CN110786932A - 聚散式微创手术机器人从臂*** - Google Patents

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Abstract

聚散式微创手术机器人从臂***，包括持械臂部分和持镜臂部分；持械臂部分包括持械基座和两个持械机械臂，两个持械机械臂镜像设置在持械基座上，持镜臂部分包括持镜基座和持镜机械臂；持镜机械臂安装在持镜基座上；持械臂部分和持镜臂部分为连接状态时，持械基座和持镜基座通过连接机构连接在一起；或者持械臂部分和持镜臂部分为分开状态时，持械臂部分和持镜臂部分的位姿由位姿标定***确定而相互作用。本发明可根据医生需要和优化结果使持镜臂部分和持械臂部分的两个基座连接或者断开，操作灵活性好。

Description

聚散式微创手术机器人从臂***
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种聚散式微创手术机器人从臂***。
背景技术
当下研究的微创手术具有创伤小、恢复快、并发症少一集住院时间短等的优点，是医疗技术的一个研究热点，也是未来手术发展趋势。但是传统的内窥镜手术操作精度低、视野范围小、操作自由度小、医生容易疲劳和颤抖的缺点严重影响了手术质量；随着技术进步，机器人医疗辅助技术能很好的解决这些问题。在机器人辅助下能够提供高清的3D视野，以便于医生操作。微型操作器械极大地增加手术操作的灵活性，且操作精度有了极大的提高，使得医生能够进行更精细的操作。同时在研究中加入人机工程学方面的设计，能够有效减少医生长时间手术操作产生的疲劳。
现有从臂***基本分为一体式和分散式，但是一体式的一些手术术型摆位不方便、操作灵活度较低；分散式从臂***的摆位灵活，但是每一个从臂的基座也较大、每条臂之间均需位置标定，操作复杂且占用空间较多。
发明内容
本发明是为克服现有技术不足，提供一种聚散式微创手术机器人从臂***，该装置针对不同的手术术型，根据医生需要和优化结果使持镜臂部分和持械臂部分的两个基座连接或者断开，以对机械臂进行合理摆位使得术中具有较高的操作灵活性，位姿标定操作方便。
本发明的技术方案是：
一种聚散式微创手术机器人从臂***，包括持械臂部分和持镜臂部分；
持械臂部分包括持械基座和两个持械机械臂，两个持械机械臂镜像设置在持械基座上，持镜臂部分包括持镜基座和持镜机械臂；持镜机械臂安装在持镜基座上；
持械臂部分和持镜臂部分为连接状态时，持械基座和持镜基座通过连接机构连接在一起；或者持械臂部分和持镜臂部分为分开状态时，持械臂部分和持镜臂部分的位姿由位姿标定***确定而相互作用。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明装置针对不同的手术术型，根据医生需要和优化结果使持镜臂部分和持械臂部分的两个基座连接或者断开，以对机械臂进行合理摆位使得术中具有较高的操作灵活性。位姿标定方便，手术术型适应性好。
下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为聚散式微创手术机器人从臂***的持械基座和持镜基座连接示意图；
图2为聚散式微创手术机器人从臂***的持械基座和持镜基座断开示意图；
图3为聚散式微创手术机器人从臂***的持械基座和持镜基座断开下位姿标定***布置示意图；
图4为聚散式微创手术机器人从臂***的持械基座和持镜基座接状态下连接机构的布置示意图；
图5为连接机构的示意图；
图6为持械臂部分的结构示意图；
图7为持镜臂部分的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下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。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2所示，一种聚散式微创手术机器人从臂***，它包括持械臂部分A和持镜臂部分B；
持械臂部分A包括持械基座0-1-1和两个持械机械臂1，两个持械机械臂1镜像设置在持械基座0-1-1上，持镜臂部分B包括持镜基座0-2-1和持镜机械臂3；持镜机械臂3安装在持镜基座0-2-1上；
持械臂部分A和持镜臂部分B为连接状态时，持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1通过连接机构0-3连接在一起；或者持械臂部分A和持镜臂部分B为分开状态时，持械臂部分A和持镜臂部分B的位姿由位姿标定***确定而相互作用。
进一步地，连接机构用于两个基座连接在一起的机械保证，两个基座之间的连接与断开由一套连接***实现。连接***闭合时，两个基座处于连接状态，相互的位姿关系确定；连接***断开时，两个基座处于断开状态，相互的位姿关系需经过位姿标定***确定。如图4-图5所示，所述连接机构0-3包括两个连接板0-3-1；持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1连接时，每个连接板0-3-1的两个凸起0-3-1-1分别***持械基座0-1-1的持械沉孔0-1-3和持镜基座0-2-1的持镜沉孔0-2-3，且持械沉孔0-1-3和持镜沉孔0-2-3的中心共线。如此设置，确保了持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1能完全贴合在一起。
如图3所示，所述位姿标定***包括识别标识0-1-2和视觉检测设备0-2-2；持械基座0-1-1的一侧面上做有用于视觉检测设备0-2-2标识的设别标识0-1-2，该所述一侧面为与两个持械机械臂1相邻的侧面，持镜基座0-2-1的顶端面安装有视觉检测设备0-2-2；
优选地，所述视觉检测设备0-2-2为小觅双目相机深度版双目相机，识别标识0-1-2为十字线标识；小觅双目相机深度版双目相机通过检测十字线标识，计算出十字线标识在小觅双目相机深度版双目相机基础坐标系下的空间位置和姿态，由此得出小觅双目相机深度版双目相机与十字线标识之间的转换矩阵，根据小觅双目相机深度版双目相机与十字线标识在各自基座上的变换矩阵，最终得到持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1的基础坐标系之间的位姿关系，或者视觉检测设备0-2-2独立位于外界设备上，持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1上均做有设别标识0-1-2。也即实现了持械臂部分A和持镜臂部分B的位姿由位姿标定***确定而相互作用。
图6是持械机械臂的结构图，以其中一个持械机械臂1来说，所述持械机械臂均包括7个自由度，其中被动关节4个自由度，用于手术远心不动点的定位，主动关节3个自由度，用于实现手术器械的位姿调整。具体来说，所述持械机械臂1的手术远心不动点的位置由被动关节1-1的第一移动关节1-1-1、第一回转关节1-1-2、第二回转关节1-1-3和第三回转关节1-1-4共同确定；第一移动关节1-1-1安装在持械基座0-1-1侧面上并能竖向滑动，第一回转关节1-1-2转动安装在第一移动关节1-1-1上，第二回转关节1-1-3转动安装在第一回转关节1-1-2上，第三回转关节1-1-4转动安装在第二回转关节1-1-3上，第一回转关节1-1-2、第二回转关节1-1-3和第三回转关节1-1-4的轴线竖向平行设置，第一回转关节1-1-2、第二回转关节1-1-3、第三回转关节1-1-4均可在水平面内不干涉的情况下任意旋转实现调整手术中远心不动点的水平位置。上述方案中，第一移动关节1-1-1与持械基座0-1-1的底座水平面垂直，也就是第一移动关节1-1-1的轴线方向与持械基座0-1-1上立柱平行。第一移动关节1-1-1由电机驱动，通过联轴器与直线模组实现竖直方向移动，调整手术中远心不动点的高度位置。第一回转关节1-1-2的旋转平面在水平面内，也就是第一回转关节1-1-2的轴线与第一移动关节1-1-1的轴线平行。第一回转关节1-1-2通过制动器控制回转角度。第二回转关节1-1-3的旋转平面在水平面内，也就是第二回转关节1-1-3的轴线与第一回转关节1-1-2的轴线平行。第二回转关节1-1-3通过制动器控制回转角度。第三回转关节1-1-4的旋转平面在水平面内，也就是第三回转关节1-1-4的轴线与第二回转关节1-1-3的轴线平行。第三回转关节1-1-4通过制动器控制回转角度。
持械机械臂1的手术器械远心不动点***体内的位姿由主动关节1-2的第四回转关节1-2-1、第五回转关节1-2-2和第二移动关节1-2-3确定；第四回转关节1-2-1转动安装在第三回转关节1-1-4上，第五回转关节1-2-2转动安装在第四回转关节1-2-1上，第五回转关节1-2-2主要由三个连杆组成，由第二连杆、第三连杆与第二移动关节1-2-3构成一个开环单平行四边形；第五回转关节1-2-2驱动第二连杆和第三连杆转动，第二移动关节1-2-3驱动手术器械驱动箱，手术器械在体内的具体姿态由手术器械组件1-3确定。上述方案中，较佳地，第四回转关节1-2-1的轴线与第三回转关节1-1-4的轴线成45°夹角。第四回转关节1-2-1由电机驱动，通过减速器带动主动关节实现大角度的回转运动。第四回转关节1-2-1的输出部分与第五回转关节1-2-2的连接使得第五回转关节3-2-2朝右向。第五回转关节1-2-2由三个连杆组成，其中第一连杆不参与回转运动，由第二连杆、第三连杆与第二移动关节1-2-3的杆构成一个开环单平行四边形。第五回转关节1-2-2由电机驱动，经由同步带及减速器将运动传递至第二连杆、第三连杆。第二移动关节1-2-3由电机驱动，经由同步带和减速器将运动传递至手术器械驱动箱。手术器械在体内的具体姿态由手术器械组件1-3确定。由第四回转关节1-2-1轴线与手术器械的交点为远心不动点。
对于另一个持械机械臂1来说，各关节的工作原理与所述其中一个持械机械臂1相同，该另一个持械机械臂1的第四回转关节1-2-1的输出部分与第五回转关节1-2-2的连接使得第五回转关节1-2-2朝左向。移动关节实现沿其方向的伸出与收回。第四回转的输出部分与第五关节的连接部分分别沿第四关节轴线朝右向、朝左向。
图7所示是持镜机械臂3的结构示意图，持镜机械臂3包括7个自由度，其中被动关节4个自由度，用于手术远心不动点的定位，主动关节3个自由度，用于实现手术中内镜的位姿调整。持镜机械臂3的手术远心不动点位置由持镜被动关节3-1的持镜第一移动关节3-1-1、持镜第一回转关节3-1-2、持镜第二回转关节3-1-3和持镜第三回转关节3-1-4共同确定；持镜第一移动关节3-1-1安装在持镜基座0-2-1侧面上并能竖向滑动，持镜第一回转关节3-1-2转动安装在持镜第一移动关节3-1-1上，持镜第二回转关节3-1-3转动安装在持镜第一回转关节3-1-2上，持镜第三回转关节3-1-4转动安装在持镜第二回转关节3-1-3上，持镜第一回转关节3-1-2、持镜第二回转关节3-1-3和持镜第三回转关节3-1-4的轴线竖向平行设置，持镜第一回转关节3-1-2、持镜第二回转关节3-1-3、持镜第三回转关节3-1-4均可在水平面内不干涉的情况下任意旋转实现调整手术中远心不动点的水平位置。持镜第四回转关节3-2-1转动安装在持镜第三回转关节3-1-4上，持镜第五回转关节3-2-2转动安装在持镜第四回转关节3-2-1上，持镜第五回转关节3-2-2主要由三个连杆组成，由第二连杆、第三连杆与持镜第二移动关节3-2-3的杆构成一个开环单平行四边形；持镜第五回转关节3-2-2驱动第二连杆和第三连杆转动，持镜第二移动关节3-2-3驱动手术器械驱动箱，内镜在体内的角度由内镜组件3-3确定。
持镜机械臂3的内镜组件远心不动点***体内的位姿由持镜主动关节3-2的持镜第四回转关节3-2-1、持镜第五回转关节3-2-2和持镜第二移动关节3-2-3确定；持镜第四回转关节3-2-1转动安装在持镜第三回转关节3-1-4上，持镜第五回转关节3-2-2转动安装在持镜第四回转关节3-2-1上，持镜第五回转关节3-2-2主要由三个连杆组成，由第二连杆、第三连杆与持镜第二移动关节3-2-3的杆构成一个开环单平行四边形；持镜第五回转关节3-2-2驱动第二连杆和第三连杆转动，持镜第二移动关节3-2-3驱动手术器械驱动箱，内镜在体内的角度由内镜组件3-3确定。上述中持镜机械臂3除内镜组件外各关节的工作原理与持械机械臂1相同。持镜机械臂3的第四回转关节3-2-1的输出部分与第五回转关节3-2-2的连接使得第五回转关节3-2-2朝左向。
上述两种机械臂的每种关节均有编码器测量转动角度。被动关节的编码器提供远心不动点相对各自基座的相对位置及相对初始位置的变化量；主动关节的编码器提供远心机构的***姿态、***深度以及相对初始位置的变化量；手术器械及内镜部分的编码器提供当前的角度值，在必要时实现初始化。在两个基座断开状态下，由视觉检测设备反馈识别标识的位姿矩阵确定持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1之间的变换矩阵。
在实际使用中，上述持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1的连接与断开，以及持械机械臂1和持镜机械臂3的被动关节部分各个关节角度值均根据具体的不同手术术型、医生需要和优化结果使持械基座0-1-1和持镜基座0-2-1连接或者断开，以对持械机械臂1和持镜机械臂3进行合理摆位使得避免碰撞及术中具有较高的操作灵活性。
本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：它包括持械臂部分(A)和持镜臂部分(B)；持械臂部分(A)包括持械基座(0-1-1)和两个持械机械臂(1)，两个持械机械臂(1)镜像设置在持械基座(0-1-1)上，持镜臂部分(B)包括持镜基座(0-2-1)和持镜机械臂(3)；持镜机械臂(3)安装在持镜基座(0-2-1)上；持械臂部分(A)和持镜臂部分(B)为连接状态时，持械基座(0-1-1)和持镜基座(0-2-1)通过连接机构(0-3)连接在一起；或者持械臂部分(A)和持镜臂部分(B)为分开状态时，持械臂部分(A)和持镜臂部分(B)的位姿由位姿标定***确定而相互作用。
2.根据权利要求1所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：所述连接机构(0-3)包括两个连接板(0-3-1)；持械基座(0-1-1)和持镜基座(0-2-1)连接时，每个连接板(0-3-1)的两个凸起(0-3-1-1)分别***持械基座(0-1-1)的持械沉孔(0-1-3)和持镜基座(0-2-1)的持镜沉孔(0-2-3)，且持械沉孔(0-1-3)和持镜沉孔(0-2-3)的中心共线。
3.根据权利要求1所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：所述位姿标定***包括识别标识(0-1-2)和视觉检测设备(0-2-2)；持械基座(0-1-1)的一侧面上做有用于视觉检测设备(0-2-2)标识的设别标识(0-1-2)，该所述一侧面为与两个持械机械臂(1)相邻的侧面，持镜基座(0-2-1)的顶端面安装有视觉检测设备(0-2-2)；或者视觉检测设备(0-2-2)独立位于外界设备上，持械基座(0-1-1)和持镜基座(0-2-1)上均做有设别标识(0-1-2)。
4.根据权利要求3所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：所述视觉检测设备(0-2-2)为小觅双目相机深度版双目相机，识别标识(0-1-2)为十字线标识；小觅双目相机深度版双目相机通过检测十字线标识，计算出十字线标识在小觅双目相机深度版双目相机基础坐标系下的空间位置和姿态，由此得出小觅双目相机深度版双目相机与十字线标识之间的转换矩阵，根据小觅双目相机深度版双目相机与十字线标识在各自基座上的变换矩阵，最终得到持械基座(0-1-1)和持镜基座(0-2-1)的基础坐标系之间的位姿关系。
5.根据权利要求1、2、3或4所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：所述持械机械臂(1)的手术远心不动点的位置由被动关节(1-1)的第一移动关节(1-1-1)、第一回转关节(1-1-2)、第二回转关节(1-1-3)和第三回转关节(1-1-4)共同确定；
第一移动关节(1-1-1)安装在持械基座(0-1-1)侧面上并能竖向滑动，第一回转关节(1-1-2)转动安装在第一移动关节(1-1-1)上，第二回转关节(1-1-3)转动安装在第一回转关节(1-1-2)上，第三回转关节(1-1-4)转动安装在第二回转关节(1-1-3)上，第一回转关节(1-1-2)、第二回转关节(1-1-3)和第三回转关节(1-1-4)的轴线竖向平行设置，第一回转关节(1-1-2)、第二回转关节(1-1-3)、第三回转关节(1-1-4)均可在水平面内不干涉的情况下任意旋转实现调整手术中远心不动点的水平位置。
6.根据权利要求5所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：持械机械臂(1)的手术器械远心不动点***体内的位姿由主动关节(1-2)的第四回转关节(1-2-1)、第五回转关节(1-2-2)和第二移动关节(1-2-3)确定；第四回转关节(1-2-1)转动安装在第三回转关节(1-1-4)上，第五回转关节(1-2-2)转动安装在第四回转关节(1-2-1)上，第五回转关节(1-2-2)主要由三个连杆组成，由第二连杆、第三连杆与第二移动关节(1-2-3)构成一个开环单平行四边形；第五回转关节(1-2-2)驱动第二连杆和第三连杆转动，第二移动关节(1-2-3)驱动手术器械驱动箱，手术器械在体内的具体姿态由手术器械组件(1-3)确定。
7.根据权利要求6所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：持镜机械臂(3)的手术远心不动点位置由持镜被动关节(3-1)的持镜第一移动关节(3-1-1)、持镜第一回转关节(3-1-2)、持镜第二回转关节(3-1-3)和持镜第三回转关节(3-1-4)共同确定；
持镜第一移动关节(3-1-1)安装在持镜基座(0-2-1)侧面上并能竖向滑动，持镜第一回转关节(3-1-2)转动安装在持镜第一移动关节(3-1-1)上，持镜第二回转关节(3-1-3)转动安装在持镜第一回转关节(3-1-2)上，持镜第三回转关节(3-1-4)转动安装在持镜第二回转关节(3-1-3)上，持镜第一回转关节(3-1-2)、持镜第二回转关节(3-1-3)和持镜第三回转关节(3-1-4)的轴线竖向平行设置，持镜第一回转关节(3-1-2)、持镜第二回转关节(3-1-3)、持镜第三回转关节(3-1-4)均可在水平面内不干涉的情况下任意旋转实现调整手术中远心不动点的水平位置。
8.根据权利要求7所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：持镜机械臂(3)的内镜组件远心不动点***体内的位姿由持镜主动关节(3-2)的持镜第四回转关节(3-2-1)、持镜第五回转关节(3-2-2)和持镜第二移动关节(3-2-3)确定；持镜第四回转关节(3-2-1)转动安装在持镜第三回转关节(3-1-4)上，持镜第五回转关节(3-2-2)转动安装在持镜第四回转关节(3-2-1)上，持镜第五回转关节(3-2-2)主要由三个连杆组成，由第二连杆、第三连杆与持镜第二移动关节(3-2-3)的杆构成一个开环单平行四边形；持镜第五回转关节(3-2-2)驱动第二连杆和第三连杆转动，持镜第二移动关节(3-2-3)驱动手术器械驱动箱，内镜在体内的角度由内镜组件(3-3)确定。
9.根据权利要求8所述聚散式微创手术机器人从臂***，其特征在于：所述每种关节均有编码器测量转动角度；其中，被动关节的编码器提供远心不动点相对各自基座的相对位置及相对初始位置的变化量；主动关节的编码器提供远心机构的***姿态、***深度以及相对初始位置的变化量；手术器械及内镜的编码器提供当前的角度值。
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