CN110522517A - 一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂。包括操作单元和传动单元；传动单元与操作单元通过用于控制操作单元活动的传动丝线组连接；传动丝线组包括钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线；操作单元包括钳夹机构与中空关节；钳夹机构与中空关节通过两个设置在传动单元空心圆柱体顶端的半圆啮合齿轮连接；钳夹机构包括由下至上依次连接的下臂摆动关节、上臂摆动关节及钳夹关节；钳夹关节包括左钳夹与右钳夹；所述左钳夹与右钳夹均由钳夹与钳夹柄组成。本发明提供了一种结构简单，体积小，重量轻，造价低的微创手术机械臂。
Description
技术领域
本发明涉及微创手术医疗器械装备领域，涉及一种微创手术机械臂，特别涉及用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂。
背景技术
微创是当代外科发展的一个重要主题，目前普遍认为，法国医生Mouret在1987年完成的第一例腹腔镜胆囊切除术是微创外科(minimally invasive surgery,MIS)产生的标志。传统多孔腔镜技术仅通过数个小口径戳卡即可完成传统开腹情况下需要十几厘米切口的手术，不仅显著减少切口的大小，同时手术难度并未明显增大，此外有效加速患者的恢复过程，缩短患者的住院时间，临床综合收益明显。
单孔腹腔镜技术(laparo-endoscopic single site surgery,LESS)是继传统多孔腹腔镜技术之后，微创外科(MIS)发展史上具有里程碑意义的技术革新，其通过隐蔽在脐部或自然腔道内的单个切口即可完成传统多孔腹腔镜需要3-4个5-10mm切口的手术，大大提高了术后的美容效果，将外科的微创理念提升到了新的高度，是被外科医师广泛认可的前沿发展方向。然而，LESS手术并未同传统多孔腹腔镜技术一般迅速改变外科医师的手术习惯。造成这一现象的根本原因在于多个器械通过同一戳卡通道置入，造成器械相互干扰，难以形成操作三角，手术的操作难度大、学习曲线长；同时单个切口直径大，实际的微创收益有限。针对此，相关从业者尝试通过预弯曲器械、灵巧器械以及同机器人技术相结合等方法改善LESS的操作性与微创性。虽诞生了一批商品化的医疗器械，却并未引起LESS在临床的广泛推广。目前的应用于临床的手术机器人系统最常见的是达芬奇手术机器人系统。常见术式以多孔腹腔镜技术为主，已经成功应用于普外、肝胆、妇科、胸外和泌尿外科等，是专为外科手术技术而生的新一代智能科技产品。并具有创伤小,病人的痛苦明显减少、失血量减少,恢复时间缩短,节省手术人员等优势。2018年达芬奇SP系统获得FDA批准，使得达芬奇手术机器人系统从此进军单孔腹腔镜领域。
随着微创技术的发展和普及，越来越多的手术可以通过微创的方式得到有效的治疗。以机器人技术完成微创手术是当今外科的发展趋势。然而，据不安全统计，我国仅引入60余台达芬奇手术机器人，多分布在大型综合性三甲医院，且手术费用高昂，达芬奇手术机器人推广较难。达芬奇SP系统尚未引入国内。目前我国尚无能普遍推广，且适用于单孔腹腔镜环境的微创手术机器人系统。因此，大多数省市级、县级医院难以开展机器人手术、甚至单孔腹腔镜手术，难以满足患者对微创、无创手术的迫切需求。基于此，目前亟需一种操作简单、价格低廉、易普及的适用于单孔腹腔镜环境的微创手术机械臂。
发明内容
为了解决背景技术所提到的现有进口手术机器人价格过于昂贵、操作难度较大，不宜广泛推广的问题，本发明提出了一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，该机械臂操作简单、价格低廉、易推广。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特殊之处在于：包括操作单元和传动单元；上述传动单元与操作单元通过用于控制操作单元活动的传动丝线组连接；上述传动丝线组包括钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线；
上述传动单元为空心圆柱体；上述空心圆柱体内部设置有第一运动平台；上述第一运动平台上设置有用于提供动能的第一电机；上述第一运动平台下方设置有第二运动平台；上述第二运动平台上设置有用于提供动能的第二电机；上述第二运动平台下方设置有第三运动平台；上述第三运动平台上设置有用于提供动能的第三电机；上述第三运动平台下方设置有第四运动平台；上述第四运动平台上设置有用于提供动能的第四电机；
上述操作单元包括钳夹机构与中空关节；上述钳夹机构与中空关节通过两个设置在传动单元空心圆柱体顶端的半圆啮合齿轮连接；
上述钳夹机构包括由下至上依次连接的下臂摆动关节、上臂摆动关节及钳夹关节；
上述钳夹关节包括左钳夹与右钳夹；上述左钳夹与右钳夹均由钳夹与钳夹柄组成；
上述左钳夹与右钳夹通过钳夹轴固定连接；上述左钳夹钳夹柄与右钳夹钳夹柄之间设置有弹簧固定座；上述弹簧固定座与左钳夹钳夹柄和右钳夹钳夹柄之间分别设置有用于撑开钳夹关节的微型弹簧；上述左钳夹钳夹柄底端与右钳夹钳夹柄底端均设置有用于控制钳夹关节活动的钳夹关节传动丝线；上述钳夹关节传动丝线通过上臂摆动关节和下臂摆动关节与第一运动平台连接；
上述上臂摆动关节包括上臂空心圆柱壳体、设置在上臂空心圆柱壳体内的上臂穿线螺栓和上臂连接穿线轴；上述上臂穿线螺栓上设置有上臂传动丝线；上述上臂传动丝线通过下臂摆动关节与第二运动平台连接；
上述下臂摆动关节包括下臂空心圆柱壳体、设置在下臂空心圆柱壳体内的下臂穿线螺栓和下臂连接穿线轴；上述下臂穿线螺栓上设置有下臂传动丝线；上述下臂传动丝线与第三电机连接。
上述中空关节为中空套管；上述中空套管上设置有中空传动丝线；上述中空传动丝线与第四运动平台连接。
上述钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线均为两根。
上述中空套管上设置有外接设备连接口。
上述钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线为不锈钢丝线。
上述半圆啮合齿轮的旋转角度为90度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，有效解决当前单孔腹腔镜的应用缺陷，能够减小单孔腹腔镜戳卡直径，避免因戳卡直径大造成患者更大的创伤，有利于患者术后康复。同时改善单孔腹腔镜技术操作性，通过双臂多关节的活动，可形成操作三角，便于医师便捷的完成必要操作；同时本结构与医师传统腹腔镜操作基本原理相同，医师学期曲线短。另外，本微创手术机械臂结构相对达芬奇手术机器人结构简单，体积小，重量轻，造价低，更有利于单孔腹腔镜技术在市级、县级医院的使用，为单孔腹腔技术的普及和推广奠定基础；为腹腔镜下肝囊肿开窗引流术、胆囊切除等手术提供治疗新方法，摒弃传统多戳卡操作，减少患者创伤，加速患者康复；该设备的后续改进可用于协助肝胆外科乃至其他微创外科手术。
附图说明
图1为本发明微创手术机械臂外形结构示意图；
图2为本发明机械臂工作原理示意图；
其中，1-钳夹、2-钳夹轴、3-弹簧安装座、4-上臂穿线螺栓、5-上臂连接穿线轴、6-第一运动平台、7-第二运动平台、8-第一电机、9-第二电机、10-半圆啮合齿轮、11-中空关节、12-传动单元、13-下臂摆动关节、14-上臂摆动关节、15-第三运动平台、16-第三电机、17-第四运动平台、18-第四电机。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，包括操作单元和传动单元12；传动单元12与操作单元通过用于控制操作单元活动的传动丝线组连接；传动丝线组包括钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线；
传动单元12为空心圆柱体；空心圆柱体内部设置有第一运动平台6；第一运动平台6上设置有用于提供动能的第一电机8；第一运动平台6下方设置有第二运动平台7；第二运动平台7上设置有用于提供动能的第二电机9；第二运动平台7下方设置有第三运动平台15；第三运动平台15上设置有用于提供动能的第三电机16；第三运动平台15下方设置有第四运动平台17；第四运动平台17上设置有用于提供动能的第四电机18；
操作单元包括钳夹机构与中空关节11；钳夹机构与中空关节11通过两个设置在传动单元12空心圆柱体顶端的半圆啮合齿轮10连接；
钳夹机构包括由下至上依次连接的下臂摆动关节13、上臂摆动关节及钳夹关节；
钳夹关节包括左钳夹与右钳夹；左钳夹与右钳夹均由钳夹1与钳夹柄组成；
左钳夹与右钳夹通过钳夹轴2固定连接；左钳夹钳夹柄与右钳夹钳夹柄之间设置有弹簧固定座3；弹簧固定座3与左钳夹钳夹柄和右钳夹钳夹柄之间分别设置有用于撑开钳夹关节的微型弹簧；左钳夹钳夹柄底端与右钳夹钳夹柄底端均设置有用于控制钳夹关节活动的钳夹关节传动丝线；钳夹关节传动丝线通过上臂摆动关节14和下臂摆动关节13与第一运动平台连接；
上臂摆动关节14包括上臂空心圆柱壳体、设置在上臂空心圆柱壳体内的上臂穿线螺栓4和上臂连接穿线轴5；上臂穿线螺栓4上设置有上臂传动丝线；上臂传动丝线通过下臂摆动关节13与第二运动平台连接；
下臂摆动关节13包括下臂空心圆柱壳体、设置在下臂空心圆柱壳体内的下臂穿线螺栓和下臂连接穿线轴；下臂穿线螺栓上设置有下臂传动丝线；下臂传动丝线与第三电机连接。
中空关节11为中空套管；中空套管上设置有中空传动丝线；中空传动丝线与第四运动平台17连接。
作为优选的，钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线均为两根。
作为优选的，中空套管上设置有外接设备连接口。
作为优选的，钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线为不锈钢丝线。
作为优选的，半圆啮合齿轮10的旋转角度为90度。
需要进一步说明的是，微创手术机器人的传动主要由两部分构成：
1)钳夹的开合传动原理：
钳夹关节在钳夹柄部位设置对应的弹簧固定座，在钳夹柄两端固定一个微型弹簧，使钳夹在自由状态处于撑开的状态；其次在2个钳夹柄的底端固定传动丝线，将传动丝线由两级螺钉的穿线孔，引出至第一运动平台，通过第一运动平台拽紧或放松钳夹关节传动丝线，实现对钳夹关节的开启和关闭以及夹持力的控制。
2)双臂张开及关闭的传动原理
在上臂穿线螺栓的左侧和右侧固定上臂传动丝线，之后绕过下臂摆动关节的下臂穿线螺栓，将左右两股上臂传动丝线延伸至第二运动平台的左右两侧，并通过设置在第二运动平台通过杠杆轴固定在第二运动平台上，第二运动平台一侧与第二电机相互连接；第二电机运动时带动杠杆轴运动，从而带动上臂传动丝线上下运动，进而拉近或者放松上臂传动丝线，上臂传动丝线带动上臂摆动关节上下端关节的运动，形成一定的张角，同时传动单元上的对转半圆啮合齿轮实现钳夹机构与中空关节的同步动作，通过上述传动，实现钳夹机构与中空关节之间的开合动作。
还需要进一步说明的是：本发明所提供的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂具体操作步骤为：(以微创肝囊肿开窗引流术为例)：病人麻醉后仰卧于手术床；接通机器人电源，启动控制手柄。经肚脐穿刺置入15-mm戳卡，经戳卡置入微型手术机器人系统，将5-mm内镜置入手术机器人右臂中空关节内并固定，经器械通道注气，制造气腹，调整位置至肝脏囊肿附近，随后转换操作器械，进行手术操作，使用手柄进行双臂关节摆动和操作。控制左臂钳夹关节抓起囊壁，经内镜器械通道置入半导体激光光纤或电刀，切开囊壁后，实用内镜操作通道吸引囊液，手术结束后，关闭气腹，撤回戳卡，缝合伤口，待病人清醒后，安返病房。
其中关节运动步骤为：单孔腹腔镜进入腹腔镜后，调整至所需位置。启动第二电机开始正转，带动第二运动平台或者启动第三电机开始正转，带动第三运动平台，从而带动平台固定丝线，丝线拉动啮合齿轮、上下摆动关节，左臂打开，中空关节通过啮合齿轮同时打开，双臂之间形成操作三角。通过启动第一电机正转，带动第一运动平台，带动丝线，同时钳夹头打开，放置在需钳夹位置时，使第一电机反转，闭合钳夹头，通过钳夹可提起囊肿壁。
还需要进一步说明的是，本发明所提供的技术方案中，第四运动平台与第四电机是在啮合齿轮脱齿，机械臂不能正常工作时才会启用；此方案为紧急应急方案。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特征在于：包括操作单元和传动单元；所述传动单元与操作单元通过用于控制操作单元活动的传动丝线组连接；所述传动丝线组包括钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线；
所述传动单元为空心圆柱体；所述空心圆柱体内部设置有第一运动平台；所述第一运动平台上设置有用于提供动能的第一电机；所述第一运动平台下方设置有第二运动平台；所述第二运动平台上设置有用于提供动能的第二电机；所述第二运动平台下方设置有第三运动平台；所述第三运动平台上设置有用于提供动能的第三电机；所述第三运动平台下方设置有第四运动平台；所述第四运动平台上设置有用于提供动能的第四电机；
所述操作单元包括钳夹机构与中空关节；所述钳夹机构与中空关节通过两个设置在传动单元空心圆柱体顶端的半圆啮合齿轮连接；
所述钳夹机构包括由下至上依次连接的下臂摆动关节、上臂摆动关节及钳夹关节；
所述钳夹关节包括左钳夹与右钳夹；所述左钳夹与右钳夹均由钳夹与钳夹柄组成；
所述左钳夹与右钳夹通过钳夹轴固定连接；所述左钳夹钳夹柄与右钳夹钳夹柄之间设置有弹簧固定座；所述弹簧固定座与左钳夹钳夹柄和右钳夹钳夹柄之间分别设置有用于撑开钳夹关节的微型弹簧；所述左钳夹钳夹柄底端与右钳夹钳夹柄底端均设置有用于控制钳夹关节活动的钳夹关节传动丝线；所述钳夹关节传动丝线通过上臂摆动关节和下臂摆动关节与第一运动平台连接；
所述上臂摆动关节包括上臂空心圆柱壳体、设置在上臂空心圆柱壳体内的上臂穿线螺栓和上臂连接穿线轴；所述上臂穿线螺栓上设置有上臂传动丝线；所述上臂传动丝线通过下臂摆动关节与第二运动平台连接；
所述下臂摆动关节包括下臂空心圆柱壳体、设置在下臂空心圆柱壳体内的下臂穿线螺栓和下臂连接穿线轴；所述下臂穿线螺栓上设置有下臂传动丝线；所述下臂传动丝线与第三电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特征在于：所述中空关节为中空套管；所述中空套管上设置有中空传动丝线；所述中空传动丝线与第四运动平台连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特征在于：所述钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线均为两根。
4.根据权利要求3所述的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特征在于：所述中空套管上设置有外接设备连接口。
5.根据权利要求4所述的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特征在于：所述钳夹关节传动丝线、上臂传动丝线、下臂传动丝线、中空传动丝线为不锈钢丝线。
6.根据权利要求5所述的一种用于单孔腹腔镜环境下的微创手术机械臂，其特征在于：所述半圆啮合齿轮的旋转角度为90度。
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2019
- 2019-09-16 CN CN201910867947.5A patent/CN110522517A/zh active Pending
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