CN109288593A - 一种手术机器人的驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，包括滑台，所述滑台的第一侧连接机械臂，所述滑台的第二侧连接手术器械；所述手术器械能够沿所述滑台轴向往复运动；所述机械臂具有多个自由度，用于实现所述手术器械多个方向的摆动。本发明能够便于医护人员操作手术器械，使医生可以通过操控台直接进行手术操作，灵活性好，智能化程度高。

Description

一种手术机器人的驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种手术机器人的驱动控制系统，属于机器人技术领域。

背景技术

微创外科手术在传统的外科手术的基础上，以具有术后恢复快、创伤小等优点，得到应用并迅速发展。随着微创外科领域的拓展，微创外科手术机器人系统针对常规腔镜技术在临床应用中的局限性，为进一步完善微创手术提供了新的途经。

然而，由于一般的腹腔手术持镜机器人在操作空间和运动方式上依然存在一些不足，因此，在手术摆位过程中，手术器械位置的调节还需要医生手动操作才能来完成，使用不便，尤其是对于复杂动作的执行精度不高，从而不能达到相对理想的自动化和智能化程度。

发明内容

本发明提供一种手术机器人的驱动控制系统，其能够便于医护人员操作手术器械，使医生可以通过操控台直接进行手术操作，灵活性好，智能化程度高。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本发明提供一种手术机器人的驱动控制系统，包括滑台，所述滑台的第一侧连接机械臂，所述滑台的第二侧连接手术器械；所述手术器械能够沿所述滑台轴向往复运动；所述机械臂具有多个自由度，用于实现所述手术器械多个方向的摆动。

在一个具体实施例中，所述滑台包括驱动电机，所述驱动电机的输出轴通过传动装置连接用于将旋转运动转化为直线运动的丝杆副，所述丝杆副包括丝杆和转动连接在所述丝杆上的滑块，所述手术器械连接在所述滑块上，通过所述滑块的直线运动带动所述手术器械沿所述滑台轴向往复运动。

在一个具体实施例中，所述丝杆的始端与所述传动装置的输出端连接，在所述丝杆上靠近始端的位置转动支撑在支架的第一端，所述丝杆的末端转动支撑在所述支架的第二端。

在一个具体实施例中，所述传动装置包括与所述驱动电机的输出轴紧固连接的主动轮，所述主动轮通过同步带连接从动轮，所述从动轮与所述丝杆的始端紧固连接。

在一个具体实施例中，在所述支架上远离所述丝杆的一侧紧固连接有安装板，在所述安装板的第一端的两侧间隔设置有用于固定所述驱动电机的固定部，在所述安装板上靠近第二端的位置设置有用于安装所述机械臂的机械臂安装座。

在一个具体实施例中，所述安装板的第二端伸出所述支架的第二端，在所述安装板的第二端与所述机械臂安装座相对的一侧通过戳卡安装架连接戳卡。

在一个具体实施例中，所述机械臂包括与台车机架紧固连接的第一关节，与所述机械臂安装座紧固连接的末端关节，以及与第一连臂和第二连臂分别连接的中间关节。

在一个具体实施例中，所述中间关节包括与所述第一关节转动连接的第二关节，连接所述第一连臂和所述第二连臂的第三关节，与所述第二连臂转动连接的第四关节，以及与所述末端关节和所述第四关节分别连接的第五关节。

在一个具体实施例中，所述第一关节的旋转轴与台车机架的高度方向平行，并与所述第二关节的旋转轴垂直，所述第四关节的旋转轴、所述第五关节的旋转轴以及所述末端关节的旋转轴相互垂直。

在一个具体实施例中，所述滑台上间隔设置有多个控制按钮，分别用于控制所述滑台绕所述机械臂运动空间不动点的前、后、左、右多个方向的摆动，以及用于控制所述手术器械沿所述滑台轴向往复运动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明机械臂具有多个自由度，滑块能够沿滑台轴向运动，机械臂能够完全模仿人体手臂的运动范围，其灵活性与人体的手臂无异，使得在手术摆位过程中，医护人员能够通过控制移动滑台和滑块上安装的手术器械，将手术器械顶部移动到手术病灶位置附近，根据实际需要无需医生进行辅助操作即能够进行精准地定位，方便后续医生通过操控台进行手术操作。本发明在滑台上设置有控制按钮，能够提高机械臂和滑台的控制精度和定位精度，进一步方便医护人员操作手术器械，从而能够更有利于医生通过操控台直接进行手术操作，灵活性好，智能化程度高。

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是本发明的手术机器人的驱动控制系统的一个具体实施例的结构示意图；

图2是图1的爆炸结构示意图；

图3是本发明除去外壳和机械臂的结构示意图；

图4是本发明除去外壳和机械臂的另一角度的结构示意图；

图5是本发明支架的结构示意图；

图6是本发明丝杆和支架连接的结构示意图；

图7是本发明安装板连接戳卡的结构示意图；

图8是本发明滑台局部结构的结构示意图；

图9是本发明极大位置开关与滑块接触的结构示意图；

图10是本发明零位开关的结构示意图；

图11是本发明滑台和戳卡的结构示意图；

图12是本发明滑台外壳的结构示意图；

图13是本发明连接支座连接滑块的结构示意图；

图14是本发明连接支座的结构示意图。

附图标记：1-滑台；2-机械臂；3-手术器械；4-连接支座；11-驱动电机；12-传动装置；121-主动轮；122-同步带；123-从动轮；13-丝杆副；131-丝杆；132-滑块；14-支架；141-零位开关；142-极大位置开关；143-挡板；144-底座；145-定位轴；15-安装板；151-固定部；152-机械臂安装座；153-戳卡安装架；154-紧固螺栓；155-凹槽；16-戳卡；17-预紧装置；171-滑动安装板；172-预紧部；18-限位块；19-外壳；191-避让槽；192-控制按钮；41-连接支座第一端；42-连接支座第二端；43-连接筋板；44-线卡；5-拖链。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明提供的手术机器人的驱动控制系统，包括滑台1，滑台1的第一侧连接机械臂2，滑台1的第二侧连接手术器械3。其中，机械臂2具有多个自由度，能够实现滑台1绕RCM点(机械臂2运动时空间不动点)的前、后、左、右等多个方向的摆动。

滑台1包括驱动电机11，驱动电机11的输出轴通过传动装置12(如图3、图4所示)连接用于将旋转运动转化为直线运动的丝杆副13。丝杆副13包括丝杆131和转动连接在丝杆131上的滑块132。丝杆131的始端(靠近驱动电机11端)与传动装置12的输出端连接，在丝杆131上靠近始端的位置转动支撑在支架14(如图5、图6所示)的第一端，丝杆131的末端(远离驱动电机11端)转动支撑在支架14的第二端。在丝杆副13的作用下，能够实现滑块132沿支架14两端之间区域内的丝杆131直线往复移动。手术器械3紧固连接在滑块132上，通过滑块132的直线运动带动手术器械3沿滑台1轴向往复运动。医生或护士可以方便的通过移动滑台1和手术器械3，将手术器械3的顶部移动到手术病灶位置附近，方便后续医生通过操控台直接进行手术操作。

在一个具体实施例中，如图3、图4所示，传动装置12包括与驱动电机11的输出轴紧固连接的主动轮121，主动轮121通过同步带122连接从动轮123，进而能够改变传动方向。从动轮123与丝杆131的始端紧固连接。

在一个具体实施例中，如图7所示，在支架14上远离丝杆131的一侧紧固连接有安装板15，在安装板15的第一端(靠近驱动电机11)的两侧间隔设置有用于固定驱动电机11的两固定部151(如图8所示)，在安装板15上靠近第二端(远离驱动电机11)的位置设置有用于安装机械臂2的机械臂安装座152。

在一个优选的实施例中，如图3、图4所示，安装板15的第二端伸出支架14的第二端，在安装板15的第二端与机械臂安装座152相对的一侧通过戳卡安装架153连接戳卡16，戳卡16用于安装手术器械3，在手术器械3穿过戳卡16后能够进入患者体内进行观察和手术操作。进一步地，在戳卡16的外壁上设置有标识线，通过标识线可以对进入患者体内的戳卡16进行定位，以便于掌握戳卡16的插入位置和深度，从而达到手术的要求。

在一个具体实施例中，如图1、图2所示，机械臂2包括与台车机架紧固连接的第一关节21，与机械臂安装座152紧固连接的末端关节22，以及与第一连臂23和第二连臂24分别连接的中间关节。其中，中间关节包括与第一关节21转动连接的第二关节25，连接第一连臂23和第二连臂24的第三关节26，与第二连臂24转动连接的第四关节27，以及与末端关节22和第四关节27分别连接的第五关节28。即第一连臂23的两端分别与第二关节25和第三关节26相连，第一连臂23和第二连臂24之间的相对运动则靠第三关节26实现。

在一个具体实施例中，第一关节21的旋转轴与台车机架的高度方向平行，并与第二关节25的旋转轴垂直。第四关节27的旋转轴、第五关节28的旋转轴以及末端关节22的旋转轴相互垂直。通过上述的六个关节的旋转，能够实现机械臂3的多个转动自由度，使滑台1整体进行绕滑台1底部的RCM点的前、后、左、右四个方向的摆动。结合滑块132沿滑台1的轴向运动，能够实现滑台1上滑块132沿轴向的插入、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1和滑台1上安装的手术器械3，将手术器械3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。

在一个具体实施例中，上述的六个关节上均可以设置关节传感器，以测量各关节的转动角度，从而获得内窥镜当前姿态信息；并且上述的六个关节均可通过马达进行驱动。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。

在一个具体实施例中，第一连臂23以第二关节25的轴线为旋转轴进行旋转时，最大旋转角度为180°。

在一个具体实施例中，第二连臂24以第三关节26的轴线为旋转轴进行旋转时，最大旋转角度为360°。

在一个优选的实施例中，RCM点设置在靠近戳卡16的位置。其中，系统的RCM点由控制部件的算法进行保证。

在一个具体实施例中，如图8所示，在驱动电机11上靠近输出端的位置设置有用于预紧同步带122的预紧装置17，能够在同步带122安装时，进行可靠的预紧。

在一个具体实施例中，如图8所示，预紧装置17包括滑动安装板171和用于实现滑动安装板171平移的预紧部172。滑动安装板171穿过驱动电机11的输出轴且底部(靠近驱动电机11)与两固定部151滑动接触，预紧部172的末端穿过滑动安装板171的一侧与固定部151的一侧接触。通过拧紧预紧部172，带动滑动安装板171沿固定部151向远离安装板15的方向移动，能够对同步带122进行预紧，从而能够有效地减少滑块132往复运动时的回程间隙，保证传动系统的整体精度较高。

在一个具体实施例中，预紧部172设置成预紧螺栓或预紧螺钉。

在一个优选的实施例中，如图8所示，在同步带122预紧调节完成后，利用紧固螺栓154将滑动安装板171紧固连接在固定部151上。

在一个具体实施例中，如图7所示，在安装板15的第一端设置有凹槽155，以便于实现固定部151与安装板15的紧固连接。

在一个具体实施例中，如图4、图9、图13所示，在滑块132的一侧紧固连接限位块18，能够快速限定滑块132的移动位置。

在一个优选的实施例中，如图4、图9、图13所示，限位块18的截面设置成舟形，限位块18的两端底面呈相对倾斜设置。

在一个具体实施例中，如图4所示，在支架14上靠近第一端的位置设置有零位开关141。在支架14上靠近第二端的位置设置有极大位置开关142。

在一个优选的实施例中，位于零位开关141和极大位置开关142之间的支架14上设置有滑轨。在滑块132需要做轴向运动时，以便于滑块132在支架14上直线往复移动。

在一个具体实施例中，如图9、图10所示，零位开关141和极大位置开关142均包括挡板143，零位开关141和极大位置开关142的两挡板143呈相对倾斜布置(如图4所示)。两挡板143的倾斜面分别与限位块18底部的两倾斜面相配合，能够有利于与限位块18接触定位。其中，挡板143的一端连接底座144，挡板143的另一端连接定位轴145。底座144与驱动电机11电连接。在底座144靠近挡板143的一侧设置有凸起按钮1441，在滑块132运动到一定位置时，限位块18的底面能够与零位开关141或极大位置开关142的定位轴145接触，并驱动挡板143与凸起按钮1441接触，此时，零位开关141或极大位置开关142变换电平输出型号，同时将该变型后的电信号传输至驱动电机11，控制驱动电机11停止转动，从而限制滑块132的运动。具体是：如限位块18与零位开关141接触，零位开关141将变型后的电信号传输至驱动电机11，驱动电机11停止转动，此时，滑块132不再继续往靠近丝杆131的始端方向移动。限位块18与极大位置开关142接触，极大位置开关142将变型后的电信号传输至驱动电机11，驱动电机11停止转动，此时滑块132不再继续往靠近丝杆131的末端方向移动。在零位开关141和极大位置开关142的共同作用下，能够最大程度的减少滑块132运动到极限位置以外的情况的发生。

在一个优选的实施例中，挡板143为弹性挡板，在滑块132直线运动时，有利于限位块18驱动挡板143与凸起按钮1441快速接触，且有利于挡板143快速复位。

在一个具体实施例中，底座144通过固定板146连接在安装板15的一侧。

在一个具体实施例中，在驱动电机11上设置有编码器。

在一个具体实施例中，系统启动时，驱动电机11旋转，带动滑块132会自动往丝杆131始端的一侧运动直到限位块18与零位开关141碰撞，系统将此位置标定为滑台1零位。在驱动电机11编码器的作用下，通过编码器的记录和传动装置12的换算，能够计算后续滑块132在滑台1上运动的任意位置。根据该数据的反馈，并与驱动电机11所限定的滑块132的运动范围进行对比分析。当计算得到滑块132所在位置超过驱动电机11限定的滑块132的运动范围时，驱动电机11控制滑块132停止继续运动。

在一个具体实施例中，滑块132运动时，在驱动电机11上编码器的作用下，能够精确检测出驱动电机11的旋转角度，通过传动装置12的机械传动比，并由此旋转角度计算得出滑块132实际直线运动的距离，能够实时的获得滑块132此时在滑台1上相对于零位的位置，从而对滑块132和安装于滑块132上的手术器械3的位置进行有效的监控。

在一个具体实施例中，如图1、图2所示，滑台1还包括外壳19，在外壳19上靠近丝杆131的一侧设置有避让槽191(如图11、图12所示)，能够使得滑台1通往手术器械3的信号电缆能够固定在避让槽191内运动。

在一个具体实施例中，如图12所示，在外壳19上靠近驱动电机11的一端间隔设置有用于控制滑台1多方向运动和滑块132沿滑台1轴向往复运动的多个控制按钮192，多个控制按钮192能够分别控制滑台1的前、后、左、右多个方向运动，以及能够控制滑块132沿滑台1轴向往复运动，使滑台1整体进行绕RCM点摆动，以及滑块132沿滑台1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1和滑台1上安装的手术器械3，将手术器械3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。

在一个具体实施例中，如图12所示，在外壳19上靠近控制按钮192的位置设置有显示灯193。显示灯193的数目为一个或多个，可以根据实际需要进行设置。在一个优选的实施例中，显示灯193的数目为两个。两个显示灯193间隔设置在位于控制按钮192两侧外壳19上，能够通过不同颜色和不同显示状态对滑台1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192触发)或闪烁(有控制按钮192触发)；准备完成阶段，绿色常亮(无控制按钮192触发)或闪烁(有控制按钮192触发)；故障，红色常亮；急停，红色闪烁。

在一个具体实施例中，如图13、图14所示，滑台1与手术器械3之间通过连接支座4连接。连接支座4包括与滑块132紧固连接的第一端41、与手术器械3紧固连接的第二端42，以及垂向连接在第一端41和第二端42的连接筋板43。此时，连接筋板43的第二端42沿避让槽191伸出外壳19。在连接筋板43上朝向丝杆131末端的一侧设置有用于实现信号电缆穿过的线卡44。在滑块132快速运动时，由于滑台1通往手术器械3的信号电缆能够稳定的在避让槽191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19摩擦造成损坏的情况发生。

在一个优选的实施例中，如图3、图4所示，系统还包括拖链5，拖链5的第一端紧固连接在安装板15的一侧(靠近安装板15中部的位置)，拖链5的第二端紧固连接在滑块132上。信号电缆的始端连接操控台，信号电缆的末端穿过拖链5和线卡44与手术器械3连接。这样，在滑块132直线运动时，带动拖链5与滑块132相连的一端运动，能够进一步保证滑台1通往手术器械3的信号电缆能够在避让槽191内稳定地运动，进而能够进一步保持信号电缆安装的整洁以及不会发生与外壳19摩擦造成损坏的情况发生。

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)

1.一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，包括滑台，所述滑台的第一侧连接机械臂，所述滑台的第二侧连接手术器械；所述手术器械能够沿所述滑台轴向往复运动；所述机械臂具有多个自由度，用于实现所述手术器械多个方向的摆动。

2.根据权利要求1所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述滑台包括驱动电机，所述驱动电机的输出轴通过传动装置连接用于将旋转运动转化为直线运动的丝杆副，所述丝杆副包括丝杆和转动连接在所述丝杆上的滑块，所述手术器械连接在所述滑块上，通过所述滑块的直线运动带动所述手术器械沿所述滑台轴向往复运动。

3.根据权利要求2所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述丝杆的始端与所述传动装置的输出端连接，在所述丝杆上靠近始端的位置转动支撑在支架的第一端，所述丝杆的末端转动支撑在所述支架的第二端。

4.根据权利要求2或3所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述传动装置包括与所述驱动电机的输出轴紧固连接的主动轮，所述主动轮通过同步带连接从动轮，所述从动轮与所述丝杆的始端紧固连接。

5.根据权利要求4所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，在所述支架上远离所述丝杆的一侧紧固连接有安装板，在所述安装板的第一端的两侧间隔设置有用于固定所述驱动电机的固定部，在所述安装板上靠近第二端的位置设置有用于安装所述机械臂的机械臂安装座。

6.根据权利要求5所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述安装板的第二端伸出所述支架的第二端，在所述安装板的第二端与所述机械臂安装座相对的一侧通过戳卡安装架连接戳卡。

7.根据权利要求6所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述机械臂包括与台车机架紧固连接的第一关节，与所述机械臂安装座紧固连接的末端关节，以及与第一连臂和第二连臂分别连接的中间关节。

8.根据权利要求7所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述中间关节包括与所述第一关节转动连接的第二关节，连接所述第一连臂和所述第二连臂的第三关节，与所述第二连臂转动连接的第四关节，以及与所述末端关节和所述第四关节分别连接的第五关节。

9.根据权利要求8所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述第一关节的旋转轴与台车机架的高度方向平行，并与所述第二关节的旋转轴垂直，所述第四关节的旋转轴、所述第五关节的旋转轴以及所述末端关节的旋转轴相互垂直。

10.根据权利要求9所述的一种手术机器人的驱动控制系统，其特征在于，所述滑台上间隔设置有多个控制按钮，分别用于控制所述滑台绕所述机械臂运动空间不动点的前、后、左、右多个方向的摆动，以及用于控制所述手术器械沿所述滑台轴向往复运动。