CN111012500B - 一种手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供的手术机器人，包括滑台和手术器械组件，滑台包括驱动电机、同步带以及丝杠副，丝杠副包括丝杠和与丝杠螺旋连接并传动的滑块，驱动电机为不带电磁制动的电机，且丝杠为非自锁式丝杠。通过设置在滑台上的不带电磁刹车的驱动电机以及非自锁式的丝杠，使得在断电情况下，仍然能够手动地移动手术器械，确保了手术的安全性并加快了手术的进度。

Description

一种手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种手术机器人。

背景技术

在微创外科手术中，经常需要医生手动进行组织的切割、剥离、缝合等，对于一些复杂的外科手术，需要医生长时间站立并手持微型手术器械进行手术，医生很容易疲劳，从而影响手术的质量。同时，常规的微创手术器械是对传统开放性手术器械的简单模仿，自由度少、灵活性低且器械内摩擦力大，会导致传动力的衰减以及医生疲劳，难以避免医生的手颤、疲劳引起的手术的精确度的降低，不便于手术的顺利开展。

目前，有机器人辅助的微创外科手术逐步应用到实际的临床中，这些机器人的结构中，手术器械通常是通过滑台而连接到机械臂上的，手术器械在该滑台中的传动部的驱动下沿着滑台方向前后运动，从而插入或拔出患者体内。驱动部包括驱动电机等，驱动电机在电力驱动下而运转。然而，在断电情况下，现有技术中的手术机器人便完全不能工作，甚至如果在手术过程中发生断电，同时手术器械(如手术刀、手术剪等)正位于患者体内，则此情况下手术器械便不能手动或电动地拔出，一方面加重了患者的痛苦，另一方面耽误了手术的进度。

因此，需要开发一种在断电情况下仍然能够手动移动手术器械的手术机器人。

发明内容

本发明提供了一种手术机器人，其通过不带电磁刹车的驱动电机和非自锁式丝杠，实现了在断电情况下仍然能够手动移动手术器械的目的。

在本发明的一个方面，提供了一种手术机器人，包括滑台和手术器械组件，滑台包括驱动电机、同步带以及丝杠副，丝杠副包括丝杠和与丝杠螺旋连接并传动的滑块，驱动电机为不带电磁制动的电机，且丝杠为非自锁式丝杠。

在一个实施例中，丝杠为滚珠丝杠。

在一个实施例中，滑台包括限位组件以限定手术器械沿滑台方向的运动范围。

在一个实施例中，限位组件包括分别位于滑台的两个端部的第一限位开关和第二限位开关。

在一个实施例中，滑台通过手术器械连接支座与手术器械连接。

在一个实施例中，滑台还包括戳卡机构，戳卡机构包括戳卡以实现手术器械组件在患者体内沿着戳卡的轴线方向的插入和拔出。

在一个实施例中，戳卡上设置标识线以对进入患者体内的手术戳卡进行定位。

在一个实施例中，驱动电机带有编码器。

在一个实施例中，在滑台侧部设置有走线拖链以用于容纳和保护从滑台通往手术器械组件的信号电缆。

在一个实施例中，手术器械连接支座包括线卡。

本发明的手术机器人通过设置在滑台上的不带电磁刹车的驱动电机以及非自锁式的丝杠，使得在断电情况下，仍然能够手动地移动手术器械，确保了手术的安全性并加快了手术的进度。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明实施例的手术机器人的示意图；

图2至图5显示了根据本发明实施例的滑台的示意图；

图6显示了根据本发明实施例的手术器械连接支座的立体图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，该手术机器人1包括推手2、机械臂3、台车4、滑台5以及手术器械组件6。

如图2中的(a)和(b)所示，滑台5由壳体51、驱动电机52、安装板53、传动部54、手术器械组件连接支座55以及戳卡机构56组成，其中，传动部54包括主动轮541、从动轮542、同步带543、支架544、丝杠副545，丝杠副545包括丝杠546和滑块547。

如图2和图3所示的，驱动电机52优选地带有编码器，该驱动电机52沿着安装板53的长度方向通过驱动电机固定构件57设置于安装板53的正面，该驱动电机固定构件57包括设置于安装板53两侧的安装片571以及支撑在这两个安装片571上方的滑动安装板572。具体地，在安装板53的安装驱动电机52的顶端开设有沿着安装板53宽度方向延伸的安装槽531，该安装槽531的宽度与安装片571的长度(垂直于安装板方向)相等以便可以通过螺栓将安装片571分别固定安装于安装槽531中。滑动安装板572优选为正方形构造，其宽度与安装板53的宽度相等，顶部两侧边缘设置有多个第一螺孔5721，该第一螺孔5721构造成两侧为半圆形的长条形螺孔，通过使螺栓穿透该第一螺孔5721而使滑动安装板572牢固地安装在两侧安装片571的顶部。

另外，该滑动安装板572的顶部中心设置有第一中心圆孔5722，其直径大于驱动电机52的输出轴的直径以使得该驱动电机52的输出轴可以穿过该第一中心圆孔5722，在第一中心圆孔5722周围均匀分布有多个螺孔以使滑动安装板572与驱动电机52紧固连接。由于该第一螺孔5721的特殊形状，使得可以对驱动电机52相对于安装板53的安装距离进行调节。

驱动电机52的输出轴穿过第一中心圆孔5722后与主动轮541固定连接，从而使主动轮541随着驱动电机52的旋转而旋转。

在安装板53的背面固定设置支架544，如图4和图5所示，该支架544的长度优选与安装板53的长度大致相等以保证结构的紧凑。具体地，沿着安装板53和支架544的长度方向等量均匀地分布有多个螺孔，从而通过螺钉实现固定连接。该支架544包括顶部的第一支架部5441和底部的第二支架部5442，第一支架部5441和第二支架部5442的中央分别设置有第二中心圆孔5443和第三中心圆孔5444，丝杠的两端分别设置于第二中心圆孔5443和第三中心圆孔5444中。第二中心圆孔5443中设置有旋转部5445，该旋转部5445与第二中心圆孔5443之间存在间隙以使旋转部能够在第二中心圆孔5443中自由旋转。该旋转部5445中设置有第四中心圆孔5446，该第四中心圆孔5446的直径与丝杠的直径相等以便使丝杠穿过并紧固于其中，沿着第四中心圆孔5446的径向方向设置有切口槽，在丝杠的靠近第一端部的位置设置有与切口槽对应的卡合件，在将丝杠的该端部穿过第四中心圆孔5446后，该卡合件与切口槽形成卡扣连接，以更加牢固地固定丝杠与旋转部中。在丝杠545的第一端部处形成较小直径的连轴部，该连轴部的直径构造成能够与从动轮542紧固地固定，并且该连轴部的长度构造成使得从动轮542与主动轮541位于同一高度以保证传动效率和精度。

在主动轮541和从动轮542之间套设有同步带543，这样，从动轮542就能够随着主动轮541的旋转而旋转。

为了能够在安装同步带543时对同步带543进行预紧，可以在滑动安装板572的远离安装板53的底部设置两个凸耳573，凸耳573从安装板53的顶端向着底端的方向延伸，在这两个凸耳573处分别设置有螺孔，在安装驱动电机52时，通过使拧紧螺栓574穿过该螺孔而抵靠在相应安装片571的侧部。在这种构造下，在安装同步带543时，通过拧紧该螺栓而使滑动安装板572向螺栓移动的反方向平移一定距离，从而带动驱动电机52和主动轮541平移相同距离，继而实现同步带543的预紧，保证了传统系统的整体精度较高。

在滑块547内部沿着滑块547的长度方向设置有内含螺纹的通孔，将丝杆穿过该通孔以与丝杠形成丝杠副545，该丝杠副545能够将丝杠546的旋转运动转化为滑块547的直线运动。在滑块547的顶部沿着周向均匀地分布有多个螺孔从而与手术器械组件连接支座55紧固连接。

在本发明中，该驱动电机52为不带电磁制动的电机。应理解的是，传统电磁制动的电机在切断电源时，制动器电磁铁失去磁吸力，弹簧推动衔铁压紧制动盘，在磨擦力矩作用下，电动机立即停止运转。由于此时电机是受到摩擦力矩的作用，即使在使用外力也难以转动电机。本发明中的不带电磁制动的驱动电机52在异常断电(即切断电源)时，则不会出现这种现象，电机仍然可以再外力作用下转动。

同时，本发明的丝杠546为非自锁式的丝杠，使得在使用外力推动与该丝杠546螺旋传动的滑块547时，能够轻松地沿着丝杠546的轴向轻松地推动滑块547。因此，在这种驱动电机52和丝杠547的配置下，在发生异常断电时，可以通过对滑块547手动施加外力，该外力使滑块547能够沿着丝杠546的轴向前进，将滑块547的直线运动转化为丝杠546的旋转运动，同时驱动电机52在同步带的传动下也发生转动。由于该丝杠547为非自锁式的，因此对于手动推动滑块547沿丝杠轴向的两个相反的方向均是可行的。这对于手术过程中发生异常断电而手术器械仍然位于患者体内的情况，是特别有利的。

在这里，如图6所示，该手术器械组件连接支座55的横截面呈“工”字型，其包括优选为一体成型的位于上方的第一支座部551、下方的第二支座部552以及连接二者的筋板553。第一支座部551的尺寸大于第二支座部552，沿第一支座部551的周向均匀分布有多个螺孔，从而与滑块547顶部的相应周向螺孔通过螺钉而紧固地连接。第二支座部552用于与手术器械组件6的隔离座固定，从而将滑台5与手术器械组件6固定连接在一起。在该手术器械组件连接支座55的筋板553的远离滑块547的一侧固定设置有线卡554以允许电缆穿过进而与手术器械组件6电性连接。另外，在该滑台的壳体51上的对应于滑台顶部的位置处，沿着滑台5长度方向开设有运动避让槽511，在该滑台5安装完成以后，第一支座部551位于壳体51以内，第二支座部552位于壳体51以外，筋板553可以在该运动避让槽511内随着滑块547的移动而移动。

返回参照图5，在安装板53的一个侧部设置有限位组件以最大限度地减少滑块547运动到极限位置以外的情况发生，该限位组件包括第一限位开关532和第二限位开关533。具体地，该第一限位开关532和第二限位开关533分别固定设置在靠近安装板53的顶部和底部的位置处。限位开关可以包括固定设置在安装板53侧部上的限位开关本体以及与限位开关本体紧固连接或一体式构造的限位片，在这里，滑块547的相应侧部处固定连接有限位块5471，以使得当滑块547运动到限位开关位置时，该限位块5471与该限位片接触，使相对应的限位开关变换电平输出型号，系统根据该信号限制滑台的运动。例如，当第一限位开关532得到信号时滑块547不能再继续往顶部运动，当第二限位开关533得到信号时滑块547不能再继续往底部运动。优选地，该限位块5471的两端呈斜面形式以便以为该限位提供一定的缓冲。更优选地，该限位片以一定角度与限位开关本体紧固连接或一体式连接。优选地，该限位片的与限位块5471接触的端部设置滚轮，以减小限位片与限位块之间的摩擦力，延长使用寿命。

优选地，限位开关上的紧固螺孔为两端为半圆形的长条形螺孔，这样，可以通过调节螺栓的位置而调节限位开关的前进或后退，以达到更加灵活地操控滑块547运动的极限位置的目的。

另一方面，系统每次启动时滑块547会自动往驱动电机52一侧运动直到与第一限位开关532碰撞，系统会自动将此位置标定为滑台零位。由于驱动电机52上安装有编码器，通过编码器的记录和走线拖链548的换算，后续滑块547在滑台5上运动到任意位置都可以计算得出，具体地，滑块547在后续运动时，由于驱动电机52上安装有编码器可以精确检测出驱动电机52旋转角度，通过固定的机械传动比可由此旋转角度计算得出滑块547实际直线运动的距离，从而实时地得出滑块547此时在滑台上相对于零位的位置，从而对滑块547以及安装于滑块547上的手术器械组件位置进行有效的监控。通过该数据的反馈，对比系统软件限定的滑块547运动范围。当计算得出滑块547所在位置超出限定范围时，也能从软件上停止滑块547的继续运动，达到利用软件进行限位的目的。

在安装板53的另一侧部设置有用于容纳和保护从滑台通往手术器械组件的信号电缆的走线拖链548，该走线拖链548为由多个拖链单元首尾连接而成的直链状结构，来自控制系统的电缆穿过始端部的拖链单元并沿着走线拖链548的延伸方向从末端部的拖链单元穿出，经过设置于手术器械组件连接支座55上的线卡554而与手术器械组件6连接。在安装板53的该另一侧部的某一位置固定设置有第一拖链连接机构，在滑块547的相应侧固定设置有第二拖链连接机构，该走线拖链548的始端部通过该第一拖链连接机构与安装板53固定连接，其末端部通过该第二拖链连接机构与安装板53固定连接。在上述构造下，走线拖链548的末端部随着滑块547的直线往复运动而相应地运动。

在图5中还示出了在安装板53的底部处固定设置有戳卡机构56以实现手术器械组件6在人体内沿着戳卡的轴线方向的插入和拔出功能。该戳卡机构56包括戳卡561和戳卡安装架562，戳卡安装架562的一端固定连接于安装板53的背面底部，另一端则通过戳卡快拆机构连接戳卡，以实现手术准备过程和结束阶段戳卡561与滑台5之间的快速安装和拆卸。

戳卡561主要包括安装腔5611和管壁5612，安装腔5611用于安装手术器械组件和腹腔镜，在手术器械组件和腹腔镜穿过管壁5612内部从而能够进入患者体内进行观察和手术操作。在管壁5612的外侧表面上，设置有标识线，通过标识线可以对进入患者体内的戳卡561装置进行定位，从而掌握戳卡561装置的插入位置和深度，达到手术的要求。

如图5中所示出的，第一标识线5613设置于在戳卡561装置处于正常安装时能够外露于患者皮肤外并能够通过肉眼观察到的位置，具体设置位置本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。第二标识线5614设置于在戳卡561装置处于正常安装时能够完全埋藏于皮肤层位置内，第三标识线5615设置于在戳卡561装置处于正常安装时能够通过内窥镜观察到的位置。同理，第二标识线5614和第三标识线5615的具体设置位置本领域技术人员可以根据实际需要进行调整，在此不做尺寸上的限定。通过这样的设置，可以满足每次对戳卡561装置的插入位置的精确设置和深度达到一致。

优选地，上述标识线，例如第一标识线5613，第二标识线5614以及第三标识线5615的一个或多个，沿管壁5612的外侧周向地设置。通过这样的设置，可以使得操作者从各个角度都能清楚地观察到标识线所处的位置，从而掌握戳卡561装置的插入深度和位置。

优选地，上述标识线设置于管壁5612的前部。通过将标识线设置于管壁5612的前部，满足了实际使用时在患者皮肤的附近，极为方便地通过对标识线的观察而掌握戳卡561装置的插入深度和位置。

优选地，标识线为黑色实线。通过这样的设置，可以在手术灯光下有对标识线较好的视觉效果。

优选地，第二标识线5614在管壁5612轴向的宽度大于第一标识线5613和第三标识线5615。通过这样的设置，可以在插入时迅速地对各个标识线进行区分，将相对较粗的第二标识线5614设置在患者皮肤层位置内，避免因误识和混淆标识线而造成设置位置的错误。

该滑台5还包括机械臂安装部549，该机械臂安装部549紧固设置于安装板53的正面，其包括靠近安装板53正面底部的第一机械臂安装部和靠近驱动电机52的第二机械臂安装部，机械臂的连接机构固定连接于第一机械臂安装部和第二机械臂安装部之间，且二者之间的距离取决于该机械臂4的连接机构的长度。

在安装时，通常通过机械臂的连接机构将机械臂3和滑台5牢固连接，也就是说，该机械臂的连接机构的一端连接滑台5，另一端连接机械臂3。

本发明的手术机器人通过设置在滑台上的不带电磁刹车的驱动电机以及非自锁式的丝杠，使得在断电情况下，仍然能够手动地移动手术器械，确保了手术的安全性并加快了手术的进度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种手术机器人，包括滑台和手术器械组件，所述滑台包括驱动电机、同步带以及丝杠副，所述丝杠副包括丝杆和与所述丝杆螺旋连接并传动的滑块，其特征在于，所述驱动电机为不带电磁制动的电机，且所述丝杆为非自锁式丝杆；所述滑台包括限位组件以限定所述手术器械沿滑台方向的运动范围，所述限位组件包括分别位于所述滑台的两个端部的第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和所述第二限位开关均包括限位开关本体以及与限位开关本体紧固连接或一体式构造的限位片，所述滑块的相应侧部处固定连接有限位块，以使得当滑块运动到限位开关位置时，所述限位块与所述限位片接触，所述限位块的两端呈斜面形式以便为限位提供一定的缓冲。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述丝杆为滚珠丝杆。

3.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述滑台通过手术器械连接支座与所述手术器械连接。

4.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述滑台还包括戳卡机构，所述戳卡机构包括戳卡以实现所述手术器械组件在患者体内沿着所述戳卡的轴线方向的插入和拔出。

5.根据权利要求4所述的手术机器人，其特征在于，所述戳卡上设置标识线以对进入患者体内的手术戳卡进行定位。

6.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述驱动电机带有编码器。

7.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，在所述滑台侧部设置有走线拖链以用于容纳和保护从所述滑台通往所述手术器械组件的信号电缆。

8.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述手术器械连接支座包括线卡。

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