CN113081475A - 主从式眼内手术机器人主操作器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及手术器械技术领域,尤其是涉及一种主从式眼内手术机器人主操作器包括第一关节机构、第二关节机构以及末端操作部;第一关节机构包括箱体及支撑板;箱体与支撑板之间转动连接,且箱体被配置为相对于支撑板绕第一轴线转动;第二关节机构安装于箱体上,第二关节机构包括直线进给组件,直线进给组件被配置为相对于箱体绕第二轴线转动;末端操作部被配置为沿直线进给组件所限定的第一方向作直线运动,末端操作部还被配置为绕第三轴线转动,第三轴线与末端操作部的轴向相平行,且第一轴线、第二轴线和第三轴线两两垂直。本公开的主操作器包括第一关节机构、第二关节机构以及末端操作部,其结构相对紧凑,有利于减小整体的占用空间。
Description
技术领域
本公开涉及手术器械技术领域,尤其是涉及一种主从式眼内手术机器人主操作器。
背景技术
眼内显微手术包括视网膜注药、膜下注射、黄斑膜剥离、撕囊等。这些手术都需要器械通过巩膜进入眼内操作。眼内显微手术操作起来比传统的开放手术困难许多,因为手术器械通常比较细长,没有直观的力反馈,且手术空间极其有限。而且医生的生理性颤抖会导致操作精度的下降,从而增加意外发生的风险。
机器人辅助微创手术则可以弥补这些缺点,主从式手术机器人能滤除医生的手部颤抖,给医生提供直观的工作环境从而提高手术的成功率,使手术更安全,更有效。从执行器在眼内,既受到手术进入口的约束,又被限制在眼内显微空间中。这极大地限制了医生的操作能力,或由于医生受到生理限制,造成操作困难,所以需要引入主操作器,主操作器是主从式眼科手术机器人系统中的重要组成,机器人辅助眼科手术中,医生通过主操作器操作机器人,完成手术。目前,已有的主操作器多是通用型产品,工作空间、运动方式等与手术的要求存在差异,其体积较大。
发明内容
本公开在于提供一种主从式眼内手术机器人主操作器,其在一定程度上解决目前的主操作器体积较大的技术问题。
本公开提供一种主从式眼内手术机器人主操作器,包括第一关节机构、第二关节机构以及末端操作部;第一关节机构包括箱体及支撑板;所述箱体与所述支撑板之间转动连接,且所述箱体被配置为相对于所述支撑板绕第一轴线转动;所述第二关节机构安装于所述箱体上,所述第二关节机构包括直线进给组件,所述直线进给组件被配置为相对于所述箱体绕第二轴线转动;所述末端操作部被配置为沿所述直线进给组件所限定的第一方向作直线运动,所述末端操作部还被配置为绕第三轴线转动,所述第三轴线与所述末端操作部的轴向相平行,且所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线两两垂直。
本公开的有益效果主要在于:
本公开主操作器包括第一关节机构、第二关节机构以及末端操作部,其结构相对紧凑,有利于减小整体的占用空间。
应当理解,前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时,说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式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,下面描述中的附图是本公开的一些实施方式,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,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例的主从式眼内手术机器人主操作器的结构示意图;
图2为本公开实施例的主从式眼内手术机器人主操作器的主视图;
图3为图2的左视图;
图4为图3中沿A-A线的剖视图;
图5为图2的俯视图;
图6为图5中沿B-B线的剖视图。
图标:
101-支撑板;102-支架;103-背板;104-底板;105-中部通孔;106-腹杆;107-第一转轮;108-第一轮轴;109-第一联动装置;110-第一分体;111-第二分体;112-中空通道;113-轴端挡板;114-同步带;115-第一旋转阻尼器;116-第三转轮;117-第二轮轴;118-第二联动装置;119-第二旋转阻尼器;120-第二转轮;121-第四转轮;122-矩形部;123-测距传感器;124-夹板;125-滑轨;126-滑块;127-固定座;128-圆柱部;129-轴承;130-径向通孔;131-拼合孔;132-螺母;133-末端操作部;134-弹簧垫片;135-油压阻尼器;136-延伸部;137-第三联动装置;138-第二轴承;139-限位板。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本公开一部分实施例,而不是全部的实施例。
基于本公开中的实施例,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,都属于本公开保护的范围。
在本公开的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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公开和简化描述,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公开的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本公开的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
参见图1所示,在一个或一些实施例中,一种主从式眼内手术机器人主操作器,其包括:第一关节机构、第二关节机构和末端操作部133,第一关节机构包括箱体及支撑板101;主操作器还包括支架102、背板103和底板104;背板103固定于底板104上,背板103的板面与底板104的板面之间成直角或锐角等其它角度设置;支架102固定于背板103的板面上,支撑板101与支架102固定连接,且支撑板101还与背板103固定连接。箱体与支撑板101之间转动连接,且箱体被配置为能够相对于支撑板101绕第一轴线转动;第二关节机构安装于箱体上,第二关节机构包括直线进给组件,直线进给组件被配置为能够相对于箱体绕第二轴线转动;末端操作部133被配置为能够沿直线进给组件所限定的第一方向作直线运动,末端操作部133还被配置为能够绕第三轴线转动,第三轴线与末端操作部133的轴向相平行,且第一轴线、第二轴线和第三轴线两两垂直。
参见图1至图6所示,在一个实施例中,支撑板101的数量为两个,两个支撑板101相对间隔设置,背板103通过紧固件固定于底板104上,支架102通过紧固件固定于背板103上,支撑板101通过紧固件分别与支架102和背板103固定连接,紧固件为螺钉或铆钉,通过设置支架102为支撑板101的安装提供定位,以支撑板101的板面能够与背板103的板面相垂直。
在至少一个实施例中,支撑板101可以具有中部通孔105,中部通孔105中设置腹杆106,设置中部通孔105,有利于减少支撑板101的重量,而设置腹杆106在保证支撑板101降低重量的同时,保证支撑板101的强度。
在至少一个实施例中,主从式眼内手术机器人主操作器将第一关节机构、第二关节机构和末端操作部133相组合后,能够实现绕第一轴线的转动、绕第二轴线的转动、沿第一方向的直线运动以及绕第三轴线的转动,从而实现末端操作部133的四个自由度的运动;由于其三者采用非串联的构型,因此主操作器的结构相对紧凑,有利于减小整体的占用空间,并且结构相对简洁。与其它的主操作器的操作方式与从执行器的动作无法一一对应,且主操作器与从执行器运动变换复杂相比,本公开提供的主从式眼内手术机器人主操作器的操作方式类似于医生手持器械在眼内进行操作,实现了主操作器与从执行器的动作一致性,主操作器与从执行器的映射关系相对简单,使得医生的动作能与从执行器一一对应,医生操作具有较高的直观性;与其它的传动复杂的主操作器相比,本公开的提供的主操作器,传动相对较少,从而有利于提高精度,既而对加工装配精度要求较低;与其它主操作器的操作空间与从执行器相比为1:1相比较,本公开的主操作器的运动空间与从执行器相比为2:1,也就是说,主操作器的运动空间范围是从执行器的运动空间范围的2倍,因此本公开增大了主操作器的运动范围,从而提高了分辨率,使医生的操作更为精准。
主操作器实现四个自由度运动,可以增大运动范围,从而提高了分辨率,使医生的操作更为精确。
参图2所示,在一些实施例中,第一关节机构还包括第一转轮107、第一轮轴108和第一联动装置109,第一转轮107与箱体固定连接,且第一转轮107与第一轮轴108固定连接,第一轮轴108与支撑板101之间转动设置;第一转轮107与第一联动装置109之间传动连接;第一轮轴108的轴线与第一轴线共线;第一联动装置109为旋转编码器或电机,第一联动装置109安装于背板103上;当第一联动装置109采用旋转编码器时,用以实现对第一转轮107的旋转角度的记录;当第一联动装置采用电机时,该电机为具有编码器功能的电机,这样第一联动装置不仅可以记录旋转角度,还可以具有力反馈的功能。
参见图5所示,在至少一个实施例中,箱体包括第一分体110和第二分体111,第一分体110和第二分体111相拼合后,形成一呈矩形的中空通道112;直线进给组件位于中空通道112中;第一转轮107的轮面通过螺钉或螺栓分别与第一分体110和第二分体111的侧面固定连接,第一轮轴108与第一转轮107之间通过键连接,实现两者之间的固定,从而箱体的转动与第一转轮107的转动同步。第一轮轴108与支撑板101之间通过轴承实现转动连接,支撑板101上还固定有轴端挡板113,通过轴端挡板113对第一转轴与支撑板101之间的轴承进行轴向限位。
在一些实施例中,第一转轮107与第一联动装置109通过同步带传动方式相联动,其中,第一转轮107为同步带轮,第一关节机构还包括第二转轮120,第二转轮120为同步带轮,第一转轮107和第二转轮120之间通过同步带114相联动,支撑板101上还安装有第一旋转阻尼器115,第一旋转阻尼器115与第二转轮120的轮轴相适配,第一联动装置109具有转动部,第一联动装置109的转动部与第二转轮120相固定连接;在第一联动装置109采用旋转编码器时,第一联动装置109的转动部为旋转编码器的转轴,在第一联动装置109采用电机时,第一联动装置109的转动部为电机的转轴。在一个实施例中,第二转轮120的轮轴的一端与第一联动装置109的转动部固定连接,第二转轮120的轮轴的另一端与安装于支撑板101的第一旋转阻尼器115相适配,通过第一旋转阻尼器115对第二转轮120的转动提供阻尼,既而间接的对第一转轮107的转动提供阻尼,这样利于使主操作器具有滤除手部颤抖的功能,有助于增强医生对手术过程的感知和控制,提高手术的安全性;第一转轮107与第二转轮120采用同步带联动后,在第一联动装置109采用旋转编码器时,虽然第一联动装置109记录的是第二转轮120的旋转角度,但根据第一转轮107和第二转轮120的半径,以换算出第一转轮107的旋转角度,从而最终实现对第一转轮107的旋转角度的记录。
在其它一些替代实施方式中,第一联动装置109不仅局限于与第一转轮107间接传动连接,还可以直接连接,即第一联动装置109的转动部与第一转轮107上固定的第一轮轴108相固定连接,这样可以直接记录第一转轮107的旋转角度。在其它一些替代实施方式中,第一转轮107与第一联动装置109通过齿轮传动方式相联动,其中,第一转轮107为齿轮,第二转轮120为齿轮,第二转轮120与第一转轮107相啮合。
在一些实施例中,第二关节机构还包括第三转轮116、第二轮轴117和第二联动装置118,第三转轮116与箱体之间转动设置,且第三转轮116与第二轮轴117固定连接,第三转轮116与第二联动装置118传动连接;第二轮轴117的轴线与第二轴线共线;第二联动装置118为旋转编码器或电机;当第二联动装置118采用旋转编码器时,用以实现对第三转轮116的旋转角度的记录;当第二联动装置采用电机时,该电机为具有编码器功能的电机,这样第二联动装置不仅可以记录旋转角度,还可以具有力反馈的功能。在一个实施例中,第二轮轴117与第三转轮116通过键连接,以实现第二轮轴117与第三转轮116之间的固定。
在至少一个实施例中,第三转轮116与第二联动装置118通过同步带传动方式相联动,其中,第三转轮116为同步带轮,第二关节机构还包括第四转轮121,第四转轮121为同步带轮,第三转轮116和第四转轮121之间通过同步带相联动,箱体上还安装有第二旋转阻尼器119,第二旋转阻尼器119与第四转轮121的轮轴相适配,第二联动装置118具有转动部,第二联动装置118的转动部与第四转轮121相固定连接;在第二联动装置118采用旋转编码器时,第二联动装置118的转动部为旋转编码器的转轴,在第二联动装置118采用电机时,第二联动装置118的转动部为电机的转轴。在一个实施例中,第二旋转阻尼器119安装于第二分体111上,第二联动装置118安装于第一分体110上,第四转轮121的轮轴的一端与第二联动装置118的转动部固定连接,第四转轮121的轮轴的另一端与第二旋转阻尼器119相适配,通过第二旋转阻尼器119对第四转轮121的转动提供阻尼,既而间接的对第三转轮116的转动提供阻尼,这样利于使主操作器具有滤除手部颤抖的功能,有助于增强医生对手术过程的感知和控制,提高手术的安全性。第三转轮116与第四转轮121采用同步带联动后,在第二联动装置118采用旋转编码器时,虽然第二联动装置118记录的是第四转轮121的旋转角度,但根据第三转轮116和第四转轮121的半径,以换算出第三转轮116的旋转角度,从而最终实现对第三转轮116的旋转角度的记录。
在其它一些替代实施方式中,第二联动装置118不仅局限于与第三转轮116间接传动连接,还可以直接连接,即第二联动装置118的转动部与第三转轮116上固定的第一轮轴108相固定连接,这样可以直接记录第三转轮116的旋转角度。在其它一些替代实施方式中,第三转轮116与第二联动装置118通过齿轮传动方式相联动,其中,第三转轮116为齿轮,第四转轮121为齿轮,第四转轮121与第三转轮116相啮合。
在一些实施例中,第二轮轴117具有矩形部122,矩形部122相对的两侧分别安装有夹板124;直线进给组件包括直线导轨和固定座127,直线导轨的滑块126与夹板124固定连接,固定座127安装于直线导轨的滑轨125上,第一方向与滑轨125的长度方向相平行,第一方向还与末端操作部133的轴向相平行,固定座127上安装有第三联动装置137,第三联动装置137与末端操作部133传动连接,第三联动装置137为旋转编码器或电机;第三转轮116上安装有测距传感器123,测距传感器被配置为检测夹板124与固定座127之间的距离。直线导轨可以较好的实现末端操作部133的直线平动,具有较高的稳定性。当第三联动装置137采用旋转编码器时,用以实现对末端操作部133绕自身的轴线的旋转角度的记录;当第二联动装置采用电机时,该电机为具有编码器功能的电机,这样第三联动装置不仅可以记录旋转角度,还可以具有力反馈的功能。
在一个实施例中,直线导轨的数量为两个,两个直线导轨分别安装于两个不同的夹板124上;第二轮轴117还包括两个圆柱部128,两个圆柱部128分别与矩形部122相对的两侧相连接,矩形部122的径向截面呈矩形,第二轮轴117的一个圆柱部128与第一分体110通过轴承129相转动连接,第二轮轴117的另一个圆柱部128与第二分体111通过轴承相转动连接;矩形部122上开设有径向通孔130,两个夹板124相接合后,还被配置成具有与径向通孔130同轴设置的拼合孔131;测距传感器穿设于径向通孔130和拼合孔131中,且测距传感器被配置成通过两个螺母132分别与测距传感器的外壳自带的螺纹相螺纹连接,以固定测距传感器自身的轴向位置,两个螺母分别位于拼合孔131相对的两端面处。测距传感器的检测端与固定座127的一个面相对,以实现测距传感器测量自身与固定座127之间的距离,由于测距传感器与夹板124相固定连接,因此也就实现了测距传感器检测夹板124与固定座127之间的距离。
在一个实施例中,第三联动装置137具有转动部,第三联动装置137的转动部与末端操作部133固定连接。在第三联动装置137采用旋转编码器时,第三联动装置137的转动部为旋转编码器的转轴,在第三联动装置137采用电机时,第三联动装置137的转动部为电机的转轴。末端操作部133为握把结构;第三联动装置137的转动部与握把结构通过螺纹连接,附加地,滴加螺纹胶以增强第三联动装置137的转动部与握把结构之间连接的稳定性,从而当第三联动装置137采用旋转编码器时,用以实现对握把结构绕自身的轴线的旋转角度的记录准确性。第三联动装置137的转轴与固定座127之间安装第二轴承,其中,该第二轴承被配置成通过限位板安装于固定座127上,且固定座127与限位板之间具有弹簧垫片134,用来确保第二轴承138和限位板139之间没有轴向间隙,第三联动装置137与握把结构之间没有传动机构,结构紧凑。
在一些实施例中,固定座127与夹板124之间设置有油压阻尼器135,通过设置油压阻尼器135可以对末端操作部133的直线移动提供阻尼,这样利于使主操作器具有滤除手部颤抖的功能,有助于增强医生对手术过程的感知和控制,提高手术的安全性。在一个实施例中,一个夹板124具有延伸部136,延伸部136可以为油压阻尼器135的安装提供支点。油压阻尼器135的一端与延伸部136枢接,油压阻尼器135相对的另一端与固定座127枢接。
在一些实施例中,测距传感器为红外测距传感器、光电测距传感器或位移距传感器。在一个实施例中,测距传感器为光电测距传感器,光电测距传感器安装于夹板124上。
本公开提出的主从式眼内手术机器人主操作器的工作原理如下:
操作人员,如医生手部握着末端操作部133进行手术操作,主从式眼内手术机器人主操作器能跟随并记录医生手部的四个自由度的运动,绕第一轴线的转动和绕第二轴线的转动实现了两个不同的径向方向转动,沿第一方向的直线运动实现了一个轴向方向的进给运动,绕第三轴线的转动实现了一个轴向方向转动,在此的径向和轴向均以末端操作部133的径向和轴向来说的,通过这样的设置可以实现的自由度有3个方向的转动和1个方向的平移,是球形主控,符合医生的操作习惯,具有较高的直观性,另外,这样使得主操作器与从执行器运动变换变得相对简单,可简化主从操作的映射关系,便于实现精准、稳定。第一联动装置109采用旋转编码器时,可以记录绕第一轴线的旋转角度;第二联动装置118采用旋转编码器时,可以记录绕第二轴线的旋转角度;测距传感器可以记录沿轴向方向的进给运动的平移距离;第三联动装置137采用旋转编码器时,可以记录绕第三轴线的旋转角度。在实际操作中,医生通过主操作器完成与眼内手术操作完全一致的操作动作,而医生通过主操作器在普通尺度的动作范围,通过主从臂的运动映射,实现机器人从执行器的精细运动。
综上所述,本公开提供的至少一个实施例中的主操作器,应用于主从式眼科手术机器人,具有结构紧凑,占地面积小,易于放置的特点,能促进便携式外科手术机器人的发展,并且还可应用于远程手术外科系统,以便交付到需要手术的地方,例如救灾现场和战场;主操作器在各关节处装有阻尼器,以减少医生的手部震颤,便于医生控制机器人完成手术,操作器的运动范围和运动方式更加符合眼科手术的要求。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,包括:
第一关节机构,其包括箱体及支撑板;所述箱体与所述支撑板之间转动连接,且所述箱体被配置为相对于所述支撑板绕第一轴线转动;
第二关节机构,所述第二关节机构安装于所述箱体上,所述第二关节机构包括直线进给组件,所述直线进给组件被配置为相对于所述箱体绕第二轴线转动;以及
末端操作部,所述末端操作部被配置为沿所述直线进给组件所限定的第一方向作直线运动,所述末端操作部还被配置为绕第三轴线转动,所述第三轴线与所述末端操作部的轴向相平行,且所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线两两垂直。
2.根据权利要求1所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,还包括背板,所述支撑板固定安装于所述背板上;
所述第一关节机构还包括第一转轮、第一轮轴和第一联动装置,所述第一转轮与所述箱体固定连接,且所述第一转轮与第一轮轴固定连接,所述第一轮轴与所述支撑板之间转动设置;所述第一转轮与所述第一联动装置之间传动连接;所述第一轮轴的轴线与所述第一轴线共线;
所述第一联动装置为旋转编码器或电机。
3.根据权利要求2所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述第一转轮与所述第一联动装置通过同步带传动方式相联动,其中,所述第一转轮为同步带轮,所述第一关节机构还包括第二转轮,所述第二转轮为同步带轮,所述第一转轮和所述第二转轮之间通过同步带相联动,所述支撑板上还安装有第一旋转阻尼器,所述第一旋转阻尼器与所述第二转轮的轮轴相适配,所述第一联动装置具有转动部,所述第一联动装置的转动部与所述第二转轮相固定连接;
或,所述第一转轮与所述第一联动装置通过齿轮传动方式相联动,其中,所述第一转轮为齿轮。
4.根据权利要求1所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述第二关节机构还包括第三转轮、第二轮轴和第二联动装置,所述第三转轮与所述箱体之间转动设置,且所述第三转轮与所述第二轮轴固定连接,所述第三转轮与所述第二联动装置传动连接;所述第二轮轴的轴线与所述第二轴线共线;
所述第二联动装置为旋转编码器或电机。
5.根据权利要求4所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述第三转轮与所述第二联动装置通过同步带传动方式相联动,其中,所述第三转轮为同步带轮,所述第二关节机构还包括第四转轮,所述第四转轮为同步带轮,所述第三转轮和所述第四转轮之间通过同步带相联动,所述箱体上还安装有第二旋转阻尼器,所述第二旋转阻尼器与所述第四转轮的轮轴相适配,所述第二联动装置具有转动部,所述第二联动装置的转动部与所述第四转轮相固定连接;
或,所述第三转轮与所述第二联动装置通过齿轮传动方式相联动,其中,所述第三转轮为齿轮。
6.根据权利要求4或5所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述第二轮轴具有矩形部,所述矩形部相对的两侧分别安装有夹板;所述直线进给组件包括直线导轨和固定座,所述直线导轨的滑块与所述夹板固定连接,所述固定座安装于所述直线导轨的滑轨上,所述第一方向与所述滑轨的长度方向相平行,所述第一方向还与所述末端操作部的轴向相平行,所述固定座上安装有第三联动装置,所述第三联动装置与所述末端操作部传动连接,所述第三联动装置为旋转编码器或电机;所述第三转轮上安装有测距传感器,所述测距传感器被配置为检测所述夹板与所述固定座之间的距离。
7.根据权利要求6所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述第三联动装置具有转动部,所述第三联动装置的转动部与所述末端操作部固定连接。
8.根据权利要求6所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述固定座与所述夹板之间设置有油压阻尼器。
9.根据权利要求6所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,所述测距传感器为红外测距传感器、光电测距传感器或位移距传感器。
10.根据权利要求2所述的主从式眼内手术机器人主操作器,其特征在于,还包括底板,所述背板与所述底板固定连接。
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