CN105559888B

CN105559888B - 机器人***

Info

Publication number: CN105559888B
Application number: CN201510724962.6A
Authority: CN
Inventors: 潘颂欣; 赵伟仁; 任扬; 刘润皇; 刘家骏
Original assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Current assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: CN105559888A; HK1221884A1; US20160166343A1; US10111722B2

Abstract

本发明公开了用于内镜粘膜下剥离术(ESD)的手术的、任务特定的机器人。该机器人包括具有9个自由度(DOF)的两个臂，以及具有组织提升和剥离能力。这些机器人臂的最优设计需要使用形状记忆合金(SMA)线和钢线致动器，以形成改进的致动机构，这样使力能够传递至机器人臂的远端用于有效的组织提升和剥离。

Description

机器人***

技术领域

本申请大体涉及机器人***，更具体地涉及用于内镜黏膜下剥离术(ESD)的主从机器人***。

背景技术

在世界的不同地区，胃癌和结肠直肠癌都是癌症的常见类型。胃癌和结肠直肠癌也是癌症死亡的首要原因。胃肠(GI)癌起源于黏膜层。如果在恶化前和早期的癌症扩散到***之前在初期整体移除这些癌症，患这些癌症的病人的存活率可以提高。

为了去除胃肠道中恶化前和早期的癌症，开发了内镜黏膜切除术(EMR)和内镜黏膜下剥离术(ESD)。这些手术借助于柔性内镜，并具有微创和保留器官的优势。为了去除更大的病变，通常需要ESD，因为ESD具有更高的单块完整剥离率所以局部复发率更低(与EMR相比)。

通常，在ESD手术过程中，通过电烙术对病变边缘进行标记，并且使用黏膜下注射以提拉病变；用专用内镜电烙刀围绕病变执行进入黏膜下的周边切割；以及用电烙刀从胃肠道壁的下方深层将病变剥离并移除。相比开放性手术，使用内镜的黏膜切除术显然是低创的。

尽管ESD有效地移除了早期的胃癌和结肠直肠癌，但ESD是与更高风险的并发症相关联的、技术上需要的手术。通常ESD主要具有三个不足之处。第一，目前柔性内镜具有单个仪器通道。内镜一次只能用单个配件进行操作。第二，很难将柔性内镜的端部维持在中空腑脏内的稳定位置。用柔性内镜瞄准黏膜病变在技术上具有挑战性。通常，切割无意中会导致重大的并发症(如穿孔和出血)。第三，由于难以维持内镜位置和更薄的肌肉层，所以位于接近大肠(盲肠和横结肠)的大肠ESD手术更难以执行。

手术机器人已经发展了很多年。可以借助于柔性内镜来应用的机器人几乎没有。机器人旨在用两个臂进行模拟操作。这种设计受到一些动物身体结构的启发，如人和龙虾，它们均使用臂和眼睛来完成任务。此设计可以减小外科医生的学习曲线。上述工作示出了机器人的初步设计以及该结构进行ESD的可用性。此外，臂形设计模仿手腕并提供了更多的自由度。这使得内镜剥离术变得更容易并且更有效。本发明的该机器人设计中也应用了这个构思。

现今手术机器人可以分为两类：直接驱动的和机动化的。直接驱动的机器人的优势为成本低并且结构简单。控制器和机器人通过机械结构(如腱和鞘)直接连接。操作者通过控制器控制机器人。直接的力反馈反馈至控制器并且然后反馈至操作者。然而，直接驱动的机器人的缺点为控制精度不足。

纯机械结构通常具有后冲和力损问题。机器人的执行与控制器的输入不同。机动化的机器人可以解决上述问题。例如，可以使用补偿机制以抵消后冲和力损。此外，因为机器人的动作不是直接用控制器映射，所以机动化的机器人可以具有更多的自由度。机器人的动作可以更复杂。

目前的内镜机器人具有机器人臂嵌入在内镜平台内的结构限制。在外科医生将机器人***患者的胃肠道时，机器人臂的端部庞大并因此将会很难通过。当沿消化道推动机器人臂时，可能引起黏膜损害。此外机器人具有保护机器人臂的盖，内镜平台需要与机器人一起开发。因而增加了成本。

发明内容

根据本申请的实施方式公开了用于内镜黏膜下剥离术(ESD)的机器人。机器人包括配置有第一臂和第二臂的从设备、具有能够延伸至靶组织并分别用于容纳第一臂和第二臂的至少两个通道的内镜平台，以及配置为控制第一臂以拉回靶组织和控制第二臂以剥离拉回的靶组织的主设备。

在本申请的实施方式中，第一臂和第二臂中的每个可包括相同的连续体结构以及与连续体结构连接的端部操纵装置，其中连续体结构是柔性的以将端部操纵装置引导至靶组织。

在本申请的实施方式中，每个连续体结构可包括配置为形成恒定曲率的基干、能够沿形成的恒定曲率延伸并配置为驱动端部操纵装置的两对致动器，以及彼此分离一段距离并具有用于容纳致动器的孔的多个引导盘。

在本申请的实施方式中，致动器可由形状记忆合金和镀膜金属线的组合形成。这个组合具有两者的优点。SMA可以形成便于连续体结构的动力学建模的曲线。此外，超塑性SMA用推拉运动来致动连续体结构，其中推拉运动与拉机制相比将驱动力加倍，使整个机器人结构的尺寸减小成为可能。另一方面，镀膜金属线更具有柔性，其可适合不规则的结构，诸如夹持器上的凹槽。

在本申请的实施方式中，致动器的每个可以容纳在卷鞘中。卷鞘用作柔性通道以将力从马达驱动器传达到远端结构。使用卷鞘的另一作用是其用作转力机构。用于以上结构的鞘(如用于夹持器的鞘)通过连续体结构，并因此由以上结构释放的致动力可以沿鞘均匀分布而不是在连续体部分引起不期望的变形，并因此进行保护以免于自毁坏。

在本申请的实施方式中，第一臂上的端部操纵装置可以为夹持器，以及第二臂上的端部操纵装置可以为剥离器。

在本申请的一个实施方式中，第一臂可具有至少5个自由度。在本申请的另一实施方式中，第二臂可具有至少4个自由度。

卷鞘可设置为捆并固定在橡胶管内部，其中该橡胶管作为单个机器人臂的柔性杆。柔性杆和内部的鞘之间没有相对运动。因此，通过将柔性杆紧固在由马达驱动的线型齿条上实现机器人臂的平移。

在本申请的另一方面中，公开了用于内镜黏膜下剥离术(ESD)的机器人，该机器人可包括：第一臂；第二臂；具有能够延伸至靶组织并用于分别容纳第一和第二臂的至少两个通道的内镜平台，其中第一臂配置为拉回靶组织以及第二臂配置为剥离拉回的靶组织。

在本申请的实施方式中，第一臂和第二臂的每个可包括相同的连续体结构和与连续体结构连接的端部操纵装置，其中连续体结构是柔性的以将端部操纵装置引导至靶组织。

在本申请的实施方式中，连续体结构可包括：用于形成恒定曲率的基干；能够沿形成的恒定曲率延伸并配置为驱动端部操纵装置的两对致动器；以及彼此分离一段距离并具有用于容纳致动器的孔的多个引导盘。

附图说明

下面参照附图对本发明的示例性且非限制性实施方式进行描述。附图是说明性的并通常不是精确刻度。不同附图中的相同或相似的元件用相同的附图标记来表示。

图1是示出用于使用在ESD中的机器人的结构的框图；

图2是示出从设备和内镜平台的示意图；

图3是示出连续体结构的示意图；

图4是示出从设备的两个臂的示意图；

图5是示出连续体结构的参数的符号的示意图；

图6是示出主设备与机器人臂之间操作的框图；

图7是示出驱动器的示意图；

图8是示出驱动单元的示意图。

图9是示出控制器的示意图；以及

图10是示出控制软件架构的示意图。

具体实施方式

现在将详细地参照示例性实施方式，其中在附图中示出了示例性实施方式的示例。在适当的情况下，在所有附图中，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

图1是根据本申请的实施方式的用于内镜黏膜下剥离术(ESD)的机器人100的框图。机器人100包括从设备1、内镜平台2和主设备3。从设备1配置有第一臂和第二臂。内镜平台2具有至少两个通道，该至少两个通道能够延伸至靶组织并分别用于容纳第一臂和第二臂。主设备3配置为控制第一臂以拉回靶组织并控制第二臂以剥离拉回的组织。在一些实施方式中，可根据需要改变通道的数量。

图2示出了从设备1的详细结构。如图2所示，内镜平台2具有四个独立的通道，即上通道、下通道、左通道和右通道，以及从设备1包括两个臂13和14，一个臂用于剥离组织和一个臂用于拉回组织。臂13、14中的每个包括相同的连续体结构和与连续体结构相连接的端部操纵装置，其中，连续体结构是柔性的以将端部操纵装置引导至靶组织。在该实施方式中，剥离器131附接于左臂13的远端作为端部操纵装置。在该实施方式中，夹持器141附接于左臂13的远端作为端部操纵装置。右臂4上的端部操纵装置可以是能够夹持组织的夹持器。

如图所示，内镜像机2穿过上通道和下通道并可以用于使用其他设备，如用于吸收和注射液体的第三机器人臂。在一些实施方式中，内镜平台在其端部可具有带有四个孔的套管，其中这些孔的具体形状与引导盘兼容，以使机器人臂的平动平滑化并限制机器人臂的旋转。

图3示出了连续体结构11的详细结构。连续体结构11包括配置为形成恒定曲率的基干111、可沿所形成的恒定曲率延伸并配置为驱动端部操纵装置的多个(例如，如所示的两对)致动器112，以及彼此以一定距离分离(例如通过橡胶间隔装置114)并具有用于容纳和引导致动器112及基干111的孔115的多个引导盘113。在一些实施方式中，引导盘的材料为例如由激光加工机制造的1.5mm厚的丙烯酸片。为了实现最佳的曲率，致动器到中央比间隔装置长度可以设置为例如0.4。通过使用金属止动器将四个致动器固定于连续体结构的端部。

在该实施方式中，致动器112中的每个由至少一个形状记忆合金和镀膜金属线形成，并且容纳在卷鞘116中，如图4所示。这些鞘116通过柔性通道连接在连续体结构和端部操纵装置之间。这种腱-鞘驱动机构不仅提供对于内镜用途的柔性需求而且还充当转力机构。

连续体结构11通过两对超弹性镍钛形状记忆合金(SMA)线致动，并且其他连结部(诸如铰链连结部和爪)由金属线驱动。通过根据逆动力学来组合四个致动器112的推拉运动，可以精确地控制连续结构的端部。SMA的超塑性特性迫使连续体结构111形成恒定曲率，这可以精确地模型化并因此便于精确地控制端部操纵装置的位置。另一方面，与SMA相比，金属线可以形成锐转角并可以固定在夹持器上的导槽内。

这样的连续体机器人机构满足用于腔内手术的柔性、灵巧性和三角测量需求。向前和向后平移可增加机器人臂的工作空间，这通过推拉连续体结构11的基干111来实现。连续体结构的弯曲和定向通过推拉两对致动器112来实现。两个臂的铰接头(即能够改变打开方向的夹持器和能够改变切割器方向铰链)使机器人能够工作在竖直面和水平面，以执行组织提拉和剖离。

在推拉机构的情况下，四致动器连续体机器人需要至少两个马达。三致动器连续体机器人的曲率、旋转角以及致动器长度之间的关系为：

其中lⁱ为第i致动器的长度，s为基干的长度，k为连续体机器人的曲率，d为致动器和基干之间的距离，以及φ为连续体机器人的旋转角。

可以通过修改上述等式获得四个致动器情况的动力学。图5中示出了这种结构。每个致动器之间的角度从120度到90度变化。等式变为∶

这得出

l₁+l₃＝l₂+l₄＝2s

Δl₁＝-Δl₃，Δl₂＝-Δl₄

因为这些关系，l₁和l₃可以通过推拉驱动单元来致动并且l₂和l₄可以通过另一驱动单元来致动。

现有技术已经提出了如何优化每个盘之间的距离。从基干到致动器的距离和盘之间的距离的比率为0.4。对于本申请的机器人而言，从基干到致动器的距离可以为例如2mm。因此，盘之间的距离可以为例如5mm。该比率提供了小于10％的恒定曲率模型误差而没有非常限制接触极限。恒定曲率模型用于上述等式。

图6是示出主设备与机器人臂之间操作的框图。主设备3包括配置为将用户的每个动作转换为输入信号的控制器31，配置为接收来自控制器的输入信号并根据输入信号生成驱动信号的生成器32，以及配置为根据生成的驱动信号驱动从机器人的驱动器33。在该实施方式中，使用视觉反馈以通过控制器控制机器人。在一些实施方式中，其他类型的反馈也是可能的。

图7是示出具有多个驱动单元331的驱动器33的示意图，以及图8是示出驱动单元331的示意图。各驱动单元包含配置为紧固一对致动器的一对相对的线型齿条3311，马达3312，和接合在两个齿条之间并由马达驱动以使齿条在不同方向移动的小齿轮3313。在一些实施方式中，驱动单元331可包括马达控制器。所有鞘均固定在止动面333上，而致动器可以穿过止动面并最终固定在线型齿条3311上。在分别连接至线型齿条3311之前，致动器和基干穿过柔性仪器杆335。因此，通过整体上移动该杆来实现平移机构334。在线型齿条和其滑轨之间增加珠子以减小摩擦。通过逆动力学计算，具有两对对抗致动器的两个马达3312可控制连续体结构的二个自由度。利用该传动机构，左臂13具有至少4个移动自由度，一个用于平动、两个自由度形成用于定向和弯曲的连续体结构，以及一个自由度控制其在竖直面的运动方向，而右臂14具有至少5个移动自由度，一个用于平移、两个自由度形成用于定向和弯曲的连续体结构，以及两个自由度分别控制拉回装置的下爪和上爪。

图8是示出控制器的示意图。控制器由操纵杆311、旋转旋钮312、两个控制按钮313，以及保持把手314组成。在主和从设备之间应用连结部到连结部映射控制策略。具有两个自由度的操纵杆实施为控制连续体结构11。具有两个自由度的旋转旋钮312同时控制夹持器的旋转角和打开角。两个控制按钮313分别控制第一和第二臂的向前和向后平移动作。每个连结位置由电阻位置传感器测量。在一些实施方式中，微控制器(例如，Arduino微控制器)可以用于对信号进行采样并通过串行接口与控制软件进行通信。

控制软件在基于窗口的计算机上运行并通过图10中所示的分层架构实施。控制软件400可以以具有3个层的分层方式进行工作，这3个层为(从上到下)：用户界面层41、控制算法层42和硬件控制层43。通过该用户界面，操作者能够调整各马达的参数(原位、范围)，校准主设备的传感器并给出监管命令，如停止、开始和复位***。具有多层配置的远程设备允许用户精确控制机器人臂。在底层上，实现马达动作控制和主角度位置传感器读取。此外，在该层上将具有不同齿轮比的马达标准化，以对GUI用户隐藏硬件区别。主控制算法和机器人建模实施在中间层。其负责轨迹生成，通过使用逆动力学将任务空间位置转换至致动器位置，以及保持记录***状态。在顶层上，具有能够管理***的输入和输出的图形用户界面。输入是来自用户的监管命令，其包括马达归位、原始位置复位等。输出包括显示用于监控的马达状态。

本领域技术人员应理解，随着用其他专用工具替代端部操纵装置，该机器人还可以用于其他内镜过程，例如，活组织检查和盐水注入，并且该机器人还可以用于其他技术领域，例如工业领域中用于检查和修复工业管道内的缺陷。

尽管已经描述了本发明优选的示例，但是本领域技术人员通过理解基本发明构思可对这些示例作出改变或修改。所附权利要求书旨在被认为包括优选示例和落入本发明范围内的所有改变和修改。

显然，在没有偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出改变和修改。因此，如果这些改变和修改属于权利要求及等同技术的范围，则这些改变和修改还落入本发明的范围。

Claims

1.一种用于内镜粘膜下剥离术的机器人，包括：

从设备，配置有第一臂和第二臂；

内镜平台，具有至少两个通道，所述至少两个通道能够延伸至靶组织并分别用于容纳所述第一臂和所述第二臂；以及

主设备，配置为控制所述第一臂以拉回所述靶组织和控制所述第二臂以剥离拉回的所述靶组织，

其中所述第一臂和所述第二臂中的每个包括相同的连续体结构以及与所述连续体结构连接的端部操纵装置，

其中所述连续体结构包括：基干，配置为形成曲线；致动器，能够沿形成的所述曲线延伸并配置为驱动所述端部操纵装置；以及多个引导盘，彼此分离一段距离并具有用于容纳所述致动器的孔，其中，每个致动器到所述基干的距离和所述一段距离的比率设置为0.4，

其中每个所述致动器包括形状记忆合金和镀膜金属线的组合。

2.根据权利要求1所述的机器人，其中所述连续体结构包括两对致动器并且相邻的致动器之间具有孔。

3.根据权利要求1所述的机器人，其中每个所述致动器布置在鞘内部。

4.根据权利要求3所述的机器人，其中所述鞘通过柔性通道连接在所述连续体结构与所述端部操纵装置之间。

5.根据权利要求4所述的机器人，其中位于所述第一臂上的所述端部操纵装置为夹持器，以及位于所述第二臂上的所述端部操纵装置为剥离器。

6.根据权利要求5所述的机器人，其中所述主设备还包括：

控制器，配置为将用户的每个动作转换为输入信号；

生成器，配置为从所述控制器接收所述输入信号并根据所述输入信号生成驱动信号；以及

驱动器，配置为根据生成的所述驱动信号来驱动所述从设备。

7.根据权利要求6所述的机器人，其中所述驱动器包括用于驱动所述致动器的至少一个驱动单元，每个所述驱动单元包括：

两个齿条，配置为紧固一对致动器；

马达；

小齿轮，接合在两个所述齿条之间并由所述马达驱动以使所述齿条在不同的方向移动。

8.根据权利要求6所述的机器人，其中所述控制器包括：

操纵杆，配置为改变所述连续体结构的定向；

旋转旋钮，配置为控制所述夹持器的旋转角和打开角；以及

控制按钮，配置为控制所述第一臂和所述第二臂的向前和向后平移动作。

9.根据权利要求1所述的机器人，其中所述从设备还包括用于吸收和注射液体的第三臂。

10.根据权利要求8所述的机器人，其中所述基干为电烙刀。

11.根据权利要求5所述的机器人，其中所述第一臂具有至少五个自由度。

12.根据权利要求5所述的机器人，其中所述第二臂具有至少4个自由度。

13.根据权利要求3所述的机器人，其中所述鞘设置为捆并固定在橡胶管内部。

14.一种用于内镜粘膜下剥离术的机器人，包括：

第一臂；

第二臂；以及

内镜平台，具有至少两个通道，所述至少两个通道能够延伸至靶组织并用于分别容纳所述第一臂和所述第二臂，

其中，所述第一臂配置为拉回所述靶组织并且所述第二臂配置为剥离拉回的所述靶组织，

15.根据权利要求14所述的机器人，其中所述连续体结构是柔性的以将所述端部操纵装置引导至所述靶组织。

16.根据权利要求15所述的机器人，其中所述连续体结构包括两对致动器并且相邻的致动器之间具有孔。

17.根据权利要求16所述的机器人，其中位于所述第一臂上的所述端部操纵装置为夹持器，以及位于所述第二臂上的所述端部操纵装置为剥离器。

18.根据权利要求17所述的机器人，其中每个所述致动器容纳在鞘中。

19.根据权利要求18所述的机器人，其中所述鞘设置为捆并固定在橡胶管内部。