CN108186121B - 一种外科随动机器手臂 - Google Patents

Abstract

一种外科随动机器手臂，在进行外科手术，特别是普外科创伤手术医疗时的辅助机器手臂，通过多关节结构和联动配合，应用压敏传感器和随动目标、接收模块，结合PLC控制，可以实现单人实施手术，并能低成本、高精度的实现跟随创伤面移动的功能。

Description

一种外科随动机器手臂

技术领域

本发明涉及外科领域，尤其涉及外科手术机器手臂。

背景技术

近年来，外科机器人逐渐被引入到外科手术中，利用高精度的导航定位，来实现机器人辅助外科手术，这些设备往往都采用昂贵的光学、影像定位***及其设备，以及复杂的算法，其应用也往往应用于肿瘤手术等的领域中；普外科创伤手术过程中，往往需要固定创伤表面以及纱布等其他装置，此时需要其他医护人员来辅助操作，不仅仅消耗人力物力，而且会带来由于医护人员之间的配合以及主观性带来手术失误，给患者和医护人员带来很大不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在进行外科手术，特别是普外科创伤手术医疗时的辅助机器手臂，可以实现单人实施手术，并能低成本、高精度的实现跟随创伤面移动的功能。具体技术方案如下：

一种外科随动机器手臂，包括第一臂、第二臂、第三臂，所述第一臂通过第一关节与固定装置连接，所述第一臂和第二臂之间通过第二关节连接，所述第二臂和第三臂之间通过第三关节连接，所述第三臂通过第四关节连接有环形架，所述第二关节和第三关节均设置有水平伺服电机和垂直伺服电机，所述第四关节设有垂直伺服电机和扭转伺服电机；环绕所述环形架均布有多个向斜下伸出的伸出臂，所述伸出臂与创伤面夹角为α，0°＜α＜45°，所述伸出臂端部具有接触软垫，所述接触软垫内部设有压敏传感器；所述环形架正上方设有随动定位盘，所述随动定位盘通过第五关节A与连接臂连接，所述连接臂固定连接在所述第三臂上，所述第五关节A设有垂直伺服电机A和扭转伺服电机A，并分别与所述第四关节的垂直伺服电机和扭转伺服电机同步，使所述随动定位盘始终与所述环形架平行正对；所述随动定位盘底部设有随动接收模块，并配设随动目标模块，所述随动目标模块固定在所述创伤面附近；还包括可编程控制器PLC，通过所述压敏传感器和随动接收模块的信息控制所述关节联动使所述环形支架始终与创伤面正对并保持平行，并始终保持固定的距离。

进一步地，当所有所述压敏传感器的平均值大于或小于临界值时，所述PLC控制所述第二关节和第三关节垂直伺服电机、联动，使得所述环形架上升或下降，直到所述压敏传感器的平均值等于临界值；同时所述随动接收模块通过跟随所述随动目标模块，并通过所述PLC控制所述第二关节和第三关节的水平伺服电机、联动，使得所述环形架正对创伤面。

进一步地，所述随动接收模块和随动目标模块均设有超声波模块和无线收发模块，通过所述超声波模块实现方向和距离的确认，并通过所述无线收发模块实现随动接收模块和随动目标模块之间的通信。

进一步地，所述伸出臂为个，以所述第四关节和所述环形架的接触点与所述环形架的圆心连接延长线为X轴，垂直通过所述圆心的直线为Y轴，所述伸出臂两两对称于X轴和Y轴均布于所述环形架上，当X轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值不等时，所述PLC控制所述扭转伺服电机旋转，直到所述X轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值相等；当Y轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值不等时，所述PLC控制所述第二关节、第三关节和第四关节的垂直伺服电机联动，直到所述Y轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值相等。

进一步地，当创伤面发生平移时，所述随动目标模块也发生同步平移，所述随动接受模块通过所述无线收发模块接受到随动目标模块的方向和距离的平移信息，并将信息发送至所述PLC，所述PLC控制所述第二关节和第三关节的水平伺服电机、联动，直到与所述定位随动盘正对所述创伤面，并带动所述环形架正对所述创伤面。

进一步地，所述环形架上具有环形灯管.

进一步地，所述环形架上设有摄像头，所述摄像头连接于网络，可通过网络终端***进行实时远程会诊，所述摄像头可通过所述网络终端***控制环绕所述环形架的导轨旋转。

进一步地，所述第一关节具有水平机械转轴和垂直机械转轴，所述第一臂上设置有伸缩装置，所述伸缩装置上设有弹性按钮，所述弹性按钮按下时可人工转动所述水平机械转轴和垂直机械转轴，并可同时调整伸缩装置，所述弹性按钮弹起时，所述第一关节的水平机械转轴和垂直机械转轴以及所述伸缩装置被机械锁定装置锁死。

进一步地，所述随动目标模块固定方式为粘贴。

进一步地，所述环形架由两个半圆形架组成，所述两个半圆形架的一端通过销轴连接并固定于所述第四关节上，另一端通过环形扣连接，从而使所述环形架可放大缩小。

本发明的技术效果如下：

通过压敏传感器和随动定位装置的配合实现低成本、高精度的实现跟随创伤面移动的功能，而无需设置昂贵鬼、复杂的影像导航装置；采用多个压敏传感器，不仅精度高而且实现了创伤面多个维度的移动跟随功能；采用关节的伺服电机联动实现位置调整，具有精度高、速度快、结构紧凑简单；随动定位盘与环形架通过伺服电机的同步实现了始终平行正对，这样在随动目标模块，如采用超声波，定位时，仅需二维平面定位即可，而不需要重新构建坐标系，算法简单，设备成本低；伸出臂与创伤面夹角为0°＜α＜45°，方便了手术操作空间；还可以通过远程控制摄像头旋转，实现多角度观察创伤面，提高远程实时会诊效果；还具有机械转轴和伸缩装置以及弹性按钮、机械锁定装置，用于初始定位和位置锁定，成本低、使用便捷。

附图说明

图1为本发明的外科机器手臂结构示意图；

图2为本发明的外科机器手臂的环形架结构平面图；

具体实施方式

下面通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的外科随动机器手臂，包括第一臂1、第二臂2、第三臂3，所述第一臂1通过第一关节4与固定装置连接，所述第一臂1和第二臂2之间通过第二关节5连接，所述第二臂2和第三臂3之间通过第三关节6连接，所述第三臂3通过第四关节7连接有环形架8，所述第二关节5和第三关节6均设置有水平伺服电机5-1、6-1和垂直伺服电机5-2、6-2，所述第四关节7设有垂直伺服电机7-2和扭转伺服电机7-3；环绕所述环形架8均布有多个向斜下伸出的伸出臂10，所述伸出臂10与创伤面夹角为α，0°＜α＜45°，所述伸出臂10端部具有接触软垫11，所述接触软垫11内部设有压敏传感器；所述环形架8正上方设有随动定位盘12，所述随动定位盘12通过第五关节7A与连接臂3-1连接，所述连接臂3-1固定连接在所述第三臂3上，所述第五关节7A设有垂直伺服电机7A-2和扭转伺服电机7A-3，并分别与所述第四关节7的垂直伺服电机7-2和扭转伺服电机7-3同步，使所述随动定位盘12始终与所述环形架8平行正对；所述随动定位盘12底部设有随动接收模块13，并配设随动目标模块14，所述随动目标模块14固定在所述创伤面附近；还包括PLC，通过所述压敏传感器和随动接收模块的信息控制所述关节联动使所述环形支架8始终与创伤面正对并保持平行，并始终保持固定的距离。所述关节，对应伺服电机还具有转轴以及角度传感器，用于提供转动角度信息，即水平伺服电机具有水平转轴和水平角度传感器，垂直伺服电机具有垂直转轴和垂直角度传感器，扭转伺服电机具有扭转转轴和扭转角度传感器。

当所有所述压敏传感器的平均值大于或小于临界值时，所述PLC控制所述第二关节5和第三关节6垂直伺服电机5-2、6-2联动，使得所述环形架8上升或下降，直到所述压敏传感器的平均值等于临界值；同时所述随动接收模块13通过跟随所述随动目标模块14，并通过所述PLC控制所述第二关节5和第三关节6的水平伺服电机5-1、6-1联动，使得所述环形架8正对创伤面。

所述随动接收模块13和随动目标模块14均设有超声波模块和无线收发模块，通过所述超声波模块实现方向和距离的确认，并通过所述无线收发模块实现随动接收模块13和随动目标模块14之间的通信。无线收发模块可采用2.4G无线模块，超声波模块由于第五关节和第四关节的同步，随动接收模块13所延伸的平面始终和环形架8延伸的平面平行，仅需平面位移信息即可，算法可大大简化，所以超声波模块本省精度并不要求太高，就能实现整体比较精确的定位，节约成本。

本实施例中，所述伸出臂10为8个(也可以为其他数量)，以所述第四关节7和所述环形架8的接触点与所述环形架8的圆心连接延长线为X轴，垂直通过所述圆心的直线为Y轴，所述伸出臂两两对称于X轴和Y轴均布于所述环形架8上，当X轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值不等时，所述PLC控制所述扭转伺服电机7-3旋转，直到所述X轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值相等；当Y轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值不等时，所述PLC控制所述第二关节5、第三关节6和第四关节7的垂直伺服电机联动，直到所述Y轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值相等。

当创伤面发生平移时，所述随动目标模块14也发生同步平移，所述随动接受模块13通过所述无线收发模块接受到随动目标模块14的方向和距离的平移信息，并将信息发送至所述PLC，所述PLC控制所述第二关节5和第三关节6的水平伺服电机(5-1、6-1)联动，直到与所述定位随动盘12正对所述创伤面，并带动所述环形架8正对所述创伤面。

所述环形架8上具有环形灯管8-1.

所述环形架8上设有摄像头8-2，所述摄像头8-2连接于网络，可通过网络终端***进行实时远程会诊，所述摄像头8-2可通过所述网络终端***控制环绕所述环形架8的导轨旋转。

所述第一关节4具有水平机械转轴4-1和垂直机械转轴4-2，所述第一臂1上设置有伸缩装置1-1，所述伸缩装置1-1上设有弹性按钮1-2，所述弹性按钮按下时可人工转动所述水平机械转轴4-1和垂直机械转轴4-2，并可同时调整伸缩装置1-1，所述弹性按钮弹起时，所述第一关节4的水平机械转轴4-1和垂直机械转轴4-2以及所述伸缩装置1-1被机械锁定装置锁死。

所述随动目标模块14固定方式为粘贴。

所述环形架8由两个半圆形架组成，所述两个半圆形架的一端通过销轴连接并固定于所述第四关节7上，另一端通过环形扣连接，从而使所述环形架8可放大缩小。

使用该装置时，首先按下弹性按钮，将环形架手动移动至创伤面附近，然后，通过PLC控制各个电动关节的伺服电机使得环形支架8始终与创伤面正对并保持平行，并始终保持固定的距离。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外科随动机器手臂，包括第一臂(1)、第二臂(2)、第三臂(3)，所述第一臂(1)通过第一关节(4)与固定装置连接，所述第一臂(1)和第二臂(2)之间通过第二关节(5)连接，所述第二臂(2)和第三臂(3)之间通过第三关节(6)连接，所述第三臂(3)通过第四关节(7)连接有环形架(8)，所述第二关节(5)和第三关节(6)均设置有水平伺服电机(5-1、6-1)和垂直伺服电机(5-2、6-2)，所述第四关节(7)设有垂直伺服电机(7-2)和扭转伺服电机(7-3)；环绕所述环形架(8)均布有多个向斜下伸出的伸出臂(10)，所述伸出臂(10)与创伤面夹角为α，0°＜α＜45°，所述伸出臂(10)端部具有接触软垫(11)，所述接触软垫(11)内部设有压敏传感器；所述环形架(8)正上方设有随动定位盘(12)，所述随动定位盘(12)通过第五关节(7A)与连接臂(3-1)连接，所述连接臂(3-1)固定连接在所述第三臂(3)上，所述第五关节(7A)设有垂直伺服电机(7A-2)和扭转伺服电机(7A-3)，并分别与所述第四关节(7)的垂直伺服电机(7-2)和扭转伺服电机(7-3)同步，使所述随动定位盘(12)始终与所述环形架(8)平行正对；所述随动定位盘(12)底部设有随动接收模块(13)，并配设随动目标模块(14)，所述随动目标模块(14)固定在所述创伤面附近；还包括可编程控制器PLC，通过所述压敏传感器和随动接收模块的信息控制所述关节联动使所述环形架(8)始终与创伤面正对并保持平行，并始终保持固定的距离。

2.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，当所有所述压敏传感器的平均值大于或小于临界值时，所述PLC控制所述第二关节(5)和第三关节(6)的垂直伺服电机(5-2、6-2)联动，使得所述环形架(8)上升或下降，直到所述压敏传感器的平均值等于临界值；同时所述随动接收模块(13)通过跟随所述随动目标模块(14)，并通过所述PLC控制所述第二关节(5)和第三关节(6)的水平伺服电机(5-1、6-1)联动，使得所述环形架(8)正对创伤面。

3.如权利要求2所述的外科随动机器手臂，所述随动接收模块(13)和随动目标模块(14)均设有超声波模块和无线收发模块，通过所述超声波模块实现方向和距离的确认，并通过所述无线收发模块实现随动接收模块(13)和随动目标模块(14)之间的通信。

4.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，所述伸出臂(10)为8个，以所述第四关节(7)和所述环形架(8)的接触点与所述环形架(8)的圆心连接延长线为X轴，垂直通过所述圆心的直线为Y轴，所述伸出臂两两对称于X轴和Y轴均布于所述环形架(8)上，当X轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值不等时，所述PLC控制所述第四关节(7)的扭转伺服电机(7-3)旋转，直到所述X轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值相等；当Y轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值不等时，所述PLC控制所述第二关节(5)、第三关节(6)和第四关节(7)的垂直伺服电机联动，直到所述Y轴两侧的伸出臂的压敏传感器的平均值相等。

5.如权利要求3所述的外科随动机器手臂，当创伤面发生平移时，所述随动目标模块(14) 也发生同步平移，所述随动接收模块(13)通过所述无线收发模块接受到随动目标模块(14)的方向和距离的平移信息，并将信息发送至所述PLC，所述PLC控制所述第二关节(5)和第三关节(6)的水平伺服电机(5-1、6-1)联动，直到与所述随动定位盘(12)正对所述创伤面，并带动所述环形架(8)正对所述创伤面。

6.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，所述环形架(8)上具有环形灯管(8-1)。

7.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，所述环形架(8)上设有摄像头(8-2)，所述摄像头(8-2)连接于网络，能够通过网络终端***进行实时远程会诊，所述摄像头(8-2)通过所述网络终端***控制环绕所述环形架(8)的导轨旋转。

8.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，所述第一关节(4)具有水平机械转轴(4-1)和垂直机械转轴(4-2)，所述第一臂(1)上设置有伸缩装置(1-1)，所述伸缩装置(1-1)上设有弹性按钮(1-2)，所述弹性按钮按下时能够人工转动所述水平机械转轴(4-1)和垂直机械转轴(4-2)，并同时调整伸缩装置(1-1)，所述弹性按钮弹起时，所述第一关节(4)的水平机械转轴(4-1)和垂直机械转轴(4-2)以及所述伸缩装置(1-1)被机械锁定装置锁死。

9.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，所述随动目标模块(14)固定方式为粘贴。

10.如权利要求1所述的外科随动机器手臂，所述环形架(8)由两个半圆形架组成，所述两个半圆形架的一端通过销轴连接并固定于所述第四关节(7)上，另一端通过环形扣连接，从而使所述环形架(8)能够放大缩小。

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