CN109171979A - 一种手术机器人双环万向节式控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人双环万向节式控制装置，包括关节座和安装在所述关节座上的双环万向节，双环万向节由内环、外环和关节座组成，关节座内具有感应组件和限位件，球型件的中心有通孔。本发明利用双环万向节的三维旋转能力简化了手术机器人及控制装置的结构，使手术机器人控制装置更小更轻便，操作便利，提高手术操作效率。

Description

一种手术机器人双环万向节式控制装置

技术领域

本发明涉及一种手术机器人***，具体涉及一种手术机器人双环万向节式控制装置。

背景技术

随着科技的进步，越来越多的微创外科手术开始普及。微创手术具有创伤小、患者较容易恢复等优点，随着医用内窥镜技术的发展，微创手术越来越得到广泛的应用。但微创手术的观察视野狭小、手术区域不灵活，因此其手术难度比一般的普通手术难度要大得多。需要一名主刀医师和一名持镜操作师进行完美的配合，才能使一场手术达到理想的效果。而两者间的默契需要主刀医师和持镜操作师长期配合才能形成，且中间还存在很多不稳定的因素。

手术机器人的出现改变了常规手术方式，主刀医生可以脱离手术台，在旁边的控制器上操作机械臂为患者手术。

以目前世界上最先进的达芬奇手术机器人为例，其脚踏实际上是一个具有切换功能的开关电源控制器，是通过切换控制线路来工作的。当踩下摄像机踏板时，主操作手与机械臂的控制线路断开，此时主操作手可以调整摄像机的位置，直接实现视野的上下左右移动及旋转。放开摄像机脚踏可使主操作手与机械臂重新获得连接。离合器脚踏板可以实现主操作手和控制端的脱离，在机械臂***完全不动的情况下，主操作手可以移动到符合人机工程学的位置。达芬奇还有一个脚踏板控制电热***，此外还有一个备用脚踏板。

现有手术机器人有以下不足：1、费用昂贵，绝大多数医院无力承担。2、体积庞大，不方便人机同时在手术台上配合。3、缺少触觉反馈，主刀医生在手术台下遥控，丧失了传统的手感。4、控制台庞大，处于有菌环境，遇到突发情况时，主刀医生难以及时消毒上台抢救，会浪费宝贵的机会。因此为了能在手术台无菌环境下使用，研发一种小型的控制装置，对全世界机器人领域发展具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种手术机器人双环万向节式控制装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的手术机器人双环万向节式控制装置，包括具有内环、外环和关节座组成的双环万向关节；所述关节座可连接到手术设备上；所述内环通过内环旋转轴悬挂在所述外环上，外环通过外环旋转轴悬挂在关节座上；所述内环旋转轴与所述外环的旋转轴相互垂直，轴心线的夹角为90度；外环旋转轴与第一感应组件连接并被感应旋转；所述内环上穿设有控制杆。

优选，所述感应组件包括感应器和传动装置，所述旋转轴和所述感应器直接连接或通过所述传动装置联接。

优选，所述感应器和旋转轴上分别安装有感应磁极和磁传感器，所述磁传感器感应到感应磁极运动后产生的磁场变化，产生脉冲信号。

具体地，所述内环旋转轴与第二感应组件连接并被感应旋转。

具体地，所述的关节座与手术设备为可拆卸连接。优选螺纹连接或承插连接或捆缚。

具体地，还包括无菌套，所述无菌套与关节座连接，所述无菌套用于包裹双环万向节。

具体地，所述无菌套至少有一个开口，所述开口可以与关节座对合。优选，无菌套由透明柔软的高分子材料制成。进一步优选，透明塑料套，一端有开口与关节座对合。

具体地，还包括触碰传感器或按钮。用于接收控制动作，让操作者控制更多设备。

具体地，所述关节座或内环是环状轴承，所述环行轴承包括内圈和外圈；所述外圈上设有第三感应组件，所述第三感应组件用于感应所述内圈旋转。

具体地，所述内环上设有通道管，所述通道管内穿设有控制杆。进一步，所述通道管上安装有第四感应组件，所述第四感应组件用于感应控制杆沿通道管轴线前进或旋转。

具体地，所述感应组件包括感应器和传动装置，所述旋转轴和所述感应器直接连接或通过所述传动装置联接。

具体地，所述万向关节内还包括驱动组件，所述驱动组件与所述旋转轴或所述通孔内的控制杆传动连接。优选，所述驱动组件包括驱动电机和传动装置，所述旋转轴和所述驱动电机直接连接或通过所述传动装置联接。

本发明同时提供一种手术机器人，该手术机器人可以被手术机器人双环万向节式控制装置控制。优选，手术机器人的结构是在手术机器人双环万向节式控制装置结构的基础上，采用驱动组件替换手术机器人双环万向节式控制装置中的感应组件。

操作者将双环万向节包入透明塑料薄膜制成的无菌套，将无菌套通过关节座固定到手术设备上，例如腹腔镜手术钳。操作者在操作常规器械的同时，也可以同时用单根手指遥控手术机器人夹持腹腔镜或其他设备执行左右、俯仰、旋转或前进等动作。可以有如下方式：1、在手术台下通过脚遥控装置控制手术机器人运动。2、主刀医生在手术台上，自己用手遥控。3、安装在主刀医生口罩上，用嘴唇和舌头遥控。

有益效果：

1.减少手术人员配置。该***可以让主刀医生在双手操作时，还能自由控制其他的机械臂，相当于多了两只手，减少一个扶镜医生或助手医生，也能避免两人沟通时发生的障碍。

2.结构简单，安装、调试简单。需要控制的部件少，***简单，发生故障少，维修容易。经济性好，减少患者的经济负担。

本发明利用双环万向节的三维旋转能力简化了手术机器人及控制装置的结构，可以让主刀医生直接控制原来需要助手配合的机械臂，避免了两人之间的沟通误差，并用可以提高手术操作效率，而且操作便利。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1是实施例一中安装在腹腔镜手术钳上的双环万向节式控制装置示意图；

图2是实施例一中手术机器人双环万向节式控制装置剖面示意图；

图3是实施例一中双环万向节结构示意图；

图4是实施例一中双环万向节内部结构示意图；

图5是实施例一中感应组件结构示意图；

图6是实施例二中轴承样关节座结构示意图；

图7是实施例三中通道管上安装感应座的结构示意图；

图8是实施例七中控制双环万向节手术机器人工作的示意图；

其中：1-双环万向节，2-通道管，3-关节座，4-控制件，5-感应组件，6-双环万向节手术机器人，7-无菌套，8-旋转轴，9-执行器械；

11-外环，12-内环，13-关节座外壳，14-外环旋转轴，15-内环旋转轴,16-关节壳通孔；

21-关节座，22-轴承外圈，23-轴承内圈， 24-电池，25-信号接受发生器，26-钢珠;

31-关节座盘，32-插杆，33-底座；

40-通道管缺口，46-感应座；

51-感应件，52-感应电机，53-传动装置，54-感应件固定架，55-第一感应组件，56-第二感应组件， 57-第三感应组件，58-第四感应组件；

71-指环，72-半球罩，73-控制杆套;

91-手柄，92-扳机，93-钳头。

具体实施方式

实施例一

如图1至图5所示，手术机器人双环万向节式控制装置包括关节座3和安装在关节座3上的双环万向节1。关节座3直径3cm，厚1cm，外环11直径2cm。关节座3有金属或硬质塑料制成，直径4cm，厚1.5cm，内部有与关节座3契合的关节座盘31，可嵌入双环万向节1。插杆32***并通过螺纹固定连接到执行器械9的后端。

无菌套72由透明硅胶制成，厚度0.5mm，两端都有开口，开口处一端连接硅胶制成的控制杆套73，可以套在控制杆4上。开口另一端有直径3.5cm的螺纹圈，可以与关节座盘31进行螺纹连接，从而将双环万向节1密封起来。无菌套72和关节座3是一次性使用的无菌材料。

万向关节1由内环12、外环11和关节壳13组成，其内环12悬挂在外环11上，外环11悬挂在关节壳13上；内环12与外环11的旋转轴相互垂直，轴心线的夹角为90度；内环旋转轴15与第二感应组件56连接，外环旋转轴14与第一感应组件55连接，感应组件用于感应旋转轴旋转；内环12穿设通道管2。

关节壳13为两对称部分对合组成，对合后将双环卡位于关节壳13内，第一感应组件55由固定卡座和感应件固定架54固定在关节壳13内，第二感应组件56固定在外环11上。感应组件的种类和位置在所安装部位对应的关节壳表面有标示。在一个非限制实施例中，关节壳为透明材料制成，可以直接看见内部不同组件的位置。

关节座3内还具有电池和无线电传送和接受装置。在一个非限制实施例中，电池和无线电传送和接受装置安装在关节座3上，通过关节座盘31内的插口向双环万向节1供电并传输信号，让双环万向节1更加小巧。

操作者单手握持手柄91，食指操作扳机92控制钳头93的运动，拇指套入指环71。控制杆套73一端固定连接指环71，另一端穿过无菌套72紧密套在控制杆4的杆头。将操作者的拇指动作传递给控制杆4。内环12的中心连接控制杆4，可以被控制杆4带动发生旋转。旋转轴8被带动旋转。再通过传动装置53将动力传至旋转编码器52，使之旋转发出电信号，经控制台处理后传送到手术机器人。

在一个非限制实施例中，感应组件5安装有磁传感器，内环12上安装有感应磁极。当内环12旋转运动时，感应磁极与磁传感器之间的距离和磁性发生变化，从而产生信号，经计算机处理后形成有效的控制机器人运动的信号。

在一个非限制实施例中，双环万向节1外壳为透明材料制成，可以直接看见内部不同组件的位置。

在另一个实施例中，外环11和内环12都是正方形框。在另一个实施例中，为了减少重量，采用以下三个方案：外环11上有小于25%的缺口，内环12与通道管2融合，或者没不设内环12，内环旋转轴15直接与通道管2连接。

实施例二

本实施例如图6所示，是在实施例一基础上的改进，改进之处在于万向关节1安装在环状轴承内，环行轴承包括内圈23和外圈22；外圈22上设有第三驱动组件57，第三驱动组件57用于驱动内圈23旋转。本实施例增加了一个自由度，可以对腹腔镜4进行旋转驱动。第三驱动组件的结构与第一或第二驱动组件结构相似，固定在外圈22上，其驱动件与内圈23啮合。其他结构与实施例一相同。

实施例三

如图7所示，本实施例与实施例一相似，区别在于，本实施例中内环12内穿设有通道管2，通道管2与内环12箍紧或融为一体，通道管2内穿设有控制杆4。关节座3外有弹性薄膜17包裹，防止杂物进入关节内部，弹性薄膜17上有圆孔供控制杆4出入。通道管2上有长条形的感应座46，感应座46内有第四感应组件58。第四感应组件58通过通道管2上的通道管缺口40与控制杆4紧密接触，可以感应控制杆4在通道管2内的前后运动。

实施例四

本实施例与实施例一相似，区别在于本实施例中关节座3安装在无菌横梁上，无菌横梁设置在操作者的手边无菌区内。

实施例五

本实施例与实施例一相似，区别在于本实施例中没有无菌套，关节座3安装在脚踏上，脚踏设置在操作者的脚边，操作者用脚趾控制。

实施例六

本实施例与实施例一相似，区别在于本实施例中关节座3安装在口罩上，口罩设置在操作者的面部，操作者用嘴控制。

实施例七

如图8所述，本发明还提供一种被上述实施例控制的手术机器人，是双环万向节手术机器人6，与实施例一中控制装置具有相似的结构。区别在于，双环万向节手术机器人6的尺寸是控制装置的3-10倍。内部除了安装感应组件5之外还安装了驱动组件。驱动组件由驱动电机驱动，通过传动装置驱动内环和连接在内环上的执行器械9运动。控制装置中的每一个感应组件5在双环万向节手术机器人6的对应位置均为驱动组件。控制装置中的控制杆4在双环万向节手术机器人6的对应位置是执行器械9。

本实施例中控制装置中除了安装感应组件5之外也安装了驱动组件。执行器械9的运动被双环万向节机器人6的感应组件采集，经信号处理传送到用控制装置，控制内部的驱动组件运动，带动控制杆运动。由于此时控制杆***作者用拇指控制着，因此会给操作者以力反馈，产生真实触碰组织的触觉并感受反作用力的大小。

实施例八

手术机器人双环万向节式控制装置安装在操作台上，使用时，双环万向节手术机器人8由操作台控制，操作台的指令由脚控制装置下达，通过RTC即时通讯到达从端机器人控制装置，从端机器人控制装置接收指令后将传达给双环万向节手术机器人8进行相应的动作。双环万向节手术机器人8的状态汇总到从端机器人控制装置，由从端机器人控制装置通过RTC通讯到达操作台，同时操作台的状态信息与双环万向节手术机器人8的状态信息汇总处理后通过液晶面板反馈给工作人员。

操作台控制装置上设置有用于监测工作人员是否到位的监测装置及用于显示操作台及机器人的状态信息的显示器。监测装置在监测到非正常状态时，则会根据监测结果进行制动或断电操作，以确保手术的安全进行。作为优选的，上述监测装置包括3D体感摄影机(Kinect)和脚踏开关，当3D体感摄影机监测到工作人员到位时，才能够进行双环万向节手术机器人8的部分功能操作，此时工作人员打开开关时，双环万向节手术机器人8便能够开始运作；在工作人员未到位时，且未打开开关，双环万向节手术机器人8制动，以避免非正常因素所引起的操作界面运作而导致的双环万向节手术机器人8移动。

机器人控制装置上还设置了用于获取电机状态信息的电机驱动装置及反应机器人状态的电机制动装置，当监测到危险信号时，电机制动装置自动制动。上述电机驱动装置能够与编码器配合使用，在编码器监测到双环万向节手术机器人8的运动路径存在异常时，编码器能够将信息反馈至电机驱动装置，并使电机驱动装置驱动电机开始新的工作路径。

上述机器人控制装置上还包括有电机通讯装置，以实时监测电机与电机驱动装置、电机驱动装置与双环万向节手术机器人8之间的反馈状态，并将监测信息反馈至工作人员，在出现故障的情况下，电机通讯装置能够根据监测信息进行制动灯操作，以保证手术机器人的正常运作，或者将故障信息反馈至工作人员，使工作人员能够快速处理故障。

此外，操作台控制装置用于记录双环万向节手术机器人8参数信息和/或操作台参数信息的数据记录模块，以便于查找故障信息。具体的，该数据记录模块包括运行日志和控制手数据，比如在控制手数据中，工作人员操作手柄，通过操作台控制器传达到双环万向节手术机器人端，使双环万向节手术机器人8运动，双环万向节手术机器人8动作时的信息通过编码器、电机驱动装置反馈到操作台控制器，形成反馈机制，若操作数据与编码器或电机数据出现不一致，则***自动调整，若调整不了，则出现故障，需要在控制手数据中查看数据并找寻故障地点。

作为优选，操作台控制装置上设置有用于紧急制动的急停开关以在发生故障时对机器人进行紧急制动，进而减少故障所造成的损失。

本申请的一个实施例中，机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测电压并保护电路的第一UPS电源(不间断电源)和第二UPS电源。用于监测电压的大小及电网的稳定情况，且在断电的情况下，启用上述UPS电源，保证手术的顺畅进行，并将监测所得的信息通过操作台控制器反馈给工作人员。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测控制装置各部位电路状态的第一电源功率监测器和第二电源功率监测器，电路的电压、电流数值在预设参数范围内时则正常工作，超过预设参数时，则有故障存在，立即制动或断电。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有显示双环万向节手术机器人8工作状态的第一状态指示灯和显示操作台工作状态的第二状态指示灯。上述指示灯能够将机器人端和操作台的工作状态最直观的呈现给工作人员，工作人员根据指示灯的显示情况，通过检查错误代码，能够快速的查找出故障所在。具体的，上述指示灯可具体设置有正常、待命、警告、危险等指示情况，以便工作人员监测机器人的使用状态。

本发明实施例提供的手术机器人双环万向节式控制装置，具体包括操作台控制装置及机器人控制装置，以分别对操作台及双环万向节手术机器人的状态进行控制，且操作台控制装置与机器人控制装置连接，从而实现两者之间的信息连接及反馈，使工作人员能够在操作台端对双环万向节手术机器人进行操作以实施手术。手术过程中，监测装置能够实时监测工作人员是否到位，从而判断是否进行制动，有效的避免了部分误操作下双环万向节手术机器人的运作；显示器能够将操作台及机器人的所有状态信息显示直接呈现给工作人员，使工作人员能够快速准确的发现***存在的问题，进而快速解决问题，保证手术的安全；此外，机器人控制装置上的编码器能够记录电机的转动圈数，从而记录机械手臂的运动轨迹，通过编码器反馈的信息***可以自动判断运动路径是否存在问题，并判断多个双环万向节手术机器人运动时是否发生干涉，根据其反馈信息能够确保各双环万向节手术机器人更加精准的安全工作，进而提高了手术的安全性。

基于上述实施例提供的控制装置，本发明实施例还提供一种手术机器人，包括操作台、双环万向节手术机器人，及分别与操作台及双环万向节手术机器人连接的控制装置；且控制装置为上述任一项的控制装置。对于上述手术机器人的其余部分的结构，请参见现有技术，本文不再赘述。

由于该手术机器人具有上述控制装置，因此在一定程度上，该手术机器人也具有较高的使用安全性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：包括具有内环、外环和关节座组成的双环万向关节；所述关节座可连接到手术设备上；所述内环通过内环旋转轴悬挂在所述外环上，外环通过外环旋转轴悬挂在关节座上；所述内环旋转轴与所述外环的旋转轴相互垂直，轴心线的夹角为90度；外环旋转轴与第一感应组件连接并被感应旋转；所述内环上穿设有控制杆。

2.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述内环旋转轴与第二感应组件连接并被感应旋转。

3.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述的关节座与手术设备为可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述关节座或内环是环状轴承，所述环行轴承包括内圈和外圈；所述外圈上设有第三感应组件，所述第三感应组件用于感应所述内圈旋转。

5.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述内环上设有通道管，所述通道管内穿设有控制杆。

6.根据权利要求5所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述通道管上安装有第四感应组件，所述第四感应组件用于感应控制杆沿通道管轴线前进或旋转。

7.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述的关节座和/或关节座上有触碰传感器或按钮。

8.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述感应组件包括感应器和传动装置，所述旋转轴和所述感应器直接连接或通过所述传动装置联接。

9.根据权利要求1所述的手术机器人双环万向节式控制装置，其特征在于：所述双环万向关节内还包括驱动组件，所述驱动组件包括驱动件和驱动电机，旋转轴和驱动电机直接连接或通过传动装置联接。

10.一种手术机器人，其特征在于：可以被权利要求1-9之任一所述手术机器人双环万向节式控制装置控制。