CN112971987A - 可变刚度及柔性机器人操控装置 - Google Patents

Abstract

本发明的手术机器人操控装置可用于例如内窥镜手术等手术操作。根据本发明的手术机器人操控装置包括基座、支承臂、执行件、连接于所述支承臂的定位传动件及连接于所述执行件的操作传动件。所述支承臂具有第一端及第二端，支承臂的第一端可移动地连接于所述基座，所述执行件连接于支承臂的第二端。所述定位传动件可相对于所述基座位移，从而带动所述支承臂相对于所述基座位移，以将所述执行件从初始位置移动至预设位置。所述操作传动件可相对于所述支承臂位移，从而带动所述执行件相对于所述支承臂位移，使得所述执行件在该预设位置进行手术操作。

Description

可变刚度及柔性机器人操控装置

技术领域

本发明涉及医疗器械，具体涉及可变刚度及柔性机器人操控装置。

背景技术

为实现精准的定位及且安全的手术操作，手术机器人需要具有足够强度且一定灵活性的操作臂。目前的手术机器人操作臂需要通过有经验医生的人工操作，以根据人体不同部位的具体要求完成手术。

有鉴于此，本发明提供一种改进的手术机器人操控装置，以降低对人工手术操作的依赖，提高手术质量。

发明内容

本发明提供一种手术机器人操控装置，用于例如内窥镜手术等手术操作。根据一个实施例，本发明的手术机器人操控装置包括基座、第一端可移动地连接于所述基座的支承臂、可移动地连接于所述支承臂第二端的执行件、连接于所述支承臂的定位传动件及连接于所述执行件的操作传动件。定位传动件相对于所述基座的位移带动所述支承臂相对于所述基座位移，以将所述执行件定位于预设位置。操作传动件相对于所述支承臂的位移带动所述执行件相对于所述支承臂位移，使得所述执行件在该预设位置进行手术操作。

优选地，所述定位传动件包括移位操控件及复位操控件，其中所述移位操控件向远离所述支承臂方向的位移将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动，所述复位操控件向远离所述支承臂方向的位移将所述执行件从所述预设位置向所述初始位置移动。

优选地，所述基座具有形成于其中的基座通道，所述定位传动件穿设于所述基座通道。

优选地，所述定位传动件具有前端、后端及位于所述前端及后端之间的中间段，所述中间段穿设于所述基座通道，所述前端及后端延伸出所述基座，所述定位传动件的前端连接于所述支承臂。

优选地，本发明的手术机器人操控装置还包括连接于所述定位传动件后端的驱动件，其中所述驱动件可相对于所述基座位移，从而带动所述定位传动件及所述支承臂相对于所述基座位移。

优选地，本发明的手术机器人操控装置还包括连接于所述定位传动件及所述驱动件之间的弹性件，其中所述驱动件向远离所述基座方向的位移使得所述弹性件弹性变形，从而向所述定位传动件施加拉力。

优选地，所述支承臂具有形成于其中的支承臂通道，所述操作传动件穿设于所述基座通道及所述支承臂通道。

优选地，所述操作传动件具有前端、后端及位于所述前端及后端之间的中间段，所述操作传动件的中间段穿设于所述基座通道及所述支承臂通道，所述操作传动件的前端延伸出所述支承臂通道，所述操作传动件的后端延伸出所述基座，所述操作传动件的前端连接于所述执行件。

优选地，本发明的手术机器人操控装置还包括连接于所述操作传动件后端的驱动件，其中所述驱动件可相对于所述基座位移，从而带动所述操作传动件及所述执行件相对于所述基座位移。

优选地，所述支承臂包括第一节段及可转动地连接于所述第一节段的第二节段，所述支承臂的第一端位于所述第一节段的尾端，所述支承臂的第二端位于所述第二节段的首端，所述定位传动件包括固定于所述第一节段的第一定位传动件及穿过所述第一节段且连接于所述第二节段的第二定位传动件。

优选地，所述第一定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第一节段相对于所述基座位移，所述第二定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第二节段相对于所述第一节段转动，以将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动。

根据一个替代方案，所述支承臂包括第一节段、可转动地连接于所述第一节段的第二节段及可转动地连接于所述第二节段的第三节段，所述支承臂的第一端位于所述第一节段的尾端，所述支承臂的第二端位于所述第三节段的首端，所述定位传动件包括固定于所述第一节段的第一定位传动件、穿过所述第一节段且连接于所述第二节段的第二定位传动件及穿过所述第一节段及所述第二节段且连接于所述第三节段的第三定位传动件。

优选地，所述第一定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第一节段相对于所述基座位移，所述第二定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第二节段相对于所述第一节段转动，所述第三定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第三节段相对于所述第二节段转动，以将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动。

优选地，所述第二节段相对于所述第一节段沿第一方向转动，所述第三节段相对于所述第二节段沿第二方向转动，所述第二方向与所述第一方向相反。

根据另一个替代方案，所述支承臂包括第一节段、可转动地连接于所述第一节段的第二节段、可转动地连接于所述第二节段的第三节段及可转动地连接于所述第三节段的第四节段，所述支承臂的第一端位于所述第一节段的尾端，所述支承臂的第二端位于所述第四节段的首端，所述定位传动件包括固定于所述第一节段的第一定位传动件、穿过所述第一节段且连接于所述第二节段的第二定位传动件、穿过所述第一节段及所述第二节段且连接于所述第三节段的第三定位传动件，以及穿过所述第一节段、所述第二节段及所述第三节段且连接于所述第四节段的第四定位传动件。

优选地，所述第一定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第一节段相对于所述基座位移，所述第二定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第二节段相对于所述第一节段转动，所述第三定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第三节段相对于所述第二节段转动，所述第四定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第四节段相对于所述第三节段转动，以将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动。

优选地，所述第二节段相对于所述第一节段沿第一方向转动，所述第三节段相对于所述第二节段沿第二方向转动，所述第四节段相对于所述第三节段沿第二方向转动，所述第二方向与所述第一方向相反。

优选地，所述执行件包括可移动地连接于所述支承臂第二端的夹钳座及可转动地连接于所述夹钳座的一对夹钳爪，所述操作传动件包括连接于所述夹钳座的第一操作传动件及连接于所述一对夹钳爪的第二操作传动件。

优选地，所述第一操作传动件相对于所述支承臂的位移带动所述夹钳座相对于所述支承臂位移。

优选地，所述第二操作传动件相对于所述夹钳座的位移带动所述一对夹钳爪相对于所述夹钳座转动，使得所述一对夹钳爪张开及闭合。

优选地，所述手术机器人操控装置还包括附接于所述一对夹钳爪的应变片。

附图简要说明

各幅附图中，相同的标记指代结构相同或功能相似的部件。附图与下面的详细说明共同包含在说明书中，用以根据本发明描述各实施例并解释其技术方案、技术特征、实施方式及技术效果。

图1是根据本发明一个实施例的手术机器人操控装置的示意立体图；

图2是图1所示手术机器人操控装置的局部2的放大立体图；

图3是图2所示手术机器人操控装置支承臂的部分分解立体图；

图4是图2所示手术机器人操控装置执行件的部分分解立体图；

图5至图7是图2所示手术机器人操控装置执行件的操作示意立体图；

图8是图2所示手术机器人操控装置驱动件的立体图；

图9是图8的部分放大立体图；

图10是图2所示手术机器人操控装置支承臂的操作示意立体图；

图11是图10所示手术机器人操控装置支承臂的局部11的放大立体图；

图12是根据本发明一个优选实施例的驱动件的立体图；

图13是图12所示驱动件的局部13的放大立体图；

图14是图13所示驱动件的局部及连接于驱动件的支承臂的局部放大示意图。

具体实施方式及实施例详细说明

除非另外指出，本文中所引用或参照的侧向方向X、横向方向Y、纵向方向Z为如图2及图4所示的XYZ坐标系所示的方向，其中侧向方向X与横向方向Y彼此垂直且均垂直于纵向方向Z。

如图1至图4所示，根据一个实施例，本发明的可变刚度及柔性机器人操控装置100包括一个或多个基座120、可位移地连接于一个或每个基座120的对应的一个支承臂140、可位移地连接于每个支承臂140的执行件160、驱动件110、连接于驱动件110与支承臂140之间的定位传动件180，以及连接于驱动件110与与执行件160之间的操作传动件190。

支承臂140具有第一端140a及与第一端140a相对的第二端140b。支承臂140的第一端140a可移动地连接于基座120，执行件160可移动地连接于支承臂140的第二端140b。支承臂140可以仅包括一个节段，或包括相互独立且串联连接的多个节段，例如图2所示的示例，支承臂140包括相互独立且可相对位移地串联连接的第一节段1402、第二节段1404、第三节段1406及第四节段1408。在具有如上所述第一节段1402、第二节段1404、第三节段1406及第四节段1408的支承臂140示例中，支承臂140的第一端140a位于第一节段1402的后端，支承臂140的第二端140b位于第四节段1408的前端。执行件160连接于支承臂140第四节段1408的前端。

手术机器人操控装置100还可以包括将基座120及第一节段1402套接的芯管122、用于固定一个或多个支承臂140的套筒170，以及固定于套筒170且邻近支承臂140布置的摄像头172。

执行件160可以包括例如手术用刀类、剪类、钳类、针线类等器械或多个相同或不同器械的组合。在一个示例中，如图4所示，执行件160包括支座166及可转动地连接于支座166的第一夹钳爪162及第二夹钳爪164。第一夹钳爪162及第二夹钳爪164各具有夹钳爪转轴孔165。销轴167穿过夹钳爪轴孔167将第一夹钳爪162及第二夹钳爪164连接于支座166使得第一夹钳爪162及第二夹钳爪164可以相对于支座166关于销轴167转动。操控装置100还可以包括固定于第一夹钳爪162及第二夹钳爪164的应变片163，用于测量第一夹钳爪162及第二夹钳爪164沿不同方向上的应变，作为计算第一夹钳爪162及第二夹钳爪164受力状态的测量数据。支座166通过连杆168固定于支承臂140的第四节段1408。

如图8及图9所示，操控装置包括间隔设置的第一机架112及第二机架118，以及多个可独立致动的驱动件110。驱动件110包括相互平行且可转动地连接于第一机架112及第二机架118之间的导轨114及丝杠116、可平动地连接于导轨114且与丝杠116螺纹配合连接的滑块115，以及固定于第一机架外侧的电机111。丝杠116固定连接于电机111的转轴。电机111旋转带动丝杠116旋转。通过与丝杠116的螺纹配合，滑块115在丝杠116旋转的驱动下，在第一机架112及第二机架118之间沿纵向114z平动。

定位传动件180及操作传动件190各包括多根具有预设强度且能够传递动力及位移的线缆，例如镍钛合金线缆、丝线或类似材料制成的的合金线缆、丝线。定位传动件180中的每一根线缆182a、182b、184a、184b、188a、188b具有前端、后端及位于所述前端及后端之间的中间段。线缆182a、182b、184a、184b、188a、188b的后端各自与一个驱动件110的滑块115固定连接。基座120及支承臂140的第一节段1402、第二节段1404、第三节段1406及第四节段1408分别具有形成于内部的通道。线缆182a、182b的前端穿过基座120的通道及芯管122并分别固定于第一节段1402的两侧。线缆184a及184b的前端穿过基座120的通道、芯管122及第一节段1402的通道并分别固定连接于第二节段1404的两侧。线缆188a、188b的前端穿过基座120的通道、芯管122、第一节段1402、第二节段1404及第三节段1406的通道并分别固定连接于第四节段1408的两侧。

操作传动件190中的每一根线缆192a、192b、194a、194b及196的后端各自与一个驱动件110的滑块115固定连接，线缆192a、192b、194a、194b及196的前端穿过基座120、芯管122、第一节段1402、第二节段1404、第三节段1406及第四节段1408。线缆192a、192b的前端分别固定连接于第一夹钳爪162关于转轴孔165的两侧。线缆194a、194b的前端分别固定连接于第二夹钳爪164关于转轴孔165的两侧。线缆196的前端固定连接于支座166。

在使用中，根据手术的实际操作要求，本发明的操控装置100可以实现对支承臂140及执行件160的独立操控，将执行件160定位于预设位置，在预设位置控制执行件160的方位朝向及手术操作。在如图5、图6及图7所示的手术夹钳张开及闭合的操作示例中，操作传动件190的线缆192a是移位操控件，即控制手术夹钳张开的操控件，线缆192b是复位操控件，即控制手术夹钳闭合的操控件。线缆192a在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离支座166方向192z的位移，带动与线缆192a固定连接的第一夹钳爪162关于销轴167转动，实现第一夹钳爪162的张开操作。线缆192b在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离支座166方向194z的位移，带动与线缆192b固定连接的第一夹钳爪162关于销轴167转动，实现第一夹钳爪162的闭合操作。类似地及独立地，线缆194a在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离支座166方向的位移，带动与线缆194a固定连接的第二夹钳爪164关于销轴167转动，实现第二夹钳爪164的张开。线缆194b在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离支座166方向的位移，带动与线缆194b固定连接的第二夹钳爪164关于销轴167转动，实现第二夹钳爪164的闭合。

将执行件160定位于预设位置的操作，可以通过控制支承臂140的第一节段1402、第二节段1404、第三节段1406、第四节段1408及基座120之间的相对位移实现。在如图8至图11所示的示例中，线缆184a在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离基座120方向的位移，带动与线缆184a固定连接的支承臂140第二节段1404相对于第一节段1402转动，即如图10所示的沿第一方向140a的转动。独立于第二节段1404相对于第一节段1402转动，线缆188b在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离基座120方向的位移，带动第三节段1406及第四节段1408相对于第二节段1404转动，即如图10所示的沿第二方向140b的转动。独立地及/或同时地，线缆196在其对应的驱动件110的滑块115的位移带动下向远离基座120方向的位移，带动与线缆196固定连接的执行件160的支座166相对于第四节段1408沿第二方向160b转动，从而将执行件160定位于预设的位置，及/或调整至预设的方位。类似地，分别与线缆184a、188b配对的线缆184b、188a向远离基，带动分别与线缆184b、188a固定连接的第一节段1402及第二节段1404、第三节段1406及第四节段1408向相反方向转动，从而带动执行件160的支座166恢复至初始位置，或定位于其他预设位置。

根据一个优选实施例，如图12、图13及图14所示，用于本发明手术机器人操控装置的驱动件210包括第一机架212、第二机架218、相互平行且可转动地连接于第一机架212及第二机架218之间的第一导轨2142、第二导轨2144及第一丝杠2162、第二丝杠2164、可平动地连接于第一导轨2142、第二导轨2144且分别与及第一丝杠2162、第二丝杠2164螺纹配合连接的第一滑块2152、第二滑块2154，以及固定于第一机架外侧的第一电机2112、第二电机2114。第一丝杠2162固定连接于第一电机2112的转轴。第二丝杠2164固定连接于第二电机2114的转轴。第一电机2112旋转带动第一丝杠2162旋转。通过与第一丝杠2162的螺纹配合，第一滑块2152在第一丝杠2162旋转的驱动下，在第一机架212及第二机架218之间平动。独立地，第二电机2114旋转带动第二丝杠2164旋转。通过与第二丝杠2164的螺纹配合，第二滑块2154在第二丝杠2164旋转的驱动下，在第一机架212及第二机架218之间平动。

本发明手术机器人操控装置的驱动件210包括固定连接于线缆184a的后端与第一滑块2152之间的弹簧217。线缆184a的后端穿过第二机架218连接于弹簧217，线缆184a的前端穿过基座120固定连接于支承臂140的第一节段1402。线缆188a的后端穿过第二机架218、弹簧217及第一滑块2152固定连接于第二滑块2154。

第一滑块2152的平动，将驱动力及位移通过弹簧217传递至与弹簧217固定连接的线缆188a。在与线缆188a的前端固定连接的支承臂140的第四节段1408因与该第四节段1408连接的线缆188b位置固定的情况下，线缆184a的后端与第二机架218的位置相对固定。第一滑块2152相对于第二机架218的位置改变，导致弹簧217受力及弹性变形的改变，使得弹簧217通过线缆188a施加于支承臂140的第四节段1408的拉力改变。由于第四节段1408所受的拉力通过第三节段1406及第二节段1404传递至第一节段1402，通过改变第一滑块2152相对于第二机架218的位置，可以实现改变受第四节段1408控制的支承臂140的整体刚度的功能，从而达到根据不同的手术要求控制连接于支承臂140的手术器械的弹性变形程度的技术效果。

为使描述简洁，本说明书可能未对上述实施例中基于本发明基础技术方案的各个具体技术特征的所有可能的替换和/或组合进行描述，这些技术特征的替换和/或组合都应当理解为被本说明书记载的内容及范围所涵盖。以上实施例示例性地描述了本发明的几种实施方式，其中具体及详细的描述，不旨在被理解为对本申请所请求的保护范围的限制。本领域技术人员可以在本申请的发明构思、所描述的技术方案及技术特征范围之内对各个实施例及其中的技术特征做出各种修改、替换、重新组合、添加、删除等，而不超出本申请要求保护的范围。

Claims (21)

1.一种手术机器人操控装置，包括：

基座；

支承臂；其具有第一端及与所述第一端相对的第二端，所述支承臂的第一端可移动地连接于所述基座；

可移动地连接于所述支承臂第二端的执行件；

连接于所述支承臂的定位传动件；及

连接于所述执行件的操作传动件，

其中，所述定位传动件可相对于所述基座位移，从而带动所述支承臂相对于所述基座位移，以将所述执行件从初始位置移动至预设位置，

所述操作传动件可相对于所述支承臂位移，从而带动所述执行件相对于所述支承臂位移，使得所述执行件在该预设位置进行手术操作。

2.如权利要求1所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述定位传动件包括移位操控件及复位操控件，其中所述移位操控件向远离所述支承臂方向的位移将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动，所述复位操控件向远离所述支承臂方向的位移将所述执行件从所述预设位置向所述初始位置移动。

3.如权利要求1所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述基座具有形成于其中的基座通道，所述定位传动件穿设于所述基座通道。

4.如权利要求3所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述定位传动件具有前端、后端及位于所述前端及后端之间的中间段，所述中间段穿设于所述基座通道，所述前端及后端延伸出所述基座，所述定位传动件的前端连接于所述支承臂。

5.如权利要求4所述的手术机器人操控装置，其特征在于，还包括连接于所述定位传动件后端的驱动件，其中所述驱动件可相对于所述基座位移，从而带动所述定位传动件及所述支承臂相对于所述基座位移。

6.如权利要求5所述的手术机器人操控装置，其特征在于，还包括连接于所述定位传动件及所述驱动件之间的弹性件，其中所述驱动件向远离所述基座方向的位移使得所述弹性件弹性变形，从而向所述定位传动件施加拉力。

7.如权利要求3所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述支承臂具有形成于其中的支承臂通道，所述操作传动件穿设于所述基座通道及所述支承臂通道。

8.如权利要求7所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述操作传动件具有前端、后端及位于所述前端及后端之间的中间段，所述操作传动件的中间段穿设于所述基座通道及所述支承臂通道，所述操作传动件的前端延伸出所述支承臂通道，所述操作传动件的后端延伸出所述基座，所述操作传动件的前端连接于所述执行件。

9.如权利要求8所述的手术机器人操控装置，其特征在于，还包括连接于所述操作传动件后端的驱动件，其中所述驱动件可相对于所述基座位移，从而带动所述操作传动件及所述执行件相对于所述基座位移。

10.如权利要求1所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述支承臂包括第一节段及可转动地连接于所述第一节段的第二节段，所述支承臂的第一端位于所述第一节段的尾端，所述支承臂的第二端位于所述第二节段的首端，所述定位传动件包括固定于所述第一节段的第一定位传动件及穿过所述第一节段且连接于所述第二节段的第二定位传动件。

11.如权利要求10所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第一定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第一节段相对于所述基座位移，所述第二定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第二节段相对于所述第一节段转动，以将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动。

12.如权利要求1所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述支承臂包括第一节段、可转动地连接于所述第一节段的第二节段及可转动地连接于所述第二节段的第三节段，所述支承臂的第一端位于所述第一节段的尾端，所述支承臂的第二端位于所述第三节段的首端，所述定位传动件包括固定于所述第一节段的第一定位传动件、穿过所述第一节段且连接于所述第二节段的第二定位传动件及穿过所述第一节段及所述第二节段且连接于所述第三节段的第三定位传动件。

13.如权利要求12所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第一定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第一节段相对于所述基座位移，所述第二定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第二节段相对于所述第一节段转动，所述第三定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第三节段相对于所述第二节段转动，以将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动。

14.如权利要求13所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第二节段相对于所述第一节段沿第一方向转动，所述第三节段相对于所述第二节段沿第二方向转动，所述第二方向与所述第一方向相反。

15.如权利要求1所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述支承臂包括第一节段、可转动地连接于所述第一节段的第二节段、可转动地连接于所述第二节段的第三节段及可转动地连接于所述第三节段的第四节段，所述支承臂的第一端位于所述第一节段的尾端，所述支承臂的第二端位于所述第四节段的首端，所述定位传动件包括固定于所述第一节段的第一定位传动件、穿过所述第一节段且连接于所述第二节段的第二定位传动件、穿过所述第一节段及所述第二节段且连接于所述第三节段的第三定位传动件，以及穿过所述第一节段、所述第二节段及所述第三节段且连接于所述第四节段的第四定位传动件。

16.如权利要求15所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第一定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第一节段相对于所述基座位移，所述第二定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第二节段相对于所述第一节段转动，所述第三定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第三节段相对于所述第二节段转动，所述第四定位传动件相对于所述基座的位移带动所述第四节段相对于所述第三节段转动，以将所述执行件从所述初始位置向所述预设位置移动。

17.如权利要求16所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第二节段相对于所述第一节段沿第一方向转动，所述第三节段相对于所述第二节段沿第二方向转动，所述第四节段相对于所述第三节段沿第二方向转动，所述第二方向与所述第一方向相反。

18.如权利要求1所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述执行件包括可移动地连接于所述支承臂第二端的夹钳座及可转动地连接于所述夹钳座的一对夹钳爪，所述操作传动件包括连接于所述夹钳座的第一操作传动件及连接于所述一对夹钳爪的第二操作传动件。

19.如权利要求18所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第一操作传动件相对于所述支承臂的位移带动所述夹钳座相对于所述支承臂位移。

20.如权利要求18所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述第二操作传动件相对于所述夹钳座的位移带动所述一对夹钳爪相对于所述夹钳座转动，使得所述一对夹钳爪张开及闭合。

21.如权利要求18所述的手术机器人操控装置，其特征在于，所述手术机器人操控装置还包括附接于所述一对夹钳爪的应变片。

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