CN111513856A - 一种多机械臂联动式外科手术机器人 - Google Patents

一种多机械臂联动式外科手术机器人 Download PDF

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CN111513856A CN202010350524.9A CN202010350524A CN111513856A CN 111513856 A CN111513856 A CN 111513856A CN 202010350524 A CN202010350524 A CN 202010350524A CN 111513856 A CN111513856 A CN 111513856A
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Abstract

本发明涉及一种多机械臂联动式外科手术机器人，包括：平台以及与平台配合连接的升降组件，平台顶部配合连接有升降组件,升降组件配合连接有多个机械臂；机械臂包括一主机械臂与复数个副机械臂，一主机械臂设置在升降组件正面，其余副机械臂对称设置在升降组件两侧；手术工具通过吸盘配合连接在主机械手与副机械手端部；吸盘上设置有第一传感器，第一传感器用于检测吸盘的吸合状态信息；基座一侧位于主机械臂的下方位置处连接有工具箱，工具箱内部间隔设置有若干个工具头，工具箱顶部与工具头对应设置有封盖，封盖上设置有第二传感器，第二传感器用于检测工具头参数信息；主机械手与副机械手端部设置有监测件，监测件用于监测手术状态信息。

Description

一种多机械臂联动式外科手术机器人
技术领域
本发明涉及医学领域或智能控制领域，尤其涉及一种多机械臂联动式外科手术机器人。
背景技术
随着医疗机器人的研制取得的飞跃性发展，一批研究成果相继被报道，外科手术机器人具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大，外科手术机器人不仅可以协助医生完成手术部分的精确定位，解决医生手部的颤动、疲劳、肌肉神经的反馈，而且可以实现手术最小损伤，提高疾病的诊断、手术治疗的精度与质量，增加安全系数、缩短治疗时间，降低医疗成本。
而现有的一些外科手术机器人，需要外科医生进行辅助操作，输入指令进行控制机器人操作，其次现有的外科手术机器人机械手较多，操作过程比较复杂，且在操作过程中由于机械手较多，手术精度难以保证，此外，控制器控制机械臂移动过程中，无法通过大数据分析，精准的计算手术区域，并实现自动化手术操作。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种多机械臂联动式外科手术机器人。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多机械臂联动式外科手术机器人，包括：基座以及与基座配合连接的升降组件；
所述基座顶部配合连接有升降组件,所述升降组件配合连接有多个机械臂，多个所述机械臂位于不同水平面，所述机械臂为多段式联动机构,所述升降组件能够带动机械手移动；
所述机械臂包括一主机械臂与复数个副机械臂，一主机械臂设置在所述升降组件正面，其余副机械臂分别对称设置在所述升降组件两侧；
所述主机械臂自有端端部配合连接有主机械手，所述副机械臂端部配合连接有副机械手，所述主机械手与所述副机械手能够实现联动，所述主机械手与所述副机械手内部均设置有磁片，所述磁片上间隔设置有若干个吸盘，手术工具通过所述吸盘配合连接在所述主机械手与所述副机械手端部；所述吸盘上设置有第一传感器，所述第一传感器用于检测所述吸盘的吸合状态信息；
所述基座一侧位于所述主机械臂的下方位置处连接有工具箱，所述工具箱内部间隔设置有若干个工具头，所述工具箱顶部与所述工具头对应设置有封盖，所述封盖上设置有第二传感器，所述第二传感器用于检测工具头参数信息；
所述主机械手与所述副机械手端部设置有监测件，所述监测件用于监测手术状态信息。
本发明一个较佳实施例中，所述主机械臂与所述主机械手之间通过万向机构配合连接，所述主机械手能够实现万向转动。
本发明一个较佳实施例中，所述升降组件顶部设置有控制盒，所述控制盒内部设置有控制器，所述控制器能够控制主机械手与副机械手相互配合按预定方式动作。
本发明一个较佳实施例中，所述基座一侧设置有微调机构，所述微调结构能够调整主机械臂与副机械臂竖直方向的距离。
本发明一个较佳实施例中，还包括：检测单元、动力单元与移动单元；所述检测单元设置在所述基座的顶部，所述检测单元包括角度传感器、位置传感器、转速传感器中的一种或多种，所述动力单元设置在所述基座的一侧，所述动力单元包括：电机、制动件与散热件，所述制动件设置在所述平台的一侧，所述散热件设置在所述电机上。
本发明一个较佳实施例中，所述移动单元设置在基座底部四角，所述移动单元包括连接件、卡件与滚轮，所述连接件固定连接在卡件的顶部，所述卡件配合连接有滚轮，至少一个移动单元设置有锁止件。
本发明第二方面提供了一种外科手术方法，应用于上述任一权利要求所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人中,
获取手术信息，将接收到的数据上传至云端数据库；
通过云计算建立预设模型及手术处理方式训练集，利用手术处理方式训练集对预设模型进行训练，得到手术数据；
将手术数据上传至控制器，通过控制器控制主机械手与副机械手吸合预定工具头进行手术。
本发明一个较佳实施例中，所述预设模型包括卷积神经网络模型、聚类分析模型、关联分析模型中的一种。
本发明一个较佳实施例中，聚类分析模型具体为：获取云端数据库内数据，具有相似特征的数据点划分为统一类别，并生成多个数据集；分析多个数据集并获取多个数据集特征，将多个数据集特征聚类得到聚类分析模型。
本发明一个较佳实施例中，卷积神经网络模型具体为：通过摄像头获取病人图像信息，通过云计算得到病人数据，将数据输入卷积神经网络模型，通过大数据训练卷积神经网络模型；得到反馈信号，定位手术部位，控制主机械手与副机械手预定方式动作进行手术。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)通过设置主机械手与副机械手进行联动配合操作，主机械手进行高难度操作，类似于医生的角色，副机械手进行辅助操作，如消毒、按压等操作，类似于护士的角色，两种机械手分工明确，互不干扰，手术效率及成功率较高。
在实现自由度空间大的情形下，还能够减少机械手的占用空间，在进行精细化操作过程中，操作区域更大，使用更加灵活。
(2)工具头通过吸合的方式固定在机械手端部，在需要进行更换工具头时，只需要控制机械手移动至工具箱顶部对应工具头上方，进行更换，操作简单。
(3)工具箱内部能够进行消毒，工具头插入工具箱内部，顶部设置有封盖，在使用工具头时，封盖上的第二传感器检测信号与第一传感器检测信号相匹配时，对应工具头弹出，且工具头在工具箱内部，能够对工具头整体消毒，使整个工具头均安全无菌，手术安全性较高。
(4)通过摄像头获取病人图像信息，通过云计算得到病人数据，将数据输入卷积神经网络模型，通过大数据训练卷积神经网络模型，使卷积神经网络更加智能精准定位手术部位，控制主机械手与副机械手预定方式动作进行手术。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的局部结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的主机械手内部结构示意图；
图3是本发明的优选实施例的吸盘结构示意图；
图4是本发明的优选实施例的万向机构结构示意图；
图中：
1、传输单元，2、控制盒，3、第一副机械臂，4、第一副机械手，5、万向机构，6、主机械手，7、伸缩杆，8、主联动件，9、第二副机械手，10、第二副机械臂，11、微调机构，12、基座，13、移动单元，14、转动机构，15、动力单元，16、升降组件，17、吸盘，18、磁片，19、探头，20、接近式传感器。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示,本发明公开了一种多机械臂联动式外科手术机器人，包括：基座以及与基座配合连接的升降组件；
基座顶部配合连接有升降组件,升降组件配合连接有多个机械臂，多个机械臂位于不同水平面，机械臂为多段式联动机构,升降组件能够带动机械手移动；
机械臂包括一主机械臂与复数个副机械臂，一主机械臂设置在升降组件正面，其余副机械臂分别对称设置在升降组件两侧；
主机械臂自有端端部配合连接有主机械手，副机械臂端部配合连接有副机械手，主机械手与副机械手能够实现联动，主机械手与副机械手内部均设置有磁片，如图3所示，本发明公开了吸盘结构示意图，磁片上间隔设置有若干个吸盘，手术工具通过吸盘配合连接在主机械手与副机械手端部；吸盘上设置有第一传感器，第一传感器用于检测吸盘的吸合状态信息；
基座一侧位于主机械臂的下方位置处连接有工具箱，工具箱内部间隔设置有若干个工具头，工具箱顶部与工具头对应设置有封盖，封盖上设置有第二传感器，第二传感器用于检测工具头参数信息；
主机械手与副机械手端部设置有监测件，监测件用于监测手术状态信息。
需要说明的是，副机械臂包括第一副机械臂与第二副机械臂，第一副机械臂与第二副机械臂对称设置，第一副机械臂端部连接有第一副机械手，第二副机械臂端部连接有第二副机械手，第一副机械臂与第一副机械手通过第一连接件配合连接，第二副机械手与第二副机械臂通过第二连接件配合连接，第一副机械手与第二副机械手均能过多自由度转动，主机械手一端连接有两段式伸缩杆连接，两段式伸缩杆中间通过主联动件配合连接，主机械手与伸缩杆之间通过万向机构连接，主机械手能够实现万向转动。
如图2所示，本发明公开了主机械手内部结构示意图，主机械手与副机械手内侧均设置有磁片，磁片上间隔设置有若干个吸盘，主机械手与副机械手端口外侧设置有3个探头，通过探头能够检测主机械手与副机械手与患者皮肤之间的位置关系，用于定位手术区域，主机械手与副机械手端口内侧设置有3个接近式传感器，通过接近式传感器能够检测主机械手与副机械手在配合连接工具头时的状态，监测件能够实时监测主机械手与副机械手更换工具头状态，以及使用工具头的状态信息，同时通过监测件配合大数据分析能偶精准识别手术部位，对手术部位进行检测，例如检测患者的振动频率，确定手术区域，判断皮组织下方是否存在大动脉血管，对手术前进行安全性分析，主机械手与副机械手端部内侧沿周向间隔设置有若干个接近式传感器，通过接近式传感器能够检测主机械手、副第二机械手与病人之间的位置关系，准确定位手术部位。
工具箱顶部与工具头相对应的位置处设置有至少一个工位传感器，通过工位传感器检测主机械手与副机械手与工具头之间的位置关系，使主机械手与副机械手更加精准的吸合工具头。
工具箱底部与工具头对应位置设置有若干个推动件，通过推动件能够将工具头从工具箱内部推出，推动距离通过控制器控制，工具头能够是手术刀，手术针或手术钳或镊子中的一种或多种。
如图4所示，本发明公开了万向机构结构示意图
根据本发明实施例，主机械臂与主机械手之间通过万向机构配合连接，主机械手能够实现万向转动。
需要说明的是，万向机构包括第一转动件与第二转动件，第一转动件与第二转动件通过配合件活动连接，第一转动件与第二转动件位于不同平面旋转，第一转动件一端固定连接在主机械臂端部，第二转动件端部固定连接在主机械手端部，第二转动件能够实现万向旋转，提高主机械手的旋转自由度。
根据本发明实施例，升降组件顶部设置有控制盒，控制盒内部设置有控制器，控制器能够控制主机械手与副机械手相互配合按预定方式动作。
根据本发明实施例，基座一侧设置有微调机构，微调结构能够调整主机械臂与副机械臂竖直方向的距离。
需要说明的是，旋转微调机构能够调整主机械臂与副机械臂之间的距离，使主机械臂与副机械臂处于不同水平面，保证主机械臂与副机械臂旋转过程中，不会发生撞击，安全性较高。
根据本发明实施例，还包括：检测单元、动力单元与移动单元；检测单元设置在基座的顶部，检测单元包括角度传感器、位置传感器、转速传感器中的一种或多种，动力单元设置在基座的一侧，动力单元包括：电机、制动件与散热件，制动件设置在平台的一侧，散热件设置在电机上。
需要说明的是，散热件能够是格栅板结构或散热片结构或风扇结构中的一种。
根据本发明实施例，移动单元设置在基座底部四角，移动单元包括连接件、卡件与滚轮，连接件固定连接在卡件的顶部，卡件配合连接有滚轮，至少一个移动单元设置有锁止件。
需要说明的是，卡件通过螺丝将滚轮轴心固定，滚轮能够在卡件内侧转动，锁止件能够将滚轮锁定，防止滚轮误滑动。
本发明第二方面提供了一种外科手术方法，应用于上述任一权利要求所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人中,
获取手术信息，将接收到的数据上传至云端数据库；
通过云计算建立预设模型及手术处理方式训练集，利用手术处理方式训练集对预设模型进行训练，得到手术数据；
将手术数据上传至控制器，通过控制器控制主机械手与副机械手吸合预定工具头进行手术。
需要说明的是，基座顶部配合连接有升降组件,升降组件配合连接有多个机械臂，多个机械臂位于不同水平面，机械臂为多段式联动机构,升降组件能够带动机械手移动；
机械臂包括一主机械臂与复数个副机械臂，一主机械臂设置在升降组件正面，其余副机械臂分别对称设置在升降组件两侧；
主机械臂自有端端部配合连接有主机械手，副机械臂端部配合连接有副机械手，主机械手与副机械手能够实现联动，主机械手与副机械手内部均设置有磁片，磁片上间隔设置有若干个吸盘，手术工具通过吸盘配合连接在主机械手与副机械手端部；吸盘上设置有第一传感器，第一传感器用于检测吸盘的吸合状态信息；
基座一侧位于主机械臂的下方位置处连接有工具箱，工具箱内部间隔设置有若干个工具头，工具箱顶部与工具头对应设置有封盖，封盖上设置有第二传感器，第二传感器用于检测工具头参数信息；
主机械手与副机械手端部设置有监测件，监测件用于监测手术状态信息。一个主机械手与两个副机械手配合操作，能够实现神经搭建、皮肤表层组织缝合等复杂操作，两个副机械手固定住两侧的神经或皮肤组织，将两侧的皮肤组织拉伸直重合，通过主机械手进行缝合操作。
机械臂关节参数变化信息包括：机械臂弯折信息、机械臂动作信息、机械臂作用力信息、机械臂抬降过程信息中的一种或两种以上的组合。
需要说明的是，通过多角度分析机械臂关节变化，机械臂弯折信息包括机械臂蜷曲、机械臂关节之间的角度信息；机械臂作用力信息包括机械臂压力信息，机械臂抬降过程包括机械臂倾斜角度，病人平躺时，机械臂与水平面的夹角信息。
根据本发明实施例，预设模型包括卷积神经网络模型、聚类分析模型、关联分析模型中的一种。
需要说明的是，关联规则学习通过寻找最能够解释数据变量之间关系的规则，来找出大量多元数据集中有用的关联规则，它是从大量数据中发现多种数据之间关系的一种方法，另外，它还可以基于时间序列对多种数据间的关系进行挖掘。
根据本发明实施例，聚类分析模型具体为：获取云端数据库内数据，具有相似特征的数据点划分为统一类别，并生成多个数据集；分析多个数据集并获取多个数据集特征，将多个数据集特征聚类得到聚类分析模型。
需要说明的是，聚类是将大量数据集中具有相似特征的数据点划分为统一类别，并最终生成多个类的方法。聚类分析的是大量的数据集中必然存在相似的数据点，基于这个假设就可以将数据区分出来，并发现每个数据集分类的特征，云端数据库分为若干个子区域，每一个子区域存储同一类别的数据集内的数据，不同子区域之间通过控制器实现信息交互。
根据本发明实施例，卷积神经网络模型具体为：通过摄像头获取病人图像信息，通过云计算得到病人数据，将数据输入卷积神经网络模型，通过大数据训练卷积神经网络模型；得到反馈信号，定位手术部位，控制器控制主机械手与副机械手预定方式动作进行手术。
需要说明的是，通过设置主机械手与副机械手进行联动配合操作，主机械手进行高难度操作，类似于医生的角色，副机械手进行辅助操作，如消毒、按压等操作，类似于护士的角色，两种机械手分工明确，互不干扰，手术效率及成功率较高，控制器控制主机械手与两个副机械手均移动至预定位置，通过传感器检测主机械手位置信息与副机械手位置信息，对比主机械手位置信息与第一预设位置信息，获取第一偏差信息，计算第一偏差率即主机械手与第一预设位置数据的比值，当第一偏差率大于第一预设阈值时，通过控制器控制主机械手根据第一偏差信息进行主机械手位置调整；比对副机械手位置信息与第二预设位置信息，获取第二偏差信息，计算第二偏差率即副机械手与第二预设位置数据的比值，当第二偏差率大于第二预设阈值时，通过控制器控制副机械手根据第二偏差信息进行副机械手位置调整，第一预设阈值小于第二预设阈值，可以理解为，控制器控制主机械手的移动位置精度大于副机械手的移动位置精度。
在实现自由度空间大的情形下，还能够减少机械手的占用空间，在进行精细化操作过程中，操作区域更大，使用更加灵活。
工具头通过吸合的方式固定在机械手端部，在需要进行更换工具头时，只需要控制机械手移动至工具箱顶部对应工具头上方，进行更换，操作简单。
工具箱一侧设置有消毒机构，消毒机构消毒方式包括高温消毒、喷洒消毒液进行消毒，消毒时间为10-20秒，工具箱内部能够对工具头进行消毒，工具头插入工具箱内部，顶部设置有封盖，在使用工具头时，封盖上的第二传感器检测信号与第一传感器检测信号相匹配时，对应工具头弹出，且工具头在工具箱内部，能够对工具头整体消毒，使整个工具头均安全无菌，手术安全性较高。
通过摄像头获取病人图像信息，通过云计算得到病人数据，将数据输入卷积神经网络模型，通过大数据训练卷积神经网络模型，使卷积神经网络更加智能精准定位手术部位，控制主机械手与副机械手预定方式动作进行手术。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种多机械臂联动式外科手术机器人，包括：基座以及与基座配合连接的升降组件；其特征在于，
所述基座顶部配合连接有升降组件,所述升降组件配合连接有多个机械臂，多个所述机械臂位于不同水平面，所述机械臂为多段式联动机构,所述升降组件能够带动机械手移动；
所述机械臂包括一主机械臂与复数个副机械臂，一主机械臂设置在所述升降组件正面，其余副机械臂分别对称设置在所述升降组件两侧；
所述主机械臂自有端端部配合连接有主机械手，所述副机械臂端部配合连接有副机械手，所述主机械手与所述副机械手能够实现联动，所述主机械手与所述副机械手内部均设置有磁片，所述磁片上间隔设置有若干个吸盘，手术工具通过所述吸盘配合连接在所述主机械手与所述副机械手端部；所述吸盘上设置有第一传感器，所述第一传感器用于检测所述吸盘的吸合状态信息；
所述基座一侧位于所述主机械臂的下方位置处连接有工具箱，所述工具箱内部间隔设置有若干个工具头，所述工具箱顶部与所述工具头对应设置有封盖，所述封盖上设置有第二传感器，所述第二传感器用于检测工具头参数信息；
所述主机械手与所述副机械手端部设置有监测件，所述监测件用于监测手术状态信息。
2.根据权利要求1所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人，其特征在于：所述主机械臂与所述主机械手之间通过万向机构配合连接，所述主机械手能够实现万向转动。
3.根据权利要求1所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人，其特征在于：所述升降组件顶部设置有控制盒，所述控制盒内部设置有控制器，所述控制器能够控制主机械手与副机械手相互配合按预定方式动作。
4.根据权利要求1所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人，其特征在于：所述基座一侧设置有微调机构，所述微调结构能够调整主机械臂与副机械臂竖直方向的距离。
5.根据权利要求1所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人，其特征在于：还包括：检测单元、动力单元与移动单元；所述检测单元设置在所述基座的顶部，所述检测单元包括角度传感器、位置传感器、转速传感器中的一种或多种，所述动力单元设置在所述基座的一侧，所述动力单元包括：电机、制动件与散热件，所述制动件设置在所述平台的一侧，所述散热件设置在所述电机上。
6.根据权利要求5所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人，其特征在于：所述移动单元设置在基座底部四角，所述移动单元包括连接件、卡件与滚轮，所述连接件固定连接在卡件的顶部，所述卡件配合连接有滚轮，至少一个移动单元设置有锁止件。
7.一种外科手术方法，应用于权利要求1-6任一所述的一种多机械臂联动式外科手术机器人中,其特征在于：
获取手术信息，将接收到的数据上传至云端数据库；
通过云计算建立预设模型及手术处理方式训练集，利用手术处理方式训练集对预设模型进行训练，得到手术数据；
将手术数据上传至控制器，通过控制器控制主机械手与副机械手吸合预定工具头进行手术。
8.根据权利要求7所述的一种外科手术方法，其特征在于：所述预设模型包括卷积神经网络模型、聚类分析模型、关联分析模型中的一种。
9.根据权利要求7所述的一种外科手术方法，其特征在于：聚类分析模型具体为：获取云端数据库内数据，具有相似特征的数据点划分为统一类别，并生成多个数据集；分析多个数据集并获取多个数据集特征，将多个数据集特征聚类得到聚类分析模型。
10.根据权利要求7所述的一种外科手术方法，其特征在于：卷积神经网络模型具体为：通过摄像头获取病人图像信息，通过云计算得到病人数据，将数据输入卷积神经网络模型，通过大数据训练卷积神经网络模型；得到反馈信号，定位手术部位，控制主机械手与副机械手预定方式动作进行手术。
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