CN110123457B - 一种面向微创手术的变刚度机器人及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向微创手术的变刚度机器人及工作方法，包括：机械臂：前端与固定在底板的机械臂支座连接，包括柔性管、多个关节及多组绳线，相邻关节球面接触，柔性管穿过所有关节，所有关节中穿过有绳线，绳线沿与关节同心设置的圆周均匀分布，一组内的两根绳线布置在所述圆周直径的两端，绳线一端端部与机械臂末端的关节固定连接，另一端穿过机械臂支座；弯曲机构：包括设置在底板的多个能够转动的转盘，一组内的两根绳线穿过机械臂支座后固定连接同一个转盘，转盘转动能够收起一根绳线的同时释放另一根绳线；刚性杆：能够伸入或伸出柔性管，改变机械臂的刚度，本发明的机器人能够对机械臂提供刚性支撑，避免了对人体的损伤。

Description

一种面向微创手术的变刚度机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种面向微创手术的变刚度机器人及工作方法。

背景技术

单孔腹腔镜手术，即将以往腹腔镜技术中使用的多个穿刺孔集中于一个切口，通常将切口位置选在脐部。因切口减少，较普通腹腔镜更具有创伤小，疼痛轻，术后恢复快，穿刺孔疝和穿刺孔感染发生的几率降低等优点，同时手术后的疤痕会隐藏在脐窝内，不易发现，因而具有明显的美容效果。然而，由于单孔腹腔镜手术的视野从过去的立体改为平行，需要克服“器械打架”、操作自由度不佳、手术者对距离和深度的判断困难及术野显露差等难题，对手术医生腹腔镜技术要求非常高，显著延长了学习曲线。

机器人技术的介入使得机器人腹腔镜微创外科手术的优势更显著：首先机器人改善了医生的工作模式，规范了手术操作，提高了手术质量，对机器人微创手术发展与普及起到重要的推动作用；其次，通过机器人来实施微创外科手术消除了医生的疲劳感和生理限制，机器人视觉系统和机器人操作臂延伸了医生的手、眼操作能力，并且机器人的操作精准性和操作灵活性也增强了外科手术的安全性；而且，通过医疗机器人的介入也改善了医生的操作环境，减少医生射线辐射强度，延长了外科医生的职业寿命和医生的人身安全。

一般来说，机器人手臂可以分为三类：离散，蛇形和连续体。传统的串联和并联机器人是离散型的。它们由多个刚性连杆和铰链组成，并且可以在大载荷下精确定位。然而，发明人发现，它们的尺寸通常很大且自由度有限，无法适用于狭窄、拥挤等复杂的非结构化环境。软体体机器人结构紧凑，理论上具有无限的自由度，具有小巧灵活的特点。因此，它们更适合于人体内多组织、多器官环境。单孔软体手术机器人能够通过单一的切口进入患者体内实施手术，通过高度集成化的手术机械臂整体进入患者体内，减少了患者体外的机器人机构体积并降低了患者的创口数量，在最大程度上实现了微创。然而，发明人发现，软体机器人由于缺乏高刚性，导致其定位精度和承受负载能力较弱。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种面向微创手术的变刚度机器人，既适用于狭窄、拥挤等复杂的结构化环境，又能提供较高的定位精度和承载能力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种面向微创手术的变刚度机器人，包括：

机械臂：前端与固定在底板的机械臂支座连接，包括柔性管、多个关节及多组绳线，相邻关节球面接触，柔性管穿过所有关节，所有关节中穿过有绳线，绳线沿与关节同心设置的圆周均匀分布，一组内的两根绳线布置在所述圆周直径的两端，绳线一端端部与机械臂末端的关节固定连接，另一端穿过机械臂支座。

弯曲机构：包括设置在底板的多个能够转动的转盘，一组内的两根绳线穿过机械臂支座后固定连接同一个转盘，转盘转动能够收起一根绳线的同时释放另一根绳线。

刚性杆：能够伸入或伸出柔性管，改变机械臂的刚度。

进一步的，所述底板固定有第一驱动机构，所述第一驱动机构与转盘连接，第一驱动机构能够驱动转盘的转动。

进一步的，所述第一驱动机构采用舵机，舵机的输出轴与转盘连接。

进一步的，所述刚性杆与固定在底板的第二驱动机构连接，第二驱动机构能够驱动刚性杆伸入或伸出柔性管。

进一步的，所述第二驱动机构包括与底板固定连接的第一电机，第一电机的输出轴连接第一丝杠，第一丝杠连接有第一丝杠滑块，第一丝杠滑块与刚性杆固定连接。

进一步的，所述关节一侧端面设有凸台，凸台具有球状端面，关节的另一端具有与所述球状端面相匹配的球状槽面，相邻关节的球状端面和球状槽面接触，实现相邻关节的球面接触。

进一步的，所述底板与第三驱动机构连接，第三驱动机构能够驱动底板沿平直状态下机械臂的轴线方向运动。

进一步的，所述第三驱动机构包括第二电机，所述第二电机与第二丝杠连接，所述第二丝杠连接有第二丝杠滑块，所述第二丝杠滑块与底板固定连接。

进一步的，所述绳线穿过机械臂支座后绕接有导向轮，利用导向轮导向后与转盘连接，所述导向轮与导向轮座连接，所述导向轮座可移动的安装在底板上。

本发明还公开了一种面向微创手术的变刚度机器人的工作方法：转盘转动，转盘带动与其连接的一根绳线收起的同时释放另一根绳线，带动机械臂向收起绳线一侧的方向弯曲，机械臂能够在人体腔路中前进到达目的位置，刚性杆伸入或伸出柔性管，能够改变机械臂的刚度。

本发明的有益效果：

1.本发明的机器人装置，具有刚性杆，刚性杆能够伸入机械臂的柔性管中，使部分柔性管管段无法弯曲，为机械臂的工作提供了刚性支撑，避免了人体提供支点，减少对人体的伤害，又避免了机械臂不必要的弯曲，减少了与人体内部的干涉，提高了机械臂的灵活性和可操作性，解决了软体机器人刚性较差，定位精度和承载能力不足的问题。

2.本发明的机器人装置，具有多个球面接触的关节，可以利用绳线控制机械臂的弯曲，解决了传统的离散型机器人无法适用于狭窄、拥挤等复杂的结构化环境的问题。

3.本发明的机器人装置，转盘与第一驱动机构连接，刚性杆与第二驱动机构连接，底板与第三驱动机构连接，实现了机械臂调节的自动化操作，降低了操作人员的劳动强度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1整体结构主视图；

图3为本发明实施例1机械臂拆分结构示意图；

图4为本发明实施例1关节主视示意图；

图5为本发明实施例1关节侧视示意图；

图6为本发明实施例1导向轮与绳线分布示意图一；

图7为本发明实施例1导向轮与绳线分布示意图二；

图8为本发明实施例1导向轮与绳线分布示意图三；

图9为本发明实施例1导向轮与绳线分布示意图四；

其中，1.机械臂，1-1.柔性管，1-2.关节，1-2-1.凸台，1-2-2.球状端面，1-2-3.通孔，1-2-4.穿孔，1-2-5.球状槽面，1-3.绳线，1-3-1.绳线Ⅰ，1-3-2.绳线Ⅱ，2.机械臂支座，3.底板，4.法兰连接盘，5.舵机，6.支撑板，7.转盘，8.导向轮座，9.固定螺栓，10.滑槽，11.第二驱动机构支座，12.第一电机，13.第一丝杠，14.第一丝杠滑块，15.刚性杆固定座，16.刚性杆，17.第二电机，18.平台，19.第二丝杠，20.第二丝杠滑块，21.肋板，22.滑轨，23.第一绳线，24.第二绳线，25.第一导向轮，26.第二导向轮，27.第三导向轮，28.第四导向轮，29.第五导向轮，30.第六导向轮，31.第七导向轮，32.第八导向轮。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前的微创手术用离散型机器人无法适用狭窄、拥挤等复杂的非结构化环境，而软体机器人刚性差，定位精度和承载能力不足，针对上述问题，本申请提出了一种面向微创手术的变刚度机器人。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-5所示，一种面向微创手术的变刚度机器人，包括机械臂1、用于控制机械臂弯曲的弯曲机构及用于改变机械臂刚度的刚性杆。

机械臂的前端与机械臂支座2固定连接，机械臂支座固定在底板3上，所述机械臂包括柔性管1-1、多个关节1-2及四组绳线1-3(共八根绳线)。

所述关节一侧端面设置有凸台1-2-1，所述凸台具有球状端面1-2-2，所述关节的另一侧端面设有与所述球状端面相匹配的球状槽面1-2-5，相邻关节的球状端面和球状槽面接触，实现了相邻关节的球面接触，所述关节的中心部位设置有通孔1-2-3，关节沿与其同心设置的圆周上均匀设置有八个穿孔1-2-4。

所述柔性管采用橡胶管，柔性管通过通孔穿过所有关节，橡胶管与关节的通孔采用过盈配合连接，通孔对柔性管产生一定的压缩变形，使柔性管与关节具有一定的连接强度。

所述机械臂分为第一机械臂部及第二机械臂部，第一机械臂部的前端与机械臂支座固定连接，第一机械臂部的末端与第二机械臂部的前端连接，第二机械臂部的末端用于连接手术器械。

两组绳线Ⅰ1-3-1通过穿孔穿过第一机械臂部，并与第一机械臂部的末端处关节固定连接，另外两组绳线Ⅱ1-3-2通过穿孔穿过第一机械臂部及第二机械臂部，并与第二机械臂部的末端处关节固定连接，即第一机械臂部中穿过有八根绳线，第二机械臂部中穿过有四根绳线，同一组的两根绳线位于穿孔所在圆周直径的两端，绳线的一端与关节固定连接，另一端穿过机械臂支座。

下面对绳线在关节中的分布情况进行具体说明：

其中只穿过第一机械臂部的两组绳线定义为第一组绳线和第二组绳线，第一组绳线的两根绳线位于圆周第一直径的两端，第二组绳线的两根绳线位于圆周的第二直径两端，第一直径与第二直径相互垂直，穿过第一机械臂部的八根绳线沿圆周均匀分布，穿过第一机械臂部的另外两组绳线也穿过第二机械臂部。

所述机械臂前端的关节通过法兰连接盘4与机械臂支座固定连接，所述机械臂支座固定在底板上。

所述弯曲机构包括四个设置在底板的第一驱动机构，底板两侧部分别设置两个第一驱动机构，所述第一驱动机构为舵机5，所述舵机固定在支撑板6上，所述支撑板通过螺栓与底板固定连接，所述舵机的输出轴与转盘7连接，同一组绳线伸出机械臂支座后与同一个转盘通过螺钉固定连接。

转盘转动，能够收起与其连接的一根绳线的同时，对另一根绳线进行释放，从而带动机械臂向收起绳线所在一侧的方向弯曲。

所述绳线穿过机械臂支座后与导向轮绕接，经导向轮的导向后与转盘固定连接，所述导向轮与导向轮座8连接，导向轮座与底板连接，部分导向轮座连接有固定螺栓9，所述固定螺栓穿过底板设置的滑槽10，并旋进固定螺母，松开固定螺母，导向轮座可以沿滑槽滑动，通过改变导向轮座的位置，可以利用导向轮对绳线进行张紧。

本实施例中，导向轮与绳线的分布方式如图6-9所示，以其中一个转盘上的第一绳线23和第二绳线24为例进行说明，所述第一绳线和第二绳线为一组当中的两根绳线，第一绳线绕过第一导向轮25、第二导向轮26及第三导向轮27与转盘固定连接，其中第一导向轮、第二导向轮、第三导向轮均为水平设置的导向轮，只改变第一绳线的方向，不改变其高度位置，第二绳线绕过第四导向轮28、第五导向轮29、第六导向轮30、第七导向轮31及第八导向轮32后与转盘连接，其中第五导向轮及第六导向轮竖直设置，能够改变第二绳线的高度，与第二绳线绕接的其余导向轮均水平设置，只能改变第二绳线的方向，由于第一绳线及第二绳线设置在圆周直径的两端，其高度是不同的，所以设置了第五导向轮及第六导向轮来改变其高度，其余转盘上的绳线通过相同的方法利用导向轮导向后连接在转盘上，本领域技术人员可根据实际需要设置导向轮的位置和绳线的绕接走向，在此不进行详细说明。

所述底板上还通过螺栓固定有第二驱动机构支座11，第二驱动机构支座用于连接第二驱动机构，所述第二驱动机构包括第一电机12，所述第一电机与第二驱动机构支座固定连接，第一电机的输出轴与第一丝杠13连接，所述第一丝杠连接有第一丝杠滑块14，所述第一丝杠滑块与刚性杆固定座15连接，所述刚性杆固定座固定连接有刚性杆16，所送刚性杆外径小于柔性管的内径，且与柔性管同心设置，第一电机能够通过第一丝杠和第一丝杠滑块驱动刚性杆穿过机械臂支座上设置的孔伸入或伸出柔性管。第一丝杠的两端连接轴承座，两个轴承座分别固定在第二驱动机构支座及机械臂支座上。

所述底板连接有第三驱动机构，所述第三驱动机构能够驱动底板沿机械臂在平直状态下的轴线方向运动，所述第三驱动机构包括第二电机17，第二电机固定在平台18上，所述第二电机的输出轴与第二丝杠19连接，所述第二丝杠上连接有第二丝杠滑块20，所述第二丝杠滑块通过螺栓与底板固定连接，所述第二丝杠滑块上还连接有肋板21，所述肋板与平台两侧设置的滑轨22滑动连接，第二电机能够驱动第二丝杠滑块带动底板的运动。所述第二丝杠的两端连接有轴承座，利用轴承座进行支撑。

本实施例中，第一电机、第二电机及舵机均与控制器连接，由控制器控制其工作。

实施例2：

本实施例公开了一种面向微创手术的变刚度机器人的工作方法：根据手术目标位置对控制器预先输入机械臂末端的运动路径，将所需要的手术器械连接在变刚度手术机械臂的末端，第二电机工作，带动机械臂前进，同时，根据控制器的设置，四个舵机协同工作，带动机械臂的弯曲，使机械臂在人体的腔路中按照设定的路径前进，直至手术器械到达目标位置，前进过程或手术过程中，根据内窥镜或者其他设备反馈会的影像，第一电机可驱动刚性杆的部分杆段伸入橡胶管中，为机械臂提供刚性支撑，避免了由人体提供支撑点，减少了对人体的伤害，同时避免了机械臂不必要的弯曲，减少了与人体内部的干涉，提高了机械臂的灵活性和可操作性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，包括：

机械臂：前端与固定在底板的机械臂支座连接，包括柔性管、多个关节及四组绳线，相邻关节球面接触，柔性管穿过所有关节，与关节的通孔采用过盈配合连接，所有关节中穿过所有绳线，绳线沿与关节同心设置的圆周均匀分布，一组内的两根绳线布置在所述圆周直径的两端，绳线一端端部与机械臂末端的关节固定连接，另一端穿过机械臂支座；

弯曲机构：包括设置在底板的多个能够转动的转盘，一组内的两根绳线穿过机械臂支座后固定连接同一个转盘，转盘转动能够收起一根绳线的同时释放另一根绳线；

刚性杆：能够伸入或伸出柔性管，改变机械臂的刚度；

所述刚性杆与固定在底板的第二驱动机构连接，第二驱动机构能够驱动刚性杆伸入或伸出柔性管；刚性杆能够伸入机械臂的柔性管中，使部分柔性管管段无法弯曲，为机械臂的工作提供了刚性支撑。

2.如权利要求1所述的一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，所述底板固定有第一驱动机构，所述第一驱动机构与转盘连接，第一驱动机构能够驱动转盘的转动。

3.如权利要求2所述的一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，所述第一驱动机构采用舵机，舵机的输出轴与转盘连接。

4.如权利要求1所述的一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，所述第二驱动机构包括与底板固定连接的第一电机，第一电机的输出轴连接第一丝杠，第一丝杠连接有第一丝杠滑块，第一丝杠滑块与刚性杆固定连接。

5.如权利要求1所述的一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，所述关节一侧端面设有凸台，凸台具有球状端面，关节的另一端具有与所述球状端面相匹配的球状槽面，相邻关节的球状端面和球状槽面接触，实现相邻关节的球面接触。

6.如权利要求1所述的一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，所述底板与第三驱动机构连接，第三驱动机构能够驱动底板沿平直状态下机械臂的轴线方向运动。

7.如权利要求6所述的一种面向微创手术的变刚度机器人，其特征在于，所述第三驱动机构包括第二电机，所述第二电机与第二丝杠连接，所述第二丝杠连接有第二丝杠滑块，所述第二丝杠滑块与底板固定连接。

8.一种权利要求1-7任一项所述的面向微创手术的变刚度机器人的工作方法，其特征在于，转盘转动，转盘带动与其连接的一根绳线收起的同时释放另一根绳线，带动机械臂向收起绳线一侧的方向弯曲，机械臂能够在人体腔路中前进到达目的位置，刚性杆伸入或伸出柔性管，能够改变机械臂的刚度。

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