一种夹手、双机械臂及经自然腔道进行手术的手术机器人

技术领域

本申请涉及医疗设备领域，具体而言涉及一种夹手、双机械臂及经自然腔道进行手术的手术机器人。

背景技术

目前，由于手术机器人的机械臂自由度较低，操作较为复杂等因素的制约，极大的限制了手术机器人的发展。而内镜下粘膜剥离术(ESD)是最主要及最常用的用于切除消化道早期肿瘤的内镜手术方式，属于四级手术，应用高频电刀可实现较大病变的整块切除，并提供准确的病理诊断分期，适应病灶可大于2厘米。

另外，自然腔道包括食管自然腔道和肛肠自然腔道,肛肠的直径为2-3cm，食管的直径2-3cm，食管的生理性狭窄部分直径1.5cm，所以在进行食管癌，胃癌和结直肠癌的ESD手术中,直径较小的机械臂能够通过人体的自然腔道进入到手术位置，进行相关的手术操作，这种手术方式对比以前传统的外科手术，具有创伤性小、整块切除率高、局部复发率及不良事件发生率低等优点。

此外，ESD的操作要求高，医生需要培训半年才可以独立做手术，操作风险较大、穿孔等并发症发生率很高。医生进行ESD手术时，在狭窄工作空间内进行的手术操作极其不便利：内窥镜的单通道导致手术器械更换的不便，医生在手术时面临视线狭窄，对粘膜下的病变组织缺乏强有力的器械进行牵引和抬拉。

本发明提出一种夹手、双机械臂及经自然腔道进行手术的手术机器人，能够帮助医生在ESD手术中顺利完成各种夹持固定，剥离和止血等操作。解决了现有手术中医生视线狭窄，仅能通过单通道中的内窥镜的镜头进行观察，大多数场景凭借经验进行器械的推进或者后退。并且在消化道内器官的空间和直径都有限，需要一种经自然腔道的直径较小且易于操作的双机械臂进行手术，其中一个机械臂进行抬拉和牵引表层粘膜的操作，另外一个机械臂进行具体的切割和止血等操作。这些是区别于以往一些手术机器人的主要优势。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供了一种夹手，包括罩壳、驱动装置、控制装置、夹持部及基体，所述驱动装置包括有电机、主动齿轮、从动齿轮及弹性部件，所述控制装置包括有抬引使能拨钮、推杆、复位弹簧一、拨钮支架、微动开关及PCB电路板，所述微动开关包括有复位弹簧二、导向键及连接器；所述控制装置通过PCB电路板将信号传输到所述驱动装置，驱动所述夹持部的张开和闭合。所述电机输出端与所述主动齿轮连接，所述主动齿轮及所述从动齿轮为半齿轮且部分啮合，所述主动齿轮及从动齿轮的一端开口，销轴穿过所述开口与所述夹持部固定连接；所述弹性部件的两端与所述夹持部固定，所述弹性部件本体固定在所述罩壳内；拨动所述拨钮使所述拨钮支架前后移动，所述拨钮支架移动过程中推动所述导向键移动，实现所述微动开关的开闭；所述复位弹簧一在手指离开所述拨钮时使拨钮恢复到原始状态，所述微动开关将所述信号传递到所述PCB电路板，所述电机接收所述PCB电路板信号，控制电机转动角度实现所述夹持部的张开和闭合。

进一步的，本发明还公开了一种双机械臂，包括左侧机械臂、右侧机械臂及夹手；所述左侧机械臂包括：姿态调整操纵机械臂一、信号执行关节臂一及夹手；所述右侧机械臂包括：夹手、姿态调整操纵机械臂二、切止使能拨钮及信号执行关节臂二；所述左侧机械臂进行抬拉和牵引表层粘膜的操作，右侧机械臂进行切割和止血的操作；所述信号执行关节臂一与所述信号执行关节臂二结构相同，具体包括控制底座、第一关节支臂、第二关节支臂、第三关节支臂、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器。

进一步的，所述第一关节支臂的头部与所述控制底座以转动副形式连接，空间具有二自由度；所述第一关节支臂的尾部与所述第二关节支臂的头部以转动副形式连接，空间具有四自由度；所述第二关节支臂的尾部与所述第三关节支臂的头部以转动副形式连接，空间具有六自由度；所述第一霍尔传感器用于监测反馈所述第一关节支臂相对所述控制底座转动的增量角，所述第二霍尔传感器用于监测反馈所述第二关节支臂相对所述第一关节支臂转动的增量角，所述第三霍尔传感器用于监测反馈所述第三关节支臂相对所述第二关节支臂转动的增量角。

更进一步的，所述夹手与所述第三关节支臂连接，所述夹手用于控制抓钳对病患者的病灶手术位置进行抬拉和牵引表层粘膜的操作，并模拟手术视野下的医生指部实操动作；所述抬引使能拨钮与所述第三关节支臂连接，所述抬引使能拨钮用于操纵所述从手执行部的抓钳姿态是否处于可调控状态；所述夹手与所述第三关节支臂连接，所述夹手用于控制所述双机械臂的电刀对病患者的病灶手术位置进行切割和止血的操作，并模拟手术视野下的医生指部实操动作；所述切止使能拨钮与所述第三关节支臂连接，所述切止使能拨钮用于操纵所述从手执行部的电刀姿态是否处于可调控状态；所述第一关节支臂相对所述连接座转动的轴心，与所述第二关节支臂相对所述第一关节支臂同心垂直转动；所述第二关节支臂相对所述第一关节支臂轴心线转动，与所述第三关节支臂相对所述第二关节支臂转动的轴心线平行。

更进一步的，所述姿态调整操纵机械臂一与所述姿态调整操纵机械臂二结构相同，具体包括第四关节支臂、第五关节支臂和第六关节支臂，所述第四关节支臂的头部与所述第三关节支臂的尾部以转动副形式连接，所述第四关节支臂的尾部与所述第五关节支臂的头部以转动副形式连接，所述第五关节支臂的尾部与所述第六关节支臂的头部以转动副形式连接，所述第六关节支臂的尾部同样以转动副形式连接于指部夹手，所述左、右机械臂的使能拨钮和开合夹手均设于所述指部夹手；所述第四关节臂相对所述第三关节臂转动的轴心，与所述第五关节臂相对所述第四关节臂转动的轴心垂直；所述第五关节臂相对所述第四关节臂转动的轴心，与所述第六关节臂相对所述第五关节臂转动的轴心垂直。

本发明进一步公开了一种双机械臂的经自然腔道进行手术的手术机器人，包括主手控制单元、显示中控台、中控显示屏、左侧患情分析屏、右侧体征监测屏和伸缩调节支架、升降立柱以及双机械臂，所述中控显示屏倾斜固定连接在显示中控台头部，所述左侧患情分析屏位于显示中控台顶面左侧位置，所述右侧体征监测屏位于显示中控台顶面右侧位置，所述伸缩调节支架位于显示中控台顶面中后方，以立柱形式将左侧患情分析屏和右侧体征监测屏相对转动连接，可调节角度及方向；所述升降立柱顶部与显示中控台固定连接，底部嵌入主手控制台基座并固定连接；所述主手控制台基座包括移动脚轮、启停按钮、急停按钮；所述主手控制单元接收处理所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器的角度增量信号，所述控制单元还用于接收所述左、右机械臂使能拨钮、所述开合夹手发出的执行信号，所述控制单元还用于向所述从手执行部受驱单元输出控制信号。上述经自然腔道的手术机器人由医生控制台、患者侧手推车和显示设备组成，消化科医生在医生控制台操作输入装置，并将输入传给与远程操作的外科器械连接的患者侧手推车。医生控制台也称为主手，主手通常设有两个位于左右两侧的机械臂，用于满足操作输入装置的运动自由度要求。

本发明所公开的内容与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

1、本发明的夹手通过拨扭触发电信号，进而控制电机的转动角度，实现夹手的张开和闭合，并且齿轮采用半齿轮，一方面可方便实现主动齿轮和从动齿轮的传动，另一方面可以将齿轮的端部与夹手更加简单的固定，避免采用其他结构使得整个装置结构较为复杂，操作不方便。

2、通过医疗术中实操对信号传输机械臂的设置，操纵第三关节支臂移动时，可检测第一关节支臂结合处的相对转动角度、第二关节支臂结合处的相对转动角度和第三关节支臂结合处的相对转动角度，通过运动结构学求解可计算得到第三关节支臂的位置及角度变量，通过主从映射关系可以将第三关节臂的位置及角度变量以模拟信号输入主手控制系统，并转换输出为从手执行部器械的位置及角度变量，进而控制从手执行部器械的姿态，因此，医护人员只需在术中操作双机械臂，即可实现对从手执行部器械的终态控制，姿态调节方便，操作简单；

3、通过左、右机械臂各自安装使能按钮，可避免实际操作中从手执行部器械的误操，也可通过双机械臂及经自然腔道的手术机器人的平台基座操控面板上的启停和急停按钮实现误触发的保护功能；通过左、右机械臂各自安装开合按钮，可单独控制从手执行部器械的张开或合拢，以及弯曲转向，从而便于操作。

4、通过使用上述的双机械臂，可将第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第三霍尔传感器的角度增量信号反馈给控制单元，控制单元综合双机械臂的使能拨钮和开合夹手发出的信号后，对从手执行部驱动单元进行控制，进而使从手执行部器械做出前后、左右、上下位移，从而配合在ESD术中内窥镜的插入端进行自然腔道的表层粘膜剥离术，有利于对粘膜下的病变组织有力进行牵引和抬拉。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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附图。

图1为夹手结构示意图；

图2为夹手驱动结构剖面图；

图3为夹手结构的剖面图；

图4为本申请的双机械臂的立体图；

图5为本申请的双机械臂的单臂(右侧机械臂)立体图；

图6为本申请的双机械臂的右侧机械臂主视图；

图7为本申请的双机械臂的单侧第二关节支臂与第三关节支臂的结构连接爆炸图；

图8为本申请的手术机器人的立体图。

具体实施方式

以下详述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅适用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-8可知，根据本发明的第一方面实施例的一种夹手，包括罩壳1、驱动装置2、控制装置3、夹持部4及基体5，所述驱动装置2包括有电机21、主动齿轮22、从动齿轮23及弹性部件24，所述控制装置3包括抬引使能拨钮31、推杆32、复位弹簧一33、拨钮支架34、微动开关35及PCB电路板36，所述微动开关35包括有复位弹簧二351、导向键352及连接器353；所述控制装置3通过PCB电路板36将信号传输到所述驱动装置2，驱动所述夹持部4的张开和闭合。

此外，所述电机21输出端与所述主动齿轮22连接，所述主动齿轮22及所述从动齿轮23为半齿轮且部分啮合，所述主动齿轮22及从动齿轮23的一端开口，销轴穿过所述开口与所述夹持部4固定连接；所述弹性部件24的两端与所述夹持部4固定，所述弹性部件本体固定在所述罩壳内；拨动所述抬引使能拨钮31使所述拨钮支架34前后移动，所述拨钮支架34移动过程中推动所述导向键352移动，实现所述微动开关35的开闭；所述复位弹簧一33在手指离开所述抬引使能拨钮31时使其恢复到原始状态，所述微动开关35将所述信号传递到所述PCB电路板36，所述电机21接收所述PCB电路板36信号，控制电机21转动角度实现所述夹持部4的张开和闭合。

其中双机械臂包括左侧机械臂和右侧机械臂；其中左侧机械臂与右侧机械臂的各个支臂及连接关系是相同的，就不单独进行描述。具体的，左侧机械臂100包括夹手、姿态调整操纵机械臂一300及信号执行关节臂一200；右侧机械臂100’包括夹手、切止使能拨钮140、信号执行关节臂二200’。信号执行关节臂一200包括控制底座210、第一关节支臂240、第二关节支臂250、第三关节支臂260、第一霍尔传感器220、第二霍尔传感器230和第三霍尔传感器270，第一关节支臂240的头部与控制底座210以转动副形式连接，空间具有二自由度；第一关节支臂240的尾部与第二关节支臂250的头部以转动副形式连接，空间具有四自由度；第二关节支臂250的尾部与第三关节支臂260的头部以转动副形式连接，空间具有六自由度；第一霍尔传感器220用于监测反馈第一关节支臂240相对控制底座210转动的增量角，第二霍尔传感器230用于监测反馈第二关节支臂250相对第一关节支臂240转动的增量角，第三霍尔传感器270用于监测反馈第三关节支臂260相对第二关节支臂250转动的增量角；夹手与第三关节支臂260连接，夹手用于控制所述双机械臂经自然腔道手术机器人从手执行部的抓钳对病患者的病灶手术位置进行抬拉和牵引表层粘膜的操作，并模拟手术视野下的医生指部实操动作；抬引使能拨钮31与第三关节支臂连接260，抬引使能拨钮31用于操纵从手执行部的抓钳姿态是否处于可调控状态；第一关节支臂240相对控制底座210转动的轴心，与第二关节支臂250相对第一关节支臂240同心垂直转动；第二关节支臂250相对第一关节支臂240轴心线转动，与第三关节支臂260相对第二关节支臂250转动的轴心线平行；通过以上三个转动自由度，利用运动学分析完全确定第三关节臂150的位置，进而便于控制从手执行部器械的姿态；此外，通过设置这三个转动自由度，可较好地避免干涉碰撞(参照图6)。

此外，夹手与第三关节支臂260连接，夹手用于控制所述双机械臂经自然腔道手术机器人从手执行部的电刀对病患者的病灶手术位置进行切割和止血的操作，并模拟手术视野下的医生指部实操动作；切止使能拨钮140与第三关节支臂260连接，切止使能拨钮140用于操纵所述从手执行部的电刀姿态是否处于可调控状态；

结合上述，通过设置信号执行关节臂一200，在操纵第三关节支臂260移动时，可检测第一关节支臂240结合处的相对转动角度、第二关节支臂250结合处的相对转动角度和第三关节支臂260结合处的相对转动角度，通过运动结构学求解可计算得到第三关节支臂260的位置及角度变量，通过主从映射关系可以将第三关节臂260的位置及角度变量以模拟信号输入主手控制系统，并转换输出为从手执行部器械的位置及角度变量，进而控制从手执行部器械的姿态，因此，医护人员只需在术中操作双机械臂，即可实现对从手执行部器械的终态控制，姿态调节方便，操作简单；此外，通过左、右机械臂各自安装使能按钮，可避免实际操作中从手执行部器械的误操，也可通过双机械臂及经自然腔道的手术机器人的平台基座操控面板上的启停和急停按钮实现误触发的保护功能；通过左、右机械臂各自安装开合按钮，可单独控制从手执行部器械的张开或合拢，以及弯曲转向，从而便于操作。

具体的，参照图6，以第二关节支臂250和第三关节支臂260之间的连接结构，来说明如何实现转动连接的。第二关节支臂250的右端设有转轴251，转轴251上套设一个轴承252后，插设在轴承座253的第三通孔255中，之后套上另一个轴承252。第三通孔255的内表面固定有环形挡圈256，两个轴承252分别位于环形挡圈256的两侧。左侧的轴承252通过环形挡圈256和转轴251上的轴肩定位，右侧的轴承252通过卡簧254和环形挡圈256定位。第三关节支臂260通过螺钉与轴承座253固定连接，由此第二关节支臂250和第三关节支臂260实现了转动连接。类似的，第一关节支臂240与控制底座210之间的连接结构，以及第一关节支臂240与第二关节支臂250之间的连接结构，均与第二关节支臂250和第三关节支臂260之间的连接结构类同，并且左侧机械臂与右侧机械臂中第二关节支臂和第三关节支臂之间的连接结构也是相同的，在此就不在重复描述。

此外，第三霍尔传感器270可选择具磁性霍尔旋转编码器，具磁性霍尔旋转编码器包括磁缸271和PCB板272。磁缸271粘接固定在转轴251右端的定位孔中，PCB板272通过螺钉固定在第三关节支臂260上，PCB板272上固定有霍尔效应传感器，检测磁感应信号。

具体的，第一关节支臂240与控制底座210两者轴心沿上下方向相对转动布置，第二关节支臂250与第一关节支臂240两者轴心沿左右方向相对转动布置，第三关节支臂260相对第二关节支臂250两者轴心同样沿左右方向相对转动布置。

在本发明的一些实施例中，第一关节支臂240相对连接座转动的轴心，与第二关节支臂250相对第一关节支臂240转动的轴心垂直；第二关节支臂250相对第一关节支臂240转动的轴心，与第三关节支臂260相对第二关节支臂250转动的轴心垂直。此时，第三关节支臂260上的某点的轨迹位于球心固定的球面上，通过运动学分析完全确定第三关节支臂260的位置，进而便于控制从手执行部器械的姿态。

参照图1-8，在本发明的一些实施例中，姿态调整操纵机械臂一300，包括第四关节支臂310、第五关节支臂320和第六关节支臂330，所述第四关节支臂310的头部与所述第三关节支臂260的尾部以转动副形式连接，所述第四关节支臂310的尾部与所述第五关节支臂320的头部以转动副形式连接，所述第五关节支臂320的尾部与所述第六关节支臂330的头部以转动副形式连接，所述第六关节支臂330的尾部同样以转动副形式连接于指部夹手100，所述左、右机械臂的使能拨钮和开合夹手均设于所述指部夹手100。此外，姿态调整操纵机械臂二的结构与姿态调整操纵机械臂一结构相同，在此就不做单独描述。

以右侧机械臂为例，通过设置操作姿态调整机械臂一300，可将第六关节支臂330调整到合适的位置，从而方便工作人员操作。将夹手和切止使能拨钮140设置在第六关节支臂330上，便于工作人员在握持第六关节支臂330时随时操控。通过操作第六关节支臂330，可对第三关节支臂260的位置实时调整，左侧机械臂功能性与上述相同，在此不重复描述。具体的，四关节支臂310和第五关节支臂320以转动结构连接，第五关节支臂320和第六关节支臂330也以转动结构连接，均与第二关节支臂250和第三关节支臂260之间的转动连接结构类同。

更近一步的，参照图5-6，在本发明的进一步实施例中，第四关节支臂310与第三关节支臂260相对转动的轴心，与第五关节支臂320与第四关节支臂310转动的轴心相垂直；第五关节支臂320与第四关节支臂310相对转动的轴心，与第六关节支臂330相对第五关节臂420转动的轴心相垂直；当第三关节支臂260固定时，根据运动机构学原理，会获取第六关节支臂330上的某点轨迹位于球心固定的球面上，实现第六关节支臂330任意位置的灵活移动。

更进一步的，主手控制单元，接收处理第一霍尔传感器220、第二霍尔传感器230、第三霍尔传感器270的角度增量信号，控制单元还用于接收左、右机械臂使能拨钮、开合夹手发出的执行信号，控制单元还用于向从手执行部受驱单元输出控制信号；通过使用上述的主手控制单元，可经双机械臂将左侧机械臂、右侧机械臂进行实时操控调节，满足在ESD手术中的各种夹持固定，剥离和止血等协调操作。符合在消化道内器官的空间和直径等有限空间内，实现经自然腔道的直径较小且易于操作的双机械臂手术操控，完成左侧机械臂进行抬拉和牵引表层粘膜的操作及右侧机械臂进行具体的切割和止血等操作功能。

依据本发明的第二方面实施例的双机械臂及经自然腔道进行手术的手术机器人，包括上述的主手控制单元，还包括：显示中控台400包括中控显示屏410、左侧患情分析屏420、右侧体征监测屏430、伸缩调节支架440，中控显示屏400倾斜固定连接在显示中控台400头部(参考人体工程学设计)，用于对手术视野下的病灶全景进行实景展示；左侧患情分析屏420位于显示中控台400顶面左侧位置，给医疗环境中的工作人员提供患者情况的病例分析和术中操作的实时分析；右侧体征监测屏430位于显示中控台400顶面右侧位置，给医生提供患者在术中的实时体征监测数据，以便随时把控整体进度；伸缩调节支架440位于显示中控台400顶面中后方，以立柱形式将左侧患情分析屏420和右侧体征监测屏430相对转动连接，可调节角度及方向；升降立柱500的顶部与显示中控台400固定连接，底部嵌入主手控制台基座600并固定连接，升降立柱500从人体工程学角度针对使用者不同的身高高度进行高度范围调节；主手控制台基座600包括移动脚轮610、启停按钮620、急停按钮630；

综上所述，本申请提出的一种具有上述双机械臂的经自然腔道进行手术的手术机器人可满足常规手术中对经食管直径为2-3cm和经肛肠直径为2-3cm的自然腔道病例诊治，主要覆盖治疗区域为食管，胃部，直肠与乙状结肠面积部位，可轻松进入到手术位置进行相关的手术操作，较传统的外科手术，具有创伤性小、整块切除率高、局部复发率及不良事件发生率低等优点。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。