CN111317573B - 一种移动小车和移动式医疗手术机器人 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种移动小车和移动式医疗手术机器人，其中，移动小车包括：主体，设置在主体上的移动机构、升降机构和控制器；其中，移动机构，用于响应于来自控制器的第一控制信号，移动主体的位置，响应于来自控制器的第二控制信号，停止主体位置的移动；升降机构，用于响应于来自控制器的第二控制信号，在移动机构停止主体位置的移动后，从主体内部降落至目标体上，并通过磁力吸附目标体，以固定主体位置。本公开实施例升降机构不仅起到支撑稳固作用，还通过磁力将升降机构吸附在目标体上，由于磁力的吸附作用存在，移动小车也不会发生任何倾斜，大大降低了手术过程中产生的误差，提升了医疗手术机器人的操作精度。

Description

一种移动小车和移动式医疗手术机器人

技术领域

本公开涉及医疗器械领域，特别涉及一种移动小车和移动式医疗手术机器人。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人在手术医疗行业的发展也越来越成熟，目前已经出现了骨科、腹腔科、神经外科等专用机器人，可有效取代医生根据经验进行的手术操作，提高手术精度，减少对医生个人经验的要求。

目前，常见的移动式医疗手术机器人机构包括机械臂、控制器、导航装置、显示装置等，机械臂用来实现运动功能，导航装置用来统一坐标系，精确计算各个部位的位置，一般以光学传感器为主，控制器和显示装置用来根据X光、CT、核磁等仪器拍摄的图像进行规划计算，以控制机械臂的运动，并在屏幕上实时显示运动轨迹。

为了方便机械臂的位置操作以及整个机器人的移动，一般将控制器和机械臂做成一体，置于移动小车上；小车底部布置升降机构，当医疗手术机器人需要移动位置时，将升降机构升起，通过移动小车来移动整个机器人的位置，调整好机器人位置需要固定时，将升降机构落下，使小车轮子脱离地面，进而实现固定机器人的效果。通常情况下，机器人的升降机构采用升降柱，以三角或者四角支撑方式将小车固定在某一位置。

机械臂在执行操作的运动过程中，由于非刚性接触可能产生相对于地面的倾斜力，这时候升降柱底部与地面在某一方向可能会产生微小间隙导致失稳，影响机器人的稳定性和精度。通过相关实验测试，这种倾斜可导致机器人末端产生至多0.2mm-0.5mm的误差，而一般医疗手术机器人的精度才为0.8mm，因机械臂运动导致的误差增加了手术误差，进而增加了手术风险。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提出了一种移动小车和移动式医疗手术机器人，用以解决现有技术的如下问题：机械臂在执行操作的运动过程中，由于非刚性接触可能产生相对于地面的倾斜力，进而导致机器人末端产生较大误差，增加了手术风险。

一方面，本公开实施例提出了一种移动小车，用于承载医疗手术机器人，包括：主体，设置在主体上的移动机构、升降机构和控制器；其中，移动机构，用于响应于来自所述控制器的第一控制信号，移动所述主体的位置，响应于来自所述控制器的第二控制信号，停止主体位置的移动；升降机构，用于响应于来自所述控制器的所述第二控制信号，在所述移动机构停止所述主体位置的移动后，从所述主体内部降落至目标体上，并通过磁力吸附所述目标体，以固定所述主体位置。

在一些实施例中，所述升降机构包括：多个具有励磁特性的升降柱，所述升降柱上缠绕有励磁线圈，用于在所述励磁线圈通电的情况下通过所述升降柱产生的磁力吸附所述目标体。

在一些实施例中，所述升降机构包括：至少一个升降柱、与所述升降柱连接的底座，其中，所述底座内部设置有磁吸装置，所述磁吸装置至少包括：旋钮和永磁铁；所述磁吸装置用于根据所述旋钮的旋转方向调整所述永磁铁的磁极方向，以吸附所述目标体。

在一些实施例中，所述磁吸装置还包括：电磁软铁、黄铜；所述底座为铸铁材料，所述铸铁材料内部设置有所述电磁软铁，所述电磁软铁内部设置有所述永磁铁，所述永磁铁在非吸附状态下磁极处于水平方向，所述黄铜用于在非吸附状态下隔离两个磁极在所述底座上产生的磁性。

在一些实施例中，所述升降机构包括：至少一个升降柱、与所述升降柱连接的底座，其中，所述底座内部设置有磁吸装置，所述磁吸装置包括：铁芯和励磁线圈；所述磁吸装置用于在所述励磁线圈通电的情况下通过所述铁芯产生的磁力吸附所述目标体。

在一些实施例中，所述底座底面具有多个向所述目标体方向凸起的轨道，所述磁吸装置设置在所述轨道内部。

在一些实施例中，每个所述升降柱对应一个所述底座，且所述底座的表面积大于所述升降柱的底面积。

在一些实施例中，多个所述升降柱对应一个所述底座。

在一些实施例中，所述底座的表面形状与小车的形状相匹配。

另一方面，本公开实施例提出了一种移动式医疗手术机器人，至少包括：机械臂和本公开任一实施例所述的移动小车。

本公开实施例升降机构不仅起到支撑稳固作用，还通过磁力将升降机构吸附在目标体上，只要目标体不发生移动，移动小车就不会发生任何位移，即使移动小车上承载的医疗手术机器人运动，由于磁力的吸附作用存在，移动小车也不会发生任何倾斜，大大降低了手术过程中产生的误差，提升了医疗手术机器人的操作精度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开第一实施例提供的移动小车的结构示意图；

图2为本公开第一实施例提供的升降结构的一种示意图；

图3为本公开第一实施例提供的磁吸装置的一种剖面结构示意图；

图4为本公开第一实施例提供的磁吸装置与目标体吸附的示意图；

图5为本公开第一实施例提供的电磁式磁吸装置的一种结构示意图；

图6为本公开第二实施例提供的机械臂和移动小车连接示意图。

附图标记：

1-主体，2-移动机构，3-升降机构，4-控制器，5-目标体，31-升降柱，32-底座，321-永磁铁，322-电磁软铁，323-黄铜，324-铁芯，325-励磁线圈，326-导轨。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本公开实施例提供了一种移动小车，用于承载医疗手术机器人，其结构示意如图1所示，包括：

主体1，设置在主体上的移动机构2、升降机构3和控制器4；其中，移动机构2，用于响应于来自控制器的第一控制信号，移动主体的位置，响应于来自控制器的第二控制信号，停止主体位置的移动；升降机构3(图中示出为未降落至目标体上的状态)，用于响应于来自控制器的第二控制信号，在移动机构停止主体位置的移动后，从主体内部降落至目标体上，并通过磁力吸附目标体，以固定主体位置。

本公开实施例升降机构不仅起到支撑稳固作用，还通过磁力将升降机构吸附在目标体上，只要目标体不发生移动，移动小车就不会发生任何位移，即使移动小车上承载的医疗手术机器人运动，由于磁力的吸附作用存在，移动小车也不会发生任何倾斜，大大降低了手术过程中产生的误差，提升了医疗手术机器人的操作精度。

图1中示出的移动机构为轮子，但其仅为示例，也可以是导轨等任何也可以移动的机构，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置。

为了实现磁力吸附作用，目标体通常为铁板，设置在手术室地面上，当然，也可以是在建造手术室的过程中在地面中掺杂了磁性材料，则目标体就可以直接是地面。如果移动机构为导轨，则目标体上需要设置与移动机构相匹配的导轨。上述目标体的平整度越高，吸合力越均匀，医疗手术机器人就更不易发生晃动。

升降机构在移动小车需要固定时，落下至目标体，进而使小车轮子脱离地面，实现固定机器人的效果。通常情况下，升降机构采用升降柱，以三角或者四角支撑方式将小车固定在某一位置。

本实施例对于升降机构，提供了多个可实现方式，下面对其进行说明。

(1)对于本公开实施例的升降机构，其可以包括：多个具有励磁特性的升降柱，升降柱上缠绕有励磁线圈，用于在励磁线圈通电的情况下通过升降柱产生的磁力吸附目标体。升降柱具有励磁特性，则在升降柱上缠绕的励磁线圈通电后，会在升降柱上产生磁性，进而通过磁力吸附住目标体，以实现稳定的固定移动小车的目的。

(2)对于本公开实施例的升降机构，其可以包括：至少一个升降柱、与升降柱连接的底座，其中，底座内部设置有磁吸装置，磁吸装置至少包括：旋钮和永磁铁321；磁吸装置用于根据旋钮的旋转方向调整永磁铁的磁极方向，以吸附目标体。由于本实施例为升降柱设置了底座，因此，升降柱的数量可以为一个也可以为多个，为了达到最好的稳定效果，升降柱为多个时更利于构成稳定结构。

如图2所示，为上述升降结构的一种示意图，图中示出了3个升降柱，其底座为一个整体，与每个升降柱连接，升降柱与底座设计为一体结构，该图中多个升降柱对应一个底座。

为了保证磁吸装置具有较好的吸附作用及方便用户操作，磁吸装置还包括：电磁软铁322、黄铜323；底座为铸铁材料，铸铁材料内部设置有电磁软铁，电磁软铁内部设置有永磁铁，永磁铁在非吸附状态下磁极处于水平方向，黄铜用于在非吸附状态下隔离两个磁极在底座上产生的磁性。永磁铁可产生N/S磁场，旋钮与永磁铁相连，旋钮开关可调节N/S对齐方向，实现与地面的吸合、释放。电磁软铁被磁化后可以很快退磁，在释放后可以很快脱离地面吸合。黄铜不受磁力吸引，可用以封装永磁铁以及电磁软铁。底座用来与目标体(即地面)吸附，设计时可以加大底座与地面的接触面积，从而增加吸引力。一般在底座内部可以放置若干个磁吸装置，如图3所示，为一个磁吸装置的一种剖面结构示意图，该状态下，底座可以正常升起，移动小车未处于被固定状态；当旋钮被扭动后，磁吸装置内部的永磁铁磁极方位发生了变化，如图4所示，导致底座产生了垂直方向的磁力，进而底座吸附在目标体上，无法移动。

如果每个升降柱对应一个底座，则底座的表面积大于升降柱的底面积，以通过表面积的增大来加大吸附时的磁力，每个底座内至少设置有一个磁吸装置。

(3)对于本公开实施例的升降机构，其可以包括：至少一个升降柱、与升降柱连接的底座，其中，底座内部设置有磁吸装置，磁吸装置包括：铁芯(具有励磁特性)和励磁线圈；磁吸装置用于在励磁线圈通电的情况下通过铁芯产生的磁力吸附目标体。

该实施例相对于(2)中的磁吸装置发生了变化，磁吸装置可分为两种，一种是机械式磁吸(例如图3中示出的)，需要用户旋转旋钮改变N/S极的对齐方向实现吸合、释放功能。另一种则是电磁式磁吸，将励磁线圈缠绕在铁芯上，设置在底座底部，通过电磁感应的原理，产生N/S磁场，吸附目标体。

电磁式磁吸装置可以如图5所示，包括励磁线圈325、铁芯324和均匀分布励磁线圈的导轨326组成(也可以是非导轨形式)。在图5中，励磁线圈和铁芯虽然画在导轨外侧，但是，此种画法只是为了指示励磁线圈和铁芯的位置示意，实际励磁线圈和铁芯设置在导轨内部，每条导轨上可以设置多个励磁线圈和铁芯的组合。励磁线圈在通电时可产生N/S磁场，吸合地面。铁芯主要用于对电磁场励磁，一般选用硅钢材料。导轨上分布着若干电磁线圈，可增大磁场力，线圈个数取决于底座的大小。该磁吸装置放在底座中，导轨的数量可根据需求添加。

为了增强磁力的吸附作用，可以将点吸附变成面吸附，本公开实施例移动小车的底座底面可以具有多个向目标体方向凸起的轨道，磁吸装置均匀的设置在轨道内部，例如，一个轨道内部设置多个磁吸装置，如果是(2)中提到的机械式磁吸装置，则多个磁吸装置可以设置一个统一的旋钮，以便用户操作。

移动小车与目标体吸合力的大小取决于永磁体或者电磁铁产生的磁场力。具体实现时，可通过增加电磁铁面积或者加大通电电流的方式增大磁场力；对于上述具有底座的任意升降结构，可以设计为每个升降柱对应一个底座、且底座的表面积大于升降柱的底面积，也可以设计为多个升降柱对应一个底座，则底座的表面积自然大于所有升降柱底面积之和。

设计时，底座的表面形状可以与小车的形状相匹配，以从外观上给用户更好的使用体验。

移动式医疗手术机器人的机械臂在执行操作的运动过程中，由于非刚性接触可能产生相对于地面的倾斜力，进而导致机器人末端产生较大误差，增加了手术风险。本公开第二实施例提供了一种移动式医疗手术机器人，至少包括：控制器、导航装置、显示装置、机械臂和移动小车。

本公开实施例只改动移动式医疗手术机器人的移动小车，机械臂的控制功能可以与移动小车的控制器集成为一个控制器，也可以单独为不同的控制器，本实施例不进行限制，不涉及导航装置、显示装置及机械臂等其它部分的改进。图6示出了机械臂和移动小车连接示意图。

本实施例的控制器用于实现移动小车与机械臂一体控制，与导航装置、显示装置、机械臂等任何需要控制的装置连接，用于发送控制信号，以控制各个装置工作。机械臂，根据控制器的控制信号运动，与控制器、导航装置、显示装置连接，执行手术操作。

设计时，磁吸装置不应对医疗手术机器人内部的电路板有干扰，需要设计电磁屏蔽层。

本公开实施例提供的移动小车包括：主体，设置在主体上的移动机构、升降机构和控制器；其中，移动机构，用于响应于来自控制器的第一控制信号，移动主体的位置，响应于来自控制器的第二控制信号，停止主体位置的移动；升降机构，用于响应于来自控制器的第二控制信号，在移动机构停止主体位置的移动后，从主体内部降落至目标体上，并通过磁力吸附目标体，以固定主体位置。

本公开实施例升降机构不仅起到支撑稳固作用，还通过磁力将升降机构吸附在目标体上，只要目标体不发生移动，移动小车就不会发生任何位移，即使移动小车上承载的医疗手术机器人运动，由于磁力的吸附作用存在，移动小车也不会发生任何倾斜，大大降低了手术过程中产生的误差，提升了医疗手术机器人的操作精度。

移动机构可以为轮子，也可以是导轨等任何也可以移动的机构，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置。

为了实现磁力吸附作用，目标体通常为铁板，设置在手术室地面上，当然，也可以是在建造手术室的过程中在地面中掺杂了磁性材料，则目标体就可以直接是地面。如果移动机构为导轨，则目标体上需要设置与移动机构相匹配的导轨。上述目标体的平整度越高，吸合力越均匀，医疗手术机器人就更不易发生晃动。

升降机构在移动小车需要固定时，落下至目标体，进而使小车轮子脱离地面，实现固定机器人的效果。通常情况下，升降机构采用升降柱，以三角或者四角支撑方式将小车固定在某一位置。

本实施例对于升降机构，提供了多个可实现方式，下面对其进行说明。

(1)对于本公开实施例的升降机构，其可以包括：多个具有励磁特性的升降柱，升降柱上缠绕有励磁线圈，用于在励磁线圈通电的情况下通过升降柱产生的磁力吸附目标体。升降柱具有励磁特性，则在升降柱上缠绕的励磁线圈通电后，会在升降柱上产生磁性，进而通过磁力吸附住目标体，以实现稳定的固定移动小车的目的。

(2)对于本公开实施例的升降机构，其可以包括：至少一个升降柱、与升降柱连接的底座，其中，底座内部设置有磁吸装置，磁吸装置至少包括：旋钮和永磁铁；磁吸装置用于根据旋钮的旋转方向调整永磁铁的磁极方向，以吸附目标体。由于本实施例为升降柱设置了底座，因此，升降柱的数量可以为一个也可以为多个，为了达到最好的稳定效果，升降柱为多个时更利于构成稳定结构。

为了保证磁吸装置具有较好的吸附作用及方便用户操作，磁吸装置还包括：电磁软铁、黄铜；底座为铸铁材料，铸铁材料内部设置有电磁软铁，电磁软铁内部设置有永磁铁，永磁铁在非吸附状态下磁极处于水平方向，黄铜用于在非吸附状态下隔离两个磁极在底座上产生的磁性。永磁铁可产生N/S磁场，旋钮与永磁铁相连，旋钮开关可调节N/S对齐方向，实现与地面的吸合、释放。电磁软铁被磁化后可以很快退磁，在释放后可以很快脱离地面吸合。黄铜不受磁力吸引，可用以封装永磁铁以及电磁软铁。底座用来与目标体(即地面)吸附，设计时可以加大底座与地面的接触面积，从而增加吸引力。

如果每个升降柱对应一个底座，则底座的表面积大于升降柱的底面积，以通过表面积的增大来加大吸附时的磁力，每个底座内至少设置有一个磁吸装置。

(3)对于本公开实施例的升降机构，其可以包括：至少一个升降柱、与升降柱连接的底座，其中，底座内部设置有磁吸装置，磁吸装置包括：铁芯(具有励磁特性)和励磁线圈；磁吸装置用于在励磁线圈通电的情况下通过铁芯产生的磁力吸附目标体。

该实施例相对于(2)中的磁吸装置发生了变化，磁吸装置可分为两种，一种是机械式磁吸，需要用户旋转旋钮改变N/S极的对齐方向实现吸合、释放功能。另一种则是电磁式磁吸，将励磁线圈缠绕在铁芯上，设置在底座底部，通过电磁感应的原理，产生N/S磁场，吸附目标体。

电磁式磁吸装置可以包括励磁线圈、铁芯和均匀分布励磁线圈的导轨组成(也可以是非导轨形式)。励磁线圈在通电时可产生N/S磁场，吸合地面。铁芯主要用于对电磁场励磁，一般选用硅钢材料。导轨上分布着若干电磁线圈，可增大磁场力，线圈个数取决于底座的大小。该磁吸装置放在底座中，导轨的数量可根据需求添加。

为了增强磁力的吸附作用，可以将点吸附变成面吸附，本公开实施例移动小车的底座底面可以具有多个向目标体方向凸起的轨道，磁吸装置均匀的设置在轨道内部，例如，一个轨道内部设置多个磁吸装置，如果是(2)中提到的机械式磁吸装置，则多个磁吸装置可以设置一个统一的旋钮，以便用户操作。

移动小车与目标体吸合力的大小取决于永磁体或者电磁铁产生的磁场力。具体实现时，可通过增加电磁铁面积或者加大通电电流的方式增大磁场力；对于上述具有底座的任意升降结构，可以设计为每个升降柱对应一个底座、且底座的表面积大于升降柱的底面积，也可以设计为多个升降柱对应一个底座，则底座的表面积自然大于所有升降柱底面积之和。

设计时，底座的表面形状可以与小车的形状相匹配，以从外观上给用户更好的使用体验。

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本公开的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种移动小车，用于承载医疗手术机器人，其特征在于，包括：

主体，设置在主体上的移动机构、升降机构和控制器；其中，

移动机构，用于响应于来自所述控制器的第一控制信号，移动所述主体的位置，响应于来自所述控制器的第二控制信号，停止主体位置的移动；

升降机构，用于响应于来自所述控制器的所述第二控制信号，在所述移动机构停止所述主体位置的移动后，从所述主体内部降落至目标体上，并通过磁力吸附所述目标体，以固定所述主体位置；

所述升降机构包括：

多个具有励磁特性的升降柱，所述升降柱上缠绕有励磁线圈，用于在所述励磁线圈通电的情况下通过所述升降柱产生的磁力吸附所述目标体；

其中，所述升降机构包括：

至少一个升降柱、与所述升降柱连接的底座，其中，所述底座内部设置有磁吸装置，所述磁吸装置至少包括：旋钮和永磁铁；

所述磁吸装置用于根据所述旋钮的旋转方向调整所述永磁铁的磁极方向，以吸附所述目标体；

所述底座底面具有多个向所述目标体方向凸起的轨道，所述磁吸装置设置在所述轨道内部，一个轨道内部设置多个所述磁吸装置，多个所述磁吸装置设置一个统一的所述旋钮。

2.如权利要求1所述的移动小车，其特征在于，所述磁吸装置还包括：电磁软铁、黄铜；

所述底座为铸铁材料，所述铸铁材料内部设置有所述电磁软铁，所述电磁软铁内部设置有所述永磁铁，所述永磁铁在非吸附状态下磁极处于水平方向，所述黄铜用于在非吸附状态下隔离两个磁极在所述底座上产生的磁性。

3.如权利要求1所述的移动小车，其特征在于，所述升降机构包括：

至少一个升降柱、与所述升降柱连接的底座，其中，所述底座内部设置有磁吸装置，所述磁吸装置包括：铁芯和励磁线圈；

所述磁吸装置用于在所述励磁线圈通电的情况下通过所述铁芯产生的磁力吸附所述目标体。

4.如权利要求2或3所述的移动小车，其特征在于，每个所述升降柱对应一个所述底座，且所述底座的表面积大于所述升降柱的底面积。

5.如权利要求2或3所述的移动小车，其特征在于，多个所述升降柱对应一个所述底座。

6.如权利要求2或3所述的移动小车，其特征在于，所述底座的表面形状与小车的形状相匹配。

7.一种移动式医疗手术机器人，其特征在于，至少包括：机械臂和权利要求1至6中任一项所述的移动小车。

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