CN113952035B - 一种多自由度持镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度持镜装置，涉及医疗技术领域。本发明的持镜装置包括机体、设置于所述机体上的机械臂和转动连接于所述机械臂末端的滑台，其中，所述机体和/或所述滑台上设置有用于控制所述机械臂和所述滑台动作的功能按键，所述机械臂具有至少六个旋转自由度，所述滑台上设置有用于安装手术器械组件的器械夹持组件。本发明的持镜装置，实现了单设备自由控制，有利于各种状态下的控制与操作，相较之前增加了一个自由度，执镜装置整体可达到至少七个自由度，实现更大的灵活性和灵敏度和活动方位，从而减少机械臂在运动过程中发生不可逆解的情况，同时，滑台的兼容性强，手术器械拆装方便。

Description

一种多自由度持镜装置

技术领域

发明涉及医学机器人技术领域，尤其涉及一种多自由持镜装置。

背景技术

在微创外科手术中，经常需要医生手动进行组织的切割、剥离、缝合等，对于一些复杂的外科手术，需要医生长时间站立并手持微型手术器械进行手术，医生很容易疲劳，从而影响手术的质量。同时，常规的微创手术器械是对传统开放性手术器械的简单模仿，自由度少、灵活性低且器械内摩擦力大，会导致传动力的衰减以及医生疲劳，难以避免医生的手颤、疲劳引起的手术的精确度的降低，不便于手术的顺利开展。

目前，有机器人辅助的微创外科手术逐步应用到实际的临床中，这些机器人通常具有多个持镜装置，在手术过程中，根据分工不同而在不同的持镜装置的滑台上安装不同的手术器械，如手术刀、手术剪或内窥镜等。这些机器人通常需要通过与远端的操作台相关联，进而才能通过远端的操作台进行控制。同时，机器人的自由度较低，例如在进行较复杂的微创手术时，无法满足医生在进行手术时对手术器械的自由度、灵活性和灵敏度的要求，因此现有技术中机器人手术操作存在不灵活的技术问题。此外，在手术过程中，操作医生需要用的手术器械多种多样，现有手术器械无法做到与其他手术机器人兼容，并且无法随时更换手术器械，但为提高手术的效率，使得对病人的救治更加及时，所以快速地更换手术器械是十分必要地。

发明内容

本发明提供了一种多自由度持镜装置，实现了单设备自由控制，有利于各种状态下的控制与操作，相较之前增加了一个自由度，执镜装置整体可达到至少七个自由度，实现更大的灵活性和灵敏度和活动方位，从而减少机械臂在运动过程中发生不可逆解的情况，同时，滑台的兼容性强，手术器械拆装方便。

本发明的一种多自由度持镜装置，包括：机体、设置于所述机体上的机械臂和转动连接于所述机械臂末端的滑台，

其中，所述机体和/或所述滑台上设置有用于控制所述机械臂和所述滑台动作的功能按键，所述机械臂具有至少六个旋转自由度，所述滑台上设置有用于安装手术器械组件的器械夹持组件。

在一个实施方式中，所述功能按键包括：远近端切换按键，所述远近端切换按键设置于所述滑台上；

所述远近端切换按键被按下时，所述持镜装置可在近端控制状态和远端控制状态切换。

在一个实施方式中，所述功能按键还包括：展开按键和收回按键，所述展开按键和所述收回按键均设置于所述机体上；

所述展开按键被按下时，所述机械臂和所述滑台可达到预设的展开位置；

所述收回按键被按下时，所述机械臂和所述滑台可达到预设的收回位置。

在一个实施方式中，所述功能按键包括：所述功能按键还包括：释放按键，所述释放按键设置于所述滑台上；

在所述近端控制状态下，所述释放按键被按住可使所述机械臂和所述滑台处于自由摆放状态。

在一个实施方式中，所述功能按键还包括紧急开关按键，所述紧急开关按键设置于所述机体上；

所述紧急开关按键被按下可使所述机械臂和所述滑台的动作紧急停止。

在一个实施方式中，所述滑台通过旋转法兰转动连接于所述机械臂的末端，所述旋转法兰具有可相对转动的前端和后端，所述旋转法兰的后端与所述机械臂的末端可拆卸连接，所述旋转法兰的前端与所述滑台的后侧可拆卸连接；

所述机械臂的末端的内部设有用于驱动所述滑台转动的末端旋转电机，所述末端旋转电机的转子与所述旋转法兰的前端固定连接。

在一个实施方式中，所述滑台的后侧面设有安装法兰，所述安装法兰的前端与所述滑台的后侧可拆卸连接，所述安装法兰的后端与所述旋转法兰的前端可拆卸连接。

在一个实施方式中，所述器械夹持组件包括滑动连接于所述滑台前侧或后侧的第一器械夹持组件，所述第一器械夹持组件用于安装所述手术器械组件中的第一器械；

所述第一器械夹持组件包括第一转接座和第一隔离座，所述第一转接座套设于所述滑台上，其中，所述第一转接座的前侧部滑动连接于所述滑台的前侧上，所述第一隔离座固定于所述第一转接座的后侧面上，所述第一器械可拆卸安装于所述第一隔离座上。

在一个实施方式中，所述器械夹持组件还包括固定连接于所述滑台前侧或后侧的第二器械夹持组件，所述第二器械夹持组件用于安装所述手术器械组件中的第二器械；

所述第二器械夹持组件包括第二转接座和第二隔离座，所述第二转接座套设于所述滑台上，其中所述第二转接座的前侧部固定连接于所述滑台的前侧上，所述第二隔离座固定于所述第二转接座的后侧面上，所述第二器械可拆卸安装与所述第二隔离座上。

在一个实施方式中，所述机械臂包括依次转动相连的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节，所述第一关节用于与所述机体转动连接，所述滑台转动连接于所述第六关节的末端；

所述第二关节与所述第三关节之间设有第一连接臂，所述第一连接臂的两端分别与所述第二关节和所述第三关节相连；

所述第三关节和所述第四关节之间设有第二连接臂，所述第二连接臂的两端分别与所述第三关节和所述第四关节相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过机体和/或滑台上设置功能按键，无需与其它控制设备相关联，即可对机械臂和滑台的动作进行控制，实现了单设备自由控制，有利于各种状态下的控制与操作，通过滑台转动连接于机械臂的末端，使整个持镜装置相较之前增加了一个自由度，具体可达到至少七个自由度，实现更大的灵活性和灵敏度和活动方位，从而减少持镜装置在运动过程中发生不可逆解的情况，有利于手术的进行，同时，滑台上通过设置器械夹持组件安装手术器械组件，使手术器械的拆装方便，并提高了滑台的兼容性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的一个实施例中的持镜装置整体结构示意图。

图2是本发明的一个实施例中的机械臂与滑台的展开位置示意图。

图3是本发明的一个实施例中的机械臂与滑台的收回位置示意图。

图4是本发明的一个实施例中的机体上的功能按键示意图。

图5是本发明的一个实施例中的滑台上的功能按键示意图。

图6是本发明的一个实施例中的机械臂与滑台的示意图；

图7是本发明的一个实施例中的机械臂与滑台的连接结构示意图1；

图8是本发明的一个实施例中的机械臂与滑台的连接结构示意图2；

图9是本发明的一个实施例中的滑台的结构示意图。

图10是本发明的一个实施例中的第一转接座结构示意图。

图11是本发明的一个实施例中的第二转接座结构示意图。

1-机械臂；2-滑台；3-旋转法兰；4-安装法兰；5-机体；

11-第一关节；12-第二关节；13-第三关节；14-第四关节；

15-第五关节；16-第六关节；17-第一连接臂；18-第二连接臂；

19-第一器械；20-第二器械；21-第一转接座；22-第一隔离座；

23-第二转接座；24-第二隔离座；25-第一连接部；26-第一转接部；

27-第一安装部；28-第二连接部；29-第二转接部；30-第二安装部；

31-器械安装支架；32-远近端切换按键；33-展开按键；34-收回按键；

35-释放按键；36-紧急开关按键；37-指示灯。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种多自由度持镜装置，如图1中所示，包括机体5、设置于所述机体5上的机械臂1和转动连接于所述机械臂1末端的滑台2，其中，所述机体5和/或所述滑台2上设置有用于控制所述机械臂1和所述滑台2动作的功能按键，所述机械臂1具有至少六个旋转自由度，所述滑台2上设置有用于安装手术器械组件的器械夹持组件。

与现有技术相比，通过机体5和/或滑台2上设置功能按键，无需与其它控制设备相关联，即可对机械臂1和滑台2的控制，实现了单设备自由控制，有利于各种状态下的控制与操作，通过滑台2转动连接于机械臂1的末端，使整个执行臂组件持镜装置相较之前增加了一个自由度，具体可达到至少七个自由度，实现更大的灵活性和灵敏度和活动方位，从而减少执行臂组件持镜装置在运动过程中发生不可逆解的情况，有利于手术的进行，同时，滑台2上通过设置器械夹持组件安装手术器械组件，使手术器械的拆装方便，并提高了滑台2的兼容性。

在一个实施例中，如图5中所示，滑台2上设置有远近端切换按键32和释放按键35，机体5上设置有紧急开关按键36、展开按键33和收回按键34。

其中，按下远近端切换按键32，持镜装置可在近端控制状态和远端控制状态切换。需要说明的是，近端控制状态是指操作人员或医生可直接通过持镜装置上的各功能按键对机械臂1和滑台2的动作进行控制的状态；远端控制状态是指操作人员或医生通过外部的操作台(控制台)从远端对机械臂1和滑台2的动作进行控制的状态。

在近端控制状态下，如图4中所示，按下展开按键33，机械臂1和滑台2可达到预设的展开位置，按下收回按键34，机械臂1和滑台2可达到预设的收回位置。

具体地，在非使用时，机械臂1和滑台2处于收回位置，并呈折叠状态，如图2中所示，在使用时，按下展开按键33，机械臂1和滑台2处于收回位置达到展望位置并呈展开状态，如图3中所示。通过设置展开按键33和收回按键34，使操作更加简单方便，并有利于节省手术时间。

在近端控制状态下，按住所述释放按键35，使所述机械臂1和所述滑台2处于自由摆放状态，此时机械臂1处于自由驱动模式，其各个关节的电机刹车处于释放状态，在该状态下可拖动机械臂1将其摆放至任意位置，以方便操作。

在近端控制状态下，当滑台2和机械臂1处于紧急状态时，例如发生故障等紧急情况时，按下所述紧急开关按键36，使所述机械臂1和所述滑台2的动作紧急停止，可提高手术操作的安全性。

此外，滑台2上还设置有指示灯37，用于提示持镜装置当前的状态。例如，该指示灯37的灯光有蓝色、绿色和红色三种颜色，持镜装置处于近端控制状态时，指示灯37显示为蓝色，处于远端控制状态时，指示灯37显示为绿色，处于紧急状态时，指示灯37显示为红色。

需要说明的是，机体5内中可设置有现有技术的各种控制模块，用于实现对机械臂1和滑台2的动作的控制，并使各功能按键实现相关功能，或者用于与外部的操作台相连并接收操作台发出的控制指令，本发明不在赘述。

如图6-8中所示，在一个实施例中，滑台2通过旋转法兰3转动连接于所述机械臂1的末端，所述滑台2的后侧设有安装法兰4，所述旋转法兰3的后端与所述机械臂1的末端可拆卸连接，旋转法兰3的前端与安装法兰4的后端固定连接。其中，旋转法兰3具有可相对转动的前端和后端。

在一个实施例中，机械臂1的末端内设置有末端旋转电机，末端旋转电机的转子与旋转法兰3或安装法兰4连接，用于驱动滑台2转动。

在一个实施例中，机械臂1具有六个旋转自由度，其实现方式如下。

如图6-8中所示，机械臂1包括依次相连的第一关节11、第二关节12、第一连接臂17、第三关节13、第二连接臂18、第四关节14、第五关节15和第六关节16。其中，第一关节11转动连接于台车机架上，第六关节16的末端用于安装滑台2。通过设置第一连接臂17和第二连接臂18可增加机械臂1的整体长度，六个关节用于实现机械手臂的转动动作。这样，通过上述的六个关节的旋转，能够实现机械臂1的六个转动自由度，从而机械臂1的动作能够完全模仿人体的手臂运动，从而将实际需要操作的病灶位置精确地进行定位而无需医生的辅助操作，使医生的视线与需要操作的病灶位置重合，避免了医生手眼不一致而增大手术的风险。

具体的，除了第六关节16内可设置末端旋转电机，其他五个关节内也均可设置旋转电机用于驱动转动动作。

另外，上述的六个关节上均可设置关节传感器，以测量各关节的转动角度，从而获得机械臂1当前的姿态信息。

进一步地，滑台2的旋转轴与第六关节16的旋转轴相互垂直。即，滑台2 垂直安装在第六关节16上，便于实现滑台2与机械臂1末端的转动连接，从而释放机械臂1的一个自由度，增大滑台2的动作范围。

进一步地，第一关节11的旋转轴与第二关节12的旋转轴相互垂直，并且第三关节13的旋转轴与第二关节12的旋转轴相互平行。

进一步地，第四关节14的旋转轴、第五关节15的旋转轴和第六关节16的旋转轴相互垂直。这样，有利于每个关节获得尽可能大的动作范围，避免相邻关节动作时发生干涉。

在一个实施例中，滑台2包括外壳和滑台机体以及设置在外壳内部的驱动电机、同步带传动机构、丝杠直线运动机构、器械安装座和丝杆安装板以及安装法兰4。上述器械安装座用于安装手术器械组件，如图7-8所示，滑台的前侧面上设置有一个手术器械，通过驱动电机输出的左右旋转运动经同步带轮传动后转化为丝杠的直线往复运动，进而带动器械安装座以及手术器械组件的往复运动。其中，安装法兰4固定于丝杠安装板上，并位于驱动电机的上方，通过安装法兰4 实现滑台2与机械臂1末端的转动连接。

需要说明的是，上述的持镜装置的数量可以是两个或者两个以上，多个持镜装置可以固定在台车机架的不同侧部，以及持镜装置的末端(滑台2)可以安装有不同的手术工具，从而满足复杂手术的要求。

另外，可适当地缩小滑台2的外形尺寸，有利于增加滑台2的活动空间，同时减小相邻滑台2在运动时造成干涉的范围。

在一个实施例中，如图9所示，手术器械组件包括第一器械19和第二器械 20，滑台2上设有第一器械夹持组件和第二器械夹持组件，其分别用于安装第一器械19和第二器械20，第一器械夹持组件滑动连接于滑台2上，第二器械夹持组件固定连接于滑台2上。这样，每台滑台2上可安装两种手术器械，提高了滑台2的兼容性。

在一个实施例中，第一器械夹持组件包括第一转接座21和第一隔离座22，第一转接座21套设于滑台2上，其中，第一转接座21的前侧部滑动连接于滑台 2的前侧上，第一隔离座22固定于第一转接座21的后侧面上，第一器械19可拆卸安装于第一隔离座22上；第二器械夹持组件包括第二转接座23和第二隔离座 24，第二转接座23套设于滑台2上，其中第二转接座23的前侧部固定连接于滑台2的前侧上，第二隔离座24固定于第二转接座23的后侧面上，第二器械20 可拆卸安装与第二隔离座24上。

在安装手术器械时，打开第一隔离座22和第二隔离座24，将第一器械19和第二器械20放置于其对应的位置后，再锁紧第一隔离座22和第二隔离座24。

本实施例中通过第一转接座21和第二转接座23将第一器械19和第二器械 20设置在滑台2后侧面(即与机械臂1连接的一侧)，与将手术器械设置于滑台 2的前侧面(远离机械臂1的一侧)相比，手术器械拆装时，使滑台2呈大致水平状态，如图4中所示，此时，第一器械19和第二器械20位于滑台2的上方，可避免拆卸盲点，操作更加方便，拆装更加快捷，同时，在进行拆装时，需要机械臂1的动作较少或动作幅度较小，并且可避免由于滑台2与机械臂1干涉而难以操作的问题。从而，简化了医生的操作步骤，并且可有效地提升手术的效率，使得医生可更加及时的挽救病人的生命，有效地提升了手术的成功率。

例如，当机械臂和滑台处于图7中所示的状态时，手术器械设于滑台2的前侧面上，执行手术器械的拆装操作需将滑台2的前侧面水平朝向上方，若将机械臂1的第五关节15顺时针旋转，滑台2会与第三关节13或者第二连接臂18发生干涉，而无法实现使其前侧面水平朝向上方，或者需要机械臂1更大的动作(更多的关节动作)才能实现；而如果该手术器械设置于滑台2的后侧面时，则机械臂1的第五关节15逆时针旋转一个很小的角度，即可使滑台2的后侧面水平朝向上方，从而可进行拆装操作，操作简单且快捷。

具体地，如图10中所示，第一转接座21包括沿滑台2的宽度方向延伸并位于滑台2的前方的第一连接部25、沿滑台2的厚度方向延伸的第一转接部26以及沿滑台2的宽度方向延伸并位于滑台2的后方的第一安装部27。其中，第一连接部25用于与滑台2的前侧滑动连接，第一安装部27用于固定第一隔离座22，第一转接部26用于将第一连接部25和第一安装部27连接为一体。

如图11中所示，第二转接座23包括沿滑台2的宽度方向延伸并位于滑台2 的前方第二连接部28、沿滑台2的厚度方向延伸的第二转接部29以及沿滑台2 的宽度方向延伸并位于滑台2的后方的第二安装部30。其中，第二连接部28用于与滑台2远离机械臂1的一端的前侧固定连接，第二安装部30用于固定第二隔离座24，第二转接部29用于将第二连接部28和第二安装部30连接为一体。

在一个实施例中，第一转接座21和第二转接座23可通过螺钉固定在滑台2 的前侧面上。第一隔离座22上开设有第一安装孔，用于夹持第一器械19，第二隔离座24上设置有器械安装支架31，器械安装支架31上开设有第二安装孔用于安装第二器械20。

优选地，第一安装孔和第二安装孔的大小可调，且第一安装孔与第二安装孔位于同一水平轴线上，以实现不同器械的精准定位。例如，第一安装孔和第二安装孔的大小可调，可通过一种具有孔径可调的卡扣实现。

可选地，第一安装孔和第二安装孔内设有防滑结构，以增加手术过程中手术器械组件的稳定性。

可选地，第一安装孔和第二安装孔的孔壁采用特殊材料制备，以具备防滑作用。

在一个实施方式中，为提高手术器械组件与滑台2的滑动效果，可在所述滑台2和第一转接座21之间的接触面增加减少阻力的结构，例如滑轮、或钢珠与滑动槽等。

在一个实施例中，第一器械19优选内窥镜，与之对应的第二器械20优选穿刺器。

在安装手术器械时，打开第一隔离座22和第二隔离座24，将内窥镜和穿刺器放置于其对应的位置后，向前推进内窥镜至穿刺器内合适的位置，再锁紧第一隔离座22和第二隔离座24。

基于实际手术操作需要，第一器械19和第二器械20还可以是其他器械的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“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发明和简化描述，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发明的限制。其中，本发明中，滑台2的“后侧”指其与机械臂1连接的一侧，滑台2的“前侧”指其远离机械臂1的一侧。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (1)

1.一种多自由度持镜装置，其特征在于，

包括：

机体、设置于所述机体上的机械臂和转动连接于所述机械臂末端的滑台，

其中，所述机体和/或所述滑台上设置有用于控制所述机械臂和所述滑台动作的功能按键，所述机械臂具有至少六个旋转自由度，所述滑台上设置有用于安装手术器械组件的器械夹持组件；

所述滑台通过旋转法兰转动连接于所述机械臂的末端，所述旋转法兰具有可相对转动的前端和后端，所述旋转法兰的后端与所述机械臂的末端可拆卸连接，所述旋转法兰的前端与所述滑台的后侧可拆卸连接；

所述机械臂的末端的内部设有用于驱动所述滑台转动的末端旋转电机，所述末端旋转电机的转子与所述旋转法兰的前端固定连接；

所述滑台的后侧面设有安装法兰，所述安装法兰的前端与所述滑台的后侧可拆卸连接，所述安装法兰的后端与所述旋转法兰的前端可拆卸连接；

所述器械夹持组件包括滑动连接于所述滑台前侧或后侧的第一器械夹持组件，所述第一器械夹持组件用于安装所述手术器械组件中的第一器械；

所述第一器械夹持组件包括第一转接座和第一隔离座，所述第一转接座套设于所述滑台上，其中，所述第一转接座的前侧部滑动连接于所述滑台的前侧上，所述第一隔离座固定于所述第一转接座的后侧面上，所述第一器械可拆卸安装于所述第一隔离座上；

所述器械夹持组件还包括固定连接于所述滑台前侧或后侧的第二器械夹持组件，所述第二器械夹持组件用于安装所述手术器械组件中的第二器械；

所述第二器械夹持组件包括第二转接座和第二隔离座，所述第二转接座套设于所述滑台上，其中所述第二转接座的前侧部固定连接于所述滑台的前侧上，所述第二隔离座固定于所述第二转接座的后侧面上，所述第二器械可拆卸安装与所述第二隔离座上；

所述功能按键包括：远近端切换按键，所述远近端切换按键设置于所述滑台上；

所述远近端切换按键被按下时，所述持镜装置可在近端控制状态和远端控制状态切换；

所述功能按键还包括：展开按键和收回按键，所述展开按键和所述收回按键均设置于所述机体上；

所述展开按键被按下时，所述机械臂和所述滑台可达到预设的展开位置；

所述收回按键被按下时，所述机械臂和所述滑台可达到预设的收回位置；

所述功能按键还包括：释放按键，所述释放按键设置于所述滑台上；

在所述近端控制状态下，所述释放按键被按住可使所述机械臂和所述滑台处于自由摆放状态；

所述功能按键还包括紧急开关按键，所述紧急开关按键设置于所述机体上；

所述紧急开关按键被按下可使所述机械臂和所述滑台的动作紧急停止；

所述机械臂包括依次转动相连的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节，所述第一关节用于与所述机体转动连接，所述滑台转动连接于所述第六关节的末端；

所述第二关节与所述第三关节之间设有第一连接臂，所述第一连接臂的两端分别与所述第二关节和所述第三关节相连；

所述第三关节和所述第四关节之间设有第二连接臂，所述第二连接臂的两端分别与所述第三关节和所述第四关节相连；

第一转接座包括沿滑台的宽度方向延伸并位于滑台的前方的第一连接部、沿滑台的厚度方向延伸的第一转接部以及沿滑台的宽度方向延伸并位于滑台的后方的第一安装部；其中，第一连接部用于与滑台的前侧滑动连接，第一安装部用于固定第一隔离座，第一转接部用于将第一连接部和第一安装部连接为一体；

第二转接座包括沿滑台的宽度方向延伸并位于滑台的前方第二连接部、沿滑台的厚度方向延伸的第二转接部以及沿滑台的宽度方向延伸并位于滑台的后方的第二安装部；其中，第二连接部用于与滑台远离机械臂的一端的前侧固定连接，第二安装部用于固定第二隔离座，第二转接部用于将第二连接部和第二安装部连接为一体。