CN111588462A - 一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，属于手术机器人技术领域，解决了显微外科手术中医生手部生理性颤抖引起的损伤问题。所述手持式机器人包括手术刀具、适配器、动平台、六个驱动单元、手持基座、发光元件等。本发明利用并联平台结构紧凑、刚度高、动态响应快等优点，结合光学传感器，位置传感器以及滤波器，快速有效地进行手术器械尖端的反向运动补偿，过滤人手不自主的颤动，使手术器械维持在预先规划好的手术路径或范围内，减小不必要的误差，降低医生的操作难度，从而提高眼科手术的手术精度。本发明具有精度高、质量轻、操作简单、防颤抖效果好的特点，能够缓解医生的手术压力，有效地提升手术效果。

Description

一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人。

背景技术

在显微外科手术中，尤其是眼科手术中的视网膜静脉血管插管术(一种治疗视网膜静脉堵塞的新术式)中，医生需要在显微镜的视野下，操作玻璃注射针或显微针穿过巩膜切口并刺入壁厚25μm、平均直径80μm～120μm的堵塞血管中，并保持2分钟以注射溶解剂。但是由于眼科医生手部颤抖的平均幅度达到156μm，因此人手难以达到手术操作的精度要求。而限制手术精度的根本原因在于眼科医生自身的不可避免的生理性手颤的存在，即使是受过严格训练的操作熟练的外科医生来说，达到这种微米级别的手术都是极其困难的，况且还要考虑到医生长时间的疲劳等外界因素的影响，实现微米量级手术精度的操作，更是难上加难。由于眼科手术具有不可恢复性，一旦对患者眼部造成损伤，将会产生无法弥补的后果。

因此，设计一款用于显微外科手术的手持式微型手术器械，对缓解医生的手术压力，提升手术效果，突破眼科手术的局限性，具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决显微外科手术中医生手部生理性颤抖问题，提供一种紧凑型、高精度、小尺寸、用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，包括：

手握外壳，其前端和后端分别形成有供手术刀具和线缆穿过的通孔；

位于手握外壳内部的手持机器人并联平台，其由前端至后端依次包括手术刀具、适配器、动平台、镍钛合金丝、多个驱动单元和手持基座，通过多个驱动单元，每个驱动单元的两端分别通过镍钛合金丝连接动平台和手持基座，动平台通过适配器连接手术刀具；

以及位于手持基座上的发光元件，用于采集医生的手颤信号。

进一步地，所述手持机器人并联平台采用六个相同的驱动单元，形成六自由度并联机构。

进一步地，每两个驱动单元为一组，每组的两个驱动单元在靠近动平台的一侧距离较靠近手持基座一侧的距离近，六个驱动单元均匀分布成三组。

进一步地，所述驱动单元包括上壳体和下壳体；所述下壳体内部固定有微型直线电机和圆柱滑体；所述上壳体和下壳体之间设有滑轨和L型滑块，所述滑轨的一端连接上壳体，另一端连接下壳体；所述微型直线电机的输出轴两端分别连接圆柱滑体和L型滑块，所述圆柱滑体通过微型直线电机驱动在下壳体内腔滑动，所述L型滑块通过微型直线电机驱动在滑轨上滑动。

进一步地，所述上壳体位于靠近手持基座的一侧，所述下壳体位于靠近动平台的一侧。

进一步地，所述圆柱滑体靠近电机的一端形成挡块，圆柱滑体上套接有弹簧，弹簧的一端压靠在挡块上，弹簧的另一端固定在限位端盖上，限位端盖与下壳体固定连接，用于防止圆柱滑体脱离下壳体。

进一步地，所述滑轨上套接压缩弹簧，压缩弹簧的一端固定在L型滑块上，另一端固定在上壳体上。

进一步地，所述上壳体上安装有位置传感器，L型滑块的相对位置上安装有位置感应片，通过位置传感器和位置感应片的相对位移，来检测电机的运动状态。

进一步地，所述驱动单元两端的镍钛合金丝分别固定连接在上壳体和圆柱滑体上。

进一步地，所述微型直线电机采用微型压电直线电机

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，相比于现有的手持式手术器械，解决了显微外科手术中医生手部生理性颤抖引起的损伤问题。这种新型手术机器人采用具有位置传感器的六自由度并联机构，结构更加紧凑，互换性强，精度更高，位置检测能力更强，能够有效地检测微型压电直线电机的运动状态。同时，利用六自由度并联机构和滤波器的优势，可以反向补偿眼科医生的不自主的生理性手颤，可以使显微外科手术的操作水平达到一个新的高度，解决很多当前亟待解决的眼科手术的难题，如白内障超声乳化吸除术、黏小管手术、视网膜静脉血管插管术、视网膜静脉搭桥术等，缓解医生的手术压力，有效地提升手术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人的整体示意图。

图2为本发明实施例提供的手持机器人并联平台的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的取液管和旋转手柄的安装示意图。

图4为本发明实施例提供的驱动单元的剖视图。

图5为本发明实施例提供的手术机器人防颤抖控制流程图。

附图标记说明：

1.手持机器人并联平台，1-1.手术刀具，1-2.适配器，1-3.动平台，1-4.镍钛合金丝，1-5.驱动单元，1-5-1.微型电机，1-5-2.下壳体，1-5-3.上壳体，1-5-4.滑轨，1-5-5.L型滑块，1-5-6.弹簧，1-5-7.圆柱滑体，1-5-8.压缩弹簧，1-5-9.限位端盖，1-5-10.位置传感器，1-6.手持基座，2.发光元件，3.手握外壳，4.线缆。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。

如图1-4所示，本发明提供的一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，包括手持机器人并联平台1、发光元件2、手握外壳3和线缆4，其中：

手握外壳3，其前端和后端分别形成有供手术刀具1-1和线缆4穿过的通孔；

手持机器人并联平台1，位于手握外壳3内部，其由前端至后端依次包括手术刀具1-1、适配器1-2、动平台1-3、镍钛合金丝1-4、多个驱动单元1-5和手持基座1-6，通过多个驱动单元1-5，每个驱动单元1-5的两端分别通过镍钛合金丝1-4连接动平台1-3和手持基座1-6，镍钛合金丝1-4，作为并联机构的柔性关节，能够提供两自由度的旋转运动；动平台1-3通过适配器1-2连接手术刀具1-1；

发光元件2，即光学传感器，位于手持基座1-6上，用于采集医生的手颤信号。

具体地，所述手持机器人并联平台1采用六个相同的驱动单元1-5，形成六自由度并联机构。每两个驱动单元1-5为一组，每组的两个驱动单元1-5在靠近动平台1-3的一侧距离较靠近手持基座1-6一侧的距离近，六个驱动单元1-5均匀分布成三组。

更为具体地，所述驱动单元1-5包括上壳体1-5-3和下壳体1-5-2；所述上壳体1-5-3位于靠近手持基座1-6的一侧，所述下壳体1-5-2位于靠近动平台1-3的一侧。所述驱动单元1-5两端的镍钛合金丝1-4分别固定连接在上壳体1-5-3和圆柱滑体1-5-7上。

所述下壳体1-5-2内部固定有微型直线电机1-5-1和圆柱滑体1-5-7；所述圆柱滑体1-5-7靠近电机的一端形成挡块，圆柱滑体1-5-7上套接有弹簧1-5-6，弹簧1-5-6的一端压靠在挡块上，弹簧1-5-6的另一端固定在限位端盖1-5-9上，限位端盖1-5-9与下壳体1-5-2固定连接，用于防止圆柱滑体1-5-7脱离下壳体1-5-2。

所述上壳体1-5-3和下壳体1-5-2之间设有滑轨1-5-4和L型滑块1-5-5，所述滑轨1-5-4的一端连接上壳体1-5-3，另一端连接下壳体1-5-2；所述滑轨1-5-4上套接压缩弹簧1-5-8，压缩弹簧1-5-8的一端固定在L型滑块1-5-5上，另一端固定在上壳体1-5-3上。

所述微型直线电机1-5-1的输出轴两端分别连接圆柱滑体1-5-7和L型滑块1-5-5，所述圆柱滑体1-5-7通过微型直线电机1-5-1驱动在下壳体1-5-2内腔滑动，所述L型滑块1-5-5通过微型直线电机1-5-1驱动在滑轨1-5-4上滑动。微型直线电机1-5-1采用美国生产的微型压电直线电机

电机(SQL-RV-1.8，New Scale Technologies，Inc.，USA)

所述上壳体1-5-3上安装有位置传感器1-5-10，L型滑块1-5-5的相对位置上安装有位置感应片，通过位置传感器1-5-10和位置感应片的相对位移，来检测电机的运动状态。

本发明的手术机器人防颤抖控制流程图如图5所示，通过安装在基座上的发光元件，利用光学追踪系统，采集到外科医生的手颤信号，传递到自适应模糊卡尔曼滤波器中，将实际位置与目标位置的误差值，通过逆运动学求解器和压电驱动器传递给六自由度并联机构的驱动单元，通过驱动单元施加反向运动补偿的方式，即通过圆柱滑体或L型滑块的滑动，实现驱动单元1-5的伸缩运动，抵消掉外科医生的生理性手颤，从而达到过滤手颤的目的。

本发明的一种可以手持机器人代替传统的手术工具，对患者进行眼科手术，手术设置与传统手术大致相同，具体操作及实施细节如下：

本发明采用一种用于眼科手术的手持式机器人，通过并联平台的机构，医生手握手持基座1-6，控制手术器械进行手术操作，此时，医生的手部运动分为两部分，预期的目标运动部分和不自主的手颤运动部分，不自主手颤运动部分频率为8～12Hz，光学传感器负责采取医生的手部运动信号，并传递到滤波器中，滤波器提取到频率段为8～12Hz的不自主的手颤运动的信号后，经过处理将其转化为末端执行器，即六个完全相同的驱动单元1-5，可接受的信号，利用运动学算法，对手术刀具1-1尖端的运动进行反向的补偿，与此同时，位置传感器检测驱动单元1-5的运动状态，防止出现过度的漂移，从而对患者产生不必要的损伤，最终实现过滤手颤，而达到提高手术精度的目的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，包括：

手握外壳(3)，其前端和后端分别形成有供手术刀具(1-1)和线缆(4)穿过的通孔；

位于手握外壳(3)内部的手持机器人并联平台(1)，其由前端至后端依次包括手术刀具(1-1)、适配器(1-2)、动平台(1-3)、镍钛合金丝(1-4)、多个驱动单元(1-5)和手持基座(1-6)，通过多个驱动单元(1-5)，每个驱动单元(1-5)的两端分别通过镍钛合金丝(1-4)连接动平台(1-3)和手持基座(1-6)，动平台(1-3)通过适配器(1-2)连接手术刀具(1-1)；

以及位于手持基座(1-6)上的发光元件(2)，用于采集医生的手颤信号。

2.根据权利要求1所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述手持机器人并联平台(1)采用六个相同的驱动单元(1-5)，形成六自由度并联机构。

3.根据权利要求2所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，每两个驱动单元(1-5)为一组，每组的两个驱动单元(1-5)在靠近动平台(1-3)的一侧距离较靠近手持基座(1-6)一侧的距离近，六个驱动单元(1-5)均匀分布成三组。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述驱动单元(1-5)包括上壳体(1-5-3)和下壳体(1-5-2)；所述下壳体(1-5-2)内部固定有微型直线电机(1-5-1)和圆柱滑体(1-5-7)；所述上壳体(1-5-3)和下壳体(1-5-2)之间设有滑轨(1-5-4)和L型滑块(1-5-5)，所述滑轨(1-5-4)的一端连接上壳体(1-5-3)，另一端连接下壳体(1-5-2)；所述微型直线电机(1-5-1)的输出轴两端分别连接圆柱滑体(1-5-7)和L型滑块(1-5-5)，所述圆柱滑体(1-5-7)通过微型直线电机(1-5-1)驱动在下壳体(1-5-2)内腔滑动，所述L型滑块(1-5-5)通过微型直线电机(1-5-1)驱动在滑轨(1-5-4)上滑动。

5.根据权利要求4所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述上壳体(1-5-3)位于靠近手持基座(1-6)的一侧，所述下壳体(1-5-2)位于靠近动平台(1-3)的一侧。

6.根据权利要求4所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述圆柱滑体(1-5-7)靠近电机的一端形成挡块，圆柱滑体(1-5-7)上套接有弹簧(1-5-6)，弹簧(1-5-6)的一端压靠在挡块上，弹簧(1-5-6)的另一端固定在限位端盖(1-5-9)上，限位端盖(1-5-9)与下壳体(1-5-2)固定连接，用于防止圆柱滑体(1-5-7)脱离下壳体(1-5-2)。

7.根据权利要求4所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述滑轨(1-5-4)上套接压缩弹簧(1-5-8)，压缩弹簧(1-5-8)的一端固定在L型滑块1-5-5上，另一端固定在上壳体(1-5-3)上。

8.根据权利要求4所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述上壳体(1-5-3)上安装有位置传感器(1-5-10)，L型滑块(1-5-5)的相对位置上安装有位置感应片，通过位置传感器(1-5-10)和位置感应片的相对位移，来检测电机的运动状态。

9.根据权利要求4所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述驱动单元(1-5)两端的镍钛合金丝(1-4)分别固定连接在上壳体(1-5-3)和圆柱滑体(1-5-7)上。

10.根据权利要求4所述的用于显微外科手术的手持式防颤抖手术机器人，其特征在于，所述微型直线电机(1-5-1)采用微型压电直线电机。

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