普适型手术机器人执行器及手术机器人系统的制作方法

1.本实用新型属于医疗器械技术领域。具体涉及一种普适型手术机器人执行器及手术机器人系统。


背景技术：

2.自20世纪90年代开始，机器人辅助外科手术获得了突飞猛进的发展。多种外科手术机器人系统在临床上得到了成功的应用，这引起了世界范围内医学界和科技界极大的关注。手术机器人系统融合诸多新兴学科，实现了外科手术微创化、智能化和数字化，近年来，手术机器人已在全世界范围内得到了广泛的应用，手术种类涵盖泌尿科、妇产科、心脏外科、胸外科、肝胆外科、胃肠外科、耳鼻喉科等学科。
3.手术机器人系统通常包括三个部分：1)医生控制系统；2)三维成像视频影像平台；3)机械臂。医生通过三维成像视频影像平台获得病人手术部位的信息，然后通过控制系统输出操作指令，最后由机械臂实施手术动作。一般情况下机械臂只提供大的手术动作(有点类似人类的手臂)，而细致、具体的手术动作还要由连接于机械臂末端的手术执行器来完成(手术执行器的功能类似于人类的手掌和手指)。
4.中国实用新型专利cn211512043u公开了一种经尿道电切镜手术机器人执行器，中国发明专利申请公开号cn110074867a提出了一种经皮肾镜手术机器人系统。中国发明专利申请公开号cn112168354a提出了一种防水型、轻量化的手术机器人执行器及手术机器人系统。然而，上述手术机器人执行器看起来是针对某一种手术操作器进行设计的，例如，要么是针对经尿道电切镜，要么针对经皮肾镜。但是，实际情况是，医院可能只有一台或者数台手术机器人，而需要进行的手术种类则非常多。如果需要用手术机器人连续实施好几种不同的手术，更换安装在机械臂末端的不同的手术操作器，就变成了一项繁重的工作。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本实用新型提出一种普适型手术机器人执行器及手术机器人系统，其为不同的手术操作器提供了易于拆装的安装结构，即使使用同一台手术机器人系统连续执行不同的手术，也可以在手术间隙迅速、便捷地更换不同手术操作器，大大提高了手术效率，减小了医生工作强度。
6.本实用新型的实施例提供一种普适型手术机器人执行器，所述普适型手术机器人执行器包括底板(14)、被所述底板(14)分隔开来的固定结构和驱动结构，所述固定结构包括固定安装于所述底板(14)上的前固定装置(11)和后固定装置(12)，所述前固定装置(11)和/或后固定装置(12)具有易拆装结构。
7.根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述前固定装置(11)的所述易拆装结构包括在所述前固定装置(11)本体侧面相对设置的两个活动按钮，所述两个活动按钮通过一个弹簧(11-03)隔开，每一个活动按钮上设置一个回勾结构，所述底板(14)上的适当位置设置适配所述回勾结构的通孔；和/或，
8.所述后固定装置(12)的所述易拆装结构包括在所述后固定装置(12)本体侧面相对设置的两个活动按钮，所述两个活动按钮通过一个弹簧隔开，每一个活动按钮上设置一个回勾结构，所述底板(14)上的适当位置设置适配所述回勾结构的通孔。
9.根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述前固定装置合盖内侧具有可更换的橡胶垫，和/或所述后固定装置合盖内侧具有可更换的橡胶垫。
10.根据本实用新型的一种实施方式，例如，在所述前固定装置和/或所述后固定装置合盖内侧边缘设置卡槽，将所述橡胶垫卡设到合盖内侧。
11.根据本实用新型的一种实施方式，例如，在所述前固定装置和/或所述后固定装置合盖内侧设置粘接层，将所述橡胶垫粘接到合盖内侧。
12.根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述驱动结构包括前轴承座(19)、光轴(20)、丝杠(21)、直线轴承(22)、前限位环(23)、丝杠螺母(24)、滑块(25)、遮光板(26)、光电传感器(27)、后限位环(28)、限位环(29)、后轴承座(30)、联轴器(31)、电机支撑座(32)、伺服电机(33)、按钮(34)和互联件(35)。
13.根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述前限位环(23)和/或所述后限位环(28)具有至少一个易拆装垫片。
14.根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述易拆装垫片由两个半圆环结构组成，每一半圆环结构具有凸起和凹槽，以与相邻的半圆环结构相嵌合。
15.根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述易拆装垫片的厚度可以设为相同，也可以设为不相同；所有易拆装垫片都设置为2mm厚，或者1mm厚；或者，其中部分易拆装垫片设置为2mm厚，部分易拆装垫片设置为1mm厚。
16.本实用新型的实施例还提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括手术机器人装置、手术监测装置和手术控制装置；
17.所述手术机器人装置包括机械臂、手术操作器以及将所述手术操作器连接并固定于所述机械臂之上的手术机器人执行器；所述手术机器人执行器为如前所述的普适型手术机器人执行器。
18.本实用新型的技术方案具有以下优异的技术效果：
19.1)本实用新型提出的普适型手术机器人执行器为不同的手术操作器提供了易于拆装的安装结构，即使使用同一台手术机器人系统连续执行不同的手术，也可以在手术间隙迅速、便捷地更换不同手术操作器，大大提高了手术效率，减小了医生工作强度。
20.2)本实用新型提出的普适型手术机器人执行器在前固定装置/后固定装置合盖内侧设置可更换的橡胶垫，可以准备若干种厚度不同的橡胶垫，如果手术操作器较细，则采用厚度较大的橡胶垫；如果手术操作器较粗，则采用厚度较小的橡胶垫。这样可以在不更换前后固定装置的情况下快速适应不同的手术操作器。
21.3)本实用新型提出的普适型手术机器人执行器的前限位环和后限位环具有多个易拆装垫片，通过快速增加或者减少易拆装垫片的数量，可以快速适应不同手术操作器的工作行程。
附图说明
22.图1是本实用新型实施例提出的手术机器人系统所使用的机械臂结构示意图。
23.图2是包括机械臂、手术机器人执行器和手术操作器的手术机器人装置结构示意图。
24.图3是一种常见的手术操作器结构示意图。
25.图4是另一种常见的手术操作器结构示意图。
26.图5是本实用新型实施例提供的一种手术机器人执行器的整体结构示意图。
27.图6是本实用新型实施例提供的一种具有易拆装结构的前固定装置。
28.图7是具有易拆装结构的前固定装置固定安装到底板上的情形。
29.图8是本实用新型实施例提供的一种具有橡胶垫的前固定装置。
30.图9是本实用新型实施例提供的一种普适型手术机器人执行器驱动结构的内部结构示意图。
31.图10是本实用新型实施例提供的一种具有多个易拆装垫片的前限位环的结构。
32.图11是本实用新型实施例提出的手术机器人系统示意图。
具体实施方式
33.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。
34.在实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
35.附图1展示了本领域常见的机械臂的基本结构。从图1可见，机械臂外观看起来像是一个缺少了手掌和手指的人体手臂。具体的手术动作需要由连接在机械臂末端的手术机器人执行器及其上安装的手术操作器来完成。
36.附图2展示了包括机械臂、手术机器人执行器和手术操作器的手术机器人装置的结构。由图2可见，机械臂0011末端连接了手术机器人执行器0012，手术机器人执行器0012一般包括电路以及与电路连接的机械动力机构和传动机构，手术机器人执行器0012中的电路结构与机械臂0011中的电路连接，通过上述电路连接，手术机器人执行器0012获得动作指令以及驱动其机械运动的电能，从而完成手术动作。如图2所示，手术机器人执行器0012端部安装了手术操作器0013，机械臂0011与手术机器人执行器0012操控手术操作器0013执行手术动作，最终完成手术。
37.手术机器人执行器0012并不能直接实施手术。实际上，手术机器人执行器0012起到的也是一个桥梁的作用，它通过与手术机器人相连接，接受外界的指令(例如，来自手术控制装置)，然后控制、把持着安装于其上的手术操作器来实施手术。作为示例，图3展示了一个常见的手术操作器的结构。如图3所示，操作器20x包括镜身200、镜体201，镜身200的尾端连接镜体201，镜身200与镜体201内设有相互连通的管腔，镜体201上设置有观察口2011、操作通道2012、进水阀2013和光源入口2014。
38.图4展示了又一种常见的手术操作器的结构，是一种典型的激光电切镜。对比图3和图4可知，这两种手术操作器的形状、不同位置的尺寸比例皆不相同。图4中，激光电切镜具有移动块39，移动块39可以带动激光纤维37前后移动，移动的行程即为图4中d所示的区间。对于不同的手术操作器，行程d也不尽相同。例如，激光电切镜和等离子电切镜的行程d就略有差异。
39.图3、图4仅仅展示了常用的两种手术操作器。实际手术过程中用到的手术操作器更加多样化。如果要更换不同的手术操作器，对于手术机器人执行器来说，最大的挑战在于，不同手术操作器的尺寸、形状不同，操作行程d也不同，如何设计相应的结构来适应这些种类繁多、形态各异的手术操作器？本实用新型的实施例提出了一种普适型手术机器人执行器及手术机器人系统，来解决上述问题。
40.如图5所示，本实用新型的实施例提出一种普适型手术机器人执行器，所述普适型手术机器人执行器具有固定结构，所述固定结构包括固定安装于底板14上的前固定装置11和后固定装置12，图5还展示了从底板14下方向上伸出的推动机构13。底板14下方是用于驱动手术操作器的驱动结构。前固定装置11和后固定装置12一前一后将手术操作器固定在底板14上。如前所述，由于手术操作器种类繁多、形态各异，不太可能采用一套固定结构即适应所有的手术操作器，更换手术的时候，很多情况需要更换前固定装置11和后固定装置12。为了便于医生在手术间隙方便、快捷地更换前固定装置11和后固定装置12，本实用新型设计了具有易拆装结构的前固定装置11和后固定装置12。图6是本实用新型实施例提供的一种具有易拆装结构的前固定装置。如图6所示，前固定装置11包括在其本体侧面相对设置的两个活动按钮11-01和11-02，所述两个活动按钮通过一个弹簧11-03隔开，每一个活动按钮上设置一个回勾结构，底板14上的适当位置设置适配所述回勾结构的通孔。安装前固定装置11时，医生不需要借助工具，只需用手同时按压所述两个活动按钮，并且将前固定装置11对准底板14上的通孔，然后松开手，回勾结构即在弹簧11-03的作用下，紧扣住底板14，从而将前固定装置11固定在底板14上。拆卸时，按压所述两个活动按钮，回勾结构脱离底板14，即可将前固定装置11拿下来。后固定装置12也可以设置相同的易拆装结构。当然，前固定装置11和后固定装置12可以同时设置上述易拆装结构，也可以其中之一设置易拆装结构，具体根据实际情况而定。具有易拆装结构的前固定装置固定安装到底板上的情形可以参见图7。
41.直接更换前固定装置11和后固定装置12当然是一种彻底地适应不同手术操作器的方式。在某些情况下，需要进行替换的两个手术操作器形状和结构都比较类似，可能只是尺寸方面稍有差异，这种情况下就可以采用更加简便的方式来适应不同的手术操作器。图8是本实用新型实施例提供的一种具有橡胶垫的前固定装置。如图8所示，在前固定装置合盖内侧设置可更换的橡胶垫，可以准备若干种厚度不同的橡胶垫，如果手术操作器较细，则采用厚度较大的橡胶垫；如果手术操作器较粗，则采用厚度较小的橡胶垫。橡胶垫可以采用多种方式固定到合盖内侧。例如，可以在合盖内侧边缘设置卡槽，将橡胶垫卡设到合盖内侧；也可以在合盖内侧设置粘接层，将橡胶垫粘接到合盖内侧。同样的，前固定装置11和后固定装置12可以同时设置橡胶垫，也可以其中之一设置橡胶垫，具体根据实际情况而定。
42.除了固定结构需要适应不同手术操作器的外形和尺寸外，驱动结构也需要适应不同手术操作器的不同行程。图9是本实用新型实施例提供的一种普适型手术机器人执行器
驱动结构的内部结构示意图。如图9所示，驱动结构主要包括前轴承座19、光轴20、丝杠21、直线轴承22、前限位环23、丝杠螺母24、滑块25、遮光板26、光电传感器27、后限位环28、限位环29、后轴承座30、联轴器31、电机支撑座32、伺服电机33、按钮34、互联件35。手术过程中，伺服电机33带动丝杠21转动，丝杠螺母24带动滑块25做往复直线运动，滑块25与推动机构13连接，而推动机构13与手术操作器上的移动块39连接，这样便实现了由伺服电机33驱动手术操作器的前后伸缩运动。如前所述，对于不同的手术操作器，行程d也不尽相同。与手术操作器的行程d相对应，驱动结构的前限位环23与后限位环28之间的距离应与手术操作器的行程d基本相同。更换不同的手术操作器时，如果手术操作器的行程d发生了改变，而前限位环23与后限位环28之间的距离不进行相应的调整，将导致手术操作器无法在其整个设计行程内操作，从而影响手术效果。为了解决此问题，本实用新型的实施例设计了一种具有多个易拆装垫片的限位环。图10展示了本实用新型实施例提供的一种具有多个易拆装垫片的前限位环的结构。如图10所示，前限位环23在朝向后限位环28的一侧设置多个易拆装垫片。例如，易拆装垫片由两个半圆环结构组成，每一半圆环结构具有凸起和凹槽，以与相邻的半圆环结构相嵌合。同样的，后限位环28在朝向前限位环23的一侧也可以设置多个易拆装垫片。当更换手术操作器时，如果待安装的手术操作器具有较大的行程，则可以从前限位环23和/或后限位环28上拆卸下若干个易拆装垫片。反之，则可以往前限位环23和/或后限位环28上加装若干个易拆装垫片。易拆装垫片的厚度可以设为相同，也可以设为不相同。例如，所有易拆装垫片都设置为2mm厚，或者1mm厚。或者，其中部分易拆装垫片设置为2mm厚，部分易拆装垫片设置为1mm厚。
43.图11为本实用新型实施例提供的一种手术机器人系统结构示意图。如图11所示，手术机器人系统包括：手术机器人装置001、手术监测装置002和手术控制装置003。
44.所述手术机器人装置001与手术控制装置003相连接，根据所述手术控制装置003发送过来的手术控制指令，按照预设路径进行手术操作。
45.所述手术监测装置002与所述手术控制装置003连接，在手术中对当前手术实施位置进行实时扫描，将获取到的当前手术实施位置的扫描数据发送给所述手术控制装置003，并将所述扫描数据以图像形式展示给手术操作者。
46.所述手术控制装置003从外部扫描设备获取手术部位扫描数据，根据所述手术部位扫描数据建立病变部位三维模型；根据所述三维模型和预设模型的匹配结果，确定手术路径，根据所述手术路径和所述扫描数据确定导航信息，根据所述导航信息生成手术控制指令发送至所述手术机器人装置001，由所述手术机器人装置001执行手术操作。
47.在实施手术之前，先通过外部扫描装置对患者的病变部位进行扫描，然后通过手术控制装置003获取外部扫描装置扫描所得到的扫描数据，建立患者的病变部位三维模型。例如，所述手术控制装置003可以为计算机设备，并安装有根据扫描数据建立三维模型的软件，所述外部扫描装置可以是磁共振检查装置、电子计算机断层扫描装置和超声扫描装置中的至少一种。在建立三维模型后，可以通过与手术控制装置003连接的显示器将该三维模型展示给医生，以备医生根据该三维模型确定手术方案，并经计算机软件进行手术规划及模拟预穿刺验证，通过所述手术控制装置003配置的输入设备(例如，鼠标和键盘)，输入针对该患者实施手术时的手术路径，还可以通过所述手术控制装置003中安装的手术方案制定软件，根据三维模型和预先存储的手术模型，确定手术路径。之后，需要医生确认软件得
出的方案，或修改软件得出的方案。所述手术控制装置003根据设定好的手术路径以及所述手术监测装置002发送的扫描数据，确定实施手术的导航信息，向手术机器人装置001发送手术控制指令，所述手术机器人装置001中配置的手术装置实施手术。例如，手术机器人装置001包括本实用新型实施例提供的普适型手术机器人执行器。