CN113040917A - 一种用于自然腔道的同心管手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自然腔道的同心管手术机器人，包括丝杠，丝杠依次穿过第一载板、第二载板后其前端与第三载板固定连接，第一载板与外部框架固定，第二载板及第三载板与设置在外部框架的导向件滑动连接，第一载板的前侧面设有与丝杠连接的第一驱动机构，第二载板的前、后侧面分别设有第二驱动机构及第三驱动机构，第二驱动机构与丝杠连接，第三驱动机构与内管连接，第三载板设有与外管连接的第四驱动机构，内管穿过外管并伸出至外管外部，本发明的机器人体积小。

Description

一种用于自然腔道的同心管手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种用于自然腔道的同心管手术机器人。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着医疗技术迅猛发展，手术微创化成为外科临床手术中的重要发展阶段。它一种创伤小，疼痛小，恢复快的手术方法，越来越得到病人和医护人员的青睐。手术微创化的目的是以极小的伤口仍能达到传统手术的水准与品质，减小伤口的大小，可以缓解患者痛楚，并加速术后复原。并且随着材料学、传感器、计算机技术以及机器人控制理论等新兴产业的迅速发展，更加稳定、精确以及操作性能全面的医疗机器人成为微创手术发展的必然趋势。

传统的刚性手术机器人具有体积较大且较为坚硬的缺点,在与身体内重要的器官、组织和血管相接触接触时，容易造成损伤。

与传统的刚性手术机器人和手术器械相比较,柔性手术机器人具有灵活和紧凑的优点,因此开始广泛应用在微创手术中。在这些柔性手术机器人中,同心管机器人作为一种新型的微创手术机器人逐渐引起了国内外研究人员的注意。

同心管机器人一般由一系列直径不同的预弯曲的管套在一起所组成。每一个组成管都有两个自由度,可以前后伸缩和旋转。同心管机器人具有可以沿着身体中三维曲线导航的能力并且同心管机器人可以将手术器械通过管的空腔固定在管的前端，手术师可以在另一-端操纵手术器械。与传统的直的刚性手术器械相比较,这种柔性机器人具有实时改变形状的能力,所以可以避免与身体内重要的器官、组织和血管相接触。除此之外,同心管机器人与线驱动柔性机器人以及导管机器人不同的地方是,同心管柔性机器人还具有将在末端施加的力传递到前段的手术器械处的能力，并且其操作臂体积相对其他柔性机器人来说更小，可以进入更加狭窄的腔道中。这些优点使同心管柔性机器人在微创手术领域有着独特的优势。同心管柔性机器人已经被提出可应用于心内手术,泌尿手术和神经外科手术。

目前公开了专利CN107753109A，名称为“同心管机器人装置及其控制方法”，用于自然腔道内窥镜手术。发明人发现，由于此专利采用多臂设计且驱动采用线性串接的方式，导致驱动部分体积偏大，且多臂串联排布导致靠后的同心管长度较长，影响同心管传动精度。同时受限于多臂机构活动板的设计，此专利同心管操作臂的运动范围较小。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种用于自然腔道的同心管手术机器人，驱动部分体积小，成本低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种用于自然腔道的同心管手术机器人，包括丝杠，丝杠依次穿过第一载板、第二载板后其前端与第三载板固定连接，第一载板与外部框架固定，第二载板及第三载板与设置在外部框架的导向件滑动连接，第一载板的前侧面设有与丝杠连接的第一驱动机构，第二载板的前、后侧面分别设有第二驱动机构及第三驱动机构，第二驱动机构与丝杠连接，第三驱动机构与内管连接，第三载板设有与外管连接的第四驱动机构，内管穿过外管并伸出至外管外部。

进一步的，所述第一驱动机构包括固定在第一载板的第一驱动件，所述第一驱动件通过第一传动机构与第一丝杠螺母连接，所述第一丝杠螺母与丝杠螺纹连接。

进一步的，所述第二驱动机构包括固定在第二载板顶部的第二驱动件，所述第二驱动件通过位于第二载板前侧的第二传动机构与第二丝杠螺母连接，第二丝杠螺母与丝杠螺纹连接。

进一步的，所述第三驱动机构包括固定在第二载板底部的第三驱动件，所述第三驱动件通过位于第二载板后侧的第三传动机构与内管连接。

进一步的，所述第四驱动机构包括固定在第三载板底部的第四驱动件，所述第四驱动件通过位于第三载板前侧的第四传动机构与外管连接。

进一步的，所述外部框架的固定有鞘管，所述外管穿过鞘管并伸出至鞘管外部。

进一步的，所述外管和内管均为预弯曲的超弹性管。

进一步的，所述外管和内管采用不锈钢或镍钛记忆合金材质制成。

进一步的，所述导向件采用固定在外部框架的光杆和导轨，所述第二载板、第三载板与光杆和导轨滑动连接。

进一步的，所述光杆穿过第一载板、第二载板及第三载板，光杆两端与外部框架固定连接，所述第二载板及第三载板底面和两侧面均设有滑块，所述滑块与设置在外部框架的导轨滑动连接。

本发明的有益效果：

1.本发明的同心管手术机器人，第二驱动机构和第三驱动机构设置在第二载板的前后侧面，采用双面布置，使得需要的第二载板的设计体积大大减小，进而达到了减小整个同心管机器人驱动部分体积的目的，体积相对于现有同心管机器人装置减小了大约一半。

2.本发明的同心管手术机器人，通过丝杠和第一驱动机构带动外管和内管整体做直线运动，通过第二驱动机构使得内管能够单独做直线运动，已达到外管相对静止，外管和内管做相对线性运动的目的，且共用一根丝杠，处于同一轴线上，三块载板块下部由一根光杆串联，两边与底部都装有直线导轨限制轨迹，在将结构尽量简化的同时，由于结构组合的更加紧凑与体积缩小，使得直线传动更加稳定。

3.本发明的同心管手术机器人，只有一根丝杠，采用载板不同固定运动的方式，使得丝杠的活动区间利用率提升，增加了运动范围。

4.本发明的同心管手术机器人，相较于多臂串联排布的方式，驱动部分长度更小，改善了同心管的受力情况，提高了同心管的传动精度。

附图说明

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

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1驱动系统结构示意图；

图3为本发明实施例1第一载板与第一驱动机构装配示意图；

图4为本发明实施例1第二载板与第二驱动机构装配示意图；

图5为本发明实施例1第二载板与第三驱动机构装配示意图；

图6为本发明实施例1第三载板与第四驱动机构装配示意图；

图7为本发明实施例1同心管装配示意图；

其中，1.前固定板，2.后固定板，3.角钢，4.丝杠，5.第一载板，6.第二载板，7.第三载板，8.光杆，9.导轨，10.第一电机，11.第一丝杠螺母，12.第一主动带轮，13.第一从动带轮，14.第一同步带，15.第二电机，16.第二主动带轮， 17.第二从动带轮，18.第二同步带，19.第二丝杠螺母，20.第三电机，21.第三主动带轮，22.第三从动带轮，23.第三同步带，24.内管，25.第四电机，26.第四主动带轮，27.第四从动带轮，28.第四同步带，29.外管，30.鞘管。

具体实施方式

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

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

正如背景技术所介绍的，现有的同心管手术机器人驱动机构体积大，针对上述问题，本申请提出了一种用于自然腔道的同心管手术机器人。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，定义同心管所在的一侧为前侧，另一侧为后侧，如图1-图7所示，一种用于自然腔道的同心管手术机器人，包括外部框架，所述外部框架包括平行设置的前固定板1和后固定板2，所述前固定板和后固定板的四个角处之间固定有连接件，连接件的两端分别与前固定板和后固定板固定连接，优选的，所述连接件采用角钢3，角钢两端与前固定板和后固定板固定连接。

所述外部框架内部设置有丝杠4，所述丝杠依次穿过第一载板5、第二载板6 后与第三载板7固定连接，所述第三载板位于外部框架内的前部，第一载板位于外部框架内的后部。

所述第二载板及第三载板通过导向件与外部框架滑动连接，所述导向件包括光杆8和导轨9，所述光杆和导轨与第二载板和第三载板滑动连接，优选的，所述光杆设置在外部框架内的底部，所述光杆两端分别与前固定板和后固定板固定连接，所述导轨设置三个，前固定板和后固定板的底部之间设置一条导轨，前固定板和后固定板的两个侧部之间分别设置一条导轨。

所述光杆穿过第二载板和第三载板，并且与第二载板和第三载板滑动连接，所述第二载板和第三载板的底面和两个侧面均设置有滑块，所述滑块形状与导轨相匹配，第二载板和第三载板通过滑块与导轨滑动连接。

所述第一载板与光杆及导轨固定连接，实现了第一载板与外部框架的固定连接。

所述第一载板上设置有第一驱动机构，所述第一驱动机构与丝杠连接，能够带动丝杠沿其自身轴线方向做直线运动。

所述第一驱动机构包括第一驱动件，优选的，所述第一驱动件采用第一电机 10，所述第一电机固定在第一载板的顶部，所述第一电机的输出轴通过第一传动机构与第一丝杠螺母11连接，所述第一丝杠螺母与丝杠螺纹连接，第一电机能够通过第一传动机构带动第一丝杠螺母转动，由于丝杠与第三载板固定连接，无法转动，因此在第一丝杠螺母的作用下，丝杠能够做沿其轴线方向的运动。

优选的，所述第一传动机构采用皮带传动机构，第一传动机构设置在第一载板的前侧，包括与第一电机输出轴固定连接的第一主动带轮12、与第一丝杠螺母固定连接的第一从动带轮13及绕接在第一主动带轮和第一从动带轮之间的第一同步带14。

所述第二载板的前、后侧面分别设置有第二驱动机构及第三驱动机构。使得需要的第二载板的设计体积大大减小，进而达到了减小整个同心管机器人驱动部分体积的目的，体积相对于现有同心管机器人装置减小了大约一半。

所述第二驱动机构包括固定在第二载板顶面的第二驱动件，优选的，所述第二驱动件采用第二电机15，所述第二电机的输出轴通过第二传动机构与第二丝杠螺母连接，所述第二丝杠螺母与丝杠螺纹连接。

所述第二传动机构设置在第二载板的前侧，优选的，所述第二传动机构采用皮带传动机构，包括与第二电机输出轴固定连接的第二主动带轮16、与第二丝杠螺母固定连接的第二从动带轮17，所述第二主动带轮和第二从动带轮之间绕接有第二同步带18，所述第二丝杠螺母19通过轴承与第二载板连接，第二电机能够带动第二丝杠螺母转动，由于丝杠无法转动，所以在第二丝杠螺母的作用下，第二丝杠螺母能够带动第二载板沿丝杠轴线方向运动。

所述第三传动机构包括固定在第二载板底部的第三驱动件，优选的，所述第三驱动件采用第三电机20，所述第三电机的轴线与第二电机轴线在同一个竖向平面内，所述第三电机的输出轴通过第三传动机构与内管连接，能够带动内管的转动。

优选的，所述第三传动机构采用皮带传动机构，包括与第三电机输出轴固定连接的第三主动带轮21、通过带轮轴与第二载板转动连接的第三从动带轮22，所述第三主动带轮和第三从动带轮之间绕接有第三同步带23。所述第三从动带轮与内管24的一端固定连接，内管的另一端通过穿过第二载板并通过第二主动带轮和第二从动带轮之间的空间穿出。

所述第三载板安装有第四驱动机构，所述第四驱动机构包括固定在第三载板底部的第四驱动件，优选的，所述第四驱动件采用第四电机25，所述第四电机的输出轴通过第四传动机构与外管连接，能够带动外管的转动。

优选的，所述第四传动机构采用皮带传动机构，设置在第三载板的前侧，包括与第四电机输出轴固定连接的第四主动带轮26、通过带轮轴与第三载板转动连接的第四从动带轮27及绕接在第四主动带轮和第四从动带轮之间的第四同步带 28。

所述第四从动带轮与外管29固定连接，能够带动外管的转动，所述第四从动带轮与第三从动带轮同轴设置，使得内管能够依次穿过第三载板、第四从动带轮和外管后并伸出至外管外部。

丝杠、第一载板、第二载板、第三载板、第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构、第四驱动机构共同构成了外管和内管的驱动系统。

本实施例中，所述外管和内管相互嵌套连接，外管套在内管外部，所述外管和内管采用预弯曲的超弹性管，优选的，所述外管和内管采用不锈钢或镍铁记忆合金或高分子材料制成，可以理解的是，本领域技术人员可根据实际需要设置外管和内管的材料。

外管和内管的具体设计参数,例如管的直径、长度和预弯曲率,可以由本领域技术人根据需要,例如针对不同的手术任务来进行设计。

所述前固定板的前侧面设置有鞘管30，外管穿过鞘管并伸出纸鞘管外部，使得外管和内管构成的同心管的动作受鞘管的限制。

本实施例的同心管手术机器人工作时，在内管的末端安装手术需要的手术器械，例如手术专用剪刀或镊子或灼烧装置等，用于实现不同的手术操作，当需要对手术器械的位置或姿态进行调节时，第一电机动作，能够带动丝杠沿其轴线方向运动，进而带动第二载板和第三载板沿丝杠轴线方向运动，从而带动外管和内管沿丝杠轴线方向运动，第二电机工作，能够使得第二载板沿丝杠轴线方向运动，使得外管和内管产生相对线性运动，调节内管的姿态，第三电机能够带动外管转动，第四电机能够带动内管转动，手术人员根据需要调控四个电机的工作，进而使得手术器械精准的到达手术目标部位。

本实施例的手术机器人，通过丝杠和第一驱动机构带动外管和内管整体做直线运动，通过第二驱动机构使得内管能够单独做直线运动，已达到外管相对静止，外管和内管做相对线性运动的目的，且共用一根丝杠，处于同一轴线上，三块载板块下部由一根光杆串联，两边与底部都装有直线导轨限制轨迹，在将结构尽量简化的同时，由于结构组合的更加紧凑与体积缩小，使得直线传动更加稳定且只有一根丝杠，采用载板不同固定运动的方式，使得丝杠的活动区间利用率提升，增加了运动范围。

本实施例的手术机器人相较于多臂串联排布的方式，驱动部分长度更小，改善了同心管的受力情况，提高了同心管的传动精度。

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 (10)

1.一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，包括丝杠，丝杠依次穿过第一载板、第二载板后其前端与第三载板固定连接，第一载板与外部框架固定，第二载板及第三载板与设置在外部框架的导向件滑动连接，第一载板的前侧面设有与丝杠连接的第一驱动机构，第二载板的前、后侧面分别设有第二驱动机构及第三驱动机构，第二驱动机构与丝杠连接，第三驱动机构与内管连接，第三载板设有与外管连接的第四驱动机构，内管穿过外管并伸出至外管外部。

2.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述第一驱动机构包括固定在第一载板的第一驱动件，所述第一驱动件通过第一传动机构与第一丝杠螺母连接，所述第一丝杠螺母与丝杠螺纹连接。

3.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述第二驱动机构包括固定在第二载板顶部的第二驱动件，所述第二驱动件通过位于第二载板前侧的第二传动机构与第二丝杠螺母连接，第二丝杠螺母与丝杠螺纹连接。

4.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述第三驱动机构包括固定在第二载板底部的第三驱动件，所述第三驱动件通过位于第二载板后侧的第三传动机构与内管连接。

5.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述第四驱动机构包括固定在第三载板底部的第四驱动件，所述第四驱动件通过位于第三载板前侧的第四传动机构与外管连接。

6.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述外部框架的固定有鞘管，所述外管穿过鞘管并伸出至鞘管外部。

7.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述外管和内管均为预弯曲的超弹性管。

8.如权利要求7所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述外管和内管采用不锈钢或镍钛记忆合金材质制成。

9.如权利要求1所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述导向件采用固定在外部框架的光杆和导轨，所述第二载板、第三载板与光杆和导轨滑动连接。

10.如权利要求9所述的一种用于自然腔道的同心管手术机器人，其特征在于，所述光杆穿过第一载板、第二载板及第三载板，光杆两端与外部框架固定连接，所述第二载板及第三载板底面和两侧面均设有滑块，所述滑块与设置在外部框架的导轨滑动连接。

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