CN109276317A - 一种手术机器人机械臂的限位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人机械臂的限位装置，包括微动开关，微动开关设置在与机械臂相连的滑台上，滑台的外部设有外壳，微动开关与外壳相接触，微动开关和机械臂均与控制系统通信连接，当外壳受到碰撞变形时，微动开关将信号传递给控制系统，控制系统根据此信号锁定机械臂的运动。本发明的限位装置能够在机械臂或滑台的外壳受到碰撞变形时，将信号传递给控制系统，控制系统对机械臂的运动及时作出锁止，避免发生碰撞后，机械臂继续向前运动而造成更严重的破坏。

Description

一种手术机器人机械臂的限位装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人机械臂的限位装置。

背景技术

随着科学技术的发展进步，“微创”这一概念已深入到外科手术的各种领域。微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备进行的手术，具有创伤小、疼痛轻、恢复快的优越性。戳卡是腹腔镜或胸腔镜手术中采用的工具，使用时戳卡的一端插入皮肤，另一端需要固定在皮肤表面。目前国内使用的大部分戳卡没有固定装置，在手术中极容易滑动，松动移位，甚至出现手术进行一半时候，戳卡脱出或者滑入过深的现象，严重影响手术操作，延误手术时间。国内医院往往采用反复纠正戳卡位置的方法来维持手术进行，但反复置入可使腹壁形成多个Y形孔道，腹膜裂口增大，术中易形成皮下气肿。

需要使用戳卡时，先将包裹层包裹在戳卡本体的外壁上，并通过固定搭扣装置紧扣，再将皮肤切开后置入戳卡本体，用手术缝合线将包裹层缝在人体手术切口的皮肤上，将戳卡本体固定在腹壁，防止戳卡本体活动，有利于医生的操作。

但其依然存在以下问题：当手术机器人中控制手术器械运动的滑台的外壳或机械臂受到碰撞变形时，如不能及时停止或锁止机械臂的运动，则机械臂的继续运动，容易对人体造成不堪设想的后果。

发明内容

本发明提供一种手术机械人滑台的驱动控制装置，其能够在机械臂或滑台外壳受到碰撞变形时，能够及时的锁止机械臂。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种手术机器人机械臂的限位装置，包括微动开关，微动开关设置在与机械臂相连的滑台上，滑台的外部设有外壳，微动开关与外壳相接触，微动开关和机械臂均与控制系统通信连接，当外壳受到碰撞变形时，微动开关将信号传递给控制系统，控制系统根据此信号锁定机械臂的运动。

在一个实施例中，微动开关的一侧上设有触发端头，相对触发端头的另一侧上设有电连接头，触发端头与滑台的外壳接触，电连接头与控制系统通信连接。

在一个实施例中，滑台设有安装板，安装板的一侧面与机械臂相连，另一侧面上设有丝杆副，安装板上还设有驱动电机和传动装置，驱动电机通过传动装置将动力传递给丝杆副。

在一个实施例中，驱动电机设置在安装板具有机械臂的一侧面的上端，传动装置包括主动轮、从动轮和同步带，主动轮位于驱动电机输出轴的上方，驱动电机与主动轮之间设有同步带预紧装置。

在一个实施例中，同步带预紧装置包括固定侧板和滑动安装板，固定侧板固定安装于安装板的两侧，滑动安装板设在固定侧板的上方，驱动电机的输出轴穿过滑动安装板与从动轮连接，滑动安装板在远离安装板的一端与驱动电机固定板之间设有预紧螺栓，预紧螺栓穿过滑动安装板的一侧与固定侧板的一侧抵触，滑动安装板的上方设有紧固螺栓，在同步带预紧调节完成后，利用紧固螺栓将滑动安装板紧固连接在固定侧板上。

在一个实施例中，微动开关具有多个。

在一个实施例中，微动开关具有两个，其中一个微动开关通过微动开关固定架固定在安装板的中部；另一个微动开关通过微动开关固定架固定在其中一个固定侧板上。

在一个实施例中，丝杆副通过支架固定在安装板的另一侧面上，丝杆副包括丝杆和滑块，滑块位于丝杆上，支架上设有滑轨，驱动电机驱动丝杆转动时，滑块沿滑轨在丝杆上轴向移动。

在一个实施例中，机械臂具有至少一个机械连臂，机械连臂通过多个的关节与滑台连接，其中，每个关节内都设有微型驱动电机，微型驱动电机与控制系统通信连接。

在一个实施例中，每个关节内都设有关节传感器，关节传感器与控制系统通信连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在滑台上设有微动开关，微动开关上的触发端头与滑台的外壳相接触，因此，当滑台的外壳受到碰撞，而引起外壳变形时，微动开关上的触发端头接收信号并将信号传递给控制系统，告知控制系统此时碰撞状态的存在，控制系统根据此信号做出停止机械臂运动等操作，避免发生碰撞后，机械臂继续向前运动而造成更严重的破坏。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的手术机械人运动系统的结构示意图；

图2是图1的爆炸结构示意图；

图3是滑台安装板与戳卡安装架的结构示意图；

图4是滑台的结构示意图；

图5是本发明支架的结构示意图；

图6是本发明同步带预紧装置的结构示意图；

图7是本发明滑块与连接支座连接的结构示意图；

图8是本发明连接支座的结构示意图；

图9是本发明滑台外壳的结构示意图。

附图标记：1-机械臂；11-第一关节；12-第二关节；13-第三关节；14-第四关节；15-第五关节；16-第六关节；17-第一连臂；18-第二连臂；19-机械臂安装座；2-滑台；21-安装板；22-支架；221-丝杆；222-滑块；23-驱动电机；24-主动轮；25-从动轮；26-同步带；271-固定侧板；272-滑动安装板；273-预紧螺栓；274-紧固螺栓；281-限位块；282-零位开关；283-极大位置开关；284-挡板；285-定位轴；3-手术器械固定装置；4-戳卡安装架；5-戳卡；51-标识线；52-RCM点；6-外壳；61-避让槽；62-控制按钮；63-显示灯；7-连接支座；71-第一端；72-第二端；73-连接筋板；74-线卡；8-拖链；9-微动开关；91-微动开关固定架；92-触发端头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。借此对本发明如何应用技术手段解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

本实施例中提到的“竖直”、“水平”、“上方”、“下方”、“上端”、“底端”等描述是按照通常的意义而定义的，比如，参考重力的方向定义，与重力方向相同是竖直，与重力方向垂直是水平，重力的方向是下方，相反的方向是上方，类似地在上方的是顶部或者顶端，在下方的是底部或底端，也仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，也当视为本发明可实施的范畴，实施例中所述的“第一”、和“第二”同样是为了方便叙述而定义的。

如图1所示，为本发明提供一种手术机器人的运动系统，包括机械臂1、滑台2和手术器械固定装置3。机械臂1位于滑台2的一侧，手术器械固定装置3位于滑台2的另一侧。其中，机械臂1具有多个自由度，机械臂1的多个自由度能够实现滑台2绕戳卡5的RCM点52(机械臂1运动时的空间不动点)的前、后、左、右等多个方向的摆动。手术器械包括具有三个自由、两个自由度或一个自由度的器械，不同自由度的器械能够实现不同的功能。下面将分别对机械臂1、滑台2和手术器械固定装置3进行详细描述。

对机械臂1的结构进行详细描述。

如图1和图2所示，机械臂1包括关节结构和连臂，关节结构包括第一关节11、第二关节12、第三关节13、第四关节14、第五关节15和第六关节16，连臂包括第一连臂17和第二连臂18，其中，第一关节11与手术机器人的延长臂的运动臂固定连接(图中未示出延长臂和运动臂)，第六关节16则与滑台2上的机械臂安装座19(下文中提到)固定连接，具体地，第二关节12与第一关节11垂直转动连接，第二关节12与第三关节13连接有第一连臂17，第三关节13和第四关节14连接有第二连臂18，第一连臂17的两端分别与第二关节12和第三关节13垂直转动连接，第二连臂18的两端分别与第三关节13和第四关节14垂直转动连接，第四关节14与第五关节15垂直转动连接，第五关节15与第六关节16垂直转动连接。

优选地，第一连臂17以第二关节12的轴线为旋转轴进行旋转时，最大旋转角度为180°。第二连臂18以第三关节13的轴线为旋转轴进行旋转时，最大旋转角度为360°。

通过上述的六个关节的旋转，能够实现机械臂1的多个转动自由度，使滑台2整体进行绕滑台2底部的RCM点52的前、后、左、右四个方向的摆动。进而在手术的摆位过程中，方便操作人员通过机械臂1移动滑台2和滑台2上安装的手术器械，将手术器械顶部移动到戳卡5位置附近，再结合滑台2的运动，实现滑台2上手术器械相对戳卡5的插入或拔出运动。

优选地，机械臂1的六个关节上均设置微型驱动电机(图中未示出)，微型驱动电机可以驱动关节的旋转，优选地，每个关节上对应一个微型驱动电机，且六个关节上也可以分别设置一个关节传感器，以测量各关节的转动角度，从而获得手术器械的当前姿态信息；进一步地，关键传感器还能对机械臂1的每个关节的微型驱动电机电流进行检测。当机械臂1发生碰撞时，微型驱动电机的电流会瞬间急速增加，关节传感器将电流增加的信号会传递给控制系统，此时控制系统判定发生碰撞，将机械臂1各关节的微型驱动电机锁死，使机械臂1停止运动。通过这样的方式，防止机械臂1在运动过程发生碰撞后，继续向前运动造成更严重的破坏。

进一步地，上述的每个关节都是动作的执行单元，各执行单元之间串联，使得各个关节之间具有较好的各向同性，且无累积误差，使得机器人整机具有较高的精度，并具有动态响应好等技术特点。

对滑台2的结构进行详细的描述。

如图3所示，滑台2包括安装板21，安装板21一侧的下端连接有戳卡安装架4，如图4和图5所示，安装板21的一侧上安装有支架22，支架22一侧的上端和下端均之间设有丝杆副，丝杆副包括丝杆221和转动连接在丝杆221上的滑块222，此外，支架22上设有引导滑块222做直线移动的滑轨，滑块222靠近支架22的一端卡在滑轨里，在滑块222需要做轴向运动时，有利于滑块222在支架22上直线移动。

安装板21的另一侧的上端设有驱动电机23，下端设有机械臂安装座19，其中，驱动电机23通过传动装置将旋转运动转化为直线运动的丝杆副。传动装置位于支架22的上方，传动装置包括主动轮24、从动轮25和连接主动轮24和从动轮25的同步带26，具体地，驱动电机23的输出轴驱动主动轮24转动，主动轮24通过同步带26带动从动轮25转动，从动轮25与丝杆221的上端固定连接，因此，从动轮25带动丝杆221转动，则丝杆221上的滑块222做直线运动，最终，驱动电机23在丝杆副的作用下，实现滑块222沿支架22上下两端之间区域内的丝杆221进行直线移动。

手术器械固定装置3则紧固连接在滑块222上，通过滑块222的直线运动带动手术器械沿滑台2轴向的往复运动，并能够穿过安装板21下端的戳卡5，对患者进行观察和手术操作。

进一步地，如图6所示，驱动电机23的下端固定在安装板21的另一侧上，驱动电机23的上端与主动轮24之间设有同步带预紧装置，具体地，同步带预紧装置包括固定侧板271和滑动安装板272，固定侧板271固定安装于安装板21的两侧，滑动安装板272设在固定侧板271的上端，驱动电机23的输出轴穿过滑动安装板272与从动轮25连接，滑动安装板272在远离安装板21的一端与驱动电机23固定板之间设有预紧螺栓273，预紧螺栓273穿过滑动安装板272的一侧与固定侧板271的一侧抵触。预紧螺栓273能够在安装同步带26时，对同步带26进行可靠预紧，具体地，通过拧紧预紧螺栓273，能够带动滑动安装板272沿固定侧板271向远离安装板21的方向移动，从而对同步带26进行预紧，有效地减少滑块222往复运动时的回程间隙，保证传动系统的整体精度较高。滑动安装板272的上方设有紧固螺栓274，在同步带26预紧调节完成后，利用紧固螺栓274将滑动安装板272紧固连接在固定侧板271上。

进一步地，再如图1和图3所示，在戳卡5的外壁上设置有标识线51，标识线51具有两条且对称的位于RCM点52的上下两侧，通过标识线51可以对进入患者体内的戳卡5进行定位，以便于掌握戳卡5的插入位置和深度，从而达到手术的要求。优选地，系统的RCM点52由控制部件的算法进行保证。

进一步地，滑台2上设有滑块限位装置，能够快速限定滑块222的移动位置，如图4所示，滑块限位装置包括位于同一侧的限位块281，零位开关282和极大位置开关283(结合图6和图7所示)，其中，限位块281固定于滑块222的一侧，且限位块281为倒等腰梯形结构，靠近手术器械的宽度大于靠近安装板21的宽度，零位开关282和极大位置开关283分别固定在安装板21的上方和下方，支架22上的滑轨位于零位开关282和极大位置开关283之间。零位开关282和极大位置开关283上均设有挡板284，两挡板284呈相对倾斜布置，两挡板284的倾斜面分别与限位块281底部的两倾斜面相配合，能够有利于与限位块281接触定位。其中，挡板284的自由端上设有定位轴285，在零位开关282和极大位置开关283靠近挡板284的一侧均设有凸起按钮。

具体地，当第一滑块222运动到一定位置时，限位块281能够与零位开关282或极大位置开关283的定位轴285，并驱动挡板284与凸起按钮接触，此时，零位开关282和极大位置开关283变换电平输出信号，同时将改变型号后的电信号传输至驱动电机23，系统根据更改的信号驱动电机23转动，从而限制第一滑块222的运动。如限位块281与零位开关282接触，零位开关282得到信号时，此时滑块222不再继续往靠近丝杆221的上端方向移动。限位块281与极大位置开关283接触，极大位置开关283得到信号时，此时滑块222不再继续往靠近丝杆221的下端方向移动。在零位开关282和极大位置开关283的共同作用下，能够最大程度的减少滑块222运动到极限位置以外的情况的发生。

优选地，在驱动电机23上设置有编码器(图中未示出)。系统启动时，驱动电机23旋转，带动滑块222会自动往丝杆221始端的一侧运动直到限位块281与零位开关282碰撞，系统将此位置标定为滑台2零位。在驱动电机23编码器的作用下，通过编码器的记录和传动装置的换算，能够计算后续滑块222在滑台2上运动的任意位置。然后，根据该数据的反馈，确定驱动电机23限定的滑块222运动范围。当计算得到滑块222所在位置超过限定范围时，也能够通过驱动电机23控制，停止滑块222的继续运动。

在一个具体实施例中，滑块222运动时，在驱动电机23上编码器的作用下，能够精确检测出驱动电机23的旋转角度，通过传动装置的机械传动比，并由此旋转角度计算得出滑块222实际直线运动的距离，能够实时的获得滑块222此时在滑台2上相对于零位的位置，从而对滑块222和安装于滑块222上的手术器械固定装置3的位置进行有效的监控。

优选地，驱动滑块222运动的驱动电机23为不带电磁刹车的驱动电机23，此外，丝杆221也为非自锁式的丝杆221，使得整个驱动控制系统出现任何异常的断电的情况下，都可以手动使滑块222沿滑台2做轴向运动，将安装于滑块222上，在断电是还处于病人体内的手术器械移动到人体外，避免断电后设备不能运动所造成的不良后果。

如图1所示，手术器械固定装置3设置在滑台2上，如图7所示，滑台2与手术器械固定装置3之间通过连接支座7连接。如图8所示，连接支座7包括与滑块222紧固连接的第一端71、与手术器械固定装置3紧固连接的第二端72，以及垂向连接第一端71和第二端72的连接筋板73。如图2所示，在滑台2的外部设置有保护外壳6，如图9所示，在外壳6上设置有供连接支座7移动的避让槽61，此时，连接支座7的第一端71位于外壳6内，第二端72位于外壳6外，在滑块222带动连接支座7运动时，连接支座7的连接筋板73在避让槽61内运动，连接筋板73的下端设有线卡74，线卡74用于固定滑台2通往手术器械的信号电缆。因此，线卡74能够保证滑台2通往手术器械的信号电缆能够在避让槽61内运动，从而能够保持信号电缆安装的整洁以及不会发生与外壳6摩擦造成损坏的情况发生。

再如图1所示，在外壳6上靠近驱动电机23的一端设置有用于控制滑台2多方向运动和滑块222沿滑台2轴向往复运动的多个控制按钮62，多个控制按钮62能够分别控制滑台2的前、后、左、右运动，以及能够控制滑块222沿滑台2轴向往复运动，使滑台2整体进行绕RCM点52摆动，以及滑块222沿滑台2轴向的插入和拔出运动。进而在手术在摆位过程中，医生或护士能够方便地通过移动滑台2和滑台2上安装的手术器械，将手术器械顶部移动到手术病灶位置附近，方便医生可以通过操控台直接进行手术操作。

进一步地，在外壳6上靠近控制按钮62的位置设置有显示灯63。显示灯63的数目为一个或多个，可以根据实际需要进行设置。优选地，显示灯63的数目为两个。两个显示灯63间隔设置在位于控制按钮62两侧外壳6上，能够通过不同颜色和不同显示状态对滑台2的运行状态进行标识。具体如下：准备过程阶段，蓝色常亮(无控制按钮62触发)或闪烁(有控制按钮62触发)；准备完成阶段，绿色常亮(无控制按钮62触发)或闪烁(有控制按钮62触发)；故障，红色常亮；急停，红色闪烁。

再如图4所示，运动系统还包括拖链8，拖链8的第一端71紧固连接在安装板21的一侧(靠近安装板21中部的位置)，拖链8的第二端72紧固连接在滑块222上。电缆的始端连接操控台，电缆的末端穿过拖链8和线卡74与手术器械连接。这样，在滑块222直线运动时，能够进一步保证滑台2通往手术器械的信号电缆能够稳定的在避让槽61内运动，进而能够进一步保持电缆安装的整洁以及不会发生与外壳6摩擦造成损坏的情况发生。

进一步地，如图4和图6所示，运动系统还包括微动开关9用于进行碰撞检测。具体地，微动开关9具有两个且位于安装架的同侧，其中一个微动开关9通过微动开关固定架91固定于同步带预紧装置的固定侧板271上，另一个微动开关9通过微动开关固定架91位于安装板21的中部，每一个微动开关9上均设有一个触发端头92，在外壳6进行组装时，微动开关9的触发端头92与外壳6进行接触。当滑台2外壳6受到碰撞，而引起外壳6变形时，微动开关9上的触发端头92接收信号并将信号传递给控制系统，告知控制系统此时碰撞状态的存在，控制系统根据此信号做出停止机械臂1运动等操作，避免发生碰撞后，机械臂1继续向前运动而造成更严重的破坏。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种手术机器人机械臂的限位装置，其特征在于，包括微动开关，微动开关设置在与机械臂相连的滑台上，滑台的外部设有外壳，微动开关与外壳相接触，微动开关和机械臂均与控制系统通信连接，当外壳受到碰撞变形时，微动开关将信号传递给控制系统，控制系统根据此信号锁定机械臂的运动。

2.根据权利要求所述的手术机器人机械臂的限位装置，其特征在于，微动开关的一侧上设有触发端头，相对触发端头的另一侧上设有电连接头，触发端头与滑台的外壳接触，电连接头与控制系统通信连接。

3.根据权利要求1所述的手术机器人机械臂的限位装置，其特征在于，滑台设有安装板，安装板的一侧面与机械臂相连，另一侧面上设有丝杆副，安装板上还设有驱动电机和传动装置，驱动电机通过传动装置将动力传递给丝杆副。

4.根据权利要求3所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，驱动电机设置在安装板具有机械臂的一侧面的上端，传动装置包括主动轮、从动轮和同步带，主动轮位于驱动电机输出轴的上方，驱动电机与主动轮之间设有同步带预紧装置。

5.根据权利要求4所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，同步带预紧装置包括固定侧板和滑动安装板，固定侧板固定安装于安装板的两侧，滑动安装板设在固定侧板的上方，驱动电机的输出轴穿过滑动安装板与从动轮连接，滑动安装板在远离安装板的一端与驱动电机固定板之间设有预紧螺栓，预紧螺栓穿过滑动安装板的一侧与固定侧板的一侧抵触，滑动安装板的上方设有紧固螺栓，在同步带预紧调节完成后，利用紧固螺栓将滑动安装板紧固连接在固定侧板上。

6.根据权利要求5所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，微动开关具有多个。

7.根据权利要求6所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，微动开关具有两个，其中一个微动开关通过微动开关固定架固定在安装板的中部；另一个微动开关通过微动开关固定架固定在其中一个固定侧板上。

8.根据权利要求3所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，丝杆副通过支架固定在安装板的另一侧面上，丝杆副包括丝杆和滑块，滑块位于丝杆上，支架上设有滑轨，驱动电机驱动丝杆转动时，滑块沿滑轨在丝杆上轴向移动。

9.根据权利要求1所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，机械臂具有至少一个机械连臂，机械连臂通过多个的关节与滑台连接，其中，每个关节内都设有微型驱动电机，微型驱动电机与控制系统通信连接。

10.根据权利要求9所述的手术机器人机械臂1的限位装置，其特征在于，每个关节内都设有关节传感器，关节传感器与控制系统通信连接。