CN112971992B - 一种手持式手术机器人及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手持式手术机器人及方法，包括手持端外壳，手持端外壳内部安装线驱动操作装置和齿轮传动操作装置，手持端外壳的一端通过刚性管连接末端执行器，末端执行器远离手持端外壳的一端具有偏摆机构和夹持机构；线驱动操作装置包括偏摆操作装置和夹持操作装置。集成化程度较高，主从一体，质量轻，功能的实现均可由医生单手操作完成；机械结构与电子控制方案合理，避免装置间的干涉，使用者可根据手术需要，进行高难度的手术操作。

Description

一种手持式手术机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体为一种手持式手术机器人及工作方法。

背景技术

微创手术指外科医生在病人体表切开2-4个5-10mm的小切口，把手术器械通过患者微小切口伸入到人体内部，借助于视觉监控设备和灵巧的手术器械，让手术器械作为直接的执行工具对病灶部位进行诊断或治疗。与开放式手术相比，微创手术具有创伤小、疼痛轻、康复快、住院时间短和术后并发症少等优点。

与传统的人工微创手术相比，微创手术机器人作为诸多医疗机器人的一种，它可以协助医生完成手术部位的精确定位，减轻医生的劳动强度，提高手术治疗的精度与质量，缩短治疗时间，其作为发展中的新型产业，有着不可估量的广阔市场前景。微创手术机器人有效地拓展了手术医生的能力，目前已成为研究热点。微创手术器械的机械结构、传动方式等方面的设计合理性，将直接影响其适用性、灵活性、操作性、控制精确性等性能及手术效果。

在传统的腹腔镜微创手术过程中，手持式手术器械通过患者腹腔上的切口插入患者腹腔内，于是在切口处由于支点效应，医生的手部运动与通过腹腔镜传输给屏幕显示的腹腔内手术器械的运动不一致，使得手术器械与医生的操作之间存在运动误差，影响手术效果，且由于多种手持式手术器械的同时使用，容易造成器械之间的干涉。同时为了在手术操作中获得相应的角度或者进行相关旋转操作，常常需要大幅度移动手术器械来实现，容易对病人造成二次伤害，例如组织血管撕裂出血、周围组织损伤等，从而违背原本微创手术的目的。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种手持式手术机器人和工作方法，在控制手柄上集成三种功能，可以完成器械末端执行器的转动、偏摆和夹持机构的自由开合，进而支持微创手术的操作，使末端夹持机构在受限的手术空间内完成多种精确的手术操作。

本发明的第一个方面提供一种手持式手术机器人，包括：手持端外壳，手持端外壳内部安装线驱动操作装置和齿轮传动操作装置，手持端外壳的一端通过刚性管连接末端执行器，末端执行器远离手持端外壳的一端具有偏摆机构和夹持机构。

线驱动操作装置包括偏摆操作装置和夹持操作装置；

偏摆操作装置包括，位于外壳握把内部的偏摆驱动机构，偏摆驱动机构连接驱动线，驱动线进入刚性管，位于外壳握把顶部具有两个偏摆控制按键，通过偏摆控制按键控制偏摆驱动机构中的电机正、反转，实现偏摆机构的偏摆运动。

夹持操作装置包括，与齿轮连接的扳机，扳机将转动的角度信号通过齿轮传递给夹持角度传感器，扳机利用角度信号控制夹持绕线轴旋转设定角度，实现夹持机构的开合。

齿轮传动操作装置包括，自转控制柔轮，自转控制柔轮带动蜗轮蜗杆机构将角度信号传递给柔轮角度传感器，通过自转驱动机构带动传动齿轮实现刚性管的自转。

导轮架位于偏摆绕线轴和刚性管之间，其上设有上下两对导线轮，分别用于引导偏摆驱动线和夹持驱动线进入刚性管。

手持端外壳包括对称连接的左壳体和右壳体，左壳体和右壳体组成的空间内装入线驱动操作装置和齿轮传动操作装置。

手持端外壳包括连接在一起的握把、壳体和凸台，握把与壳体连接处设有凹槽，握把前部设有扳机，握把底端设有线路孔，左壳体设有电机架，右壳体设有传感器支架，左、右壳体内部各设有位置相对应的凸台，壳体尾部设有按键槽。

偏摆驱动机构包括，偏摆驱动电机的输出轴连接偏摆减速器，偏摆驱动电机的输入端连接偏摆编码器。

夹持操作装置还具有位于外壳握把内部的夹持驱动机构，提供夹持操作的动力。

自转驱动机构位于壳体内部，包括连接在一起的自转编码器、自转驱动电机和自转减速器。

末端执行器包括，与连接架连接的偏摆机构以及用于持针的夹持机构，连接架一端与刚性管嵌合，另一端设有偏摆转动轴，偏摆机构绕偏摆转动轴转动，实现夹持机构的偏摆运动。

夹持机构包括，夹持转动轴和连接在该轴上的固定爪及活动爪，固定爪与偏摆机构固连，活动爪通过夹持转动轴与偏摆机构相连，夹持驱动线带动活动爪实现开合运动。

本发明的第二个方面提供一种手持式手术机器人的工作方法，基于上述机器人的结构提出，包括以下步骤：

按压偏摆控制按键，外部控制器获取信号，控制偏摆驱动电机旋转，带动偏摆绕线轴收线和放线；偏摆驱动线带动偏摆机构绕轴转动，实现末端执行器的偏摆；按压左按键时末端执行器向一侧持续偏摆，松开后停止偏摆，按压右按键时则向对侧偏摆；

拨动自转控制柔轮，通过蜗轮蜗杆机构将转动信号传递给柔轮角度传感器，进而传递给外部控制器，控制自转驱动电机的正反转，通过齿轮传动使刚性管自转；

扳动扳机带动齿轮，将转动角度信号传递给夹持角度传感器，通过外部控制器控制夹持驱动电机旋转，利用夹持驱动线带动夹持机构活动爪的开合运动。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、集成化程度较高，主从一体，质量轻，功能的实现均可由医生单手操作完成；机械结构与电子控制方案合理，避免装置间的干涉，使用者可根据手术需要，进行高难度的手术操作。

2、使用者可单手完成上述操作，同时可以人工进行刚性管3-8轴向的进给，完成微细的手术操作。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图2(a)是本发明一个或多个实施例提供的左壳体结构示意图；

图2(b)是本发明一个或多个实施例提供的左壳体结构示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的安装线驱动操作装置的左壳体结构示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的安装线驱动操作装置的右壳体结构示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的齿轮传动操作装置结构示意图；

图6(a)是本发明一个或多个实施例提供的末端执行器结构示意图；

图6(b)是本发明一个或多个实施例提供的夹持机构固定爪结构示意图；

图中：

1手持端外壳；1-1握把；1-2壳体；1-3凸台；1-1-1凹槽；1-1-2线路孔；1-2-1电机架；1-2-2传感器支架；1-2-3按键槽；

2线驱动操作装置；2-1偏摆操作装置；2-2夹持操作装置；2-3导轮架；2-1-1偏摆控制按键；2-1-2偏摆编码器；2-1-3偏摆驱动电机；2-1-4偏摆减速器；2-1-5偏摆绕线轴；2-2-1扳机；2-2-2复位弹簧；2-2-3夹持角度传感器；2-2-4夹持驱动机构；2-2-5夹持绕线轴；

3齿轮传动操作装置；3-1自转控制柔轮；3-2蜗轮蜗杆机构；3-3柔轮角度传感器；3-4自转编码器；3-5自转驱动电机；3-6自转减速器；3-7传动齿轮；3-8刚性管；3-9定位轴套；3-1-1柔性轮；3-1-2刚性轮；3-1-3传动轴；3-7-1主动齿轮；3-7-2从动齿轮；

4末端执行器；4-1连接架；4-2偏摆机构；4-3夹持机构；4-2-1偏摆转动轴；4-2-2夹持导线轮；4-3-1夹持转动轴；4-3-2固定爪；4-3-3活动爪。

具体实施方式

以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一：

如图1-6所示，一种手持式手术机器人，包括手持端外壳1，手持端外壳1内部安装线驱动操作装置2和齿轮传动操作装置3，手持端外壳1的一端通过刚性管3-8连接末端执行器4，末端执行器4远离手持端外壳1的一端具有偏摆机构4-2和夹持机构4-3。

手持端外壳1分为对称连接的左壳体和右壳体两部分，左壳体和右壳体组成的空间内装入线驱动操作装置2和齿轮传动操作装置3。

手持端外壳1包括连接在一起的握把1-1、壳体1-2和凸台1-3，握把1-1与壳体1-2连接处设有用于放置柔轮的凹槽1-1-1，握把底端设有线路孔1-1-2，左壳体设有电机架1-2-1，右壳体设有传感器支架1-2-2，左、右壳体内部各设有4个位置相对应的凸台1-3用于安装定位，壳体尾部设有按键槽1-2-3。

控制夹持机构4-3开合的扳机2-2-1位于外壳握把1-1前部的凹槽处。握把1-1与壳体1-2连接处设有用于放置柔轮的凹槽1-1-1，使用者可利用食指拨动自转控制柔轮3-1。

手持端外壳1的尺寸设计允许使用者舒适地握住和操作该设备，避免因长时间抓握而产生静肌负荷的现象。例如握把1-1部分的厚度约为35mm，长度约为100mm，握把用于托住人手虎口处的角度设置为45度。

手持端外壳1内部所有线路通过握把底部的线路孔1-1-2穿出，与外部控制器和电源相连，从而实现手持式手术机器人轻量化设计的要求。

线驱动操作装置2位于手持端外壳1内部，包括偏摆操作装置2-1、夹持操作装置2-2以及导轮架2-3。

偏摆操作装置2-1包括偏摆控制按键2-1-1、偏摆编码器2-1-2、偏摆驱动电机2-1-3、偏摆减速器2-1-4、偏摆绕线轴2-1-5和偏摆驱动线。偏摆控制按键2-1-1分为左右两个，位于外壳握把1-1顶部。

偏摆驱动电机2-1-3的输出轴连接偏摆减速器2-1-4，偏摆驱动电机2-1-3的后端连接偏摆编码器2-1-2，共同形成偏摆驱动机构。偏摆驱动机构位于外壳握把1-1内部，偏摆驱动机构连接驱动线，驱动线进入刚性管3-8。

电机编码器2-1-2用于采集电机2-1-3转的圈数，便于控制器控制电机的启停。偏摆减速器2-1-4的输出轴和偏摆绕线轴2-1-5相连。偏摆绕线轴2-1-5上绕有一条偏摆驱动线。通过按压两个偏摆控制按键2-1-1控制偏摆驱动电机2-1-3的正、反转，经偏摆减速器2-1-4减速后带动偏摆绕线轴2-1-5的转动，实现偏摆驱动线的收线和放线。

夹持操作装置2-2包括扳机2-2-1、复位弹簧2-2-2、夹持角度传感器2-2-3、夹持驱动机构2-2-4、夹持绕线轴2-2-5。

使用者按压扳机2-2-1至一定角度，按压扳机2-2-1带动齿轮旋转，将转动角度的信号传递给夹持角度传感器2-2-3，从而利用控制器控制夹持绕线轴2-2-5旋转一定角度，实现夹持驱动线的收线和放线。

扳机2-2-1用于控制末端执行器4中夹持机构4-3的开合，复位弹簧2-2-2用于扳机2-2-1按压后的复位。

夹持驱动机构2-2-4提供夹持操作的动力且位于外壳握把1-1内部。

导轮架2-3位于偏摆绕线轴2-1-5和刚性管3-8之间，其上设有上下两对导线轮，分别用于引导偏摆驱动线和夹持驱动线进入刚性管3-8。

齿轮传动操作装置3包括自转控制柔轮3-1、蜗轮蜗杆机构3-2、柔轮角度传感器3-3、自转驱动机构、传动齿轮3-7、刚性管3-8、定位轴套3-9。

自转控制柔轮3-1包括柔性轮3-1-1、刚性轮3-1-2、传动轴3-1-3三个基本构件，柔性轮3-1-1套在刚性轮3-1-2外面，并与传动轴3-1-3相连。

通过拨动柔性轮3-1-1，使它产生可控弹性变形，从而通过刚性轮3-1-2带动传动轴3-1-3转动一定角度，通过蜗轮蜗杆机构3-2将角度信号传递给柔轮角度传感器3-3，进而传递给外部控制器。

自转驱动机构包括，连接在一起的自转编码器3-4、自转驱动电机3-5和自转减速器3-6，且位于壳体1-2内部。自转减速器3-6的输出轴设有主动齿轮3-7-1，主动齿轮3-7-1与刚性管3-8末端上的从动齿轮3-7-2啮合，驱动刚性管3-8的自转。

刚性管3-8内部中空，作为偏摆驱动线和夹持驱动线的通道。靠近壳体1-2的一端通过2个定位轴套3-9固定在壳体1-2上，具有一定的承载能力，末端设有从动齿轮3-7-2；靠近末端执行器一端与连接架4-1相连。

末端执行器4包括，与连接架4-1连接的偏摆机构4-2以及用于持针的夹持机构4-3。

连接架4-1一端的凸台结构与刚性管3-8嵌合，另一端设有偏摆转动轴4-2-1，偏摆机构4-2绕偏摆转动轴4-2-1转动，从而实现夹持机构4-3的偏摆运动。

刚性管3-8朝向偏摆操作装置2-1的一端设有月牙槽，偏摆驱动线的两端固连在月牙槽上，通过控制偏摆绕线轴2-1-5的正反转，实现偏摆驱动线的收线和放线，进而带动偏摆机构4-2绕轴旋转，最终实现末端执行器4的偏摆运动；两侧设有4个夹持导线轮4-2-2，用于引导夹持驱动线在夹持机构4-3和刚性管3-8之间的穿入穿出。

连接架4-1内部设有四个通孔，用于限制偏摆驱动线和夹持驱动线的运动方向，避免发生打结。

用于持针的夹持机构4-3包括夹持转动轴4-3-1和连接在该轴上的固定爪4-3-2及活动爪4-3-3，固定爪4-3-2与偏摆机构4-2固连。活动爪4-3-3通过夹持转动轴4-3-1与偏摆机构4-2相连，末端设有线槽，夹持驱动线两端均与线槽固定，可带动活动爪4-3-3实现开合运动。

上述结构集成化程度较高，主从一体，质量轻，功能的实现均可由医生单手操作完成；机械结构与电子控制方案合理，避免装置间的干涉，使用者可根据手术需要，进行高难度的手术操作。

实施例二:

一种手持式手术机器人的工作方法，上述实施例中的机器人工作过程如下：

拇指按压偏摆控制按键2-1-1，外部控制器获取信号，控制偏摆驱动电机2-1-3旋转，通过联轴器带动偏摆绕线轴2-1-5收线和放线。偏摆驱动线与偏摆机构4-2上的月牙槽固连，带动偏摆机构4-2绕轴转动，实现末端执行器4的偏摆。按压左按键时末端执行器向一侧持续偏摆，松开后停止偏摆，按压右按键时则向对侧偏摆。

食指拨动自转控制柔轮3-1，通过蜗轮蜗杆机构3-2将信号传递给柔轮角度传感器3-3，进而传递给外部控制器，控制自转驱动电机3-5的正反转，最终通过齿轮传动3-7使刚性管3-8自转。

其余3个手指扳动扳机2-2-1，通过齿轮将信号传递给夹持角度传感器2-2-3，通过外部控制器控制夹持驱动电机旋转，利用夹持驱动线带动夹持机构活动爪4-3-3的开合运动。

上述驱动电机均通过电机前端的行星减速器进行减速，后端编码器采集电机转的圈数，进而控制电机启停。

使用者可单手完成上述操作，同时可以人工进行刚性管3-8轴向的进给，完成微细的手术操作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种手持式手术机器人，其特征在于：包括手持端外壳，手持端外壳内部安装线驱动操作装置和齿轮传动操作装置，手持端外壳的一端通过刚性管连接末端执行器，末端执行器远离手持端外壳的一端具有偏摆机构和夹持机构；线驱动操作装置包括偏摆操作装置和夹持操作装置；

偏摆操作装置包括，位于外壳握把内部的偏摆驱动机构，偏摆驱动机构连接驱动线，驱动线进入刚性管，位于外壳握把顶部具有两个偏摆控制按键，通过偏摆控制按键控制偏摆驱动机构中的电机正、反转，带动驱动线实现偏摆机构的偏摆运动；偏摆驱动机构包括，偏摆驱动电机的输出轴连接偏摆减速器，偏摆驱动电机的输入端连接偏摆编码器；偏摆控制按键控制偏摆驱动电机旋转，带动偏摆绕线轴收线和放线，偏摆驱动线带动偏摆机构绕轴转动，实现末端执行器的偏摆；

夹持操作装置包括，与齿轮连接的扳机，扳机将转动的角度信号通过齿轮传递给夹持角度传感器控制夹持驱动电机旋转，扳机利用角度信号控制夹持绕线轴旋转设定角度，利用夹持驱动线带动夹持机构活动爪实现开合运动；

齿轮传动操作装置包括自转控制柔轮，自转控制柔轮带动蜗轮蜗杆机构将角度信号传递给柔轮角度传感器，通过自转驱动机构带动传动齿轮实现刚性管的自转；自转驱动机构位于壳体内部，包括连接在一起的自转编码器、自转驱动电机和自转减速器；自转控制柔轮通过蜗轮蜗杆机构将转动信号传递给柔轮角度传感器，控制自转驱动电机的正反转，通过齿轮传动使刚性管自转。

2.如权利要求1所述的一种手持式手术机器人，其特征在于：还具有导轮架，导轮架位于偏摆绕线轴和刚性管之间，其上设有两对导线轮，分别用于引导偏摆驱动线和夹持驱动线进入刚性管。

3.如权利要求1所述的一种手持式手术机器人，其特征在于：所述手持端外壳包括对称连接的左壳体和右壳体，左壳体和右壳体组成的空间内装入线驱动操作装置和齿轮传动操作装置。

4.如权利要求1所述的一种手持式手术机器人，其特征在于：所述手持端外壳包括连接在一起的握把、壳体和凸台，握把与壳体连接处设有凹槽，握把前部设有扳机，握把底端设有线路孔，左壳体设有电机架，右壳体设有传感器支架，左、右壳体内部各设有位置相对应的凸台，壳体尾部设有按键槽。

5.如权利要求1所述的一种手持式手术机器人，其特征在于：所述夹持操作装置还具有位于外壳握把内部的夹持驱动机构，提供夹持操作的动力。

6.如权利要求1所述的一种手持式手术机器人，其特征在于：所述末端执行器包括，与连接架连接的偏摆机构以及用于持针的夹持机构，连接架一端与刚性管配合连接，另一端设有偏摆转动轴，偏摆机构绕偏摆转动轴转动，实现夹持机构的偏摆运动。

7.如权利要求1所述的一种手持式手术机器人，其特征在于：所述夹持机构包括，夹持转动轴和连接在该轴上的固定爪及活动爪，固定爪与偏摆机构固连，活动爪通过夹持转动轴与偏摆机构相连，夹持驱动线带动活动爪实现开合运动。

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