CN117562665A - 一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于微创手术机器人领域，提出了一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，包括固定台模块以及设置在固定台上的连续体机构、连续体驱动机构和内窥镜机构。连续体机构包括柔性管道、螺旋式连续体、通道管和微型摄像头；通过连续体驱动机构实现连续体机构末端的弯曲和进给运动，通过固定台模块的内窥镜加紧机构装夹已有的内窥镜器械并固定，使得连续体机构能顺利通过内窥镜导管到达手术位置。采用这种手术器械可以适应人体的复杂环境，整体结构紧凑，弯曲半径小，可以实现在狭窄手术空间内对胆道的直接观察。

Description

一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人

技术领域

本发明属于微创手术机器人领域，尤其涉及一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人及其控制方法。

背景技术

机器人技术在微创消化道手术领域的应用，比如在胆道手术或检查中的应用，使相关检查和手术操作给患者带来更少的创伤和痛苦，并且更易快速恢复。此外，胆管镜能显著地降低医疗工作者的体力消耗，大大提高了手术效率。

发明人发现，现有的胆管镜手术机器人大多向着更小、更灵活、更多的功能、成本更低的方向发展，而上述问题暂时还未出现较均衡的解决方案；当前市场上的胆管镜仍存在自由度过低、体积过大、操控繁琐、功能单一等问题，解决上述问题将简化当前手术流程，降低手术风险。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人及其控制方法，连续体机构包含螺旋式连续体，微型摄像头和器材通道；通过连续体驱动机构控制连续体的进给运动和弯曲运动；使用这种基于连续体原理设计的较细的丝驱动螺旋式，可在较小的转弯半径内实现180°转弯，以对胆管内病灶进行有效观察；通过电机驱动丝杠带动驱动丝运动，使用拉力传感器获取拉力数据，采用这种驱动方式将原有的手动操作转化为电机驱动，通过数字手柄采集医生手部动作并进行信号处理修正，从而驱动电机转动，最终实现对胆管镜运动的精准操控。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，采用如下技术方案：

一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，包括固定台模块；所述的固定台模块包括支架和底座，所述支架一端高、一端低；在高的一端安装底座，在底座上安装连续体驱动机构；在低的一端安装内窥镜机构，所述的内窥镜机构的末端安装连续体机构，所述连续体机构包括柔性管道以及嵌套于柔性管道末端的螺旋式连续体；所述螺旋式连续体头部设置有微型摄像头和通道管；所述螺旋式连续体内设置有控制螺旋式连续体弯曲的驱动丝；所述的驱动丝设置在柔性管道内，其从内窥镜机构的器材入口进入，通过所述内窥镜机构的软管到达手术位置，且连续体驱动机构驱动所述的驱动丝。

进一步的，所述螺旋式连续体位于柔性管道末端，通过导管与柔性软管嵌套，所述螺旋式连续体的管壁圆周方向上,阵列等分布有四个钢丝孔，每个驱动丝孔内设置有驱动丝。

进一步的，在螺旋式连续体的头部的还安装有摄像头和手术器械通道管。

进一步的，所述的连续体驱动机构包括电机丝杠驱动、驱动板和收拢机构，所述的电机丝杠驱动装置驱动所述的驱动板做直线运动，所述的驱动丝的一端固定在驱动板上，另外一端通过收拢机构收拢后穿过驱动丝导管进入柔性管道，然后柔性管道进入到内窥镜软管，穿过内窥镜软管与螺旋式连续体相连。

进一步的，所述的收拢机构包括固定板和聚拢板，在固定板上安装有多个导向滑轮，在聚拢板中心设置驱动丝入口，多个导向滑轮引导多根驱动丝向驱动丝入口聚拢。

进一步的，所述的驱动板上设置拉力传感器，所述的拉力传感器与驱动丝相连。

进一步的，所述的电机丝杠驱动包括电机和丝杠，所述的电机固定在底座上，所述的电机驱动丝杠转动，丝杠驱动驱动板，且所述的丝杠通过轴承与收拢机构相连。

进一步的，所述的连续体驱动机构还包括导向杆，所述导向杆穿过驱动板、收拢机构固定在底座上。

进一步的，所述内窥镜机构包括内窥镜主体、内窥镜旋钮和内窥镜软管；所述内窥镜主体被所述两块夹板夹持固定在所述支架上；所述内窥镜旋钮和所述内窥镜软管安装在所述内窥镜主体上；所述连续体机构穿过内窥镜远端组件的器材通道进入所述内窥镜软管并在所述内窥镜软管末端伸出。

进一步的，在内窥镜软管的末端安装有十二指肠镜头。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明提出的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人通过设计固定台模块、固定台模组、内窥镜机构、连续体驱动机构的结构，且对固定台模块、固定台模组、内窥镜机构、连续体驱动机构之间进行巧妙布局设计，使得胆管镜手术机器人整体结构紧凑，解决了体积过大的问题。同时本发明中的连续体机构采用极细的螺旋式连续体，可以适配市面上已有的大多数内窥镜系统，通过内窥镜管道进入病灶处，整体结构紧凑，能在狭小空间内实现180°弯曲，通过微型摄像头有效观察病灶情况。连续体机构通过四根驱动丝驱动，具有四个自由度，解决了自由度低的问题。

2.本发明通过电机驱动丝杠带动驱动丝和连续体运动，使用拉力传感器获取拉力数据，采用这种驱动方式将原有的手动操作转化为电机驱动，通过数字手柄采集医生手部动作并进行信号处理修正，从而驱动电机转动，提升连续体运动的精准性和可靠性。解决了操作繁琐的问题。

3.本发明可以兼容市面上大部分内窥镜器材，并为其工作提供通道、空间和图像指引，更换不同的器材可以实现不同的功能，解决了现有胆管镜功能单一的问题。

附图说明

构成本实施例的一部分说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1的连续体机构示意图；

图3为本发明实施例1的内窥镜机构示意图；

图4为本发明实施例1的固定台模块示意图；

图5为本发明实施例1的连续体驱动机构示意图；

图6为本发明实施例1的连续体驱动机构中的驱动丝收拢机构示意图；

其中，1、连接体机构；1-1、摄像头；1-2、通道管；1-3、螺旋式连续体的前端；1-4、螺旋式连续体；1-5、驱动丝；1-6、螺旋式连续体的末端；1-7、柔性管道；1-8、十二指肠镜头；1-9、器材导管；

2、内窥镜机构；2-1、内窥镜主体；2-2、内窥镜旋钮；2-3、内窥镜软管；

3、固定台模块；3-1、螺栓；3-2、光杆；3-3、支架；3-4下夹板；3-5、上夹板；3-6底座；3-7、器材通道管；3-8、连续体通道管；3-9、连续体通道管连接件；3-10、驱动丝导管；3-11、丝杠轴承座；3-12、螺栓；3-13、螺母；3-14、丝杠滚珠轴承；3-15、控制器连接件；3-16、法兰载板；3-17、法兰连接件；3-18、电机底座；

4、连续体驱动机构；4-1、连续体驱动机构前盖；4-2、前板；4-3、连续体驱动板丝杠；4-4、轴承固定块；4-5、螺母；4-6、螺栓；4-7、连续体驱动板光杆；4-8、电机载板光杆；4-9、快换机构；4-10、拉力传感器；4-11、连续体驱动板；4-12、连续体驱动板丝杠螺母；4-13、螺母；4-14、螺栓；4-15、联轴器；4-16、电机载板；4-17、电机；4-18、连续体驱动丝杠；4-19、进给驱动电机；4-20、连续体驱动板直线轴承；4-21、滑轮载板；4-22、滑轮；4-23、前板直线轴承。

具体实施方法

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，包括固定台模块3,以及设置在所述固定台模块3上的连续体机构1、内窥镜机构2和连续体驱动机构4等；

如图1、图4所示，所述固定台模块3包括M3螺栓3-1、6mm光杆3-2、支架3-3、下夹板3-4、上夹板3-5、底座3-6、器材通道管3-7、连续体通道管3-8、连续体通道管连接件3-9、3.5mm驱动丝导管3-10、丝杠轴承座3-11、M2螺栓3-12、M2螺母3-13、丝杠滚珠轴承3-14、ur5控制器连接件3-15、法兰载板3-16、法兰连接件3-17和电机底座3-18；

所述两片支架3-3由若干所述M3螺栓3-1和所述6mm光杆3-2固定连接；且两片支架3-3连接在一起后，形成一端高、一端低的结构形式；

在两片支架3-3低的一端安装下夹板3-4，所述下夹板3-4与所述支架3-3通过螺栓或焊接方法固定连接；所述上夹板3-5设置在下夹板3-4的上方，且上夹板3-5与所述下夹板3-4铰接；在上夹板3-5上安装内窥镜旋钮2-2；

两片支架3-3高的一端与底座3-6相连，且所述连续体通道管连接件3-9、所述丝杠轴承座3-11、所述法兰连接件3-17、所述电机底座3-18均与所述底座3-6固定连接，具体的，可以通过如所述M2螺栓3-12、所述M2螺母3-13的螺栓螺母方式固定连接；

所述器材通道管3-7嵌套在3.5mm的驱动丝导管3-10内，驱动丝导管3-10嵌套于连续体通道管3-8中，连续体通道管3-8通过连续体通道管连接件3-9安装在底座3-6上；其中器材通道管3-7为图4中最为细长的直管，用于通过外部的手术器材，连续体通道管连接件3-9用于在支架上固定连续体通道管3-8及安装在连续体通道管3-8上的组件，驱动丝导管3-10用于通过器材通道管3-7，同时用于传递驱动丝1-5；

所述法兰载板3-16与所述法兰连接件3-17固定连接，所述ur5控制器连接件3-15与所述法兰载板3-16固定连接，具体的，通过螺栓固定连接。

如图1、图2、图3、图5、图6所示，所述连续体机构包括摄像头1-1、通道管1-2、连续体前端1-3、螺旋式连续体1-4、驱动丝1-5、柔性管道1-7、十二指肠镜头1-8、器材导管1-9；

其中器材导管1-9与前面所述的器材通道管3-7相连，柔性管道1-7与前面的驱动丝导管3-10结构相同，均用于传导驱动丝；且所述器材导管1-9嵌套在柔性管道1-7中，柔性管道1-7、器材导管1-9进入到内窥镜软管2-3内，然后从内窥镜软管2-3末端穿出；所述十二指肠镜头1-8安装在所述内窥镜软管2-3上，所述螺旋式连续体1-4嵌套在柔性管道1-7的末端；所述在螺旋式连续体的前端1-3内壁分布若干个驱动丝孔，每个驱动丝孔内设置固定一根前面的驱动丝1-5；所述摄像头1-1、所述通道管1-2均通过过盈配合与所述螺旋式连续体的前端1-3固定连接，通道管1-2的作用主要是使得手术器材可以从该通道通过，具体的，手术器材从固定台模块的器材通道管进入后，通过器材导管1-9从通道管1-2伸出，同时本申请的驱动丝从驱动丝导管3-10出来后也进入到器材导管1-9，一起往前传导，本发明中驱动丝的路径与器材的路径是一致的。

在本实施例中,驱动丝孔可以设置为4个,对应的采用4根控制偏转的驱动丝设置在所述连续体前端1-3内壁圆周阵列等分布的4个驱动丝孔内,在4根控制偏转驱动丝成对收放时,带动连续体机构1进行空间里360°的偏摆和俯仰运动。

如图1、图2、图3、图4所示，所述内窥镜机构2主体为常见的十二指肠镜机构，包括内窥镜主体2-1、内窥镜旋钮2-2、内窥镜软管2-3；所述内窥镜旋钮2-2通过螺纹与所述上夹板3-5固定连接，使所述内窥镜旋钮2-2挤压所述内窥镜主体2-1上，以达到固定所述内窥镜主体2-1的作用；所述内窥镜软管2-3安装在所述内窥镜主体2-1末端；所述连续体机构1的器材导管1-9从所述内窥镜主体2-1的器材入口进入，通过所述内窥镜软管2-3的内部器材通道到达手术位置。

如图1、图5、图6所示，所述连续体驱动机构4包括连续体驱动机构前盖4-1、前板4-2、连续体驱动板丝杠4-3、轴承固定块4-4、M1.6螺母4-5、M1.6螺栓4-6、连续体驱动板光杆4-7、电机载板光杆4-8、快换机构4-9、拉力传感器4-10、连续体驱动板4-11、连续体驱动板丝杠螺母4-12、M1螺母4-13、M1螺栓4-14、联轴器4-15、电机载板4-16、re16电机4-17、连续体驱动丝杠4-18、进给驱动电机4-19、连续体驱动板直线轴承4-20、滑轮载板4-21、滑轮4-22、前板直线轴承4-23。

如图6所示，所述滑轮4-22与所述滑轮载板4-21连接，所述滑轮载板4-21与所述前板4-2固定连接，上述零件共同组成所述连续体驱动机构4中的驱动丝收拢机构；所述驱动丝1-5穿过所述前板4-2上预留的通道进入所述驱动丝收拢机构，通过将所述驱动丝1-5绕在所述滑轮4-22上可以将分布于四周的所述驱动丝1-5聚拢并引导进入所述器材通道管3-7和3.5mm驱动丝导管3-10。

所述前板直线轴承4-23通过过盈配合与所述轴承固定块4-4连接，所述轴承固定块4-4通过M1.6螺母4-5、M1.6螺栓4-6与前板4-2连接，通过以上方式也可以在所述电机载板4-16上对应位置安装直线轴承；所述连续体驱动板丝杠4-3通过轴承、所述连续体驱动板光杆4-7的一端通过螺栓与前板4-2连接，同时所述连续体驱动板丝杠4-3通过所述联轴器4-15与所述re16电机4-17的输出轴连接，所述re16电机4-17通过螺栓与所述电机载板4-16连接，所述连续体驱动板光杆4-7另一端通过螺栓与电机载板4-16连接，上述连接将所述电机载板4-16与所述前板4-2固定连接，形成一个整体。

所述电机载板光杆4-8穿过所述前板直线轴承4-23以及电机载板上的直线轴承，两端通过螺栓与所述底座3-6的两端固定连接，由此可使连续体驱动模块4与固定台模块3之间形成一个移动副。

所述连续体驱动丝杠4-18一端通过轴承与所述丝杠轴承座3-11连接，另一端通过所述联轴器4-15与所述进给驱动电机4-19的输出轴连接，所述进给驱动电机4-19与所述电机底座3-18固定连接。

所述电机载板4-16通过丝杠螺母与所述连续体驱动丝杠4-18配合连接，丝杠螺母将所述进给驱动电机4-19的旋转运动转化为连续体驱动机构4的直线运动，实现连续体的进给运动。

所述连续体驱动板4-11通过所述连续体驱动板直线轴承4-20与所述连续体驱动板光杆4-7连接，同时通过所述连续体驱动板丝杠螺母4-12与所述连续体驱动板丝杠4-3配合连接，上述两个连接在所述连续体驱动板4-11和所述连续体驱动板光杆4-7之间共同形成一个移动副；所述连续体驱动板丝杠螺母4-12将所述re16电机4-17的旋转运动转化为连续体驱动板4-11的直线运动。

所述拉力传感器4-10通过快换机构4-9与所述连续体驱动板4-11固定连接，所述驱动丝1-5与所述拉力传感器4-10连接。因此所述连续体驱动板4-11的直线运动可直接传递给所述驱动丝1-5，实现驱动丝1-5的收放，以此控制连续体机构1末端的偏摆弯曲运动；同时所述驱动丝1-5上收到的拉力通过所述拉力传感器4-10形成电信号反馈给操作端，实现信号处理修正。

实施例2

本实施例本实施例提供了一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人控制方法，采用了如实施例1中所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，包括：通过所述控制驱动板直线运动的电机带动控制驱动板直线运动的丝杠，将电机的旋转运动转化为驱动板的直线运动；通过驱动板的直线运动实现驱动丝的收放，并通过驱动丝将动力传递给所述连续体机构的螺旋式连续体，实现连续体的弯曲运动；通过所述控制连续体直线运动的电机带动控制连续体直线运动的丝杠，将电机的旋转运动转化为连续体的直线进给运动，实现所述连续体机构的进给运动；通过拉力传感器获取驱动丝上的拉力信息，实现力的控制和反馈。

同时通过所述摄像头可以实现观察手术部位情况、寻找病灶位置、指引前进方向等功能；所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人可兼容现有的大多数内窥镜器材，所述内窥镜器材可以根据具体医疗情况进行更换，使用多种手术器材完成治疗，实现功能的拓展。

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

Claims (10)

1.一种用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，包括固定台模块；所述的固定台模块包括支架和底座，所述支架一端高、一端低，在高的一端安装底座，在底座上安装连续体驱动机构；在低的一端安装内窥镜机构，所述的内窥镜机构的末端安装连续体机构，所述连续体机构包括柔性管道以及嵌套于柔性管道末端的螺旋式连续体；所述螺旋式连续体头部设置有微型摄像头和通道管；所述螺旋式连续体内设置有控制螺旋式连续体弯曲的驱动丝；所述的驱动丝设置在柔性管道内，其从内窥镜机构的器材入口进入，通过所述内窥镜机构的软管到达手术位置，且连续体驱动机构驱动所述的驱动丝。

2.如权利要求1所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述螺旋式连续体位于柔性管道末端，与柔性软管嵌套，所述螺旋式连续体的管壁圆周方向上阵列等分布有多个钢丝孔，每个驱动丝孔内安装一根所述驱动丝。

3.如权利要求1所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，在螺旋式连续体的头部的还安装有摄像头和手术器械通道管。

4.如权利要求1所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述的连续体驱动机构包括电机丝杠驱动、驱动板和收拢机构，所述的电机丝杠驱动装置驱动所述的驱动板做直线运动，所述的驱动丝的一端固定在驱动板上，另外一端通过收拢机构收拢后穿过驱动丝导管进入柔性管道，然后柔性管道进入到内窥镜软管，穿过内窥镜软管与螺旋式连续体相连。

5.如权利要求4所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述的收拢机构包括固定板和聚拢板，在固定板上安装有多个导向滑轮，在聚拢板中心设置驱动丝入口，多个导向滑轮引导多根驱动丝向驱动丝入口聚拢。

6.如权利要求4所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述的驱动板上设置拉力传感器，所述的拉力传感器与驱动丝相连。

7.如权利要求4所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述的电机丝杠驱动包括电机和丝杠，所述的电机固定在底座上，所述的电机驱动丝杠转动，丝杠驱动驱动板，且所述的丝杠通过轴承与收拢机构相连。

8.如权利要求4所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述的连续体驱动机构还包括导向杆，所述导向杆穿过驱动板、收拢机构固定在底座上。

9.如权利要求1所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，所述内窥镜机构包括内窥镜主体、内窥镜旋钮和内窥镜软管；所述内窥镜主体被所述两块夹板夹持固定在所述支架上；所述内窥镜旋钮和所述内窥镜软管安装在所述内窥镜主体上；所述柔性管道穿过内窥镜远端组件的器材通道进入所述内窥镜软管并在所述内窥镜软管末端伸出。

10.如权利要求9所述的用于胆道手术的连续体胆管镜手术机器人，其特征在于，在内窥镜软管的末端安装有十二指肠镜头。