一种手术机器人系统.pdf

一种手术机器人系统，涉及微创手术、临床外科手术等领域，特别涉及需要高精度要求的微创手术。本发明由三个相同的机械臂组成；三个机械臂对称放置在固定平台上，每个机械臂有六个自由度；通过六自由关节的协调运动实现手术夹持器具的特定位姿；从而达到手术过程中所需要的定位运动。本发明的六自由度机械手实现了运动解耦，便于手术夹持器具的姿态控制，且对控制系统的硬件要求不高即能达到高精度运动控制；整个手术机器人系统结构简单、便于操作、易于维护，能够实现高精度要求的微创手术。

1.  一种手术机器人系统，其特征在于，该系统由固定平台及三个相同的六自由度机械臂组成，机械臂对称分布在固定平台上；通过控制每一个机械臂的关节运动，从而实现手术夹持器具的特定位姿，协作完成手术过程。

2.  如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，每一个机械臂通过支架、转盘、滚珠丝杆、滑块与固定平台联接，且通过电机一和电机二的驱动，带动转盘的转动及滚珠丝杆的移动从而带动滑块的运动，实现机械臂的水平面上的平移定位。

3.  如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，每个机械臂中，滑块通过伸缩杆、转动副与旋转头联接，通过电机四、电机三驱动伸缩杆的伸缩运动及转动副的转动，从而实现旋转头的进给平移及旋转运动。

4.  如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，操作手通过内置于旋转头的两个驱动电机，实现自身的伸长运动及绕自身轴线的旋转运动。

一种手术机器人系统
【技术领域】
本发明涉及外科手术领域，特别涉及外科微创手术领域。
【背景技术】
随着医学理论的不断进步与发展，外科手术也正朝着更加精细和复杂的方向发展。近几十年来高速发展的计算机、机器人、电子信息以及网络通信等技术已经越来越多地应用于医学领域。“机器人辅助外科手术”(RAS，Robot Aided Surgery)，系统在现代临床医疗中已经被越来越多地采用。第一代手术机器人已经用于世界各地的许多手术室中。这些机器人不是真正的自动化机器人，它们不能自己进行手术，但是它们向手术提供了有用的机械化帮助。这些机器仍然需要外科医生来操作它们并对其输入指令。这些手术机器人的控制方法是远程控制和语音启动。之所以将机器人引入医疗，是因为在微创手术中，它们可以实现对外科仪器前所未有的精准控制。目前为止，这些机器已经用来定位内窥镜、进行胆囊手术以及胃灼热和胃食管反流的矫治。机器人手术领域的最终目标是设计一种机器人，可以用来进行不开胸口的心脏手术。
传统外科手术创伤大、出血多，容易发生术后并发症，疼痛较明显，给病人造成心理和生理上的痛苦。而机器人手术具有3个明显优势：一是进入人体内部的双立体照明镜可使手术视野放大20倍，提高了图像分辨率，极大提高了手术医师对分离解剖组织的鉴别力；二是在原来手伸不进去的区域，机械手可以在360度的空间下灵活穿行，且具有人手无法相比的稳定性及精确度，可辅助完成精细复杂等各类高难度手术；三是无需开腹，只要开四五个1厘米左右创口，出血少，恢复快。
在现在的手术室，一般会有两到三名外科医生，一名麻醉师和几名护士，即使是最简单的手术也需要这么多人。大多数外科手术需要将近十来个人在手术室。手术机器人全部都是自动化，这会最大限度地减少操作人员。
2000年7月11日，美国食品和药物管理局(FDA)批准了达芬奇手术系统，使其成为美国第一个可在手术室使用的机器人系统。由Intuitive Surgical公司开发的达芬奇手术系统使用的达芬奇系统使用的技术使外科医生可以到达肉眼看不到的外科手术点，这样他们就可以比传统的外科手术更精确地进行工作。
另外一款著名的手术机器人系统是由Computer Motion公司制造的“宙斯”(Zeus)机器人手术系统。ZEUS机器人系统用于基本的手术操作和体内缝合的可行性及优点已经得到证实。它能使手术医师的动作更加精确，并能有效滤除静止性颤动。
相对于国外的研究成果及在此方面所形成的垄断局面，国内的研究水平还远未达到，这就迫切需要国内的相关的科研院所，如何研发出具有自主知识产权的手术机器人系统，已经成为一件刻不容缓的事情。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种结构简单、控制容易、成本较低、运动精度高的手术机器人系统。
本发明一种手术机器人系统，由固定平台及三个相同的六自由度机械臂组成，机械臂对称分布在固定平台上；通过控制每一个机械臂的关节运动，从而实现手术夹持器具的特定位姿，协作完成手术过程。每一个机械臂通过支架、转盘、滚珠丝杆、滑块与固定平台联接，且通过电机一和电机二的驱动，带动转盘的转动及滚珠丝杆的移动从而带动滑块的运动，实现机械臂的水平面上的平移定位。每个机械臂中，滑块通过伸缩杆、转动副与旋转头联接，通过电机四、电机三驱动伸缩杆的伸缩运动及转动副的转动，从而实现旋转头的进给平移及旋转运动。操作手通过内置于旋转头的两个驱动电机，实现自身的伸长运动及绕自身轴线的旋转运动。这样每个机械臂的六个关节运动均实现了解耦，便于控制，有利于避免传动机械手臂的误差积累效应，提高了运动精度，并实现了手术夹持器具的任意姿态定位以满足手术需求。
本发明的有益效果是：
1、本发明的由三个六自由度机械臂组成的手术机器人系统，可实现手术夹持器具的任意姿态下的定位，且每个机械臂的六个自由度的运动均实现运动解耦控制，避免了传统机械臂的运动误差累积，从而提供了高精度运动控制，适于精度要求较高的微创手术环境。
2、机构简单、便于操作，易于维护，运动精度高。
3、适合各种外科手术要求。
【附图说明】
图1是本发明的手术机器人系统示意图。
以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
【具体实施方式】
实施例1
手术机器人系统，由固定平台1及三个相同的六自由度机械臂组成，机械臂对称分布在固定平台1上；通过控制每一个机械臂的关节运动，从而实现手术夹持器具的特定位姿，协作完成手术过程。每一个机械臂通过支架13、转盘2、滚珠丝杆3、滑块10与固定平台1联接，且通过电机一12和电机二11的驱动，带动转盘2的转动及滚珠丝杆3的移动从而带动滑块10的运动，实现机械臂的水平面上的平移定位。每个机械臂中，滑块10通过伸缩杆9、转动副8与旋转头6联接，通过电机四4、电机三5驱动伸缩杆9的伸缩运动及转动副8的转动，从而实现旋转头6的进给平移及旋转运动。操作手7通过内置于旋转头6的两个驱动电机，实现自身的伸长运动及绕自身轴线的旋转运动。这样每个机械臂的六个关节运动均实现了解耦，便于控制，有利于避免传动机械手臂的误差积累效应，提高了运动精度，并实现了手术夹持器具的任意姿态定位以满足手术需求。