CN114601413A - 一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统 - Google Patents

一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统 Download PDF

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CN114601413A CN202210356694.7A CN202210356694A CN114601413A CN 114601413 A CN114601413 A CN 114601413A CN 202210356694 A CN202210356694 A CN 202210356694A CN 114601413 A CN114601413 A CN 114601413A
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何炳蔚
罗宏熠
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Abstract

本发明公开一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，包括微型相机、连续体、刚性臂体、弯曲驱动模块、机器人支架及图像显示模块；所述刚性臂体和所述弯曲驱动模块均安装在所述机器人支架上，所述连续体安装在所述刚性臂体的末端，所述连续体与所述弯曲驱动模块传动配合，所述连续体远离所述刚性臂体的一端安装有所述微型相机，所述微型相机与所述图像显示模块电性连接；连续体包括一双螺旋结构连续体和一刚性铰链连续体。本发明提供的一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，能够实现不同刚度的组合，避免了整段连续体弯曲曲率恒定的限制，连续体外形小，可变刚度，灵活性高，适用于经自然腔道的手术。

Description

一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统。
背景技术
传统的刚性内窥镜系统是在刚性杆上装有内窥镜，通过开创口的方式将微型相机送进人体内进行观测。显然，刚性机器人进行人体内观测的难度较大，同时为满足精度与控制方面的要求，制造成本也比较高。人体内放入带有微型相机刚性机器人时，往往需要在人体表面开创口的方式投入，这会导致人体术后恢复缓慢。经自然腔道投入内窥镜，可大大减少了医疗观测的风险。利用手术机器人经自然腔道进行医疗观测可以在很大程度上解决传统内窥镜带来的风险，这就要求机器人的机构设计上拥有适应自然腔道到达病灶并且完成观测任务的能力。
目前机器人构型可以分为两类：一种是刚性的机械臂，另外一种的连续体构型。显然，刚性机器人的灵活度并不高，同时体积较大，并且无法满足狭长的自然腔道环境。而连续体机构拥有功能柔性的特点，能够适用于人体自然腔道复杂分布的环境，因此经自然腔道的医疗任务主要以连续体构型的手术机器人来完成。
目前连续体构型主要可以分为几种：柔性离散型、柔性铰链型和柔性连续型。其中柔性离散型的连续体机器人具有控制精度不高，且体积较大的缺陷，不适用于需要在狭长的自然腔道内进行高精度医疗观测作业，柔性铰链型的连续体机器人由多个刚性关节组成，具有功能性柔性，有较强的承受负载能力，但同时转向行程容易受加工因数影响。柔性连续型结构的连续体又具有良好的弯曲能力和灵活能力，承载能力较弱。
综合柔性铰链型连续体结构与柔性连续型结构的优点，本发明采用组合螺旋和铰链构建柔性连续型内窥镜，这样避免以上缺陷同时确保连续体机器人能够有更高的承载能力。其中螺旋结构属于柔性连续型结构的一种，螺旋结构加工方便，弯曲曲率一致性较好。因此本发明提出了一种具备主动控制、稳定可靠、可变刚度且尺寸微小的柔性组合结构的内窥镜系统，能够较好的实现体内观测作业。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，包括微型相机、连续体、刚性臂体、弯曲驱动模块、机器人支架及图像显示模块；所述刚性臂体和所述弯曲驱动模块均安装在所述机器人支架上，所述连续体安装在所述刚性臂体的末端，所述连续体与所述弯曲驱动模块传动配合，所述连续体远离所述刚性臂体的一端安装有所述微型相机，所述微型相机与所述图像显示模块电性连接。
优选的，所述机器人支架包括方形外壳，所述方形外壳的两端分别套设有前端盖和后端盖，所述方形外壳内部设置有舵机安装支架，所述舵机安装支架的两端分别与所述前端盖和所述后端盖可拆卸连接，所述弯曲驱动模块安装在所述舵机安装支架上，所述刚性臂体贯穿所述前端盖与所述弯曲驱动模块传动配合。
优选的，所述连续体包括一双螺旋结构连续体和一刚性铰链连续体，所述微型相机安装在所述刚性铰链连续体的前端；所述刚性铰链连续体的尾端与所述双螺旋结构连续体的尾端均设有尾部铰链，所述双螺旋结构连续体的前端设有第二卡扣结构，所述刚性铰链连续体上的所述尾部铰链与所述双螺旋结构连续体上的所述第二卡扣结构相适配，且所述尾部铰链与所述第二卡扣结构通过定位圆销限位配合；所述双螺旋结构连续体通过所述双螺旋结构连续体上的所述尾部铰链与所述刚性臂体铰接。
优选的，所述的刚性铰链连续体包括一个顶部铰链、若干个刚性铰链、一个尾部铰链；所述顶部铰链为所述微型相机的安装基座，所述刚性铰链为能够提供自由度的铰链，位于尾端的所述刚性铰链固定连接有所述尾部铰链；所述尾部铰链设置有至少两种直径的若干个圆弧形槽口，不同直径的所述圆弧槽口沿周向依次分布，所述的第二卡扣结构与所述尾部铰链相适配。
优选的，所述弯曲驱动模块包括弯曲驱动组件和多条牵引绳；所述刚性铰链连续体、所述双螺旋结构连续体和所述刚性臂体沿轴向均设置功能通道和多个牵引绳通道，所述牵引绳设置在所述牵引绳通道内，所述牵引绳一端与所述刚性铰链连续体的前端固定连接，所述牵引绳另一端与所述弯曲驱动组件的输出端固定连接。
优选的，所述弯曲驱动组件包括安装在所述舵机安装支架上的若干个舵机，所述舵机的输出轴上固定安装有舵机圆盘，所述舵机圆盘上固定安装有牵引绳滑轮，所述舵机安装支架顶部靠近所述前端盖的一端固定安装有若干个圆柱形凸起，所述圆柱形凸起上滑动套设有滚子，所述牵引绳绕过所述滚子并固定绕设在所述牵引绳滑轮上。
优选的，所述舵机安装支架顶端开设有若干个舵机安装槽口，所述舵机安装在所述舵机安装槽口内；所述前端盖上开设有刚性臂安装通孔，所述刚性臂体固定安装在所述刚性臂安装通孔内；所述圆柱形凸起位于所述舵机安装槽口与所述前端盖之间。
优选的，所述前端盖与所述后端盖上均开设有若干个方形槽口，所述舵机安装支架通过所述方形槽口分别与所述前端盖和所述后端盖可拆卸连接；所述前端盖与所述后端盖靠近所述方形外壳的一侧均开设有方槽，所述方形外壳与所述方槽相适配。
优选的，所述图像显示模块包括显示屏、显示屏支架及箱体，所述显示屏支架安装在所述箱体的顶部，所述的显示屏安装在所述显示屏支架上，所述微型相机与所述显示屏电性连接。
本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，能够实现不同刚度的组合，避免了整段连续体弯曲曲率恒定的限制，连续体外形小，可变刚度，灵活性高，适用于经自然腔道的手术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明整体的结构示意图；
图2为本发明连续体的结构示意图；
图3为本发明弯曲驱动模块的结构示意图；
图4为本发明机器人支架的结构示意图；
图5为本发明刚性臂体的剖视图；
图6为本发明第一卡扣结构的结构示意图；
图7为本发明第二卡扣结构的结构示意图；
图8为本发明刚性铰链的结构示意图；
图9为本发明图像显示模块的结构示意图；
其中，微型相机-1，连续体-2，刚性铰链连续体-21，尾部铰链-211，刚性铰链-212，顶部铰链-213，双螺旋结构连续体-22，刚性臂体-3，功能通道-311，牵引绳通道-312，弯曲驱动模块-4，牵引绳-41，舵机-420，舵机圆盘-421，牵引绳滑轮-422，滚子-423，机器人支架-5，前端盖-51，方形槽口-511，刚性臂安装通孔-512，后端盖-52，方形外壳-53，舵机安装支架-54，圆柱形凸起-541，图像显示模块-6，显示屏-61，显示屏支架-62，箱体-63。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-8所示，本发明一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统,包括微型相机1、与微型相机1连接的连续体2、安装在连续体2末端的刚性臂体3、安装在刚性臂体3末端的机器人支架5、安装在机器人支架5上的弯曲驱动模块4；机器人支架5包括方形外壳53、舵机安装支架54、前端盖51、后端盖52。舵机420安装支架54与前端盖51和后端盖52相啮合，方形外壳53与前端盖51和后端盖52相啮合；弯曲驱动模块4包括：多条牵引绳41和弯曲驱动组件；牵引绳41的前端固定在连续体2自由段的顶部铰链213，后端固定在弯曲驱动组件的输出端；弯曲驱动组件拉动牵引绳41的末端进行前后运动机器人通过弯曲驱动模块4，从而带动牵引绳41前后运动。前端盖51和后端盖52平行分布且同时通过方槽与方形外壳53相啮合，舵机安装支架54安装在前端盖51与后端盖52的方形槽口上。
参考图2，连续体2包括一段双螺旋结构连续体22、一段刚性铰链连续体21；刚性铰链连续体21的顶部铰链213为内窥镜安装端，尾部铰链211带有第一卡扣结构，刚性铰链212为能够提供两个方向的转动副；双螺旋结构连续体22前端为第二卡扣结构，尾端为带有第一卡扣结构；刚性铰链连续体21的顶部铰链213用于安装微型相机1，刚性铰链连续体21的尾部铰链211与双螺旋结构连续体22前端通过卡扣结构与定位圆销连接与定位；双螺旋结构连续体22尾端与刚性臂体3前端连接与定位；双螺旋结构连续体22与刚性铰链连续体21有若干个牵引绳通道312与一个位于中心的功能通道311。在螺旋结构的导程相同的情况下，双螺旋结构的螺距较刚性铰链更小，从而双螺旋结构的刚度更大，为整个连续体2提供更大的承载能力，刚性铰链连续体21刚度较小，拥有更大的灵活度，为腹腔镜手术提供更广大的活动空间，两种结构连续体的组合还能实现非单一的弯曲变形。
参考图3，弯曲驱动模块4包括牵引绳41和弯曲驱动组件，弯曲驱动组件包括若干个舵机420、若干个舵机圆盘421、若干个牵引绳滑轮422、若干个滚子423；舵机421通过螺栓螺母与舵机安装支架54安装在一起，舵机圆盘421直接安装在舵机420的输出轴上，牵引绳滑轮422通过螺钉固定在舵机圆盘421上，牵引绳41的一端固定在牵引绳滑轮422上的螺钉上并缠绕牵引绳滑轮422若干圈，与滚子423相绕后进入刚性臂体3的牵引绳通道312中；滚子423套在舵机安装支架54的圆柱形凸起541上，滚子423的作用在于减少牵引绳41的应力集中，避免载荷过大是牵引绳41断裂，同时确保在舵机420旋转角度相同时，牵引绳41的线位移也相同，减小误差，提高连续体2机器人的精度。
参考图4，可以看到前端盖51与后端盖52上均开设有若干个方形槽口511，舵机安装支架54通过方形槽口511分别与前端盖51后端盖52可拆卸连接；前端盖51与后端盖52靠近方形外壳53的一侧均开设有方槽，方形外壳53与方槽相适配。
参考图5，可以看到牵引绳通道312等距分布在功能通道311旁，牵引绳通孔312提供牵引绳41的活动通道，功能通道311用来存放微型相机1的引线。此外，根据手术要求可以用于引导多种手术器械到达病灶位置进行手术操作，除了本发明显示的微型相机1，可以视手术要求安装如手术钳、手术剪等手术器械与设备。
参考图6和图7，可以看到第一卡扣结构有至少两种直径分布的若干个圆弧形槽口，不同直径的圆弧槽口以中心90°分布，第二卡扣结构以与所述第一卡扣结构相适配的方式作为构型；槽口上有大、小两种直径的通孔，大通孔安装定位销，可以满足刚性铰链连续体21、双螺旋结构连续体22还有刚性臂体3之间较为精确的固定在一起，同时利用小通孔可以轻松的进行拆装。
参考图8，此图为单个刚性铰链212的结构图，可以看到有两个相隔90°分布的转动副接口，一个转动副接口与之上的刚性铰链212连接，另一个转动副接口与之下的刚性铰链212连接。与传统的刚性铰链相比，该转动副接口的相对位置不设置转动副接口能够释放出一定的转动限制，减缓了加工精度对铰链旋转的限制。
参考图9，可以看到箱体63上安装着显示屏支架62，而显示屏支架62的另一端安装着显示屏61，由微型相机1采集到的图像信息可在显示屏61上进行显示。
在优选的实施方式中,连续体2的长度包括双螺旋结构连续体22的长度和刚性铰链212的个数、内外径参数、螺旋结构的导程、功能通道大小等参数都可以进行有目的的优化设计,为满足手术需求,可以通过增减不同连续体2组合方式改变机器人连续体2所需要的不同刚度,用于满足不同的微创手术需求。
本发明提供的一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，能够实现不同刚度的组合，避免了整段连续体2弯曲曲率恒定的限制，同时体型小，适用于经自然腔道的手术。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，包括微型相机(1)、连续体(2)、刚性臂体(3)、弯曲驱动模块(4)、机器人支架(5)及图像显示模块(6)；所述刚性臂体(3)和所述弯曲驱动模块(4)均安装在所述机器人支架(5)上，所述连续体(2)安装在所述刚性臂体(3)的末端，所述连续体(2)与所述弯曲驱动模块(4)传动配合，所述连续体(2)远离所述刚性臂体(3)的一端安装有所述微型相机(1)，所述微型相机(1)与所述图像显示模块(6)电性连接。
2.根据权利要求1所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述机器人支架(5)包括方形外壳(53)，所述方形外壳(53)的两端分别套设有前端盖(51)和后端盖(52)，所述方形外壳(53)内部设置有舵机安装支架(54)，所述舵机安装支架(54)的两端分别与所述前端盖(51)和所述后端盖(52)可拆卸连接，所述弯曲驱动模块(4)安装在所述舵机安装支架(54)上，所述刚性臂体(3)贯穿所述前端盖(51)与所述弯曲驱动模块(4)传动配合。
3.根据权利要求2所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述连续体(2)包括一双螺旋结构连续体(22)和一刚性铰链连续体(21)，所述微型相机(1)安装在所述刚性铰链连续体(21)的前端；所述刚性铰链连续体(21)的尾端与所述双螺旋结构连续体(22)的尾端均设有尾部铰链(211)，所述双螺旋结构连续体(22)的前端设有第二卡扣结构，所述刚性铰链连续体(21)上的所述尾部铰链(211)与所述双螺旋结构连续体(22)上的所述第二卡扣结构相适配，且所述刚性铰链连续体(21)上的所述尾部铰链(211)与所述第二卡扣结构通过定位圆销限位配合；所述双螺旋结构连续体(22)通过所述双螺旋结构连续体(22)上的所述尾部铰链(211)与所述刚性臂体(3)铰接。
4.根据权利要求3所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述的刚性铰链连续体(21)包括一个顶部铰链(213)、若干刚性铰链(212)、一个尾部铰链(211)；所述顶部铰链(213)为所述微型相机(1)的安装基座，所述刚性铰链(212)为能够提供2自由度的铰链，位于尾端的所述刚性铰链(212)固定连接有所述尾部铰链(211)；所述尾部铰链(211)设置有至少两种直径的若干个圆弧形槽口，不同直径的所述圆弧槽口沿周向依次分布，所述的第二卡扣结构与所述尾部铰链(211)相适配。
5.根据权利要求3所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述弯曲驱动模块(4)包括弯曲驱动组件和多条牵引绳(41)；所述刚性铰链连续体(21)、所述双螺旋结构连续体(22)和所述刚性臂体(3)沿轴向均设置功能通道(311)和多个牵引绳通道(312)，所述牵引绳(41)设置在所述牵引绳通道(312)内，所述牵引绳(41)一端与所述刚性铰链连续体(21)的前端固定连接，所述牵引绳(41)另一端与所述弯曲驱动组件的输出端固定连接。
6.根据权利要求5所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述弯曲驱动组件包括安装在所述舵机安装支架(54)上的若干个舵机(420)，所述舵机(420)的输出轴上固定安装有舵机圆盘(421)，所述舵机圆盘(421)上固定安装有牵引绳滑轮(422)，所述舵机安装支架(54)顶部靠近所述前端盖(51)的一端固定安装有若干个圆柱形凸起(541)，所述圆柱形凸起(541)上滑动套设有滚子(423)，所述牵引绳(41)绕过所述滚子(423)并固定绕设在所述牵引绳滑轮(422)上。
7.根据权利要求6所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述舵机安装支架(54)顶端开设有若干个舵机(420)安装槽口，所述舵机(420)安装在所述舵机(420)安装槽口内；所述前端盖(51)上开设有刚性臂安装通孔(512)，所述刚性臂体(3)固定安装在所述刚性臂安装通孔(512)内；所述圆柱形凸起(541)位于所述舵机(420)安装槽口与所述前端盖(51)之间。
8.根据权利要求2所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述前端盖(51)与所述后端盖(52)上均开设有若干个方形槽口(511)，所述舵机安装支架(54)通过所述方形槽口(511)分别与所述前端盖(51)和所述后端盖(52)可拆卸连接；所述前端盖(51)与所述后端盖(52)靠近所述方形外壳(53)的一侧均开设有方槽，所述方形外壳(53)与所述方槽相适配。
9.根据权利要求8所述的集成刚性铰链和双螺旋结构的柔性连续型内窥镜系统，其特征在于，所述图像显示模块(6)包括显示屏(61)、显示屏支架(62)及箱体(63)，所述显示屏支架(62)安装在所述箱体(63)的顶部，所述的显示屏(61)安装在所述显示屏支架(62)上，所述微型相机(1)与所述显示屏(61)电性连接。
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