CN111956328B - 一种用于微创手术的连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微创手术的连续体机器人，包括线驱动模块、悬挂载板模块、机器人柔性臂模块、直线驱动模块和机器人支架模块，悬挂载板模块安装在机器人支架模块上，直线驱动模块、线驱动模块分别安装在悬挂载板模块上，所述线驱动模块与所述机器人柔性臂模块连接，驱动所述机器人柔性臂模块进行弯曲运动，所述悬挂载板模块与所述机器人柔性臂模块连接，所述直线驱动模块驱动所述悬挂载板模块进行前后运动，所述机器人柔性臂模块跟随所述悬挂载板模块进行前后运动。本发明的有益效果是：柔性臂模块外形更小，灵活性更高，有效避免了传统同心管机器人每个同心管初始曲率恒定的限制，同时克服了传统线驱动机器人体型较大的缺陷。

Description

一种用于微创手术的连续体机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械，尤其涉及一种用于微创手术的连续体机器人。

背景技术

随着医疗相关领域技术的迅猛发展，手术微创化成为外科临床手术中的重要发展阶段，手术机器人越来越多地应用于人体腔道和脏器的微创手术中。

传统的手术机器人多为刚性结构，体型较大且不能跟踪非线性病灶位置，在与身体腔脏器官、血管、敏感组织接触时，容易造成损伤。与传统刚性手术器械和手术机器人相比较，柔性手术机器人因其具有体型紧凑、灵活柔顺且能主动控制等特性，越来越多地应用于微创手术中。同心管机器人和线驱动机器人是柔性手术机器人中的典型代表。同心管机器人一般由一组预弯曲的高弹性同心管相互嵌套而成，每一个同心管都具有平移和旋转两个自由度。相互嵌套在一起的同心管，因为平移和旋转量的不同，可以形成不同的恒曲率曲线段；线驱动机器人一般是由多个微小的中空关节顺序连接而成，每个关节四周打孔穿线，通过线绳的拉力可以在前一个关节末端有规律地运动，多个关节的运动组合形成固定的曲线形状。因此，同心管机器人和线驱动可以完成腔脏器官中三维曲线的跟踪任务，并且具有主动控制和一定的变形能力，另外两种机器人都是内部中空可以完成手术器具的引导功能。同心管机器人和线驱动机器人已经被提出可以应用于神经外科手术、泌尿手术和心内手术。

但是，同心管机器人需要由多个预弯曲的同心管相互嵌套而成，而同心管的预弯曲曲率会因时间和使用发生变化，且同心管的旋转自由度存在不稳定性的缺陷。线驱动机器人则存在的形状变化单一，曲线适应性差，尺寸相对较大的缺陷。因此急需开发一种具备主动控制、稳定可靠、可跟踪复杂多变三维曲线且尺寸微小的柔性微创手术机器人。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于微创手术的连续体机器人。

本发明提供了一种用于微创手术的连续体机器人，包括线驱动模块、悬挂载板模块、机器人柔性臂模块、直线驱动模块和机器人支架模块，所述悬挂载板模块安装在所述机器人支架模块上，所述直线驱动模块、线驱动模块分别安装在所述悬挂载板模块上，所述线驱动模块与所述机器人柔性臂模块连接，驱动所述机器人柔性臂模块进行弯曲运动，所述悬挂载板模块与所述机器人柔性臂模块连接，所述直线驱动模块驱动所述悬挂载板模块进行前后运动，所述机器人柔性臂模块跟随所述悬挂载板模块进行前后运动。

作为本发明的进一步改进，所述机器人柔性臂模块包括至少两个相互嵌套的高弹性同心管，所述高弹性同心管的外壁包含有至少2个通孔，所述通孔内含线绳，所述线绳一端与所述高弹性同心管的前端连接，另一端与所述线驱动模块连接，所述高弹性同心管的后端固定在所述悬挂载板模块上，所述高弹性同心管与所述悬挂载板模块一一对应，不同的所述高弹性同心管对应安装在不同的所述悬挂载板模块上，每个所述悬挂载板模块对应安装一个所述直线驱动模块、线驱动模块，不同的所述高弹性同心管由不同的所述直线驱动模块、线驱动模块驱动。

作为本发明的进一步改进，每个所述高弹性同心管的前端均设有镂空部分，所述高弹性同心管的镂空部分的长度从最外层管到最内层依次变长，并且，所述高弹性同心管的刚度由最外层管到最内层依次变小。

作为本发明的进一步改进，所述高弹性同心管由镍钛合金或者聚己内酯制成，所述机器人柔性臂模块在受到管壁内线绳的拉力时，高弹性同心管发生形变，且拉力不同，弹性形变不同；在撤掉线绳拉力后，高弹性同心管恢复到初始状态。

作为本发明的进一步改进，所述高弹性同心管有三个，分别为相互嵌套的同心管内管、同心管中管和同心管外管。

作为本发明的进一步改进，所述线驱动模块包括线驱动伺服电机、线驱动伺服电机支撑架和线绳绕线柱，所述线驱动伺服电机安装在所述线驱动伺服电机支撑架上，所述线驱动伺服电机支撑架固定于所述悬挂载板模块上，所述线绳绕线柱与所述线驱动伺服电机连接，所述机器人柔性臂模块的线绳缠绕在所述线绳绕线柱上。

作为本发明的进一步改进，所述机器人支架模块包括后支撑板，前支撑板，柔性臂支撑，光杆，丝杠和底板，所述前支撑板和后支撑板分别固定安装在所述底板上，所述光杆和丝杠分别由通过卧式轴承座固定于所述前支撑板和后支撑板之间，所述柔性臂支撑通过卧式轴承座固定于所述前支撑板上，所述光杆、丝杠和底板相互平行，且都垂直于后支撑板和前支撑板，所述高弹性同心管穿过所述柔性臂支撑。

作为本发明的进一步改进，所述悬挂载板模块至少有2个，分别为间隔设置的奇数悬挂载板模块和偶数悬挂载板模块，所述奇数悬挂载板模块包括奇数悬挂载板，所述偶数悬挂载板模块包括偶数悬挂载板，所述奇数悬挂载板、偶数悬挂载板上均设有同心管薄壁固定座、直线轴承、限位器、限位器固定座、直线驱动伺服电机槽口、轴承槽口和直线驱动伺服电机固定座，所述奇数悬挂载板和偶数悬挂载板上的直线驱动伺服电机槽口、直线驱动伺服电机固定座位置相反；所述高弹性同心管固定在所述同心管薄壁固定座上，所述直线轴承安装在所述光杆上，所述限位器安装在所述限位器固定座上，所述限位器限制所述悬挂载板模块的安全运动范围。

作为本发明的进一步改进，所述直线驱动模块包括直线驱动伺服电机、主动同步轮、同步带、从动同步轮、螺母套、螺母、背面挡圈、轴承和正面挡圈，所述直线驱动伺服电机的输出端与所述主动同步轮连接，所述主动同步轮、同步带、从动同步轮构成带传动机构，所述从动同步轮与所述螺母套连接，所述螺母套与所述螺母连接，所述螺母与所述丝杠配合安装，所述背面挡圈、正面挡圈将所述轴承固定安装于所述悬挂载板模块的轴承槽口上，所述螺母套与所述轴承的内侧通过过盈配合固定安装，所述直线驱动伺服电机安装在所述直线驱动伺服电机固定座上。

作为本发明的进一步改进，所述连续体机器人还包括电机驱动装置和系统控制装置，所述系统控制装置与所述电机驱动装置连接，所述电机驱动装置分别与所述线驱动模块、直线驱动模块连接。

本发明的有益效果是：该连续体机器人不需要预弯曲的同心管，而是根据手术需求，通过线驱作用，形成不同空间曲线轨迹；利用线驱替代旋转运动，提高了系统的稳定性和灵活性；同心管末端做镂空，改变了同心管不同方向的刚度，相比常规线驱动机器人减小了机器人的外形尺寸，提高了机器人的灵活性和复杂多变空间曲线的适应性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中连续体机器人结构图。

图2是本发明的一个实施例中机器人支架模块三维结构示意图。

图3是本发明的一个实施例中线驱动模块三维结构示意图。

图4a是本发明的一个实施例中由3同心管组成的机器人柔性臂模块初始状态三维结构示意图。

图4b是本发明的一个实施例中由3同心管组成的机器人柔性臂模块受拉状态三维结构示意图。

图5是本发明的一个实施例中悬挂载板模块三维结构示意图。

图6是本发明的一个实施例中直线驱动模块三维结构示意图。

图7是本发明的一个实施例中直线驱动模块装配体剖视图。

图8是本发明的一个实施例中连续体机器人系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种用于微创手术的连续体机器人，图1为本发明的一个实施例中连续体机器人结构图，包括线驱动模块100、悬挂载板模块200、机器人柔性臂模块300、直线驱动模块400和机器人支架模块500。机器人柔性臂模块300由一组高弹性的同心管31相互嵌套而成，同心管31的外壁包含有至少2个通孔，孔内有线绳32，线绳32一端与同心管31前端连接，另一端与线驱动模块100连接；同时每个同心管31前端部分镂空。同心管31后端固定于悬挂载板模块200，在直线驱动模块400作用下可实现前后运动，在线驱动模块100作用下可实现弯曲运动。

图2为本发明的一个实施例中机器人支架模块500三维结构示意图，包括后支撑板501，前支撑板502，柔性臂支撑503，卧式轴承座504，光杆505，丝杠506和底板507。底板507上固定安装有前支撑板502和后支撑板501，光杆505和丝杠506由卧式轴承座504固定于前支撑板502和后支撑板501之间，柔性臂支撑503由卧式轴承座504固定于前支撑板502。光杆505的作用是固定并引导悬挂载板模块200，丝杠506的作用是与螺母406配合安装，在直线驱动伺服电机的驱动下完成悬挂载板模块200的前后运动。

图3是本发明的一个实施例中线驱动模块三维结构示意图，线驱动模块100包括线驱动伺服电机101、线驱动伺服电机支撑架102和线绳绕线柱103，线驱动伺服电机支撑架102将线驱动伺服电机101固定于悬挂载板模块200，线驱动伺服电机101转动时带动末端线绳绕线柱103转动，从而给线绳32施加拉力。

下面以图4a和图4b为本发明的一个实施例，解释机器人柔性臂模块300的运动过程。组成机器人柔性臂模块300的高弹性的同心管31由镍钛合金、聚己内酯PCL等高弹性材料加工制成，所述机器人柔性臂模块300的特性是在受到管壁内线绳32的拉力时同心管31会发生形变，且拉力不同，弹性形变不同；在撤掉线绳32拉力后，同心管32恢复到初始状态。机器人柔性臂模块300由至少2个高弹性的同心管31相互嵌套构成，每个同心管31的镂空部分的长度从最外层管到最内层管依次变长，并且同心管的刚度由外到内依次变小。同心管的初始状态为直管，经过线驱动模块100的线绳拉力作用之后，同心管的镂空部分变为弯曲状态，各同心管之间相互作用，最后产生固定的弯曲形状；线绳的拉力不同，机器人柔性臂模块300的最终形状也会不同。图4a和图4b所示的实施例中机器人柔性臂模块300由3个同心管组成，包括同心管内管301、同心管中管302和同心管外管303。3个同心管后端分别固定于3个悬挂载板模块200。直线驱动伺服电机401带动主动同步轮402转动，主动同步轮402通过同步带403带动从动同步轮404转动，从动同步轮404带动螺母套405转动，螺母套405带动螺母406转动，螺母406沿着丝杠506移动将转动变为平动，在螺母套405、轴承408、前挡圈407和后挡圈408的作用下，螺母406带动着悬挂载板模块200实现沿着光杆505和丝杠506的平移运动；由于同心管末端固定于悬挂载板模块200，因此会实现同心管伸出或缩回柔性臂支撑503。在同心管伸出柔性臂支撑503后，初始直线状态如图4a所示，同心管由外到内伸出柔性臂支撑503的长度依次增加，同心管臂内的线绳都处于未受力状态；线驱动伺服电机101通过旋转将同心管臂内的线绳拉进，从而给线绳施加不同的拉力，由于线绳拉力不同和镂空部分同心管的各方向抗拉性能不同，在专业技术员的设计下，对同心管管壁和线绳拉力进行特定设计，每个同心管会弯曲成不同的弧形，同时由于同心管的刚度不同，一般设计为从外到内刚度依次减小，同心管之间相互作用，从而使机器人柔性臂模块300最终表现为图4b所示的受拉弯曲状态。

图5是本发明的一个实施例中悬挂载板模块三维结构示意图，本实施例中悬挂载板模块200包括奇数悬挂载板201、偶数悬挂载板202，同心管薄壁固定座203、直线轴承204、限位器205、限位器固定座206、直线驱动伺服电机槽口207、轴承槽口208和直线驱动伺服电机固定座209，奇数悬挂载板201和偶数悬挂载板202的结构有不同，一是直线驱动伺服电机槽口207和直线驱动伺服电机固定座209位置相反，这种设计主要是考虑了直线驱动伺服电机的长度，从而减小机器人系统的整体尺寸；二是同心管薄壁固定座203根据所固定同心管的管径定制。轴承槽口208用于安装轴承408，直线驱动伺服电机固定座209用于安装直线驱动伺服电机401，同心管薄壁固定座203用于固定机器人柔性臂模块300包含的同心管31，直线轴承204用于配合安装光杆505，限位器固定座206用于将限位器205固定于悬挂载板模块200，限位器205可以防止相邻悬挂载板模块200的过于靠近而造成零部件相撞损坏。

图6是本发明的一个实施例中直线驱动模块三维结构示意图，图7是本发明的一个实施例中直线驱动模块装配体剖视图，该实施例中直线驱动模块400包括直线驱动伺服电机401、主动同步轮402、同步带403、从动同步轮404、螺母套405、螺母406、背面挡圈407、轴承408和正面挡圈409，直线驱动伺服电机401输出端连接主动同步轮402，主动同步轮402通过同步带403带动从动同步轮404转动，螺母406与丝杠506配合安装用于将选装运动变为直线运动，背面挡圈407和正面挡圈409将轴承408固定安装于悬挂载板模块200，螺母套405用于连接从动同步轮404和螺母406，并与轴承408内侧通过过盈配合固定安装，从而实现直线驱动伺服电机401带动悬挂载板模块200沿着光杆505移动。

根据实施例图4a和图4b所示，机器人柔性臂模块300内腔中空，根据手术需求可用于引导多种手术器具到达病灶位置进行手术操作，如摄像头、手术钳、手术剪等，还可以是其他的手术工具或设备，只要它们可以通过最内侧的同心管。

在优选的实施方式中，同心管的数量、内外径参数、长度、镂空形状等参数都可以进行有目的的优化设计，为满足手术需求，经过专业人员的设计，可以通过增减悬挂载板模块200数量的方式改变机器人柔性臂模块300包含的同心管数量，用于满足不同的微创手术需求。

图8是本发明的一个实施例中连续体机器人系统示意图，该实施例中除连续体动机器人本体外，还包括电机驱动装置600和系统控制装置700。电机驱动装置600用于驱动线驱模块100和直线驱动模块400的电机运动，并接收电机的反馈信号；系统控制装置700主要由处理器、人机交互界面、输入和输出装置等组成。

本发明提供的一种用于微创手术的连续体机器人，柔性臂模块外形更小，灵活性更高，有效避免了传统同心管机器人每个同心管初始曲率恒定的限制，同时克服了传统线驱动机器人体型较大的缺陷，并且机器人柔性臂模块可更换性强，有效提高了微创手术机器人的精度和复杂手术任务的适应性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：包括线驱动模块、悬挂载板模块、机器人柔性臂模块、直线驱动模块和机器人支架模块，所述悬挂载板模块安装在所述机器人支架模块上，所述直线驱动模块、线驱动模块分别安装在所述悬挂载板模块上，所述线驱动模块与所述机器人柔性臂模块连接，驱动所述机器人柔性臂模块进行弯曲运动，所述悬挂载板模块与所述机器人柔性臂模块连接，所述直线驱动模块驱动所述悬挂载板模块进行前后运动，所述机器人柔性臂模块跟随所述悬挂载板模块进行前后运动，所述机器人柔性臂模块包括至少两个相互嵌套的高弹性同心管，所述高弹性同心管的外壁包含有至少2个通孔，所述通孔内含线绳，所述线绳一端与所述高弹性同心管的前端连接，另一端与所述线驱动模块连接，所述高弹性同心管的后端固定在所述悬挂载板模块上，所述高弹性同心管与所述悬挂载板模块一一对应，不同的所述高弹性同心管对应安装在不同的悬挂载板模块上，每个所述悬挂载板模块对应安装一个直线驱动模块、线驱动模块，不同的所述高弹性同心管由不同的直线驱动模块、线驱动模块驱动，每个所述高弹性同心管的前端均设有镂空部分，所述高弹性同心管的镂空部分的长度从最外层管到最内层依次变长，并且，所述高弹性同心管的刚度由最外层管到最内层依次变小，所述高弹性同心管由镍钛合金或者聚己内酯制成，所述机器人柔性臂模块在受到管壁内线绳的拉力时，高弹性同心管发生形变，且拉力不同，弹性形变不同；在撤掉线绳拉力后，高弹性同心管恢复到初始状态。

2.根据权利要求1所述的用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：所述高弹性同心管有三个，分别为相互嵌套的同心管内管、同心管中管和同心管外管。

3.根据权利要求1所述的用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：所述线驱动模块包括线驱动伺服电机、线驱动伺服电机支撑架和线绳绕线柱，所述线驱动伺服电机安装在所述线驱动伺服电机支撑架上，所述线驱动伺服电机支撑架固定于所述悬挂载板模块上，所述线绳绕线柱与所述线驱动伺服电机连接，所述机器人柔性臂模块的线绳缠绕在所述线绳绕线柱上。

4.根据权利要求1所述的用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：所述机器人支架模块包括后支撑板，前支撑板，柔性臂支撑，光杆，丝杠和底板，所述前支撑板和后支撑板分别固定安装在所述底板上，所述光杆和丝杠分别由通过卧式轴承座固定于所述前支撑板和后支撑板之间，所述柔性臂支撑通过卧式轴承座固定于所述前支撑板上，所述光杆、丝杠和底板相互平行，且都垂直于后支撑板和前支撑板，所述高弹性同心管穿过所述柔性臂支撑。

5.根据权利要求4所述的用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：所述悬挂载板模块至少有2个，分别为间隔设置的奇数悬挂载板模块和偶数悬挂载板模块，所述奇数悬挂载板模块包括奇数悬挂载板，所述偶数悬挂载板模块包括偶数悬挂载板，所述奇数悬挂载板、偶数悬挂载板上均设有同心管薄壁固定座、直线轴承、限位器、限位器固定座、直线驱动伺服电机槽口、轴承槽口和直线驱动伺服电机固定座，所述奇数悬挂载板和偶数悬挂载板上的直线驱动伺服电机槽口、直线驱动伺服电机固定座位置相反；所述高弹性同心管固定在所述同心管薄壁固定座上，所述直线轴承安装在所述光杆上，所述限位器安装在所述限位器固定座上，所述限位器限制所述悬挂载板模块的安全运动范围。

6.根据权利要求5所述的用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：所述直线驱动模块包括直线驱动伺服电机、主动同步轮、同步带、从动同步轮、螺母套、螺母、背面挡圈、轴承和正面挡圈，所述直线驱动伺服电机的输出端与所述主动同步轮连接，所述主动同步轮、同步带、从动同步轮构成带传动机构，所述从动同步轮与所述螺母套连接，所述螺母套与所述螺母连接，所述螺母与所述丝杠配合安装，所述背面挡圈、正面挡圈将所述轴承固定安装于所述悬挂载板模块的轴承槽口上，所述螺母套与所述轴承的内侧通过过盈配合固定安装，所述直线驱动伺服电机安装在所述直线驱动伺服电机固定座上。

7.根据权利要求1所述的用于微创手术的连续体机器人，其特征在于：所述连续体机器人还包括电机驱动装置和系统控制装置，所述系统控制装置与所述电机驱动装置连接，所述电机驱动装置分别与所述线驱动模块、直线驱动模块连接。

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