CN116098762A - 一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器 - Google Patents

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Abstract

一种用于耳科手术机器人的内耳注射‑采样执行器，它涉及一种内耳注射‑采样执行器。本发明为了解决现有手术器械经通道进入中耳或内耳完成相应手术，执行难度较高，对人体存在一定程度损伤的问题。本发明包括柔性段模块(1)、驱动模块(2)、执行器固定座(3)和直线导轨模块(4)，驱动模块(2)的前端部与柔性段模块(1)的后端连接，驱动模块(2)与安装在执行器固定座(3)上的直线导轨模块(4)连接；柔性段模块(1)为柔性弯曲自由度模块。能够实现微细尺寸下的灵活四自由度弯曲运动，有效满足了狭小自然腔道手术机器人的硬性指标。实现了经自然腔道进入内耳圆床靶点位置的无创手术操作。本发明用于耳科手术机器人中。

Description

一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器
技术领域
本发明涉及一种内耳注射-采样执行器，具体涉及一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器。
背景技术
内耳注射、采样操作由于操作精度、径路创伤等因素，极少作为一种独立的操作在功能性耳外科临床上应用，影响了耳聋、耳鸣、眩晕等功能性耳病的早期干预治疗，并且全身给药、鼓室内注射等间接给药治疗方式存在疗效差、副作用大等缺点。内耳给药-采样手术的组织位于鼓室内部，由于内耳狭小且复杂的环境特性，手术器械很难进入，导致目前国内外的耳科手术机器人系统大多采用在颞骨表面钻孔产生通道，从而将手术器械经通道进入中耳或内耳完成相应手术，执行难度较高，对人体存在一定程度的损伤，需要较长的术后恢复期。
综上所述，现有手术器械经通道进入中耳或内耳完成相应手术，执行难度较高，对人体存在一定程度损伤的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有手术器械经通道进入中耳或内耳完成相应手术，执行难度较高，对人体存在一定程度损伤的问题。进而提供一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器。
本发明的技术方案是：一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器包括柔性段模块、驱动模块、执行器固定座和直线导轨模块，驱动模块的前端部与柔性段模块的后端连接，驱动模块与安装在执行器固定座上的直线导轨模块连接；柔性段模块为柔性弯曲自由度模块。
进一步地，柔性段模块为由钢丝绳驱动的柔性弯曲自由度模块。
进一步地，柔性段模块的外径为2mm。
进一步地，驱动模块包括导向架、多个导向滚轮、多根直线滑轨、多根丝杠、多个丝杠螺母、多个丝母座、调节台、多个直流电机和多个编码器，导向架与柔性段模块连接，导向架上安装有多个导向滚轮，调节台与导向架平行安装，多根直线滑轨的一端与导向架连接，多根直线滑轨的另一端与调节台连接，每个丝母座滑动安装在一根直线滑轨上，多根驱动钢丝的另一端绕过导向滚轮后安装在丝母座上，丝杠的一端安装在导向架上，丝杠的另一端穿过丝母座后穿过调节台，直流电机的输出轴与丝杠的另一端连接，每个直流电机上安装有一个编码器。
进一步地，导向架为圆盘形导向架。
进一步地，圆盘形导向架包括两个盘体和连接环，两个盘体之间通过连接环连接。
进一步地，盘体的外圆周上以环形阵列的方式加工有多个滚轮安装座，每个滚轮安装座的下部加工有一个丝杠安装孔。
进一步地，驱动模块还包括底座，底座安装并支撑在调节台上。
进一步地，丝母座上加工有两个钢丝绳固定孔。
进一步地，直线导轨模块包括滑动平台、直线滑轨和驱动电机，直线滑轨安装在滑动平台上，驱动电机与滑动平台连接，带动位于滑动平台上的驱动模块做直线运动。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明经耳道的内耳注射-采样手术机器人系统通过控制末端柔性执行机构经过外耳道。绕过耳骨等内部到达手术靶点位置，利用微针完成内耳注射和活检等手术操作，作为一种新的手术方式，具有创伤小、手术难度低、时间短和术后并发症风险低的优点。
2、本发明的内耳注射-采样执行器是安装于经耳道的内耳-采样手术机器人末端的一种执行器，经过外耳道从鼓膜上预先开好的3mm孔进入中耳(术后可自愈)并绕过内耳结构运动至圆窗将药物递送至手术靶点位置并完成内耳组织液活检工作。
3、本发明的执行器主要具备以下功能和优点：突破了传统内耳给药的血-迷路屏障阻碍内耳精准治疗的瓶颈，实现有效、可控地将药物直接递送至靶点位置，极大地提高了给药术式的手术效率和疗效；通过内耳组织液采样了解疾病及微环境变化，实现内耳疾病的提前预防和精准诊断；从临床手术角度出发，整个手术过程对人体的损伤程度较低，手术时间缩短，手术安全性大幅度提高。
4、本发明首次利用连续体机构(指本发明的柔性段模块1)，实现了经自然腔道进入内耳圆床靶点位置的无创手术操作。
5、本发明的执行器能够实现微细尺寸下(直径2mm)的灵活四自由度弯曲运动，有效满足了狭小自然腔道手术机器人的硬性指标。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。图2是图1的主视图。图3是图1的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器包括柔性段模块1、驱动模块2、执行器固定座3和直线导轨模块4，驱动模块2的前端部与柔性段模块1的后端连接，驱动模块2与安装在执行器固定座3上的直线导轨模块4连接；柔性段模块1为柔性弯曲自由度模块。
本实施方式的驱动钢丝穿过十片鞍形关节上的钢丝孔将柔性段连接固定，并设置有一定的预紧力使其具备一定刚度以保持形状不变，通过相邻滚动关节绕接触点相对转动，使末端具备四个方向的柔性弯曲自由度，实现两段空间曲线的运动姿态，从而保证末端运动的灵活性。柔性段采用中空设计，内嵌有柔性内管，内管末端内设有孔道以容纳在末端集成的摄像头模组、导光光纤和手术微针，完成手术过程中的实时影像、照明以及给药活检相关操作，整个柔性段通过中段与后端驱动模块部分连接固定。
本实施方式的驱动钢丝穿过两段鞍形关节上的钢丝孔实现连接固定，并设置有一定的预紧力使连续体机构具有足够的刚度以保持形状不变，通过改变关节内钢丝的长度，使相邻滚动关节绕接触点相对转动，每一关节段由两对钢丝主动驱动，具备两个方向的弯曲自由度，连续体机构整体具备四个方向的柔性弯曲自由度，能够实现两段空间曲线的运动姿态，从而保证末端运动的灵活性。柔性段采用中空设计，内嵌有柔性内管，内管末端内设有孔道以容纳在末端集成的摄像头模组、导光光纤和手术微针，提供手术过程中的实时影像、照明并完成注射给药和活检等手术操作，整个柔性段通过中段与后端驱动模块部分连接固定。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的柔性段模块1为由钢丝绳驱动的柔性弯曲自由度模块。如此设置，便于保证关节位于内耳中并处于自由弯曲的状态，进而实现注射和采样。其它组成和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3说明本实施方式，本实施方式的柔性段模块1的外径为2mm。如此设置，满足了狭小自然腔道手术机器人的硬性指标。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的驱动模块2包括导向架2-1、多个导向滚轮2-2、多根直线滑轨2-3、多根丝杠2-4、多个丝杠螺母2-5、多个丝母座2-6、调节台2-7、多个直流电机2-8和多个编码器2-9，导向架2-1与柔性段模块1连接，导向架2-1上安装有多个导向滚轮2-2，调节台2-7与导向架2-1平行安装，多根直线滑轨2-3的一端与导向架2-1连接，多根直线滑轨2-3的另一端与调节台2-7连接，每个丝母座2-6滑动安装在一根直线滑轨2-3上，多根驱动钢丝的另一端绕过导向滚轮2-2后安装在丝母座2-6上，丝杠2-4的一端安装在导向架2-1上，丝杠2-4的另一端穿过丝母座2-6后穿过调节台2-7，直流电机2-8的输出轴与丝杠2-4的另一端连接，每个直流电机2-8上安装有一个编码器2-9。如此设置，便于起到连接和密封的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
本实施方式的执行器采取线驱动方式，通过驱动模块2改变八根驱动钢丝的长度来控制柔性段模块实现四自由度弯曲变形，从而使末端位姿发生改变。
驱动系统由八个直流电机2-8提供动力，拉动或释放预紧的钢丝来驱动末端。每个电机有一副减速器配丝杠2-4作主轴驱动，将丝杠螺母2-5用丝母座2-6固定后，丝杠螺母的旋转进给运动转换为丝母座和滑块在直线导轨上的水平直线运动。钢丝尾端与丝母座固定，从而实现驱动钢丝的水平拉伸或放缩。配备高精度的光学编码器可以为执行器的速度控制、运动补偿等提供实时位置和速度信息，通过反馈电机实时电流、扭矩等信息来避免钢丝因受力过大被拉断，保证手术系统的安全性。
本发明将电机、减速器和编码器集成于一体，通过螺纹与调节台法兰孔连接固定，一方面可以保证平行度和同心度，提高装配精度；另一方面降低了装配难度，便于拆卸。考虑到驱动钢丝需要施加预紧力以保证结构刚度，通过导向架2-1上的八组导向滚轮使钢丝处于合适的预紧状态并保证其运动方向绝对水平，避免运动方向偏差对于末端弯曲运动准确性的不利影响。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的导向架2-1为圆盘形导向架。如此设置，便于为导向滚轮2-2的安装提供安装载体。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的圆盘形导向架包括两个盘体和连接环，两个盘体之间通过连接环连接。如此设置，结构简单，安装可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的盘体的外圆周上以环形阵列的方式加工有多个滚轮安装座，每个滚轮安装座的下部加工有一个丝杠安装孔。如此设置，便于安装滚轮和丝杠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的驱动模块2还包括底座2-10，底座2-10安装并支撑在调节台2-7上。如此设置，便于与直线导轨模块4连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的丝母座2-6上加工有两个钢丝绳固定孔2-6-1。如此设置，便于钢丝绳的固定，两个钢丝绳固定孔2-6-1的目的是为了对钢丝绳提供不同程度的预紧。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。
具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的直线导轨模块4包括滑动平台4-1、直线滑轨4-2和驱动电机4-3，直线滑轨4-2安装在滑动平台4-1上，驱动电机4-3与滑动平台4-1连接，带动位于滑动平台4-1上的驱动模块2做直线运动。如此设置，驱动模块2的底座2-10与滑动平台4-1通过螺栓连接，通过驱动电机4-3控制直线运动模组4-2带动执行器主体实现高精度直线进给运动。因此，执行器柔性段模块1末端共具备四个方向弯曲自由度和一个直线进给自由度。通过Adams软件进行执行器的运动学仿真，验证了以上自由度可以满足内耳给药-活检的手术需求，并具有足够小的尺寸、较高的运动灵活度和较低的运动分辨率。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。
结合图1至图3说明本发明的工作原理：
经耳道的内耳注射-采样手术机器人末端执行器的工作原理，通过它所固定的手术机器人操作臂运动到指定位置，利用直线模组模块4提供的进给自由度经外耳道由病人鼓膜上预先开好的孔进入内耳。借助已经编写好的运动控制程序，控制电机按照预先规划好的速度和加速度运动，八根驱动钢丝按照运动规划拉伸或缩短，使得末端作四自由度弯曲运动，绕过砧骨、锤骨等内部结构以两段空间曲线的运动位姿到达内耳圆窗的靶点位置，释放出手术微针，完成注药以及活检等手术操作。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：它包括柔性段模块(1)、驱动模块(2)、执行器固定座(3)和直线导轨模块(4)，驱动模块(2)的前端部与柔性段模块(1)的后端连接，驱动模块(2)与安装在执行器固定座(3)上的直线导轨模块(4)连接；柔性段模块(1)为柔性弯曲自由度模块。
2.根据权利要求1所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：柔性段模块(1)为由钢丝绳驱动的柔性弯曲自由度模块。
3.根据权利要求2所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：柔性段模块(1)的外径为2mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：驱动模块(2)包括导向架(2-1)、多个导向滚轮(2-2)、多根直线滑轨(2-3)、多根丝杠(2-4)、多个丝杠螺母(2-5)、多个丝母座(2-6)、调节台(2-7)、多个直流电机(2-8)和多个编码器(2-9)，
导向架(2-1)与柔性段模块(1)连接，导向架(2-1)上安装有多个导向滚轮(2-2)，调节台(2-7)与导向架(2-1)平行安装，多根直线滑轨(2-3)的一端与导向架(2-1)连接，多根直线滑轨(2-3)的另一端与调节台(2-7)连接，每个丝母座(2-6)滑动安装在一根直线滑轨(2-3)上，多根驱动钢丝的另一端绕过导向滚轮(2-2)后安装在丝母座(2-6)上，丝杠(2-4)的一端安装在导向架(2-1)上，丝杠(2-4)的另一端穿过丝母座(2-6)后穿过调节台(2-7)，直流电机(2-8)的输出轴与丝杠(2-4)的另一端连接，每个直流电机(2-8)上安装有一个编码器(2-9)。
5.根据权利要求4所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：导向架(2-1)为圆盘形导向架。
6.根据权利要求5所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：圆盘形导向架包括两个盘体和连接环，两个盘体之间通过连接环连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：盘体的外圆周上以环形阵列的方式加工有多个滚轮安装座，每个滚轮安装座的下部加工有一个丝杠安装孔。
8.根据权利要求4或7所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：驱动模块(2)还包括底座(2-10)，底座(2-10)安装并支撑在调节台(2-7)上。
9.根据权利要求8所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：丝母座(2-6)上加工有两个钢丝绳固定孔(2-6-1)。
10.根据权利要求9所述的一种用于耳科手术机器人的内耳注射-采样执行器，其特征在于：直线导轨模块(4)包括滑动平台(4-1)、直线滑轨(4-2)和驱动电机(4-3)，直线滑轨(4-2)安装在滑动平台(4-1)上，驱动电机(4-3)与滑动平台(4-1)连接，带动位于滑动平台(4-1)上的驱动模块(2)做直线运动。
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