一种用于微创手术的机器人

1.本发明涉及医疗器械，尤其涉及一种用于微创手术的机器人。


背景技术：

2.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。
3.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。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。
4.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；线驱动机器人则存在形状变化单一的缺陷；且末端执行器多与机械臂固定，导致其无法进行更换或更换速度慢，大大限制了手术机器人的使用范围。
5.因此,如何开发一种稳定可靠，形状变化多样，尺寸微小且末端执行器可快速更换的柔性微创手术机器人，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.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机器人。
7.本发明提供了一种用于微创手术的机器人，包括线驱动载板模块、直线驱动模块、机器人柔性臂模块、末端执行模块和机器人支架模块；所述线驱动载板模块、直线驱动模块分别安装在机器人支架模块上，所述机器人支架模块与所述线驱动载板模块为直线前后导向配合；所述线驱动载板模块分别与所述机器人柔性臂模块、末端执行装置连接，驱动所述机器人柔性臂模块进行弯曲运动，并且驱动所述末端执行装置进行夹取工作；所述直线驱动模块与所述线驱动载板模块相连，驱动所述线驱动载板模块进行直线前后运动，所述机器人柔性臂模块跟随所述线驱动载板模块进行前后运动；所述末端执行模块安装在所述机器人柔性臂模块上。
8.作为本发明的进一步改进，所述机器人柔性臂模块由至少两个线驱管相互嵌套构成，所述线驱管的前部为前后铰接的蛇形管关节构成，后部为弹簧管，所述蛇形管关节至少
包含四个柔性臂线绳通孔，所述柔性臂线绳通孔绕所述蛇形管关节的周向间隔分布，所述柔性臂线绳通孔内含柔性臂线绳，所述柔性臂线绳一端与所述线驱管的前端连接，另一端与所述线驱动载板模块连接，所述弹簧管固定在所述线驱动载板模块上，所述线驱管与所述线驱动载板模块一一对应，不同的线驱管对应安装在不同的线驱动载板模块上，每个线驱动载板模块连接一个直线驱动模块，不同线驱管由不同的直线驱动模块和线驱动载板模块驱动。
9.作为本发明的进一步改进，每个所述线驱管的长度从最外层管到最内层管依次变长，所述线驱管的弹簧管始终在其外一层的线驱管内部，前后两个所述蛇形管关节之间设有空隙。
10.作为本发明的进一步改进，所述蛇形管关节的前端面设有沿轴向凸起的圆弧形的凸起结构，所述圆弧形的凸起结构有两个并且绕所述蛇形管关节的周向间隔180度分布，所述蛇形管关节的后端面设有圆弧形的凹槽结构，所述圆弧形的凹槽结构有两个并且绕所述蛇形管关节的周向间隔180度分布，位于同一个所述蛇形管关节上的圆弧形的凸起结构与圆弧形的凹槽结构间隔90度分布，位于后面的所述蛇形管关节的圆弧形的凸起结构与位于前面的所述蛇形管关节的圆弧形的凹槽结构前后铰接，所述圆弧形的凸起结构、圆弧形的凹槽结构上均设有所述柔性臂线绳通孔。
11.作为本发明的进一步改进，所述柔性臂线绳由镍钛合金制成，某一方向所述柔性臂线绳的长度缩短时，线驱管发生形变，向缩短的柔性臂线绳的对应方向弯曲，且长度缩短程度不同，弹性形变不同；所述柔性臂线绳返回原有长度后，线驱管恢复原有状态，所述线驱管外层套有食品级透明热缩管。
12.作为本发明的进一步改进，所述机器人支架模块包含支撑端端板，固定端端板，柔性臂支撑，光轴，法兰盘联轴器，固定端轴承座和支撑端轴承座，所述柔性臂支撑安装在所述支撑端端板上，所述机器人柔性臂模块穿过所述柔性臂支撑，所述光轴通过法兰联轴器固定在所述支撑端端板与所述固定端端板之间，所述固定端轴承座固定在所述固定端端板上，所述支撑端轴承座固定在所述支撑端端板上，所述线驱动载板模块与所述光轴为滑动配合，所述光轴用于约束所述线驱动载板模块的旋转，并引导所述线驱动载板模块的直线运动。
13.作为本发明的进一步改进，所述直线驱动模块包含丝杠，丝杠螺母，丝杠螺母座，减速电机，电机支架和梅花联轴器，所述丝杠通过所述支撑端轴承座与所述固定端轴承座固定在所述支撑端端板与所述固定端端板之间，所述丝杠螺母安装在所述丝杠上，所述丝杠螺母座与所述丝杠螺母固定，所述丝杠螺母座与所述线驱动载板模块连接，所述电机支架固定在所述固定端端板上，所述减速电机固定在所述电机支架上，所述减速电机通过所述梅花联轴器与所述丝杠相连，驱动丝杠旋转，从而驱动所述线驱动载板模块进行直线前后运动。
14.作为本发明的进一步改进，所述线驱动载板模块至少有两个，分为左固定线驱动载板模块，右固定线驱动载板模块，两者为相互镜像关系，且一个线驱管对应一个线驱动载板模块，所述线驱动载板模块包含支撑架，线驱管用舵机，舵盘，绕线臂和直线轴承，其中，与最内管相连接的线驱动载板模块还额外含有执行器用舵机和执行器用舵机支架，所述线驱管用舵机安装在所述支撑架上，所述执行器用舵机支架固定在所述支撑架上，所述执行
器用舵机与所述执行器用舵机支架固定，所述线驱管用舵机与执行器用舵机均连接有所述舵盘，所述绕线臂与所述舵盘固定，所述机器人柔性臂模块的柔性臂线绳与固定在所述线驱管用舵机上的绕线臂固定连接，所述末端执行器模块的末端执行器线绳与固定在所述执行器用舵机上的绕线臂固定连接，所述支撑架通过所述丝杠螺母座与所述直线驱动模块连接，所述直线轴承固定在所述支撑架上，所述光轴穿过所述直线轴承。
15.作为本发明的进一步改进，所述末端执行模块包括固定部分和可更新部分，所述固定部分包括固定底座、连接拉杆、弹簧和固定端磁铁，所述固定底座的后端与所述机器人柔性臂模块的前端连接，所述固定底座的前端与所述连接拉杆相互嵌套，所述弹簧夹设在所述连接拉杆、固定底座之间，所述固定端磁铁设置在所述连接拉杆上，所述连接拉杆连接有末端执行器线绳，所述末端执行器线绳先后穿过所述固定底座、机器人柔性臂模块，再与线驱动载板模块连接；所述可更新部分包括拉杆、外层支架、可移动端磁铁、操作工具头和铰链臂，所述拉杆位于所述外层支架之内，所述操作工具头分别与所述外层支架、铰链臂铰接，所述拉杆的前端与所述铰链臂铰接，所述拉杆的后端与所述可移动端磁铁连接，所述可移动端磁铁与所述固定端磁铁相配合。
16.作为本发明的进一步改进，所述外层支架的后端设有径向凸起结构，所述固定底座上设有l型的锁止凹槽，安装时，将所述外层支架的径向凸起结构旋入所述固定底座的锁止凹槽之内，即可完成安装；所述拉杆上设有对接孔，所述可移动端磁铁设置在所述对接孔内，当固定部分和可更新部分连接时，所述连接拉杆插入所述对接孔内，所述可移动端磁铁与所述述固定端磁铁相吸附。
17.本发明的有益效果是：机器人柔性臂体积较小，灵活度高，避免了传统同心管机器人单端曲率恒定的限制，同时克服了传统线驱动机器人体积较大的缺点；末端执行装置可以实现快速装拆，扩大了本手术机器人的适用范围，克服了传统手术机器人末端执行器更换困难的缺点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的方案。
19.图1是本发明的一个实施例中用于微创手术的机器人结构图。
20.图2是本发明的一个实施例中机器人支架模块的三维结构图。
21.图3是本发明的一个实施例中直线驱动模块的三维结构图。
22.图4.1是本发明的一个实施例中机器人柔性臂模块线驱管蛇形管关节三维图。
23.图4.2是本发明的一个实施例中机器人柔性臂模块初始状态三维结构图。
24.图4.3是本发明的一个实施例中机器人柔性臂模块的一种弯曲状态的三维结构图。
25.图5.1是本发明的一个实施例中左固定线驱动载板模块的三维结构图。
26.图5.2是本发明的一个实施例中右固定线驱动载板模块的三维结构图。
27.图6.1是本发明的一个实施例中末端执行器模块固定部分的三维结构图。
28.图6.2是本发明的一个实施例中末端执行器模块可更新部分的部分剖视图。
29.图6.3是本发明的一个实施例中末端执行器工作状态的三维结构图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.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。
34.本发明提供了一种用于微创手术的机器人，图1是本发明的一个实施例中用于微创手术的机器人结构图,主要包括机器人支架模块100，直线驱动模块200，机器人柔性臂模块300，线驱动载板模块400，末端执行器模块500。
35.图2是本发明的一个实施例中机器人支架模块的三维结构图，机器人支架模块100包含支撑端端板101，固定端端板102，柔性臂支撑103，光轴104，法兰盘联轴器105，固定端轴承座106，支撑端轴承座107，柔性臂支撑103安装在支撑端端板101上，机器人柔性臂模块300穿过柔性臂支撑103，光轴104通过法兰联轴器105固定在支撑端端板101与固定端端板102之间，固定端轴承座106固定在固定端端板102上，支撑端轴承座107固定在支撑端端板101上。光轴103的作用是约束线驱动载板模块400的旋转，并引导线驱动载板模块400的直线运动。
36.图3是本发明的一个实施例中直线驱动模块的三维结构图，直线驱动模块200包含丝杠201，丝杠螺母202，丝杠螺母座203，减速电机204，电机支架205，梅花联轴器，丝杠201通过支撑端轴承座107与固定端轴承座106连接在所述支撑端端板101与固定端端板102之间，丝杠螺母202安装在丝杠201上，丝杠螺母202的作用是与丝杠201配合安装，在减速电机204的驱动下完成线驱动载板模块400的直线运动，丝杠螺母座203与丝杠螺母202固定，丝杠螺母座203的作用是将直线驱动模块200与线驱动载板模块400固定，电机支架205固定在固定端端板102上，减速电机204固定在电机支架205上，减速电机204通过梅花联轴器与丝杠201相连，驱动丝杠201旋转。
37.下面以图4.1，图4.2，图4.3作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，由图4.2，图4.3所示，机器人柔性臂模块300由内线驱管302和外线驱管301相
互嵌套构成，线驱管前部为蛇形管关节结构3001，由图4.1所示，蛇形管关节3001至少包含四个通孔30011，通孔30011内部可穿过线绳3002，蛇形管关节3001含有凸起结构30012和凹槽结构30013，安装时将两个蛇形管关节3001的凸起结构30012和凹槽结构30013对齐完成配合，配合后两蛇形管关节3001之间存在空隙。两线驱管后部均为弹簧管。每个线驱管长度从最外层管到最内层管依次变长，所述线驱管的弹簧管部分始终在其外一层的线驱管内部。如图4.2所示，内线驱管302和外线驱管301的初始状态为直管，当线驱动载板模块400拉动某一方向线绳3002时，线驱管的蛇形管关节3001之间根据该方向线绳3002长度变化不同产生不同的角度，角度叠加后线驱管即可弯曲不同的角度，最终可实现如图4.3所示的弯曲状态。内线驱管302与外线驱管301的后端均固定在对应的线驱动载板模块400上，减速电机204驱动丝杠201旋转，丝杠螺母202将丝杠201的旋转运动转化为平动，通过与线驱动载板模块400固定的丝杠螺母座203将该前后运动传递给线驱动载板模块400，由于线驱管的后端固定在线驱动载板模块400上，所以此前后运动可传递给机器人柔性臂模块300，实现内线驱管302和外线驱管301的前后运动。
38.线驱动载板模块400分为左固定线驱动载板模块410，右固定线驱动载板模块420，在本实施例中，与内线驱管302连接的是左固定线驱动载板模块410，与外线驱管301连接的是右固定线驱动载板模块410，图5.1是本发明的一个实施例中左固定线驱动载板模块的三维结构图。图5.2是本发明的一个实施例中右固定线驱动载板模块的三维结构图。左固定线驱动载板模块410含支撑架411，线驱管用舵机412，舵盘413，绕线臂414，直线轴承415，法兰联轴器416，执行器用舵机417，执行器用舵机支架418，右固定线驱动载板模块420含支撑架421，线驱管用舵机422，舵盘423，绕线臂424，直线轴承425，法兰联轴器426。内线驱管302的末端由法兰联轴器416固定在左固定线驱动载板模块410上，内线驱管302上相隔180
°
的两根线绳3002分别缠绕在与线驱管用舵机412固定的绕线臂414两端，线驱管用舵机412旋转带动绕线臂414旋转拉动某一方向线绳并放松另一端线绳，即可实现内线驱管301的弯曲。外线驱管301的末端由法兰联轴器426固定在右固定线驱动载板模块420上，外线驱管301上相隔180
°
的两根线绳分别缠绕在与线驱管用舵机422固定的绕线臂424两端，线驱管用舵机422旋转带动绕线臂424旋转拉动某一方向线绳并放松另一端线绳，即可实现外线驱管302的弯曲。与执行器用舵机417固定的绕线臂414上缠绕有末端执行器模块500的线绳。直线轴承415、425用于与光轴104配合安装，支撑架411、421与丝杠螺母座203固定。
39.下面以图6.1，图6.2，图6.3作为本发明的一个实施例，解释末端执行器模块500的安装与工作过程。末端执行器模块500分为固定部分510与可更新部分520，图6.1为固定部分510的三维结构图，固定部分510含固定底座511，连接拉杆512，弹簧513，固定端磁铁514，图6.2为可更新部分520的部分剖视图，可更新部分520含拉杆521，外层支架522，可移动端磁铁523，操作工具头524，铰链臂525，销钉526。固定底座511含圆形凹槽结构5112，可与内线驱管302的蛇形关节3001的凸起结构30012相配合，配合后固定底座511与蛇形关节3001之间没有空隙。弹簧513一段固定在固定底座511上，一端固定在连接拉杆512底部，连接拉杆512底部还与线绳5001固定，线绳5001穿过固定底座511与机器人柔性臂模块300中空部分与执行器用舵机417固定的绕线臂414相连。外层支架522、拉杆521，操作工具头524，铰链臂525通过销钉526形成铰链结构，拉杆521上下运动即可带动操作工具头524开合。外层支架522上含凸起结构5221，固定底座511上含凹槽5111，安装时使固定在拉杆521上的可移动
端磁铁523与固定在连接拉杆512上的固定端磁铁514互相吸附，将外层支架522上的凸起结构5221与固定底座511上的凹槽5111对齐配合，当外层支架522与固定底座511接触时，旋转外层支架522使其与固定底座511固定，即可完成安装，最终如图4.3所示。当执行器用舵机417旋转带动与其固定的绕线臂414旋转时，线绳5001拉紧，带动连接拉杆512向下运动，压紧弹簧513，由于磁铁之间的吸引，连接拉杆512向下运动可以带动拉杆521向下运动，使两操作工具头524闭合，当执行器用舵机417反向旋转带动与其固定的绕线臂414反向旋转时，线绳5001放松，弹簧513恢复成初始状态，推动连接拉杆512向上运动，由于磁铁之间的吸引，连接拉杆512向上运动可以带动拉杆521向上运动，使两操作工具头524打开。拆卸可更新部分520时，首先旋转外层支架522使凸起结构5221与凹槽5111分离，再将磁铁分离即可完成拆卸。
40.本发明提供的一种用于微创手术的机器人，机器人柔性臂外形尺寸小，灵活度高，能够很好的适用于狭窄多曲的自然腔道，克服了传统手术机器人形状变化单一、不够稳定的缺陷；末端执行装置可快速更换以适应不同手术场景需求，有效降低了时间成本。
41.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。