定位机械臂及血管介入手术辅助操作系统的制作方法

1.本公开实施例涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种定位机械臂及血管介入手术辅助操作系统。


背景技术：

2.血管腔内介入手术需要在x射线下进行操作，手术者必须穿戴铅衣等防护设备进行操作。长时间暴露于x射线下，必然会给手术者带来损伤。因此，十分迫切需要血管介入手术辅助操作系统来替代人操作。血管介入手术辅助操作系统通过操控机械手(或推进机构)对导丝、导管等腔内器具的运动进行控制，在进行手术时，还需要利用机械臂定位机械手与介入手术切口处的位置。
3.现有技术中，用于控制机械手的主动式定位机械臂，定位自由度不够多，不能随意拖动，只能按预定轨迹移动，通用性不强，且成本高；被动式定位机械臂是指机械臂关节没有安装驱动装置，需要通过外力使其运动，能够在人力作用下任意拖动，但是，被动式机械臂的局限性在于机构设计上需要实现自身的平衡，且由于机器人的运动是通过关节力反馈进行控制，仍难以进行精确位姿的调整。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术中存在的上述问题，本公开实施例提供一种定位机械臂及血管介入手术辅助操作系统，能够实现多方向的多自由度定位，适用范围广，且成本较低。
5.本公开实施例提供一种定位机械臂，包括：
6.基座，安装于手术台；
7.升降单元，安装于所述基座；
8.水平旋转单元，包括多个旋转臂以及多个平面旋转关节，多个所述旋转臂中的一个通过所述平面旋转关节与所述升降机构的顶部连接，各旋转臂之间通过所述平面旋转关节连接；
9.俯仰调节单元，所述俯仰调节单元的一端通过所述平面旋转关节与所述旋转臂连接，所述俯仰调节单元的另一端通过俯仰旋转关节与推进机构连接，所述升降单元升降能够通过所述水平旋转单元和所述俯仰调节单元带动所述推进机构同步升降，所述水平旋转单元旋转能够通过所述俯仰调节单元带动所述推进机构旋转以调节所述推进机构水平方向的角度并带动所述推进机构水平延伸或缩短，所述俯仰调节单元旋转能够带动所述推进机构围绕其中心沿竖直方向旋转以调节所述推进机构竖直方向的角度。
10.在一些实施例中，所述旋转臂包括上下设置的第一旋转臂和第二旋转臂，所述第一旋转臂的一端通过第一平面旋转关节与所述升降机构的顶部连接，所述第一旋转臂的另一端通过第二平面旋转关节与所述第二旋转臂的一端连接，所述第二旋转臂的另一端通过第三平面旋转关节与所述俯仰调节单元的一端连接。
11.在一些实施例中，所述升降单元包括安装于所述基座内的升降驱动部件以及与所
述升降驱动部件连接的升降筒，所述升降筒在所述升降驱动部件的作用下能够沿竖直方向移动伸出或缩回所述基座，以带动所述推进机构升降。
12.在一些实施例中，所述基座包括竖直的内壁，所述内壁上设有竖直的滑轨，所述升降筒的外壁设有与所述滑轨相配合的滑动件。
13.在一些实施例中，所述平面旋转关节包括第一旋转部件、第一无励磁制动器以及第一中空轴，所述第一中空轴穿过所述第一旋转部件和所述第一无励磁制动器将二者连接，所述第一旋转部件包括固定部分和可转动部分，所述固定部分与所述旋转臂的内壁固定连接，所述可转动部分与所述第一无励磁制动器传动连接。
14.在一些实施例中，所述第一旋转部件为中空的阻尼转轴或减速机。
15.在一些实施例中，所述旋转臂内还设用于固定线缆的束线座。
16.在一些实施例中，所述旋转臂的壳体为金属壳体。
17.在一些实施例中，所述定位机械臂还包括安装于所述基座的侧壁的固定单元，以将所述定位机械臂固定于所述手术台；
18.所述固定单元具有间隙，用于容纳位于所述手术台的一侧的扶手，所述固定单元包括位于所述间隙的一侧且相对设置的固定板和调节板，所述调节板能够相对于所述固定板移动，以将位于所述间隙内的所述扶手夹紧固定或解除所述夹紧固定。
19.本公开实施例还提供一种血管介入手术辅助操作系统，包括上述的定位机械臂。
20.与现有技术相比较，本公开实施例提供的定位机械臂及血管介入手术辅助操作系统通过多个旋转臂和多个平面旋转关节的配合，能够实现水平方向的多自由度定位，既能够改变推进机构的水平角(第一自由度)，又能够根据各旋转臂之间的相对移动，使得推进机构水平延伸或缩短(第二自由度)，一定程度上对推进机构的推进和后退起到辅助调节作用；同时，本公开实施例通过升降单元实现竖直方向的移动定位，通过与推进机构连接的俯仰旋转关节的旋转实现竖直平面内俯仰角的调节，从而实现机械臂全方位的多自由度定位，提高机械臂的适用范围；另外，平面旋转关节和俯仰旋转关节结构简单、调节方便，且能够降低机械臂的整体体积和重量，降低整机成本。
附图说明
21.在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所申请的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
22.图1为本公开实施例的定位机械臂的结构示意图；
23.图2为本公开实施例的升降单元的结构示意图；
24.图3为本公开实施例的旋转单元的局部结构示意图(去除部分壳体)；
25.图4为本公开实施例的旋转单元的另一方向的局部结构示意图；
26.图5为本公开实施例的旋转单元的立体剖视示意图；
27.图6为本公开实施例的平面旋转关节和俯仰旋转关节的结构示意图；
28.图7为本公开实施例的平面旋转关节和俯仰旋转关节的侧视剖视示意图；
29.图8为本公开实施例的固定单元的结构示意图；
30.图9为本公开实施例的固定单元的另一结构示意图(不含壳体)；
31.图10为本公开实施例的固定单元的又一结构示意图(不含部分壳体)。
32.附图标记：
33.10-手术台、101-扶手；
34.1-基座；2-升降单元、21-升降驱动部件、211-电动推杆、212-底座、22-升降筒、221-第一安装座；3-水平旋转单元、31-旋转臂、311-第一旋转臂、312-第二旋转臂、32-平面旋转关节、321-第一平面旋转关节、322-第二平面旋转关节、323-第三平面旋转关节、3201-第一旋转部件、3202-第一无励磁制动器、3203-第一中空轴、3204-第一转子毂；4-俯仰调节单元、41-俯仰旋转关节、411-第二旋转部件、412-第二无励磁制动器、413-第二中空轴、414-第二转子毂；51-滑轨、52-滑动件；6-束线座；7-固定单元、701-间隙、71-固定板、72-调节板、731-调节旋钮、732-传动部件、733-螺纹旋钮、734-螺纹孔板、74-导向部件、75-床面撑脚；8-触摸显示器、81-紧急开关。
具体实施方式
35.为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开实施例所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
37.为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开实施例省略了已知功能和已知部件的详细说明。
38.血管介入手术辅助操作系统通过手术者使用机械手操控导丝、导管、球囊、支架等一系列血管腔内器具在血管腔内进行前进、后退、旋转等操作，完成手术。血管腔包括心血管、脑血管、外周血管、主动脉、肿瘤血管等，治疗用的导丝、导管、球囊、支架有成百上千种，粗细、长短、软硬不一。例如，导丝、导管的长度通常较长，一般在1至3米。机器人用机械手(推进机构)动作的方向性虽然相对简单，但通常距离较长，因此，机械手臂需要具有“轨道”特性，并且能够持控不同粗细的腔内器具。在通过机械手对血管腔内器具的运动进行控制之前，还需要定位机械手与介入手术切口处的位置，以便找准手术入口位置，便于腔内器具伸入血管内。
39.图1至图7示出了本公开实施例的一种定位机械臂的结构示意图；图8至图10示出了本公开实施例的定位机械臂的固定单元的具体结构示意图。如图1至图10所示，本公开实施例提供了一种定位机械臂，包括基座1、升降单元2、水平旋转单元3以及俯仰调节单元4，
其中，基座1安装于手术台10；升降单元2安装于基座1；水平旋转单元3包括多个旋转臂31以及多个平面旋转关节32，多个旋转臂31中的一个通过平面旋转关节32与升降机构2的顶部连接，各旋转臂31之间通过平面旋转关节32连接；俯仰调节单元4的一端通过平面旋转关节32与旋转臂31连接，俯仰调节单元4的另一端通过俯仰旋转关节41与推进机构连接，升降单元2升降能够通过水平旋转单元3和俯仰调节单元4带动推进机构同步升降，水平旋转单元3旋转能够通过俯仰调节单元4带动推进机构旋转以调节推进机构水平方向的角度(水平角)并带动推进机构水平延伸或缩短，俯仰调节单元4旋转能够带动所述推进机构围绕其中心沿竖直方向旋转以调节4推进机构竖直方向的角度(俯仰角)。
40.本公开实施例提供的定位机械臂通过多个旋转臂31和多个平面旋转关节32的配合，能够实现水平方向的多自由度定位，既能够改变推进机构的水平角(第一自由度)，又能够根据各旋转臂31之间的相对移动，使得推进机构水平延伸或缩短(第二自由度)，一定程度上对推进机构的推进和后退起到辅助调节作用；同时，本公开实施例通过升降单元2实现竖直方向的移动定位(第三自由度)，通过与推进机构连接的俯仰旋转关节41的旋转实现竖直平面内俯仰角的调节(第四自由度)，从而实现机械臂全方位的多自由度定位，提高机械臂的适用范围；另外，平面旋转关节32和俯仰旋转关节41结构简单、调节方便，且能够降低机械臂的整体体积和重量，降低整机成本。
41.可以理解的是，俯仰调节单元4带动推进机构围绕其中心沿竖直方向的旋转是指推进机构在竖直平面内的旋转。
42.推进机构可以为导丝、导管等血管腔内器具的推进机构，以实现腔内器具的前进或后退，将器具送入血管内或从血管中取出。具体实施中，导丝、导管等器具作为耗材为一次性使用。
43.在一些实施例中，如图2所示，升降单元2包括安装于基座1内的升降驱动部件21以及与升降驱动部件21连接的升降筒22，升降筒22在升降驱动部件21的作用下能够沿竖直方向移动，伸出或缩回基座1，以带动推进机构升降。
44.本实施例中，升降驱动部件21包括电动推杆211和用于固定电动推杆211的底座212，电动推杆211的顶部通过推力轴承、挡圈以及销轴等部件与升降筒22固定连接。
45.如图2所示，升降筒22的顶部设有用于安装第一平面旋转关节321的第一安装座221。
46.在一些实施例中，如图3所示，基座1包括竖直的内壁，内壁上设有竖直的滑轨51，升降筒22的外壁设有与滑轨51相配合的滑动件52。
47.电动推杆211推动升降筒22沿竖直方向移动时，滑动件52沿滑轨51上下移动，可以对升降筒22的升降进行导向。为保证升降筒22升降的可靠性，本实施例中，在基座1的至少两个竖直的内壁上设置滑轨51。
48.在一些实施例中，如图3至图5所示，旋转臂31包括上下设置的第一旋转臂311和第二旋转臂312，第一旋转臂311的一端通过第一平面旋转关节321与升降机构2的顶部连接，第一旋转臂311的另一端通过第二平面旋转关节322与第二旋转臂312的一端连接，第二旋转臂312的另一端通过第三平面旋转关节323与俯仰调节单元4的一端连接。
49.通过控制第一平面旋转关节321可以对第一旋转臂311的水平旋转进行调节，通过控制第二平面旋转关节321可以对第二旋转臂312的水平旋转进行调节，通过控制第三平面
旋转关节323可以对俯仰调节单元4的水平旋转进行调节，从而对推进机构的水平角进行调节，并根据旋转关节调节时第一旋转臂311、第二旋转臂312以及俯仰调节单元4的水平移动位置使得推进机构延伸或缩短，推进机构能够延伸的最长距离为第一旋转臂311的第一长度l1、第二旋转臂312的第二长度l2以及俯仰调节单元4的第三长度l3之和，缩短的最短距离为第一长度l1和第二长度l2中较长的长度。
50.本实施例中，第二旋转臂312位于第一旋转臂311的下方，相应地，俯仰旋转关节41位于第二旋转臂312的下方。
51.优选地，第一旋转臂311的第一长度l1和第二旋转臂312的第二长度l2相同，在实现延伸和缩回的同时，有利于整体外形美观。
52.另一优选实施例中，位于上方的第一旋转臂311的第一长度l1大于第二旋转臂312的第二长度l2，以防止第一旋转臂311和第二旋转臂312上下重叠后，第二旋转臂312碰撞到基座1或升降机构2。
53.在另一实施例中，第二旋转臂312也可以位于第一旋转臂311的上方，相应地，俯仰旋转关节41位于第二旋转臂312的上方。当第二旋转臂312设于第一旋转臂311的上方时，由于第一旋转臂311安装于升降机构2的顶部，因此，第二旋转臂312与基座1或升降机构2不会发生碰撞，第二旋转臂312的长度可以为任意长度。
54.具体实施中，可以根据实际需要设置更多数量的旋转臂31以及对应的平面旋转关节32。
55.在一些实施例中，如图3至图5所示，平面旋转关节32包括第一旋转部件3201、第一无励磁制动器3202以及连接第一旋转部件3201和第一无励磁制动器3202的第一中空轴3203，第一中空轴3203穿过第一旋转部件3201和第一无励磁制动器3202将二者连接。
56.第一旋转部件3201包括固定部分和可转动部分，固定部分与旋转臂31的内壁固定连接，用于将第一旋转部件3201整体固定，可转动部分3212与第一无励磁制动器3202传动连接，并在受力后能够相对于固定部分转动，从而实现平面旋转关节32的旋转。第一旋转部件3201与第一中空轴3203通过设于第一旋转部件3201的螺栓孔或顶丝孔固定连接。
57.第一旋转部件3201优选为中空的阻尼转轴或减速机，可以提高第一无励磁制动器3202的制动能力，保证平面旋转关节32在不通电状态下即使存在较大的扭矩也无法旋转，保证推进机构的稳定定位。中空的阻尼转轴或减速机通过轴承与第一中空轴3203连接。
58.另一些实施例中，可以在减速机中设置有制动器，即无需设置专门的第一无励磁制动器3202，即可实现第一旋转部件3201的制动。
59.第一无励磁制动器3202用于在第一旋转部件3201的旋转停止后进行制动，以保证推进机构的稳定定位。第一无励磁制动器3202可以在不通电时实现紧急制动，并长时间保持停止状态以及防止机械空转，进行制动和保持位置，保证机械臂定位的稳定性和可靠性。
60.平面旋转关节32还包括用于连接第一中空轴3203和第一无励磁制动器3202的第一转子毂3204，第一转子毂3204套设于第一中空轴3203的外周，并位于第一无励磁制动器3202的上方，第一转子毂3204上设有螺栓孔或顶丝孔，以将第一中空轴3203和第一无励磁制动器3202固定连接。通过设置第一转子毂3204可以实现第一无励磁制动器3202安装时的精准定位，并防止其偏移。
61.在一些实施例中，如图3和图5所示，旋转臂31内还设用于固定线缆的束线座6。使
得旋转臂31的内部走线结构简洁，满足医疗要求。
62.在一些实施例中，旋转臂31的壳体为金属壳体，可以进行电磁屏蔽，防止对第一无励磁制动器3202的工作造成影响。
63.本实施例中，通电时平面旋转关节32即可旋转，以便定位至合适的位置；不通电时，平面旋转关节32处于常闭状态，第一旋转部件3201受力不足时无法旋转，第一旋转部件3201(通过与旋转臂31的壳体连接的固定部分受力)受力足够时能够旋转，即本实施例中的定位机械臂，既能够实现主动式定位又能够实现被动式定位，从而实现精确定位；另外，平面旋转关节32结构简单、合理，传动平稳、可靠，且能够有效降低关节成本。
64.特别地，本实施例中，定位机械手臂可以在空间三坐标大范围内分别进行多个自由度的定位，有利于通过被动控制将定位机械手臂调整到合适的位置，提高调节方便性。
65.如图4、图6和图7所示，俯仰旋转关节41为垂直面内的旋转关节，俯仰调节单元4还包括用于容纳俯仰旋转关节41的壳体，俯仰旋转关节41的结构与平面旋转关节32的结构类似，包括第二旋转部件411、第二无励磁制动器412以及连接第二旋转部件411和第二无励磁制动器412的第二中空轴413，第二旋转部件411的固定部分与第二壳体的内壁固定连接，第二旋转部件411的可转动部分与第二无励磁制动器412可转动连接，第二无励磁制动器412与第二中空轴413通过第二转子毂414固定连接，从而实现第二旋转部件411和第二无励磁制动器412的传动连接，俯仰旋转关节41的具体连接结构参考上述平面旋转关节32，此处不再赘述。
66.在一些实施例中，如图1和图2所示，基座1内还设有用于容纳电气部件的容纳空间，且可以依次通过基座1的内向、旋转臂31的内腔以及俯仰调节单元4的内腔进行布线，保证线缆的走线清晰。
67.在一些实施例中，如图1所示，定位机械臂还包括安装于基座1的侧壁的固定单元7，以将定位机械臂快速固定于手术台10。
68.如图8至图10所示，固定单元7具有间隙701，用于容纳位于手术台10的一侧的扶手101，固定单元7包括位于间隙701的一侧且相对设置的固定板71和调节板72，通过调节调节板72能够使得调节板72相对于固定板71移动，将插入间隙701的扶手101夹紧固定或解除该夹紧固定，将固定单元7(包括与固定单元7连接的基座1)从手术台10的床侧取下。
69.本实施例中，固定板71的壳体上开设有间隙701，固定板71固定于壳体的一侧内壁上，调节板72位于壳体内并与固定板71活动连接，调节板72和壳体的另一侧内壁形成间隙701。
70.固定单元7还包括用于带动调节板72移动的调节机构。调节机构包括调节旋钮731、传动部件732以及螺纹组件，螺纹组件包括相互配合连接的螺纹旋钮733和螺纹孔板734，螺纹孔板734固定与固定板71，螺纹旋钮733穿过调节板72与螺纹孔板734上的螺纹孔连接，螺纹旋钮733通过传动部件732与调节旋钮731连接。
71.本实施例中，传动部件732优选为传送带，便于将调节旋钮731和螺纹旋钮733传动连接。具体实施中，传动部件732也可以为齿轮或传动带与齿轮的结合。
72.旋转调节旋钮731时，调节旋钮731转动会带动传送带运动，从而带动螺纹旋钮733同步转动，拧入螺纹孔板734的螺纹孔中或从螺纹孔中旋出，进而带动调节板72移动，对扶手101进行固定或解除固定。
73.在一些实施例中，固定单元7还包括安装于调节板72的导向部件74，以对调节板72的移动进行导向，防止其移动偏移，保证对扶手101夹持的可靠性，或在扶手101的解除固定后，便于将定位机械臂从手术台10拆下。本实施例中，导向部件74为穿设于固定板71和调节板72，并与固定板71固定连接的导向套筒。
74.在一些实施例中，固定单元7还包括用于对手术台10的床面进行支撑的床面撑脚75，以保证定位机械臂安装于手术台10后的稳定性和可靠性。
75.通过上述固定单元7，使得定位机械臂可以适用于不同尺寸的手术台10或手术床，整体基座1位于床旁外侧，不占用床面空间，通用性强。
76.在一些实施例中，如图1所示，定位机械臂还包括触摸显示器8，触摸显示器8与控制单元电连接，以使用户能够实时查看定位机械臂的定位信息，并能够通过触控方式控制定位机械臂的工作。触摸显示器8上还设有紧急开关81，以在紧急条件下进行紧急制动，保证手术的安全性。
77.定位机械臂还包括与控制单元电连接的通信单元，通过通信单元可以实现定位机械臂的远程操作。即可以通过计算机或手机等设备远程控制定位机械臂。
78.本公开实施例还提供一种血管介入手术辅助操作系统，包括上述的定位机械臂，血管介入手术辅助操作系统还包括推进机构，推进机构安装于俯仰调节单元4的前端并通过俯仰旋转关节41与俯仰调节单元4活动连接。
79.本实施例中，血管介入手术辅助操作系统的定位机械臂优选为手动和自动同时控制的定位机械臂，可以根据用户的定位需求，在三维坐标范围内任意调节，调节方便，且能够实现精确定位。
80.以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
81.尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
82.以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围。