用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人.pdf

用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，它涉及一种用于微创手术的机器人，以解决现有手术器械在进行手术过程中易发生干扰，同时手术过程总手术器械的移动灵活性和自由性较差以及现有手术机器人体积大、价格昂贵的问题，它包括壳体、摆动机构、伸缩机构和夹持机构；摆动机构包括第一电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮和肩部转动连杆；伸缩机构包括第二电机、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、第一丝杠副和套筒；夹持机构包括第三电机、第二丝杠副、第一连杆、第二连杆、第三连杆和钳子；壳体内布置有摆动机构、伸缩机构和夹持机构。本发明用于微创手术。

权利要求书
1.  用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：它包括壳体、摆动机构、伸缩 机构和夹持机构；
壳体(1)为两端封闭的腔体，摆动机构包括第一电机(2)、第一锥齿轮(3)、第二锥齿 轮(4)和肩部转动连杆(5)；
伸缩机构包括第二电机(6)、第一圆柱齿轮(7)、第二圆柱齿轮(8)、第一丝杠副(9) 和套筒(10)；
夹持机构包括第三电机(13)、第二丝杠副(14)、第一连杆(15)、第二连杆(16)、第 三连杆(17)和钳子(18)；
第一电机(2)、第一锥齿轮(3)和第二锥齿轮(4)布置在壳体(1)内，第一电机(2) 与壳体(1)固接，第一电机(2)的输出轴上固装有第一锥齿轮(3)，第一锥齿轮(3)与第 二锥齿轮(4)啮合，第二锥齿轮(4)的齿轮轴上固装有肩部转动连杆(5)，肩部转动连杆 (5)穿出壳体(1)并能在壳体(1)上摆动；
第二电机(6)、第一圆柱齿轮(7)、第二圆柱齿轮(8)和套筒(10)布置在壳体(1) 内，第二电机(6)与壳体(1)固接，第二电机(6)的轴向与第一电机(2)的轴向平行设 置，第一丝杠副(9)包括第一丝杠(9-1)和第一丝母，第一丝杠(9-1)为中空结构，套筒 (10)安装在壳体(1)内，第一丝杠(9-1)的一端穿出壳体(1)，第一丝杠(9-1)的另一 端滑动安装在套筒(10)内，第二圆柱齿轮(8)套装在第一丝母上且第二圆柱齿轮(8)转 动连接在壳体(1)上，第二电机(6)的输出轴上固装有第一圆柱齿轮(7)，第一圆柱齿轮 (7)和第二圆柱齿轮(8)啮合；
第一连杆(15)、第二连杆(16)、第三连杆(17)、第二丝杠副(14)和钳子(18)布置 在第一丝杠(9-1)的空腔内，第三电机(13)的轴向与第一丝杠(9-1)的长度方向平行设 置，第三电机(13)伸入套筒(10)内并滑动安装在壳体(1)内，第二丝杠副(14)包括第 二丝杠(14-1)和第二丝母(14-2)，第三电机(13)的输出轴与第二丝杠(14-1)的一端连 接，第二丝母(14-2)能在第一丝杠(9-1)的空腔内滑动，第二丝母(14-2)与第一连杆(15) 固接，第二连杆(16)的一端和第三连杆(17)的一端均与第一连杆(15)铰接，第二连杆 (16)和第三连杆(17)呈V形布置，第二连杆(16)的另一端和第三连杆(17)的另一端 与钳子(18)的相对应的柄部(18-1)铰接，钳子(18)的钳嘴(18-2)穿出第一丝杠(9-1) 的一端，钳嘴(18-2)上的固定轴(18-3)固装在第一丝杠(9-1)上。

2.  根据权利要求1所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：第一电 机(2)、第二电机(6)和第三电机(13)均为减速电机。

3.  根据权利要求1或2所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：所 述第二丝母(14-2)为圆柱形丝母。

4.  根据权利要求3所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：所述第 一圆柱齿轮(7)和第二圆柱齿轮(8)分别为直齿圆柱齿轮。

5.  根据权利要求4所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：所述肩 部转动连杆(5)为∟形连杆，壳体(1)上开有凹槽(1-1)，肩部转动连杆(5)的其中一个 臂(5-1)穿过凹槽(1-1)并安装在第二锥齿轮(4)的齿轮轴上，所述其中一个臂(5-1) 能在凹槽(1-1)内摆动。

6.  根据权利要求1、2、4或5所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在 于：所述伸缩机构还包括两个滑轮(11)，套筒(10)的侧壁上正对设置有两条滑槽(10-1)， 第一丝杠(9-1)上安装有正对设置的两个滑轮(11)，滑轮(11)能在滑槽(10-1)内滑动。

7.  根据权利要求6所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：所述偏 摆机构还包括固定架(19)，固定架(19)为[形固定架，固定架(19)安装在壳体(1)上， 第二锥齿轮(4)的齿轮轴转动安装在固定架(19)相对的两臂之间。

8.  根据权利要求7所述的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人，其特征在于：所述壳 体(1)还包括第一支撑挡板(20)、第二支撑挡板(21)和第三支撑挡板(22)；第二支撑挡 板(21)位于第一支撑档板(20)和第三支撑挡板(23)之间且三者平行固装在壳体(1)内； 第一电机(2)固装在第三支撑挡板(22)上，第二电机(6)固装在第二支撑挡板(21)上， 第一丝杠(9-1)的一端依次穿出第一支撑挡板(20)和壳体(1)，第二圆柱齿轮(8)通过 轴承(23)安装在第一支撑挡板(20)的侧壁上，第三电机(13)滑动安装在第三支撑挡板 (22)上。

说明书用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人
技术领域
本发明涉及一种用于微创手术的机器人。
背景技术
腹腔镜手术具有很多优点，发展迅速，现已成为了外科手术的一个里程碑。它在胆囊切 除术、阑尾切除术等手术中已经成为了首选的术式。然而，腹腔镜手术也存在着一些缺陷， 腹腔镜手术器械的固有灵活性导致其操作困难，缺乏视觉和触觉反馈，给医生的操作带来 困扰。此外，外科医生希望通过减少手术切口的数目来进一步发挥腹腔镜手术的优势，从 而诞生了单孔腹腔镜手术(LESS)和经自然腔道腹腔镜手术(NOTES)。LESS能够实现体表 无明显手术疤痕的理想效果，对于病人来说意义重大，但也正是由于单孔，导致操作空间 受限，从而在很大程度上限制了它的应用范围。NOTES可以说是微创手术的最终追求目标， 它不需要在体表开手术切口。但为了实现这一目标，就必须在自然腔道路径上的内脏上开 口，这会导致极大地难度，同时还伴随着泄漏等危险。因此，就目前的技术水平而言，LESS 比NOTES具有更强的可行性。
随着机器人学科的不断进步，它正在向医学拓展。从最初利用工业机器人的成熟技术解 决手术中的精密定位问题和实现辅助操作，到现在的手术机器人技术的迅速进步，只经过 了短短的几十年。手术机器人消除震颤，实现运动缩放，可增加额外的关节来提高手术操 作的灵活性等优点在一定程度上弥补了传统腹腔镜手术的不足。上述手术机器人由于体积 较大，移动的自由性和灵活性较差，手术器械通过戳卡进入患者体内，彼此存在一定的干 扰。尤其是达芬奇手术机器人，成为了手术机器人的杰出代表。但是它们也有着成本高、 体积庞大笨重、仍然受到切口约束等缺点。为了从根本上解决手术器械受到切口约束的问 题，人们开始致力于体内机器人的研究。
发明内容
本发明是为解决现有手术器械在进行手术过程中易发生干扰，同时手术过程总手术器 械的移动灵活性和自由性较差以及现有手术机器人体积大、价格昂贵的问题，进而提供一 种用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的用于微创手术的腹腔内牵拉手术 机器人包括壳体、摆动机构、伸缩机构和夹持机构；
壳体为两端封闭的腔体，摆动机构包括第一电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮和肩部转 动连杆；
伸缩机构包括第二电机、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、第一丝杠副和套筒；
夹持机构包括第三电机、第二丝杠副、第一连杆、第二连杆、第三连杆和钳子；
第一电机、第一锥齿轮和第二锥齿轮布置在壳体内，第一电机与壳体固接，第一电机 的输出轴上固装有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮的齿轮轴上固 装有肩部转动连杆，肩部转动连杆穿出壳体并能在壳体上摆动；
第二电机、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和套筒布置在壳体内，第二电机与壳体固接， 第二电机的轴向与第一电机的轴向平行设置，第一丝杠副包括第一丝杠和第一丝母，第一 丝杠为中空结构，套筒安装在壳体内，第一丝杠的一端穿出壳体，第一丝杠的另一端滑动 安装在套筒内，第二圆柱齿轮套装在第一丝母上且第二圆柱齿轮转动连接在壳体上，第二 电机的输出轴上固装有第一圆柱齿轮，第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮啮合；
第一连杆、第二连杆、第三连杆、第二丝杠副和钳子布置在第一丝杠的空腔内，第三 电机的轴向与第一丝杠的长度方向平行设置，第三电机伸入套筒内并滑动安装在壳体内， 丝杠副包括第二丝杠和第二丝母，第三电机的输出轴与第二丝杠的一端连接，第二丝母能 在第一丝杠的空腔内滑动，第二丝母与第一连杆固接，第二连杆的一端和第三连杆的一端 均与第一连杆铰接，第二连杆和第三连杆呈V形布置，第二连杆的另一端和第三连杆的另 一端与钳子的相对应的柄部铰接，钳子的钳嘴穿出第一丝杠的一端，钳嘴上的固定轴固装 在第一丝杠上。
本发明的有益效果是：一、本发明的用于微创手术的腹腔内牵拉手术机器人通过微小 创口完全进入腹腔内，然后通过可挂的肩部转动连杆固定在视觉主体上，通过移动视觉主 体可将机器人移动到目标位置，大大增加了机器人的移动灵活性和自由性。手术过程中， 医生无需直接手持机器人，而是通过外面操作手柄及操作面板通过无线发射接收模块控制 智能机器人的操作，从而可避免医生直接与病人的接触，不仅减少医生感染疾病的概率， 同时还可以通过程序模块缩小医生手颤抖引起的手术器械末端的误差,手术器械在进行手 术过程中易发生干扰。手术器械末端装有钳子，可以夹持组织，并通过机器人肩关节和腕 关节的配合牵拉组织，将病灶部分暴露出来，便于医生进行手术。
二、肩关节处采用齿数为1:1的锥齿轮传动，使得整个机器人的传动更加紧凑，同时 增加机器人运动过程中的平稳性，腕关节采用第一丝杠副传动实现机器人的伸缩，通过一 对圆柱齿轮驱动第一丝杠副，第一圆柱齿轮直接安装在第二电机上第二圆柱直齿轮安装在 第一丝母上，第一丝母通过轴承安装在第一支撑挡板上，第一圆柱直齿轮与第一丝母相对 固定。第一丝杠可在套筒内往复滑动，套筒固定在壳体的第二支撑挡板上，第三支撑挡板 上的圆孔用于保证轴向的同轴度，三个支撑挡板通过U型槽和凸台固定在壳体上，从而保 证整个机器人在手术过程中的平稳性。
三、第一丝杠副中的第一丝杠是中空的，里面开有特殊的型腔，型腔里安装有第三电 机、第二丝杠副、连杆机构及钳子，第三电机驱动第二丝杠副推动连杆机构实现钳子的张 开和闭合。双层丝杠副在实现上有一定的技术难度，但可传递复杂的运动，由于同轴度较 高，因此，末端的精度也较高。钳子的钳嘴可根据具体情况进行更换，从而可增加手术的 应用范围。
四、本发明整个手术机器人体积较小，机构简单，集成度较高，整个机器人的成本低， 且末端钳子的两个爪可根据具体的手术做成不同的形状，可以广泛的应用到需要分离组织 的手术中，且手术费用较低，具有很强的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图，图2是本发明去掉壳体的立体结构示意图，图3是 图2的B向视图，图4是图3的俯视图，图5是夹持机构的立体结构示意图，图6是夹持 机构的局部剖视示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的用于微创手术的腹腔内牵拉手术 机器人包括壳体、摆动机构、伸缩机构和夹持机构；
壳体1为两端封闭的腔体，摆动机构包括第一电机2、第一锥齿轮3、第二锥齿轮4和 肩部转动连杆5；
伸缩机构包括第二电机6、第一圆柱齿轮7、第二圆柱齿轮8、第一丝杠副9和套筒10；
夹持机构包括第三电机13、第二丝杠副14、第一连杆15、第二连杆16、第三连杆17 和钳子18；
第一电机2、第一锥齿轮3和第二锥齿轮4布置在壳体1内，第一电机2与壳体1固接， 第一电机2的输出轴上固装有第一锥齿轮3，第一锥齿轮3与第二锥齿轮4啮合，第二锥齿 轮4的齿轮轴上固装有肩部转动连杆5，肩部转动连杆5穿出壳体1并能在壳体1上摆动；
第二电机6、第一圆柱齿轮7、第二圆柱齿轮8和套筒10布置在壳体1内，第二电机6 与壳体1固接，第二电机6的轴向与第一电机2的轴向平行设置，第一丝杠副9包括第一 丝杠9-1和第一丝母，第一丝杠9-1为中空结构，套筒10安装在壳体1内，第一丝杠9-1 的一端穿出壳体1，第一丝杠9-1的另一端滑动安装在套筒10内，第二圆柱齿轮8套装在 第一丝母上且第二圆柱齿轮8转动连接在壳体1上，第二电机6的输出轴上固装有第一圆 柱齿轮7，第一圆柱齿轮7和第二圆柱齿轮8啮合；
第一连杆15、第二连杆16、第三连杆17、第二丝杠副14和钳子18布置在第一丝杠 9-1的空腔内，第三电机13的轴向与第一丝杠9-1的长度方向平行设置，第三电机13伸入 套筒10内并滑动安装在壳体1内，第二丝杠副14包括第二丝杠14-1和第二丝母14-2，第 三电机13的输出轴与第二丝杠14-1的一端连接，第二丝母14-2能在第一丝杠9-1的空腔 内滑动，第二丝母14-2与第一连杆15固接，第二连杆16的一端和第三连杆17的一端均 与第一连杆15铰接，第二连杆16和第三连杆17呈V形布置，第二连杆16的另一端和第 三连杆17的另一端与钳子18的相对应的柄部18-1铰接，钳子18的钳嘴18-2穿出第一丝 杠9-1的一端，钳嘴18-2上的固定轴18-3固装在第一丝杠9-1上。
为了减小钳子的钳嘴上两爪之间的阻力，在安转钳嘴的两爪的固定轴上安装有套筒24， 从而减小绕固定轴的阻力。本实施方式的肩部转动连杆5在第二锥齿轮4的带动下能在凹 槽1-1内往复摆动，实现腹腔内手术的进行。
具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的第一电机2、第二电机6和第三 电机13均为减速电机。如此设置，一体化集成，可传递很大的扭矩，结构稳定可靠，使用 方便。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图5说明，本实施方式所述第二丝母14-2为圆柱形丝母。如此 设置，方便使用，使用可靠。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施方式所述第一圆柱齿轮7和第二圆柱 齿轮8分别为直齿圆柱齿轮。如此设置，结构稳定可靠，使用方便。其它与具体实施方式 三相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明，本实施方式所述肩部转动连杆5为∟形连杆， 壳体1上开有凹槽1-1，肩部转动连杆5的其中一个臂5-1穿过凹槽1-1并安装在第二锥齿 轮4的齿轮轴上，所述其中一个臂5-1能在凹槽1-1内摆动。如此设置，固定在视觉主体 上，通过移动视觉主体可将机器人移动到目标位置，大大增加了机器人的移动灵活性和自 由性。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明，本实施方式所述伸缩机构还包括两个滑轮11， 套筒10的侧壁上正对设置有两条滑槽10-1，第一丝杠9-1上安装有正对设置的两个滑轮 11，滑轮11能在滑槽10-1内滑动。如此设置，滑轮可在套筒内的椭圆形的滑槽内运动， 增加了运动稳定性和可靠性，实现了丝杠的同轴度。其它与具体实施方式一、二、四或五 相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明，本实施方式所述偏摆机构还包括固定架19， 固定架19为[形固定架，固定架19安装在壳体1上，第二锥齿轮4的齿轮轴转动安装在 固定架19相对的两臂之间。如此设置，有利于第二锥齿轮的高效运转。其它与具体实施方 式六相同。
具体实施方式八：结合图1-图3说明，本实施方式所述壳体1还包括第一支撑挡板20、 第二支撑挡板21和第三支撑挡板22；第二支撑挡板21位于第一支撑档板20和第三支撑挡 板23之间且三者平行固装在壳体1内；第一电机2固装在第三支撑挡板22上，第二电机6 固装在第二支撑挡板21上，第一丝杠9-1的一端依次穿出第一支撑挡板20和壳体1，第二 圆柱齿轮8通过轴承23安装在第一支撑挡板20的侧壁上，第三电机13滑动安装在第三支 撑挡板22上。如此设置，三个支撑挡板固定在壳体上，因此，第三电机驱动圆柱直齿轮副 运动时候，第一丝母做回转运动，而第一丝杠只可以沿轴线方向运动。第三支撑挡板上的 圆孔用于实现三个电机的固定从而保证各自机构相应的同轴度。其它与具体实施方式七相 同。
工作过程
本发明的牵拉手术机器人是配合视觉主体进行应用的，视觉主体通过内、外磁铁固定 在腹腔壁上，机器人通过肩关节的肩部转动连杆固定在视觉主体上。机器人内集成基于PIC 的控制电路模块和基于nRF24L01的无线收发模块，整个机器人具有三个自由度，肩关节由 锥齿轮运动副驱动，腕关节由丝杠螺母运动副驱动，末端的夹持机构由丝杠副带动连杆机 构驱动。
在临床上进行微创手术前，首先通过气泵将患者腹腔鼓气，从而增大腹腔内壁和体内 组织之间的空间，将手术机器人通过微小创口送进腹腔内，机器人通过体外的永磁铁和镶 嵌在悬挂基座上的永磁铁锚定在腹腔内壁上。通过移动体外的永磁铁可带动悬挂基座上的 永磁铁移动，从而可将机器人移动到目标位置。机器人锚定在目标位置后，通过移动主体 上的外磁铁可带动整个机器人360度旋转，同时医生通过观察显示屏上传回的腹腔内部环 境，操作控制手柄和控制面板上的按钮，上位机接收大信号通过无线收发模块发射个机器 人上的下位机，下位机接收到信号后控制肩关节和腕关节的电机转动实现机器人的运动， 同时还可控制第三电机进行夹持，机器人运动带动夹子进行牵拉，暴露出病灶部分，以方 便进行手术。整个手术机器人与外界采用无线通讯的方式进行控制，机器人的电源置于患 者体外。