CN111991089B - 一种微创手术机器人及其末端集成夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微创手术机器人及其末端集成夹持器，末端集成夹持器包括腕关节、第一夹钳、第二夹钳及弹性封装薄膜，第一夹钳与第二夹钳分别与腕关节相铰接，当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性封装薄膜在外物作用下发生弹性形变以弹性夹取组织或器脏等外物；弹性封装薄膜覆盖于检测部外周，使弹性封装薄膜分别将检测部一体式固定于第一夹钳与第二夹钳，使检测部免受体液及消毒液等液体的影响，保证检测精度；检测部包含穿过腕关节的连接线，检测部的封装使连接线的焊点也被弹性封装薄膜封装，可有效减少连接线数量，避免连接线的焊点外露，降低电磁对连接线的干扰，使连接线稳定传输信号，因此手术安全性较高。

Description

一种微创手术机器人及其末端集成夹持器

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种微创手术机器人及其末端集成夹持器。

背景技术

微创手术机器人通过调整其末端集成夹持器的位姿将腹腔镜等器械从小切口沿预设手术路径植入患者体内并通过提供视觉图像引导医生对患者进行手术治疗，具有手术效果佳、操作精度高、工作强度小等优势，适于广泛应用。

然而，现有的微创手术机器人的末端集成夹持器尚存在诸多缺陷。一是，现有末端集成夹持器的上夹钳及下夹钳均属金属材质，使上夹钳及下夹钳刚性夹持组织或器脏，而上夹钳与下夹钳之间的夹持力存在波动，致使组织或器脏极易存在被过大夹持力夹伤，且上夹钳及下夹钳也极易在移动过程中刺伤组织或器脏，使组织或器脏存在术中出血等风险，进而造成二次伤害或诱发并发症，手术安全性较差；二是，为精确调整上夹钳及下夹钳的位姿，现有上夹钳及下夹钳配置有力传感器或图像识别件等检测装置，检测装置通常直接外设于上夹钳或下夹钳上，使检测装置易受体液及生理盐水的影响，使检测装置的检测精度及使用寿命受手术环境限制，从而影响上夹钳及下夹钳的位姿精度，使上夹钳与下夹钳存在误动作的风险，手术安全性受到威胁；三是，上述检测装置采用导线打线方式，涉及的连接导线数量较多，连接导线之间的焊点较多，手术操作过程中柔性臂与导线摩擦力较大，致使焊点易断开，影响连接导线的连接稳定，影响信号稳定传输，且外露的连导线使传输的信号易受电磁干扰，进而影响上夹钳与下夹钳稳定工作，仍影响手术安全性。

因此，如何提升现有微创机器人的末端集成夹持器的安全性是本领域技术人员需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微创手术机器人及其末端集成夹持器，利用具有弹性的弹性封装薄膜将检测部分别封装固定至第一夹钳与第二夹钳的相对侧，使第一夹钳与第二夹钳依靠弹性力夹取外物，弹性封装薄膜可使检测部体免受体液或消毒液等液体的影响，并使检测部的连接线免受电磁干扰，误动作风险降低，手术安全性较高。

本发明所提供的微创手术机器人的末端集成夹持器，包括：

腕关节；

分别与腕关节相铰接的第一夹钳和第二夹钳；

分别固设于第一夹钳与第二夹钳相对侧的检测部，检测部包含穿过腕关节的连接线；

覆盖于检测部表面以分别将检测部一体式固定于第一夹钳与第二夹钳的弹性封装薄膜；

当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性封装薄膜在外物作用下发生弹性形变以使弹性封装薄膜触发检测部通过发生弹性形变实现检测。

优选的，弹性封装薄膜具有至少一个触点，检测部包括至少一个与触点相对的弹性臂，全部弹性臂设有力检测件；当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性封装薄膜在外物作用下发生弹性变形以使触点挤压弹性臂发生弹性变形直至全部力检测件形成三维力检测结构。

优选的，当第一夹钳与第二夹钳自然相抵时，设于第一夹钳的弹性封装薄膜与设于第二夹钳的弹性封装薄膜自然相抵以使触点与相对的弹性臂保持分离。

优选的，检测部还包括：

分别设于第一夹钳与第二夹钳相对侧的电路板，电路板与连接线相连；

固设于电路板的硅基衬底支撑块，全部弹性臂均设于硅基衬底支撑块上；

固设于电路板且与全部力检测件相连、用于控制全部力检测件的电路芯片。

优选的，硅基衬底支撑块与弹性封装薄膜之间设有相互配合以限定触点与弹性臂位置的定位柱和定位孔。

优选的，定位柱固设于弹性封装薄膜，定位孔设于硅基衬底支撑块，弹性封装薄膜设有至少四个触点，全部触点绕定位柱呈环状均匀分布；硅基衬底支撑块设有至少四个弹性臂，全部弹性臂相互独立且绕定位孔呈环状均匀分布，全部触点与全部弹性臂一一对应相抵以使全部弹性臂发生弹性变形。

优选的，全部触点呈十字形分布，全部弹性臂呈十字形分布。

优选的，力检测件具体为压敏电阻。

优选的，第一夹钳与第二夹钳分别通过转动销铰接于腕关节上。

本发明所提供的微创手术机器人，包括机器人本体和上述任一项所述的末端集成夹持器，末端集成夹持器设于机器人本体。

相对于背景技术，本发明所提供的微创手术机器人的末端集成夹持器，包括腕关节、第一夹钳、第二夹钳及弹性封装薄膜，第一夹钳与第二夹钳分别与腕关节相铰接，检测部分别固设于第一夹钳与第二夹钳的相对侧，弹性封装薄膜覆盖于检测部外周，使弹性封装薄膜分别将检测部一体式固定于第一夹钳与第二夹钳；

当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性封装薄膜在外物作用下发生弹性形变，意味着弹性封装薄膜具有弹性，进而使第一夹钳与第二夹钳的相对侧均具有弹性；相较于现有纯金属制夹钳而言，本发明中第一夹钳和第二夹钳可依靠所设的弹性封装薄膜弹性夹取组织或器脏等外物，避免夹持力过大而夹伤组织或器脏，同时可在一定上降低刺伤组织或器脏的风险，手术安全性有所提升；

检测部借助弹性封装薄膜通过封装的形式固定，避免外置于第一夹钳或第二夹钳上，使检测部免受体液及消毒液等液体的影响，提升检测结果的准确性，保证末端集成夹持器的位姿准确可靠，降低误动作的风险，手术安全性进一步有所提升。

检测部包含穿过腕关节的连接线，检测部的封装使连接线的焊点也相应地被弹性封装薄膜封装，可有效减少连接线数量，避免连接线的焊点外露，减少焊点之间的摩擦，同时降低电磁对连接线的干扰，使连接线稳定传输信号，手术安全性更进一步有所提升。

因此，本发明所提供的微创手术机器人的末端集成夹持器的手术安全性较高。

本发明所提供的包含上述末端集成夹持器的微创手术机器人具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端集成夹持器的结构图；

图2为图1中第二夹钳的主视图；

图3为图1中第二夹钳的侧视图；

图4为图1中腕关节的主视图；

图5为图1中腕关节的左视图；

图6为图1中触点与弹性臂的配合图。

附图标记如下：

腕关节1、第一夹钳2、第二夹钳3、检测部4和弹性封装薄膜5；

连接线41、硅基衬底支撑块42、电路板43和电路芯片44；

弹性臂421和定位孔422；

触点51和定位柱52。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本发明一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端集成夹持器的结构图；图2为图1中第二夹钳的主视图；图3为图1中第二夹钳的侧视图；图4为图1中腕关节的主视图；图5为图1中腕关节的左视图；图6为图1中触点与弹性臂的配合图。

本发明实施例公开了一种微创手术机器人的末端集成夹持器，包括腕关节1、第一夹钳2、第二夹钳3及弹性封装薄膜5。

第一夹钳2与第二夹钳3分别与腕关节1相铰接，使第一夹钳2与第二夹钳3通过开合实现夹取组织或器脏等外物。在该具体实施例中，第一夹钳2与第二夹钳3的结构相同，且第一夹钳2与第二夹钳3通过转动销铰接于腕关节1上。

检测部4分别固设于第一夹钳2与第二夹钳3的相对侧，也即检测部4分别设于第一夹钳2的夹持面及第二夹钳3的夹持面上，第一夹钳2的夹持面与第二夹钳3的夹持面相对。

弹性封装薄膜5覆盖于检测部4外周，使弹性封装薄膜5分别将检测部4一体式固定于第一夹钳2与第二夹钳3。弹性封装薄膜5可由橡胶或硅胶等具有弹性的材料浇注而成。弹性封装薄膜5一体式设于第一夹钳2的夹持面及第二夹钳3的夹持面上。

当第一夹钳2与第二夹钳3夹持组织或器脏等外物时，弹性封装薄膜5在外物作用下发生弹性形变，意味着弹性封装薄膜5具有弹性，进而使第一夹钳2与第二夹钳3的相对侧均具有弹性；相较于现有纯金属制夹钳而言，本发明中第一夹钳2和第二夹钳3可依靠相对侧所设的弹性封装薄膜5弹性夹取组织或器脏等外物，避免夹持力过大而夹伤组织或器脏，同时弹性封装薄膜5可在一定上降低刺伤组织或器脏的风险，手术安全性有所提升。

检测部4借助弹性封装薄膜5通过封装的形式固定，使检测部4完全与外界隔离开，避免检测部4外置于第一夹钳2或第二夹钳3上，从而使检测部4免受体液及消毒液等液体的影响，提升检测部4的检测精度及使用寿命，进而提升检测部4检测结果的准确性，保证末端集成夹持器的位姿准确可靠，降低末端集成夹持器误动作的风险，手术安全性进一步有所提升。

检测部4包含穿过腕关节1的连接线41，检测部4的封装使连接线41的焊点也相应地被弹性封装薄膜5封装，可有效减少连接线41数量，避免连接线41的焊点外露，减少焊点之间的摩擦，降低内镜腔与连接线41的摩擦，同时降低电磁对连接线41的干扰，使连接线41稳定传输信号，手术安全性更进一步有所提升。相应地，腕关节1设有供连接线41穿过的引线孔。

综上所述，本发明所提供的微创手术机器人的末端集成夹持器的手术安全性较高。

弹性封装薄膜5具有至少四个触点51，检测部4包括至少一个与触点51相对的弹性臂421，全部弹性臂421设有力检测件，力检测件可以是压敏电阻，但类型不限于此。

当第一夹钳2与第二夹钳3夹持外物时，弹性封装薄膜5在外物作用下发生弹性变形，使弹性封装薄膜5带动触点51挤压弹性臂421，弹性臂421随之发生弹性变形，全部力检测件对应检测全部弹性臂421的弹性力，从而依据全部力检测件反馈的力信号解耦出三维力信息，从而从三个维度获取夹持力及力矩等关键参数，从而提升力感知的灵敏性。此外，弹性臂421的弹性变形可提升力感知的量程，仍有利于提升力感知的灵敏性。力感知灵敏性的提升有利于获取准确的力感知，有助于提升末端集成夹持器的动作精度，降低误操作风险，手术安全性较高。

当第一夹钳2与第二夹钳3自然相抵时，也即第一夹钳2与第二夹钳3在不夹持外物的情况下相抵时，设于第一夹钳2的弹性封装薄膜5与设于第二夹钳3的弹性封装薄膜5自然相抵，弹性封装薄膜5不发生弹性变形，触点51的位置保持不变，触点51与弹性臂421保持分离，弹性臂421不发生弹性形变，使全部弹性臂421处于自然状态，为准确获取力感知提供条件。

第一夹钳2的夹持面及第二夹钳3的夹持面分别设有安装槽，安装槽用以安装弹性封装薄膜5，安装槽的厚度分别小于第一夹钳2的厚度及第二夹钳3的厚度，防止弹性封装薄膜5在不夹持外物的情况发生弹性形变，进而防止弹性臂421在不夹持外物的情况发生弹性形变。

具体地，第一夹钳2及第二夹钳3上所设的安装槽均具有抵接斜面，弹性封装薄膜5的端部设有配合斜面，抵接斜面与配合斜面相抵，增大弹性封装薄膜5与第一夹钳2接触面积或增大弹性封装薄膜5与第二夹钳3的接触面积，保证弹性封装薄膜5固定可靠。

本发明中检测部4还包括电路板43、硅基衬底支撑块42和电路芯片44，电路板43分别设于第一夹钳2与第二夹钳3的相对侧，也即电路板43分别设于第一夹钳2的夹持面及第二夹钳3的夹持面，两个夹持面均设有用于容纳电路板43的容纳槽。电路板43与连接线41相连，连接线41穿过腕关节1后与外部设备相连。电路板43可以是长条状柔性电路板，电路板43可外接供电线、接地线、数据传输线及时钟线四种连接线。

硅基衬底支撑块42固设于电路板43上，全部弹性臂421均设于硅基衬底支撑块42上。硅基衬底支撑块42可由金属材料制成，方便信号传输。电路芯片44固设于电路板43上，且电路芯片44与全部力检测件相连。电路芯片44具备选通、滤波、放大及模数转换等功能，用于处理力检测件所发送的信号。

为限定触点51与弹性臂421二者的相对位置，硅基衬底支撑块42与弹性封装薄膜5之间设有相互配合的定位柱52和定位孔422。

定位柱52固设于弹性封装薄膜5，定位柱52可一体式设于弹性封装薄膜5靠近第一夹钳2或第二夹钳3一侧。定位孔422设于硅基衬底支撑块42，定位孔422为设于硅基衬底支撑块42中心的贯穿孔。定位柱52呈圆柱状，定位柱52的长度小于固定槽的深度，保证弹性封装薄膜5与第一夹钳2的夹持面相贴合，或保证弹性封装薄膜5与第二夹钳3的夹持面相贴合。定位孔422为圆形凹槽，其孔径于定位柱52的外径相等。当然，互换定位柱52与定位孔422的设置位置并不影响实现本发明的目的。

在该具体实施例中，弹性封装薄膜5设有至少四个触点51，全部触点51绕定位柱52呈环状均匀分布。相应地，硅基衬底支撑块42设有至少四个弹性臂421，全部弹性臂421相互独立且绕定位孔422呈环状均匀分布，全部触点51与全部弹性臂421一一对应相抵，当夹持外物时，触点51一一对应地挤压弹性臂421，使全部弹性臂421发生弹性变形。

具体地，弹性封装薄膜5靠近第一夹钳2的夹持面一侧或弹性封装薄膜5靠近第二夹钳3的夹持面一侧均一体式设有四根触点51，每个触点51的头部呈圆球型或倒金字塔形或其他可实现接触的形状，四根触点51呈十字状匀分布。硅基衬底支撑块42设有四根弹性臂421，四根弹性臂421呈十字状分布。任意弹性臂421的两侧各设有一个方形通孔，使四根弹性臂421相互独立，同时提升四根弹性臂421的弹性，有利于增大力感知的量程。当然，触点51与弹性臂421二者的结构及分布方式均不限于此。

具体地，利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)离子注入工艺将压敏电阻分别集成于四根弹性臂421上，每个四个压敏电阻组成一个惠斯通全桥电路，分别检测X轴、Y轴及Z轴三个维度的作用力。当然，四个压敏电阻也可采用分压形式设计。当第一夹钳2与第二夹钳3夹持外物时，触点51挤压弹性臂421使弹性臂421发生弹性变形，设于弹性臂421上压敏电阻的阻值随之发生变化，通过变化的阻值可解耦出三维力信息，进而通过矩阵转换计算出准确的夹持力或力矩。

本发明所提供的微创手术机器人，包括机器人本体和上述末端集成夹持器，末端集成夹持器设于机器人本体，具有相同的有益效果。

以上对本发明所提供的微创手术机器人及其末端集成夹持器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，包括：

腕关节(1)；

分别与所述腕关节(1)相铰接的第一夹钳(2)和第二夹钳(3)；

分别固设于所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)相对侧的检测部(4)，所述检测部(4)包含穿过所述腕关节(1)的连接线(41)；

覆盖于所述检测部(4)表面以分别将所述检测部(4)一体式封装固定于所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)的弹性封装薄膜(5)；

当所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)夹持外物时，所述弹性封装薄膜(5)在外物作用下发生弹性形变以使所述弹性封装薄膜(5)触发所述检测部(4)通过发生弹性形变实现检测；

所述弹性封装薄膜(5)具有至少一个触点(51)，所述检测部(4)包括至少一个与所述触点(51)相对的弹性臂(421)，全部所述弹性臂(421)设有力检测件；当所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)夹持外物时，所述弹性封装薄膜(5)在外物作用下发生弹性变形以使所述触点(51)挤压所述弹性臂(421)发生弹性变形以依据全部所述力检测件解耦出三维力信息；

所述检测部(4)包括硅基衬底支撑块(42)，全部所述弹性臂(421)均设于所述硅基衬底支撑块(42)，所述硅基衬底支撑块(42)与所述弹性封装薄膜(5)之间设有相互配合以限定所述触点(51)与所述弹性臂(421)位置的定位柱(52)和定位孔(422)。

2.根据权利要求1所述的微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，当所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)自然相抵时，设于所述第一夹钳(2)的弹性封装薄膜(5)与设于所述第二夹钳(3)的弹性封装薄膜(5)自然相抵以使所述触点(51)与相对的所述弹性臂(421)保持分离。

3.根据权利要求1所述的微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，所述检测部(4)还包括：

分别设于所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)相对侧的电路板(43)，所述电路板(43)与所述连接线(41)相连；所述硅基衬底支撑块(42)固设于所述电路板(43)；

固设于所述电路板(43)且与全部所述力检测件相连、用于控制全部所述力检测件的电路芯片(44)。

4.根据权利要求1所述的微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，所述定位柱(52)固设于所述弹性封装薄膜(5)，所述定位孔(422)设于所述硅基衬底支撑块(42)，所述弹性封装薄膜(5)设有至少四个所述触点(51)，全部所述触点(51)绕所述定位柱(52)呈环状均匀分布；所述硅基衬底支撑块(42)设有至少四个所述弹性臂(421)，全部所述弹性臂(421)相互独立且绕所述定位孔(422)呈环状均匀分布，全部所述触点(51)与全部所述弹性臂(421)一一对应相抵以使全部所述弹性臂(421)发生弹性变形。

5.根据权利要求4所述的微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，全部所述触点(51)呈十字形分布，全部所述弹性臂(421)呈十字形分布。

6.根据权利要求1至5任一项所述的微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，所述力检测件具体为压敏电阻。

7.根据权利要求1至5任一项所述的微创手术机器人的末端集成夹持器，其特征在于，所述第一夹钳(2)与所述第二夹钳(3)分别通过转动销铰接于所述腕关节(1)上。

8.一种微创手术机器人，其特征在于，包括机器人本体和权利要求1至7任一项所述的末端集成夹持器，所述末端集成夹持器设于所述机器人本体。

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