CN115582845A - 一种腹腔镜手术ai持镜机器人 - Google Patents

Abstract

一种腹腔镜手术AI持镜机器人，本发明涉及腹腔镜手术技术领域。本发明为了解决现有技术中腹腔镜均需医护人员手持，对于临床医护人员来讲，长时间扶持腹腔镜会造成关节劳损，存在手部抖动，影响视野的清晰度，无法满足主刀医生的视野需要的问题。本发明包括控制系统、机架、导向板、控制台、装置管和夹持旋转机构；所述机架的两侧分别安装有多个竖直支撑杆，所述竖直支撑杆上滑动连接有导向板，两个所述导向板间安装有多个水平支撑杆，所述控制台滑动连接在水平支撑杆上，所述装置管的一端安装在控制台上，另一端安装有用于夹持调节腹腔镜的夹持旋转机构。本发明用于腹腔镜手术。

Description

一种腹腔镜手术AI持镜机器人

技术领域

本发明涉及腹腔镜手术技术领域，具体涉及一种腹腔镜手术AI持镜机器人。

背景技术

随着电子技术与医疗技术的不断发展，语音交互这一重要的人机交互方式已逐渐应用于医疗领域。语音交互在医疗领域上的应用将增加医生对一些医疗器材使用的简便性。AI语音识别随着科技的进步逐步进入到人们的视野，语音交互的主要应用往往是先通过语音或图像显示的方式向用户抛出问题，然后用户语音回答，或需要用户发出语音指令来进行下一步运用如控制移动等。

腹腔镜手术是一种带有微型摄像头的医疗器械，腹腔镜手术就是利用腹腔镜及其相关器械进行的手术。其中腹腔镜摄录像监视系统由腹腔镜、光源及光路、微型摄像头、摄像转换器、监视器(电视机)、自动冷光源、录像机组成。腹腔镜常用的有0°和30°视角。直径为10mm、5mm、2.5mm各种规格器械。由于腹腔镜可以在不牵动腹腔脏器的前提下从不同角度和方向检查，甚至可以看到一些很深的位置，达到直观检查的效果，无漏诊，无误诊，且手术在密闭的盆、腹腔内进行，内环境受到的干扰很小，患者受到的创伤远远小于开腹手术，术后很快恢复健康，无并发症和后遗症。住院时间短、美容效果好、盆腔粘连少等优点，所以现在在各大医院普外科已经成为首选手术方案。微创腹腔手术作为传统的开放式腹腔手术基础上的一次重大变革，其具有创伤面小、术后恢复迅速等很多优势。随着微创腹腔手术的逐渐普及和拓展，用于微创腹腔手术的机器人系统得到了开发和应用，有助于进一步完善微创腹腔手术。

目前现在市场上的腹腔镜均需医护人员手持，配合主刀医生移动，调节视野，方便主刀医生用电刀对患者进行手术。对于临床医护人员来讲，长时间扶持腹腔镜可能会造成关节劳损，长时间可能存在手部抖动，影响视野的清晰度，并且人体手的运动幅度较大，如果只需略调腹腔镜位置，有时无法满足主刀医生的视野需要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中腹腔镜均需医护人员手持，对于临床医护人员来讲，长时间扶持腹腔镜可能会造成关节劳损，存在手部抖动，影响视野的清晰度，无法满足主刀医生的视野需要的问题，进而提供一种腹腔镜手术AI持镜机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种腹腔镜手术AI持镜机器人，包括机架、导向板、控制台、装置管和夹持旋转机构；所述机架的两侧分别安装有多个竖直支撑杆，所述竖直支撑杆上滑动连接有导向板，两个所述导向板间安装有多个水平支撑杆，所述控制台滑动连接在水平支撑杆上，所述装置管的一端安装在控制台上，另一端安装有用于夹持调节腹腔镜的夹持旋转机构。

进一步地，所述导向板内部安装有导向板电机和导向板齿轮；所述导向板通过导向板直线轴承和竖直支撑杆滑动连接，所述竖直支撑杆的上端安装在连接板上，下端安装在机架上，所述导向板齿轮和导向板电机的电机轴连接，所述导向板齿轮和导向板齿条啮合，所述导向板齿条穿过导向板，所述导向板齿条的一端安装在连接板上，另一端端安装在机架上。

进一步地，所述控制台内部安装有控制台电机和控制台齿轮；所述控制台通过控制台直线轴承和水平支撑杆滑动连接，所述水平支撑杆的两端分别安装在导向板上，所述控制台齿轮和控制台电机的电机轴连接，所述控制台齿轮和控制台齿条啮合，所述控制台齿条穿过控制台，所述控制台齿条的两端分别安装在导向板上。

进一步地，所述装置管的运动由装置管运动机构控制，所述装置管运动机构包括安装在控制台内部的电动推杆；所述电动推杆的外壳连接在控制台上，所述装置管连接在电动推杆的缸杆上。

进一步地，所述夹持旋转机构包括安装在壳体内部的支撑架、球齿轮、第一单级齿轮、第一变速驱动电机、第二单级齿轮和第二变速驱动电机，所述壳体连接装置管；所述支撑架的一端连接壳体，另一端加工有球齿轮槽，所述球齿轮槽内部安装有球齿轮，所述球齿轮分别与第一单级齿轮、第二单级齿轮啮合，所述第一单级齿轮和所述第二单级齿轮分别设置在球齿轮的两侧，所述第一单级齿轮通过第一变速驱动电机驱动，所述第二单级齿轮通过第二变速驱动电机驱动，所述第一变速驱动电机和所述第二变速驱动电机分别安装在支撑架上，所述球齿轮上安装有腹腔镜夹持管，所述腹腔镜夹持管伸出到壳体外部。

进一步地，所述支撑架由左支撑架和右支撑架两部分拼接构成，所述左支撑架和所述右支撑架的一端均加工有球齿轮槽。

进一步地，所述第一单级齿轮和所述第二单级齿轮的中心线和球齿轮的轴线重合，所述第一单级齿轮和所述第二单级齿轮的渐开线齿轮模数、齿数完全相同。

进一步地，所述竖直支撑杆位于导向板上下两侧的位置均安装有位置传感器，所述水平支撑杆位于控制台左右两侧的位置均安装有位置传感器。

进一步地，所述电动推杆的尾部通过连接板安装有电动推杆控制器。

进一步地，所述控制系统包括控制器、继电器和语音识别模块；所述导向板电机、所述控制台电机、所述电动推杆、所述第一变速驱动电机和所述第二变速驱动电机均与继电器电连接，所述继电器和控制器电连接，所述语音识别模块和控制器电连接。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明通过导向板电机、控制台电机和电动推杆分别控制装置夹持旋转机构的上下、左右和前后的运动，同时通过球齿轮和单级齿轮的相互啮合控制腹腔镜固定上下的角度和左右的角度多方向的运动，球齿轮和单级齿轮间的啮合具有较高的传动效率，多自由度传动机构减小了传动机构间的摩擦损失，腹腔镜的调整精确高，手术视野清晰，无需医生手动控制腹腔镜，降低人工操作强度。

本发明通过AI语音交互使电动机按照设置好的程序进行转动，达到使腹腔镜移动的目的，通过语音存储模块和语音识别模块对医生的声音的进行存储和辨识，实现对机器人的语音控制，并且通过辅助腹腔镜夹持管对腹腔镜进行夹持，保证手术的顺利进行，提高装置的实用性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是导向板的传动结构示意图；

图3是控制台的传动结构示意图；

图4是装置管的驱动结构示意图；

图5是夹持旋转机构的结构示意图；

图6是支撑架的结构示意图；

图7是球状齿轮和单级齿轮的传动示意图；

图8是本发明的控制原理图；

图9是本发明的语音识别系统框架；

图10是本发明的语音控制移动分系统流程；

图中，1、机架；2、竖直支撑杆；3、导向板；4、连接板；5、水平支撑杆；6、控制台；7、装置管；8、夹持旋转机构；8-1、壳体；9、腹腔镜；10、位置传感器；11、导向板直线轴承；12、导向板电机；13、导向板齿轮；14、导向板齿条；15、控制台直线轴承；16、控制台电机；17、控制台齿轮；18、控制台齿条；19、电动推杆控制器；20、连接板；21、电动推杆；22、支撑架；22-1、球齿轮槽；22-2、左支撑架；22-3、右支撑架；23、球齿轮；24、腹腔镜夹持管；25、第一单级齿轮；26、第一变速驱动电机；27、第二单级齿轮；28、第二变速驱动电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，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。

具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述一种腹腔镜手术AI持镜机器人，包括控制系统、机架1、导向板3、控制台6、装置管7和夹持旋转机构8；所述机架1的两侧分别安装有多个竖直支撑杆2，所述竖直支撑杆2上滑动连接有导向板3，两个所述导向板3间安装有多个水平支撑杆5，所述控制台6滑动连接在水平支撑杆5上，所述装置管7的一端安装在控制台6上，另一端安装有用于夹持调节腹腔镜9的夹持旋转机构8。

具体实施方式二：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述导向板3内部安装有导向板电机12和导向板齿轮13；所述导向板3通过导向板直线轴承11和竖直支撑杆2滑动连接，所述竖直支撑杆2的上端安装在连接板4上，下端安装在机架1上，所述导向板齿轮13和导向板电机12的电机轴连接，所述导向板齿轮13和导向板齿条14啮合，所述导向板齿条14穿过导向板3，所述导向板齿条14的一端安装在连接板4上，另一端端安装在机架1上。

本实施方式中导向板电机12采用伺服电机控制夹持旋转机构8的上下运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述控制台6内部安装有控制台电机16和控制台齿轮17；所述控制台6通过控制台直线轴承15和水平支撑杆5滑动连接，所述水平支撑杆5的两端分别安装在导向板3上，所述控制台齿轮17和控制台电机16的电机轴连接，所述控制台齿轮17和控制台齿条18啮合，所述控制台齿条18穿过控制台6，所述控制台齿条18的两端分别安装在导向板3上。

本实施方式中控制台电机16采用伺服电机控制夹持旋转机构8的左右运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述装置管7的运动由装置管运动机构控制，所述装置管运动机构包括安装在控制台6内部的电动推杆21；所述电动推杆21的外壳连接在控制台6上，所述装置管7连接在电动推杆21的缸杆上。

本实施方式中电动推杆21采用多级电动推杆控制夹持旋转机构8的前后运动其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述夹持旋转机构8包括安装在壳体8-1内部的支撑架22、球齿轮23、第一单级齿轮25、第一变速驱动电机26、第二单级齿轮27和第二变速驱动电机28，所述壳体8-1连接装置管7；所述支撑架22的一端连接壳体8-1，另一端加工有球齿轮槽22-1，所述球齿轮槽22-1内部安装有球齿轮23，所述球齿轮23分别与第一单级齿轮25、第二单级齿轮27啮合，所述第一单级齿轮25和所述第二单级齿轮27分别设置在球齿轮23的两侧，所述第一单级齿轮25通过第一变速驱动电机26驱动，所述第二单级齿轮27通过第二变速驱动电机28驱动，所述第一变速驱动电机26和所述第二变速驱动电机28分别安装在支撑架22上，所述球齿轮23上安装有腹腔镜夹持管24，所述腹腔镜夹持管24伸出到壳体8-1外部。

本实施例中球齿轮23、第一单级齿轮25和第二单级齿轮27均为现有技术，其型号采用通用标准件或本领域技术人员知晓的部件、其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知，通过球齿轮23、第一单级齿轮25和第二单级齿轮27的相互啮合控制腹腔镜夹持管24的多自由度运动，腹腔镜夹持管24的末端安装腹腔镜，配合主刀医生移动，调节视野，方便主刀医生用电刀对患者进行手术。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述支撑架22由左支撑架22-2和右支撑架22-3两部分拼接构成，所述左支撑架22-2和所述右支撑架22-3的一端均加工有球齿轮槽22-1。

本实施例采用的支撑架22由左支撑架22-2和右支撑架22-3两部分拼接构成，左支撑架22-2和右支撑架22-3的一端的工有球齿轮槽22-1为倒扣结构，分开两部分便于加工和中球齿轮23的安装。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述第一单级齿轮25和所述第二单级齿轮27的中心线和球齿轮23的轴线重合，所述第一单级齿轮25和所述第二单级齿轮27的渐开线齿轮模数、齿数完全相同。

本实施例中球齿轮23和单级齿轮的球心位置相对固定，球齿轮23齿的齿厚方向是沿着的球冠的纬线方向，球齿轮23齿在球冠的不同高度的纬线上的齿数是变化的，高纬度部分齿数较少，在低纬度部分齿数较多，同时球齿轮23和单级齿轮横截面齿数为互相配合，实现所述齿轮的正确啮合。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述竖直支撑杆2位于导向板3上下两侧的位置均安装有位置传感器10，所述水平支撑杆5位于控制台6左右两侧的位置均安装有位置传感器10。

本实施例通过位置传感器10精确控制导向板3与控制台6的极限运动位置。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述电动推杆21的尾部通过连接板20安装有电动推杆控制器19。

本实施例中电动推杆21的末端安装有电动推杆控制器19用于精确控制多级电动推杆的动作。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式十：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述控制系统包括控制器、继电器和语音识别模块；所述导向板电机12、所述控制台电机16、所述电动推杆21、所述第一变速驱动电机26和所述第二变速驱动电机28均与继电器电连接，所述继电器和控制器电连接，所述语音识别模块和控制器电连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。本实施方式中本发明采用了一种AI语音识别的自动控制系统，控制流程如下：

训练流程：首先需要利用麦克风来采集语音信号，此时采集到的语音信号是通过AD模块转换后得到的语音信号是数字信号，接下来把声音转化成.wav的格式作为原始的音频信号保存下来，同时把得到的数字语音信号以及它的采样频率和语音长度保存在数据库中，形成一个声音的样本特征库。

测试流程：首先利用麦克风来采集语音信号，同样地，我们得到的语音信号是数字信号，接下来把声音转化成.wav的格式并作为原始的音频信号保存下来，然后把得到的语音信号进行分帧、滤波等预处理，进行特征提取；最后把得到的特征与数据库中训练时建立好的样本特征库进行特征匹配，识别出结果来。

1、声音预处理模块：

作为语音识别的前提与基础，语音信号的预处理过程至关重要。在最终进行模板匹配的时候，需要将输入语音信号的特征参数同库中的特征参数进行对比，因此，只有在预处理阶段得到能够准确表征语音信号本质特征的特征参数，才能够将这些特征参数进行匹配进行识别率高的语音识别。这一部分的主要作用是对原始语音信号进行处理，包含滤波，采样，模数转换成数字信号，之后通过预处理包含预加重，加窗和分帧等，过滤掉杂音，以降低环境噪声、信道等因素的影响，之后通过语音信号端点检测来找出语音信号的始末。

2、指令词汇表：

本系统包含特定指令：由于我们腹腔镜移动的方式有“前后左右上下”六个方位，而有可能存在腹腔镜头部插入患者体内的一端向上三十度角这种情况，我们把腹腔镜标度设为1mm，考虑到患者手术床的高矮，我们设置范围为0-2000这个区间0-2m，语音样本设置分为三个部分，方位，角度，标度；其中三个标度有一种为0时，即不需要变动时，则使用者需口述0ling。如使用者想让腹腔镜向左平移2cm，则口诉“左，0，20”即可。我们会设置普通话和英文两种语言识别模式。

本实施例中实际语音的采集用到了科大讯飞的SDK，通过麦克风识别出采集到的信息，并将该信息转换成文字。如语音指令“向上移动”，就可以转换成文字并转换成相关指令。通过其中的SAY.PY文件来进行消息反馈，既当系统成功识别指令如“向上移动”等，给予用户语音反馈如“好的”。

语音控制移动分系统，包含PC端处理语音信号，树莓派与PC通信，stm32与树莓派进行串口通信，首先在树莓派上安装ros，利用树莓派与PC之间通过网络进行通信，首先确定pc和树莓派的ip地址，并以PC端作为ros的master，pc节点向topic发送数据，树莓派订阅该topic即可收到数据。树莓派和stm32之间通过串口进行通信，树莓派发送指令给串口，stm32接收后则执行命令。在PC中，将合成的语音放在相关目录下，添加ros模板，使其作为发布者发布语音识别的结果。通过树莓派接受pc语音识别的指令，之后树莓派通过串口与stm32进行串口通信，当收到不同的指令时，发送不同的指令符号。在stm32收到树莓派的指令符号后，控制电动机旋转，并通过旋转时长来控制腹腔镜的移动距离。

本发明的工作原理：

本发明采用多个电动机包括导向板电机12、控制台电机16和电动推杆21分别控制装置夹持旋转机构的上下、左右和前后的运动，通过球齿轮和单级齿轮的相互啮合控制腹腔镜固定“上下的角度”，“左右的角度”多方向的运动。本机架1由金属钢架制成，总重量40kg，材料为铝合金，机架1起到稳定重心的效果，两侧的竖直支撑杆2共有四根高2m，上安有空心铝合金导向板3，导向板3位于两侧各一块，导向板3和竖直支撑杆2间安有滑道和卡槽，根据AI语令上下移动，需要固定某点时可以固定。

移动距离控制原理，上下左右移动，使用周长为1cm的齿轮齿轮根据实际大小更改，移动轴选用匹配的金属齿条，选用转速较慢的电机，转速6r/min，通过stm32控制电机转动时间来控制移动距离，设移动距离为d，齿轮周长为s，转速为v，转动时间为t，则有距离：d＝vts，如以所给参数为例，当发送语音指令“向左移动1mm”时，则控制电机正转1秒即可。旋转角度控制，假设电机0.1r/s，所需要转动角度为x，则有转动时间为：t＝x/36当发送语音指令“旋转30度时”，通过stm32控制电机旋转5/6秒即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述持镜机器人包括控制系统、机架(1)、导向板(3)、控制台(6)、装置管(7)和夹持旋转机构(8)；所述机架(1)的两侧分别安装有多个竖直支撑杆(2)，所述竖直支撑杆(2)上滑动连接有导向板(3)，两个所述导向板(3)间安装有多个水平支撑杆(5)，所述控制台(6)滑动连接在水平支撑杆(5)上，所述装置管(7)的一端安装在控制台(6)上，另一端安装有用于夹持调节腹腔镜(9)的夹持旋转机构(8)。

2.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述导向板(3)内部安装有导向板电机(12)和导向板齿轮(13)；所述导向板(3)通过导向板直线轴承(11)和竖直支撑杆(2)滑动连接，所述竖直支撑杆(2)的上端安装在连接板(4)上，下端安装在机架(1)上，所述导向板齿轮(13)和导向板电机(12)的电机轴连接，所述导向板齿轮(13)和导向板齿条(14)啮合，所述导向板齿条(14)穿过导向板(3)，所述导向板齿条(14)的一端安装在连接板(4)上，另一端端安装在机架(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述控制台(6)内部安装有控制台电机(16)和控制台齿轮(17)；所述控制台(6)通过控制台直线轴承(15)和水平支撑杆(5)滑动连接，所述水平支撑杆(5)的两端分别安装在导向板(3)上，所述控制台齿轮(17)和控制台电机(16)的电机轴连接，所述控制台齿轮(17)和控制台齿条(18)啮合，所述控制台齿条(18)穿过控制台(6)，所述控制台齿条(18)的两端分别安装在导向板(3)上。

4.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述装置管(7)的运动由装置管运动机构控制，所述装置管运动机构包括安装在控制台(6)内部的电动推杆(21)；所述电动推杆(21)的外壳连接在控制台(6)上，所述装置管(7)连接在电动推杆(21)的缸杆上。

5.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述夹持旋转机构(8)包括安装在壳体(8-1)内部的支撑架(22)、球齿轮(23)、第一单级齿轮(25)、第一变速驱动电机(26)、第二单级齿轮(27)和第二变速驱动电机(28)，所述壳体(8-1)连接装置管(7)；所述支撑架(22)的一端连接壳体(8-1)，另一端加工有球齿轮槽(22-1)，所述球齿轮槽(22-1)内部安装有球齿轮(23)，所述球齿轮(23)分别与第一单级齿轮(25)、第二单级齿轮(27)啮合，所述第一单级齿轮(25)和所述第二单级齿轮(27)分别设置在球齿轮(23)的两侧，所述第一单级齿轮(25)通过第一变速驱动电机(26)驱动，所述第二单级齿轮(27)通过第二变速驱动电机(28)驱动，所述第一变速驱动电机(26)和所述第二变速驱动电机(28)分别安装在支撑架(22)上，所述球齿轮(23)上安装有腹腔镜夹持管(24)，所述腹腔镜夹持管(24)伸出到壳体(8-1)外部。

6.根据权利要求5所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述支撑架(22)由左支撑架(22-2)和右支撑架(22-3)两部分拼接构成，所述左支撑架(22-2)和所述右支撑架(22-3)的一端均加工有球齿轮槽(22-1)。

7.根据权利要求5所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述第一单级齿轮(25)和所述第二单级齿轮(27)的中心线和球齿轮(23)的轴线重合，所述第一单级齿轮(25)和所述第二单级齿轮(27)的渐开线齿轮模数、齿数完全相同。

8.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述竖直支撑杆(2)位于导向板(3)上下两侧的位置均安装有位置传感器(10)，所述水平支撑杆(5)位于控制台(6)左右两侧的位置均安装有位置传感器(10)。

9.根据权利要求4所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述电动推杆(21)的尾部通过连接板(20)安装有电动推杆控制器(19)。

10.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术AI持镜机器人，其特征在于：所述控制系统包括控制器、继电器和语音识别模块；所述导向板电机(12)、所述控制台电机(16)、所述电动推杆(21)、所述第一变速驱动电机(26)和所述第二变速驱动电机(28)均与继电器电连接，所述继电器和控制器电连接，所述语音识别模块和控制器电连接。

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