CN213851028U

CN213851028U - 一种手术机器人安全监测设备及手术机器人系统

Info

Publication number: CN213851028U
Application number: CN202022639430.1U
Authority: CN
Inventors: 刘廷; 王了
Original assignee: Chongqing Jinshan Medical Robot Co ltd
Current assignee: Chongqing Jinshan Medical Robot Co ltd
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2030-11-12

Abstract

本实用新型公开了一种手术机器人安全监测设备及手术机器人系统，该手术机器人安全监测设备包括：控制器，用于获取手术机器人的远心点的受力值，并判断受力值是否超出预设阈值；报警器，报警器与控制器相连，用于当受力值超出预设阈值时，输出警报信息。该手术机器人安全监测设备通过力控的方式，实时监测远心点的受力情况，并在远心点的受力超出预设阈值时，通过输出警报信息的方式，提示主刀医生发生危险隐患，以使主刀医生及时处理，避免远心点移动，撕裂患者切口，对患者造成二次伤害，因此，可确保患者的安全性。该手术机器人系统包括上述手术机器人安全监测设备，具有上述有益效果，安全性高。

Description

一种手术机器人安全监测设备及手术机器人系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，更具体地说，涉及一种手术机器人安全监测设备。此外，本实用新型还涉及一种包括上述手术机器人安全监测设备的手术机器人系统。

背景技术

在微创手术中，为了弥补医生操作的不足之处，手术机器人系统逐渐得到广泛应用。

手术机器人系统的机械臂在手术时，需要进行定点运动，以将机械臂末端的手术器械的摆动支点定位在手术切口的位置，也即，远心点处。

现有技术中，目前有两种远心定位方法，一种是通过连杆机构等物理结构的约束来实现远心点，例如，平行四边形机构或球面连杆机构等；另一种则是通过软件或算法等，建立虚拟远心点。

本领域技术人员可知的是，第一种远心定位方法较成熟，可相对保证患者的安全。然而，第二种远心定位方法则较大程度依赖于算法的稳定性和可靠性，其安全性较差。

因此，如何在虚拟远心点的情况下，保证患者的安全性，避免因器械运动对患者造成二次伤害，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种手术机器人安全监测设备，以保证患者的安全性，避免因器械运动对患者造成二次伤害。

本实用新型的另一目的是提供一种包括上述手术机器人安全监测设备的手术机器人系统，其安全性高。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种手术机器人安全监测设备，包括：

控制器，用于获取手术机器人的远心点的受力值，并判断所述受力值是否超出预设阈值；

报警器，所述报警器与所述控制器相连，用于当所述受力值超出所述预设阈值时，输出警报信息。

优选地，所述控制器包括：

获取装置，用于获取所述手术机器人的关节的理论扭矩；

检测装置，用于检测所述关节的实际扭矩；

分别与所述获取装置和所述检测装置连接的第一计算器，用于计算所述理论扭矩与所述实际扭矩的扭矩差，并对所述扭矩差进行正动力学计算，得到所述受力值；

与所述第一计算器相连的比较器，用于比较所述受力值与所述预设阈值的大小，以判断所述受力值是否超出预设阈值。

优选地，所述获取装置包括：

第一信号接收装置，用于接收所述关节的实时位置信息；

与所述第一信号接收装置相连的第二计算器，用于根据所述实时位置信息得到所述关节的运动函数，并对所述运动函数进行逆动力学计算，得到所述理论扭矩。

优选地，还包括与所述第一信号接收装置相连的第一传感器，用于获取所述实时位置信息。

优选地，所述检测装置包括第二传感器，用于获取所述实际扭矩。

优选地，所述控制器还包括：

第二信号接收装置，用于在所述报警器输出警报信息后，接收微调指令；所述第二信号接收装置与所述手术机器人相连，以使所述手术机器人根据所述微调指令控制所述手术机器人的机械臂动作，以调整所述手术机器人的器械的位置，使所述受力值小于所述预设阈值。

优选地，还包括刹车按钮，用于输出所述刹车指令；

所述控制器还包括：

与所述刹车按钮相连第三信号接收装置，用于在所述报警器输出警报信息后，接收所述刹车指令；所述第三信号接收装置与所述手术机器人相连，以使所述手术机器人根据所述刹车指令控制所述手术机器人的器械停止动作。

优选地，还包括用于供医生和医生助理进行交流的语音装置。

优选地，还包括器械位置调整按钮，用于输出位置调整指令；

所述控制器还包括：

与所述器械位置调整按钮相连的第四信号接收装置，用于在所述器械停止动作后，接收所述位置调整指令；所述第四信号接收装置与所述手术机器人相连，以使所述手术机器人根据所述位置调整指令调整所述手术机器人的器械位置，使所述受力值小于所述预设阈值。

一种手术机器人系统，包括操控台、手术机器人和视频台车，三者通讯连接，还包括上述任意一种手术机器人安全监测设备，所述手术机器人安全监测设备的控制器设于所述操控台，所述手术机器人安全监测设备的报警器设于所述手术机器人的滑架。

本实用新型提供的手术机器人安全监测设备，通过控制器获取手术机器人的远心点的受力值，并判断远心点的受力值是否超出预设阈值，当远心点的受力值超出预设阈值时，通过报警器输出警报信息，以提醒主刀医生远心点的受力值超出预设阈值，存在远心点运动的隐患。

也即，该手术机器人安全监测设备通过力控的方式，实时监测远心点的受力情况，并在远心点的受力超出预设阈值时，通过输出警报信息的方式，提示主刀医生发生危险隐患，以使主刀医生及时处理，避免远心点移动，撕裂患者切口，对患者造成二次伤害，因此，可确保患者的安全性。

本实用新型提供的手术机器人系统，包括上述手术机器人安全监测设备，具有上述有益效果。

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它的附图。

图1为本实用新型具体实施例一提供的手术机器人安全监测设备的结构图；

图2为本实用新型具体实施例二提供的手术机器人安全监测设备的结构图；

图3为本实用新型具体实施例所提供的手术机器人系统的结构示意图；

图4为图3中操控台的结构示意图；

图5为图4的局部放大图；

图6为图3中滑架的结构示意图。

图1至图6中的附图标记如下：

11为控制器、12为报警器、13为语音装置、14为刹车按钮、15为器械位置调整按钮、111为第一传感器、112为第一信号接收装置、113为第二计算器、114为第二传感器、115为第一计算器、116为比较器、200为操控台、201为主手工具、202为顶部位置、203为侧部位置、300为手术机器人、301为机械臂、302为滑架、303为器械、400为视频台车、401为屏幕。

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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种手术机器人安全监测设备，以保证患者的安全性，避免因器械运动对患者造成二次伤害。本实用新型的另一核心是提供一种包括上述手术机器人安全监测设备的手术机器人系统，其安全性高。

请参考图1-图6，图1为本实用新型具体实施例一提供的手术机器人安全监测设备的结构图；图2为本实用新型具体实施例二提供的手术机器人安全监测设备的结构图；图3为本实用新型具体实施例所提供的手术机器人系统的结构示意图；图4为图3中操控台的结构示意图；图5为图4的局部放大图；图6为图3中滑架的结构示意图。

本实用新型提供一种手术机器人安全监测设备，主要包括控制器11和报警器12。

具体地，控制器11用于获取手术机器人300的远心点的受力值，并判断该受力值是否超出预设阈值。

报警器12与控制器11相连，报警器12用于当远心点的受力值超出预设阈值时，输出警报信息。

也就是说，工作时，该手术机器人安全监测设备通过控制器11获取手术机器人300的远心点的受力值，并判断远心点的受力值是否超出预设阈值，当远心点的受力值超出预设阈值时，通过报警器12输出警报信息，以提醒主刀医生远心点的受力值超出预设阈值，存在远心点运动的隐患。

需要说明的是，本实用新型中的预设阈值是指人体组织受到拉力作用开设撕裂时的最小拉力值。当远心点的受力值大于或等于该预设阈值时，则表明远心点处的人体组织开设撕裂，对患者切口造成二次伤害，因此，需要确保远心点的受力值小于该预设阈值。

需要说明的是，本实用新型对控制器11获取手术机器人300的远心点的受力值的具体方式不做限定，例如，控制器11可以通过力传感器来直接检测远心点的受力值。

考虑到远心点为虚拟远心点时，其受力值不便于检测，在上述实施例的基础之上，控制器11包括获取装置、检测装置、第一计算器115和比较器116，第一计算器115分别与获取装置和检测装置相连，同时，第一计算器115与比较器116相连，显然，比较器116与报警器12相连，以使报警器12根据比较器116的判断结果输出警报信息。

具体地，获取装置用于获取手术机器人300的关节的理论扭矩；检测装置用于检测关节的实际扭矩；第一计算器115分别与获取装置和检测装置连接，第一计算器115用于计算手术机器人300的关节的理论扭矩与其实际扭矩的扭矩差，并对该扭矩差进行正动力学计算，得到远心点的受力值；比较器116用于比较远心点的受力值与预设阈值的大小，以判断该受力值是否超出预设阈值。

也就是说，本实施例通过手术机器人300的关节的理论扭矩与其实际扭矩的扭矩差，利用正动力学计算方法，来间接获得远心点的受力值。

需要说明的是，对手术机器人300的关节的理论扭矩与其实际扭矩的扭矩差进行正动力学计算，得到远心点的受力值的具体方法，属于现有技术中成熟的计算方法，本文不再赘述，本领域技术人员可参考现有技术。

进一步地，考虑到手术机器人300关节的理论扭矩的具体获得方式，在上述实施例的基础之上，获取装置包括第一信号接收装置112和与之相连的第二计算器113。

第一信号接收装置112用于接收关节的实时位置信息；第二计算器113用于根据关节的实时位置信息得到关节的运动函数，并对该运动函数进行逆动力学计算，得到关节的理论扭矩。

也就是说，本实施例通过对关节的运动函数进行逆动力学计算，来间接得到关节的理论扭矩，该方法属于现有技术中成熟的计算方法，本文不再赘述，本领域技术人员可参考现有技术。

考虑到关节的实时位置信息的具体获得方式，在上述实施例的基础之上，还包括用于获取实时位置信息的第一传感器111，其与第一信号接收装置112相连。

也即，本实施例通过第一传感器111来采集关节的实时位置信息，并将该实时位置信息发送至第一信号接收装置112。

需要说明的是，本实施例对第一传感器111的具体型号及其工作原理不做限定，只要其能够获得关节的实时位置信息即可。

另外，考虑到检测装置获取关节的实际扭矩的方便性，在上述实施例的基础之上，检测装置包括用于获取关节的实际扭矩的第二传感器114，显然，第二传感器114与第一计算器115相连。

也即，本实施例通过第二传感器114来采集关节的实际扭矩，并将该实际扭矩发送至第一计算器115，以便于第一计算器115进行相关计算。

需要说明的是，本实施例对第二传感器114的具体型号及其工作原理不做限定，只要其能够获得关节的实际扭矩即可。

下面以一个具体实施例为例，来详细介绍远心点的受力值的获取过程。

首先，在手术机器人300的机械臂301的每个关节处分别布置第一传感器111，例如光电编码器，在关节转动过程中，利用第一传感器111采集各个关节的实时位置信息，并将该实时位置信息通过第一信号接收装置112传送至第二计算器113，第二计算器113根据各个关节的实时位置信息，生成各个关节的运动函数，并对该运动函数进行逆动力学计算，根据以下公式(1)至(8)，可得到关节的理论扭矩。

其中，公式(1)至(8)中的各个参数的含义如下：

i为关节数量或机械臂连杆的数量，例如，手术机器人300的机械臂301具有六自由度时，手术机器人300的机械臂301包括六个关节和六个机械臂连杆，则i＝1,2,…,6；

qi为第i个关节的运动函数；

为第i个关节自身运动的速度；

为第i个关节自身运动产生的加速度；

z为单位矩阵，也即，z＝[0 0 1]^T；

ⁱR_i-1、ⁱR_i+1为变换矩阵，由标准DH参数法或改进DH参数法得到；

为运动学的一个参数，

表示第i个关节为转动关节，

表示第i个关节为平移关节；

为机械臂连杆的角速度；

为机械臂连杆的角加速度；

为第i个关节处的复合加速度；

为机械臂连杆的质心加速度；

为机械臂连杆的质心到关节的距离，由机械臂连杆的物料属性决定；

为第i个机械臂连杆的受力；

为第i个机械臂连杆的力矩；

为第i-1个机械臂连杆作用于第i个机械臂连杆的力；

为第i-1个机械臂连杆作用于第i个机械臂连杆的力矩；

m_i为第i个机械臂连杆的质量；

为重力加速度；

c为机械臂连杆的质心；

为第i个机械臂连杆上的任意一点；

是DH法建立的转换矩阵；

τ_i为第i个关节的理论力矩。

同时，采用第二传感器114来采集各个关节的实际扭矩τ_ati，并将该实际扭矩τ_ati传送至第一计算器115，第一计算器115根据公式(9)计算理论扭矩与该实际扭矩的扭矩差Δ_τ，并对该扭矩差Δ_τ进行正动力学计算，根据公式(10)可得远心点处的加速度a_mc，进而由f_mc＝m_mca_mc，可求得机械臂301对切口处的力，也即远心点的受力值。

Δ_τ＝τ_i-τ_ati； (9)

其中，m_mc为等效远心点的质量；H(q_i)为惯性矩阵；

为哥氏力；G(q_i)为重力，H(q_i)、

和G(q_i)的具体获得方式请参考现有技术，本文不再赘述，对于本领域技术人员来说，H(q_i)、

和G(q_i)为可获得的已知量。

当报警器12输出警报信息后，表明远心点的受力值超出预设阈值，此时存在安全隐患，为了解除警报，使远心点的受力值满足其预设阈值要求，在上述实施例的基础之上，控制器11还包括第二信号接收装置。

具体地，第二信号接收装置用于在报警器12输出警报信息后，接收微调指令。

可以理解的是，第二信号接收装置与手术机器人300相连，以使手术机器人300根据微调指令控制手术机器人300的机械臂301动作，以调整手术机器人300的器械303的位置，使远心点的受力值小于预设阈值；当远心点的受力值小于预设阈值时，则警报解除。

需要说明的是，这里的微调指令可以由主刀医生手动输入。

另一方面，当报警器12输出警报信息后，考虑到安全性，在上述实施例的基础之上，该手术机器人安全监测设备还包括刹车按钮14，其用于输出刹车指令。

此时，控制器11还包括第三信号接收装置，其与刹车按钮14相连，第三信号接收装置用于在报警器12输出警报信息后，接收上述刹车指令。

可以理解的是，第三信号接收装置与手术机器人300相连，以使手术机器人300根据刹车指令控制手术机器人300的器械303停止动作。

在手术操作过程中，为了便于主刀医生与医生助理之间进行交流沟通，在上述实施例的基础之上，该手术机器人安全监测设备还包括语音装置13。

例如，当手术机器人300的器械303停止动作后，主刀医生可以通过语音装置13告知医生助理调整手术机器人300的器械303的位置。

通常情况下，在手术过程中，主刀医生在操控台200前进行操控，控制手术机器人300的机械臂301动作，以确保手术机器人300的器械303的位置。而医生助理位于患者旁边，实时观察手术机器人300的器械303操作情况，因此，由医生助理来调整器械303位置，更便于观察器械303的位置，确保安全性。

考虑到医生助理调整器械303位置的方便性，在上述实施例的基础之上，该手术机器人安全监测设备还包括器械位置调整按钮15，用于输出位置调整指令。

此时，控制器11还包括第四信号接收装置，其与器械位置调整按钮15连接，第四信号接收装置用于在器械303停止动作后，接收上述位置调整指令。

可以理解的是，第四信号接收装置与手术机器人300相连，以使手术机器人300根据位置调整指令控制手术机器人300的机械臂301动作，以调整手术机器人300的器械303的位置，使远心点的受力值小于预设阈值。

除了上述手术机器人安全监测设备，本实用新型还提供一种包括上述实施例公开的手术机器人安全监测设备的手术机器人系统，如图3所示，该手术机器人系统包括操控台200、手术机器人300和视频台车400，三者通讯连接。

具体地，操控台200用于供主刀医生操作，以控制手术机器人300的器械303的位置。

手术机器人300包括机械臂301、设于机械臂301末端的滑架302以及设于滑架302输出端的器械303。

视频台车400上设有屏幕401，屏幕401用于显示患者解剖区域的实时图像，便于医生助理观察解剖区域的实时情况。

需要说明的是，操控台200、手术机器人300和视频台车400的具体结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本实施例的重点在于，将上述任意一个实施例公开的手术机器人安全监测设备应用于手术机器人系统。

具体地，如图3和4所示，手术机器人安全监测设备的控制器11设于操控台200；如图6所示，手术机器人安全监测设备的报警器12设于手术机器人300的滑架302。

由此可以看出，由于该手术机器人系统包括上述手术机器人安全监测设备，因此，可利用该手术机器人安全监测设备来实时监测远心点的受力情况，并在远心点的受力超出预设阈值时，通过输出警报信息的方式，提示主刀医生发生危险隐患，以使主刀医生及时处理，避免远心点移动，撕裂患者切口，对患者造成二次伤害，因此，可确保患者的安全性。

当手术机器人安全监测设备包括刹车按钮14时，考虑到操作的方便性，优选地，如图5所示，刹车按钮14设于主手工具201，例如，刹车按钮14可以设置在主手工具201的顶部位置202或设于主手工具201的侧部位置203。

当手术机器人安全监测设备包括器械位置调整按钮15时，考虑到操作的方便性，优选地，如图6所示，器械位置调整按钮15设于滑架302。

当手术机器人安全监测设备包括语音装置13时，考虑到主刀医生和医生助理交互的良好性，优选地，语音装置13包括第一语音装置13和第二语音装置13，优选地，第一语音装置13设于操控台200，第二语音装置13可以与警报器集成。

也即，第一语音装置13用于供主刀医生发送和接收语音信息；第二语音装置13用于供医生助理发送和接收语音信息，实现医生助理和主刀医生的沟通。

需要说明的是，本文中的第一计算器115和第二计算器113可以为集成于一体的具有计算功能的综合计算器，也可以为相互独立的两个分别具有计算功能的独立计算器。

另外，第一信号接收装置112、第二信号接收装置、第三信号接收装置和第四信号接收装置可以为集成于一体的具有通信功能的综合信号接收装置，也可以为相互独立的分别具有通信功能的独立信号接收装置。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本实用新型所提供的手术机器人安全监测设备进行了详细介绍。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

1.一种手术机器人安全监测设备，其特征在于，包括：

控制器(11)，用于获取手术机器人(300)的远心点的受力值，并判断所述受力值是否超出预设阈值；

报警器(12)，所述报警器(12)与所述控制器(11)相连，用于当所述受力值超出所述预设阈值时，输出警报信息。

2.根据权利要求1所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，所述控制器(11)包括：

获取装置，用于获取所述手术机器人(300)的关节的理论扭矩；

检测装置，用于检测所述关节的实际扭矩；

分别与所述获取装置和所述检测装置连接的第一计算器(115)，用于计算所述理论扭矩与所述实际扭矩的扭矩差，并对所述扭矩差进行正动力学计算，得到所述受力值；

与所述第一计算器(115)相连的比较器(116)，用于比较所述受力值与所述预设阈值的大小，以判断所述受力值是否超出预设阈值。

3.根据权利要求2所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，所述获取装置包括：

第一信号接收装置(112)，用于接收所述关节的实时位置信息；

与所述第一信号接收装置(112)相连的第二计算器(113)，用于根据所述实时位置信息得到所述关节的运动函数，并对所述运动函数进行逆动力学计算，得到所述理论扭矩。

4.根据权利要求3所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，还包括与所述第一信号接收装置(112)相连的第一传感器(111)，用于获取所述实时位置信息。

5.根据权利要求2所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，所述检测装置包括第二传感器(114)，用于获取所述实际扭矩。

6.根据权利要求1-5任一项所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，所述控制器(11)还包括：

第二信号接收装置，用于在所述报警器(12)输出警报信息后，接收微调指令；所述第二信号接收装置与所述手术机器人(300)相连，以使所述手术机器人(300)根据所述微调指令控制所述手术机器人(300)的机械臂(301)动作，以调整所述手术机器人(300)的器械(303)的位置，使所述受力值小于所述预设阈值。

7.根据权利要求1-5任一项所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，还包括刹车按钮(14)，用于输出刹车指令；

所述控制器(11)还包括：

与所述刹车按钮(14)相连第三信号接收装置，用于在所述报警器(12)输出警报信息后，接收所述刹车指令；所述第三信号接收装置与所述手术机器人(300)相连，以使所述手术机器人(300)根据所述刹车指令控制所述手术机器人(300)的器械(303)停止动作。

8.根据权利要求7所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，还包括用于供医生和医生助理进行交流的语音装置(13)。

9.根据权利要求7所述的手术机器人安全监测设备，其特征在于，还包括器械位置调整按钮(15)，用于输出位置调整指令；

所述控制器(11)还包括：

与所述器械位置调整按钮(15)相连的第四信号接收装置，用于在所述器械(303)停止动作后，接收所述位置调整指令；所述第四信号接收装置与所述手术机器人(300)相连，以使所述手术机器人(300)根据所述位置调整指令调整所述手术机器人(300)的器械(303)位置，使所述受力值小于所述预设阈值。

10.一种手术机器人系统，包括操控台(200)、手术机器人(300)和视频台车(400)，三者通讯连接，其特征在于，还包括权利要求1-9任一项所述的手术机器人安全监测设备，所述手术机器人安全监测设备的控制器(11)设于所述操控台(200)，所述手术机器人安全监测设备的报警器(12)设于所述手术机器人(300)的滑架(302)。