CN213851025U - 一种手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种手术机器人系统，包括相连的通用机器人和器械机器人，所述通用机器人用以调整所述器械机器人的位姿，所述器械机器人包括相连的器械主体和直线关节，所述直线关节用以沿直线方向调整所述器械主体的位置，所述器械主体用以在所述直线关节的端部调整手术器械姿态并进行设定操作。上述手术机器人系统通过通用机器人调整器械机器人在空间中的位姿，进而通过器械机器人调整手术器械在人体内的位姿，联动控制的方式简单便捷，使用灵活；通过直线关节保障器械主体在进出人体时直进直出，直线运动的方式无需多轴联动，避免对手术创口的二次伤害。

Description

一种手术机器人系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人系统。

背景技术

外科手术机器人是一种集诸多学科为一体的新型医疗器械，以达芬奇为代表的微创手术机器人是当前医疗器械信息化、程控化、智能化的一个重要发展方向。

手术机器人系统利用微创手术机器人达到精准手术的目的，使患者微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快。然而，现有的手术机器人存在以下问题：整套设备的体积过于庞大，安装、调试比较复杂，尤其是在微创手术中，由于手术创口及手术空间的限制，运动受限不灵活，易干涉；从手术创口中拉出机械时，需多轴联动完成直线运动，存在对手术创口的二次伤害。

因此，如何能够提供一种简单便捷、使用灵活、易于直线进出手术创口的手术机器人系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种手术机器人系统，通过通用机器人调整器械机器人在空间中的位姿，进而通过器械机器人调整手术器械在人体内的位姿，联动控制的方式简单便捷，使用灵活；通过直线关节保障器械主体在进出人体时直进直出，直线运动的方式无需多轴联动，避免对手术创口的二次伤害。

为实现上述目的，本实用新型提供一种手术机器人系统，包括相连的通用机器人和器械机器人，所述通用机器人用以调整所述器械机器人的位姿，所述器械机器人包括相连的器械主体和直线关节，所述直线关节用以沿直线方向调整所述器械主体的位置，所述器械主体用以在所述直线关节的端部调整手术器械姿态并进行手术。

优选地，所述直线关节具有一个平动自由度，所述直线关节包括滑动装配的直线滑块和直线引导部。

优选地，所述通用机器人与所述直线引导部连接，所述器械主体与所述直线滑块连接。

优选地，所述通用机器人设有用以实现与所述直线引导部连接的通用机器人末端法兰，所述器械主体设有用以实现与所述直线滑块连接的器械机器人末端法兰。

优选地，包括设于所述直线引导部的戳卡座以及设于所述器械主体的戳卡，所述戳卡座供所述戳卡定位装配。

优选地，所述器械机器人为具有依次相连的所述直线关节、第三器械关节、第四器械关节和第五器械关节的四轴机器人。

优选地，所述第三器械关节、所述第四器械关节和所述第五器械关节均具有一个转动自由度。

优选地，所述通用机器人的轴的数量大于等于五。

优选地，所述通用机器人的任一所述轴均具有一个旋转运动自由度或一个直线运动自由度。

相对于上述背景技术，本实用新型所提供的手术机器人系统包括通用机器人和器械机器人，通用机器人和器械机器人相连，器械机器人包括器械主体和直线关节，器械主体和直线关节相连；在该手术机器人系统中，通用机器人用于带动器械机器人运动至手术开口的戳卡处，在连接戳卡座和手术开口处的戳卡后，直线关节引导位于器械主体末端的手术器械进入人体，通用机器人的末端位置点(远心点)连接戳卡后不变，通过器械机器人以实现器械姿态的独立控制，通过通用机器人和直线关节以实现器械位置的联动控制，联动控制的方式简单便捷，使用灵活；通过直线关节保障器械主体在进出人体时直进直出，直线运动的方式无需多轴联动，避免对手术创口的二次伤害。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的手术机器人系统的结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例提供的手术机器人系统的结构示意图；

图3为图1中通用机器人的第一种实施例的结构示意图；

图4为图1中通用机器人的第二种实施例的结构示意图；

图5为图1中通用机器人的第三种实施例的结构示意图；

图6为图1中器械机器人的结构示意图；

图7为图6中器械机器人的运动示意图。

其中：

1-通用机器人、2-器械机器人、11-通用机器人末端法兰、12-第一通用关节、13-第二通用关节、14-第三通用关节、15-第四通用关节、16-第五通用关节、17-第六通用关节、18-第七通用关节、20-第一器械关节、21-直线关节、23-器械主体、211-直线引导部、212-直线滑块、231-器械机器人末端法兰、232-第三器械关节、233-第四器械关节、234-第五器械关节、241-戳卡座、242-戳卡。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1至图7，其中，图1为本实用新型实施例提供的手术机器人系统的结构示意图，图2为本实用新型一种实施例提供的手术机器人系统的结构示意图，图3为图1中通用机器人的第一种实施例的结构示意图，图4为图1中通用机器人的第二种实施例的结构示意图，图5为图1中通用机器人的第三种实施例的结构示意图，图6为图1中器械机器人的结构示意图，图7为图6中器械机器人的运动示意图。

在第一种具体的实施方式中，本实用新型所提供的手术机器人系统包括通用机器人1和器械机器人2，通用机器人1和器械机器人2机械连接，通用机器人1可带动器械机器人2在空间实现任意运动，通过通用机器人1和直线关节21的运动作用，以带动相连的器械机器人2进行同步的运动，进而调整器械机器人2的手术器械末端位置的改变。

其中，器械机器人2包括器械主体23和直线关节21，器械主体23和直线关节21机械连接，直线关节21可带动器械主体23沿直线方向实现定向运动，通过直线关节21的运动作用，以带动相连的器械主体23进行同步的直线运动，进而调整器械主体23沿直线方向的位置的改变。在此基础上，在直线关节21的端部固定的器械主体23随直线关节21的带动而改变位置，进而改变人体内手术器械末端的位置，由器械主体23自身控制以实现手术器械末端姿态的调整，从而由以实现后续设定操作如手术操作的进行，手术操作的对象包括目标物如假人的模拟手术，当然也可适用于人体的真实手术。

需要进一步说明的是，通用机器人1的核心作用在于控制器械机器人2绕病人开口运动；直线关节21和通用机器人1联动，控制器械机器人2末端手术器械的位置；手术器械的姿态仅由器械机器人2独立控制。

除此以外，该手术机器人系统还包括控制器，控制器可集中设置为一个，区分控制通用机器人1和器械机器人2，控制器也可独立设置为两个，分别控制通用机器人1和器械机器人2，进而实现对通用机器人1和器械机器人2的控制与运动；其中，运动的实现与控制，包括但不限于某一具体转轴或直线轴的运动方向或运动速度，应根据通用机器人1和器械机器人2的具体机械结构而设定，也就是说，控制器的控制方式与程序设定不应限定于某一类机器人的具体结构，而应随机构的变化而变化，同应属于本实施例的说明范围。

在本实施中，在通用机器人1的手术操作过程中，由通用机器人1带动器械机器人2运动，通用机器人1将器械机器人2带动至手术开口的戳卡242处，连接戳卡座241和戳卡242后，通用机器人1的末端位置点(远心点)不变，由直线关节21实现器械主体23的直线进出形式，此时器械主体23的位置由通用机器人1和直线关节21联动调整；在此基础上，器械主体23的位置调整到位后，器械主体23的姿态由器械机器人2也即其自身独立控制，进而实现手术的控制操作。

除此以外，完成手术后的退出过程与上述过程相反，先由器械主体23独立控制调整姿态，再由通用机器人1和直线关节21联动调整调整位置，取出器械主体23，将器械机器人2脱离手术空间。

相较于现有技术中的手术机器人，本实用新型采用通用机器人1与器械机器人2的组合形式，细化分工不同机器人的功能作用，实现通用机器人1控制器械机器人2绕病人开口运动的目的；直线关节21和通用机器人1联动，控制器械机器人2末端手术器械的位置，联动控制的方式简单便捷，使用灵活，通过直线关节21保障器械主体23在进出人体时直进直出，直线运动的方式无需多轴联动，避免对手术创口的二次伤害；手术器械的姿态仅由器械机器人2独立控制。

需要说明的是，手术机器人系统通常采用主从手控制的方式，由医生直接对主手进行操作，进而将主手的运动映射到从手，由从手直接带动手术器械实现相应运动，本实施例所提供的手术机器人系统相当于这里的从手，至于主手可参照现有技术，不属于本实施例的改进，这里不再赘述。

在本实施例中，直线关节21的自由度为一，且为平动自由度，换句话说，直线关节21具有一个平动自由度，直线关节21可采用直线运动模块，如电缸或气缸控制的伸缩杆、滑轨等；示例性的，直线关节21包括滑动装配的直线滑块212和直线引导部211，直线引导部211具有驱动控制直线滑块212沿直线运动的电机。

具体而言，通用机器人1与直线引导部211连接，器械主体23与直线滑块212连接。也就是说，器械主体23通过直线滑块212和直线引导部211挂载在通用机器人1上，由通用机器人1控制器械主体23、直线滑块212和直线引导部211的位姿，进而由直线引导部211控制直线滑块212和器械主体23的位置。

在本实施例中，本实用新型所提供的手术机器人系统能够保证手术器械完成手术的前提下，减少各轴的运动幅度，提高器械末端的运动灵活度，避免相邻的机器人相互干涉。

示例性的，通用机器人1与直线引导部211可直接连接，也可通过设置通用机器人末端法兰11以实现与直线引导部211连接；与此类似的，器械主体23设有用以实现与直线滑块212连接的器械机器人末端法兰231。

在本实施例中，包括设于直线引导部211的戳卡座241以及设于器械主体23的戳卡242，戳卡座241供戳卡242定位装配，通过戳卡座241与穿刺在患者创口处的戳卡242连接并反馈实际位置至控制器，建立起控制器对通用机器人1和器械机器人2各轴的运动限制，连接的戳卡242在空间中的位置始终与患者创口在空间中的位置保持重合，确保器械机器人2穿过戳卡242处保持不动。

在具体的过程中，将戳卡242穿过患者创口部位，将戳卡座241与戳卡242连接后，器械机器人2能够控制器械主体23穿过戳卡242进入患者体内完成对应的手术操作；通用机器人1通过各轴的运动使得器械机器人2能够绕戳卡242运动，当器械机器人2的器械主体23对准戳卡242后，通过直线引导部211带动器械主体23进入患者体内，实现后续的手术操作。

需要说明的是，本实施例的改进点不仅在于通用机器人1与器械机器人2的组合形式，还在于对通用机器人1和器械机器人2的进一步设置优化。

示例性的，器械机器人2为具有依次相连的直线关节21、第三器械关节232、第四器械关节233和第五器械关节234的四轴机器人，机器人的各轴均由对应的控制器进行控制以实现运动。

具体而言，在算法控制层面，该器械机器人2包括上述四轴的四个物理轴，还包括另外两轴的两个正交虚拟轴；其中，器械机器人2为具有四个物理轴和两个正交虚拟轴的五个关节，包括第一器械关节20、直线关节21、第三器械关节232、第四器械关节233和第五器械关节234，第一器械关节20相当于两个正交虚拟轴，虚拟轴的动作由通用机器人1各轴联动的运动组成，物理轴的动作由直线轴电机和器械电机完成，第五器械关节234相当于手术器械如剪钳，剪钳由一对电机驱动。

在本实施例中，器械机器人2的第一器械关节20和直线关节21控制器械末端位置，第三器械关节232、第四器械关节233和第五器械关节234控制器械姿态，第五器械关节234更具体的为控制手术器械如剪钳进行手术末端的操作。

在本实施例中，第三器械关节232、第四器械关节233和第五器械关节234均具有一个转动自由度。

在一种具体的实施方式中，通用机器人1可为多轴机器人，机器人的各轴均由对应的控制器进行控制以实现运动；通用机器人1的轴的数量大于等于五。

具体而言，通用机器人1具体为七轴机器人或六轴机器人或五轴机器人；七轴机器人具有依次相连的第一通用关节12、第二通用关节13、第三通用关节14、第四通用关节15、第五通用关节16、第六通用关节17和第七通用关节18；六轴机器人具有依次相连的第一通用关节12、第二通用关节13、第三通用关节14、第四通用关节15、第五通用关节16和第七通用关节18；五轴机器人具有依次相连的第一通用关节12、第三通用关节14、第四通用关节15、第五通用关节16和第七通用关节18。

在本实施例中，第一通用关节12、第二通用关节13、第三通用关节14、第四通用关节15、第五通用关节16、第六通用关节17和第七通用关节18的自由度均为一，且为旋转运动自由度或直线运动自由度，旋转运动自由度可以是绕轴转动的旋转轴形式，相邻两个旋转轴的旋转平面相互垂直。

与此对应的，七轴机器人、六轴机器人和五轴机器人分别具有对应轴数量的自由度，通过多个自由度的多轴转动，进而联动实现位姿的改变，进而带动器械机器人2实现位姿的改变，使得器械主体23的手术器械围绕患者创口位置也即戳卡242(腹腔镜穿刺器)的固定位置转动，进而由直线引导部211带动器械主体23穿过戳卡242进入患者体内，最终由器械主体23完成后续的手术操作。

在此基础上，通用机器人1和器械机器人2的各关节，也即各轴处均设有编码器，编码器可以是旋转角度编码器或直线位移编码器，全部编码器与控制器连接；直线引导部211处设有直线位移传感器，直线位移传感器与控制器连接。

其中，角度关节编码器用来检测各轴的旋转角度，直线位移传感器用来检测直线位移，通过反馈的参数以便控制器精确控制通用机器人1和器械机器人2的运动，提高运动与控制的精度，保障手术的精准高效。

示例性的，位移传感器可采用电容式位移传感器或LVDT位移传感器等。LVDT位移传感器由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等。

为了提高LVDT位移传感器的灵敏度，改善器线性度并增大线性范围，设计时将两个次级线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT位移传感器输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与杆状衔铁的位移量成线性关系。可通过将杆状衔铁与上述直线滑块212固接，从而完成对器械本体23的直线位移的检测。

在本实施例中，通用机器人1各轴的旋转产生各个方向的转动，进而在器械机器人2得到运动放大，通用机器人1以较小的运动幅度将器械机器人2运动到位，提高了末端的器械主体23的运动灵活度，降低了通用机器人1的运动幅度，避免了多个机器人在手术过程中相互干扰。与现有机器人的构型相比，在相同的手术移动范围情况下，本构型机器人各轴的运动幅度范围更小，速度变化更小，所以本构型器械末端运动速度受机器人各轴最大运动速度的限制更小，即器械末端运动速度更快、动作更灵活；在此基础上，由于机器人各轴的运动幅度更小，机器人整体动作(特别是手肘)在临床中占据更少的运动空间，有利于临床操作；相邻的手术机器人不容易互相干涉，不容易与临床人员干涉。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本实用新型所提供的手术机器人系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种手术机器人系统，其特征在于，包括相连的通用机器人(1)和器械机器人(2)，所述通用机器人(1)用以调整所述器械机器人(2)的位姿，所述器械机器人(2)包括相连的器械主体(23)和直线关节(21)，所述直线关节(21)用以沿直线方向调整所述器械主体(23)的位置，所述器械主体(23)用以在所述直线关节(21)的端部调整手术器械姿态并进行设定操作。

2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述直线关节(21)具有一个平动自由度，所述直线关节(21)包括滑动装配的直线滑块(212)和直线引导部(211)。

3.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，所述通用机器人(1)与所述直线引导部(211)连接，所述器械主体(23)与所述直线滑块(212)连接。

4.根据权利要求3所述的手术机器人系统，其特征在于，所述通用机器人(1)设有用以实现与所述直线引导部(211)连接的通用机器人末端法兰(11)，所述器械主体(23)设有用以实现与所述直线滑块(212)连接的器械机器人末端法兰(231)。

5.根据权利要求2至4任一项所述的手术机器人系统，其特征在于，包括设于所述直线引导部(211)的戳卡座(241)以及设于所述器械主体(23)的戳卡(242)，所述戳卡座(241)供所述戳卡(242)定位装配。

6.根据权利要求1至4任一项所述的手术机器人系统，其特征在于，所述器械机器人(2)为具有依次相连的所述直线关节(21)、第三器械关节(232)、第四器械关节(233)和第五器械关节(234)的四轴机器人。

7.根据权利要求6所述的手术机器人系统，其特征在于，所述第三器械关节(232)、所述第四器械关节(233)和所述第五器械关节(234)均具有一个转动自由度。

8.根据权利要求1至4任一项所述的手术机器人系统，其特征在于，所述通用机器人(1)的轴的数量大于等于五。

9.根据权利要求8所述的手术机器人系统，其特征在于，所述通用机器人(1)的任一所述轴均具有一个旋转运动自由度或一个直线运动自由度。

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