CN110897659B - 一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，包括多个手术机器人模块，多个手术机器人模块可独立设置并协作进行多孔模式操作，或多个手术机器人模块连接于同一引导臂进行单孔模式操作；所述手术机器人模块包括具有多个自由度的机械臂，机械臂与末端执行机构连接，末端执行机构底部置有戳卡，末端执行机构顶部设置对接机构以与引导臂连接。

Description

一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人

技术领域

本公开属于医疗器械设备技术领域，具体涉及一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人。

背景技术

单孔腹腔镜手术通常是在人体腹腔开一个小切口(直径15mm-40mm)，通过置入集成器械完成手术操作。开口位置多在脐部，但根据手术需求进行切口的选择。与传统的腹腔镜手术相比较，单孔操作技术所造成的创伤更加微小，降低与切口相关的并发症发生几率，创口恢复时间更短。此外，较小的创口可降低手术疼痛感，减少麻醉剂镇痛剂的用量。

单孔腹腔镜手术也有其局限性。因孔道数目仅一个，手术部位选择相对局限，难以对较大范围的体内器官形成有效牵引。且手术器械置入部位相对集中，难以形成操作三角，器械相互干扰，影响操作及手术视野。而且器械和光源同轴在一定程度上会影响术者对深度和距离的判断，增大手术难度。例如，因其末端操作机构的范围受限，单孔手术机器人无法处理诸如大型肿瘤切除手术等需要较大末端操作范围的手术。

多孔腹腔镜手术同样为一种损伤小的手术方法，其特点在于，在腹腔壁(或胸腔)作3-5个5-10mm的小切口为穿刺口，并通过置入孔道中的手术器械完成手术操作的过程。相较于单孔腹腔镜手术，多孔腹腔镜手术通过调整在腹腔(胸腔)上的穿刺孔的位置，操作范围大大提升，适用手术种类相较于单孔腹腔镜手术有明显增加。多孔腹腔镜手术也有其局限性，因孔道数目较多，手术创伤较大，增加了与切口相关的并发症发生几率，术后需要较长的恢复时间。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人；实现了手术机器人的模块化，可以选择进行双孔，三孔，四孔手术，也可将手术机器人模块连接到引导臂上，实现模块化手术机器人的组合，进行单孔双操作臂，单孔三操作臂、单孔四操作臂进行手术。

本公开的发明目的是提出一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，包括多个手术机器人模块，多个手术机器人模块可独立设置并协作进行多孔模式操作，或多个手术机器人模块连接于同一引导臂进行单孔模式操作；所述手术机器人模块包括具有多个自由度的机械臂，机械臂与末端执行机构连接，末端执行机构底部置有戳卡，末端执行机构顶部设置对接机构以与引导臂连接。

作为进一步的技术方案，所述对接机构包括旋转凸台，旋转凸台套设于凸台旋转柱，凸台旋转柱顶部固设下对接板，凸台旋转柱外周还与钩爪铰接连接。

作为进一步的技术方案，所述旋转凸台为圆柱形结构，圆柱形结构沿周向开设多个卡槽，卡槽具有倾斜曲面，钩爪一端可沿倾斜曲面上下滑动。

作为进一步的技术方案，所述钩爪呈V形结构，V形结构的尖角端与凸台旋转柱侧部铰接，V形结构开口端的一端与倾斜曲面接触沿其滑动，V形结构开口端的另一端带有弯钩。

作为进一步的技术方案，所述弯钩朝向V形结构外侧设置；所述下对接板设置多个开口，V形结构弯钩穿过其开口。

作为进一步的技术方案，所述引导臂包括引导臂基座，引导臂基座顶部固设竖向的引导臂支撑杆，引导臂支撑杆通过多节机械臂杆与安装板连接，安装板底部与横向的连接板连接，连接板底部与上对接板连接，上对接板设有多组与对接机构连接的凹槽。

作为进一步的技术方案，所述机械臂包括机械臂基座，机械臂基座顶部固设竖向的支撑杆，支撑杆通过多节关节臂与快换机构滑槽转动关节连接，快换机构滑槽转动关节与末端执行机构连接。

作为进一步的技术方案，所述末端执行机构设有快换机构，快换机构连接于快换机构滑槽沿其滑动，快换机构滑槽与快换机构滑槽转动关节固定连接。

作为进一步的技术方案，所述快换机构上连接操作杆，操作杆末端为末端执行器，快换机构滑槽下端具有平台以安装戳卡连接器，戳卡连接器末端连接戳卡。

作为进一步的技术方案，多孔模式下，多个手术机器人模块邻接设置；单孔模式下，多个手术机器人模块绕与引导臂连接处周向均布设置。

本公开的有益效果为：

本公开实现了手术机器人的模块化，可以选择进行双孔，三孔，四孔手术，也可将手术机器人模块连接到引导臂上，实现模块化手术机器人的组合，进行单孔双操作臂，单孔三操作臂，单孔四操作臂进行手术。

本公开的机器人，既具有单孔手术机器人的创口小等优点，也具有多孔手术机器人操作范围大、末端操作机构互不干扰的优点。

本公开的机器人，通过对接机构和手术机器人模块化设计，实现了多孔及单孔腹腔镜手术机器人的转换。此外，该手术机器人模块属于轻量级手术机器人，结构相较于传统手术机器人结构简单且可靠性高，相关机构采购成本显著降低。用户可根据实际需要灵活选择手术模式，从而扩大手术机器人的手术应用范围，降低患者的医疗成本。

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不当限定。

图1为单孔模式下手术机器人的示意图；

图2为多孔模式下手术机器人的示意图；

图3为手术机器人模块的示意图；

图4为引导臂的示意图；

图5为连接板的示意图；

图6为对接机构的示意图；

图7为多孔戳卡的示意图；

图8为单孔戳卡的示意图；

图中，1为引导臂基座，2为引导臂支撑杆，3为主机械臂一，4为主机械臂二，5为主机械臂三，6为安装板，7为连接板，8为对接机构安装平台，9为快换机构滑槽转动关节，10为关节臂四，11为关节臂三，12为关节臂二，13为戳卡，14为操作杆，15为支撑杆，16为机械臂基座，17为关节臂一，18为对接机构，19为快换机构滑槽，20为快换机构，21为多孔戳卡，22为操作杆，23为末端执行器，24为单孔戳卡，25为旋转凸台，26为下对接板，27为钩爪，28为销，29为凸台旋转柱，30为上对接板，31为上对接板安装盘，32为戳卡连接器。

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，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，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公开的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人。

本申请提供了一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，包括多个手术机器人模块，多个手术机器人模块可独立设置并协作进行多孔模式操作，或多个手术机器人模块连接于同一引导臂进行单孔模式操作；所述手术机器人模块包括具有多个自由度的机械臂，机械臂与末端执行机构连接，末端执行机构底部置有戳卡，末端执行机构顶部设置对接机构以与引导臂连接。

实施例1

下面结合附图1-附图8对本实施例公开的手术机器人做进一步的说明；

一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，包括多个手术机器人模块，如图3所示，每个手术机器人模块由机械臂基座16，支撑杆15，关节臂一17，关节臂二12，关节臂三11，关节臂四10，快换机构20，操作杆22，戳卡13，对接机构安装平台8，对接机构18组成，每个模块具备完整手术操作功能，可实现操作杆的空间移动及手术操作；也可通过对接机构18连接到引导臂上，从而实现多个机器人模块协同配合。使用者可根据实际手术需要灵活选择手术机器人模块的个数进行手术操作。

数个(2、3、4个)手术机器人模块间的分离与合成，通过对接机构将多个手术机器人模块连接，并加以引导臂，即可实现单孔手术模式到多孔手术模式的转换；反之，在单孔模式下，将对接机构及引导臂移除，即可转化为多孔模式。

机械臂基座16设置于底部，机械臂基座16顶部固定设置竖向的支撑杆15，支撑杆15顶部与关节臂一17连接，关节臂一17与关节臂二12连接，关节臂二12与关节臂三11连接，关节臂三11与关节臂四10连接，各关节臂构成多节机械臂杆，关节臂四10与快换机构滑槽转动关节9连接，快换机构滑槽转动关节9上连接快换机构滑槽19，快换机构滑槽19上安装快换机构20，快换机构20上连接操作杆22，操作杆22末端为末端执行器23，同时的，快换机构滑槽19下端具有平台，用于安装戳卡连接器32，戳卡连接器32末端连接戳卡13。支撑杆15中安装有步进电机，可驱动关节臂一17在水平面内转动，关节臂一17内的步进电机转动时可驱动关节臂二12在关节臂一17末端的轴套内转动，关节臂二12内的步进电机转动时可驱动关节臂三11绕关节臂二12末端的轴套内转动，关节臂三11内安装的步进电机转动驱动关节臂四10在关节臂三11末端的套筒内转动，关节臂四10内的步进电机驱动快换机构滑槽转动关节9转动，实现快换机构滑槽转动关节9绕关节臂四10末端轴的旋转，快换机构滑槽19内含有电机，电机驱动丝杆转动，进而使快换机构20在快换机构滑槽19内进行滑动，快换机构20中含有6个步进电机，步进电机通过拉动贯穿操作杆22的金属丝，从而驱动末端执行器23进行剪切、夹持、转动等动作。

各步进电机由控制单元控制运作，控制单元包括微型控制器、手柄等，手柄通过蓝牙模块将按键信息传到微型控制器，微型控制器接收信号并将转动指令发给步进电机的控制模块。步进电机的控制模块将指令转化并向按键所控制的步进电机发送转动命令，实现机械臂在一个运动平面内的运动。

快换机构滑槽转动关节9顶部设置对接机构安装平台8，对接机构安装平台8顶部设置对接机构18，对接机构18可与引导臂上的对连接板7连接。

通过各关节臂关节处的转动，模块化手术机器人操作杆可在一定空间内的运动。

手术机器人模块上的快换机构可根据功能需要进行更换，实现不同功能。包含内窥镜杆以及可进行如缝合、切断、夹持等操作的操作杆。

在适用于多孔模式手术时，如图2所示，不采用对接机构将手术机器人模块与引导臂连接，此时每个手术机器人模块单独具有七个自由度，机器人的操作杆可在一定空间内实现全方位移动。多个手术机器人模块独立设置，多个手术机器人模块可邻接设置，多个手术机器人模块的操作杆22对准同一片区域，每一手术机器人模块可以独立运动并协作进行多孔模式操作，完成手术。

手术时，医生根据手术需要在患者腹腔开孔，并放置戳卡，在适用于多孔模式时，采用如图7所示的多孔戳卡21。医生调整手术机器人模块位置，将每个手术机器人模块的戳卡连接器32连接多孔戳卡21。连接完毕后，操作人员将快换机构插入快换机构滑槽19的滑槽中。安装完毕后，手术机器人模块在操作者操控下通过关节臂一17，关节臂二12，关节臂三11、关节臂四10、快换机构滑槽转动关节9的转动，实现在一定空间内的全方位运动，从而到达手术位置。可根据需要选择选择2孔，3孔或者4孔等手术模式，也即设置2台、3台或4台手术机器人模块，各个手术机器人模块具备完整手术操作功能，各个手术机器人模块互相协作，当操作杆移动到手术位置时，快换机构20内的引线驱动末端执行器执行手术操作，完成手术。

在适用于单孔模式手术时，如图1所示，两个、三个或四个手术机器人模块的上端均通过对接机构18与同一引导臂连接，从而实现手术机器人末端操作臂的相对固定，进行单孔模式操作。

此单孔手术模式下，多个手术机器人模块(2、3、4个)的对接机构18与同一引导臂的连接板7连接。如图4所示，引导臂包括引导臂基座1、引导臂支撑杆2、主机械臂一3、主机械臂二4、主机械臂三5、安装板6、连接板7，引导臂基座1顶部固定连接竖向的引导臂支撑杆2，引导臂支撑杆2与横向的主机械臂一3连接，主机械臂一3与主机械臂二4连接，主机械臂二4横向设置，其底部有竖向连杆，主机械臂二4竖向连杆与倾斜的主机械臂三5连接，主机械臂三5与安装板6连接，各主机械臂构成多节机械臂杆，安装板6底部与横向的连接板7连接，如图5所示，连接板7底部设置上对接板安装盘31，上对接板安装盘31固定设置上对接板30，上对接板30设置多个与手术机器人模块的对接机构18连接的凹槽。引导臂支撑杆2中安装有步进电机，可驱动主机械臂一3在水平面内转动，主机械臂一3内的步进电机转动时可驱动主机械臂二4水平转动，主机械臂二4内的步进电机转动时可驱动主机械臂三5绕主机械臂二4末端的轴套内转动，驱动安装板6步进电机转动，从而实现安装板6绕主机械臂三5末端轴的转动。通过上述各臂连接方式与步进电机的运动方式，从而实现引导臂对多个手术机器人模块的引导，进而实现单孔手术操作。

如图6所示，对接机构18包括凸台旋转柱29、旋转凸台25、下对接板26、钩爪27、销28，凸台旋转柱29外套设旋转凸台25，凸台旋转柱29底部与对接机构安装平台8固定连接，凸台旋转柱29顶部固设下对接板26，旋转凸台25为圆柱形结构，圆柱形结构沿周向开设多个卡槽，卡槽具有倾斜曲面，钩爪27一端可沿倾斜曲面上下滑动，钩爪27整体呈V形结构，V形结构的尖角端通过销28与凸台旋转柱29侧部连接，V形结构开口端的一端与倾斜曲面接触沿其滑动，V形结构开口端的另一端带有弯钩，弯钩朝向V形结构外侧设置，下对接板26设置多个开口，V形结构弯钩穿过其开口，通过钩爪与上对接板凹槽的夹紧配合，可将对接机构与引导臂的上对接板连接。

单孔模式下，多个手术机器人模块绕上对接板周向均布设置。

使用者牵引手术机器人模块及引导臂，使位于手术机器人模块对接机构18中的下对接板26与上对接板30接触，且对接机构的钩爪进入上对接板的凹槽内。操作者手动旋转对接机构中的旋转凸台，使得钩爪下方沿旋转凸台上的倾斜曲面上升，从而实现钩爪绕销的旋转，进而实现钩爪对上连接板的夹紧，实现手术机器人模块与引导臂的固定。

手术时，医生根据手术需要在患者腹腔开孔，并放置戳卡，适用于单孔模式时采用如图8所示的单孔戳卡24。医生调整手术机器人位置，将单孔戳卡24连接在其中一个手术机器人模块的戳卡连接器上。具体可根据手术需要，确定所需手术机器人模块的数量，从而将两台、三台、四台手术机器人模块连接至引导臂的上对接板上，在引导臂的牵引下完成手术。此时，多台手术机器人模块在运动及功能上等同于一个机械臂，引导臂牵引所有模块化手术机器人共同运动，医生在病人微创口处插入戳卡，结合后的原手术机器人模块的操作杆14进入同一个戳卡(单孔戳卡)可以实现各自的独立运动，进行手术操作，即单孔手术。

对多孔模式转换为单孔模式的具体说明：

拆下各个手术机器人模块机械臂上分别装置的戳卡，在每个手术机器人模块上端安装对接机构。将上对接板安装盘的上对接板先与一个手术机器人模块连接，由螺纹紧固并由人手工安装。将此机械臂作为主机械臂，其他机械臂依次通过对接机构与上对接板连接，多个手术机器人模块的对接机构连接到上对接板安装盘上的上对接板上，从而实现多个手术机器人模块空间位置的相对固定，各机械臂沿中心轴集中形成单孔机械臂聚集状态，可在主机械臂的管理下进行协作。

引导臂通过上对接板将多台(2、3、4台)手术机器人模块连接起来，在功能上等效于一个机械臂，以上对接板轴线为主动轴，原模块化手术机器人轴线为从动轴运动，从而实现多孔转单孔的手术操作。

多个手术机器人模块通过上对接板固定后，转化为单孔手术模式，安装单孔戳卡，此时多孔手术机器人即转换为单孔手术机器人。此后，已结合的各个手术机器人模块的操作杆进入同一个单孔戳卡进行手术。

将单孔模式下的对接机构解开，取走引导臂，变成多个机械臂的形式，再在病人微创处配合多个戳卡，即转换为多孔模式。多孔手术模式下，医生将戳卡置入人体不同部位的微创口，每个模块化手术机器人分别将操作杆通过戳卡进入病人体内进行手术操作。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，包括多个手术机器人模块，多个手术机器人模块可独立设置并协作进行多孔模式操作，或多个手术机器人模块连接于同一引导臂进行单孔模式操作；所述手术机器人模块包括具有多个自由度的机械臂，机械臂与末端执行机构连接，末端执行机构底部置有戳卡，末端执行机构顶部设置对接机构以与引导臂连接；

所述引导臂包括引导臂基座，引导臂基座顶部固设竖向的引导臂支撑杆，引导臂支撑杆通过多节机械臂杆与安装板连接，安装板底部与横向的连接板连接，连接板底部与上对接板连接，上对接板设有多组与对接机构连接的凹槽；

所述引导臂通过上对接板将多台手术机器人模块连接起来，多个手术机器人模块通过上对接板固定后，转化为单孔手术模式。

2.如权利要求1所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述对接机构包括旋转凸台，旋转凸台套设于凸台旋转柱，凸台旋转柱顶部固设下对接板，凸台旋转柱外周还与钩爪铰接连接。

3.如权利要求2所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述旋转凸台为圆柱形结构，圆柱形结构沿周向开设多个卡槽，卡槽具有倾斜曲面，钩爪一端可沿倾斜曲面上下滑动。

4.如权利要求3所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述钩爪呈V形结构，V形结构的尖角端与凸台旋转柱侧部铰接，V形结构开口端的一端与倾斜曲面接触沿其滑动，V形结构开口端的另一端带有弯钩。

5.如权利要求4所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述弯钩朝向V形结构外侧设置；所述下对接板设置多个开口，V形结构弯钩穿过其开口。

6.如权利要求1所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述机械臂包括机械臂基座，机械臂基座顶部固设竖向的支撑杆，支撑杆通过多节关节臂与快换机构滑槽转动关节连接，快换机构滑槽转动关节与末端执行机构连接。

7.如权利要求6所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述末端执行机构设有快换机构，快换机构连接于快换机构滑槽沿其滑动，快换机构滑槽与快换机构滑槽转动关节固定连接。

8.如权利要求7所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，所述快换机构上连接操作杆，操作杆末端为末端执行器，快换机构滑槽下端具有平台以安装戳卡连接器，戳卡连接器末端连接戳卡。

9.如权利要求1所述的模块化可实现单孔与多孔转换的手术机器人，其特征是，多孔模式下，多个手术机器人模块邻接设置；单孔模式下，多个手术机器人模块绕与引导臂连接处周向均布设置。

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