CN117442345B - 一种软式内镜器械机器人工作站 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种软式内镜器械机器人工作站，包括器械驱动台车，所述器械驱动台车包括台车本体和器械输送装置、推拉装置和人机交互装置；所述推拉装置包括器械柄固定机构和推拉环驱动机构，所述器械柄固定机构和推拉环驱动机构分别包括能够相对开合的阵列顶针组件，所述阵列顶针组件的开合面上设有阵列分布的伸缩式顶针，以夹持器械柄和推拉环；所述人机交互装置用于控制所述器械输送装置和推拉装置执行手术术式操作。该机器人工作站可应用于多种推拉式器械，可代替人工实现软性器械的输送功能，并完成术中不同器械的开合或者穿刺等操作，提高手术自动化和精准程度，减低医护人员成本、劳动强度，缩短手术时间。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及在多种软式内镜术式中用于操作推拉式器械的机器人工作站。
背景技术
消化道、呼气道等自然腔道是人类常见疾病好发部位，由于病灶处于人体自然腔道内部，因此需要通过软式内镜进行检查或手术治疗。
传统的软式内镜检查或手术，需要各种器械完成诊断和治疗，由器械操作者（护士、技师或助理医师）安装术中所需的器械，与主操作医师一起完成术中的操作。但由于此类器械长度较长，一些术式复杂性高，需要多人配合，安装手术器械时间长，助手需要专门或长期培训；而且，有的检查或手术需要在放射线的图像引导下进行，医务人员需要穿戴沉重的铅制防护服等长时间手工操作软式内镜，对医务人员诊疗操作质量、体力和健康影响较大，尤其对经验丰富的年长或女性医务人员制约更大，甚至被迫放弃内镜医疗工作。
因此，现有的软式内镜检查、活检与治疗都是多人配合手工完成，尚缺乏软式内镜器械机器人，比如机器人系统操作活检钳等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软式内镜器械机器人工作站。该机器人工作站可以适配现有的推拉式器械，完成术中的输送、旋转和推拉等操作。
为实现上述目的，本发明提供一种软式内镜器械机器人工作站，包括器械驱动台车，所述器械驱动台车包括台车本体和设于所述台车本体的器械输送装置、推拉装置和人机交互装置；
所述器械输送装置在所述台车本体上位于前侧，所述推拉装置位于所述器械输送装置的后侧；
所述器械输送装置设有输送轮和夹紧机构，所述夹紧机构用于驱动所述输送轮夹紧待输送的器械，所述输送轮用于在夹紧后沿前后方向输送器械；
所述推拉装置包括器械柄固定机构和推拉环驱动机构，所述器械柄固定机构和推拉环驱动机构分别包括一对能够相对开合的阵列顶针组件，所述阵列顶针组件的开合面上设有阵列分布的伸缩式顶针，以通过所述伸缩式顶针夹持器械柄和推拉环；
所述器械柄固定机构设有驱动其阵列顶针组件执行开合动作的第一驱动部件；所述推拉环驱动机构设有驱动其阵列顶针组件执行开合动作的第二驱动部件以及用于驱动其阵列顶针组件前后移动的第三驱动部件；
所述人机交互装置用于控制所述器械输送装置和推拉装置执行手术术式操作。
可选地，所述器械输送装置的前端设有中空软管，所述中空软管的一端用于对接软式内镜的工作孔道入口，所述中空软管的另一端对接所述器械输送装置前端的器械安装入口。
可选地，所述第一驱动部件包括设有正向螺旋部和反向螺旋部的第一丝杆和第一驱动电机，所述第一丝杆横向设置，所述器械柄固定机构的阵列顶针组件分别通过第一螺母与所述第一丝杆的正向螺旋部和反向螺旋部相配合，各所述第一螺母分别通过第一滑块安装于横向的第一导轨。
可选地，所述第二驱动部件包括设有正向螺旋部和反向螺旋部的第二丝杆和第二驱动电机，所述第二丝杆横向设置，所述推拉环驱动机构的阵列顶针组件分别通过第二螺母与所述第二丝杆的正向螺旋部和反向螺旋部相配合，各所述第二螺母分别通过第二滑块安装于横向的第二导轨；所述第三驱动部件包括移动平台、第三丝杆和第三驱动电机，所述第二导轨安装于所述移动平台，所述移动平台通过第三滑块安装于纵向的第三导轨，且所述移动平台通过第三螺母与纵向的第三丝杆相配合。
可选地，所述阵列顶针组件包括顶针架、顶针和弹簧，所述顶针架设有顶针安装通道，所述弹簧位于所述顶针安装通道中，所述顶针的一端抵接所述弹簧，所述顶针的另一端伸出所述顶针架；
或者，所述阵列顶针组件包括顶针架、顶针和顶针套，各所述顶针分别通过弹簧安装于相应的所述顶针套，所述顶针的一端抵接所述弹簧，所述顶针的另一端伸出所述顶针套的前端，所述顶针套的后端固定于所述顶针架。
可选地，所述顶针的头端设有弹性结构。
可选地，所述器械输送装置的输送轮包括多组主动轮和被动轮，所述主动轮安装于固定座，所述被动轮安装于夹紧座；
所述器械输送装置的输送架上设有输送电机，所述输送电机通过传动部件与所述主动轮传动连接，以驱动所述主动轮旋转；
所述夹紧机构包括夹紧电机和夹紧导轨，所述夹紧座通过夹紧滑块安装于所述夹紧导轨，所述夹紧电机通过传动部件与所述夹紧座传动连接，以驱动所述夹紧座上的被动轮接近或远离所述主动轮。
可选地，所述主动轮和被动轮具有中心硬质轮毂和弹性外圈，且所述弹性外圈为中空结构或实体结构。
可选地，设有器械特征识别模块，所述器械特征识别模块用于识别器械柄和推拉环，和/或，用于在夹紧器械柄后识别推拉环位置。
可选地，设有器械控制台，所述器械控制台与所述人机交互装置通讯连接，其设有触发按钮、操作手柄以及显示器，以进行远程操控。
本发明所提供的软式内镜器械机器人工作站设有器械输送装置、推拉装置、以及人机交互装置，通过器械输送装置的输送轮可以包裹器械，将器械送入软式内镜，提高软性器械的输送能力，通过推拉装置可以适配现有的人手推拉式器械，能固定器械手柄与推拉环，并向前或向后移动推拉环，控制推拉环与器械手柄的相对距离，进而完成术中不同器械的开合或者穿刺等操作，提高手术自动化和精准程度，减低医护人员成本、劳动强度，缩短手术时间。
而且，器械柄固定机构和推拉环驱动机构是通过阵列顶针组件夹持器械柄和推拉环，并通过阵列顶针组件带动推拉环移动。由于顶针具有伸缩功能，因此阵列分布的顶针能够夹持和推拉各种不同形状的器械柄和推拉环，从而使机器人工作站能够适用于不同的软性器械，极大的提高了机器人工作站的通用性能。
附图说明
图1为推拉式软性器械的使用场景示意图；
图2为推拉式软性器械的执行器为活检钳的结构示意图；
图3为推拉式软性器械的执行器为圈套器的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的一种软式内镜器械机器人工作站的使用场景示意图；
图5为图4中所示器械驱动台车的结构示意图；
图6为器械输送装置、推拉装置的结构示意图；
图7为器械输送装置的俯视图；
图8为主动轮与输送电机传动连接的结构示意图；
图9为被动轮与夹紧电机传动连接的结构示意图；
图10为主动轮的四分之一剖视图；
图11为主动轮和被动轮夹紧器械时的形变示意图；
图12为推拉装置夹紧器械柄和推拉环时的结构示意图；
图13为第一种伸缩式顶针的结构示意图；
图14为第二种伸缩式顶针的结构示意图；
图15为伸缩式顶针夹紧被固定件的示意图；
图16为一种人机交互装置的结构示意图；
图17为一种器械控制台的结构示意图。
图中：
10.推拉式器械；11.器械柄；12.推拉环；13.器械插入管；14.驱动丝；15.器械执行器；151.活检钳；152.圈套器。
20.软式内镜；21.工作孔道；22.内镜插入部。
30.器械驱动台车；40.器械输送装置；41.器械安装入口；42.输送架； 43.固定座；44.夹紧座；45.主动轮；46.被动轮；47.输送电机；48.齿轮；49.夹紧导轨；410.夹紧滑块；420.夹紧螺母；430.夹紧电机；440.夹紧丝杆。
50.推拉装置；51.器械柄固定机构；511.第一丝杆；512.第一驱动电机； 513.第一螺母；514.第一滑块；515.第一导轨；52.推拉环驱动机构；521.第二丝杆；522.第二驱动电机；523.第二螺母；524.第二滑块；525.第二导轨；526.移动平台；527.第三丝杆；528.第三驱动电机；529.第三滑块；530.第三导轨；531.第三螺母。
60.人机交互装置；61.指令触发按钮；70.中空软管；80.阵列顶针组件；81.顶针；82.顶针架；83.弹簧；84.顶针套；90.被固定件；100.双目相机；
200.器械控制台；210.显示器；220.手柄；230. 指令触发按钮。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
在本文中，“上、下、前、后”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
请参考图1、图2、图3，图1为推拉式软性器械的使用场景示意图；图2为推拉式软性器械的执行器为活检钳的结构示意图；图3为推拉式软性器械的执行器为圈套器的结构示意图。
如图所示，推拉式器械10在结构上主要由器械柄11、推拉环12、器械插入管13、驱动丝14以及器械执行器15等部分组成，依据功能的不同，能够与软式内镜20组合使用的推拉式器械10种类较多，以消化内镜术式为例，器械经过软式内镜20的工作孔道21，从内镜插入部22的头端部伸出，针对不同的临床需求安装不同的器械执行器15，当器械执行器15到达指定位置时，以往的手动操作方式是通过手握持器械柄11并扳动推拉环12（通常是大拇指伸入器械柄11的圆环中，食指和中指夹持推拉环12），实现对应功能，比如活检钳151开合、圈套器152开合套取、注射针刺破与抽出等操作。
请接着参考图4、图5、图6，图4为本发明实施例所提供的一种软式内镜器械机器人工作站的使用场景示意图；图5为图4中所示器械驱动台车的结构示意图；图6为器械输送装置、推拉装置的结构示意图。
如图所示，在一种具体实施例中，本发明所提供的软式内镜器械机器人工作站，设有可以灵活移动的器械驱动台车30，其器械输送装置40、推拉装置50和人机交互装置60均安装在器械驱动台车30的台车本体上。
器械输送装置40和推拉装置50分别安装在对应的外壳中，然后坐落并固定于台车本体的底盘上，其中，器械输送装置40位于台车本体的前侧，推拉装置50位于器械输送装置40的后侧，两者之间间隔有一定距离，以容置处于弯曲状态的器械插入管13。
器械输送装置40设有输送轮和夹紧机构，夹紧机构用于驱动输送轮夹紧待输送的器械，输送轮用于在夹紧器械后，沿前后方向输送器械。
推拉装置50设有器械柄固定机构51和推拉环驱动机构52，器械柄固定机构51和推拉环驱动机构52分别设有一对能够相对开合的阵列顶针组件80，每一个阵列顶针组件80的开合面上设有阵列分布的伸缩式顶针81，通过伸缩式顶针81可以夹持器械柄11和推拉环12，并能够带动推拉环12移动。
请继续参考图7至图11，图7为器械输送装置的俯视图；图8为主动轮与输送电机传动连接的结构示意图；图9为被动轮与夹紧电机传动连接的结构示意图；图10为主动轮的四分之一剖视图；图11为主动轮和被动轮夹紧器械时的形变示意图。
如图所示，器械输送装置40的前端安装一段中空软管70，中空软管70的一端用于对接软式内镜20的工作孔道21的入口，另一端用于对接器械输送装置40前端的器械安装入口41，在医师操作内镜时，器械操作者（助手或手术护士）配合安装对应术式的器械，并将手术辅助机器人的中空软管70安装至软式内镜20的工作孔道21的入口。
在本实施例中，器械输送装置40设有输送架42，输送架42上安装有固定座43和夹紧座44，输送轮分为主动轮45和被动轮46，主动轮45安装于固定座43，被动轮46安装于夹紧座44。
具体地，输送架42上设有输送电机47，主动轮45安装在第一转轴上，第一转轴上设有两个轴承，两个轴承与固定座43固定，输送电机47与输送架42固定，输送电机47的输出轴设有齿轮48，通过齿轮48与主动轮45传动连接，以驱动主动轮45旋转。
与主动轮45类似地，被动轮46通过轴承安装在夹紧座44上，输送架42上设有夹紧导轨49，夹紧座44通过夹紧滑块410安装在夹紧导轨49上，夹紧滑块410的一侧呈向下折弯的形状，其折弯的一端穿过输送架42上的孔位并设有夹紧螺母420，夹紧电机430固定于输送架42的下表面，夹紧电机430的输出轴上安装有夹紧丝杆440，夹紧丝杆440与夹紧螺母420组成丝杆螺母传动机构。
工作时，夹紧电机430通过丝杆螺母传动机构带动夹紧座44移动，从而使夹紧座44上的被动轮46接近主动轮45，实现对待输送器械的夹紧，进而通过主动轮45与器械外表面的摩擦实现前后输送功能。
主动轮45和被动轮46的中心为较硬轮毂，外圈结构采用高弹性材料，如医用硅胶等，并且采用中空等结构形式，提高输送轮外径的弹性，采用高弹性外圈，在夹紧作用下，接触部分可发生较大的形变，具有更大的接触面积，能够充分包裹夹紧柔性器械，从而提高软性器械的输送能力。当然，主动轮45和被动轮46的外圈也可以是实体结构。
请一并参考图12，图12为推拉装置夹紧器械柄和推拉环时的结构示意图。
如图所示，器械柄固定机构51设有驱动其阵列顶针组件80执行开合动作的第一驱动部件，推拉环驱动机构52设有驱动其阵列顶针组件80执行开合动作的第二驱动部件以及用于驱动其阵列顶针组件80前后移动的第三驱动部件。
具体地，第一驱动部件设有第一丝杆511和第一驱动电机512，第一丝杆511横向设置，其上具有正向螺旋部和反向螺旋部，器械柄固定机构51的一对阵列顶针组件80分别通过第一螺母513与第一丝杆511的正向螺旋部和反向螺旋部相配合，而且，各第一螺母513分别通过第一滑块514安装于横向的第一导轨515，从而实现一个电机驱动一对阵列顶针组件80进行靠近或分离。
第二驱动部件设有第二丝杆521和第二驱动电机522，第二丝杆521平行于第一丝杆511，其上具有正向螺旋部和反向螺旋部，推拉环驱动机构52的一对阵列顶针组件80分别通过第二螺母523与第二丝杆521的正向螺旋部和反向螺旋部相配合，而且，各第二螺母523分别通过第二滑块524安装于横向的第二导轨525，从而实现一个电机驱动一对阵列顶针组件80进行靠近或分离。
第三驱动部件设有移动平台526、第三丝杆527和第三驱动电机528，第二导轨525安装于移动平台526，移动平台526通过第三滑块529安装于纵向的第三导轨530，且移动平台526通过第三螺母531与纵向的第三丝杆527相配合，第三驱动电机528可带动移动平台526及其上的阵列顶针组件80一起前后移动，从而实现对推拉环12的操作。
请参考图13至图15，图13为第一种伸缩式顶针的结构示意图；图14为第二种伸缩式顶针的结构示意图；图15为伸缩式顶针夹紧被固定件的示意图。
如图所示，各阵列顶针组件80的顶针81具有弹性，受到轴向压力时能回缩，撤去轴向压力后可回复，同时顶针能承受径向力。
作为一种实施方式，阵列顶针组件80主要由顶针81、顶针架82和弹簧83等组成，顶针架82设有顶针安装通道，弹簧83位于顶针安装通道中，顶针81的一端抵接弹簧83，顶针81的另一端伸出顶针架82，弹簧83的另一端抵住顶针架82的端盖，顶针81能在顶针架82中移动，顶针81的头端可以采用弹性材料，以保护被固定件。
作为另一种实施方式，阵列顶针组件80主要由顶针81、顶针架82、和顶针套84组成，每一个顶针81分别采用独立的顶针套84，顶针套84内部中空，各顶针81分别通过弹簧83安装于相应的顶针套84，顶针81的一端抵接弹簧83，顶针81的另一端伸出顶针套84的前端，顶针套84的后端固定于顶针架82，顶针81能够在顶针套84内移动。
顶针固定原理：
当一对阵列顶针组件80对合时，阵列布置的顶针81被压缩，顶针81的头端以离散的形式接触被固定件90的外轮廓，卡住被固定件90上的凹凸结构，从而能够对被固定件90进行固定，并能够带动被固定件90沿垂直于顶针81的方向移动，一对顶针架82上的顶针81，可以顶针对顶针布置，亦可错位布置。
由于顶针81具有弹性伸缩功能，因此阵列分布的顶针81能够夹持和推拉各种不同形状的器械柄11和推拉环12，从而使机器人工作站能够适用于不同的软性器械，极大的提高了机器人工作站的通用性能。
进一步地，为了根据术中要求控制推拉环位置，设有器械特征识别模块。本实施例中的器械特征识别模块为双目相机100，双目相机100通过双目视觉的三维重建，确定推拉环12的位置，控制推拉环12与器械柄11的相对距离，进而完成术中的不同器械的开合或者穿刺等操作。
请参考图16、图17，图16为一种人机交互装置的结构示意图；图17为一种器械控制台的结构示意图。
如图所示，人机交互装置60用于控制器械输送装置和推拉装置执行手术术式操作。本实施例中的人机交互装置为把手面板，其上设有各种指令触发按钮61，由器械操作者（助手或手术护士）在医师使用内镜过程中触发操作指令，配合完成手术术式操作。
例如，持续触发前进按钮时器械持续输送，持续触发后退按钮则器械后退，不触发则器械不运动，开合按钮可以为自锁按钮，按下打开钳口，抬起关闭钳口，以及开、关机按钮等，同时还可设置语音交互接口实现指令控制功能。
此外，还可以设置器械控制台200，器械控制台200的基本功能与人机交互装置60的功能基本一致，但操作台上还提供有用于显示镜下视野的显示器210，以及器械输送用的手柄220和指令触发按钮230等，例如手柄220可设置为向前推动时器械向前输送。器械控制台200与人机交互装置60可通讯连接，以进行远程操控，为器械操作者（助手或手术护士）提供舒适且便捷的器械控制方式。
当然，上述人机交互装置60和器械控制台200也可以采用触摸屏的形式，若采用触摸屏进行控制，则上述按钮可以是虚拟的控制按钮。
上述软式内镜器械机器人工作站可应用于多种软式内镜术式中涉及的推拉式器械，可代替人工实现软性器械的输送功能，并完成术中不同器械的开合或者穿刺等操作，提高手术自动化和精准程度，减低医护人员成本、劳动强度，缩短手术时间，减轻病患痛苦。
以上对本发明所提供的软式内镜器械机器人工作站进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，包括器械驱动台车，所述器械驱动台车包括台车本体和设于所述台车本体的器械输送装置、推拉装置和人机交互装置；
所述器械输送装置在所述台车本体上位于前侧，所述推拉装置位于所述器械输送装置的后侧；
所述器械输送装置设有输送轮和夹紧机构，所述夹紧机构用于驱动所述输送轮夹紧待输送的器械，所述输送轮用于在夹紧后沿前后方向输送器械；
所述推拉装置包括器械柄固定机构和推拉环驱动机构，所述器械柄固定机构和所述推拉环驱动机构分别包括一对能够相对开合的阵列顶针组件，所述阵列顶针组件的开合面上设有阵列分布的伸缩式顶针，以通过所述伸缩式顶针夹持器械柄和推拉环；
所述阵列顶针组件包括顶针架、顶针和弹簧，所述顶针架设有顶针安装通道，所述弹簧位于所述顶针安装通道中，所述顶针的一端抵接所述弹簧，所述顶针的另一端伸出所述顶针架；或者，所述阵列顶针组件包括顶针架、顶针和顶针套，各所述顶针分别通过弹簧安装于相应的所述顶针套，所述顶针的一端抵接所述弹簧，所述顶针的另一端伸出所述顶针套的前端，所述顶针套的后端固定于所述顶针架；
所述器械柄固定机构设有驱动其阵列顶针组件执行开合动作的第一驱动部件；所述推拉环驱动机构设有驱动其阵列顶针组件执行开合动作的第二驱动部件以及用于驱动其阵列顶针组件前后移动的第三驱动部件；
所述人机交互装置用于控制所述器械输送装置和推拉装置执行手术术式操作。
2.根据权利要求1所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，所述器械输送装置的前端设有中空软管，所述中空软管的一端用于对接软式内镜的工作孔道入口，所述中空软管的另一端用于对接所述器械输送装置前端的器械安装入口。
3.根据权利要求1所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，所述第一驱动部件包括第一丝杆和第一驱动电机，所述第一丝杆横向设置且设有正向螺旋部和反向螺旋部，所述器械柄固定机构的阵列顶针组件分别通过第一螺母与所述第一丝杆的正向螺旋部和反向螺旋部相配合，各所述第一螺母分别通过第一滑块安装于横向的第一导轨。
4.根据权利要求3所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，所述第二驱动部件包括第二丝杆和第二驱动电机，所述第二丝杆横向设置且设有正向螺旋部和反向螺旋部，所述推拉环驱动机构的阵列顶针组件分别通过第二螺母与所述第二丝杆的正向螺旋部和反向螺旋部相配合，各所述第二螺母分别通过第二滑块安装于横向的第二导轨；所述第三驱动部件包括移动平台、第三丝杆和第三驱动电机，所述第二导轨安装于所述移动平台，所述移动平台通过第三滑块安装于纵向的第三导轨，且所述移动平台通过第三螺母与纵向的所述第三丝杆相配合。
5.根据权利要求1所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，所述顶针的头端设有弹性结构。
6.根据权利要求1所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，所述器械输送装置的输送轮包括多组主动轮和被动轮，所述主动轮安装于固定座，所述被动轮安装于夹紧座；
所述器械输送装置的输送架上设有输送电机，所述输送电机通过传动部件与所述主动轮传动连接，以驱动所述主动轮旋转；
所述夹紧机构包括夹紧电机和夹紧导轨，所述夹紧座通过夹紧滑块安装于所述夹紧导轨，所述夹紧电机通过传动部件与所述夹紧座传动连接，以驱动所述夹紧座上的被动轮接近或远离所述主动轮。
7.根据权利要求6所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，所述主动轮和被动轮具有中心硬质轮毂和弹性外圈，且所述弹性外圈为中空结构或实体结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，设有器械特征识别模块，所述器械特征识别模块用于识别器械柄和推拉环，和/或，用于在夹紧器械柄后识别推拉环位置。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的软式内镜器械机器人工作站，其特征在于，设有器械控制台，所述器械控制台与所述人机交互装置通讯连接，所述器械控制台设有触发按钮、操作手柄以及显示器，以进行远程操控。
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