为圆弧导轨；4.1为螺栓；5为滑块；6为系统支座；7为一号伺服电机；7.1为丝杆；8为滑动平台；10为二号伺服电机；11为螺纹管的驱动头；11.1为三号伺服电机；11.2为电机支架；12为执行器；13为驱动钢丝绳；14为定向传动轮组；15为固定块；16为腰型支架；17为扭曲型横梁支撑架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明一种用于腔镜微创手术的机器人系统，其原理如下：

一种适用于腔镜微创手术的机器人系统，具体包括：支撑机器人、手术执行机器人以及联结支架组件。支撑机器人用于对手术执行机器人的安装与支撑，实现对手术执行机器人的位置与姿态粗调；手术执行机器人具有2～4个自由度，可通过相关微创孔插入患者至所需内部手术位置，实时具体手术操作；联接支架组件相对于基座可移动手术机器人。

支撑机器人优选包括圆弧形支撑机构，动力传递部件优选圆弧形导轨，以允许设置于其上的手术执行机器人从基座底部向上做圆弧形运动，在患者微创孔处形成远程运动中心(Remote Center of Motion，简称为RCM)，实现该远程运动中心与微创手术切口点重合，用于确保在微创手术过程中手术器械与患者的手术切口点不发生拉扯，确保手术的安全。圆弧形安装的联接支架组件有利于改进手术室的空间布局，本机构的小型化很大程度上影响着手术机器人系统的整体体积大小，特别是可以避免传统串联关节型手术机器人机械臂的需要大范围姿态调整空间的缺点，并且便于手术机器人系统不使用时候的存储。

手术执行机器人设置在弧形支撑机构上的横梁上，该横梁设有沿着手术执行机器人轴向方向的平移运动机构，实现手术执行机器人在患者腔内的进出运动。在此平移运动机构上布置有手术执行机器人的套筒型安装机构。该套筒型安装机构有两大功能，功能之一是实现对手术操作机器人的支撑与运动自由度限定作用；功能之二为实现对手术执行机器人绕着其本身轴线方向的旋转运动，用于模拟医生手腕旋转动作。手术执行机器人末端设有手术操作手爪，该手爪与柔性联结器实现固联，末端手爪可实现开合功能，柔性联结器可实现在患者腔内的2自由度的运动，模拟外科医生手腕旋转与偏摆动作。

联结支架组件主要用于设置弧形支撑机构的导向驱动器及其相关附件。导向驱动器优选使用直流伺服电机，驱动设置于驱动轴的螺纹式驱动轴带动驱动绳缠绕运动，驱动绳带动设置于圆弧导轨上的腰型支架沿着导轨滑动，实现手术执行机器人绕着RCM运动。

如图1所示，本实施例腔镜微创手术机器人系统示意图。除去手术机器人末端钳子开合自由度外，该实施例中的手术机器人具有5个自由度，分别用O1、O2、O3、O4、O5来表示。O1自由度由弧形支撑机构1来实现，弧形支撑机构两侧面弧形板材1上装有两组圆弧导轨4，圆弧导轨4通过螺栓4.1与弧形板材1相固联，两组圆弧导轨上设有滑块5，滑块5可沿着导轨做圆弧状运动。

如图1和2所示，O5平移自由度由一号伺服电机7和丝杆7.1构成的平移组件实施，丝杆7.1上设有移动螺母(未标出)，该平移组件与滑动平台8相固联，移动螺母与套筒型安装机构3固联，在一号伺服电机7与丝杠7.1的驱动下，机构3实现直线往复运动；如图1所示，在套筒型安装机构3内部设有3自由度微创手术机器人执行器12，该手术机器人执行器绕着旋转轴O4的旋转运动由二号伺服电机10构成的驱动组件实施；该手术手术机器人执行器末端有一个手术执行手抓，可实现开合功能，该手爪与柔性联轴器相固联，实现手术腔内的两个自由度O2、O3的运动，模拟外科医生的手腕操作。

如图2、3、4所示，在滑块5上设有扭曲型横梁支撑架17，该支撑架17与滑动平台8通过螺栓实现固定，与对面的支撑架形成横梁结构，对手术机器人执行器起到支撑作用。圆弧形导轨4上设有滑块5，该滑块的驱动由钢丝绳13实现，驱动钢丝绳13的一端与设置在腰型支架16的固定块15，钢丝绳13的另一端固联在三号伺服电机11.1的电机输出轴上，该三号伺服电机11.1输出轴上安装有螺纹管的驱动头11，该螺纹管驱动头11对驱动钢丝绳13进行收紧卷曲与释放功能，为了尽量实现驱动钢丝绳13沿着弧形导轨4的圆弧形方向运动，分别在圆弧形导轨4的侧面设有两组定向传动轮组14.1和14.2，在伺服电机11.1驱动下，驱动钢丝绳绕着定向传动轮组14.1和14.2循环运动。圆弧运动伺服电机11.1通过电机支架11.2固联于系统支座6上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于腔镜微创手术的机器人系统，其特征在于，包括支撑机器人机构，手术执行机器人机构和联结支架组件，其中：

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述的支撑机器人机构包括弧形支撑机构和弧形导轨(4)，其中，所述弧形导轨(4)：用于允许设置于其上的手术执行机器人从基座底部向上做圆弧形运动，在患者微创孔处形成远程运动中心RCM。

3.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，所述的弧形导轨(4)设置于所述弧形支撑机构两侧面的弧形板材(1)上，所述弧形导轨(4)与所述弧形板材(1)通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，所述的弧形导轨(4)设有滑块(5)，所述滑块(5)可沿着导轨做圆弧状运动。

5.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，所述的手术执行机器人机构设置在所述弧形支撑机构的横梁上，所述横梁设有沿着所述手术执行机器人机构轴向方向的平移运动机构，用于实现所述手术执行机器人机构在患者腔内的进出运动。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其特征在于，所述的平移运动机构上布置有所述手术执行机器人机构的套筒型安装机构(3)，所述套筒型安装机构(3)有两大功能，功能之一是实现对所述手术执行机器人机构的支撑与运动自由度限定作用；功能之二实现使所述手术执行机器人机构绕着其本身轴线方向做旋转运动，用于模拟医生手腕旋转动作。

7.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述的手术执行机器人机构末端设有手术操作手爪和柔性联轴器，所述手术操作手爪与所述柔性联轴器固定连接，所述手术操作手爪用于实现开合功能，所述柔性联轴器用于模拟外科医生手腕旋转与偏摆动作。

8.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，所述的导向驱动器包括直流伺服电机、螺纹式驱动轴(11)和驱动绳(13)，所述的直流伺服电机用于驱动螺纹式驱动轴(11)带动驱动绳(13)作缠绕运动，所述驱动绳(13)带动设置于所述圆弧导轨(4)上的腰型支架(16)沿着导轨滑动，实现所述手术执行机器人机构绕着远程运动中心RCM运动。

9.根据权利要求8所述的机器人系统，其特征在于，所述驱动绳(13)的一端与所述直流伺服电机的电机输出轴连接，另一端与所述腰型支架(16)的固定块(15)连接，所述螺纹式驱动轴(11)安装于所述直流伺服电机输出轴上。

10.根据权利要求8所述的机器人系统，其特征在于，所述圆弧导轨(4)还设有定向传动轮组(14)，用于在所述直流伺服电机驱动下，驱动所述驱动绳(13)绕着所述定向传动轮组(14)循环运动。