CN102499759A - 多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，包括：两个末端安装手术刀的7自由度的机械手臂，一个末端安装摄像头的5自由度的机械手臂，其中：所述7个自由度从根部算起，依次为：绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、工具自由度；所述5自由度的机械手臂，与开口器接触的末端手臂有前后伸缩和绕手臂中心线旋转2个自由度，深入开口器内部，从根部开始有3个平面摆动自由度；每个自由度都由钢丝来负责传动操控。本发明是一种单孔操作的多自由度机构，能实现切割、拉扯、缝线等手术操作，从而改进手术的可操作性和精确度。

Description

多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手

技术领域

本发明涉及一种医疗手术器械，具体涉及的是一种用于腹腔微创手术的多自由度的机械手。

背景技术

为了避免传统的腹腔开腹手术带来的创口大、失血多、脏器暴露于空气中的危险，目前的腹腔微创手术通常要在腹腔开三个孔径为8mm左右孔。不过对于手术精度要求和康复角度来说，三个孔对病人的康复甚至手术后美观等方面还会有很大影响。因此，单孔腹腔镜手术受到了广泛的关注。

经对现有技术的文献检索发现，发明专利201110007611.5(公开日2011-04-27，公开号102028548A)发明了一种腹腔微创手术机器人用夹钳式手术器械，以解决现有腹腔微创手术机器人左指和右指的多余运动得不到补偿，导致驱动左指和右指的钢丝易拉断的问题。

国外发明专利PCT/KR2010/007314(SURGICAL INSTRUMENT ANDADAPTER FOR SINGLE PORT SURGERY)发明了一种外科手术仪器，用管形轴在纵向方向延伸，为制成更薄的仪器结构提供了一种方法。

检索中还发现，根据姜海军等在《中国微创外科杂志》2010年第10卷第1期上发表的“单孔腹腔镜手术进展与未来”和徐大华在《腹腔镜外科杂志》2010年1月第15卷第1期发表的“单孔腹腔镜手术器械的研发与应用”，现有的腹腔镜手术仍存在如下缺点：

1)在单孔条件下，所有器械都几乎平行进入病人腹腔内完成手术，无法形成医师习惯的三角形的操作空间，使得器械间容易造成干涉，加大了操作的难度；

2)现有最尖端的微创手术机器人在进行复杂手术时需要在病人身上定位并开三个创口实施手术，如此一来对病人的康复以及日后皮肤的美观都有很大影响；

3)借助电子摄像设备代替人眼使手术视野失去三维真实视觉，使医师对距离和位置的判断产生困难；

4)为了使手术过程更接近于传统的手术，通常需要研制专用器械，如多通道、可变形的穿刺套管等，使成本增高。

腹腔镜器械是由众多复杂的高科技器械所组成的一整套医疗仪器设备，包括光源、气腹机，动力系统、摄录像系统、麻醉机、监护仪以及手术工具等。多自由度单孔腹腔微创手术机器人是基于腹腔镜器械手术工具的改进，它是用机械臂代替原来的手工操作。在实际应用中，单孔腹腔镜手术中必需的仪器是是开口器。开口器是一个带有多个操作孔道的套管。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出了一种单孔操作的多自由度机构，即多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，可以置入开口器中的一个12mm直径的孔道，以代替原先人工操作的手术刀，从而改进手术的可操作性和精确度。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：两个末端安装手术刀的7自由度的机械手臂，一个末端安装摄像头的5自由度的机械手臂。

所述7自由度的机械手臂，所述7个自由度从根部算起，依次为：绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、工具自由度，从根部算起第二个自由度后，五个自由度都在开口器内部(即人体内)完成，每个自由度都由一根钢丝控制。手臂在开口器内部有5个自由度，整条手臂处于伸直状态时，由靠近开口器处算起，分别为连续两个关节、第一手臂、第三关节、第二手臂、第四关节、可更换的专用工具。每两个相邻关节间形成的自由度方向空间垂直。所述7自由度的机械手臂完全伸直时长度约为70mm，每个摆动自由度关节的摆角可达180°加上整个手臂在开口器外部的旋转和伸缩自由度，整个手臂的工作空间可以达到现今医用腹腔手术的要求。

所述5自由度的机械手臂，工作时与开口器接触的末端手臂有前后伸缩和绕手臂中心线旋转2个自由度，深入开口器内部，从根部开始有3个平面摆动自由度，前端为摄像头。手臂在开口器内部有3个自由度，整条手臂处于伸直状态时，由靠近开口器处算起，分别为第五关节和第六关节、第三手臂、第七关节、第四手臂、摄像头。每两个相邻关节间形成的自由度方向空间垂直。所述5自由度的机械手臂完全伸直时长度约为55mm，每个摆动自由度关节的摆角可达180°，加上整个手臂在开口器外部的旋转和伸缩自由度，整个手臂的工作空间可以达到手术中的视野要求。

所述7自由度的机械手臂和所述5自由度的机械手臂，它们包含的每个关节结构相同，主要由根部零件和摆动零件组成，根部零件和摆动零件之间由刚性轴连接，主传动钢丝从根部零件中穿入，带动摆动零件中的主滑轮。钢丝拉紧后，摆动零件便可绕刚性轴摆动，两零件间相互摆动形成摆动自由度。由于每条7自由度的机械手臂在开口器内部部分有5个自由度，故需要5组钢丝，这样靠近末端的关节零件中，就会穿入靠近前端关节零件传动所需的钢丝，为了保证钢丝之间不形成干涉，并且在末端关节摆动时前端钢丝仍为收紧状态，所以在根部零件和摆动零件中各装入两个小滑轮组。滑轮组用来使前端自由度传动的钢丝沿滑轮位置穿过关节，两排滑轮位置与关节传动主轴相切以保证各个关节的摆动对其他关节的钢丝传动没有影响。随着关节逐步靠近机械臂前端，每个滑轮组上的小滑轮将以1个为单位，整个关节的小滑轮数量将以4个为单位，逐步递减，随着滑轮的减少，滑轮原有的位置将由垫片来取代。

上述的机械手臂为钢丝传动方式，每个自由度都由钢丝来负责传动操控，在外部手术台架上设有驱动钢丝的电机盒，每台电机对应一根钢丝。

本发明在工作时，首先，在开口器中插入本发明的末端机构，即三个机械手臂，在机械手臂伸入病人体内后，由电机驱动钢丝旋转带动机械手臂，实现机械手臂的姿态变换。另外，5自由的机械手臂是用于观察体内情况的，因此，通过变换其不同的姿态以达到不同角度的立体视角，方便医师诊断病情和实施手术。

综上，本发明机器人能够实现切割、拉扯、缝线等手术操作来替代原始的手工操作，其主要驱动方式是通过电机带动钢丝，再由钢丝拉动末端构件来实现姿态的变换和末端手术刀的操作。

与现有技术相比，本发明有如下特点和有益效果：

(1)近乎全自动的手术操作，除更换手术刀具时需要人工升降电机控制台架，其余手术过程全部可在PC上进行操控。

(2)实现单创口手术，最大创口直径也只有12mm，除此以外无需在病人身体上再开任何创口。

(3)多自由度灵活操作，在单创口中同时伸入三支直径各为5mm的机器手臂，其中两支工具手臂各自包含7个自由度，第三支摄像头手臂包含5个自由度，三支手臂可以到达人体胸腹腔内工作空间位置。

(4)手术工具更换，两支7自由度手臂上的工具可在手术中按需求更换，以便增强手术的便捷性、多样性等。

附图说明

图1是本发明的前端机械臂工具手臂部分自由度分配示意图；

图2是本发明的前端机械臂摄像头手臂部分自由度分配示意图；

图3是本发明的前端机械手臂装配总成图；

图4是本发明的腹腔开口器孔径分配图；

图5是本发明的摆动自由度关节结构原理及钢丝走线图。

图中：绕轴旋转自由度关节1、8，伸缩自由度关节2、9，开口器内部两支手臂共8个摆动自由度3、4、5、6、10、11、12、13，前端工具关节7、14，开口器外部的旋转自由度15、伸缩自由度16，患者体内手臂根部的摆动自由度17、18，开口器19，前端关节传回钢丝20，关节传动钢丝绳21，小滑轮组20、22、23、24、25，根部关节26，前端关节27。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2所示，本实施例包括：两个末端安装手术刀的7自由度的机械手臂，一个末端安装摄像头的5自由度的机械手臂。每个自由度均由钢丝绳拉动。这三个手臂设置在同一个升降平台上。当然，在实际使用的时候还可以根据需要进行安放。

如图1所示，所述7自由度的机械手臂，为圆柱形塑料手臂、不锈钢关节和几个专用工具构成，另包括钢丝、滑轮关节等。两只手臂各自的7个自由度从根部算起，分别为：绕手臂中心轴旋转自由度1和8、手臂前后伸缩自由度2和9、水平摆动自由度3和10、竖直摆动自由度4和11、水平摆动自由度5和12、竖直摆动自由度6和13、工具自由度7和14。

本实施例中，所述7自由度的机械手臂，每个关节为一个自由度，每个自由度都由一根钢丝控制。手臂在开口器内部有5个自由度，整条手臂处于伸直状态时，由靠近开口器处算起，分别为连续两个长度为8mm的关节、长度为15mm的塑料手臂、8mm的关节、13mm的塑料手臂、8mm的关节、可更换的专用工具。每两个相邻关节间形成的自由度方向空间垂直。手臂完全伸直时长度约为70mm，每个摆动自由度关节的摆角可达180°，加上手臂在开口器外部的旋转和伸缩自由度，手臂的工作空间可以达到现今医用腹腔手术的要求。

前端工具关节7、14包含1个自由度，由钢丝绳带动实现闭合。根部手臂的伸缩自由度关节2、9和绕轴旋转自由度关节1、8在开口器的外部实现，通过电机带动钢丝绳实现伸缩旋转运动。

如图2所示，所述5自由度的机械手臂，由圆柱形塑料手臂、不锈钢关节和摄像头构成，另包括钢丝、滑轮关节等。工作时与开口器接触的末端手臂有前后伸缩和绕手臂中心线旋转2个自由度，深入开口器内部，从根部开始有3个平面摆动自由度，前端为直径5mm的摄像头装置。

本实施例中，所述5自由度的机械手臂在开口器内部有3个自由度，整条手臂处于伸直状态时，由靠近开口器处算起，分别为连续两个长度为8mm的关节、长度为15mm的塑料手臂、8mm的关节、8mm的塑料手臂、摄像头。每两个相邻关节间形成的自由度方向空间垂直。手臂完全伸直时长度约为55mm，每个摆动自由度关节的摆角可达180°，加上手臂在开口器外部的旋转和伸缩自由度，手臂的工作空间可以达手术中的视野要求。

开口镜外部操作结果与图1手臂相同，内部两个摆动自由度的操作也与机械手臂相同，前端为5mm的摄像头使手术室随时观测情况。

本实施例中，上述的7自由度的机械手臂和所述5自由度的机械手臂，它们包含的每个关节结构相同，主要由根部零件和摆动零件组成，根部零件和摆动零件之间由刚性轴连接，主传动钢丝从根部零件中穿入，带动摆动零件中的主滑轮。钢丝拉紧后，摆动零件便可绕刚性轴摆动，两零件间相互摆动形成摆动自由度。

由于机械手臂的设计受工作环境所制约，每只手臂的最大外径只有5mm，为了实现每支机械臂各个自由度的操控，选择钢丝传动方式，每个自由度都由钢丝来负责传动操控，在外部手术台架上会附有驱动钢丝的电机盒，每台电机对应一根钢丝，机械臂部分加起来共有17个自由度，故需配备17台电机。

如图4所示，本实施例使用的腹腔开口器孔径分配，是基于一个直径为12mm的开口器上均布3个直径为5mm的小孔，用来插入三支机械手臂。工作时会往开口器内部充气，使人体腹腔内形成合适的工作空间。

如图5所示，开口器内部每支手臂的4个摆动自由度通过滑轮关节来实现，由钢丝绳21从靠根部关节26伸出，套过靠近前端关节27上的滑轮，钢丝拉紧后，拉动钢丝便可使前端关节与后端关节间形成摆动自由度。对于靠近末端的关节而言，关节中会穿入的前端零件摆动所需的钢丝组20，把钢丝组20以此套在小滑轮组22、23、24、25上，由于小滑轮组和摆动轴之间相切(也可以近似相切)，所以钢丝之间不形成干涉，并且在末端关节摆动时前端钢丝仍为收紧状态，如此实现了摆动自由度的钢丝传动。

利用上述手臂进行操作过程中，三只手臂全部处于伸平状态，将每只手臂末端扣在前端控制机构(即上述驱动电机、滑轮组、牵引钢丝等组成的)上，准备工作完毕，调整手术台架位置、高度，再调整三只手臂的角度，对准已经在肚脐位置安置的开口器19，手动操作将安置三只手臂的小升降台向下滑动，使三只机械手臂沿开口器上三个口插入患者体内。先通过开口器外部的旋转自由度15、伸缩自由度16以及患者体内手臂根部的摆动自由度17、18来调整手臂使其确定大致的手术位置，然后依从末端至前端的顺序逐一调节各自由度使摄像头、两只操作手臂精确达到手术操作点，一只手臂负责抓取，一只手臂负责工具操作，进行手术。

手术中涉及更换刀具的时候，需将该手臂调节成伸直状态，随前端控制机构上电机盒一并抽出，进行刀具的更换。

本实施例中，两支7自由度的机械工具手臂和一支5自由度的摄像头手臂，操作时共同通过一个在病人身体脐部、直径12mm的圆形开口器进入病人体内，由一直手臂上摄像头抓取的视频来进行观测，三手臂能够实现180°摆动以到达各种工作点，三只手臂全部由电机带动钢丝操作，电机控制端将连接PC，整个手术过程可在PC上操作完成。

综上，本发明能实现单创口，以实现美观、低感染风险。全自动化操作，手术过程中除更换刀具外，无需人工操作。机械手臂进入开口器后展开，器械之间基本没有干涉，保证操作安全可靠。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于包括：两个末端安装手术刀的7自由度的机械手臂，一个末端安装摄像头的5自由度的机械手臂，其中：

所述7自由度的机械手臂，其中所述7个自由度从根部算起，依次为：绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、工具自由度，从根部算起第二个自由度后，五个自由度都在开口器内部完成；

所述5自由度的机械手臂，与开口器接触的末端手臂有前后伸缩和绕手臂中心线旋转2个自由度，深入开口器内部，从根部开始有3个平面摆动自由度，前端为摄像头；

上述两种机械手臂为钢丝传动方式，每个自由度都由钢丝来负责传动操控，所述钢丝通过电机驱动，每台电机对应一根钢丝。

2.根据权利要求1所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：所述7自由度的机械手臂在开口器内部有5个自由度，整条手臂处于伸直状态时，由靠近开口器处算起，分别为连续两个关节、第一手臂、第三关节、第二手臂、第四关节、可更换的专用工具，每两个相邻关节间形成的自由度方向空间垂直。

3.根据权利要求1或2所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：所述7自由度的机械手臂完全伸直时长度为70mm，每个摆动自由度关节的摆角达180°。

4.根据权利要求1所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：所述5自由度的机械手臂在开口器内部有3个自由度，整条手臂处于伸直状态时，由靠近开口器处算起，分别为第五关节和第六关节、第三手臂、第七关节、第四手臂、摄像头，每两个相邻关节间形成的自由度方向空间垂直。

5.根据权利要求1或4所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：所述5自由度的机械手臂完全伸直时长度为55mm，每个摆动自由度关节的摆角达180°。

6.根据权利要求1或2或4所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：所述7自由度的机械手臂和所述5自由度的机械手臂，它们包含的每个关节结构相同，主要由根部零件和摆动零件组成，根部零件和摆动零件之间由刚性轴连接，主传动钢丝从根部零件中穿入，带动摆动零件中的主滑轮，钢丝拉紧后，摆动零件绕刚性轴摆动，两零件间相互摆动形成摆动自由度。

7.根据权利要求6所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：所述根部零件和摆动零件中各装入两个小滑轮组，滑轮组用来使前端自由度传动的钢丝沿滑轮位置穿过关节，两排滑轮位置与关节传动主轴相切。

8.根据权利要求7所述的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手，其特征在于：随着关节逐步靠近机械臂前端，每个滑轮组上的小滑轮将以1个为单位，整个关节的小滑轮数量将以4个为单位，逐步递减，随着滑轮的减少，滑轮原有的位置将由垫片来取代。

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