CN111202561A - 一种具有感受功能的手术机器人操作杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有感受功能的手术机器人操作杆,属于医疗器械领域，包括：固定、连接部（120）和手柄（130），固定部（110）被固定，固定包括有一管状的固定管，固定管和连接部连接，连接部为管状结构，固定管和连接部的中心轴同轴，连接部能够相对固定管自转，固定管内设有一个半圆形的活动腔体（113）以及转动腔（1111），转动腔为弧形，弧形的弧心位于固定管中心轴上，转动腔仅有一出口，该出口端延伸到活动腔体内，连接部包括有一个转动组件（114），转动组件包括中心杆（1141）、弧形的转动杆（1142）以及位于转动杆末端的转动活塞（1143），转动杆（1142）和转动腔截面相匹配。

Description

一种具有感受功能的手术机器人操作杆

技术领域

本发明医学领域。

背景技术

医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个研究热点。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。

达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇机器人由三部分组成:外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。

其中医生通过操作外科医生控制台进而使得机械臂进行进行各种手术操作，但是由于医生控制台和机械臂是电连接的，其机械臂受到的各种力，如钳子的咬合力是无法被操作人员感受到的，使得无法根据具体的组织情况进行操作。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种具有感受功能的手术机器人操作杆,包括：固定部、连接部和手柄，固定部被固定，固定包括有一管状的固定管，固定管和连接部连接，连接部为管状结构，固定管和连接部的中心轴同轴，连接部能够相对固定管自转，固定管内设有一个半圆形的活动腔体以及转动腔，转动腔为弧形，弧形的弧心位于固定管中心轴上，转动腔仅有一出口，该出口端延伸到活动腔体内，连接部包括有一个转动组件，转动组件包括中心杆、弧形的转动杆以及位于转动杆末端的转动活塞，转动杆（1142）和转动腔截面相匹配，转动活塞和转动腔形成第一密封腔体，中心杆能够被连接部驱动轴向自转以驱动转动活塞在转动腔内运动进而改变第一密封腔体的体积，转动腔的底端连接有转动控压装置以使得第一密封腔体的气压能够被设定；

连接部设有移动腔，手柄上设有移动杆位于移动杆末端的移动活塞，移动活塞位于移动腔内以和移动腔形成第二密封腔体，移动活塞能够沿着移动腔移动进而改变第二密封腔体的体积，移动方向和固定管的中心轴同向，移动腔的底部连接有移动控压装置以使得第二密封腔体的气压能够被设定。

作为改进，所述的手柄包括把部、按杆，按杆连接在把部上，按杆和移动杆连接以驱动连接杆移动。

作为改进，所述的移动腔和移动活塞的截面为正六边形。

作为改进，所述的固定管连接有固定杆，固定杆固定在一底座上。

作为改进，所述的转动控压装置包括第一控制器、与第一控制器分别连接的第一大气泵和第一小气泵，第一大气泵和第一小气泵有不同的输气功率，第一大气泵和第一小气泵分别和转动腔连通。

作为改进，所述的移动控压装置包括第二控制器、与第二控制器分别连接的第二大气泵和第二小气泵，第二大气泵和第二小气泵有不同的输气功率，第二大气泵和第二小气泵分别和移动腔连通。

附图说明

图1是本发明的操作杆示意图；

图2是本发明的手柄示意图；

图3是固定部示意图；

图4是固定管示意图；

图5是活动腔体示意图；

图6是活动腔体截面图；

图7是活动腔体另一种状态图；

图8是-转动控压装置示意图；

图9是移动控压装置示意图；

图10是手术器械示意图；

图11是钳嘴示意图；

图12是钳嘴示意图；

图13是弧形杆示意图；

图14是活动管截面图；

图15是活动管截面图；

图16是-驱动管示意图；

图17是动力件示意图；

图18是动力件截面图；

图19是长管示意图；

图20是动力件的立体图；

图中标记：100-操作杆，110-固定部，111-固定管，1111-转动腔，112-转动控压装置，1121-第一控制器，1122-第一大气泵，1123-第一小气泵，1211-第二控制器，1212-第二大气泵，1213-第二小气泵，113-活动腔体，114-转动组件，1141-中心杆，1142-转动杆，1143-转动活塞，115-固定杆，116-底座120-连接部，121-移动控压装置，1211-第二控制器，1212-第二大气泵，1213-第二小气泵，122-移动腔，，130-手柄，131-把部，132-按杆，133-移动活塞，134-移动杆，200-动力件，210-第一气动件，211-连接套，212-第一驱动管，213-第一驱动杆，214-第一动力件，2141-第一滑块，2142-第一螺杆，2143-第一外壳，2144-第一电机，215-第一活塞，220-第二气动件，221-第二驱动管，222-第二活塞a，223-第二活塞b，224-第二驱动杆，225-分散杆a，226-分散杆b，227-第二动力件，2271-第二滑块，2272-第二螺杆，2273-第二外壳，2274-第二电机，230-固定板，300-壳体，400-钳嘴，410a-第一钳嘴，410b-第二钳嘴，420-连接头，430-活动管，431-活动腔，432-弧形腔，440-长管，441-连接通道，450-推拉杆，460-驱动管，461-转动柱，462-连接管，470-弧形杆，480-第三活塞。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

本发明公开了一种外科手术机器人组件，其能够应用在神经外科、妇产科、胃肠外科、胸外科、肝胆外科等外科领域，包括钳嘴400、驱动件和操作杆100，操作手柄能够进而转动和前进后退操作，并将该两项指令同时或者单独通过中央处理单元传输给驱动件，驱动件再分别通过不同的气动件控制钳嘴的开闭和转动,其中开闭和手柄的前进后退对应，转动和手柄的转动对应，进一步的手柄能够通过驱动件感受钳嘴开闭和转动所受到的咬合力和转动力。具体的如下所述：

如图1-9所示，本实施例公开了一种具有感受功能的手术机器人操作杆,包括固定部110、连接部120和手柄130，固定部110被固定，固定包括有一管状的固定管110，固定管和连接部连接，连接部为管状结构，固定管和连接部的中心轴同轴，连接部能够相对固定管自转，固定管内设有一个半圆形的活动腔体113以及转动腔1111，转动腔为弧形，弧形的弧心位于固定管中心轴上，转动腔仅有一出口，该出口端延伸到活动腔体内，连接部包括有一个转动组件114，转动组件包括中心杆1141、弧形的转动杆1142以及位于转动杆末端的转动活塞1143，转动杆1142和转动腔截面相匹配，转动活塞1143和转动腔形成第一密封腔体，中心杆能够被连接部驱动轴向自转以驱动转动活塞1143在转动腔内运动进而改变第一密封腔体的体积，转动腔的底端连接有转动控压装置112以使得第一密封腔体的气压能够被设定；

如图2所示，连接部120设有移动腔122，手柄上设有移动杆134位于移动杆末端的移动活塞133，移动活塞位于移动腔内以和移动腔形成第二密封腔体，移动活塞能够沿着移动腔移动进而改变第二密封腔体的体积，移动方向和固定管的中心轴同向，移动腔的底部连接有移动控压装置121以使得第二密封腔体的气压能够被设定。

如图2所示，所述的手柄130包括把部131、按杆132，按杆132连接在把部上，按杆和移动杆连接以驱动连接杆移动。所述的移动腔和移动活塞的截面为正六边形以防止移动腔和移动活塞相对转动。

如图3所示，所述的固定管连接有固定杆115，固定杆固定在一底座116上。

所述的转动控压装置112包括第一控制器1121、与第一控制器分别连接的第一大气泵1122和第一小气泵1123，第一大气泵和第一小气泵有不同的输气功率，第一大气泵和第一小气泵分别和转动腔连通。将检测到的转动腔和设定的有较大偏差的时候（如20%偏差），启动第一大气泵迅速使得转动腔的气压达到设定的值或者被赋予的值。将偏离较小的时候，仅仅气动第一小气泵以尽可能提高气压的精度。所述的移动控压装置121包括第二控制器1211、与第二控制器分别连接的第二大气泵1212和第二小气泵1223，第二大气泵和第二小气泵有不同的输气功率，第二大气泵和第二小气泵分别和移动腔连通，第二大气泵和第二小气泵的原理同上。

如图10-16所示，本实施例还公开了一种神经外科手术器械钳嘴，包括第一钳嘴410a和第二钳嘴410b、连接头420、长管440，推拉杆450，第一钳嘴410a和第二钳嘴410b铰接在连接头上，连接头和长管连接，推拉杆和第一钳嘴和第二钳嘴连接并被驱动移动以使得第一钳嘴和第二钳嘴张闭，其特征在于，推拉杆上套有驱动管460，驱动管上固定有弧形杆470，弧形杆末端设有第三活塞480，长管一端设有活动管430，连接头能够相对活动管转动，连接头和活动管之间设有轴承，活动管内一侧为活动腔431，另一侧内设有弧形腔432，弧形腔的弧心位于驱动管中心轴上，弧形腔一端延伸到活动腔，另一端通过长管和远端的动力件连通，弧形腔内的气压能够被远端动力件改变以驱动第三活塞和弧形杆沿着弧形腔移动，弧形腔和弧形杆相匹配以使得弧形杆在弧形腔内移动的时候，驱动管绕着其中心轴自转进而使得第一钳嘴、第二钳 嘴以及连接头相对活动管430转动；

如图16所示，推拉杆连接有转动柱461，转动柱连接有连接管462，推拉杆通过转动柱能够相对连接管转动进而使得驱动管驱动推拉杆450转动的时候连接管相对长管保持不动，推拉杆的截面为正方形，驱动管内设有截面为正方形的通道以使得推拉杆穿过驱动管并能够沿着驱动管轴向移动，连接管被远端的动力件驱动轴向移动以驱动推拉杆轴向移动进而使得第一钳嘴和第二钳嘴开闭。

如12所示，第一钳嘴和第二钳嘴的连接端均设有拉动通道，推拉杆的末端设有卡柱卡入拉动通道中。活动管430和长管440一体化成型以使得活动管内的弧形腔和长管440内的连接通道连通，当然也可以为分开的结构，弧形腔和连接通道441也能够对接连通。

活动管位于活动腔431的底部设有一个圆形凹部，驱动管460卡入该圆形凹部当中以固定驱动管460，长管内设有沿着长管轴向延伸的连接通道441，连接通道和弧形腔连通，连接通道能够被远端的动力件改变气压。

如图17-20所示，本实施例公开了一种神经外科手术机器人驱动件，包括壳体300以及位于壳体内的动力件200，壳体和长管连接，长管末端为钳嘴，驱动件包括第一气动件210和第二气动件220；第一气动件210包括连接套211、第一驱动管212、第一驱动杆213、第一动力件214、第一活塞215，连接套的一端和连接通道441连通，另一端和第一驱动管212连通，第一活塞位于第一驱动杆的末端，第一活塞位于第一驱动管212中，第一驱动杆213被第一动力件驱动以挤拉第一活塞进而改变第一驱动管内212的气压进而控制钳嘴的转动；第二气动件220包括第二驱动管221、第二活塞a222、第二活塞b223，第二驱动杆224，第二动力件227，第二活塞a和第二活塞b均位于第二驱动管中并且第二活塞a和第二活塞b之间在第二驱动管中形成密封腔，第二活塞a和连接管连接，第二活塞b和第二驱动杆224连接，第二驱动杆224被第二动力件驱动以使得第二活塞b移动进而改变密封腔的气压以驱动第二活塞推拉连接管，连接管被推拉控制钳嘴的开闭；所述的第一驱动管内设有检测第一驱动管气压的第一传感装置，第二驱动管内设有检测密封腔气压的第二传感装置，图中未示出，其为现有的常规技术。

如图17，在优选的实施例当中，所述的连接管的末端设有若干个分散杆a225，分散杆a的另一端连接在第二活塞a的不同位置上，所述的第二驱动杆的末端设有若干个分散杆b226，分散杆b的另一端连接在第二活塞b的不同位置上。

如图17和18所示，在优选的实施例当中，所述的第一动力件220包括第一外壳2143，第一外壳内设有第一螺杆2142，第一螺杆上丝杆连接有第一滑块2141，第一滑块和第一驱动杆固定连接，第一螺杆被第一电机2144驱动。

如图17和18所示，在优选的实施例当中，所述的第二动力件227包括第二外壳2273，第二外壳内设有第二螺杆2272，第二螺杆丝杆连接有第二滑块2271，第二滑块固定连接第二驱动杆，第二螺杆连接有第二电机2274并被第二电机驱动装置进而控制第二滑块沿着螺杆轴向移动。在优选的方案中，第一驱动管的截面积大于第一连接通道截面积，以使得第一驱动管的第一活塞挤压较小的面积就能够实现441中气压的较大变化。壳体300内设有固定板230以将第一驱动管和第二驱动管固定在壳体300上。

本实施例当中，医生在远程操作操作杆100来操作钳嘴400，具体的根据钳嘴的的需要进行转动和开闭的操作，当然钳嘴也可以进行其他自由度的操作，其为常规技术。在操作杆上设有相应的传感器来检测移动杆134的移动数据，并根据移动数据通过中央处理单元控制第二电机2274，第二电机2274工作驱动第二活塞b移动，改变密封腔的气压，进而挤压第二活塞a222移动，进一步推拉连接管462，连接管推拉推拉杆450，进一步控制钳嘴开闭，在推拉杆移动的时候驱动管可相对长管静止。同时，由于钳嘴的咬合力较大的时候，第二活塞a和第二活塞b之间密封腔的气压会较小（或者较大），密封腔内的设有气压传感器检测密封腔的气压，并将该气压数据通过中央处理单元传输给移动控压装置121的第二控制器1211，第二控制器1211通过气泵使得移动腔122内的气压控制和密封腔的气压相同，移动活塞就会相应的被挤拉，进而被人手感受到挤拉力，该挤拉力和钳嘴的咬合力成正比，具体的可以通过增大移动活塞的面积使得人体更能感受到更大的咬合力。

同样的，当需要转动钳嘴的时候，通过转动连接部120和手柄，使得连接部相对固定部转动，相应传感器检测到中心杆1141的转动数据，并根据该转动数据控制第一电机2144，该第一电机驱动第一活塞215移动，进而改变连接连接通道441内的气压，连接通道和弧形腔432连通，第三活塞移动进一步驱动驱动管460转动，进一步驱动推拉杆450带动钳嘴转动。同样的，钳嘴的转动力过大，第一驱动管或连接通道内的气压变化过大，该气压被检测以及传输到控制器第一控制器1121，第一控制器相应的控制转动腔1111的气压为上述被检测的气压，人体就能通过转动力的强弱感受到钳嘴转动力的大小，进而调整相应的手术操作指令。

Claims (6)

1.一种具有感受功能的手术机器人操作杆,其特征在于，包括：固定部（110）、连接部（120）和手柄（130），固定部（110）被固定，固定包括有一管状的固定管（110），固定管和连接部连接，连接部为管状结构，固定管和连接部的中心轴同轴，连接部能够相对固定管自转，固定管内设有一个半圆形的活动腔体（113）以及转动腔（1111），转动腔为弧形，弧形的弧心位于固定管中心轴上，转动腔仅有一出口，该出口端延伸到活动腔体内，连接部包括有一个转动组件（114），转动组件包括中心杆（1141）、弧形的转动杆（1142）以及位于转动杆末端的转动活塞（1143），转动杆（1142）和转动腔截面相匹配，转动活塞（1143）和转动腔形成第一密封腔体，中心杆能够被连接部驱动轴向自转以驱动转动活塞（1143）在转动腔内运动进而改变第一密封腔体的体积，转动腔的底端连接有转动控压装置（112）以使得第一密封腔体的气压能够被设定；

连接部（120）设有移动腔（122），手柄上设有移动杆（134）位于移动杆末端的移动活塞（133），移动活塞位于移动腔内以和移动腔形成第二密封腔体，移动活塞能够沿着移动腔移动进而改变第二密封腔体的体积，移动方向和固定管的中心轴同向，移动腔的底部连接有移动控压装置（121）以使得第二密封腔体的气压能够被设定。

2.根据权利要求1所述的具有感受功能的手术机器人操作杆,其特征在于，所述的手柄（130）包括把部（131）、按杆（132），按杆（132）连接在把部上，按杆和移动杆连接以驱动连接杆移动。

3.根据权利要求2所述的具有感受功能的手术机器人操作杆,其特征在于，所述的移动腔和移动活塞的截面为正六边形。

4.根据权利要求3所述的具有感受功能的手术机器人操作杆,其特征在于，所述的固定管连接有固定杆（115），固定杆固定在一底座（116）上。

5.根据权利要求4所述的具有感受功能的手术机器人操作杆,其特征在于，所述的转动控压装置（112）包括第一控制器（1121）、与第一控制器分别连接的第一大气泵（1122）和第一小气泵（1123），第一大气泵和第一小气泵有不同的输气功率，第一大气泵和第一小气泵分别和转动腔连通。

6.根据权利要求5所述的具有感受功能的手术机器人操作杆,其特征在于，所述的移动控压装置（121）包括第二控制器（1211）、与第二控制器分别连接的第二大气泵（1212）和第二小气泵（1223），第二大气泵和第二小气泵有不同的输气功率，第二大气泵和第二小气泵分别和移动腔连通。

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