CN112353495B - 一种介入手术机器人手臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介入手术机器人手臂系统，包括躯干部、手臂部和手腕部；它们之间相互关联，组成了可以实现介入手术的机器人手臂系统；该手臂系统下方有轮子，可以在导管床旁边做小范围的移动，用于扩展推进机构的活动范围；因为导丝在导管后方，所有机器人可以通过轮子移动到导丝的位置来进行手术，就像医生的脚一样；在手腕处有和推进机构连接的装置，采用插拔式的安装方式，可以快速完成推进机构的安装或更换；机器人的手臂有多个自由度，可以灵活的适应病人各个位置的导管和导丝的夹取；整个机器人各个部分配合工作，就可以完成医生在介入手术中的主要操作动作。

Description

一种介入手术机器人手臂系统

技术领域

本发明涉及微创血管介入手术领域，涉及对于介入手术的手臂系统，以 及对机器人推进机构的辅助定位和控制技术。

背景技术

心脑血管微创介入疗法是针对心脑血管疾病的主要治疗手段。和传统外 科手术相比，有着切口小、术后恢复时间短等明显优势。心脑血管介入手术 是由医生手动将导管、导丝以及支架等器械送入病患体内来完成治疗的过程。

介入造影手术存在以下两点问题：

第一，在手术过程中，由于DSA会发出X射线，医生体力下降较快，注意 力及稳定性也会下降，将导致操作精度下降，易发生因推送力不当引起的血 管内膜损伤、血管穿孔破裂等事故，导致病人生命危险。

第二，长期电离辐射的积累伤害会大幅地增加医生患白血病、癌症以及 急性白内障的几率。医生因为做介入手术而不断积累射线的现象，已经成为 损害医生职业生命、制约介入手术发展不可忽视的问题。

通过借助机器人技术能够有效应对这一问题，还可以大幅提高手术操作 的精度与稳定性，同时能够有效降低放射线对介入医生的伤害，降低术中事 故的发生几率。因此，心脑血管介入手术辅助机器人越来越多的被人们所关 注，逐渐成为当今各科技强国在医疗机器人领域的重点研发对象。

介入手术根据作用的部位和病情又分为很多类型，比如心血管介入，外 周介入等。不同的介入手术采用的操作方法不一样，因此采用的机器人的结 构不同。

因此，如何提供一种通用的、灵活的手臂系统来辅助机器人的推进机构 完成整个手术过程，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种介入手术机器人手臂系统，旨在解决上述 技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，包括：躯干部、手臂部和 手腕部；

所述躯干部包括躯干支架，所述躯干支架底部固定有底板，所述底板四 角转动连接有四个麦克纳姆轮；所述躯干支架顶面固定有电机固定架；所述 电机固定架的顶面固定有第一伺服电机，所述第一伺服电机的动力输出轴穿 过所述电机固定架指向所述躯干支架的顶面；所述第一伺服电机的动力输出 轴端头固定有第一齿轮；所述躯干支架顶面转动连接有与所述第一齿轮啮合 的第二齿轮；所述第二齿轮的顶面通过丝杠固定座固定连接有竖直布置的丝 杠；所述丝杠上螺纹连接有丝杠滑块；所述躯干支架顶面与所述丝杠对应的 内侧壁上分别固定有两个滑轨滑块；

所述手臂部包括升降平台，所述升降平台的两侧壁通过竖向固定的第一 直线导轨与所述滑轨滑块滑动连接，所述升降平台的后背板与所述丝杠滑块 固定连接；所述升降平台的顶面固定有两条与所述第一直线导轨垂直的第二 直线导轨；所述第二直线导轨上的滑块固定连接有伸缩臂，所述伸缩臂向远 离所述躯干支架的方向延伸；所述伸缩臂的顶面沿所述第二直线导轨的方向 间隔固定有第一电机支架和齿轮支架；所述第一电机支架上固定有同步带电 机，所述齿轮支架转动连接有水平布置的旋转轴，所述同步带电机的动力输 出轴端头和所述旋转轴的端头均固定有同步带齿轮；两个所述同步带齿轮上 套设有同步带；所述升降平台的顶面固定有压块支架，所述压块支架与压块 配合固定，夹紧所述同步带；

所述手腕部包括固定在所述伸缩臂远离所述躯干支架一端的第二电机支 架；所述第二电机支架上固定有第一步进电机，所述第一步进电机的动力输 出轴穿过所述第二电机支架固定连接有水平布置的旋转平板；所述旋转平板 上固定有通过第二步进电机驱动的与所述第二直线导轨垂直的滚珠丝杠机 构；所述滚珠丝杠机构的滑块上固定连接有连接轴套块；所述连接轴套块的 顶面通过第三电机支架固定有第三步进电机，所述第三步进电机的动力输出 轴水平布置，且端头固定有第三齿轮；所述连接轴套块的中心孔转动连接有 旋转轴管；所述旋转轴管上通过旋转套筒固定有与所述第三齿轮啮合的第四 齿轮；所述旋转轴管远离所述第一步进电机的一端固定有连接块；所述连接 块远离所述旋转轴管的一面具有信号连接孔和对称开设在所述信号连接孔两 侧的插接孔；所述信号连接孔内安装有用于和推进机构的电路接口配合的信 号接头；所述插接孔内固定有用于和所述推进机构的铁片吸附连接的电磁铁； 所述连接块内部固定有位于所述电磁铁上方的行程开关。

通过上述技术方案，本发明分为躯干、手臂和手腕三大部分，它们之间 相互关联，组成了可以实现介入手术的机器人手臂系统。该手臂系统下方有 轮子，可以在导管床旁边做小范围的移动，用于扩展推进机构的活动范围； 因为导丝在导管后方，所有机器人可以通过轮子移动到导丝的位置来进行手 术，就像医生的脚一样；在手腕处有和推进机构连接的装置，采用插拔式的 安装方式，可以快速完成推进机构的安装或更换；机器人的手臂有多个自由 度，可以灵活的适应病人各个位置的导管和导丝的夹取；整个机器人各个部 分配合工作，就可以完成医生在介入手术中的主要操作动作。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述升降平台上固定 有远观摄像头；所述旋转平板上固定有近观摄像头。远观摄像头用于从较远 的地方观察手术环境；近观摄像头用于近距离观察导丝导管的情况；两个摄 像头一个观察远端，一个观察近端，就像医生的双眼一样。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述底板中部开设有 通过孔；所述躯干支架位于所述底板上方的中间隔板的底面上固定有电动液 压缸；所述电动液压缸伸缩端朝下，且端头固定有支撑板，所述支撑板能够 穿过所述通过孔，且底面四角具有四个支柱。在电动液压缸的作用下，支撑 板可以向下移动直到触碰到地面，进而可以把整个机器人支撑起来，支撑高 度让轮子离开即可，它的作用是固定机器人的位置，使得机器人不会因为轮 子而自由移动。在需要移动时，收起支撑板，需要固定时，释放支撑板。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述底板上固定有四 个用于驱动所述麦克纳姆轮的第二伺服电机。麦克纳姆轮可以根据调整不同 轮子的转动方向，实现机器人的任意方向运动，这样大大方便了机器人在手 术室的移动。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述躯干支架的顶面 固定有两条灯带。用来作为机器人工作状态的指示。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述升降平台的顶面 通过触摸屏支架固定有触摸屏。触摸屏可以显示机器人的基本信息，给予医 生一些指示说明等作用。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述伸缩臂上安装有 用于控制所述电磁铁电流通断的按钮。如果手术结束后，可以按动按钮，使 得电磁铁断电，可以轻松的把推进机构拔出来。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述第一步进电机的 动力输出轴通过连轴件、轴承和连接件与所述旋转平板连接。连接结构稳定 可靠。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述连接块的顶面固 定有指示灯。指示灯会发出绿色，用来提示用户已正确安装完毕，否则亮黄 色灯，提示没有安装成功。

优选的，在上述一种介入手术机器人手臂系统中，所述躯干支架的中间 隔板上固定有用于处理信息、发送和接受信号的控制电路板，以及用于驱动 各个电机的驱动器。实现智能化的驱动控制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种介 入手术机器人手臂系统，具有以下有益效果：

1、本发明提供的系统采用仿生学设计，配合推进机构，机器人可以像医 生一样进行手术动作，可以在手术中随时随地的调整位置和角度。

2、本发明提供的系统整体结构简单，稳定性好，采用模块化结构设计， 拆装组合简便，结构紧凑，体积小巧，非常适宜于手术环境。

3、本发明提供的系统设置有轮子，可以在导管床旁边进行小范围的移 动，同时还设置有五轴系统，可以达到同医生在临床中一样的夹取和推进导 管导丝的位置和角度，这些可以让医生操作起来更加灵活方便。

4、本发明提供的系统配置有多种反馈系统，如摄像头、指示灯、显示屏 等，可以让医生全方位的了解到实时工作状态和手术环境。

5、本发明提供的系统无需固定在导管床上，不会和导管床有任何接触， 无需进行安装操作，大大的方便了临床使用。

6、本发明提供的系统配置可以在无工具的条件下，3秒内完成和推进机 构的安装和拆除，并且和多种推进机构通用，适用于各种各样的介入手术， 适用范围广泛。

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附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的躯干部的结构示意 图；

图3附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的躯干部的爆炸视图；

图4附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的手臂部的结构示意 图；

图5附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的手臂部的爆炸视图；

图6附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的手腕部带有推进机 构的结构示意图；

图7附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的手腕部的结构示意 图；

图8附图为本发明提供的介入手术机器人手臂系统的手腕部的爆炸视图。

其中：

10-躯干部：

101-底板；102-第二伺服电机；103-麦克纳姆轮；104-控制电路板；105- 电机固定架；106-灯带；107-躯干支架；108-滑轨滑块；109-丝杠滑块；110- 丝杠；111-第一伺服电机；112-丝杠固定座；113-第一齿轮；114-驱动器；115- 电动液压缸；116-支撑板；117-第二齿轮；

20-手臂部：

201-第一直线导轨；202-伸缩臂；203-按钮；204-触摸屏支架；205-触摸 屏；206-第二直线导轨；207-同步带；208-同步带电机；209-第一电机支架； 210-远观摄像头；211-压块；212-压块支架；213-同步带齿轮；214-升降平台； 215-旋转轴；216-齿轮支架；

30-手腕部：

301-第二电机支架；302-旋转平板；303-信号接头；304-联轴件；305-轴 承；306-连接件；307-第一步进电机；308-第二步进电机；309-指示灯；310- 第三步进电机；311-第三电机支架；312-连接块；313-第三齿轮；314-第四齿 轮；315-电磁铁；316-铁片；317-旋转轴管；318-行程开关；319-旋转套筒； 320-连接轴套块；321-近观摄像头；322-滚珠丝杠机构；323-信号连接孔；324- 插接孔；

40-推进机构。

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。

参见附图1至附图8，本发明实施例公开了一种介入手术机器人手臂系统， 包括：躯干部10、手臂部20和手腕部30；

躯干部10包括躯干支架107，躯干支架107底部固定有底板101，底板 101四角转动连接有四个麦克纳姆轮103；躯干支架107顶面固定有电机固定 架105；电机固定架105的顶面固定有第一伺服电机111，第一伺服电机111 的动力输出轴穿过电机固定架105指向躯干支架107的顶面；第一伺服电机 111的动力输出轴端头固定有第一齿轮113；躯干支架107顶面转动连接有与 第一齿轮113啮合的第二齿轮117；第二齿轮117的顶面通过丝杠固定座112 固定连接有竖直布置的丝杠110；丝杠110上螺纹连接有丝杠滑块109；躯干 支架107顶面与丝杠110对应的内侧壁上分别固定有两个滑轨滑块108；

手臂部20包括升降平台214，升降平台214的两侧壁通过竖向固定的第 一直线导轨201与滑轨滑块108滑动连接，升降平台214的后背板与丝杠滑 块109固定连接；升降平台214的顶面固定有两条与第一直线导轨201垂直 的第二直线导轨206；第二直线导轨206上的滑块固定连接有伸缩臂202，伸 缩臂202向远离躯干支架107的方向延伸；伸缩臂202的顶面沿第二直线导 轨206的方向间隔固定有第一电机支架209和齿轮支架216；第一电机支架209上固定有同步带电机208，齿轮支架216转动连接有水平布置的旋转轴 215，同步带电机208的动力输出轴端头和旋转轴215的端头均固定有同步带 齿轮213；两个同步带齿轮213上套设有同步带207；升降平台214的顶面固 定有压块支架212，压块支架212与压块211配合固定，夹紧同步带207；

手腕部30包括固定在伸缩臂202远离躯干支架107一端的第二电机支架 301；第二电机支架301上固定有第一步进电机307，第一步进电机307的动 力输出轴穿过第二电机支架301固定连接有水平布置的旋转平板302；旋转平 板302上固定有通过第二步进电机308驱动的与第二直线导轨206垂直的滚 珠丝杠机构322；滚珠丝杠机构322的滑块上固定连接有连接轴套块320；连 接轴套块320的顶面通过第三电机支架311固定有第三步进电机310，第三步 进电机310的动力输出轴水平布置，且端头固定有第三齿轮313；连接轴套块 320的中心孔转动连接有旋转轴管317；旋转轴管317上通过旋转套筒319固 定有与第三齿轮313啮合的第四齿轮314；旋转轴管317远离第一步进电机 307的一端固定有连接块312；连接块312远离旋转轴管317的一面具有信号 连接孔323和对称开设在信号连接孔313两侧的插接孔324；信号连接孔323 内安装有用于和推进机构40的电路接口配合的信号接头303；插接孔324内 固定有用于和推进机构40的铁片316吸附连接的电磁铁315；连接块312内 部固定有位于电磁铁315上方的行程开关318。

为了进一步优化上述技术方案，升降平台214上固定有远观摄像头210； 旋转平板302上固定有近观摄像头321。

为了进一步优化上述技术方案，底板101中部开设有通过孔；躯干支架 107位于底板101上方的中间隔板的底面上固定有电动液压缸115；电动液压 缸115伸缩端朝下，且端头固定有支撑板116，支撑板116能够穿过通过孔， 且底面四角具有四个支柱。

为了进一步优化上述技术方案，底板101上固定有四个用于驱动麦克纳 姆轮103的第二伺服电机102。

为了进一步优化上述技术方案，躯干支架107的顶面固定有两条灯带106。

为了进一步优化上述技术方案，升降平台214的顶面通过触摸屏支架204 固定有触摸屏205。

为了进一步优化上述技术方案，伸缩臂202上安装有用于控制电磁铁315 电流通断的按钮203。

为了进一步优化上述技术方案，第一步进电机307的动力输出轴通过连 轴件304、轴承305和连接件306与旋转平板302连接。

为了进一步优化上述技术方案，连接块312的顶面固定有指示灯309。

为了进一步优化上述技术方案，躯干支架107的中间隔板上固定有用于 处理信息、发送和接受信号的控制电路板104，以及用于驱动各个电机的驱动 器114。

本发明用于介入手术机器人中，对控制导管和导丝的机器人推进机构起 到支撑和定位作用。医生通过在手术室外的操作手柄，可以控制机器人手臂 系统，从而可以调整机器人的推进机构的位置和角度。手臂系统和推进机构 配合完成推动导丝导管进入患者体内指定位置，完成手术过程，避免医生受 到X射线伤害的风险。该装置的手臂系统可以由控制端自由控制，随机灵活 的调整夹取导管导丝的位置和角度，就像是医生的手臂和腿脚一样，有了它 医生可以更加灵活的完成手术操作。该系统可以在无工具配合下，快速完成和推进机构的连接和拆除，适用于各种类型的推进机构，使用范围广泛。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，包括：躯干部(10)、手臂部(20)和手腕部(30)；

所述躯干部(10)包括躯干支架(107)，所述躯干支架(107)底部固定有底板(101)，所述底板(101)四角转动连接有四个麦克纳姆轮(103)；所述躯干支架(107)顶面固定有电机固定架(105)；所述电机固定架(105)的顶面固定有第一伺服电机(111)，所述第一伺服电机(111)的动力输出轴穿过所述电机固定架(105)指向所述躯干支架(107)的顶面；所述第一伺服电机(111)的动力输出轴端头固定有第一齿轮(113)；所述躯干支架(107)顶面转动连接有与所述第一齿轮(113)啮合的第二齿轮(117)；所述第二齿轮(117)的顶面通过丝杠固定座(112)固定连接有竖直布置的丝杠(110)；所述丝杠(110)上螺纹连接有丝杠滑块(109)；所述躯干支架(107)顶面与所述丝杠(110)对应的内侧壁上分别固定有两个滑轨滑块(108)；

所述手臂部(20)包括升降平台(214)，所述升降平台(214)的两侧壁通过竖向固定的第一直线导轨(201)与所述滑轨滑块(108)滑动连接，所述升降平台(214)的后背板与所述丝杠滑块(109)固定连接；所述升降平台(214)的顶面固定有两条与所述第一直线导轨(201)垂直的第二直线导轨(206)；所述第二直线导轨(206)上的滑块固定连接有伸缩臂(202)，所述伸缩臂(202)向远离所述躯干支架(107)的方向延伸；所述伸缩臂(202)的顶面沿所述第二直线导轨(206)的方向间隔固定有第一电机支架(209)和齿轮支架(216)；所述第一电机支架(209)上固定有同步带电机(208)，所述齿轮支架(216)转动连接有水平布置的旋转轴(215)，所述同步带电机(208)的动力输出轴端头和所述旋转轴(215)的端头均固定有同步带齿轮(213)；两个所述同步带齿轮(213)上套设有同步带(207)；所述升降平台(214)的顶面固定有压块支架(212)，所述压块支架(212)与压块(211)配合固定，夹紧所述同步带(207)；

所述手腕部(30)包括固定在所述伸缩臂(202)远离所述躯干支架(107)一端的第二电机支架(301)；所述第二电机支架(301)上固定有第一步进电机(307)，所述第一步进电机(307)的动力输出轴穿过所述第二电机支架(301)固定连接有水平布置的旋转平板(302)；所述旋转平板(302)上固定有通过第二步进电机(308)驱动的与所述第二直线导轨(206)垂直的滚珠丝杠机构(322)；所述滚珠丝杠机构(322)的滑块上固定连接有连接轴套块(320)；所述连接轴套块(320)的顶面通过第三电机支架(311)固定有第三步进电机(310)，所述第三步进电机(310)的动力输出轴水平布置，且端头固定有第三齿轮(313)；所述连接轴套块(320)的中心孔转动连接有旋转轴管(317)；所述旋转轴管(317)上通过旋转套筒(319)固定有与所述第三齿轮(313)啮合的第四齿轮(314)；所述旋转轴管(317)远离所述第一步进电机(307)的一端固定有连接块(312)；所述连接块(312)远离所述旋转轴管(317)的一面具有信号连接孔(323)和对称开设在所述信号连接孔(323 )两侧的插接孔(324)；所述信号连接孔(323)内安装有用于和推进机构(40)的电路接口配合的信号接头(303)；所述插接孔(324)内固定有用于和所述推进机构(40)的铁片(316)吸附连接的电磁铁(315)；所述连接块(312)内部固定有位于所述电磁铁(315)上方的行程开关(318)。

2.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述升降平台(214)上固定有远观摄像头(210)；所述旋转平板(302)上固定有近观摄像头(321)。

3.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述底板(101)中部开设有通过孔；所述躯干支架(107)位于所述底板(101)上方的中间隔板的底面上固定有电动液压缸(115)；所述电动液压缸(115)伸缩端朝下，且端头固定有支撑板(116)，所述支撑板(116)能够穿过所述通过孔，且底面四角具有四个支柱。

4.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述底板(101)上固定有四个用于驱动所述麦克纳姆轮(103)的第二伺服电机(102)。

5.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述躯干支架(107)的顶面固定有两条灯带(106)。

6.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述升降平台(214)的顶面通过触摸屏支架(204)固定有触摸屏(205)。

7.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述伸缩臂(202)上安装有用于控制所述电磁铁(315)电流通断的按钮(203)。

8.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述第一步进电机(307)的动力输出轴通过连轴件(304)、轴承(305)和连接件(306)与所述旋转平板(302)连接。

9.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述连接块(312)的顶面固定有指示灯(309)。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种介入手术机器人手臂系统，其特征在于，所述躯干支架(107)的中间隔板上固定有用于处理信息、发送和接受信号的控制电路板(104)，以及用于驱动各个电机的驱动器(114)。

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