CN111991086A - 一种医疗微创手术机器人及控制方法 - Google Patents

一种医疗微创手术机器人及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种医疗微创手术机器人及控制方法，包括固定组件及机械臂组件，固定组件包括底座及连接在底座上的基座，机械臂组件包括可转动连接的第一手臂及第二手臂，第一手臂远离第二手臂的一端可转动地连接在基座的顶端，第二手臂远离第一手臂的一端可转动地连接有外接臂，外接臂远离第二手臂的一端连接有舵机，舵机远离外接臂的一端连接有电动夹爪，电动夹爪上连接有角度调节板。本申请的有益效果是：将底座固定在手术操作台上，通过第一手臂及第二手臂的旋转调整位于机械臂组件末端的电动夹爪的空间位置及高度，通过舵机调整电动夹爪以及连接在电动夹爪上的角度调节板的角度和方向，达到手术要求的相应位置，从而达到手术辅助定位的作用。

Description

一种医疗微创手术机器人及控制方法
技术领域
本公开涉及手术辅助定位机器人技术领域，具体涉及一种医疗微创手术机器人及控制方法。
背景技术
随着现代科技发展的日新月异，医疗机器人被广泛应用于医疗行业，大大推动了医学的发展，并成为机器人研究领域的热门方向之一。
医疗机器人具有操作准确、动作灵活、精确度高、适应各种复杂的外部环境等优点，在危重患者转运、外科手术及术前模拟、微损伤精确定位操作、内窥镜检查、临床康复与护理、教学与科研等多个领域具有广阔的发展前景。目前在医院大夫进行肿瘤提取活检和穿刺手术时采用传统的手动式辅助定位装置，定位时操作繁琐，耗时长。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种医疗微创手术机器人及控制方法。
第一方面，本申请提供一种医疗微创手术机器人，包括固定组件以及机械臂组件，所述固定组件包括底座以及连接在底座上的基座，所述机械臂组件包括可转动连接的第一手臂及第二手臂，所述第一手臂远离第二手臂的一端可转动地连接在基座的顶端，所述第二手臂远离第一手臂的一端可转动地连接有外接臂，所述外接臂远离第二手臂的一端连接有舵机，所述舵机远离外接臂的一端连接有电动夹爪，所述电动夹爪上连接有角度调节板。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述底座包括一对固定夹，一对所述固定夹固定在手术操作台上，一对所述固定夹之间连接有滑轨，所述基座可滑移地连接在滑轨上。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述机械臂组件还关节结构，所述关节结构包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节及第六关节；所述第一关节可转动地连接在基座的顶端，第二关节可转动地垂直连接在第一关节的侧壁上，所述第一手臂远离第二手臂的一端固定在第二关节的侧壁上，第一手臂的另一端固定在第三关节的侧壁上，第二手臂靠近第一手臂的一端可转动地连接在连接在第三关节的端部，第二手臂的另一端可转动地连接在第四关节的端部，第四关节与第六关节之间可转动地连接所述第五关节，所述外接臂可转动地连接在第六关节的端部。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述机械臂组件中的第一手臂、第二手臂及关节结构均为中空结构。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述基座内设有控制器。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一关节的侧壁上设有总开关，所述总开关与所述控制器电连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述关节结构内设有与所述控制器电连接的驱动电机及减速器。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述舵机的两端分别设有U型支架，所述外接臂及电动夹爪分别固定在所述U型支架上。
第二方面，本申请提供一种医疗微创手术机器人的控制方法，包括以下步骤：
通过与控制器信号连接的遥控器解锁第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机及减速器；
旋转第一关节、第二关节及第三关节使得第一手臂及第二手臂拖动至设定位置；
通过遥控器锁定第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机及减速器；
通过遥控器解锁第四关节、第五关节及第六关节的驱动电机及减速器；
当第四关节、第五关节、第六关节及舵机按照预设程序旋转使得角度调节板移动至预设的零点位置后，通过遥控器锁定第四关节及第五关节的驱动电机及减速器；
输入手术目标位置坐标；
驱动第六关节的驱动电机及减速器旋转以及舵机旋转，使得角度调节板移动至手术目标位置。
本发明的有益效果：本申请提供一种医疗微创手术机器人及控制方法，将底座固定在手术操作台上，实现机器人的固定，通过第一手臂及第二手臂的人工旋转调整位于机械臂组件末端的电动夹爪及角度调节板的空间位置及高度，再通过程序控制舵机旋转调整电动夹爪以及连接在电动夹爪上的角度调节板的角度和方向，使得角度调节板移动到手术要求的相应位置，从而达到机器人手术辅助定位的作用，取代传统的手动式辅助定位装置操作繁琐，耗时长的问题。
附图说明
图1及图2为本申请第一种实施例的结构示意图；
图3为本申请第二种实施例的流程图；
图中所述文字标注表示为：100、底座；110、固定夹；120、滑轨；200、基座；310、第一手臂；320、第二手臂；330、外接臂；400、舵机；410、U型支架；500、电动夹爪；600、角度调节板；710、第一关节；720、第二关节；730、第三关节；740、第四关节；750、第五关节；760、第六关节；800、总开关。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
如图1及图2所示为本申请的第一种实施例的示意图，包括固定组件以及机械臂组件，所述固定组件包括底座100以及连接在底座100上的基座200，所述机械臂组件包括可转动连接的第一手臂310及第二手臂320，所述第一手臂310远离第二手臂320的一端可转动地连接在基座200的顶端，所述第二手臂320远离第一手臂310的一端可转动地连接有外接臂330，所述外接臂330远离第二手臂320的一端连接有舵机400，所述舵机400远离外接臂330的一端连接有电动夹爪500，所述电动夹爪500上连接有角度调节板600。
本实施例中，通过旋转第一手臂310调整其与基座200的相对位置以及调整第一手臂310及第二手臂320之间的相对位置从而调整与第二手臂320连接的角度调节板600的空间位置及高度，舵机400用于调整与之连接的电动夹爪500的微调角度，由于角度调节板600连接在电动夹爪500上因此达到角度调节板600微调位置及角度的目的，从而使得角度调节板600移动至引导穿刺的指定位置。
本实施例中，电动夹爪500用于夹持或松开角度调节板600，而且电动夹爪500与角度调节板600设置为可拆卸连接的结构，方便对根据不同的手术定位需求更换不同尺寸型号的角度调节板600，增加机器人使用的灵活性。角度调节板600的角度调整是通过舵机400输出端旋转与电动夹爪500连接的U型支架410的角度，从而使得电动夹爪500旋转，使得连接在电动夹爪500上的角度调节板600的发生旋转。
在一优选实施方式中，所述底座100包括一对固定夹110，一对所述固定夹110固定在手术操作台上，一对所述固定夹110之间连接有滑轨120，所述基座200可滑移地连接在滑轨120上。本优选实施方式中，一对固定夹110通过螺母固定在CT设备的黑色碳板上，达到机器人固定在CT设备上的目的。基座200可沿底座100上的滑轨120移动，当基座200移动至适宜位置后通过螺母将其固定在滑轨120上。
在一优选实施例中，所述机械臂组件还关节结构，所述关节结构包括第一关节710、第二关节720、第三关节730、第四关节740、第五关节750及第六关节760；所述第一关节710可转动地连接在基座200的顶端，第二关节720可转动地垂直连接在第一关节710的侧壁上，所述第一手臂310远离第二手臂320的一端固定在第二关节720的侧壁上，第一手臂310的另一端固定在第三关节730的侧壁上，第二手臂320靠近第一手臂310的一端可转动地连接在连接在第三关节730的端部，第二手臂320的另一端可转动地连接在第四关节740的端部，第四关节740与第六关节760之间可转动地连接所述第五关节750，所述外接臂330可转动地连接在第六关节760的端部。
上述优选实施例中，第一关节710、第二关节720及第三关节730分别旋转地调整第一手臂310相对于基座200的位置以及第一手臂310与第二手臂320之间的相对位置。通过分别调整第一关节710、第二关节720及第三关节730的旋转角度可以调整位于第二手臂320末端的电动夹爪500以及角度调节板600的空间位置以及高度。通过第四关节740、第五关节750以及第六关节760微调舵机400、电动夹爪500以及角度调节板600的角度及位置。通过舵机400微调电动夹爪500的角度，使得角度调节板600角度旋转方便进行引导穿刺。
在一优选实施方式中，所述机械臂组件中的第一手臂310、第二手臂320及关节结构均为中空结构。本优选实施方式中，将第一手臂310、第二手臂320及关节结构设置为中空结构，而且第一手臂310及第二手臂320设置为较细的结构，使得机器人整体质量较小，体积更小，便于携带，适用于医疗领域。
在一优选实施方式中，所述基座200内设有控制器。本优选实施方式中，控制器作为机器人的控制中心，用于控制各个关节、舵机400及电动夹爪500的工作。
优选地，所述第一关节710的侧壁上设有总开关800，所述总开关800与所述控制器电连接。本优选方式中，设置总开关800方便对机器人进行手动开机控制，启动总开关800后，机器人的各个部件上电。
在一优选实施方式中，所述关节结构内设有与所述控制器电连接的驱动电机及减速器。本优选实施方式，第一关节710至第六关节760内均设有驱动电机以及减速器，通过控制器可分别控制各个关节中的驱动电机以及减速器的旋转，从而实现各个关节的旋转。
在一优选实施方式中，所述舵机400的两端分别设有U型支架410，所述外接臂330及电动夹爪500分别固定在所述U型支架410上。本优选实施方式中，舵机400通过其两端的U型支架410实现与外接臂330及电动夹爪500固定连接，而且舵机400设置为双输出结构，可分别调整其两端的U型支架410的角度。
在一优选实施方式中，所述第六关节760的端部设有法兰盘，所述外接臂330连接在所述法兰盘上。
如图3所述为本申请的第二种实施例，本实施例是应用第一种实施例的控制方法，包括以下步骤：
S1、通过与控制器信号连接的遥控器解锁第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机及减速器。
本实施例中，遥控器与控制器信号连接，方便对机器人遥控器的作用相当于示教器，示教器向控制器发送信号，控制器向各个关节的驱动电机发送相应的控制信号，用以控制驱动电机的抱死或者转动工作。
本步骤之前还包括将一对固定夹通过螺母固定在CT设备的黑色碳板上，达到机器人固定在CT设备上的目的。基座可沿底座上的滑轨移动，当基座移动至适宜位置后通过螺母将其固定在滑轨上。
S2、旋转第一关节、第二关节及第三关节使得第一手臂及第二手臂拖动至设定位置。
本步骤是通过人工拖动的方式将第一手臂及第二手臂移动至适宜的空间位置及高度。
S3、通过遥控器锁定第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机及减速器。
本步骤中，当第一手臂及第二手臂移动至适宜的位置后，使得角度调节板移动至适宜可微调的范围时，通过遥控器向控制器发送第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机锁定信号，使得控制器控制第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机抱死不转动，实现第一手臂及第二手臂的固定。
S4、通过遥控器解锁第四关节、第五关节及第六关节的驱动电机及减速器。
本步骤通过遥控器向控制器发送第四关节、第五关节及第六关节的驱动电机的解锁信号，使得第四关节、第五关节以及第六关节旋转，对角度调节板进行微调。
S5、当第四关节、第五关节、第六关节及舵机按照预设程序旋转使得角度调节板移动至预设的零点位置后，通过遥控器锁定第四关节及第五关节的驱动电机及减速器。
本实施例中，角度调节板在引导穿刺工作之前，需要将机器人的机械臂组件进行位置标定也即使得角度调节板移动至***预设的零点位置。本实施例中，角度调节板的调零工作是先在***中预设调零程序，遥控器启动调零程序后，第四关节、第五关节以及第六关节按照调零程序自动旋转一定角度后使得角度调节板移动至零点位置。
S6、输入手术目标位置坐标。
在调零工作结束后，角度调节板开始按照实际的手术穿刺位置开始移动，移动过程是通过程序写入或者直接在CT显示屏上输入的方式输入手术目标位置坐标。
S7、驱动第六关节的驱动电机及减速器旋转以及舵机旋转，使得角度调节板移动至手术目标位置。
接收到目标位置的坐标信息后，控制第六关节的驱动电机及舵机自动旋转一定角度使得角度调节板旋转至手术的目标位置。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种医疗微创手术机器人，其特征在于，包括固定组件以及机械臂组件，所述固定组件包括底座(100)以及连接在底座(100)上的基座(200)，所述机械臂组件包括可转动连接的第一手臂(310)及第二手臂(320)，所述第一手臂(310)远离第二手臂(320)的一端可转动地连接在基座(200)的顶端，所述第二手臂(320)远离第一手臂(310)的一端可转动地连接有外接臂(330)，所述外接臂(330)远离第二手臂(320)的一端连接有舵机(400)，所述舵机(400)远离外接臂(330)的一端连接有电动夹爪(500)，所述电动夹爪(500)上连接有角度调节板(600)。
2.根据权利要求1所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述底座(100)包括一对固定夹(110)，一对所述固定夹(110)固定在手术操作台上，一对所述固定夹(110)之间连接有滑轨(120)，所述基座(200)可滑移地连接在滑轨(120)上。
3.根据权利要求1所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述机械臂组件还关节结构，所述关节结构包括第一关节(710)、第二关节(720)、第三关节(730)、第四关节(740)、第五关节(750)及第六关节(760)；所述第一关节(710)可转动地连接在基座(200)的顶端，第二关节(720)可转动地垂直连接在第一关节(710)的侧壁上，所述第一手臂(310)远离第二手臂(320)的一端固定在第二关节(720)的侧壁上，第一手臂(310)的另一端固定在第三关节(730)的侧壁上，第二手臂(320)靠近第一手臂(310)的一端可转动地连接在连接在第三关节(730)的端部，第二手臂(320)的另一端可转动地连接在第四关节(740)的端部，第四关节(740)与第六关节(760)之间可转动地连接所述第五关节(750)，所述外接臂(330)可转动地连接在第六关节(760)的端部。
4.根据权利要求3所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述机械臂组件中的第一手臂(310)、第二手臂(320)及关节结构均为中空结构。
5.根据权利要求4所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述基座(200)内设有控制器。
6.根据权利要求5所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述第一关节(710)的侧壁上设有总开关(800)，所述总开关(800)与所述控制器电连接。
7.根据权利要求6所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述关节结构内设有与所述控制器电连接的驱动电机及减速器。
8.根据权利要求1所述的医疗微创手术机器人，其特征在于，所述舵机(400)的两端分别设有U型支架(410)，所述外接臂(330)及电动夹爪(500)分别固定在所述U型支架(410)上。
9.一种用于权利要求1-8中任意一项所述的医疗微创手术机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过与控制器信号连接的遥控器解锁第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机及减速器；
旋转第一关节、第二关节及第三关节使得第一手臂及第二手臂拖动至设定位置；
通过遥控器锁定第一关节、第二关节及第三关节的驱动电机及减速器；
通过遥控器解锁第四关节、第五关节及第六关节的驱动电机及减速器；
当第四关节、第五关节、第六关节及舵机按照预设程序旋转使得角度调节板移动至预设的零点位置后，通过遥控器锁定第四关节及第五关节的驱动电机及减速器；
输入手术目标位置坐标；
驱动第六关节的驱动电机及减速器旋转以及舵机旋转，使得角度调节板移动至手术目标位置。
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