CN113303914B - 一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，解决了现有技术中机器人灵活度较差的问题，具有能够适应于复杂环境的有益效果，具体方案如下：一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，包括连续体机构，通过固定台模组支撑，连续体机构包括管切式连续体和同心管连续体，同心管连续体套于管切式连续体的环向，管切式连续体能够相对于同心管连续体实现直线运动和旋转运动，同心管连续体能够带动管切式连续体实现直线运动和/或旋转运动；偏转控制机构，通过第二模组支撑，控制线一端穿过同心管连续体并与管切式连续体内壁固连，偏转控制机构与控制线的另一端连接以通过控制线带动管切式连续体运动，控制线设有若干。

Description

一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人

技术领域

本发明涉及微创手术机器人领域，尤其是一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜、喉镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内施行手术的一种手术方式，相比传统手术具有创伤小、疼痛少、痊愈快等优势。由于进入病变位置腔道弯曲，空间狭小，耳鼻颅底手术存在许多手术盲区，微创手术难度大。

微创手术机器人技术是一个新型医工多学科交叉研究领域，在临床医学的基础上，加入了信息科学，机器人，材料学，医学工程和微电子等方面的技术，使得医疗手术趋向于信息数字化、器械轻型化、设备智能化。机器人技术在微创外科领域的应用，使手术的安全可靠性更高，手术器械操作更灵活，最主要的是能够解决医生在进行长时间手术时产生的疲劳问题。

但现有的微创手术机器人(例如中国专利文献CN 109199591 A提供的“耳鼻颅底微创手术机器人及其操作方法”)包括直线运动机构、旋转机构、偏转控制机构、夹钳控制机构、连续体机构。可实现夹钳达到病灶位置后进行多个方向的收缩、夹取、弯曲等操作，但发明人发现，采用单段连续体进行手术操作，灵活性不足，难以实现颅内复杂空间运动；此外，对于环境复杂的耳鼻颅底手术，其单一的直线运动机构无法适应复杂环境的变化，不能很好的满足手术需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，能够实现复杂的运动，充分适应复杂的环境变化。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，包括：

连续体机构，通过固定台模组支撑，连续体机构包括管切式连续体和同心管连续体，同心管连续体套于管切式连续体的环向，管切式连续体能够相对于同心管连续体实现直线运动和旋转运动，同心管连续体能够带动管切式连续体实现直线运动和/或旋转运动；

偏转控制机构，通过第二模组支撑，控制线一端穿过同心管连续体并与管切式连续体内壁固连，偏转控制机构与控制线的另一端连接以通过控制线带动管切式连续体运动，控制线设有若干。

如上所述的手术机器人，同心管连续体能够带动管切式连续体实现旋转和/或直线运动，管切式连续体自身也可以实现单独的直线运动和旋转运动，偏转控制机构通过若干控制线控制管切式连续体的运动，拓宽了管切式连续体的运动方式，使得机器人能够适应较为复杂的脑部环境，在同心管连续体和偏转控制机构的作用下，可带动管切式连续体到达设定位置，然后管切式连续体可进一步实现直线运动，在其旋转过程中能够实现对颅底肿瘤的切除。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述第二模组为滑台模组，滑台模组能够相对于固定台模组实现直线运动，滑台模组移动，能够带动其上的结构件实现进给或后退。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述第二模组支撑刀具轴，刀具轴能够相对于第二模组实现旋转运动，刀具轴能够与所述的管切式连续体一端卡合，以通过刀具轴带动管切式连续体转动用于切除肿瘤。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，为了实现刀具轴的旋转运动，所述第二模组支撑刀具旋转单元，刀具旋转单元与所述的刀具轴连接，刀具轴穿过线驱动支撑台设置，所述的偏转控制机构固定于线驱动支撑台，线驱动支撑台通过第二模组支撑。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述偏转控制机构设有多组，每一组偏转控制机构均与所述的控制线连接；偏转控制机构为丝杠螺母机构，丝杠螺母机构包括丝杠螺母，丝杠螺母与丝杠连接，滑块与所述控制线的一端连接。

在滑块与连接件之间固定有拉力传感器，拉力传感器与控制器连接，控制器与偏转控制机构连接。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述连续体机构还包括阶梯管，阶梯管一端与同心管连续体过盈配合，另一端能够插入所述固定台模组的导向管内；

刚性外管套于所述同心管连续体环向，且刚性外管固定于固定台模组，刚性外管起到支撑同心管连续体和管切式连续体的作用；

为了保证管切式连续体具有更好地灵活性，所述管切式连续体环向开有多段相互平行的开口槽，开口槽具有设定的宽度，相邻两开口槽错向设置。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述固定台模组设置管切驱动机构，管切驱动机构包括能够转动的第一丝杠，第一丝杠通过第一连接件与所述的阶梯管连接，由第一连接件通过阶梯管，带动管切式连续体实现进给或后退运动。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述固定台模组设置同心管驱动机构，同心管驱动机构包括能够转动的第二丝杠，第二丝杠设置第二移动滑台，第二移动滑台通过第二连接件与所述的同心管连续体连接，由第二连接件通过同心管连续体，带动管切式连续体实现进给或后退运动，管切驱动机构、同心管驱动机构均与控制器连接；

第二移动滑台设置旋转运动动力源，旋转运动动力源通过传动机构与所述的同心管连续体连接，旋转运动动力源为旋转运动电机，该电机与控制器连接，通过该电机可带动同心管驱动机构的转动运动。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述控制线为钢丝线，每一处钢丝线外侧套设有丝鞘，钢丝线从所述导向管内部穿出到达导向管的外侧。

如上所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，所述第二模组设置刀具进给单元，刀具进给单元包括进给丝杠，进给丝杠的一端固定于所述固定台模组，另一端穿过第二模组设置，且进给丝杠与第二模组可转动连接。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明的经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，控制偏转机构通过控制线实现管切式连续体的偏转运动，同心管连续体能够带动管切式连续体实现转动，管切式连续体可实现直线运动，使管切式连续体灵活度更高，手术环境适应性更好，通过管切式连续体的旋转运动实现对肿瘤的切除。

2)本发明机器人中，连续体机构由内向外依次是管切式连续体、同心管连续体和刚性外管，再通过管切驱动机构和同心管驱动机构分别控制管切式连续体的直线运动和同心管连续体的进给与旋转运动，采用这种复合驱动的方式可以使连续体机构适应复杂的人体环境，深入病灶执行手术动作，同时减小手术器械的直径，扩大可用手术的范围。

3)本发明通过整体结构的设置，能够有效保证管切式连续体的运动控制精度，通过偏转控制机构可通过控制线的伸缩来控制管切式连续体机构的偏摆和俯仰运动，配合机器人的其他结构，可使得整个机器人的运动方式更灵活，与传统内视镜微创手术器械相比，该手术机器人可处理偏离颅底中间的肿瘤，具有极高的灵活性。

4)本发明中控制偏转机构采用丝鞘驱动连续体机构执行工作，与传统的线驱动装置采用骨架和导向轮布线相比，丝鞘累积误差小，驱动更加精准。

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为本发明实施例提供的连续体手术机器人整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的固定台模组、设于固定台模组上的连续体机构、管切驱动机构和同心管驱动机构结构示意图；

图3为本发明实施例提供的设于固定台模组上的连续体机构结构示意图；

图4为本发明实施例提供的管切式连续体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的滑台模组、偏转控制机构和设于滑台模组上的刀具驱动机构结构示意图；

图6为本发明实施例提供的控制刀具进给机构的部分放大结构示意图；

其中，1固定台模组、2连续体机构、3管切驱动机构、4同心管驱动机构、5滑台模组、6偏转控制机构、7刀具驱动机构；

1-1固定台、1-2固定台前板、1-3固定台后板、1-4导向管；

2-1管切式连续体、2-2同心管连续体、2-3刚性外管、2-4阶梯管；

3-1第一直线运动电机、3-2第一电机底座、3-3第一联轴器、3-4第一丝杠、3-5第一连接件、3-6第一移动滑台、3-7第一轴承、3-8第一轴承支座；

4-1第二直线运动电机、4-2第二电机底座、4-3第二联轴器、4-4旋转运动电机、4-5第二移动滑台、4-6第二丝杠、4-7第二连接件、4-8第二轴承支座、4-9第二轴承、4-10-1第一皮带轮、4-10-2第二皮带轮；

5-1滑台、5-2滑台前板、5-3滑台中板、5-4滑台后板、5-5三角支撑台、5-6线驱动支撑台；

6-1钢丝线、6-2丝鞘、6-3-1线驱动电机、6-3-2第三电机底座、6-3-3第三联轴器、6-3-4第三丝杠、6-3-5丝杠螺母、6-3-6连接件、6-3-7拉力传感器、6-3-8滑块、6-3-9导轨、6-3-10第三轴承、6-3-11第三轴承支座；

7-1-1第四旋转电机、7-1-2-1第三皮带轮、7-1-2-2第四皮带轮、7-1-3皮带轮连接机构、7-2-1第四进给电机、7-2-2第四电机底座、7-2-3圆柱滑轨、7-2-4进给丝杠、7-2-5第四轴承、7-2-6-1第五皮带轮、7-2-6-2第六皮带轮、7-3刀具轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明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。

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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在手术机器人不够灵活的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，包括固定台模组1和滑台模组5、安装于固定台模组上的连续体机构2、管切驱动机构3、同心管驱动机构4和设于滑台模组上的刀具驱动机构7，偏转控制机构6通过滑台模组支撑。

固定台模组1包括固定台1-1、固定台前板1-2、固定台后板1-3和导向管1-4。固定台前板1-2和固定台后板1-3分别与固定台1-1固定连接，固定台前板1-2和固定台后板1-3之间间隔设定距离设置，且二者均与固定台1-1垂直设置，导向管1-4与固定台后板1-3固定连接，且导向管1-4的一端固定于固定台后板，另一端朝向固定台前板设置并与连续体机构连接。

参考图2、图3、图4所示，连续体机构包括管切式连续体2-1、同心管连续体2-2、刚性外管2-3、阶梯管2-4，管切式连续体2-1设于同心管连续体2-2内，二者可实现相对滑动且管切式连续体能够相对于同心管连续体实现转动，刚性外管2-3套于同心管连续体2-2的环向，且在外力作用下同心管连续体2-2能够相对于刚性外管实现直线运动，同心管连续体2-2的两端均超过刚性外管的两端设置，且刚性外管2-3的一端与固定台前板1-2固定连接；阶梯管一端与同心管连续体2-2过盈配合，另一端能够插入导向管1-4内。

同心管连续体套于管切式连续体的环向，且同心管连续体的刚度大于管切式连续体的刚度，使得同心管连续体能带动管切式连续体的转动，但管切式连续体在转动时不会带动同心管连续体转动；同心管连续体的长度大于刚性外管的长度由刚性外管对同心管连续体进行支撑，但同心管连接体的长度可长可短设置，通过开口槽的设置，提高管切式连续体的运动灵敏度。

本实施例中，设置三根钢丝线，每一处钢丝线外侧套设有丝鞘6-2，钢丝线从导向管内部穿出到达导向管的外侧。

具体地，钢丝线6-1设置在管切式连续体管壁钢丝孔内，每一钢丝线对应一钢丝孔，三个钢丝孔呈圆周阵列等分布，在3根钢丝线6-1分别伸缩时，带动管切式连续体2-1进行空间里360°的偏摆和俯仰运动。

参考图2所示，管切驱动机构3包括直线驱动动力源，直线驱动动力源可为第一直线运动电机3-1，第一直线运动电机3-1通过第一电机底座3-2固定于固定台1-1，第一直线运动电机3-1通过第一联轴器3-3带动第一丝杠3-4转动，第一移动滑台3-6与第一丝杠3-4连接，第一移动滑台3-6通过第一连接件3-5与阶梯管2-4连接，在第一丝杠3-4转动时，第一移动滑台3-6通过第一连接件3-5带动阶梯管2-4执行前进或后退的直线直线运动，阶梯管2-4通过同心管连续体带动管切式连续体2-1执行前进或后退的直线直线运动；

而且，第一丝杠的远离第一直线运动电机的另一端设置第一轴承3-7，第一轴承3-7安装于第一轴承支座3-8处，第一轴承支座3-8通过固定台1-1支撑。

为了实现第一移动滑台与连续体机构的连接，带动管切式连续体的运动，第一连接件设置在第一移动滑台的一侧，第一连接件的一端固定于第一移动滑台，另一端环向套于阶梯管。

进一步地，同心管驱动机构同样包括直线驱动动力源，该动力源可为第二直线运动电机4-1，第二直线运动电机4-1通过第二电机底座4-2-1固定于固定台1-1，第二直线运动电机4-1通过第二联轴器4-3带动第二丝杠4-6转动，第二移动滑台4-5与第二丝杠4-6固定连接，第二移动滑台4-5通过第二连接件4-7与同心管连续体2-2连接，在第二丝杠4-6转动时，第二移动滑台4-5通过第二连接件4-7带动同心管连续体2-2执行前进或后退的直线直线运动。

旋转运动电机4-4通过第三电机底座4-2-2固定在第二移动滑台4-5上，第一皮带轮4-10-1与第二直线运动电机4-1固定连接，第二皮带轮4-10-2套于同心管连续体2-2，并与同心管连续体2-2固定连接，皮带绕过两个皮带轮设置，在旋转运动电机4-4转动时，带动两个皮带轮旋转，进而使同心管连续体2-2带动管切式连续体2-1做旋转运动。

其中，第一连接件同样位于第二移动滑台的一侧，第一连接件靠近皮带设置，但与皮带之间间隔设定距离。

其中，需要说明的是，第一连接件为第一钣金连接件，第二连接件为第二钣金连接件。

滑台模组5包括滑台5-1、滑台前板5-2、滑台中板5-3、滑台后板5-4、三角支撑台5-5、线驱动支撑台5-6。滑台前板5-2与滑台5-1固定连接，滑台中板5-3与滑台5-1固定连接，滑台后板5-4与滑台5-1固定连接，三角支撑台5-5一端与滑台前板5-2固定连接，另一端与滑台中板5-3固定连接，线驱动支撑台5-6与滑台前板5-2固定连接。

其中，滑台前板、滑台中板、滑台后板分别与滑台垂直连接，且三者依次设置，且相邻两板之间间隔设定距离设置，滑台前板朝向固定台后板设置。

参考图5所示，偏转控制机构6包括多组偏转结构件，每一偏转结构件用于控制钢丝线的偏转动作，本实施例中，共设置三组偏转结构件，三组偏转结构件在空间内呈圆周阵列布置。

偏转结构件包括线驱动动力源，可具体为线驱动电机，线驱动电机6-3-1通过第三电机底座6-3-2与三角支撑台5-5的平面固定连接，第三丝杠6-3-4通过第三联轴器6-3-3与线驱动电机6-3-1连接，第三丝杠6-3-4另一端通过第三轴承6-3-10设置在第三轴承支座6-3-11内，第三轴承支座6-3-11与线驱动支撑台5-6固定连接，第三丝杠穿过滑台前板5-2设置。

滑块6-3-8通过导轨6-3-9与线驱动支撑台5-6固定连接，滑块6-3-8一端与钢丝线6-1固定连接，另一端与拉力传感器6-3-7连接，拉力传感器6-3-7另一端通过连接件6-3-6与丝杠螺母6-3-5固定连接，丝杠螺母6-3-5与第三丝杠6-3-4固定连接。

其中第三丝杠设置的丝杠螺母通过连接件与滑块连接，丝杠螺母与连接件固结，连接件6-3-6与拉力传感器一端固结，拉力传感器另一端与滑块6-3-8固结，在线驱动电机6-3-1旋转时，带动第三丝杠6-3-4旋转，丝杠螺母随第三丝杠运动时通过连接件可带动拉力传感器与滑块一同运动，使丝杠螺母6-3-5通过连接件6-3-6带动滑块6-3-8执行前进或后退的直线直线运动，进而带动钢丝线6-1执行伸缩运动，使钢丝线6-1调整管切式连续体2-1的空间偏转情况。

可以理解地是，拉力传感器用于获取偏转结构件对钢丝线的拉力，拉力传感器与控制器连接，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器，控制器与各电机分别单独连接，通过控制器控制各电机的动作。

刀具机构包括刀具旋转单元和刀具进给单元，刀具旋转单元包括第四旋转电机，第四旋转电机7-1-1穿过滑台中板5-3固定在滑台5-1上，第三皮带轮7-1-2-1与第四旋转电机7-1-1连接，第四皮带轮7-1-2-2与皮带轮连接件7-1-3固定连接，皮带轮连接件7-1-3与刀具轴7-3固定连接，刀具轴穿过滑台前板、滑台中板和线驱动支撑台5-6设置，在第四旋转电机7-1-1旋转时，带动皮带轮7-1-2旋转，进而带动刀具轴7-3实现旋转运动。

刀具轴具有设定的长度，刀具轴的一端能够从线驱动支撑台的端部穿出，且刀具轴的该端部能够穿过固定台后板设置的开孔，在刀具轴前进设定距离后，刀具轴能够与管切式连续体的端部卡合，由此，刀具轴能够带动管切式连续体实现转动。

参考图6所示，刀具进给单元包括进给电机7-2-1，进给电机7-2-1通过电机底座7-2-2固定在固定台1-1上，进给电机7-2-1穿过滑台前板设置，第五皮带轮7-2-6-1与进给电机7-2-1固定连接，第六皮带轮7-2-6-2与进给丝杠7-2-4固定连接，进给丝杠7-2-4另一端通过进给第四轴承7-2-5与固定台1-1固定连接，进给丝杠穿过滑台5-1设置，且进给丝杠与滑台5-1配合，在进给电机7-2-1旋转时，两个皮带轮带动控制进给丝杠7-2-4旋转，进而带动滑台5-1通过圆柱滑轨7-2-3做直线运动，使刀具轴7-3执行前进或后退的直线运动。

具体地，进给电机位于进给丝杠的上方，且进给丝杠穿过电机底座设置，圆柱滑轨7-2-3设有两根，两根圆柱滑轨7-2-3与固定台固定连接，并从固定台的侧部伸出，滑台5-1可滑动安装于两圆柱滑轨上。

一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人的工作方法，包括如下内容：

滑台模组朝向固定台模组移动，使得刀具轴朝向固定台后板移动，并插入导向管内，与阶梯管端部连接；

同心管连续体带动管切式连续体实现直线运动和/或旋转运动；

管切式连续体自身实现直线运动，如前进；

偏转控制机构带动控制线运动，进而带动管切式连续体实现设定范围内的偏摆和俯仰运动，且刀具旋转单元带动管切式连续体实现转动，从而通过管切式连续体对肿瘤进行切除。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，其特征在于，包括：

连续体机构，通过固定台模组支撑，连续体机构包括管切式连续体和同心管连续体，同心管连续体套于管切式连续体的环向，管切式连续体能够相对于同心管连续体实现直线运动和旋转运动，同心管连续体能够带动管切式连续体实现直线运动和/或旋转运动；

所述连续体机构还包括阶梯管，阶梯管一端与管切式连续体过盈配合，另一端能够插入所述固定台模组的导向管内；

刚性外管套于所述同心管连续体环向，且刚性外管固定于固定台模组；所述管切式连续体环向开有多段相互平行的开口槽，开口槽具有设定的宽度，相邻两开口槽错向设置；

固定台模组设置管切驱动机构，管切驱动机构包括能够转动的第一丝杠，第一丝杠通过第一连接件与所述的阶梯管连接；固定台模组设置同心管驱动机构，同心管驱动机构包括能够转动的第二丝杠，第二丝杠设置第二移动滑台，第二移动滑台通过第二连接件与所述的同心管连续体连接；

第二移动滑台设置旋转运动动力源，旋转运动动力源通过传动机构与所述的同心管连续体连接；

偏转控制机构，通过第二模组支撑，控制线一端穿过同心管连续体并与管切式连续体内壁固连，偏转控制机构与控制线的另一端连接以通过控制线带动管切式连续体运动，控制线设有若干；

所述第二模组为滑台模组，滑台模组能够相对于固定台模组实现直线运动；

所述第二模组支撑刀具轴，刀具轴能够相对于第二模组实现旋转运动，刀具轴能够与所述的管切式连续体一端卡合，以通过刀具轴带动管切式连续体转动用于切除肿瘤；

所述第二模组支撑刀具旋转单元，刀具旋转单元与所述的刀具轴连接，刀具轴穿过线驱动支撑台设置，所述的偏转控制机构固定于线驱动支撑台；

所述第二模组设置刀具进给单元，刀具进给单元包括进给丝杠，进给丝杠的一端固定于所述固定台模组，另一端穿过第二模组设置，且进给丝杠与第二模组可转动连接；

所述偏转控制机构设有多组，每一组偏转控制机构均与所述的控制线连接；偏转控制机构为丝杠螺母机构，丝杠螺母机构包括丝杠螺母，丝杠螺母与滑块连接，滑块与所述控制线的一端连接；

在滑块与连接件之间固定有拉力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种经鼻腔进行颅底肿瘤切除的微创手术机器人，其特征在于，所述控制线为钢丝线，每一处钢丝线外侧套设有丝鞘，钢丝线从所述导向管内部穿出到达导向管的外侧。

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