CN113367797A - 一种判断手术器械绝对位置的机构和手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种判断手术器械绝对位置的机构和手术机器人。其中，手术机器人包括器械驱动器和无菌适配器。器械驱动器包括驱动器传动连接件，无菌适配器包括适配器传动连接件，驱动器传动连接件与适配器传动连接件经由齿状结构啮合连接。术器械包括器械后端传动连接件，器械后端传动连接件上设置有磁性元件，器械后端传动连接件连接至适配器传动连接件。器械驱动器内还设置有感应元件，以感测磁性元件的磁场。根据本发明的判断手术器械绝对位置的机构，可以使器械驱动器和无菌适配器以任意方向对接，并且利用磁场感测得到手术器械的绝对位置，步骤简单，响应速度快。

Description

一种判断手术器械绝对位置的机构和手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言涉及一种判断手术器械绝对位置的机构和手术机器人。

背景技术

手术机器人能够帮助医生实现手术的精确定位，具有减少病人伤口从而缩短术后恢复时间等优势。并且其具有稳定的操作平台，能够解决医生的颤抖等情况，因而在临床外科手术中有大量的应用。

在病人侧的手术机器人通过带有末端执行机构的手术工具进行手术操作。为满足手术中不同手术器械的使用需求，手术器械与器械驱动器通常设计为可拆卸性，用于在手术中更换不同的手术器械。同时，手术器械通常为可以独立进行消毒灭菌。

器械驱动器端通常设计为不可消毒性，为保证手术过程中的无菌性，在手术时，需要在器械驱动器与手术器械间加入一个无菌适配器，用于隔离手术时不可消毒的器械驱动器端以及可消毒的手术器械端。

目前器械驱动器与无菌适配器的传动连接，多采用单点对接的方式。其需要器械驱动器连接器上的单个凸起部位与无菌适配器连接件上的单个凹槽部位旋转至同一方向，然后进行一一对应。这种对接方式操作时动作较多，而且由于这种方式连接时，还需在对准前先找准手术器械的绝对位置，操作复杂，装配可靠性低，绝对位置的确定不及时不精确。

因此，需要一种判断手术器械绝对位置的机构和手术机器人，以至少部分地解决以上问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种判断手术器械绝对位置的机构，用于手术机器人，所述手术机器人包括器械驱动器和无菌适配器，

所述器械驱动器包括驱动器传动连接件，所述无菌适配器包括适配器传动连接件，所述驱动器传动连接件与所述适配器传动连接件经由齿状结构啮合连接；

所述手术器械包括器械后端传动连接件，所述器械后端传动连接件上设置有磁性元件，所述器械后端传动连接件连接至所述适配器传动连接件；

所述器械驱动器内还设置有感应元件，以感测所述磁性元件的磁场。

根据本发明的判断手术器械绝对位置的机构，可以使器械驱动器和无菌适配器以任意方向对接，并且利用磁场感测得到手术器械的绝对位置，步骤简单，响应速度快。

进一步地，所述器械驱动器还包括第一通磁结构，所述第一通磁结构位于所述驱动器传动连接件的中部并贯穿所述驱动器传动连接件。

进一步地，所述无菌适配器还包括第二通磁结构，所述第二通磁结构位于所述适配器传动连接件的中部并贯穿所述适配器传动连接件。

进一步地，所述器械驱动器还包括：

输出轴，所述输出轴连接至所述驱动器传动连接件；

第三通磁结构，所述第三通磁结构设置于所述输出轴的上部，以使得所述输出轴经由所述第三通磁结构连接至所述驱动器传动连接件，并且/或者所述第三通磁结构与所述输出轴构造为一体件。

进一步地，所述感应元件靠近所述输出轴设置。

进一步地，所述感应元件靠近所述驱动器传动连接件设置。

进一步地，所述磁性元件设置于所述器械后端传动连接件的中心轴线处。

进一步地，所述磁性元件偏离于所述器械后端传动连接件的中心轴线设置。

进一步地，所述磁性元件的径向截面尺寸小于所述器械后端传动连接件的径向截面尺寸。

本发明的第二方面提供一种手术机器人，包括上述第一方面所述的判断手术器械绝对位置的机构。

根据本发明的手术机器人，能够起到与上述第一方面所述的判断手术器械绝对位置的机构相类似的技术效果。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的一种优选实施方式的手术机器人的分解示意图；

图2为根据本发明的又一优选实施方式的手术机器人的分解示意图；

图3为根据本发明的一种优选实施方式的手术机器人的分解示意图，其中省去了手术器械；

图4为图3中手术机器人另一视角的分解示意图；

图5为根据本发明的一种优选实施方式的器械驱动器的剖切示意图；以及

图6为根据本发明的又一种优选实施方式的器械驱动器的剖切示意图。

附图标记说明：

100：手术机器人 110：器械驱动器

111：驱动器传动连接件 112：第一通磁结构

113：第一齿状结构 120：无菌适配器

121：适配器传动连接件 122：第二通磁结构

123：第二齿状结构 130：手术器械

131：器械后端传动连接件 140：输出轴

141：第三通磁结构 142：电机

150：磁性元件 160：电路板

161：感应元件

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。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，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。

需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明目的，并非限制。

现在，将参照图1到图6更详细地描述根据本发明的示例性实施例。

首先参考图1和图2。本发明的手术机器人100可以包括手术器械130、无菌适配器120和器械驱动器110。其中，无菌适配器120连接至器械驱动器110，而手术器械130连接至无菌适配器120。具体而言，无菌适配器120下表面与器械驱动器110上表面连接。手术器械130的前端构造为诸如钳子、剪刀、夹子灯等手术工具(未示出)。手术器械130的后端则与无菌适配器120上表面连接，器械驱动器110通过无菌适配器120对手术器械130的后端的中部的器械执行机构(未示出)提供驱动力，进而通过套管(未示出)中的牵引组件(例如钢丝绳等)使得上述手术工具完成俯仰、偏转和夹握的动作。

器械驱动器110上表面与无菌适配器120的下表面能够以扣接的方式固定，手术器械130的后端的表面与无菌适配器120的上表面能够以扣接的方式固定，在使用时，器械驱动器110表面、无菌适配器120下表面、无菌适配器120上表面、手术器械130的后端的表面，均不产生相对位置关系的变动。

器械驱动器110包括驱动器传动连接件111，无菌适配器120包括适配器传动连接件121，手术器械130包括器械后端传动连接件131。而驱动器传动连接件111与适配器传动连接件121、器械后端传动连接件131分别以特定的方式连接固定。使得在使用时，器械驱动器110驱动驱动器传动连接件111旋转，并经由适配器传动连接件121将驱动力(或者说扭矩)传递给器械后端传动连接件131，进而实现对手术工具的控制。

示例性地，驱动器传动连接件111与适配器传动连接件121经由齿状结构啮合连接。具体地，参考图3和图4，驱动器传动连接件111具有第一齿状结构113，适配器传动连接件121具有第二齿状结构123。当驱动器传动连接件111与适配器传动连接件121对接时，第一齿状结构113与第二齿状结构123形成啮合。或者说，第一齿状结构113的多个第一齿与第二齿状结构123的多个第二齿彼此啮合。示例性地，第一齿状结构113的多个第一齿沿驱动器传动连接件111的顶部周向均匀设置。具体地，驱动器传动连接件111的顶部具有凸出部，该多个第一齿围绕凸出部均匀设置。第一齿可以具有设置于其侧方的导向面和啮合面，以及设置于其外周的配合面。其中，对称设置的两个导向面形成小面积的齿峰，啮合面与导向面邻接并构造成柱面。

第二齿状结构123的多个第二齿设置于适配器传动连接件121的底部的内侧的周缘，其也沿周向均匀设置。具体而言，适配器传动连接件121的底部具有凹陷部，该多个第二齿设置于凹陷部开口处的内侧壁上第二齿也可以具有设置于其侧方的导向面和啮合面，以及设置于其内周的配合面，其与第一齿具有相似的结构，在此不再赘述。

当适配器传动连接件121与驱动器传动连接件111对接时，第一齿和第二齿二者的小面积齿峰使得第一齿和第二齿能够在任意位置错开，且第一齿的导向面和第二齿的导向面配合导向，使得第一齿能够进入第二齿状结构123的齿谷中，第二齿能够进入第一齿状结构113的齿谷中，由此，第一齿的啮合面与第二齿的柱面形成啮合。并且，第一齿外周的配合面能够与适配器传动连接件121的凹陷部的内侧壁面(第二齿之间的连接面)形成配合导向，第二齿内周的配合面能够与驱动器传动连接件111的的凸出部的外侧壁面(第一齿之间的连接面)形成配合导向，以使得适配器传动连接件121与驱动器传动连接件111能够更容易形成对接。

同理，手术器械130后端的器械后端传动连接件131与无菌适配器120的适配器传动连接件121也可以采用齿状结构啮合的方式连接，在此不再赘述。

下面请参考图1、图2、图3、图4、图5和图6。器械后端传动连接件131上设置有磁性元件150，该磁性元件150可以是永磁体或电磁铁。器械驱动器110内还设置有感应元件161，其位于磁性元件150的下方，以感测磁性元件150的磁场。由此，感应元件161能够根据磁场的变化确定手术器械130的绝对位置。

具体而言，器械驱动器110内设置有电路板160，而感应元件161则设置在电路板160上，其优选构造为设置在电路板160上的编码器。此外，电路板160上还可以设置计算模块(未示出)，其与感应元件161电连接，以根据感应元件161感测到的数据计算手术器械130的绝对位置。

示例性地，感应元件161可以感测磁性元件150的磁场强度或磁场方向，当器械后端传动连接件旋转时，感应元件161感测到的磁场强度或方向角度发生变化，而计算模块则能够通过预存的数据对应关系，计算出手术器械130的绝对位置。

磁性元件150可以设置在器械后端传动连接件131的中部，或者说其设置于器械后端传动连接件131的中心轴线处(图1所示)。或者，磁性元件150还可以设置在器械后端传动连接件131的中心轴线的侧方，即磁性元件150相对于器械后端传动连接件131的中心轴线偏心设置(图2所示)。

根据本发明的判断手术器械绝对位置的机构，可以使器械驱动器110和无菌适配器120以任意方向对接，并且利用感测磁场的手段得到手术器械130的绝对位置，步骤简单，响应速度快。

然而，由于感应元件161与磁性元件150存在一定距离，同时磁性元件150的磁场要保持合适的磁场强度，因此将磁性元件150设计为小体积，使其径向截面尺寸小于器械后端传动连接件131的径向截面尺寸，以此保持合适的磁场强度。并且还需要一定手段使磁场更易于被感应元件161感测到。

为此，参考图3，优选在驱动器传动连接件111的中部设置第一通磁结构112，其贯穿设置在驱动器连接件的中部。第一通磁结构112优选由能够传导磁场的材料制成。由此，磁性元件150的磁场能够被第一通磁结构112传导后再被感应元件161所感测。

为了进一步提高感应元件161感测的灵敏度，可选在适配器传动连接件121上设置第二通磁结构122。与第一通磁结构112相类似，第二通磁结构122也优选由能够传导磁场的材料制成。其贯穿设置在适配器连接件的中部，使得适配器传动连接件121分别与驱动器传动连接件111和器械后端传动连接件131连接后，器械后端传动连接件131上的磁性元件150、第一通磁结构112和第二通磁结构122依次接触形成一个新的磁性整体，使得感应元件161能够感测到磁性元件150的磁场方向或角度。

在未示出的实施方式中，可以将无菌适配器120的做的较薄，也就是说可以降低无菌适配器120的厚度，减小其对磁场的阻隔作用。在这种情况下，可以不设置上述第二通磁结构122。

下面请参考图5和图6，器械驱动器110内具有电机142，电机142经由输出轴140连接至驱动器传动连接件111，从而进行扭矩的传输。其中，图5对应于磁性元件150设置在器械后端传动连接件131的中心轴线处的实施方式，图6对应于磁性元件150偏心设置的实施方式。

在图5所示实施方式中，为了便于器械驱动器110内的空间布局，电路板160距离驱动器传动连接件111较远，或者说电路板160靠近电机142设置。这就进一步造成了感应元件161与磁性元件150距离的加大。为此，优选在器械驱动器110内设置第三通磁结构141，进一步强化磁场的传导，提高感应元件161的灵敏性。具体地，第三通磁结构141可以设置在输出轴140的上方，使得电机142依次经由输出轴140和第三通磁结构141连接至器械驱动器110。第三通磁结构141优选与第二通磁结构122连接。

在一种可选实施方式中，可以将第三通磁结构141和输出轴140制成一体件。或者，可以使用能够传导磁场的材料制造输出轴140，使得输出轴140自身整体成为第三通磁结构141。

下面请参考图6，当磁性元件150偏心设置时，可以抬高电路板160的位置，使得感应元件161靠近驱动器传动连接件111设置，以尽可能缩小感应元件161和磁性元件150之间的距离，使得感应元件161尽可能地感应到磁性元件150磁场的强度。在这种情况下，可不设置第三通磁结构141。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种判断手术器械绝对位置的机构，用于手术机器人，所述手术机器人包括器械驱动器和无菌适配器，其特征在于：

所述器械驱动器包括驱动器传动连接件，所述无菌适配器包括适配器传动连接件，所述驱动器传动连接件与所述适配器传动连接件经由齿状结构啮合连接；

所述手术器械包括器械后端传动连接件，所述器械后端传动连接件上设置有磁性元件，所述器械后端传动连接件连接至所述适配器传动连接件；

所述器械驱动器内还设置有感应元件，以感测所述磁性元件的磁场。

2.根据权利要求1所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述器械驱动器还包括第一通磁结构，所述第一通磁结构位于所述驱动器传动连接件的中部并贯穿所述驱动器传动连接件。

3.根据权利要求2所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述无菌适配器还包括第二通磁结构，所述第二通磁结构位于所述适配器传动连接件的中部并贯穿所述适配器传动连接件。

4.根据权利要求2或3所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述器械驱动器还包括：

输出轴，所述输出轴连接至所述驱动器传动连接件；

第三通磁结构，所述第三通磁结构设置于所述输出轴的上部，以使得所述输出轴经由所述第三通磁结构连接至所述驱动器传动连接件，并且/或者所述第三通磁结构与所述输出轴构造为一体件。

5.根据权利要求4所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述感应元件靠近所述输出轴设置。

6.根据权利要求2或3所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述感应元件靠近所述驱动器传动连接件设置。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述磁性元件设置于所述器械后端传动连接件的中心轴线处。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述磁性元件偏离于所述器械后端传动连接件的中心轴线设置。

9.根据权利要求1-3中任意一项所述的判断手术器械绝对位置的机构，其特征在于，所述磁性元件的径向截面尺寸小于所述器械后端传动连接件的径向截面尺寸。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的判断手术器械绝对位置的机构。

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