CN112155740A - 一种腹部外科手术辅助机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种腹部外科手术辅助机器人，以克服现有技术中圆弧切口不整齐或是无法处理带有颗粒面切除的缺陷，为了克服上述问题，机械臂系统包括掀起机械臂，所述掀起机械臂包括相互铰接的主动臂杆和从动臂杆，所述从动臂杆贴靠患者的表面带有机械手；所述机械手包括相互啮合的传动齿轮和壳体，所述壳体的外表面带有斜齿轮，本技术方案用双啮合的涡轮与蜗杆实现单向锁定原理巧妙转化，即保持双向力矩的同时(壳体作为主动副能传递多向力矩)，根据工作面的不同将同一机械臂的机械钳进行配速和修正，保证切割面的平滑，和切割的精准性。
Description
技术领域
本发明属于医用器械领域，具体涉及一种腹部外科手术辅助机器人。
背景技术
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及远程手术。达芬奇手术系统共由3个部分组成:控制台、操作系统、三维成像系统。
该操控系统是达芬奇系统的控制核心,由计算机系统、监视器、操作手柄及输出设备等组成。主刀医生坐在控制台中,位于手术台无菌区之外,使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。操作手柄位于监视器下方,术者双手正常位套入操作手柄指环,通过双手动作传动带动手术台上仿真机械臂完成各种操作,并可通过声控、手控或踏板控制腹腔镜。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：对于圆弧切口或者凹凸面进行切除的情况时，相互错开的钳口无法保持水平和平直的状态，会造成切口不整齐或者切面轨迹不规则，导致患者受到重复的切割甚至增加术中并发症的发生率。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种腹部外科手术辅助机器人。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种腹部外科手术辅助机器人，包括外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统，其特征在于，所述机械臂系统包括掀起机械臂，所述掀起机械臂包括相互铰接的主动臂杆和从动臂杆，所述从动臂杆贴靠患者的表面带有机械手；
所述机械手包括相互啮合的传动齿轮和壳体，所述壳体的外表面带有斜齿轮，所述壳体的内表面带有一组并列的蜗杆，所述蜗杆分别外沿出壳体，且蜗杆外沿处连接有滚轮，滚轮表面连接有机械钳，所述蜗杆表面啮合有若干组涡轮，所述涡轮沿蜗杆的轴向中轴线围成三角形，且涡轮与壳体之间连接有转动轴；
任意组涡轮包括两个相互啮合的第一涡轮和第二涡轮，第一涡轮啮合其中一个蜗杆，第二涡轮啮合另一个蜗杆，所述第一涡轮和第二涡轮在同向转动时锁止。
有益效果：1、上述技术方案中，在使用本装置时操作方式和达芬奇机器人相同，不同点在于本技术方案的技术原理在于使用本装置完成弧形切开时，相对于达芬奇机器人的直列式推拉或触点切割，本技术方案改变了力矩传递的配速问题，结合手术弧形切割技术而言，本技术方案利用滚轮带动机械钳的凸面旋转切割目标，此时由于产生转向，机械钳两端处于内径和外径，根据角速度与线速度的转化公式而言，处于外径的滚轮转速变慢，此时改变参照物为内径的转轮，因此外径转轮的运动方向为后退，此时形成两组蜗杆转动方向不同，从而使蜗杆带动啮合的涡轮转动，在涡轮不同向转动的情况下，相互之间产生联动效应，即解除第一涡轮和第二涡轮在同向转动时锁止的效果，第一涡轮与第二涡轮产生自转，从而利用第一涡轮和第二涡轮的啮合比达到差速和配速的问题，保证切割的弧面稳定，同时减少刀具损耗和错位。
2、相对于改变配速的现有转轮结构而言，本技术方案最大且最特殊的点在于即时修正功能，此功能比远远超出市面上毫秒级感应修正装置。技术原理如下，在医护人员操作本装置切割胃部带有单侧异常凸起的部位时，此时滚轮带动的一个机械钳处于平面光滑的切割面(不带有凸起)，另一个滚轮处于凹凸不平的切割面(带有凸起)。
在上述工作环境下，本技术方案使用时相对于处于光滑切割面的滚轮带动的机械钳切割路径受阻较小，因此在相同力矩输入下(壳体带动整体转动)，光滑面的机械钳切割和滚轮转速较快(可看做打滑)，因此自转中的滚轮在机械钳的带动下，将转速过快的力矩传递至连接的蜗杆中(注意是光滑面的滚轮所连接的蜗杆)，从而产生力矩传递，传递的力矩至第一涡轮中，第一涡轮传递至第二涡轮(此时出现转速差，因此啮合的涡轮传递力矩)，由于涡轮与蜗杆的结合特性，此时第二涡轮无法带动另一个蜗杆(凹凸面的蜗杆)转动，所以仅仅能由凹凸面的蜗杆传递和降低力矩，从而实现即时修正，本即时修正处于发生时刻立即修正，利用双啮合的涡轮与蜗杆实现单向锁定原理巧妙转化，即保持双向力矩的同时(壳体作为主动副能传递多向力矩)，根据工作面的不同将同一机械臂的机械钳进行配速和修正，保证切割面的平滑，和切割的精准性，同时减少患者手术过程中创面缝合的范围，节省了人力物力。
3、相对于固定升缩式机械臂，本技术方案中机械臂的主动臂杆和从动臂杆铰接，实现多角度工作。
在本发明的一种优选实施方式中，所述机械钳的横截面为月牙形，所述机械钳的凸起部分呈锐角，所述机械钳的凹面部分带有齿槽，且滚轮外表面限制有矩形框体，所述机械钳的运动行程与矩形框体接触。
名称解释，月牙形即横截面与缺月形状相同。
有益效果：1、相对于嵌合柳叶刀片的现有技术，本技术方案中利用月牙形的机械钳，实现夹持和切割作用，即利用凸起部分切割，利用凹面部分的齿槽进行夹持或掀开腹部脏器(如胃，结直肠)周围脂肪组织，便于观察。
2、相对于结合夹持和切割两用的微创手术器械，本技术方案实现转速补足的方法是利用滚轮的自转，因此设计矩形框体限制机械钳的转动范围，避免狭窄空间切割时对其他血管的损害。
3、相对于限制机械钳位移的现有技术，本技术方案中利用机械钳呈现月牙形状，从而保证机械钳与目标处始终保持点接触，在切割或旋转过程中以实现微创切割。
在本发明的一种优选实施方式中，所述滚轮与机械钳之间铰接有Z形杆，所述Z形杆包括一组平行的直杆和连接直杆的竖杆，所述竖杆与直杆的铰接处带有万向球头，所述万向球头包括球体和带有开口的球座，所述球体连接于直杆，所述球座采用橡胶材质，且球座包裹于球体，球座的深度大于球体的直径，球座的开口处粘接有挡片。
有益效果：1、相对于直拉杆式的现有技术，本技术方案中利用Z形杆进行传动，便于夹持钳没入血管神经丰富的间隙处，从而提升了术式的工作范围和缝合范围。
2、相对于采用Z形杆传动的现有技术，本技术方案采用万向球头中的球座和球体结合，当发生瞬时补正的情况时即(第二涡轮无法利用力矩带动蜗杆旋转，此时根据蜗杆的齿槽走向产生挤压力)，从而球头没入球座中，实现长短调节，以便于夹持钳产生高低错位，以撑开或捏开切割后的腹部脏器(如胃，结直肠)周围脂肪组织。
在本发明的一种优选实施方式中，所述主动杆臂和从动杆臂之间铰接有万向头。
有益效果：相对于采用圆头销铰接的现有技术，本技术方案利用万向球头实现多角度转向。
在本发明的一种优选实施方式中，所述机械钳的平面处带有镂空花纹，所述镂空花纹包括贴合刃面的三角纹和位于三角纹后方的矩形纹，所述三角纹与矩形纹之间带有横向的折痕。
有益效果：1、相对于采用平口式整体的机械钳而言，本技术方案采用镂空花纹技术，即暴露切口的位置，从而便于观察。
2、相对于采用镂空式机械钳的技术方案，本技术中利用折痕降低刀尖受到的挤压力，即折痕之间形成凹处，机械钳的挤压力产生的多波纹(横波或者纵波)在折痕中储藏，从而抵消转轮周转产生的震动力。
在本发明的另一种优选实施方式中，所述机械臂通过鲍登线电连接于医生控制台。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有技术达芬奇医疗器械的结构图。
图2是本申请实施例一的机械手结构图。
图3是本申请实施例一的壳体半剖图。
图4为图3中涡轮与蜗杆的啮合关系图(注意齿面线)。
图5为实施例一中进一步的机械手结构图；
图6为图5中A处放大图；
图7为图6中Z形杆与球体的连接关系图；
图8为实施例二中机械钳的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
附图标记如下：外科医生控制台1、床旁机械臂系统2、成像系统3、主动臂杆4、从动臂杆5、机械手6、传动齿轮7、壳体8、蜗杆9、滚轮10、机械钳11、涡轮12、转动轴13、第一涡轮14、第二涡轮15、齿槽16、矩形框体17、Z形杆18、球体19、球座20、挡片21、三角纹22、矩形纹23、折痕24。
本发明提供了一种腹部外科手术辅助机器人，如图1和图2所示，在本发明的一种优选实施方式中，其包括外科医生控制台1、床旁机械臂系统2、成像系统3，机械臂系统包括掀起机械臂，掀起机械臂包括相互铰接的主动臂杆4和从动臂杆5，从动臂杆5贴靠患者的表面带有机械手6；
请参考图3和附图4，机械手6包括相互啮合的传动齿轮7和壳体8，壳体8的外表面带有斜齿轮，壳体8的内表面带有一组并列的蜗杆9，蜗杆9分别外沿出壳体8，且蜗杆9外沿处连接有滚轮10，滚轮10表面连接有机械钳11，蜗杆9表面啮合有若干组涡轮12，涡轮12沿蜗杆9的轴向中轴线围成三角形，且涡轮12与壳体8之间连接有转动轴13；
任意组涡轮12包括两个相互啮合的第一涡轮14和第二涡轮15，第一涡轮14啮合其中一个蜗杆9，第二涡轮15啮合另一个蜗杆9，第一涡轮14和第二涡轮15在同向转动时锁止。
采用这样的技术方案，本装置的使用和达芬奇机器人的使用相同，因而操作的相同点不再过多叙述，本实施例主要叙述使用的不同处。
以胃部手术为例，利用本技术方案沿着胃周解剖间隙分离腹部脏器(如胃，结直肠)周围脂肪组织，并离断胃周血管，使胃与周围组织分离，从而取出患者的胃。
A、例如在需要弧形切口时，本技术方案利用滚轮10带动机械钳11的凸面旋转切割目标，此时由于产生转向，机械钳11两端处于内径和外径，根据角速度与线速度的转化公式而言，处于外径的滚轮10转速变慢，此时改变参照物为内径的转轮，因此外径转轮的运动方向为后退，此时形成两组蜗杆9转动方向不同，从而使蜗杆9带动啮合的涡轮12转动。
在涡轮12不同向转动的情况下，相互之间产生联动效应，即解除第一涡轮14和第二涡轮15在同向转动时锁止的效果，第一涡轮14与第二涡轮15产生自转，从而利用第一涡轮14和第二涡轮15的啮合比达到差速和配速的问题，保证切割的弧面稳定，同时减少刀具损耗和错位。
B、在医护人员操作本装置切割胃部带有单侧异常凸起的部位时，此时滚轮10带动的一个机械钳11处于平面光滑的切割面(不带有凸起)，另一个滚轮10处于凹凸不平的切割面(带有凸起)。
在上述工作环境下，本技术方案使用时相对于处于光滑切割面的滚轮10带动的机械钳11切割路径受阻较小，因此在相同力矩输入下(壳体8带动整体转动)，光滑面的机械钳11切割和滚轮10转速较快(可看做打滑)，因此自转中的滚轮10在机械钳11的带动下，将转速过快的力矩传递至连接的蜗杆9中(注意是光滑面的滚轮10所连接的蜗杆9)，从而产生力矩传递，传递的力矩至第一涡轮14中，第一涡轮14传递至第二涡轮15(此时出现转速差，因此啮合的涡轮12传递力矩)，由于涡轮12与蜗杆9的结合特性，此时第二涡轮15无法带动另一个蜗杆9(凹凸面的蜗杆9)转动，所以仅仅能由凹凸面的蜗杆9传递和降低力矩，从而实现即时修正，本即时修正处于发生时刻立即修正，利用双啮合的涡轮12与蜗杆9实现单向锁定原理巧妙转化，即保持双向力矩的同时(壳体8作为主动副能传递多向力矩)，根据工作面的不同将同一机械臂的机械钳11进行配速和修正，保证切割面的平滑，和切割的精准性，同时减少患者手术过程中创面缝合的范围，节省了人力物力。
在本实施方式中，涡轮12的数量优选但不限于三组。
如图,5和附图6所示，在本发明的另一种优选实施方式中，机械钳11的横截面为月牙形，所述机械钳11的凸起部分呈锐角，所述机械钳11的凹面部分带有齿槽16，且滚轮10外表面限制有矩形框体17，所述机械钳11的运动行程与矩形框体17接触。
在本实施方式中本技术方案中利用月牙形的机械钳11，实现夹持和切割作用，即利用凸起部分切割，利用凹面部分的齿槽16进行夹持或掀开腹部脏器(如胃，结直肠)周围脂肪组织，便于观察。利用机械钳11呈现月牙形状，从而保证机械钳11与目标处始终保持点接触，在切割或旋转过程中以实现微创切割。
请参考图7，在本实施方式中，滚轮10与机械钳11之间铰接有Z形杆18，Z形杆18包括一组平行的直杆和连接直杆的竖杆，所述竖杆与直杆的铰接处带有万向球头，所述万向球头包括球体19和带有开口的球座20，球体19连接于直杆，所述球座20采用橡胶材质，且球座20包裹于球体19，球座20的深度大于球体19的直径，球座20的开口处粘接有挡片21。
本技术方案中利用Z形杆18进行传动，便于夹持钳没入血管神经丰富的间隙处，从而提升了术式的工作范围和缝合范围，由于采用万向球头中的球座20和球体19结合，当发生瞬时补正的情况时即(第二涡轮15无法利用力矩带动蜗杆9旋转，此时根据蜗杆9的齿槽16走向产生挤压力)，从而球头没入球座20中，实现长短调节，以便于夹持钳产生高低错位，以撑开或捏开切割后的腹部脏器(如胃，结直肠)周围脂肪组织。
本发明中，主动杆臂和从动杆臂之间铰接有万向头。
在本实施方式中，不仅仅应用于胃的手术，还应用于其他亦开展达芬奇机器人手术如结直肠外科、泌尿外科、妇科等领域。
实施例二
请参考图8，本实施例的结构原理同实施例一的结构原理基本相同，不同的地方在于，机械钳11的平面处带有镂空花纹，所述镂空花纹包括贴合刃面的三角纹22和位于三角纹22后方的矩形纹23，所述三角纹22与矩形纹23之间带有横向的折痕24。
本技术方案采用镂空花纹技术，即暴露切口的位置，从而便于观察，利用折痕24降低刀尖受到的挤压力，即折痕24之间形成凹处，机械钳11的挤压力产生的多波纹(横波或者纵波)在折痕24中储藏，从而抵消转轮周转产生的震动力。
在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种腹部外科手术辅助机器人，包括外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统，其特征在于，所述机械臂系统包括掀起机械臂，所述掀起机械臂包括相互铰接的主动臂杆和从动臂杆，所述从动臂杆贴靠患者的表面带有机械手；
所述机械手包括相互啮合的传动齿轮和壳体，所述壳体的外表面带有斜齿轮，所述壳体的内表面带有一组并列的蜗杆，所述蜗杆分别外沿出壳体，且蜗杆外沿处连接有滚轮，滚轮表面连接有机械钳，所述蜗杆表面啮合有若干组涡轮，所述涡轮沿蜗杆的轴向中轴线围成三角形，且涡轮与壳体之间连接有转动轴；
任意组涡轮包括两个相互啮合的第一涡轮和第二涡轮，第一涡轮啮合其中一个蜗杆，第二涡轮啮合另一个蜗杆，所述第一涡轮和第二涡轮在同向转动时锁止。
2.如权利要求1所述的一种腹部外科手术辅助机器人，其特征在于，所述机械钳的横截面为月牙形，所述机械钳的凸起部分呈锐角，所述机械钳的凹面部分带有齿槽，且滚轮外表面限制有矩形框体，所述机械钳的运动行程与矩形框体接触。
3.如权利要求2所述的一种腹部外科手术辅助机器人，其特征在于，所述滚轮与机械钳之间铰接有Z形杆，所述Z形杆包括一组平行的直杆和连接直杆的竖杆，所述竖杆与直杆的铰接处带有万向球头，所述万向球头包括球体和带有开口的球座，所述球体连接于直杆，所述球座采用橡胶材质，且球座包裹于球体，球座的深度大于球体的直径，球座的开口处粘接有挡片。
4.如权利要求2所述的一种腹部外科手术辅助机器人，其特征在于，所述主动杆臂和从动杆臂之间铰接有万向头。
5.如权利要求1所述的一种腹部外科手术辅助机器人，其特征在于，所述机械钳的平面处带有镂空花纹，所述镂空花纹包括贴合刃面的三角纹和位于三角纹后方的矩形纹，所述三角纹与矩形纹之间带有横向的折痕。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种腹部外科手术辅助机器人，其特征在于，所述机械臂通过鲍登线电连接于医生控制台。
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