CN115105212A - 一种柔性内窥镜控制平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性内窥镜控制平台，包括具有位姿调整板的位姿调整模块、安装于位姿调整板上表面的旋转模块、通过支架安装于位姿调整板的上表面上方且与位姿调整板上下隔开的弯曲模块，位姿调整板受能实现左右偏转、前后俯仰和上下平移三个自由度的运动；弯曲模块与旋转模块相对，旋转模块包括受驱动能旋转的旋转壳体，旋转壳体中设平移模块，平移模块包括主动轴和从动轴，主动轴及从动轴上有夹紧内窥镜的柔性管并带动柔性管运动的摩擦轮组；弯曲模块包括内窥镜夹紧装置、控制内窥镜前端的上下弯曲、左右弯曲的内窥镜旋钮旋转操作装置、带动内窥镜的后端跟随旋转模块转动的随动电机。本发明可实现内窥镜插入角度的术前调节。
Description
技术领域
本发明涉及内窥镜控制平台技术领域，特别是涉及一种柔性内窥镜控制平台。
背景技术
与传统开放手术相比，微创介入手术具有创口小、术后康复快等优点。在微创介入手术中，柔性内窥镜可拓展医生的视野，协助医生完成复杂的手术操作被广泛应用于病理诊断、病灶切除等外科手术中。
内窥镜操作的复杂性是柔性内窥镜实际应用中面临的重要问题。一些手术中，外科医生不仅需要控制内窥镜多个自由度的运动，还需要操纵不同的手术器械以执行夹取、灼烧和组织切除等操作。随着手术难度的增加，医生需要多次更换手术器械，手术操作也越来越繁琐，手持内窥镜进行操作会大大增加医生的疲劳感。
医疗机器人技术可降低控制难度，提高控制精度和效率，近年来受到广泛关注。基于医疗机器人技术的柔性内窥镜控制平台可以同时控制内窥镜的弯曲、平移、旋转等多个自由度，具有较高的控制精度，可以辅助医生完成内窥镜手术。但现有柔性内窥镜控制平台存在体积较大，安全性不足等问题，限制了其在医疗机器人领域的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种小型化模块化、高安全性的柔性内窥镜控制平台。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种柔性内窥镜控制平台，包括具有位姿调整板的位姿调整模块、固定安装于所述位姿调整板上表面的受驱动能旋转的旋转模块、通过支架安装于所述位姿调整板的上表面的上方且与所述位姿调整板的上表面上下隔开预定距离的弯曲模块，所述位姿调整板受驱动能实现左右偏转、前后俯仰和上下平移三个自由度的运动；所述弯曲模块与所述旋转模块相对，所述旋转模块包括一个受驱动能旋转的旋转壳体，所述旋转壳体中设置平移模块，所述平移模块包括主动轴和从动轴，安装于主动轴及从动轴上的用于夹紧内窥镜的柔性管并带动柔性管运动的摩擦轮组；主动轴与从动轴的轴线平行且主动轴以及从动轴的两端分别与旋转壳体的内壁转动连接；所述弯曲模块包括内窥镜夹紧装置、内窥镜夹紧装置上方设置的用于控制内窥镜前端的上下弯曲、左右弯曲的内窥镜旋钮旋转操作装置以及内窥镜夹紧装置顶端设置的用于带动内窥镜的后端跟随旋转模块转动的随动电机。
优选的，所述位姿调整板的底部铰接连接三个推杆，三个推杆垂直布置，两个推杆布置于一侧，另一个推杆布置前述两个推杆的轴心连线的一侧，三个推杆的轴心轴线形成三角形状；三个推杆安装在下平板上。
优选的，所述的随动电机安装于所述支架上，所述随动电机的轴线与水平面垂直，且所述随动电机的输出轴与所述弯曲模块的顶端的上支板连接。
优选的，所述弯曲模块包括竖直布置的安装板，所述竖直布置的安装板与所述上支板垂直连接，所述内窥镜夹紧装置安装于所述竖直布置的安装板上，并位于所述上支板的下方；所述内窥镜夹紧装置的下方有下支板，所述下支板与内窥镜配合的一侧面与对应的弧形限位槽。
优选的，所述内窥镜旋钮旋转操作装置包括用于控制内窥镜前端的上下弯曲的UD旋钮连接轴、于控制内窥镜前端的左右弯曲LR旋钮连接轴；所述UD旋钮连接轴与LR旋钮连接轴同轴布置且其轴线与水平面平行。
优选的，所述UD旋钮连接轴及LR旋钮连接轴各自与对应的同步带传动机构连接，受驱动进行旋转；所述同步带传动机构与对应的旋钮电机驱动连接。
优选的，所述旋钮电机固定于所述上支板上，其轴线与水平面平行。
本发明的小型化模块化、高安全性的柔性内窥镜控制平台，可为机器人辅助内窥镜手术提供新的选择，并促进医疗机器人的发展和推广应用。
现有的内窥镜控制平台相比，本发明的小型化模块化、高安全性的柔性内窥镜控制平台采用模块化和增加被动限位挡板的设计方案，在保证控制精度的同时整体尺寸更小，且具有限位功能，提高了控制的安全性。
本发明的小型化模块化、高安全性的柔性内窥镜控制平台，具有普适性好、重量轻等优点，且可以实现内窥镜插入角度的术前调节。
附图说明
图1为本发明的柔性内窥镜控制平台的结构示意图；
图2为本发明的柔性内窥镜控制平台的旋转模块结构的爆炸示意图；
图3为本发明的柔性内窥镜控制平台的平移模块的正视图；
图4为本发明的柔性内窥镜控制平台的位姿调整模块的结构示意图；
图5为本发明的柔性内窥镜控制平台的弯曲模块的结构示意图；
图6-图7为本发明的弯曲模块的的旋转连接轴部分的主视图以及A-A剖面图。
图中：1-弯曲模块；2-内窥镜；3-位姿调整模块；4-铝型材支架；5-旋转模块；6-左支架；7-第一旋转模块轴承；8-左轴承座；9-左盖板；10-圆柱外壳；11-平移模块；12-右盖板；13-右轴承座；14-旋转模块大同步带轮；15-套筒；16-第二旋转模块轴承；17-右支架；18-旋转模块电机；19-旋转模块同步带；20-旋转模块小同步带轮；21-上平板；22-第一连接件；23-第一万向节；24-第一推杆；25-第二推杆；26-下平板；27-第二连接件；28-第二万向节；29-第三连接件；30-第三万向节；31-第三推杆；32-轴承盖板；33-第一限位挡板；34-第一限位螺钉；35-LR小同步带轮；36-第一电机支座；37-第一弯曲模块电机；38-上支板；39-随动电机；40-电机底座；41-连接轴；42-安装板；43-第二电机支座；44-第二弯曲模块电机；45-第一弯曲模块轴承；46-LR大同步带轮；47-LR同步带；48-第二限位挡板；49-第二限位螺钉；50-UD小同步带轮；51-UD大同步带轮；52-UD同步带；53-第二弯曲模块轴承；54-UD旋钮连接轴；55-LR旋钮连接轴；56-第一内窥镜夹紧挡板；57-第二内窥镜夹紧挡板；58-下支板；111-左侧板；112-第一摩擦轮传动齿轮；113-第一平移模块轴承；114-第一锁紧螺栓；115-第二平移模块轴承；116-第二摩擦轮传动齿轮；117-第一锁紧套筒；118-第二锁紧螺栓；119-第一摩擦轮；1110-第二摩擦轮；1111-第三锁紧螺栓；1112-第二锁紧套筒；1113-从动轴；1114-主动轴；1115-第三锁紧套筒；1116-第四锁紧螺栓；1117-第三摩擦轮；1118-第四摩擦轮；1119-第五锁紧螺栓；1120-第四锁紧套筒；1121-电机齿轮；1122-右侧板；1123-第三平移模块轴承；1124-第六锁紧螺栓；1125-电机传动齿轮；1126-第四平移模块轴承；1127-平移模块电机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1与图2，本发明实施例的柔性内窥镜控制平台，包括弯曲模块1，内窥镜2，位姿调整模块3，铝型材支架4，旋转模块5，平移模块11。铝型材支架4，旋转模块5安装在位姿调整模块3上，弯曲模块1安装在铝型材支架4上，平移模块11安装在旋转模块5中。
参照图2，示例性的，所述旋转模块5可以是包括左支架6，第一旋转模块轴承7，左轴承座8，左盖板9，圆柱外壳10，平移模块11，右盖板12，右轴承座13，旋转模块大同步带轮14，套筒15，第二旋转模块轴承16，右支架17，旋转模块电机18，旋转模块同步带19，旋转模块小同步带轮20。
其中，左支架6以及右支架17通过支撑板支撑固定于位姿调整板上，旋转模块电机18安装于右支架的支撑板上，其输出轴与旋转模块小同步带轮20同轴连接，旋转模块小同步带轮20与旋转模块同步带19连接，所述旋转模块同步带19与旋转模块大同步带轮14连接，第一旋转模块轴承7与左轴承座8连接并装于左支架上部的轴孔中，左盖板9(中心有通孔)布置于圆柱外壳10的左侧面并与左轴承座8连接，第二旋转模块轴承16装于右支架的上部轴孔中并与套筒15连接，套筒15的内径与右轴承座13的外径相同，安装于右轴承座13上，通过右轴承座13上的定位块轴向固定，旋转模块大同步带轮14装于右轴承座13外并通过键固定，右轴承座13与固定于圆柱外壳10的右侧面的右盖板12(中心有通孔)连接。
作为一个实施例，所述的旋转模块的沿其旋转轴线形成内部通腔结构，便于所述内窥镜的柔性管由一端伸入并自另一端伸出。
其中，旋转模块电机18与旋转模块小同步带轮20同轴连接，控制旋转模块小同步带轮20旋转，通过旋转模块同步带19带动旋转模块大同步带轮14转动，进而控制左轴承座8，左盖板9，圆柱外壳10，平移模块11，右盖板12，右轴承座13转动，从而控制内窥镜2前端的转动。
参照图3，示例性的，所述平移模块11包括左侧板111，第一摩擦轮传动齿轮112，第一平移模块轴承113，第一锁紧螺栓114，第二平移模块轴承115，第二摩擦轮传动齿轮116，第一锁紧套筒117，第二锁紧螺栓118，第一摩擦轮119,第二摩擦轮1110，第三锁紧螺栓1111，第二锁紧套筒1112，从动轴1113，主动轴1114，第三锁紧套筒1115，第四锁紧螺栓1116，第三摩擦轮1117，第四摩擦轮1118，第五锁紧螺栓1119，第四锁紧套筒1120，电机齿轮1121，右侧板1122，第三平移模块轴承1123，第六锁紧螺栓1124，电机传动齿轮1125，第四平移模块轴承1126，平移模块电机1127。
其中，主动轴1114以及从动轴1113相对平行可旋转地布置于左侧板111与右侧板1122之间，其轴线与左侧板，右侧板垂直，平移模块电机的输出轴上安装电机齿轮1121，电机齿轮1121与主动轴1114上安装的电机传动齿轮1125啮合，主动轴1114上另一端安装有第二摩擦轮传动齿轮116，与从动轴1113上的第一摩擦轮传动齿轮112配合，平移模块电机1127通过电机齿轮1121、电机传动齿轮1125控制主动轴1114转动，主动轴1114通过第一摩擦轮传动齿轮112、第二摩擦轮传动齿轮116带动主动轴1114反方向转动。
其中，第一锁紧套筒117，第二锁紧套筒1112可以在从动轴1113上滑动，第三锁紧套筒1115，第四锁紧套筒1120可以在主动轴1114上滑动，并分别用第一锁紧螺栓114，第二锁紧螺栓118，第三锁紧螺栓1111，第四锁紧螺栓1116，第五锁紧螺栓1119，第六锁紧螺栓1124固定位置；摩擦轮组的第一摩擦轮119,第二摩擦轮1110安装于从动轴1113上，第三摩擦轮1117，第四摩擦轮1118安装于主动轴1114上，且沿轴向方向上的间距可以通过锁紧套筒调整。
其中，锁紧套筒的不同位置可以调整摩擦轮组的第一摩擦轮119,第二摩擦轮1110和第三摩擦轮1117，第四摩擦轮1118中两个摩擦轮的间距，从而可以使不同直径的内窥镜柔性管可以通过并带动内窥镜柔性管运动。
其中，第一摩擦轮119,第二摩擦轮1110、第三摩擦轮1117，第四摩擦轮1118的轮面在截面下具有弧形状凹面结构，这样在第一摩擦轮119,第二摩擦轮1110、第三摩擦轮1117，第四摩擦轮1118配合在一起后，在它们之间能形成用于内窥镜柔性管通过的空间(由四个所述弧形状凹面结构围设在外周上形成)。
其中，从动轴1113的两端通过第一平移模块轴承113以及第三平移模块轴承1123与左侧板、右侧板转动连接，主动轴1114的两端通过第二平移模块轴承115以及第四平移模块轴承1126与左侧板、右侧板转动连接。
其中，所述的左侧板，右侧板布置于所述圆柱外壳10(旋转壳体)中，平移模块电机1127自所述圆柱外壳上的电机孔中伸入与右侧板连接，所述圆柱外壳的内壁上有连接座，所述左侧板，右侧板的上下端分别与对应的连接座连接，实现将所述平移模块安装于所述圆柱外壳中。
参照图4，示例性的，位姿调整模块3包括上平板21(位姿调整板)，第一连接件22，第一万向节23，第一推杆24，第二推杆25,下平板26，第二连接件27，第二万向节28，第三连接件29，第三万向节30，第三推杆31。
其中，第一推杆24，第二推杆25，第三推杆31各自通过第一连接件22和第一万向节23，第二连接件27和第二万向节28，第三连接件29和第三万向节30控制上平板21的运动，通过三个推杆不同运动的组合可以使上平板21实现上下平移、前后俯仰、左右偏转三个自由度的运动。
其中，三个推杆垂直布置，两个推杆布置于一侧，另一个推杆布置前述两个推杆的轴心连线的一侧，三个推杆的轴心轴线形成三角形状，如等腰三角形状。
作为一个实施例，三个推杆可以液压推杆，或是电动推杆等直线机构，安装在下平板26上，其底部与下平板连接，如图4所示，推杆的底部有通孔，通过螺栓连接固定于下平板上。
参照图5，示例性的，所述弯曲模块1包括轴承盖板32，第一限位挡板33，第一限位螺钉34，LR小同步带轮35，第一电机支座36，第一弯曲模块电机37，上支板38，随动电机39，电机底座40，连接轴41，安装板42，第二电机支座43，第二弯曲模块电机44，第一弯曲模块轴承45，LR大同步带轮46，LR同步带47，第二限位挡板48，第二限位螺钉49，UD小同步带轮50，UD大同步带轮51，UD同步带52，第二弯曲模块轴承53，UD旋钮连接轴54，LR旋钮连接轴55，第一内窥镜夹紧挡板56，第二内窥镜夹紧挡板57，下支板58，轴承盖通过螺栓连接安装在下支板38上，第一限位挡板33以及第二限位挡板48通过螺栓连接对应的安装孔安装在上支板38上，第一弯曲模块轴承45安装在轴承盖板32的轴承槽内，第二弯曲模块轴承53安装在UD旋钮连接轴54的轴承槽中。
其中，所述第一内窥镜夹紧挡板56，第二内窥镜夹紧挡板57相对布置，通过螺栓安装在安装板42上，下支板57与安装在安装板42上，与上支板38位于同一侧，第一弯曲模块电机37通过第一电机支座36安装于安装板42上，第二弯曲模块电机44通过第二电机支座43安装于安装板42上，
其中，随动电机39通过电机底座40安装在铝型材支架4上，随动电机39的输出轴与安装于所述上支板38上的连接轴41连接，通过带动上支板动作，从而一起带动内窥镜后端跟随旋转模块5转动，具体的，连接轴41上的定位块与上支板38左侧孔中的键槽连接，带动上支板38跟随随动电机39转动；上支板转动则整个弯曲模块转动，内窥镜后端又固定在弯曲模块上，所以随动电机控制内窥镜后端转动。通过保持随动电机和旋转模块电机18的转速相同，达到内窥镜后端和旋转模块5控制的内窥镜前端柔性管一起转动的效果。
其中，第一弯曲模块电机37安装在第一电机支座36上，通过LR小同步带轮35，LR大同步带轮46，LR同步带47(LR小同步带轮35，LR大同步带轮46通过LR同步带47传动连接，第一弯曲模块电机37与LR小同步带轮35的输出轴连接)带动LR旋钮连接轴54转动，进而控制内窥镜的左右(LEFT\RIGHT)弯曲。
其中，第二弯曲模块电机44安装在第二电机支座43上，通过UD小同步带轮50，UD大同步带轮51，UD同步带52(UD小同步带轮50，UD大同步带轮51通过UD同步带52传动连接，UD小同步带轮50与第二弯曲模块电机44的输出轴连接)带动UD旋钮连接轴53转动，进而控制内窥镜的上下(UP\DOWN)弯曲。
其中，UD旋钮连接轴53以及LR旋钮连接轴54的前端具有与旋钮配合的卡紧结构，整体呈筒状，且筒壁上形成由自由端至底部的均匀的开槽，通过开槽卡在旋钮的外周面的凸部的两侧，在旋转时，能实现使旋钮旋转操作。
其中，LR旋钮连接轴55在UD旋钮连接轴54的最大外径的内侧，它们同轴布置，通过第二弯曲模块轴承53实现相对转动。UD旋钮连接轴54上的限位块与UD大同步带轮51内孔上的键槽相连接，LR旋钮连接轴55上的限位块与LR大同步带轮46内孔上的键槽相连接。
其中，第一限位螺钉34，第二限位螺钉49分别安装在LR小同步带轮35，UD小同步带轮50上，通过计算两个限位螺钉的安装位置可使内窥镜的两个旋钮转动到极限位置时，第一限位螺钉34，第二限位螺钉49分别与第一限位挡板33、第二限位挡板48的下表面上凸起的限位块接触，以阻止电机继续转动，起到限位作用。
本发明将控制内窥镜不同自由度的结构模块化，消除了不同自由度运动之间的耦合，同时缩小了尺寸，平台的整体尺寸为0.6m×0.5m×1.3m，减少了所占用的空间，使用和移动起来更为简便。
本发明可以根据特定的应用对象进行定制化设计，以满足不同的应用需求，具有良好的普适性。
本发明中，所述摩擦轮和锁紧套筒的结构可以通过调整锁紧套筒在轴上的位置，满足不同直径的内窥镜的控制需求。
本发明中，所述UD旋钮连接轴和LR旋钮连接轴由3D打印制造，可通过更换不同尺寸的零件适应不同型号的内窥镜。
本发明中，所述电动推杆实现了内窥镜初始插入角度的主动调节，扩大了内窥镜的工作空间，让其适用于更多应用场景。
本发明中，所述限位挡板实现了内窥镜两个弯曲自由度运动的限位，避免操作失误使旋钮转过最大角度损坏内窥镜，提高了安全性。
本发明的柔性内窥镜控制平台除轴承、螺栓、同步带轮、电机、轴等零件外均由3D打印制造，具有重量轻、易于制作和成本低等方面的优点，有助于降低医疗机器人的总成本，促进大规模应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.柔性内窥镜控制平台，其特征在于，包括具有位姿调整板的位姿调整模块、固定安装于所述位姿调整板上表面的受驱动能旋转的旋转模块、通过支架安装于所述位姿调整板的上表面的上方且与所述位姿调整板的上表面上下隔开预定距离的弯曲模块，所述位姿调整板受驱动能实现左右偏转、前后俯仰和上下平移三个自由度的运动；所述弯曲模块与所述旋转模块相对，所述旋转模块包括一个受驱动能旋转的旋转壳体，所述旋转壳体中设置平移模块，所述平移模块包括主动轴和从动轴，安装于主动轴及从动轴上的用于夹紧内窥镜的柔性管并带动柔性管运动的摩擦轮组；主动轴与从动轴的轴线平行且主动轴以及从动轴的两端分别与旋转壳体的内壁转动连接；所述弯曲模块包括内窥镜夹紧装置、内窥镜夹紧装置上方设置的用于控制内窥镜前端的上下弯曲、左右弯曲的内窥镜旋钮旋转操作装置以及内窥镜夹紧装置顶端设置的用于带动内窥镜的后端跟随旋转模块转动的随动电机。
2.根据权利要求1所述柔性内窥镜控制平台，其特征在于，所述位姿调整板的底部铰接连接三个推杆，三个推杆垂直布置，两个推杆布置于一侧，另一个推杆布置前述两个推杆的轴心连线的一侧，三个推杆的轴心轴线形成三角形状；三个推杆安装在下平板上。
3.根据权利要求1所述柔性内窥镜控制平台，其特征在于，所述的随动电机安装于所述支架上，所述随动电机的轴线与水平面垂直，且所述随动电机的输出轴与所述弯曲模块的顶端的上支板连接。
4.根据权利要求3所述柔性内窥镜控制平台，其特征在于，所述弯曲模块包括竖直布置的安装板，所述竖直布置的安装板与所述上支板垂直连接，所述内窥镜夹紧装置安装于所述竖直布置的安装板上，并位于所述上支板的下方；所述内窥镜夹紧装置的下方有下支板，所述下支板与内窥镜配合的一侧面与对应的弧形限位槽。
5.根据权利要求4所述柔性内窥镜控制平台，其特征在于，所述内窥镜旋钮旋转操作装置包括用于控制内窥镜前端的上下弯曲的UD旋钮连接轴、于控制内窥镜前端的左右弯曲LR旋钮连接轴；所述UD旋钮连接轴与LR旋钮连接轴同轴布置且其轴线与水平面平行。
6.根据权利要求5所述柔性内窥镜控制平台，其特征在于，所述UD旋钮连接轴及LR旋钮连接轴各自与对应的同步带传动机构连接，受驱动进行旋转；所述同步带传动机构与对应的旋钮电机驱动连接。
7.根据权利要求6所述柔性内窥镜控制平台，其特征在于，所述旋钮电机固定于所述上支板上，其轴线与水平面平行。
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|---|---|---|---|
| CN202210684778.3A CN115105212A (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种柔性内窥镜控制平台 |
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|---|---|
| CN115105212A true CN115105212A (zh) | 2022-09-27 |
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- 2022-06-17 CN CN202210684778.3A patent/CN115105212A/zh active Pending
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