CN110664486B - 一种应用于手术机器人的器械和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于手术机器人的器械和设备，包括安装座和多个夹持组件，所述夹持组件设置于所述安装座上，其中至少一个所述夹持组件在靠近或远离其他所述夹持组件的位置之间转动，形成夹持区域；至少其中一个所述夹持组件上设置有触觉传感单元，所述触觉传感单元与上位机连接，将检测的压力反馈给上位机，通过所述上位机控制所述夹持组件的作用力度；本发明适用于多种手术操作，可有效增强手术器械的可操作性、精确性、稳定性和实用性。

Description

一种应用于手术机器人的器械和设备

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种应用于手术机器人的器械和设备。

背景技术

当前机器人手术最大的局限性之一就是医生缺乏操作的手感(即力触觉反馈)，在组织牵拉、剪切分离、伤口缝合、积液引流等手术过程中会造成过度创伤、误操作、安全性差，增加的手术的不确定性和风险性。目前，包括达芬奇手术机器人公司及一些高校实验室及科研机构已经对手术机器人力触觉检测和反馈控制技术展开了研究，但还存在测量维数不足、范围和精度较低、与器械兼容性差等问题，未能进行临床应用，限制了机器人辅助微创手术质量和效率的进一步提高。

随着手术机器人技术的迅速发展，具有多功能的手术机器人用微器械是手术机器人中重要的关键核心器件之一。手术机器人微器械用于微创手术，在手术过程中，处于手术机器人末端的微器械进入人体，对人体组织进行切割、夹紧和缝合等操作。目前，国外较为成熟的手术机器人系统有达芬奇手术系统、ZEUS机器人手术系统和AESOP机器人系统，但是其系统技术复杂，在使用过程中发生机械故障的几率大于一般的内窥镜手术系统，而且价格昂贵，不能满足国内医疗器械市场的需求。国内的微创手术机器人系统尚未达到临床运用的水平，其重要原因是手术机器人的末端器械功能单一化，需要更换多个末端或者多个刀具来共同完成一个手术，不仅成本高、过程复杂，不利于微创手术的进行，而且手术中需要切开多个创口，容易造成患者失血过多的现象。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种应用于手术机器人的器械和设备，主要解决现有手术器械功能单一，缺乏操作力反馈的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

一种应用于手术机器人的器械，包括安装座和多个夹持组件，

所述夹持组件设置于所述安装座上，其中至少一个所述夹持组件在靠近或远离其他所述夹持组件的位置之间转动，形成夹持区域；

至少其中一个所述夹持组件上设置有触觉传感单元，所述触觉传感单元与上位机连接，将检测的压力反馈给上位机，通过所述上位机控制所述夹持组件的作用力度。

可选地，至少一个所述夹持组件设置有凹槽，所述触觉传感单元安装于所述凹槽中；通过所述触觉传感单元与人体组织接触检测所述夹持组件对人体组织施加的压力。

可选地，所述凹槽边缘设置有一组预压结构，所述预压结构设置于所述触觉传感单元与所述凹槽的侧壁相接触的位置；所述预压结构包括销孔和销钉；所述销钉穿过所述销孔对所述触觉传感单元施加初始压力，使所述触觉传感单元初始状态下各处均受到所述初始压力作用。

可选地，所述夹持组件包括夹持端和剪切端，所述夹持端远离所述安装座；所述剪切端靠近所述安装座，通过至少两个夹持组件的夹持端配合，夹持人体组织；通过至少两个夹持组件的剪切端配合，在人体组织上形成切口。

可选地，所述至少两个夹持组件的剪切端配合的至少其中一个所述剪切端设置有切割结构，所述切割结构通过所述剪切端的切割结构的安装位置与所述触觉传感单元接触。

可选地，所述切割结构包括切割刀、刀鞘、限位件和滑轨；所述切割刀包括固定端和活动端，所述固定端与所述刀鞘转动连接，所述活动端通过限位件卡接在所述刀鞘中，所述限位件套接在所述滑轨上，所述限位件沿所述滑轨向安装座滑动释放所述切割刀的活动端，所述切割刀的活动端从刀鞘中弹出，所述限位块回弹，支撑所述切割刀。

可选地，至少一个所述夹持组件上设置有勾拉结构，通过所述勾拉结构牵动人体组织。

可选地，所述触觉传感单元包括石墨烯触觉传感器和封装膜，所述石墨烯触觉传感器铺设在所述凹槽底部，所述封装膜覆盖在所述石墨烯触觉传感器上，并将所述石墨烯触觉传感器固定在所述夹持组件上。

一种设备，包括处理器和操作机构；

所述操作机构包括驱动部件和驱动杆，所述驱动部件通过所述驱动杆与所述手术器械对接，驱动所述手术器械执行对应动作；

所述处理器与所述的手术器械电性连接，用于处理检测到的触觉信号。

可选地，还包括通讯模块，所述处理器通过所述通讯模块与上位机连接，与上位机进行数据交互。

如上所述，本发明一种应用于手术机器人的器械和设备，具有以下有益效果。

通过在夹持组件上增设触觉传感单元，通过触觉传感单元实现操作过程中力的实时反馈，有利于操作者实时调整施力大小，增强器械的可操作性；本方案的手术器械结构简单，成本低廉，可满足手术精确性、灵活性、稳定性及安全性的要求。

附图说明

图1为本发明一实施例中的应用于手术机器人的器械的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例中的应用于手术机器人的器械的触觉传感单元安装示意图。

图3为本发明一实施例中的设备结构框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种应用于手术机器人的器械，包括一个安装座5和至少两个夹持组件13，安装座5可以包括一转销，夹持组件13套接在转销上。以两个夹持组件13为例，可设置其中一个夹持组件13固定在转销上，另一个夹持组件13可沿转销周向转动，可转动的夹持组件13靠近或远离固定的夹持组件13，使得两夹持组件之间形成夹持区域。在另一实施例中，也可设置两个夹持组件13均可沿转销周向转动，两个夹持组件13彼此靠近或远离，在两夹持组件13之间形成夹持区域。

在另一实施例中，也可在安装座上设置三个夹持组件，两相邻的夹持组件之间通过转动形成夹持区域，可同时夹持多块组织。

在一实施例中，可在其中一个或多个夹持组件13上预设凹槽，触觉传感单元2铺设在凹槽内。请参阅图2，在另一实施例中，触觉传感单元2包括石墨烯触觉传感器7和封装膜。石墨烯触觉传感器7平铺在凹槽底部，在石墨烯压力传感7上铺设封装膜，通过封装膜将石墨烯触觉传感器7固定在凹槽内。封装膜可以为具有生物相容性的医用硅胶材料，与人体组织接触不易引发人体组织的排斥反应。通过封装膜隔离石墨烯触觉传感器7，防止人体组织与石墨烯材料直接接触，引发细菌感染或其它排斥反应。封装膜质软，可有效进行力的传导，保障石墨烯触觉传感器7的灵敏度。

石墨烯触觉传感器7为薄膜结构，可平整地铺设在凹槽中，石墨烯触觉传感器7可以包括顶膜、支撑柱和石墨烯薄膜，若干个支撑柱设置于顶膜与石墨烯薄膜之间，对顶膜施加很小的压力，通过支撑柱传导到石墨烯薄膜层可形成较大的应力，增强压力感应的灵敏度。压力的变化会引起对应位置石墨烯阻抗的变化，通过检测阻抗变化便可对应计算出所受压力的变化。利用这一原理，通过封装膜与人体组织接触，检测夹持组件施加在人体组织对应位置的力的变化，并将检测结果反馈给上位机。

在一实施例中，凹槽侧边与封装膜接触位置预设有预压结构3，预压结构3可以为均匀设置在凹槽几条临边上的缺口，封装膜嵌入对应的缺口位置。缺口正对凹槽侧边开设有销孔6，将销钉9通过销孔嵌入到缺口位置，通过销钉9对封装膜的位置进行固定。同时通过多个不同位置的销钉9对封装膜施加初始压力，保障封装膜各处收到均匀的初始力作用，保障石墨烯触觉传感器7的每个敏感单元在安装完成时收到数值相同或相近的初始力作用，避免初始压力的非线性问题。缺口位置可根据实际情况进行设置。如夹持组件为长条平板型结构时，可设置凹槽为矩形结构，在远离安装座的三条边的中点处分别设置缺口。通过三个位置施加的与压力，使得初始状态下石墨烯触觉传感器7受力均匀。销钉9嵌入夹持组件内部连通封装膜和凹槽，为隐藏结构，手术过程中不会对人体组织造成干涉。

在一实施例中，至少一个夹持组件13上人设置有勾拉结构4，勾拉结构4设置于夹持组件13与人体组织接触的夹持面的侧方，勾拉结构4可以为垂直于夹持组件侧方延伸出的弧形勾状结构，通过勾拉结构4牵拉人体组织，可用于操作人员拨开人体组织被遮挡的需要手术的人体组织。在另一实施例中，也可在两个夹持组件13的同一位置设置勾拉结构4，将两个勾拉结构4分别与组织接触，安装座带动两个夹持组件13彼此远离，使得两个勾拉结构将组织撑开，形成足够的空间方便其他装置操作。

在一实施例中，夹持组件13还可包括夹持端和切割端，夹持端远离安装座5，切割端靠近安装座5。切割端设置有切割结构安装位，切割结构安装位设置于凹槽上方，并与封装膜接触。切割结构1包括切割刀、刀鞘、限位件和滑轨。刀鞘固定在切割结构安装座上，切割刀包括的活动端和固定端，切割刀的固定端转动安装在刀鞘上，切割刀的活动端收入刀鞘中，通过限位件锁定在刀鞘内。刀鞘靠近安装座5的一端与滑轨对接。限位件套接在滑轨上，可沿滑轨来回滑动。初始状态下，限位件位于滑轨远离安装座5的一端，配合刀鞘将切割刀锁固在刀鞘中。当需要切割时，拉动限位件沿滑轨向安装座方向滑动，切割刀活动端自动弹出，释放限位件，限位件自动回归初始位置。这里可在限位件滑动方向上设置弹簧，拉动限位件时压缩弹簧，释放限位件时，弹簧自动回弹恢复形变。回弹的限位件刚好抵住弹出的切割刀活动端靠近夹持组件13一侧，起到支撑切割刀的作用，在进行切割时，抵住切割刀完成切割动作。切割刀可通过弹性结构安装在刀鞘上，将切割刀压入刀鞘时，形成弹性形变量，释放切割刀时，切割刀在弹性形变量的作用大自动回弹到设定位置。在进行切割过程中，切割刀受到的力作用于石墨烯触觉传感器7，可实时检测切割力的大小，根据切割力及切割刀力臂长度计算出力矩大小，并将力矩反馈给上位机，便于控制切割创口，避免造成过度伤害。

在另一实施例中，可在两个夹持组件相对位置设置切割结构1，通过相对设置的切割刀形成剪切结构。剪切结构可减小伤口创面，更省力，易于控制。

在另一实施例中，切割结构1可只包括切割刀、刀鞘和滑轨，刀鞘远离安装座的一端设置开口，其他位置为封闭结构。滑轨设置在刀鞘内，切割刀通过刀鞘的开口压入刀鞘中，可通过推拉杆拉动切割刀缩入封闭结构中。需要切割时，通过推拉杆将切割刀推向开口处，切割刀自动弹出。

本方案还提供了一种设备用于控制前述的应用于手术机器人的器械，设备包括操作机构11和处理12器，操作机构11包括驱动部件和驱动杆。驱动部件通过驱动杆与安装座5对接，控制安装座5的转动带动前述的夹持组件13转动。驱动部件可以包括转动电机和伸缩电机，转动电机驱动前述的安装座5转动，伸缩电机驱动前述的限位件滑动。处理器12通过数据传输线与前述的石墨烯触觉传感器7连接，接受检测的压力变化信号，处理器12可将压力变化信号通过一显示界面进行实时显示，方便操作人员根据实施压力调整操作。处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在一实施例中，设备还可包括通讯模块，处理器将检测的压力数据通过通讯模块发送给上位机，通过上位机进行数据处理、传输和实时显示等操作。通讯模块可以包括WiFi通讯器、蓝牙通讯器、ZigBee通讯器等。

综上所述，本发明一种应用于手术机器人的器械和设备，器械整合了剪切和勾拉动作，可实现夹持、勾拉、切割和辅助其他设备缝合等动作，有效地对器械进行了功能性拓展，增强可实用性，通过设置触觉传感单元增设了压力反馈，增强了手术的精确性、可操作性和稳定性；切割刀初始状态压入刀鞘中，增加了夹持组件的可操作性空间，结构简单，成本低廉。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种应用于手术机器人的器械，其特征在于，包括安装座和多个夹持组件，

所述夹持组件设置于所述安装座上，其中至少一个所述夹持组件在靠近或远离其他所述夹持组件的位置之间转动，形成夹持区域；

至少其中一个所述夹持组件上设置有触觉传感单元，所述触觉传感单元与上位机连接，将检测的压力反馈给上位机，通过所述上位机控制所述夹持组件的作用力度；至少一个所述夹持组件设置有凹槽，所述触觉传感单元安装于所述凹槽中；通过所述触觉传感单元与人体组织接触检测所述夹持组件对人体组织施加的压力；所述凹槽边缘设置有一组预压结构，所述预压结构设置于所述触觉传感单元与所述凹槽的侧壁相接触的位置；所述预压结构包括销孔和销钉；所述销钉穿过所述销孔对所述触觉传感单元施加初始压力，使所述触觉传感单元初始状态下各处均受到所述初始压力作用。

2.根据权利要求1所述的应用于手术机器人的器械，其特征在于，所述夹持组件包括夹持端和剪切端，所述夹持端远离所述安装座；所述剪切端靠近所述安装座，通过至少两个夹持组件的夹持端配合，夹持人体组织；通过至少两个夹持组件的剪切端配合，在人体组织上形成切口。

3.根据权利要求2所述的应用于手术机器人的器械，其特征在于，所述至少两个夹持组件的剪切端配合的至少其中一个所述剪切端设置有切割结构，所述切割结构通过所述剪切端的切割结构的安装位置与所述触觉传感单元接触。

4.根据权利要求3所述的应用于手术机器人的器械，其特征在于，所述切割结构包括切割刀、刀鞘、限位件和滑轨；所述切割刀包括固定端和活动端，所述固定端与所述刀鞘转动连接，所述活动端通过限位件卡接在所述刀鞘中，所述限位件套接在所述滑轨上，所述限位件沿所述滑轨向安装座滑动释放所述切割刀的活动端，所述切割刀的活动端从刀鞘中弹出，所述限位件回弹，支撑所述切割刀。

5.根据权利要求1所述的应用于手术机器人的器械，其特征在于，至少一个所述夹持组件上设置有勾拉结构，通过所述勾拉结构牵动人体组织。

6.根据权利要求1所述的应用于手术机器人的器械，其特征在于，所述触觉传感单元包括石墨烯触觉传感器和封装膜，所述石墨烯触觉传感器铺设在所述凹槽底部，所述封装膜覆盖在所述石墨烯触觉传感器上，并将所述石墨烯触觉传感器固定在所述夹持组件上。

7.一种利用权利要求1-6任一所述的应用于手术机器人的器械的设备，其特征在于，包括处理器和操作机构；

所述操作机构包括驱动部件和驱动杆，所述驱动部件通过所述驱动杆与所述应用于手术机器人的器械对接，驱动所述应用于手术机器人的器械执行对应动作；

所述处理器与所述应用于手术机器人的器械电性连接，用于处理检测到的触觉信号。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括通讯模块，所述处理器通过所述通讯模块与上位机连接，与上位机进行数据交互。

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