一种球窝关节手术机器人及其控制装置的制作方法

本发明涉及一种手术机器人系统，具体涉及一种球窝关节手术机器人及其控制装置。

背景技术：

随着科技的进步，越来越多的微创外科手术开始普及。微创手术具有创伤小、患者较容易恢复等优点，随着医用内窥镜技术的发展，微创手术越来越得到广泛的应用。但微创手术的观察视野狭小、手术区域不灵活，因此其手术难度比一般的普通手术难度要大得多。需要一名主刀医师和一名持镜操作师进行完美的配合，才能使一场手术达到理想的效果。而两者间的默契需要主刀医师和持镜操作师长期配合才能形成，且中间还存在很多不稳定的因素。微创外科手术中内窥镜通过体表固定的小切口进入体内完成手术，鉴于体表切口的约束和患者的手术安全性，要求内窥镜在切口处做定点运动。

目前达芬奇机器人是世界上商品化和临床化最成功的微创机器人，该机器人采用的开环平行四边形远心定位机构，依靠钢带同步约束来实现平行四边机构，该机构的缺点是在装配时需要借助装置寻找远心定位点。被动臂采用基于移动平台的机械臂集成，这种方式的缺点是整个机械系统体积较大，为了便于术前调整需要被动臂具有四个自由度，导致悬臂梁较长，使得机器人整体刚度降低。同时出于达芬奇微创机器人在这方面的专利壁垒考虑，而且现在大多数的手术器械装置的驱动是通过电机直接驱动，这样往往使得驱动电机布置在平台的上部，导致头重脚轻，增大了关节的驱动力矩，使得机械臂系统容易产生震动，大多数内窥镜驱动装置采用螺母丝杠传动方式，但这种方式不便于手动实现术前调整，竖向移动装置采用电机带动螺母丝杠方式来实现上下运动，整体体积比较大。因此研发一种新型的微创机器人机械臂系统对我国微创机器人领域发展具有重要意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种球窝关节手术机器人及其控制装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的球窝关节手术机器人，具有由球型件和关节座组成的球窝关节，所述关节座具有限位件，所述关节座内具有至少两组驱动组件，所述驱动组件用于驱动球型件运动；所述球型件上设有手术器械。优选，所述球型件的中心有通孔，所述通孔内穿设有手术器械。优选，手术器械为腹腔镜。优选关节座通过弹簧安装在关节活动框内，所述关节活动框与手术机器人固定支架连接。

具体地，所述两组驱动组件是结构相同或相似的第一驱动组件和第二驱动组件。优选，所述第一驱动组件的和第二驱动组件的安装位置相互垂直。

具体地，所述通孔内安装有第三驱动组件，所述第三驱动组件用于驱动手术器械运动。优选，所述第三驱动组件与所述手术器械啮合。

具体地，所述驱动组件包括驱动件和驱动电机，驱动件和驱动电机直接连接或通过传动装置联接。

具体地，所述的限位件是关节座外壳上的通孔，所述通孔直径小于球型件直径。

具体地，所述的限位件是关节座内的条形凹槽和球型件上的突出杆。

具体地，所述球型件和限位件位于球窝关节座外壳的偏心位。

具体地，所述球型件上设有可伸缩杆，所述可伸缩杆上设有手术器械。优选，可伸缩杆由伺服电机驱动伸缩。

具体地，还包括遥控装置。优选无线遥控装置。球窝关节上还装有电池，可以和控制台相互接收和发送控制信号。

本发明同时提供一种球窝关节手术机器人的控制装置，其特征在于：是在以上所述球窝关节手术机器人的结构基础上，采用感应组件替换球窝关节手术机器人的驱动组件，所述感应组件用于感应球型件相对球窝关节壳的运动。优选，球窝关节手术机器人的控制装置安装在手持手术器械或口罩上。

本发明同时提供一种有触觉反馈的球窝关节手术机器人，其特征在于：是在以上所述球窝关节手术机器人的结构基础上，所述驱动组件内还包括感应器，驱动件和感应器直接连接或通过传动装置联接，所述感应器感应驱动件的旋转运动。

操作者通过控制装置遥控球窝关节手术机器人执行左右、俯仰、旋转或前进等动作。可以有如下方式：1、手术助手在手术台下通过遥控装置控制球窝关节手术机器人运动。2、主刀医生在手术台上，自己用手通过手持器械上的遥控杆控制。3、主刀医生在手术台上，自己通过口罩上的遥控杆控制。

有益效果：

1.简易便携。单个球窝关节代替复杂的机械臂。每个球窝关节都可以单独包装运输，体积小，重量轻，便于携带和组装。在野外救援、航天航空中也可以应用。

2.便于批量生产。由于手术台下的控制装置和执行装置结构相同，使用时可以互相替换。生产时可以共用同一条生产线，同样的包装和同样的存储。损坏后可随时替换新部件，也可以作为一次性耗材使用。

3.减少手术人员配置。该系统可以让主刀医生在双手操作时，还能由唇舌和足部自由控制其他的机械臂，相当于多了几只手，减少一个扶镜医生或助手医生，也能避免两人沟通时发生的障碍。

4.结构简单，安装、调试简单。需要控制的部件少，系统简单，发生故障少，维修容易。经济性好，减少患者的经济负担。

5.拥有触觉反馈系统。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1是球窝关节手术机器人的示意图；

图2是球窝关节手术机器人内部结构示意图；

图3是驱动组件的结构示意图；

图4是实施例一中球窝关节手术机器人在手术中安装示意图

图5是关节支撑装置的结构示意图；

图6是球窝关节在关节支撑装置中偏转的原理示意图；

图7是控制台整体结构示意图；

图8是感应组件组件的结构示意图；

图9是实施例二中球型件内有驱动组件整体结构示意图；

图10是实施例三中防偏转固定架的结构示意图；

图11是实施例四中球型件内有驱动组件整体结构示意图；

图12是实施例五中是关节座是椭圆形外壳的结构示意图；

其中：其中：1-球型件，2-球窝关节，3-关节支撑装置，4-腹腔镜，5-驱动组件，6-感应组件，7-控制装置，8-手持器械；

11-球型件外壳，12-球型件通孔，13-第三驱动组件

21-关节座，22-防旋转横梁，23-防旋转固定架，24-电池，25-信号接受发生器，

31-关节活动框，32-悬挂弹簧，33-支撑杆，34-支撑架，

51-驱动件，52-驱动电机，53-传动装置，54-驱动件固定架，55-第一驱动组件，56-第二驱动组件，

61-感应件，62-旋转编码器，63-传动装置，64-感应件固定架，

71-手控关节座，72-手控球型件，73-手控杆，74-显示器，75-控制台支架，76-控制台支杆。

具体实施方式

实施例一

本实施例用于腹腔镜手术，本发明的球窝关节手术机器人用作持镜臂，替代一名手术助手。如图1所示，球窝机器人由球型件1和关节座21组成，关节座21上有圆形开口，开口圆直径小于球型件1直径，作为限位件将球型件1限制在关节座21内。

如图2所示，关节座21为两对称部分对合组成，对合后将球型件1卡位于关节座21内，被内部固定的4个驱动组件5共同夹住。驱动组件5由固定卡座和驱动件固定架54固定在关节座21内，与球型件1的接触点围绕球型件1中心点呈对称分布，并且都在和关节座21的底面平行的平面上。两个第一驱动组件55和两个第二驱动组件56的驱动方向分别在垂直的两个平面内，驱动组件的种类和位置在所安装部位对应的关节壳表面有标示。在一个非限制实施例中，关节壳为透明材料制成，可以直接看见内部不同组件的位置。

如图3所示，驱动组件5由驱动电机52驱动，通过传动装置53将动力传至驱动件51。本实施例中驱动件51为滚轴样结构，在另一实施例中也可以是滚珠样结构。通过驱动件固定架54固定在关节座21上。球窝关节手术机器人可以驱动腹腔镜4实现俯仰、摇摆，与人手操作腹腔镜器械进行俯仰、摇摆的运动相同。

如图4和图5所示，球窝关节手术机器人通过悬挂弹簧32弹性连接在关节活动框31内，关节活动框31通过固定在手术床上的支撑杆33和支撑架34架设在患者手术区域上方。腹腔镜4穿过球窝关节手术机器人中央的球型件1的通孔12进入腹腔内，主刀医生双手分别操作手持器械8进行手术。持镜医生在台下遥控球窝机器人的运动，不用再夹在主刀医生两手之间干扰其运动。

腹腔镜4通过患者皮肤上的穿刺口进入体腔，并以此穿刺口为中心旋转活动。因此要求腹腔镜4在围绕球型件1中心旋转的同时还要围绕皮肤穿刺口为中心旋转，两个中心点间隔距离至少为球型件1的半径大小。当腹腔镜4旋转时可能产生对患者的皮肤的不必要的损伤，而皮肤的张力也会影响球型件1旋转的精度。为了解决该问题，将球窝关节手术机器人通过悬挂弹簧32与关节活动框31联结，球窝关节手术机器人可以在关节活动框31内活动，从而使腹腔镜4可以容易地绕皮肤穿刺口旋转。

如图6所示，在非限制性实施例中，假想腹腔镜4的转动的中心点可以预设在腹壁穿刺鞘上的特定位置o点，球型件1偏转角为0度时，球窝关节手术机器人受周围弹簧牵拉，使球型件1的中心位于关节活动框31的中心点a点，直线ao是此时腹腔镜4的轴线。当球窝关节手术机器人被电动机驱动开始旋转后，腹腔镜4轴线ao以o点为旋转点偏转到bo，迫使球型件1移动到b点。在一个实施例中关节活动框31为长方体结构，abo三点构成一直角三角形，ao比bo短，ao偏转到bo所产生的位移可以由主机计算后予以位移补偿。在另一个实施例中，关节活动框31是半球结构，ao与bo长度相同或相差很小，ao偏转到bo所产生的位移为0或很小，可以不用补偿位移。

在一个实施例中球窝关节手术机器人被用于开放手术，由于在开放手术中无皮肤的牵拉限制，球窝关节手术机器人可以不需要关节活动框31，与支撑杆33直接联结。远程会诊的医生可以远距离遥控球窝关节手术机器人，控制从球型件通孔12中穿过的手术器械，与本地手持器械的医生共同参与手术操作。

如图7所示，球窝机器人的控制装置7安装在控制台支杆76上，控制装置7与球窝关节手术机器人结构基本相同，其手控关节座71和手控球型件72与关节座21和球型件1结构相同，手控杆73和腹腔镜4的外形相似。区别在于，控制装置7中的每一个驱动组件5在执行装置的对应位置均为感应组件6，控制装置7中的每一个的感应组件6在执行装置的对应位置均为驱动组件5。

在另外一个实施例中，手控关节被安装在手持器械的手柄上，主刀医生用拇指控制手控杆73的俯仰及摇摆运动。

如图8所示，感应组件6与驱动组件5结构相同，区别在于驱动电机52在换成了旋转编码器62。

执行装置中的腹腔镜4在控制装置中相同的位置为手控杆73。操作者操作手控杆73的运动带动手控球型件72运动，并被分解为俯仰、摇摆运动，驱动手控关节座71中不同位置的感应件61转动，经传动装置63带动旋转编码器62也成比例地转动，产生电信号。电信号经信号处理传送到球窝机器人，控制对应位置的驱动组件5运动，带动腹腔镜4做和操作者手部同样的运动。

在另一个实施例中，球窝机器人及其控制装置内都同时安装有驱动组件5和感应组件6，其控制装置中的每一个驱动组件5在球窝关节手术机器人的对应位置均为感应组件6，控制装置中的每一个的感应组件6在球窝关节手术机器人的对应位置均为驱动组件5。

球窝关节手术机器人同步执行操作者的运动时，也通过感应组件6采集球型件1的运动位移，经信号处理传送到控制装置，控制内部对应的驱动组件5运动，带动手控球型件72和手控杆73运动。由于此时手控杆73被操作者握在手中，因此会给操作者以力反馈，产生真实触碰组织的触觉并感受反作用力的大小。

在在另一个实施例中，球窝机器人及其控制装置内都同时安装同一种驱动组件5，该驱动组件内安装有感应组件，可以记录该驱动组件的运动。球窝关节手术机器人和控制装置中的驱动组件互相被对方的感应组件采集的信号控制，采用软件调节信号的大小和延迟度。这样使球窝关节手术机器人和控制装置结构更加相似，简化生产、使用和保养过程。

球窝关节手术机器人可能需要满足相互矛盾的需要。也就是，当球窝关节手术机器人动作时，必须靠近患者放置，同时又要使医护人员等能接近患者而没有障碍，以及当动作时，球窝关节手术机器人必须在患者的身体上方，同时又要保证无菌，以便消除患者感染的危险。此外，球窝关节手术机器人必须提供用于动作的足够级别的强度、准确性、和灵活性，同时提供小巧、尺寸纤细和重量轻的特性，并且球窝关节手术机器人必须以稳定的方式被安装，同时能够自由移动和占据的面积小。此外，球窝关节手术机器人必须在手术前的准备中给患者和医护人员提供自由。

本实施例提供了诸如上述的球窝关节手术机器人的理想的特性集。不同于传统的球窝关节手术机器人的构造，传统的手术机器人的构造中每个机器人臂与主体联结，使得机器人体积大，可移动性低，并且动作复杂，本实施例球窝关节手术机器人通过紧靠患者的关节支撑装置3来固定，其上方的腹腔镜长度可限制在50cm以内，关节支撑装置3可以分别与固定支架连接，也可以数个固定框相互连接后再与一个固定支架连接，以实现球窝关节手术机器人的自由移动和占据的面积小。

手术需要的各种仪器，诸如腹腔镜摄像头、夹持器、抽吸管、执行器等，可以以本实施例中腹腔镜4的安装方式安装。

实施例二

本实施例如图9所示，是在实施例一基础上的改进，改进之处在于球型件1内有第三驱动组件13，增加了一个自由度，可以对腹腔镜4进行旋转驱动。第三驱动组件的结构与第一或第二驱动组件结构相似，固定在球型件外壳11的内壁上，其驱动件与腹腔镜4的外壁啮合。第三驱动组件13通过有线、无线或电池供电，通过有线或无线接收信号。其他结构与实施方案一相同。

实施例三

本实施例如图10所示，是在实施例二基础上的改进。当球窝关节手术机器人用于驱动夹持器械时，夹住人体组织后旋转会受到阻力。为了防止球型件在驱动手术器械旋转的同时，可能在关节座内沿手术器械的轴线反向旋转。对实施例二的改进之处在于在关节座21内增加了作为限位件的放旋转横梁22和防旋转固定架23。防旋转固定架是的条形凹槽，内嵌杆状的放旋转横梁22。防旋转横梁22一端固定在球型件外壳11上，另一端游离在防旋转固定架23的凹槽内。防旋转固定架23的凹槽与关节座21的底面垂直。另外关节座内还增加了电池24和信号接收发生器25，使球窝机器人做到无线遥控。

实施例四

本实施例如图11所示，与实施例二的结构相似，区别在于第三驱动件的驱动方向是驱动腹腔镜4的进退。其他结构与实施方案二相同。

实施例五

本实施例如图12所示，与实施例三的结构相似，区别在于关节座为椭圆型外壳，外形更小，在手术台上使用更加方便。球型件和限位件位于球窝关节座外壳的偏心位。

实施例六

本实施例是在实施例二基础上的改进，改进之处在于球型件1内穿设的不是腹腔镜4而是前端安装拉钩的电动撑杆。电动撑杆包括丝杆、丝杆外管、弹簧、内套筒和外套筒，每个套筒分别与丝杆的一端或丝杆外管的一端固定连接，弹簧套设于丝杆和丝杆外管外，弹簧的两端分别固定于两个套筒内的端部，丝杆与丝杆外管相配合，丝杆在丝杆外管的腔体内转动做直线往复运动，两个套筒一端套接，丝杆做直线往复运动带动内套筒在外套筒中滑动。外套筒穿入驱动旋转的球型件1内，被驱动旋转的同时，还可以带动前端拉钩前进和后退。其他结构与实施方案一相同。

实施例七

与操作台连接的操作台控制装置和控制球窝关节手术机器人运作的机器人控制装置，且操作台控制装置与机器人控制装置连接。使用时，球窝关节手术机器人由操作台控制，操作台的指令由操作台控制装置下达，通过rtc即时通讯到达从端机器人控制装置，机器人控制装置接收指令后将传达给球窝关节手术机器人进行相应的动作。球窝关节手术机器人的状态汇总到机器人控制装置，由机器人控制装置通过rtc通讯到达操作台控制装置，同时操作台控制装置的状态信息与球窝关节手术机器人的状态信息汇总处理到达操作台，并反馈给工作人员。

操作台控制装置上设置有用于监测工作人员是否到位的监测装置及用于显示操作台及机器人的状态信息的显示器。监测装置在监测到非正常状态时，则会根据监测结果进行制动或断电操作，以确保手术的安全进行。作为优选的，上述监测装置包括3d体感摄影机(kinect)和脚踏开关，当3d体感摄影机监测到工作人员到位时，才能够进行球窝关节手术机器人的部分功能操作，此时工作人员踩下脚踏开关时，球窝关节手术机器人便能够开始运作；在工作人员未到位时，且未踩下脚踏开关，球窝关节手术机器人制动，以避免非正常因素所引起的操作界面运作而导致的球窝关节手术机器人移动。

机器人控制装置上设置有用于记录腹腔镜4的感应组件6，感应组件6能够记录腹腔镜4的位移量，从而记录腹腔镜4的运动轨迹。通过感应组件6记录的信息可以自动判断腹腔镜4的运动路径是否满足手术需求，当具有多个球窝关节手术机器人时，能够监测到各个手术器械的运动路径是否会发生干涉，从而重新规划新的运动路径，保证手术器械的运动的安全性。

机器人控制装置上还设置了用于获取电机状态信息的电机驱动装置及反应机器人状态的电机制动装置，当监测到危险信号时，电机制动装置自动制动。上述电机驱动装置能够与编码器配合使用，在编码器监测到球窝关节手术机器人的运动路径存在异常时，编码器能够将信息反馈至电机驱动装置，并使电机驱动装置驱动电机开始新的工作路径。

上述机器人控制装置上还包括有电机通讯装置，以实时监测电机与电机驱动装置、电机驱动装置与球窝关节手术机器人之间的反馈状态，并将监测信息反馈至工作人员，在出现故障的情况下，电机通讯装置能够根据监测信息进行制动灯操作，以保证手术机器人的正常运作，或者将故障信息反馈至工作人员，使工作人员能够快速处理故障。

此外，操作台控制装置用于记录球窝关节手术机器人参数信息和/或操作台参数信息的数据记录模块，以便于查找故障信息。具体的，该数据记录模块包括运行日志和控制手数据，比如在控制手数据中，工作人员操作手柄，通过操作台控制器传达到球窝关节手术机器人端，使球窝关节手术机器人动作，球窝关节手术机器人动作时的信息通过编码器、电机驱动装置反馈到操作台控制器，形成反馈机制，若操作数据与编码器或电机数据出现不一致，则系统自动调整，若调整不了，则出现故障，需要在控制手数据中查看数据并找寻故障地点。

作为优选，操作台控制装置上设置有用于紧急制动的急停开关以在发生故障时对机器人进行紧急制动，进而减少故障所造成的损失。

本申请的一个实施例中，机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测电压并保护电路的第一ups电源(不间断电源)和第二ups电源。用于监测电压的大小及电网的稳定情况，且在断电的情况下，启用上述ups电源，保证手术的顺畅进行，并将监测所得的信息通过操作台控制器反馈给工作人员。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测控制装置各部位电路状态的第一电源功率监测器和第二电源功率监测器，电路的电压、电流数值在预设参数范围内时则正常工作，超过预设参数时，则有故障存在，立即制动或断电。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有显示球窝关节手术机器人工作状态的第一状态指示灯和显示操作台工作状态的第二状态指示灯。上述指示灯能够将机器人端和操作台的工作状态最直观的呈现给工作人员，工作人员根据指示灯的显示情况，通过检查错误代码，能够快速的查找出故障所在。具体的，上述指示灯可具体设置有正常、待命、警告、危险等指示情况，以便工作人员监测机器人的使用状态。

本发明实施例提供的控制装置，具体包括操作台控制装置及机器人控制装置，以分别对操作台及球窝关节手术机器人的状态进行控制，且操作台控制装置与机器人控制装置连接，从而实现两者之间的信息连接及反馈，使工作人员能够在操作台端对球窝关节手术机器人进行操作以实施手术。手术过程中，监测装置能够实时监测工作人员是否到位，从而判断是否进行制动，有效的避免了部分误操作下球窝关节手术机器人的运作；显示器能够将操作台及机器人的所有状态信息显示直接呈现给工作人员，使工作人员能够快速准确的发现系统存在的问题，进而快速解决问题，保证手术的安全；此外，机器人控制装置上的编码器能够记录电机的转动圈数，从而记录机械手臂的运动轨迹，通过编码器反馈的信息系统可以自动判断运动路径是否存在问题，并判断多个球窝关节手术机器人运动时是否发生干涉，根据其反馈信息能够确保各球窝关节手术机器人更加精准的安全工作，进而提高了手术的安全性。

基于上述实施例提供的控制装置，本发明实施例还提供一种手术机器人，包括操作台、球窝关节手术机器人，及分别与操作台及球窝关节手术机器人连接的控制装置；且控制装置为上述任一项的控制装置。对于上述手术机器人的其余部分的结构，请参见现有技术，本文不再赘述。

由于该手术机器人具有上述控制装置，因此在一定程度上，该手术机器人也具有较高的使用安全性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。