CN109350244A - 一种具有切口分离功能的软组织切割机器人*** - Google Patents

一种具有切口分离功能的软组织切割机器人*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，包括：外框架、下水平轨道、下水平轨道电机、下水平轨道滑块、下水平轨道滚珠丝杆、上水平轨道、上水平轨道滑块、上水平轨道丝杆、上水平轨道电机、垂直轨道连接板、垂直轨道电机、垂直轨道、垂直轨道滚珠丝杆、垂直轨道滑块、垂直导轨、垂直导轨滑块、切口分离机构电机支座、切口分离蜗杆、切口分离涡轮、切口分离电机、齿条、连杆机构、吸盘支座、立式轴支座、水平导轨、水平导轨滑块、吸盘、手术刀夹持机构外框架、手术刀角度控制蜗杆、手术刀角度控制涡轮、手术刀夹具、手术刀角度控制电机、手术刀、计算机、电磁阀、气泵；本发明的***能够应用于手术中软组织切割的场景，解决切割时软组织变形的问题，可以精确控制切割长度与深度从而调控切口形状，具有切口分离功能，受计算机给定参数控制。

Description

一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***
技术领域
本发明涉及一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，本发明涉及医疗机器人技术领域，具体为机器人结构设计。
背景技术
当前，软组织切割手术精确度主要取决于外科手术医生的经验与能力，两个外科手术医生进行相同手术的一致性和外科手术医生进行的手术的可重复性都是不可控的[1]，如果能在软组织切割手术中引入一种自动化的软组织切割方式，手术的准确性和可重复性都有期望提高。目前对软组织切割的研究大多数都是以仿真手术模型为主，对实际的软组织切割手术提升有限，而已公示的软组织切割机器人专利[2]，不具备对已切开的切口进行分离的功能，势必会影响同位置进一步切割的精准度，没有完全解决软组织切割问题。
以下给出检索的相关文献：
[1]Su,Baiquan,Xiaole Wang,and Hongen Liao."Soft Tissue CuttingControl Method with Surgical Scalpel."
[2]苏柏泉.自动控制高精度软组织切割机器人:中国,108175507A[P].2018-06-19.
发明内容
本发明提出一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，具有该结构特征的机器人，定在吸盘支座上的两排平行吸盘模块实现被切割组织的固定与切口分离，由三个互相垂直的丝杆模块通过计算机控制的电机控制手术刀切割的定位、深度和长度，其中手术刀的切割角度可由刀具夹持模块中的电机控制。通过固定拉开模块、刀具夹持模块以及丝杆模块之间的协调配和，实现了具有切口分离功能的软组织精确切割。
一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，包括：外框架、下水平轨道、下水平轨道电机、下水平轨道滑块、下水平轨道滚珠丝杆、上水平轨道、上水平轨道滑块、上水平轨道丝杆、上水平轨道电机、垂直轨道连接板、垂直轨道电机、垂直轨道、垂直轨道滚珠丝杆、垂直轨道滑块、垂直轨道、垂直导轨滑块、切口分离机构电机支座、切口分离蜗杆、切口分离涡轮、切口分离电机、齿条、连杆机构、吸盘支座、立式轴支座、水平导轨、水平导轨滑块、吸盘、手术刀夹持机构外框架、手术刀角度控制蜗杆、手术刀角度控制涡轮、手术刀夹具、手术刀角度控制电机、手术刀、计算机、电磁阀、气泵。
被切割软组织由切割机器人的切口分离机构的吸盘支座上的吸盘固定，吸盘固定在吸盘支座上，经过电磁阀与气泵连接，受计算机控制，可以调整吸盘与软组织间的气压。通过计算机控制切口分离机构两侧的电机转动，电机带动切口分离蜗杆转动，蜗杆带动切口分离涡轮转动，涡轮带动固定在垂直导轨滑块上的齿条上下移动。齿条的上下移动改变连杆机构左右连杆所成的夹角。连杆机构的左右连杆一端固定在齿条同一点，另一端分边固定在两侧吸盘支座相连的两个立式轴支座上，连杆机构夹角的改变带动固定在水平导轨滑块的两吸盘支座沿水平导轨向相反方向运动，实现了软组织的切口分离。
手术刀在空间的移动与上水平轨道、下水平轨道、垂直轨道绑定，进而控制软组织切割时的切口定位、切口长度与切口深度。三轨道的电机由计算机给出的信号控制，电机控制轨道上滚珠丝杆的转动，使滚珠丝杆与电机同步转动，以控制滚珠丝杆上的滑块在轨道方向上的运动。滑块的运动使得与滑块配合的部件在轨道方向上同步移动，三个轨道上的三个滑块联动控制手术刀夹持机构外框架在空间中三个方向的位移，实现手术刀在三个轨道所划定空间中的任意点的运动，控制手术刀的定位以及切割的深度和长度。
手术刀夹持机构通过计算机控制固定在手术刀夹持机构外框架的手术刀角度控制电机转动、电机带动手术刀角度控制蜗杆转动、蜗杆带动手术刀角度控制涡轮转动，从而带动固定手术刀的手术刀夹具同轴同步转动，实现手术刀的固定与刀具切割角度的控制。
本发明的优点在于：
(1)切口分离机构可以满足软组织被切割后的切口分离需求；
(2)吸盘的工作状态可以使用计算机通过电磁阀具体控制，实现对不同尺寸的软组织切割的适应；
(3)手术刀夹持机构具有在三个轨道导程所划定三维空间中运动到任意点的能力，在导程允许的情况下，切割点、切割长度、切割深度可以根据需求任意给定；
(4)手术刀夹具内预留有部署力传感器的空间，可以置入力传感器辅助切割进行；
(5)手术刀的切割角度可以通过计算机控制手术刀角度控制电机进行调整，可以满足任意角度的切割需求；
(6)切口分离机构与手术刀夹持机构采用了涡轮蜗杆传动，保证传动不受电机以外所施的力影响，保证切割过程的稳定；
附图说明
图1是本发明机器人***的结构示意图；
图2是本发明机器人***去除外框架后的整体结构标注；
图3是本发明机器人***切口分离机构的结构标注；
图4是切口分离机构的底部结构标注；
图5是本发明机器人***手术刀夹持机构结构示意图；
图6是手术刀夹持机构的透视结构标注；
其中，图中：1-外框架、2-下水平轨道、3-下水平轨道电机、4-下水平轨道滑块、5-下水平轨道滚珠丝杆、6-上水平轨道、7-上水平轨道滑块、8-上水平轨道丝杆、9-上水平轨道电机、10-垂直轨道连接板、11-垂直轨道电机、12-垂直轨道、13-垂直轨道滚珠丝杆、14-垂直轨道滑块、15-垂直轨道、16-垂直导轨滑块、17-切口分离机构电机支座、18-切口分离涡轮、19-切口分离蜗杆、20-切口分离电机、21-齿条、22-连杆机构、23-立式轴支座、24-吸盘支座、25-水平导轨、26-水平导轨滑块、27-吸盘、28-手术刀夹持机构外框架、29-手术刀角度控制蜗杆、30-手术刀角度控制涡轮、31-手术刀夹具、32-手术刀角度控制电机、33-手术刀、34-计算机、35-电磁阀、36-气泵。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示：外框架1、下水平轨道2、下水平轨道电机3、下水平轨道滑块4、下水平轨道滚珠丝杆5、上水平轨道6、上水平轨道滑块7、上水平轨道丝杆8、上水平轨道电机9、垂直轨道连接板10、垂直轨道电机11、垂直轨道12、垂直轨道滚珠丝杆13、垂直轨道滑块14、垂直轨道15、垂直导轨滑块16、切口分离机构电机支座17、切口分离涡轮18、切口分离蜗杆19、切口分离电机20、齿条21、连杆机构22、立式轴支座23、吸盘支座24、水平导轨25、水平导轨滑块26、吸盘27、手术刀夹持机构外框架28、手术刀角度控制蜗杆29、手术刀角度控制涡轮30、手术刀夹具31、手术刀角度控制电机32、手术刀33、计算机34、电磁阀35、气泵36。
被切割软组织由切割机器人的切口分离机构的吸盘支座24上的吸盘27固定，吸盘27固定在吸盘支座24上，经过电磁阀35与气泵36连接，受计算机控制，可以调整吸盘与软组织间的气压。通过计算机控制切口分离机构两侧的电机20转动，电机带动切口分离蜗杆19转动，蜗杆带动切口分离涡轮18转动，涡轮带动固定在垂直导轨滑块16上的齿条21上下移动。齿条的上下移动改变连杆机构22左右连杆所成的夹角。连杆机构的左右连杆一端固定在齿条同一点，另一端分边固定在两侧吸盘支座24相连的两个立式轴支座23上，连杆机构夹角的改变带动固定在水平导轨滑块26的两吸盘支座沿水平导轨25向相反方向运动，实现了软组织的切口分离。
手术刀在空间的移动与上水平轨道6、下水平轨道2、垂直轨道12绑定，进而控制软组织切割时的切口定位、切口长度与切口深度。三轨道的电机3 9 11由计算机给出的信号控制，电机控制轨道上滚珠丝杆5 8 13的转动，使滚珠丝杆与电机同步转动，以控制滚珠丝杆上的滑块4 7 14在轨道方向上的运动。滑块的运动使得与滑块配合的部件在轨道方向上同步移动，三个轨道上的三个滑块联动控制手术刀夹持机构外框架28在空间中三个方向的位移，实现手术刀33在三个轨道所划定空间中的任意点的运动，控制手术刀的定位以及切割的深度和长度。上水平轨道6与下水平轨道2由上轨道的滑块与下轨道的底板相连接，两轨道划定平面区域内的移动，上轨道底板与外框架1连接实现固定。控制切割深度的垂直轨道15通过底板与垂直轨道连接板10相连，连接板与下水平轨道滑块4相连，将两水平定位轨道上的平面运动传递给垂直轨道，垂直轨道滑块14与手术刀夹持机构外框架28连接实现手术刀部分的固定，并控制手术刀部分的垂直方向位移。
手术刀夹持机构通过计算机控制固定在手术刀夹持机构外框架28的手术刀角度控制电机32转动、电机带动手术刀角度控制蜗杆29转动、蜗杆带动手术刀角度控制涡轮30转动，从而带动固定手术刀33的手术刀夹具31同轴同步转动，实现手术刀的固定与角度的控制。
所述的下水平轨道电机3、上水平轨道电机9、垂直轨道电机11、切口分离电机20、手术刀角度控制电机32，可根据被切割组织的性质与工作环境需求，更换为不同的电机。
所述手术刀夹持机构，通过计算机控制手术刀角度控制电机32驱动手术刀33转动，实现任意角度的进刀与切割。
所述的吸盘27，在与气泵连接管上安置了电磁阀35，通过计算机控制电磁阀可以独立地控制每个吸盘的与气泵的导通情况，从而控制具体固定方式。
所述的手术刀夹具31预留有力传感器放置空间，可以让手术刀与力传感器连接，辅助组织切割过程。
所述的切口分离涡轮18、切口分离蜗杆19、齿条21、手术刀角度控制蜗杆29、手术刀角度控制涡轮30的模数可以根据被切割组织的性质来选择。
工作过程
通过计算机在预先写好的控制程序中控制电机的转速与转动圈数，三个轨道的电机控制切口的长度深度，两个拉开装置的电机同步控制切口所受的拉扯程度。此外计算机还可以控制电磁阀电磁阀与气泵，从而吸盘与软组织间气压，实现软组织的固定。

Claims (8)

1.一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，包括外框架(1)、下水平轨道(2)、下水平轨道电机(3)、下水平轨道滑块(4)、下水平轨道滚珠丝杆(5)、上水平轨道(6)、上水平轨道滑块(7)、上水平轨道丝杆(8)、上水平轨道电机(9)、垂直轨道连接板(10)、垂直轨道电机(11)、垂直轨道(12)、垂直轨道滚珠丝杆(13)、垂直轨道滑块(14)、垂直导轨(15)、垂直导轨滑块(16)、切口分离机构电机支座(17)、切口分离涡轮(18)、切口分离蜗杆(19)、切口分离电机(20)、齿条(21)、连杆机构(22)、立式轴支座(23)、吸盘支座(24)、水平导轨(25)、水平导轨滑块(26)、吸盘(27)、手术刀夹持机构外框架(28)、手术刀角度控制蜗杆(29)、手术刀角度控制涡轮(30)、手术刀夹具(31)、手术刀角度控制电机(32)、手术刀(33)、计算机(34)、电磁阀(35)、气泵(36)。
被切割软组织由切割机器人的切口分离机构的吸盘支座(24)上的吸盘(27)固定，吸盘(27)固定在吸盘支座(24)上，经过电磁阀(35)与气泵(36)连接，受计算机控制，可以调整吸盘与软组织间的气压。通过计算机控制切口分离机构两侧的电机(20)转动，电机带动切口分离蜗杆(19)转动，蜗杆带动切口分离涡轮(18)转动，涡轮带动固定在垂直导轨滑块(16)上的齿条(21)上下移动。齿条的上下移动改变连杆机构(22)左右连杆所成的夹角。连杆机构的左右连杆一端固定在齿条同一点，另一端分边固定在两侧吸盘支座(24)相连的两个立式轴支座(23)上，连杆机构夹角的改变带动固定在水平导轨滑块(26)的两吸盘支座沿水平导轨(25)向相反方向运动，实现了软组织的切口分离。
手术刀在空间的移动与上水平轨道(6)、下水平轨道(2)、垂直轨道(12)绑定，进而控制软组织切割时的切口定位、切口长度与切口深度。三轨道的电机(3)(9)(11)由计算机给出的信号控制，电机控制轨道上滚珠丝杆(5)(8)(13)的转动，使滚珠丝杆与电机同步转动，以控制滚珠丝杆上的滑块(4)(7)(14)在轨道方向上的运动。滑块的运动使得与滑块配合的部件在轨道方向上同步移动，三个轨道上的三个滑块联动控制手术刀夹持机构外框架(28)在空间中三个方向的位移，实现手术刀(33)在三个轨道所划定空间中的任意点的运动，控制手术刀的定位以及切割的深度和长度。上水平轨道(6)与下水平轨道(2)由上轨道的滑块与下轨道的底板相连接，两轨道划定平面区域内的移动，上轨道底板与外框架(1)连接实现固定。控制切割深度的垂直轨道(15)通过底板与垂直轨道连接板(10)相连，连接板与下水平轨道滑块(4)相连，将两水平定位轨道上的平面运动传递给垂直轨道，垂直轨道滑块(14)与手术刀夹持机构外框架(28)连接实现手术刀部分的固定，并控制手术刀部分的垂直方向位移。
手术刀夹持机构通过计算机控制固定在手术刀夹持机构外框架(28)的手术刀角度控制电机(32)转动、电机带动手术刀角度控制蜗杆(29)转动、蜗杆带动手术刀角度控制涡轮(30)转动，从而带动固定手术刀(33)的手术刀夹具(31)同轴同步转动，实现手术刀的固定与角度的控制。
2.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，所述的吸盘(27)，在与气泵连接管上安置了电磁阀(35)，通过计算机控制电磁阀可以独立地控制每个吸盘与气泵的导通情况，从而控制具体固定方式。
3.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，所述手术刀夹持机构，通过计算机控制手术刀角度控制电机(32)驱动手术刀转动，实现任意角度的进刀与切割。
4.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，所述的外框架(1)，顶部预留有与其他机械连接的法兰，可以按照其他机械的连接固定方式，改变法兰的具体形状。
5.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，所述的下水平轨道电机(3)、上水平轨道电机(9)、垂直轨道电机(11)、切口分离电机(20)、手术刀角度控制电机(32)，可根据被切割组织的性质与工作环境需求，更换为不同的电机。
6.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，所述的切口分离涡轮(18)、切口分离蜗杆(19)、齿条(21)、手术刀角度控制蜗杆(29)、手术刀角度控制涡轮(30)的模数可以根据被切割组织的性质来选择。
7.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，手术刀夹具(31)预留有力传感器放置空间，可以让手术刀与力传感器连接，辅助组织切割过程。
8.根据权利要求1所述的一种具有切口分离功能的软组织切割机器人***，其特征在于，切口分离机构与手术刀角度控制的涡轮蜗杆机构(18)(19)(29)(30)具有自锁功能，其传动不会受电机(20)(32)以外所施的力影响，保证了组织切割时的稳定性。
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