CN114431959B - 隔离装置和手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔离装置和手术机器人系统，所述隔离装置用于隔离手术机器人中的有菌部件和无菌部件，所述隔离装置包括无菌屏障、第一、第二无菌屏障接口和检测部件；所述第一无菌屏障接口用于与第二无菌屏障接口可拆卸地连接；所述第一无菌屏障接口用于设置在手术机器人的一端，所述第二无菌屏障接口用于设置在无菌屏障的一端；所述检测部件设置在第一无菌屏障接口、第二无菌屏障接口及无菌屏障中的至少一个上，并用于检测无菌屏障所受到的作用力。本发明的优点在于，可检测手术过程中手术机器人上无菌屏障的受力，从而保护已建立的无菌环境，确保手术的安全性。

Description

隔离装置和手术机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种隔离装置和手术机器人系统。

背景技术

微创伤手术是指通过腹腔镜、胸腔镜等内窥镜在人体内实行手术的一种新技术，其具有创伤小、疼痛轻、出血少等优越性，从而能够有效减少病人的恢复时间、不适应，避免传统手术的一些有害副作用。

微创伤手术机器人系统能够使操作者在主操控台处通过二维或三维的显示设备观察病人体内的组织特征，并以遥控方式操控从操作机器人上的机械臂及手术工具器械来完成手术的操作。

在手术过程中，为建立手术无菌环境，通常在手术机器人系统上安装有无菌屏障，将手术机器人系统中的有菌部件与无菌部件隔离起来。如手术器械、内窥镜等均为消毒后无菌使用，而机械臂等部件不可进行消毒灭菌操作，因此需要使用无菌屏障进行隔离。

在机器人手术过程中，通常使用无菌屏障将机械臂包裹，而无菌屏障的一端固定在手术器械与机械臂末端的接口处，另一端固定在机械臂上。在实际手术过程中，机械臂跟随主操控台上的机械臂运动，手术器械接口与机械臂之间的距离产生变化，有可能造成无菌屏障从机械臂上脱落，造成无菌环境破坏，使病人处于极易感染的有菌环境中。在无菌屏障的设计中，如无菌屏障长度设计过长，则会造成无菌屏障堆叠，且有可能在运动过程中被卷入机械臂中，造成无菌屏障破裂，进而导致无菌环境建立失败，且还会影响床旁助手对机械臂运动的观察；如无菌屏障长度设计过短，则会在机械臂运动过程中拉扯无菌屏障，同样使无菌环境遭到破坏。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种隔离装置和手术机器人系统，可检测手术过程中无菌屏障的受力，以便根据无菌屏障的受力状态来判断无菌屏障的安全性，从而保护已建立的无菌环境，确保手术的安全性。

为实现上述目的，本发明提供了一种隔离装置，用于隔离手术机器人中的有菌部件和无菌部件，所述隔离装置包括无菌屏障、第一无菌屏障接口、第二无菌屏障接口和检测部件；

所述第一无菌屏障接口用于与所述第二无菌屏障接口可拆卸地连接，并且所述第一无菌屏障接口用于设置在所述手术机器人的一端，所述第二无菌屏障接口用于设置在所述无菌屏障的一端；

所述检测部件设置在所述第一无菌屏障接口上、所述第二无菌屏障接口及所述无菌屏障中的至少一者上，并用于检测所述无菌屏障所受到的作用力。

可选的，所述有菌部件包括机械臂，所述无菌部件包括手术器械，所述机械臂包括连接的调整臂和工作臂，所述工作臂的末端用于与所述手术器械可拆卸地连接；

所述无菌屏障包括机械臂无菌屏障，所述机械臂无菌屏障用于包裹在所述机械臂上；

所述第一无菌屏障接口用于设置在所述调整臂的近端，所述第二无菌屏障接口用于设置在所述机械臂无菌屏障的远端；所述无菌屏障的近端用于固定在所述工作臂的末端和所述手术器械之间。

可选的，所述检测部件包括第一检测部件，所述第一检测部件设置在所述第一无菌屏障接口上；

所述第一无菌屏障接口包括第一连接部和固定座；所述第一连接部和所述检测部件均设置在所述固定座上，所述固定座设置在所述调整臂上；所述第二无菌屏障接口包括第二连接部，所述第二连接部用于与所述第一连接部可拆卸地连接。

可选的，所述第一检测部件包括敏感元件，所述敏感元件用于感测所述固定座的形变并产生形变信息，所述形变信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

可选的，所述敏感元件为电阻应变传感器或光纤应变传感器。

可选的，所述第一检测部件包括多个所述敏感元件，多个所述敏感元件对称或不对称布置在所述固定座上。

可选的，所述调整臂包括一前端基座，所述固定座与所述前端基座固定连接。

可选的，所述第一检测部件包括运动传感器，所述运动传感器用于检测所述机械臂运动过程中的所述固定座的运动并产生运动信息，所述运动信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

可选的，所述运动传感器包括位位移传感器和/或旋转编码器；

所述位移传感器包括固定端和移动端，所述固定端设置在所述调整臂上，所述移动端设置在所述固定座上；当所述固定座相对于所述调整臂运动时，所述移动端相对于所述固定端运动，以使所述位移传感器输出位移信号，所述位移信号用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力；和/或，

所述旋转编码器包括码盘和读头，所述码盘设置在所述固定座上，所述读头设置在所述调整臂上；当所述固定座相对于所述调整臂运动时，所述码盘相对于所述读头运动，以使所述旋转编码器输出转动角度信号，所述转动角度信号用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

可选的，所述调整臂包括一前端基座，所述固定座与所述前端基座活动连接。

可选的，所述第一无菌屏障接口还包括弹性部件，所述固定基座通过所述弹性部件与所述前端基座活动连接。

可选的，所述弹性部件包括至少两根弹簧，所述前端基座具有一空腔，所述固定座的一部分设置在所述空腔内；所述至少两根弹簧设置在所述固定座的相对两侧，每根所述弹簧的一端与所述空腔的壁连接，另一端与所述固定座连接。

可选的，所述第一无菌屏障接口用于与所述第二无菌屏障接口磁性连接。

可选的，所述隔离装置包括多个所述第一无菌屏障接口，和/或，所述隔离装置包括多个所述第二无菌屏障接口。

可选的，所述检测部件包括第二检测部件；所述手术机器人包括机械臂，所述无菌屏障包括机械臂无菌屏障，所述机械臂无菌屏障用于包裹在所述机械臂上；所述第二检测部件设置在所述机械臂无菌屏障的一端。

可选的，所述第二检测部件包括敏感元件，所述敏感元件用于感测所述机械臂无菌屏障的形变并产生形变信息，所述形变信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

可选的，所述敏感元件为薄膜传感器；所述第二检测部件包括多个所述薄膜传感器，多个所述薄膜传感器对称或不对称布置在所述机械臂无菌屏障的一端。

为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括机械臂，所述机械臂包括连接的调整臂和工作臂，所述工作臂的末端用于与手术器械可拆卸地连接；所述手术机器人系统还包括任一所述的隔离装置；

所述隔离装置的无菌屏障用于覆盖所述机械臂，所述无菌屏障的近端用于固定在所述手术器械和所述工作臂的末端之间，所述无菌屏障的远端用于通过所述隔离装置的第一无菌屏障接口和第二无菌屏障接口固定在所述调整臂上。

可选的，所述无菌屏障的近端用于被夹持在所述手术器械和所述工作臂的末端之间。

可选的，所述手术机器人系统还包括主控制台，与所述隔离装置的所述检测部件通信连接；

所述主控制台用于根据所述检测部件的检测信息获取所述无菌屏障所受到的作用力，并判断所述无菌屏障所受到的作用力是否超过阈值，若是，则停止手术后自动或手动调整所述调整臂。

可选的，所述手术机器人系统还包括报警装置，与所述主控制台通信连接；

当所述无菌屏障所受到的作用力超过阈值时，所述主控制台控制所述报警装置产生报警信息，且所述主控制台还控制所述机械臂状态以解除或减小所述无菌屏障所受到的作用力。

可选的，所述报警装置包括以下中的至少一种：

语音报警装置，其设置在所述主控制台和/或控制车上，所述控制车用于装载所述机械臂；

光报警装置，其设置在所述机械臂的调整臂上；

人机交互界面，其为独立的显示设备和/或设置在所述主控制台处的成像设备上，所述人机交互界面用于发出文字提示以形成所述报警信息。

上述隔离装置和手术机器人系统通过在第一无菌屏障接口、第二无菌屏障接口和无菌屏障中的至少一个上设置检测部件，可以在手术机器人运动过程中实时检测无菌屏障的受力，以便根据无菌屏障的受力状态来判断无菌屏障的安全性，从而保护已建立的无菌环境，确保手术的安全性。较优的操作中，一旦无菌屏障的受力超过阈值，则停止手术后可自动或手动调整手术机器人，以减小或解除无菌屏障受到的拉扯，避免无菌屏障从手术机器人上脱落或避免无菌屏障破裂。此外，上述手术机器人系统通过增设报警装置，方便对操作用户发出风险提示，以便操作用户及时调整机械臂状态来解除风险，进一步提高了手术的安全性。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。附图中：

图1为本发明优选实施例中的手术机器人系统的工作场景示意图；

图2为本发明优选实施例中的手术机器人系统的控制端示意图；

图3为本发明优选实施例中的手术机器人系统的执行端示意图；

图4为本发明优选实施例中的手术机器人系统的图像端示意图；

图5为本发明优选实施例中的手术机器人系统的无菌环境示意图；

图6为本发明优选实施例中的手术机器人的机械臂无菌屏障的安装示意图；

图7a为本发明优选实施例中的机械臂无菌屏障包裹机械臂的示意图；

图7b-1和图7b-2为图7a中C1位置处的机械臂无菌屏障的近端的安装示意图；

图7c-1和图7c-2为图7a中C2位置处的机械臂无菌屏障的远端的安装示意图；

图8a为本发明优选实施例中的机械臂的运动示意图，其中手术器械围绕不动点转动；

图8b为本发明优选实施例中的机械臂在包裹机械臂无菌屏障时的运动示意图，其中手术器械围绕不动点转动；

图9a和图9b为本发明优选实施例中的机械臂运动至即极限位置的示意图；

图10为本发明优选实施例中的第一无菌屏障接口与第二无菌屏障接口的连接示意图；

图11a为本发明优选实施例中的第一无菌屏障接口的主视图；

图11b为本发明优选实施例中的第一无菌屏障接口的立体图；

图12a为本发明优选实施例中的第二无菌屏障接口的端面图；

图12b为本发明优选实施例中的第二无菌屏障接口的立体图；

图13为本发明优选实施例中的机械臂无菌屏障的受力示意图；

图14为本发明优选实施例中的第一检测部件的原理图；

图15为本发明优选实施例中的于机械臂上设置多个第一无菌屏障接口的示意图；

图16为本发明优选实施例中的手术机器人系统的运行流程图；

图17a为本发明优选实施例中的手术机器人系统的语音报警示意图；

图17b为本发明优选实施例中的手术机器人系统的光报警示意图；

图17c为本发明优选实施例中的手术机器人系统的人机交互界面报警示意图；

图18为本发明另一优选实施例中的第一无菌屏障接口的示意图；

图19为本发明另一优选实施例中的第二无菌屏障接口的示意图。

附图标记说明如下：

10-患者；100-控制端；101-主操作手；102-成像设备；103-手术控制设备；104-主控制台；200-执行端；201-调整臂；2011-第一连接部；2012-固定座；2013-前端基座；2014-敏感元件；2015-通槽；2016-固定接口；2017-位移传感器的移动端；2018-位移传感器的固定端；2019-弹性部件；202-工作臂；203-手术器械；204-控制车；205-穿刺器；300-图像端；301-内窥镜设备；302-显示设备；400-无菌屏障；401-控制车无菌屏障；402-机械臂无菌屏障；4021-机械臂无菌屏障的近端；4022-机械臂无菌屏障的远端固定点；4023-第二连接部；4024-柔性力传感器；500-光报警装置；600-人机交互界面。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的实施例作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外，复数形式“多个”包括两个及两个以上的情况。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。如在本说明书中所使用的，术语“近端”通常是指器械靠近患者的一端；“远端”是与“近端”相反，通常是指器械远离患者的一端。

图1示出了本发明优选实施例中的手术机器人系统的工作场景。如图1所示，本实施例提供一种手术机器人系统，包括控制端100、执行端200和图像端300。所述控制端100为手术机器人系统的操作端，并包括主操作手。所述执行端200为手术机器人系统的执行平台，并包括机械臂和手术器械，所述机械臂的末端连接手术器械，所述机械臂与所述主操作手具有预定的映射关系，使得控制端100和执行端200形成主从映射关系，进而使得机械臂依据主操作手的运动来实现各个方向的动作，进而使手术器械完成手术。通常的，如图6所示，所述机械臂包括依次连接的调整臂201和工作臂202，通过调整臂201调整工作臂202的空间位置以接近或远离患者10(参阅图3和图5)，并通过工作臂202驱动手术器械203围绕一不动点运动。所述图像端300用于显示手术过程中患者体内图像。

图2示出了本发明优选实施例中的手术机器人系统的控制端100。如图2所示，所述控制端100包括主操作手101、成像设备102和手术控制设备103。两个主操作手101通过其末端的控制手柄检测操作者的手部运动信息，作为整个系统的运动控制信号输入；成像设备102可为操作者提供从图像端300中检测到的患者体内的图像，为操作者进行手术操作提供可靠的图像信息。手术中，坐在控制端100前的操作者位于在消毒区域外，操作者通过操作主操作手101末端的控制手柄来控制手术器械203和内窥镜。同时操作者通过成像设备102观察传回的患者体内的画面，并据此双手操作控制执行端200上的机械臂及手术器械203运动，完成各种操作，从而达到为患者做手术的目的，且操作者可通过脚踏手术控制设备103完成电切、电凝等相关操作输入。

图3示出了本发明优选实施例中的手术机器人系统的执行端200。如图3所示，所述执行端200包括机械臂、手术器械203以及控制车204，所述机械臂包括相连接的调整臂201和工作臂202。所述手术器械203与工作臂202的末端可拆卸地连接，并用于执行具体的手术操作，如夹、切、剪等操作。所述控制车204用于装载机械臂并可在地面上移动，从而调整整个机械臂相对于手术床的位置。

图4示出了本发明优选实施例中的手术机器人系统的图像端200。如图4所示，所述图像端300包括内窥镜设备301与显示设备302。所述内窥镜设备301用于与连接在机械臂末端的内窥镜通信连接进而获取与处理患者体内的图像，所述显示设备302用于实时显示内窥镜设备301采集与处理后的图像。

图5示出了本发明优选实施例中的手术机器人系统的无菌环境。如图5所示，所述手术机器人系统的无菌环境通过隔离装置400来建立，也即，所述手术机器人系统还包括隔离装置400，用于隔离有菌部件和无菌部件。在示出的实施例中，所述有菌部件包括机械臂和控制车204，所述无菌部件包括手术器械203。

本实施例中，所述无菌屏障400包括控制车无菌屏障401及机械臂无菌屏障402。所述控制车无菌屏障401用于包裹控制车204，实现有菌的控制车204与无菌手术环境之间的隔离。所述机械臂无菌屏障402用于包裹调整臂201与工作臂202，实现有菌的机械臂与无菌手术环境之间的隔离。进一步的，无菌屏障优选为无菌袋。

图6示出了本发明优选实施例中的机械臂无菌屏障402安装于机械臂的示意图。如图6至图9b所示，作为一实施例，所述机械臂无菌屏障402的近端4021固定安装在穿刺器205与工作臂202的末端之间，所述机械臂无菌屏障402的远端4022固定安装在调整臂201上。本申请中所述的近端定义为更靠近机械臂用于持手术器械203的一端，远端定义为远离机械臂用于持手术器械203的一端。

如图7a、图7b-1和图7b-2所示，所述机械臂无菌屏障402的近端4021设置在工作臂202的末端与穿刺器205之间，优选通过穿刺器205与工作臂202的安装接口将机械臂无菌屏障402的近端4021夹紧。应知晓，微创伤手术一般需要通过穿刺器205为手术器械203提供器械通道，为此，在手术过程中，可利用穿刺器205与工作臂202之间的安装接口来固定机械臂无菌屏障402，固定操作更为简单和方便。更具体的，先如图7b-1所示，使用机械臂无菌屏障402套住工作臂202进行包裹，然后安装图7b-1中的穿刺器205，穿刺器205上的安装接口与工作臂202上的安装接口配合，即可得到图7b-2中的装配状态，此时，利用穿刺器205和工作臂202之间的安装接口即可将机械臂无菌屏障402的近端4021夹紧，为此创造了无菌环境。

如图6、图7a、图7c-1和图7c-2所示，所述机械臂无菌屏障402的远端4022固定在调整臂201上，其中，图7c-1为机械臂无菌屏障402的远端4022安装的主视图，图7c-2为机械臂无菌屏障402的远端4022安装的端面图。进一步的，所述机械臂无菌屏障402的远端4022优选磁性吸附在调整臂201上。

如图6和图7a所示，在手术过程中，所述工作臂202将会产生各个方向的运动，因此所述机械臂无菌屏障402的近端4021和远端4022之间的距离将会产生变化，且手术器械203和工作臂202之间的安装接口不会产生相对运动，近端4021基本上不会有脱落的风险，但调整臂201和工作臂202之间存在相对运动，当工作臂202运动到极限位置，如图9a和图9b所示向前伸展到极限位置，或者，如图8a和图8b所示围绕不动点RC转动时，机械臂无菌屏障402就会受到拉扯，此时，受力过大时有可能造成机械臂无菌屏障402的远端4022脱落。应理解，在图8a和图8b中，所述工作臂202驱动手术器械203围绕不动点RC转动，该过程中，工作臂202会从图8b中虚线所示的A1位置转动到实线所示的A2位置，此时，机械臂无菌屏障402的形态就会随工作臂202的运动发生变化，当工作臂202运动到某些位置时极有可能拉扯到机械臂无菌屏障402，且当受力超过极限时，有可能造成机械臂无菌屏障402的远端4022脱落或者机械臂无菌屏障402破损，导致无菌环境失效。

为解决机械臂无菌屏障402受到拉扯时出现的上述问题，所述手术机器人系统还提供了具有检测功能的隔离装置400。

所述隔离装置400包括无菌屏障、无菌屏障接口和检测部件。所述无菌屏障接口包括第一无菌屏障接口和第二无菌屏障接口，所述第一无菌屏障接口用于与第二无菌屏障接口可拆卸地连接。其中，所述第一无菌屏障接口用于设置在手术机器人的一端，所述第二无菌屏障接口用于设置在所述无菌屏障的一端。在一实施方式中，所述无菌屏障包括所述机械臂无菌屏障402，所述第一无菌屏障接口设置在调整臂201的近端，所述第二无菌屏障接口设置在机械臂无菌屏障402的远端，使得所述机械臂无菌屏障402通过所述无菌屏障接口与调整臂201的近端可拆卸地连接，从而将机械臂无菌屏障402的远端4022固定在调整臂201上。其中，所述检测部件用于检测无菌屏障所受到的作用力，例如检测机械臂运动过程中机械臂无菌屏障402所受到的作用力。

在一些实施例中，所述检测部件包括第一检测部件，所述第一检测部件安装在所述第一无菌屏障接口上，并用于检测无菌屏障所受到的作用力。在一些实施例中，所述检测部件包括第二检测部件，所述第二检测部件设置在所述无菌屏障上，以检测无菌屏障所受到的作用力。在另一些实施例中，所述检测部件包括第三检测部件，所述第三检测部件设置在所述第二无菌屏障接口上，以检测无菌屏障所受到的作用力。所述检测部件可设置在第一无菌屏障接口、第二无菌屏障接口及无菌屏障中的至少一者上。

在本实施例中，采用所述第一检测部件检测机械臂运动过程中的机械臂无菌屏障402所受到的作用力，一旦检测到机械臂无菌屏障402受到拉扯且受力超过系统阈值时，则停止手术后，先撤离手术器械203后重新定位调整臂201，调整方式可自动或手动，从而解除或减小机械臂无菌屏障402的受力，避免机械臂无菌屏障402脱落或破裂，从而保护已建立的无菌环境。

图10示意性的示出了本发明优选实施例中的第一无菌屏障接口和第二无菌屏障接口的连接方式。如图10所示，所述调整臂201的近端通常包括前端基座2013，所述第一无菌屏障接口设置在前端基座2013上。可选的，如图11a及11b所示的第一无菌屏障接口，所述第一无菌屏障接口上设置第一检测部件，所述第一检测部件包括敏感元件2014，所述第一无菌屏障接口包括固定座2012，所述敏感元件2014设置在固定座2012上，所述固定座2012设置在前端基座2013上。所述敏感元件2014用于感测当所述机械臂无菌屏障402受力时的固定座2012的形变并产生形变信息，从而手术机器人系统根据敏感元件2014所感测到的形变信息获取机械臂无菌屏障402的受力大小。进一步的，所述控制端100用于根据敏感元件2014所感测到的形变信息获取机械臂无菌屏障402的受力大小。具体的，所述控制端100还包括主控制台104，与敏感元件2014通信连接，所述主控制台104用于根据敏感元件2014的检测信息获取机械臂无菌屏障402所受到的作用力，进一步的，所述主控制台104还判断机械臂无菌屏障402所受到的作用力是否超过阈值，若是，则停止手术并撤离手术器械后，自动或手动调整调整臂201，若否，继续检测。应理解，撤离手术器械指的是将手术器械从患者体内撤离，以保证安全性。

所述第一无菌屏障接口还包括第一连接部2011，所述第一连接部2011设置在固定座2012上，所述第二无菌屏障接口包括设置在机械臂无菌屏障402的远端处的第二连接部4023。所述第一连接部2011用于与第二连接部4023可拆卸地连接。优选的，所述第一连接部2011为第一磁性部件，所述第二连接部4023为第二磁性部件，两者磁性连接，由此，机械臂无菌屏障402的远端4022可通过无菌屏障接口磁性吸附在调整臂201上，不仅结构简单，而且拆装方便。

图11a和图11b分别示出了本发明优选实施例中的第一无菌屏障接口的主视图和立体图。如图11a和图11b所示，所述第一连接部2011固定安装在固定座2012上，所述敏感元件2014设置在固定座2012上。本发明对固定座2012的结构不作特别的限定，例如可以多个固定座2012沿周向和/或轴向间隔地设置在调整臂201的前端基座2013的外表面上，也可以是一个固定座2012套设在前端基座2013上。此外，本发明对第一无菌屏障接口和第二无菌屏障接口之间的可拆卸连接方式不作限定，包括但不限于磁性连接，还可以是卡扣连接，例如将第一连接部2011设计为卡扣和卡槽中的一个，将第二连接部4023设计为卡扣和卡槽中的另一个，卡槽和卡扣相配合。如图9b和图15所示，在本实施例应用中，所述隔离装置400包括多个第一无菌屏障接口，每个第一无菌屏障接口包括一个固定座2012，多个第一无菌屏障接口沿前端基座2013的周向均匀布置，并在每个固定座2012上设置至少一个第一连接部2011和至少一个敏感元件2014。

继续参阅图11a和图11b，所述固定座2012具有被切透的通槽2015，用于放大固定座2012受力产生的形变量，本发明对通槽2015的数量和形状不作限定。所述敏感元件2014设置在通槽2015的一侧，优选邻近通槽2015布置。所述敏感元件2014为微应变传感器，如电阻应变传感器或光纤应变传感器。所述微应变传感器的敏感方向与机械臂无菌屏障402的受力趋势一致即可。进一步的，当采用电阻应变传感器来感测形变时，所述敏感元件2014的数量至少为两个并可对称或不对称布置在固定座2012上。进一步的，当采用光纤应变传感器来感测形变时，所述敏感元件2014的数量至少为一个，更优选为多个敏感元件2014并对称或不对称布置在固定座2012上，以提高检测的精度。进一步的，所述固定座2012与前端基座2013固定连接，固定连接的方式不加限制。

图12a和图12b示出了本发明优选实施例中的第二无菌屏障接口的端面图和立体图。如图12a和图12b所示，所述第二连接部4023设置在机械臂无菌屏障402的远端4022处。在本实施例应用中，所述第二连接部4023为第二磁性部件，且数量为多个并沿机械臂无菌屏障402的周向均匀或不均匀布置，优选均匀布置。应知晓，所述第二磁性部件可以布置在机械臂无菌屏障402的内侧或外侧，对此没有限定。

因此，所述第一检测部件的工作原理可以理解为，当所述机械臂无菌屏障402受到拉扯时，所述机械臂无菌屏障402受到的拉力将会传递至固定座2012，所述敏感元件2014将会获取固定座2012产生的形变，从而将固定座2012的形变信息转化为电信号传递至手术机器人系统的控制端100(主要是主控制台)，由此使手术机器人系统实现对机械臂无菌屏障402的受力监测。更详细地，在图13所示的角度下，当前端基座2013之侧面的固定座2012受到机械臂无菌屏障402向下的拉力F时，固定座2012会沿箭头S方向扭转而产生形变，而敏感元件2014则感测固定座2012的形变。

力测量的基本原理如图14所示，所述固定座2012为一种可产生弹性变形的结构，在受到力F作用时，固定座2012自身内部将产生微小变形，当撤去外力F时，固定座2012可恢复原有状态，即微小变形恢复。为检测固定座2012的受力大小，可将固定座2012自身产生的变形作为受力情况的表征。因此可在固定座2012上布置敏感元件2014。当所述敏感元件2014检测到固定座2012的变形大小时，根据固定座2012的自身物理特性，如弹性模量等，即可计算出固定座2012的受力大小，也即机械臂无菌屏障402的受力大小。

图16示出了本发明优选实施例中的手术机器人系统的运行流程图。如图16所示，在步骤S00中实现系统开机运行后，床旁护士将进行无菌环境的建立，即在步骤S01中安装隔离装置400(包括控制车无菌屏障401与机械臂无菌屏障402)。当在步骤S02中的系统运行时(手术正常开始)，即可实时通过步骤S03监测固定座2012的受力，当检测到固定座2012的受力超过系统默认阈值时，即判断为机械臂无菌屏障402受到拉扯并存在风险，此时，优选进入步骤S04：系统产生报警，以给操作用户提示，提示方式包括但不限于例如在外科医生控制台和/或外科手术系统的辅助单元处的听觉和/或视觉警报，以提示操作用户机械臂无菌屏障402具有破坏风险。出现警报信息后，操作用户需先停止手术并将手术器械从患者体内撤离，之后，通过步骤S05自动或手动调整臂201的位置，直至解除或减小固定座2012的受力，进而监测到固定座2012无受力或者受力不超过阈值时，报警信息解除，从而实现了步骤S06的系统正常运行。系统正常运行后，则可继续手术。

本实施例中，每个机械臂关节上设置有电机，电机驱动关节运动，当机械臂无菌屏障402受力超过阈值时，所述控制端100控制机械臂的调整臂201运动，以补偿工作臂202的运动来解除或减小受力，例如工作臂202向前伸展的过程中使机械臂无菌屏障402受力拉扯时，驱动调整臂201上的关节相应向前伸展来补偿工作臂202的运动。同理，也可手动操作来驱动调整臂201运动而解除或减小机械臂无菌屏障402的受力。

进一步优选的，所述手术机器人系统还包括报警装置，与主控制台104通信连接，当机械臂无菌屏障402受到拉扯并超过系统阈值时，所述主控制台104控制报警装置发出报警。所述报警装置用于发出以下报警信息中的至少一种：语音、灯光和文字信息。

如图17a所示，可在控制车204上和/或主控制台104上设置语音报警装置，以发出语音警示a，对操作用户进行错误提示。和/或，如图17b所示，可在机械臂上设置光报警装置500，以发出灯光报警，对操作用户进行错误提示。所述光报警装置500可设置在调整臂201上。可选的，所述光报警装置500用于发出闪烁的红光进行报警。和/或，如图17c所示，可通过控制端100的成像设备102的人机交互界面600发出文字提示，对操作用户进行错误提示。所述人机交互界面600还可以是对立的显示设备。

在其他实施例中，还可通过运动传感器来检测机械臂运动过程中的固定座的运动并产生运动信息，以根据所述运动信息获取所述机械臂无菌屏障402所受到的作用力。

图18示出了本发明另一优选实施例提供的第一无菌屏障接口的剖面图。如图18所示，为检测机械臂无菌屏障402是否收到外力拉扯，所述运动传感器可以为位移传感器，以机械臂无菌屏障402的位置变化，通过位置变化来表征机械臂无菌屏障402的受力状态。具体地，所述第一无菌屏障接口可包括另一种固定座，该另一种固定座可以是不产生弹性变形的结构，在本文中，将该另一种固定座定义为固定接口2016。所述固定接口2016上同样设置有第一连接部2011，且固定接口2016可移动地设置在调整臂201的前端基座2013上。此外，在固定接口2016上设置位移传感器的移动端2017，并在前端基座2013上设置位移传感器的固定端2018，一旦所述固定接口2016相对于前端基座2013沿箭头方向滑动时，位移传感器的移动端2017与位移传感器的固定端2018相互产生位移信号，根据该位移信号可检测出固定接口2016的运动位移量。当运动位移量超出系统设置默认阈值时，手术机器人系统则认为机械臂无菌屏障402受到拉扯并存在风险，并优选发出警报。进一步的，所述前端基座2013内设置有空腔(未标注)，所述固定接口2016的一部分设置在所述空腔内，且所述固定接口2016的上下两侧通过弹性部件2019连接至前端基座2013。上侧的弹性部件2019的一端固定设置在前端基座2013上，另一端与固定接口2016连接，下侧的弹性部件2019的一端以可连接或不连接的方式与固定接口2016接触以进行支撑，下侧的弹性部件2019的另一端与前端基座2013固定。从而通过上下两侧的弹性部件2019保持固定接口2016的初始位置。在初始位置时，固定接口2016保持平衡不偏离初始位置。进一步的，所述弹性部件2019优选为弹簧。所述弹簧的数量不限于两根，也可以是一根，或者超过两根，至少一根弹簧设置在固定接口2016的上侧对固定接口2016施加拉力。此时，所述固定接口2016即与前端基座2013活动连接，便于根据固定接口2016的位移来确定机械臂无菌屏障402的受力。

在另一些实施例中，所述运动传感器还可以是旋转编码器，旋转编码器的码盘设置在固定座上，所述旋转编码器的读头设置在前端基座2013上；当所述固定座相对于所述调整臂运动时，所述旋转编码器输出转动角度信号，根据转动角度信号即可获取机械臂无菌屏障402的受力。在其他实施例中，所述旋转编码器和所述位移传感器也可同时布置。

图19示出了本发明另一优选实施例中的第二无菌屏障接口的示意图。如图19所示，在另一实施方式中，所述检测部件包括第二检测部件，设置在机械臂无菌屏障402上。更详细地，在机械臂无菌屏障402的远端处设置第二无菌屏障接口，所述第二无菌屏障接口包括第二连接部4023，所述第二检测部件直接设置在机械臂无菌屏障402上，所述第二检测部件用于直接感测机械臂无菌屏障402的远端受力大小，优选所述第二检测部件邻近机械臂无菌屏障402的远端4022设置。进一步的，所述第二检测部件包括柔性力传感器4024。所述柔性力传感器4024即为敏感元件，用于感测所述机械臂无菌屏障402的形变并产生形变信息，以根据所述形变信息获取所述机械臂无菌屏障402所受到的作用力。进一步的，所述柔性力传感器4024为集成式薄膜传感器，包括但不限于压电薄膜传感器。所述薄膜传感器可通过粘接、热压、内嵌等方式固定安装在机械臂无菌屏障402上。当机械臂无菌屏障402受到拉力时，所述薄膜传感器即可感知机械臂无菌屏障402的受力大小。所述薄膜传感器通常至少为两个并对称或不对称布置在机械臂无菌屏障402的远端。应理解，在机械臂无菌屏障402上设置敏感元件的种类不限于薄膜传感器，还可以是电阻应变片等。

综上，根据本发明实施例提供的技术方案，上述手术机器人系统通过在第一无菌屏障接口、第二无菌屏障接口和机械臂无菌屏障中的一个上设置检测部件，可以在机械臂运动过程中实时检测机械臂无菌屏障的受力，以便根据机械臂无菌屏障的受力状态来判断机械臂无菌屏障的安全性，从而保护已建立的无菌环境，确保手术的安全性。例如一旦机械臂无菌屏障的受力超过阈值，则停止手术并撤离手术器械后，可自动或手动调整机械臂，以减小或解除机械臂无菌屏障受到的拉扯，避免机械臂无菌屏障从机械臂上脱落或避免机械臂无菌屏障破裂，从而保护已建立的无菌环境，确保手术的安全性。补充说明的是，本发明对实现机械臂无菌屏障受力的检测的传感器的类型不作限定，包括但不限于上述优选实施例中提供的检测方式，本领域技术人员在本申请文件公开内容的基础上，应当知晓还可以选用其他类型的传感器进行检测，这些检测方式应包含在本发明的保护范围之内。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种隔离装置，用于隔离手术机器人中的有菌部件和无菌部件，所述有菌部件包括机械臂，所述无菌部件包括手术器械，所述机械臂包括连接的调整臂和工作臂，所述工作臂的末端用于与所述手术器械可拆卸地连接，其特征在于，所述隔离装置包括无菌屏障、第一无菌屏障接口、第二无菌屏障接口和检测部件；

所述无菌屏障包括机械臂无菌屏障，所述机械臂无菌屏障用于包裹在所述机械臂上；

所述第一无菌屏障接口用于与所述第二无菌屏障接口可拆卸地连接，并且所述第一无菌屏障接口用于设置在所述调整臂的近端，所述第二无菌屏障接口用于设置在所述机械臂无菌屏障的远端；所述机械臂无菌屏障的近端用于固定在所述工作臂的末端和所述手术器械之间；

所述检测部件设置在所述第一无菌屏障接口、所述第二无菌屏障接口及所述无菌屏障中的至少一者上，并用于检测所述无菌屏障所受到的作用力；

所述检测部件用于感测所述第一无菌屏障接口、所述无菌屏障及所述第二无菌屏障接口中的至少一者的形变并产生形变信息，所述形变信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力，和/或，

所述检测部件用于检测所述机械臂运动过程中的所述第一无菌屏障接口的运动并产生运动信息，所述运动信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

2.根据权利要求1所述的隔离装置，其特征在于，所述检测部件包括第一检测部件，所述第一检测部件设置在所述第一无菌屏障接口上；

所述第一无菌屏障接口包括第一连接部和固定座；所述第一连接部和所述第一检测部件均设置在所述固定座上，所述固定座设置在所述调整臂上；

所述第二无菌屏障接口包括第二连接部，所述第二连接部用于与所述第一连接部可拆卸地连接。

3.根据权利要求2所述的隔离装置，其特征在于，所述第一检测部件包括敏感元件，所述敏感元件用于感测所述固定座的形变并产生形变信息，所述形变信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

4.根据权利要求3所述的隔离装置，其特征在于，所述敏感元件为电阻应变传感器或光纤应变传感器。

5.根据权利要求3所述的隔离装置，其特征在于，所述第一检测部件包括多个所述敏感元件，多个所述敏感元件对称或不对称布置在所述固定座上。

6.根据权利要求2-5中任一所述的隔离装置，其特征在于，所述调整臂包括一前端基座，所述固定座与所述前端基座固定连接。

7.根据权利要求2所述的隔离装置，其特征在于，所述第一检测部件包括运动传感器，所述运动传感器用于检测所述机械臂运动过程中的所述固定座的运动并产生运动信息，所述运动信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

8.根据权利要求7所述的隔离装置，其特征在于，所述运动传感器包括位移传感器和/或旋转编码器；

所述位移传感器包括固定端和移动端，所述固定端设置在所述调整臂上，所述移动端设置在所述固定座上；当所述固定座相对于所述调整臂运动时，所述移动端相对于所述固定端运动，以使所述位移传感器输出位移信号，所述位移信号用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力；和/或，

所述旋转编码器包括码盘和读头，所述码盘设置在所述固定座上，所述读头设置在所述调整臂上；当所述固定座相对于所述调整臂运动时，所述码盘相对于所述读头运动，以使所述旋转编码器输出转动角度信号，所述转动角度信号用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

9.根据权利要求7或8所述的隔离装置，其特征在于，所述调整臂包括一前端基座，所述固定座与所述前端基座活动连接。

10.根据权利要求9所述的隔离装置，其特征在于，所述第一无菌屏障接口还包括弹性部件，所述固定座通过所述弹性部件与所述前端基座活动连接。

11.根据权利要求10所述的隔离装置，其特征在于，所述弹性部件包括至少两根弹簧，所述前端基座具有一空腔，所述固定座的一部分设置在所述空腔内；所述至少两根弹簧分别设置在所述固定座的相对两侧，每根所述弹簧的一端与所述空腔的壁连接，另一端与所述固定座连接。

12.根据权利要求1所述的隔离装置，其特征在于，所述第一无菌屏障接口用于与所述第二无菌屏障接口磁性连接。

13.根据权利要求1所述的隔离装置，其特征在于，所述隔离装置包括多个所述第一无菌屏障接口，和/或，所述隔离装置包括多个所述第二无菌屏障接口。

14.根据权利要求1所述的隔离装置，其特征在于，所述检测部件包括第二检测部件；所述无菌屏障包括机械臂无菌屏障，所述机械臂无菌屏障用于包裹在所述机械臂上；所述第二检测部件设置在所述机械臂无菌屏障的一端。

15.根据权利要求14所述的隔离装置，其特征在于，所述第二检测部件包括敏感元件，所述敏感元件用于感测所述机械臂无菌屏障的形变并产生形变信息，所述形变信息用于表征所述机械臂无菌屏障所受到的作用力。

16.根据权利要求15所述的隔离装置，其特征在于，所述敏感元件为薄膜传感器；所述第二检测部件包括多个所述薄膜传感器，多个所述薄膜传感器对称或不对称布置在所述机械臂无菌屏障的一端。

17.一种手术机器人系统，其特征在于，包括机械臂，所述机械臂包括连接的调整臂和工作臂，所述工作臂的末端用于与手术器械可拆卸地连接；所述手术机器人系统还包括如权利要求1-16中任一所述的隔离装置；

所述隔离装置的无菌屏障用于覆盖所述机械臂，所述无菌屏障的近端用于固定在所述手术器械和所述工作臂的末端之间，所述无菌屏障的远端用于通过所述隔离装置的第一无菌屏障接口和第二无菌屏障接口固定在所述调整臂上。

18.根据权利要求17所述的手术机器人系统，其特征在于，所述无菌屏障的近端用于被夹持在所述手术器械和所述工作臂的末端之间。

19.根据权利要求17所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括主控制台，与所述隔离装置的所述检测部件通信连接；

所述主控制台用于根据所述检测部件的检测信息获取所述无菌屏障所受到的作用力，并判断所述无菌屏障所受到的作用力是否超过阈值，若是，则停止手术后自动或手动调整所述调整臂。

20.根据权利要求19所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括报警装置，与所述主控制台通信连接；

当所述无菌屏障所受到的作用力超过阈值时，所述主控制台控制所述报警装置产生报警信息，且所述主控制台还控制所述机械臂状态以解除或减小所述无菌屏障所受到的作用力。

21.根据权利要求20所述的手术机器人系统，其特征在于，所述报警装置包括以下中的至少一种：

语音报警装置，其设置在所述主控制台和/或控制车上，所述控制车用于装载所述机械臂；

光报警装置，其设置在所述机械臂的调整臂上；

人机交互界面，其为独立的显示设备和/或设置在所述主控制台处的成像设备上，所述人机交互界面用于发出文字提示以形成所述报警信息。