CN109602500A - 一种眼科显微手术辅助机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种眼科显微手术辅助机器人系统，它涉及一种双臂机器人系统。本发明为了解决现有的手术器械存在手术操作的精准度和稳定性差的问题。本发明包括主手术台(6)，主手术台(6)安装在工作台上，它还包括3D视频显微装置(7)、双操作臂机器人(8)和脚踏切换开关(9)，主手术台(6)位于双操作臂机器人(8)之间，且主手术台(6)的下部与双操作臂机器人(8)的基座连接为一体，3D视频显微装置(7)吊装在双操作臂机器人(8)中间部位的上方，脚踏切换开关(9)通过柔性线缆和拖链与3D视频显微装置(7)和双操作臂机器人(8)连接。本发明用于眼底显微手术。

Description

一种眼科显微手术辅助机器人系统

技术领域

本发明涉及一种双臂机器人系统，具体涉及一种眼科显微手术辅助机器人系统。

背景技术

由于眼球的体积较小、眼球组织构造精细且脆弱，所以，眼科显微手术要求医生有着极高的手眼协调能力。在传统的眼科显微手术中，术者通过手持眼科器械在显微镜下完成相应的精细操作，由于较长的手术时间，术者易产生手部的生理颤抖，使得手术的成功率较低；其中，对眼球内的组织如晶状体后囊膜、角膜内皮、晶状体悬韧带、视网膜黄斑区等精细构造处的操作一旦出现错误，都会对患者视力造成无法弥补的医源性伤害。眼科显微手术的特殊性也使得眼科手术医生的培养耗时耗力。近年来，在政策利好、老龄化加剧、消费群体增加和产业化发展提速等综合因素影响下，民众对医疗机器人的需求不断增加。

由于人眼视力有限，操纵手术刀精确移动范围有限，况且手持手术刀时，人手不可抑制的生理震颤造成眼科显微手术精准度稳定性变差。眼科显微机器人相对于人具有高精确度、高稳定性等优点，则能够很好的解决术者在进行眼科手术时的生理震颤现象。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的手术器械需要从巩膜刺入点刺入患者的眼球内部时，存在手术操作的精准度和稳定性差的问题。进而提供一种眼科显微手术辅助机器人系统。

本发明的技术方案是：一种眼科显微手术辅助机器人系统包括主手术台，主手术台安装在工作台上，它还包括3D视频显微装置、双操作臂机器人和脚踏切换开关，主手术台位于双操作臂机器人之间，且主手术台的下部与双操作臂机器人的基座连接为一体，3D视频显微装置吊装在双操作臂机器人中间部位的上方，脚踏切换开关通过柔性线缆和拖链与3D视频显微装置和双操作臂机器人连接；双操作臂机器人包括主操作臂和副操作臂，主操作臂和副操作臂对称布置；主操作臂包括悬臂旋转模块、连杆组件、末端执行器组件、基座、X轴直线导轨模块、Y轴直线导轨模块和Z轴直线导轨模块，X轴直线导轨模块水平安装在基座上，Y轴直线导轨模块安装在X轴直线导轨模块上，Z轴直线导轨模块安装在Y轴直线导轨模块上，悬臂旋转模块安装在Z轴直线导轨模块上，连杆组件安装在悬臂旋转模块上，末端执行器组件安装在连杆组件上；末端执行器组件包括末端基座、六维力传感器、末端执行器直线导轨模块、手术注射器和基于FBG光纤光栅微力传感器，末端基座与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块安装在末端基座上，六维力传感器安装在末端基座和末端执行器直线导轨模块之间，手术注射器与末端执行器直线导轨模块上的滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器安装在手术注射器上，手术注射器尖端的延长线与悬臂中心轴的延长线的交点形成RCM点；副操作臂包括悬臂旋转模块、连杆组件、末端执行器组件、基座、X轴直线导轨模块、Y轴直线导轨模块和Z轴直线导轨模块，X轴直线导轨模块水平安装在基座上，Y轴直线导轨模块安装在X轴直线导轨模块上，Z轴直线导轨模块安装在Y轴直线导轨模块上，悬臂旋转模块安装在Z轴直线导轨模块上，连杆组件安装在悬臂旋转模块上，末端执行器组件安装在连杆组件上；末端执行器组件包括末端基座、六维力传感器、末端执行器直线导轨模块和照射光源，末端基座与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块安装在末端基座上，六维力传感器安装在末端基座和末端执行器直线导轨模块之间，照射光源与末端执行器直线导轨模块上的滑块连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的双平行四边形的四杆机构设计，使得不动点确定变得及其简单，只需要找悬臂轴线交点即可。如若采用六轴机械臂确定不动点，需要末端装置的一点不动，而末端执行装置的姿态却在不停的变化，这要求医生的手腕关节以外其他手肘手臂身体等关节处都要进行复杂的调整，反应在六轴机械臂上就是对各个关节需要及其复杂的求逆解，有时还会出现奇异点情况求不出结果。本发明通过借助，保证眼科显微手术辅助机器人系统高强度高稳定性的同时使得构建RCM的难度大大降低。

2、本发明的双操作臂机器人，能够高质量、高效率、高可靠性地完成眼底视网膜显微手术，极大地提高了眼科显微手术效果的一致性。

现有确认不动点的机构有两种，一种是球型机构，球心即为RCM，但由于现有的六轴机械臂各个转动关节都会产生误差，依此累计，末端误差增大。刚性不足，易变形，使得末端注射器上的RCM点晃动，进而对患者眼部造成损伤。

另一种是圆弧轨道机构，圆弧轨道机构的圆心即为RCM，由于圆弧轨道上驱动装置不好设置，容易增加质量，而且刚度差。

本发明通过采用四杆机构设计，RCM确定简单，一次校正后直接使用，驱动装置便于配置。这些都保证了手术能高效进行。结构的高刚度设计，配合控制系统，消除医生生理震颤，进而实现高质量眼科手术。

3、本发明采用了四杆机构，旋转悬臂，各个直线模组精确位移的构型；并通过柔顺控制的方式实现消除抖动，进而面向眼底视网膜显微手术的机器人操作臂，提高了手术操作的精准度和稳定性，末端执行器分辨率控制在50um以内。

4、本发明采用的X轴直线导轨模块、Y轴直线导轨模块和Z轴直线导轨模块的导轨的导程为5mm，悬臂直线导轨的导程为2mm，末端直线导轨的导程为5mm。能够实现大范围移动迅速，快速到达移动位置。将悬臂初始角度设置成65°，既满足手术需要，又为手术中悬臂下端留出充足活动空间。从而增大了器械运动范围。

5、本发明基于3D视频显微和实时传输技术，改善了既往显微镜操作模式下对医生的约束，便于显微手术机器人系统实现多种手术的共享操作，拓展了眼科手术中的远程指导和实时手术直播教学功能；通过对双臂机器人的合理构型和相应控制机理的综合创成，眼科显微手术辅助双臂机器人系统提高了手术操作的精准度和稳定性，增大了器械运动范围，消除了人工手术不可避免的生理颤抖，使原来的眼内手术操作更加安全和稳定，提高了手术的成功率，拓展了治疗手段。

附图说明

图1是主操作臂或副操作臂的立体结构示意图。图2是图1的主视图；图3是去掉基座后的整体结构示意图(其中的连杆组件采用了不同于具体实施方式一中的延长杆和支撑杆形状)；图4是悬臂旋转模块1、连杆组件2和末端执行器组件3组装在一起的结构示意图；图5是X轴直线导轨模块B的结构示意图。图6是本发明使用状态一的结构示意图；图7是本发明使用状态二的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的一种眼科显微手术辅助机器人系统，它包括主手术台6，主手术台6安装在工作台上，其特征在于：它还包括3D视频显微装置7、双操作臂机器人8和脚踏切换开关9，主手术台6位于双操作臂机器人8之间，且主手术台6的下部与双操作臂机器人8的基座连接为一体，3D视频显微装置7吊装在双操作臂机器人8中间部位的上方，脚踏切换开关9通过柔性线缆和拖链与3D视频显微装置7和双操作臂机器人8连接；

双操作臂机器人8包括主操作臂和副操作臂，主操作臂和副操作臂对称布置；

主操作臂包括悬臂旋转模块1、连杆组件2、末端执行器组件3、基座A、X轴直线导轨模块B、Y轴直线导轨模块C和Z轴直线导轨模块D，X轴直线导轨模块B水平安装在基座A上，Y轴直线导轨模块C安装在X轴直线导轨模块B上，Z轴直线导轨模块D安装在Y轴直线导轨模块C上，悬臂旋转模块1安装在Z轴直线导轨模块D上，连杆组件2安装在悬臂旋转模块1上，末端执行器组件3安装在连杆组件2上；末端执行器组件3包括末端基座3-1、六维力传感器3-2、末端执行器直线导轨模块3-3、手术注射器3-4和基于FBG光纤光栅微力传感器3-5，末端基座3-1与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块3-3安装在末端基座3-1上，六维力传感器3-2安装在末端基座3-1和末端执行器直线导轨模块3-3之间，手术注射器3-4与末端执行器直线导轨模块3-3上的滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器3-5安装在手术注射器3-4上，手术注射器3-4尖端的延长线与悬臂1-3中心轴的延长线的交点形成RCM点；

副操作臂包括悬臂旋转模块1、连杆组件2、末端执行器组件3、基座A、X轴直线导轨模块B、Y轴直线导轨模块C和Z轴直线导轨模块D，X轴直线导轨模块B水平安装在基座A上，Y轴直线导轨模块C安装在X轴直线导轨模块B上，Z轴直线导轨模块D安装在Y轴直线导轨模块C上，悬臂旋转模块1安装在Z轴直线导轨模块D上，连杆组件2安装在悬臂旋转模块1上，末端执行器组件3安装在连杆组件2上；末端执行器组件3包括末端基座3-1、六维力传感器3-2、末端执行器直线导轨模块3-3和照射光源3-6，末端基座3-1与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块3-3安装在末端基座3-1上，六维力传感器3-2安装在末端基座3-1和末端执行器直线导轨模块3-3之间，照射光源3-6与末端执行器直线导轨模块3-3上的滑块连接。

本实施方式的主操作臂和副操作臂的悬臂旋转模块1包括旋转模块1-1、悬臂基座1-2、悬臂1-3、悬臂直线导轨模块1-4、悬臂滑块1-5、悬臂滑块连接件1-6和旋转模块外壳1-7，连杆组件2包括驱动杆2-1和单自由度的平行四边形连杆机构；悬臂基座1-2的一端与外置移动装置连接，悬臂基座1-2的另一端与旋转模块1-1连接，悬臂1-3与旋转模块1-1连接，悬臂直线导轨模块1-4安装在悬臂1-3内，悬臂滑块1-5滑动安装在悬臂直线导轨模块1-4上，悬臂滑块连接件1-6安装在悬臂滑块1-5上，旋转模块外壳1-7罩在旋转模块1-1和悬臂基座1-2上；驱动杆2-1的一端铰接在悬臂滑块连接件1-6上，单自由度的平行四边形连杆机构的底部铰接在悬臂1-3的另一端上，驱动杆2-1的另一端与单自由度的平行四边形连杆机构的一侧侧端面进行连接。

本实施方式的悬臂旋转模块1中，悬臂基座1-2被加工为两个呈30°的法兰盘的组合体，悬臂基座1-2的一端与外置移动装置相连，悬臂基座1-2的另一端与旋转模块1-1固连；能够便于悬臂基座1-2进行全方位的转动，保证末端执行器组件3的动作的位置灵活性。

本实施方式的旋转模块外壳1-7固定在悬臂基座1-2上，对旋转模块1-1起到保护作用。

本实施方式的悬臂直线导轨模块1-4上的悬臂滑块连接件1-6的底部与悬臂滑块1-5固连，同时在上部被加工出通孔，实现与连杆组件2的驱动杆1-1铰接。

本实施方式的末端执行器组件3的末端基座3-1与第一、第二末端支撑杆的末端孔铰接，实际起到了固连的作用。

本实施方式的基于FBG光纤光栅微力传感器3-5则布置在手术注射器3-4针头末端，能够感知手术注射器3-4的微量力变化，使得手术更加精准。

本发明的适于眼底显微手术的微创执行机构，通过在加工中调整悬臂基座1-2的夹角，使得悬臂1-3在初始位置便与水平面有一夹角；悬臂1-3能够绕悬臂轴线旋转，从而带动末端执行器的旋转；借助悬臂直线导轨模块1-4和连杆组件2，则能够对末端执行器的俯仰角进行±45°的调整；连杆组件2采用平行四边形的结构设计，能够使得连杆组件2末端搭载的手术注射器3-4尖端的延长线与悬臂中心轴的延长线的交点形成RCM(不动点)，使得在悬臂直线导轨模块1-4动作带动末端执行器的俯仰角变化时，RCM位置不发生改变，同时，由于RCM同时位于悬臂1-3的轴线上，使得RCM的位置在悬臂1-3旋转时也不产生变化；末端执行器直线导轨模块3-3，则能够使手术注射器完成插入眼球内部的操作。

本实施方式的面向眼底视网膜显微手术的机器人操作臂能够高质量、高效率、高可靠性地完成眼底视网膜显微手术，极大地提高了手术效果的一致性；通过对机器人操作臂的合理构型和相应控制机理的综合创成，面向眼底视网膜显微手术的机器人操作臂提高了手术操作的精准度和稳定性，增大了器械运动范围，消除了人工手术不可避免的生理颤抖，使原来的眼内手术操作更加安全和稳定，提高了手术的成功率，拓展了治疗手段。

本实施方式的Y轴直线导轨模块水平放置，底部与X轴直线导轨的滑块连接，能够在X轴直线导轨模块驱动下沿X轴直线移动；Z轴直线导轨模块垂直放置，导轨末端与Y轴直线导轨模块的滑块连接，能够在Y轴直线导轨模块驱动下沿Y轴直线移动；Y轴直线导轨模块和Z轴直线导轨模块同样都安装有3个光电开关和1个增量式光栅尺，结构与X轴直线导轨模块类似。

本实施方式的主手术台平放在工作台上，下部与双操作臂机器人的基座连为一体，底部设置为中空形式，方便双操作臂机器人的走线。副操作台上布置PC主控计算机，方便助手在眼科显微手术中进行实时监控，保障手术的安全高效完成。

本实施方式的双操作臂机器人分开布置在主手术台6台头的两侧，X轴直线导轨模块通过螺栓与机器人基座连接，机器人基座通过空心立柱与手术台连接，方便双操作臂机器人的走线，Y轴直线导轨模块与X轴直线导轨模块连接，能够实现在沿X轴直线导轨上的精确移动；Z轴直线导轨模块与Y轴直线导轨模块连接，能够实现在沿Y轴直线导轨上的精确移动；悬臂旋转模块则与Z轴直线导轨模块连接，既能够实现沿Z轴直线导轨上的精确移动，也能实现绕悬臂旋转模块轴线的旋转；悬臂直线导轨模块安装在悬臂旋转模块的伸出轴上，使得悬臂直线导轨模块上的滑块铰接的推拉杆带动连杆模块的运动，最终实现对末端手术注射器的俯仰角调整；六维力传感器的一端固定在连杆模块的末端，一端与手术执行器直线导轨模块连接，能够感知在拖动末端执行器时各个方向的力或力矩的大小；手术注射器搭载在手术执行器直线导轨上，使得手术注射器沿导轨方向直线运动，完成眼科显微手术中的插入动作；FBG光纤光栅微力传感器搭载在手术注射器上，能够测量出注射器与眼部精细组织接触时的细微力的变化；副操作臂布置在主操作臂的另一侧，机械结构与主机械臂基本相同，区别在于末端则搭载光源，通过对光源的位姿的调整能够实现对眼部区域的精确照明。双操作臂机械臂机器人具有12个自由度，分别由10个直线导轨模块与2个悬臂旋转模块组成。所有直线导轨模块分别搭载增量式光栅尺1个，布置在导轨两端和中间部位的光电开关3个，实现对导轨处滑块位置的精确控制。为精确控制旋转角度，悬臂旋转模块也配备有绝对值编码器以实时监控旋转过的角度。双操作臂机器人在保证精密、可靠地机械结构的同时具有12个自由度，极大地提高了眼科显微手术机器人的灵活性，其中根据手术的不同需要，末端可以搭载不同的手术执行器以完成相应的手术任务。

本实施方式的脚踏切换开关布置在主刀医生控制面板的正下方，手术时，医生可以通过踩踏脚踏开关实现在手持模式和摇杆模式间的无缝转换，提高手术的效率。其中，手持模式，主要用于眼科显微手术开始时的粗摆位阶段。在手术开始时，需要将手术注射器调整至与手术台65°夹角、置于接近人眼部斜上方处。此时若通过摇杆控制末端执行器的移动显然是复杂且低效的。踩踏脚踏切换开关切换至手持模式，借助六维力传感器，感知主刀医生拖动末端执行器的力的方向，通过相应算法实现对操作臂机器人的快速准确随动。摇杆模式，主要用于眼科操作模式中的精确操作阶段。在粗摆位完成后，借助3D显微装置,精摆位末端手术执行器，便于找准在眼部巩膜处的RCM不动点，进行下一步的注射器插入操作。同样的，在插入人眼部巩膜RCM不动点后，手术注射器在人眼部中的位姿调整，都要采用到摇杆模式。摇杆模式主要通过主刀医生操纵摇杆实现对手术注射器的精确控制。

眼科显微手术辅助双臂机器人系统的工作过程，是在主刀医生的主导下进行。主刀医生通过相应操作面板，利用XYZ直线导轨模块，实现对双臂机器人的大范围快速移动；借助3D显微系统，则能够实现对双臂机器人的精确位置控制；借助悬臂旋转模块，末端手术执行器能够绕悬臂轴线旋转；借助悬臂旋转模块上的悬臂直线导轨模块，则能够实现对末端手术执行器的俯仰角控制。在进行眼底视网膜血管注射手术时，实验要求在距眼球中心约10mm处开1.6-2mm的孔膜，以便手术注射器的插入。主刀医生首先通过手持双臂机器人的末端执行器，借助六维力传感器实现对末端执行器的大范围快速移动以及粗略位姿调整，使得手术注射器尖端接近孔膜，位于孔膜的斜上方。然后，主刀医生踩下踩踏切换开关，操纵摇杆对手术注射器进行精确的位姿调整，之后将手术注射器插入孔膜中，在副操作臂光纤的照明下对准病灶位置使得手术注射器直线运动，之后借助手术注射器上的基于FBG光纤光栅的微力传感器检测出注射器是否到达血管内部，在插入血管后停止双臂机器人中主操作臂的动作，注射药物，最后退出注射器，完成相应的术后操作。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的旋转模块1-1包括电机、传动装置、蜗杆和蜗轮，电机的输出端与传动装置连接，传动装置的输出端与蜗轮连接，蜗杆安装在悬臂1-3的里侧，且蜗杆与蜗轮啮合。实际使用时，旋转模块1-1的厂家为Parker生产的R150M。如此设置，带动整个悬臂1-3绕悬臂轴线的旋转；连接方式简单，可靠，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的悬臂直线导轨模块1-4采用的型号为KK40-01P-150A-F2ES2(PNP)。如此设置，行程大，便于生产制造，成本低。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的悬臂旋转模块1还包括悬臂增量式光栅尺和多个悬臂光电开关，悬臂增量式光栅尺和多个悬臂光电开关安装在旋转模块1-1上，其中悬臂增量式光栅尺沿旋转模块1-1的长度方向安装在旋转模块1-1的一侧端面上，多个悬臂光电开关对称安装旋转模块1-1的长度方向的两端侧端面上。如此设置，检测更加准确。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式在开始零点校正时，直线导轨在电机驱动下先向一端运动，在到达初始端处时被光电开关检测到，停止电机运动，滑块停止；之后电机反转，手动调整，运动到零点位置时，电机停止旋转，这时记录光栅尺上的脉冲数，推导出滑块运动的直线距离，以后在每次工作前都可以先让电机旋转至初始端，在光电开关作用下停止，之后根据光栅尺记录数据直接驱动电机转动相应圈数，到达标定位置即可。同理，借助高精度的光栅尺，各个直线导轨都能够精确移动。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式的驱动杆2-1为实心驱动杆，驱动杆2-1的两端均为拔叉状。如此设置，保证了驱动杆2-1的机械强度；驱动杆2-1拨叉状的两端被开通孔，分别与悬臂滑块连接件1-6与第一中间延长杆2-2铰接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式的单自由度的平行四边形连杆机构包括第一中间延长杆2-2、第二中间延长杆2-3、第一末端支撑杆2-4和第二末端支撑杆2-5，第一中间延长杆2-2的下端和第二中间延长杆2-3的下端铰接在悬臂1-3的另一端，其中第一中间延长杆2-2的侧端面与驱动杆2-1铰接，第一末端支撑杆2-4的一端和第二末端支撑杆2-5的一端与第一中间延长杆2-2的上端和第二中间延长杆2-3的上端铰接，第一末端支撑杆2-4的另一端和第二末端支撑杆2-5的另一端与末端基座3-1连接。RCM确定简单，一次校正后直接使用，驱动装置便于配置。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的单自由度的平行四边形连杆机构为双平行四边形的四杆机构。其中第一中间延长杆2-2、第二中间延长杆2-3、第一末端支撑杆2-4和第二末端支撑杆2-5均为双平行连杆，两根平行杆之间通过杆件连接。

本实施方式的第一中间延长杆2-2与第二中间延长杆2-3结构类似，长度相同，都存在三个相同对应位置处的铰接点，分别与悬臂1-3、第一末端支撑杆2-4、第二末端支撑杆2-5铰接，区别在于第一中间延长杆2-2增加了一个与驱动杆2-1连接的铰接孔；第一末端支撑杆2-4与第二末端支撑杆2-5结构类似，长度相同，除了与第一中间延长杆2-2和第二中间延长杆2-3的铰接点外增加了一个末端的铰接点；第一、第二中间延长杆与第一、第二末端支撑杆连同末端基座3-1，构成单自由度的平行四边形连杆机构，平行四边形机构随驱动杆2-1动作，实现对末端基座3-1上的手术注射器3-4的俯仰角控制；所述俯仰角的控制角度为±45°。

杆组件2采用平行四边形的结构设计，能够使得连杆组件2末端搭载的手术注射器3-7尖端的延长线与悬臂1-3中心轴的延长线的交点形成RCM(不动点)，对眼球的创伤最小，只有这一点的伤口，实现微创。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式的单自由度的平行四边形连杆机构还包括多个自润滑轴套2-6，第一中间延长杆2-2、第二中间延长杆2-3、第一末端支撑杆2-4和第二末端支撑杆2-5的铰接处分别通过一个自润滑轴套2-6进行铰接。如此设置，连杆组件2的铰接点处通过自润滑轴套2-6连接，既保证了铰接点处的无缝装配，又保证了个杆件间的平滑转动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的末端执行器直线导轨模块3-3的型号为KC30-01P-100A-F2ES2(PNP)。成本低廉。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图4说明本实施方式，本实施方式的基于FBG光纤光栅微力传感器3-5安装在手术注射器3-4的针头末端。FBG光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图4说明本实施方式，本实施方式的末端执行器组件3还包括末端增量式光栅尺和多个末端光电开关，末端增量式光栅尺和多个末端光电开关安装在执行器直线导轨模块3-3上，其型号为KC30-01P-100A-F2ES2(PNP)。如此设置，记录手术注射器3-4尖端与悬臂1-3轴线延长线的RCM位置，完成对RCM点的校准。同时，还能够检测出手术注射器3-4是否已插入视网膜血管，并在插入血管后停止机器人操作臂的动作，保障患者安全的同时能够将药物精确注入血管。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

具体实施方式十一：结合图1至2说明本实施方式，本实施方式的基座A包括杆状部分A-1、弯头部分A-2和平台部分A-3，杆状部分A-1水平设置，平台部分A-3水平设置在杆状部分A-1的一端，杆状部分A-1和平台部分A-3之间通过弯头部分A-2连接。如此设置，使得悬臂旋转模块1、连杆组件2和末端执行器组件3的位置调整更加灵活，而且活动空间大，其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九或十相同。

本实施方式的杆状部分可与相应眼科显微手术手术台或医用吊柱连接，拓展了手术的操作空间；平台部分通过螺钉螺母与X轴直线导轨模块连接。

具体实施方式十二：结合图5说明本实施方式，本实施方式的X轴直线导轨模块B包括X轴直线导轨B-1、滑块B-2、X轴增量光栅尺B-3和两个X轴光电开关B-4，X轴增量光栅尺B-3沿X轴直线导轨B-1长度方向安装在X轴直线导轨B-1的一侧端面上，两个X轴光电开关B-4沿X轴直线导轨B-1长度方向安装在X轴直线导轨B-1的另一侧端面两端，滑块B-2滑动安装在X轴直线导轨B-1上。

如此设置，X轴直线导轨模块B水平放置，底部固定在基座的平台部分上；Y轴直线导轨的一侧在起始位置和中间位置分别安装有光电开关，另一侧则安装有增量式光栅尺一个；直线导轨上的滑块上左右两侧相应位置金属座凸起的设计，用于安装光电开关和光栅尺的组件。利用光电开关，感知出滑块是否到达起始或中点位置，利用增量式光栅尺，则能够精确测量出滑块移动的位置信息；滑块通过合理设计高度，既保证了Y轴直线导轨模块的底座不与X轴直线导轨模块的外壳相接触，又保证了机器人操作臂的紧凑性。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九、十或十一相同。

本发明是通过对双臂机器人的末端执行器直线导轨模块的拖动，借助六维力传感器感知力的方向、各个直线导轨模块上增量式光栅尺感知位置，通过对机器人操作臂的相应控制，实现手术注射器的大范围快速移动以及粗略位姿调整，借助配套的3D显微成像装置及机器人操作臂控制器，通过对悬臂旋转模块以及连杆组件的控制。实现对手术注射器进行精确的位姿调整；借助末端执行器直线导轨模块，实现手术注射器插入孔膜的操作，并对准病灶位置手术注射器直线运动。利用手术注射器上的基于FBG光纤光栅的微力传感器，则能够检测出注射器是否已插入视网膜血管，并在插入血管后停止机器人操作臂的动作，将药物注入血管中。

具体实施方式十三：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的3D视频显微装置7包括第一医用吊柱7-1、医用显示器7-2、第二医用吊柱7-3、3D视频成像装置7-4和软管镜头7-5，第一医用吊柱7-1竖直吊装在室内上部空间屋顶，第二医用吊柱7-3通过第一医用吊柱7-1水平吊装，医用显示器7-2安装在第二医用吊柱7-3上，3D视频成像装置7-4通过第一医用吊柱7-1竖直吊装在主手术台6上方，软管镜头7-5与3D视频成像装置7-4连接。如此设置，便于为医生提供良好的图像参考，保证手术的准确性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至十二任意一项相同。

本发明的具体工作过程如下：

首先：在悬臂1-3的初始角度下，悬臂基座的本身两个组合体的30°通过调整悬臂直线导轨模块1-4使得手术注射器3-4与患者瞳孔的中轴线呈65°，(患者平躺，由医生操作确定与手术床平面65°即可)同时，利用末端执行器直线导轨模块3-3上的光电开关和增量式光栅尺，记录手术注射器3-4尖端与悬臂1-3轴线延长线的RCM位置，完成对RCM点的校准。

然后，主刀医生手持双臂机器人的末端执行器导轨模块3-3进行拖动，借助六维力传感器3-2感知力的方向、各个直线导轨模块上增量式光栅尺感知位置，通过对机器人操作臂的XYZ轴方向移动，通过手持模式实现手术注射器的大范围快速移动以及粗略位姿调整，使得手术注射器尖端接近孔膜，位于孔膜的斜上方。之后借助配套的外置3D显微成像装置及机器人操作臂控制器，对手术注射器进行精确的位姿调整，使得手术注射器的针头RCM位于孔膜处。

以上工作完成后，借助末端执行器直线导轨模块3-3，将手术注射器3-4插入孔膜中，并对准病灶位置手术注射器直线运动，利用悬臂直线导轨模块1-4及连杆组件2，精确实现手术注射器3-4在眼球内部±45°的俯仰角控制，利用悬臂旋转模块1的旋转功能，实现绕RCM的旋转。通过借助手术注射器上的基于FBG光纤光栅的微力传感器3-5，能够检测出手术注射器3-4是否已插入视网膜血管，并在插入血管后停止机器人操作臂的动作，保障患者安全的同时能够将药物精确注入血管。

最后退出手术注射器3-4，完成相应的术后操作即可。

Claims (10)

1.一种眼科显微手术辅助机器人系统，它包括主手术台(6)，主手术台(6)安装在工作台上，其特征在于：它还包括3D视频显微装置(7)、双操作臂机器人(8)和脚踏切换开关(9)，主手术台(6)位于双操作臂机器人(8)之间，且主手术台(6)的下部与双操作臂机器人(8)的基座连接为一体，3D视频显微装置(7)吊装在双操作臂机器人(8)中间部位的上方，脚踏切换开关(9)通过柔性线缆和拖链与3D视频显微装置(7)和双操作臂机器人(8)连接；

双操作臂机器人(8)包括主操作臂和副操作臂，主操作臂和副操作臂对称布置；

主操作臂包括悬臂旋转模块(1)、连杆组件(2)、末端执行器组件(3)、基座(A)、X轴直线导轨模块(B)、Y轴直线导轨模块(C)和Z轴直线导轨模块(D)，X轴直线导轨模块(B)水平安装在基座(A)上，Y轴直线导轨模块(C)安装在X轴直线导轨模块(B)上，Z轴直线导轨模块(D)安装在Y轴直线导轨模块(C)上，悬臂旋转模块(1)安装在Z轴直线导轨模块(D)上，连杆组件(2)安装在悬臂旋转模块(1)上，末端执行器组件(3)安装在连杆组件(2)上；末端执行器组件(3)包括末端基座(3-1)、六维力传感器(3-2)、末端执行器直线导轨模块(3-3)、手术注射器(3-4)和基于FBG光纤光栅微力传感器(3-5)，末端基座(3-1)与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块(3-3)安装在末端基座(3-1)上，六维力传感器(3-2)安装在末端基座(3-1)和末端执行器直线导轨模块(3-3)之间，手术注射器(3-4)与末端执行器直线导轨模块(3-3)上的滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器(3-5)安装在手术注射器(3-4)上，手术注射器(3-4)尖端的延长线与悬臂(1-3)中心轴的延长线的交点形成RCM点；

副操作臂包括悬臂旋转模块(1)、连杆组件(2)、末端执行器组件(3)、基座(A)、X轴直线导轨模块(B)、Y轴直线导轨模块(C)和Z轴直线导轨模块(D)，X轴直线导轨模块(B)水平安装在基座(A)上，Y轴直线导轨模块(C)安装在X轴直线导轨模块(B)上，Z轴直线导轨模块(D)安装在Y轴直线导轨模块(C)上，悬臂旋转模块(1)安装在Z轴直线导轨模块(D)上，连杆组件(2)安装在悬臂旋转模块(1)上，末端执行器组件(3)安装在连杆组件(2)上；末端执行器组件(3)包括末端基座(3-1)、六维力传感器(3-2)、末端执行器直线导轨模块(3-3)和照射光源(3-6)，末端基座(3-1)与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块(3-3)安装在末端基座(3-1)上，六维力传感器(3-2)安装在末端基座(3-1)和末端执行器直线导轨模块(3-3)之间，照射光源(3-6)与末端执行器直线导轨模块(3-3)上的滑块连接。

2.根据权利要求1所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：主操作臂和副操作臂的悬臂旋转模块(1)包括旋转模块(1-1)、悬臂基座(1-2)、悬臂(1-3)、悬臂直线导轨模块(1-4)、悬臂滑块(1-5)、悬臂滑块连接件(1-6)和旋转模块外壳(1-7)，连杆组件(2)包括驱动杆(2-1)和单自由度的平行四边形连杆机构；

悬臂基座(1-2)的一端与外置移动装置连接，悬臂基座(1-2)的另一端与旋转模块(1-1)连接，悬臂(1-3)与旋转模块(1-1)连接，悬臂直线导轨模块(1-4)安装在悬臂(1-3)内，悬臂滑块(1-5)滑动安装在悬臂直线导轨模块(1-4)上，悬臂滑块连接件(1-6)安装在悬臂滑块(1-5)上，旋转模块外壳(1-7)罩在旋转模块(1-1)和悬臂基座(1-2)上；驱动杆(2-1)的一端铰接在悬臂滑块连接件(1-6)上，单自由度的平行四边形连杆机构的底部铰接在悬臂(1-3)的另一端上，驱动杆(2-1)的另一端与单自由度的平行四边形连杆机构的一侧侧端面进行连接。

3.根据权利要求2所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：驱动杆(2-1)为实心驱动杆，驱动杆(2-1)的两端均为拔叉状。

4.根据权利要求3所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：单自由度的平行四边形连杆机构包括第一中间延长杆(2-2)、第二中间延长杆(2-3)、第一末端支撑杆(2-4)和第二末端支撑杆(2-5)，第一中间延长杆(2-2)的下端和第二中间延长杆(2-3)的下端铰接在悬臂(1-3)的另一端，其中第一中间延长杆(2-2)的侧端面与驱动杆(2-1)铰接，第一末端支撑杆(2-4)的一端和第二末端支撑杆(2-5)的一端与第一中间延长杆(2-2)的上端和第二中间延长杆(2-3)的上端铰接，第一末端支撑杆(2-4)的另一端和第二末端支撑杆(2-5)的另一端与末端基座(3-1)连接。

5.根据权利要求4所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：单自由度的平行四边形连杆机构还包括多个自润滑轴套(2-6)，第一中间延长杆(2-2)、第二中间延长杆(2-3)、第一末端支撑杆(2-4)和第二末端支撑杆(2-5)的铰接处分别通过一个自润滑轴套(2-6)进行铰接。

6.根据权利要求5所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：基于FBG光纤光栅微力传感器(3-5)安装在手术注射器(3-4)的针头末端。

7.根据权利要求6所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：末端执行器组件(3)还包括末端增量式光栅尺和多个末端光电开关，末端增量式光栅尺和多个末端光电开关安装在执行器直线导轨模块(3-3)上。

8.根据权利要求1或7所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：基座(A)包括杆状部分(A-1)、弯头部分(A-2)和平台部分(A-3)，杆状部分(A-1)水平设置，平台部分(A-3)水平设置在杆状部分(A-1)的一端，杆状部分(A-1)和平台部分(A-3)之间通过弯头部分(A-2)连接。

9.根据权利要求8所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：X轴直线导轨模块(B)包括X轴直线导轨(B-1)、滑块(B-2)、X轴增量光栅尺(B-3)和两个X轴光电开关(B-4)，X轴增量光栅尺(B-3)沿X轴直线导轨(B-1)长度方向安装在X轴直线导轨(B-1)的一侧端面上，两个X轴光电开关(B-4)沿X轴直线导轨(B-1)长度方向安装在X轴直线导轨(B-1)的另一侧端面两端，滑块(B-2)滑动安装在X轴直线导轨(B-1)上。

10.根据权利要求1或9所述的一种眼科显微手术辅助机器人系统，其特征在于：3D视频显微装置(7)包括第一医用吊柱(7-1)、医用显示器(7-2)、第二医用吊柱(7-3)、3D视频成像装置(7-4)和软管镜头(7-5)，第一医用吊柱(7-1)竖直吊装在室内上部空间，第二医用吊柱(7-3)通过第一医用吊柱(7-1)水平吊装，医用显示器(7-2)安装在第二医用吊柱(7-3)上，3D视频成像装置(7-4)通过第一医用吊柱(7-1)竖直吊装在主手术台(6)上方，软管镜头(7-5)与3D视频成像装置(7-4)连接。