手术从动机器人.pdf

本发明公开了一种手术从动机器人。所述手术从动机器人用安装在机器人臂的末端上的手术仪器进行手术操作，所述手术从动机器人包括：主体；主支撑臂，所述主支撑臂与所述主体移动联结，所述主支撑臂沿着一个方向移动；次支撑臂，所述次支撑臂与所述主支撑臂转动联结；以及多个机器人臂，所述多个机器人臂与所述次支撑臂转动联结。通过将主支撑臂和次支撑臂的两折支撑臂与塔形主体联结，和通过将多个机器人臂与支撑臂联结，手术从动机器人可以构造得紧凑和尺寸更小巧，从而占据的空间小，使得手术机器人能够在靠近患者的位置，同时给外科医生提供接近患者的空间。

权利要求书
1.  一种手术从动机器人，所述手术从动机器人用安装在机器人臂的末端上的手术仪器进行手术操作，所述手术从动机器人包括：
主体；
主支撑臂，所述主支撑臂可移动地与所述主体联结；
次支撑臂，所述次支撑臂可转动地与所述主支撑臂联结；以及
多个机器人臂，所述多个机器人臂可转动地与所述次支撑臂联结。

2.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，根据手术台的位置，所述主体形成为安装在手术室的地板上的塔形柱体。

3.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，所述主体由轮子支撑，从而使所述主体在手术室中能移动。

4.  根据权利要求3所述的手术从动机器人，其中，止动件邻近所述轮子与所述主体联结，从而通过所述止动件的作用将所述主体固定在特定位置处。

5.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，所述主支撑臂通过滑动系统与所述主体联结，从而使所述主支撑臂沿着所述主体向上和向下能够移动。

6.  根据权利要求5所述的手术从动机器人，其中，所述次支撑臂通过SCARA系统与所述主支撑臂的末端部联结。

7.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，所述主支撑臂可倾斜地与所述主体联结。

8.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，所述次支撑臂可倾斜地与所述主支撑臂联结。

9.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，所述主体的尺寸形成为能够容纳所述主支撑臂，并且
所述主支撑臂通过滑动系统与所述主体联结，从而使所述主支撑臂沿着相对于所述主体的缩回方向和伸出方向移动。

10.  根据权利要求1所述的手术从动机器人，其中，所述机器人臂包括两个或更多个彼此轴向联结的连杆件，并且
从各所述连杆件之间的各联结轴延伸的各条直线在所述仪器的末端部上 的特定点会合。

说明书手术从动机器人
本申请是申请日为2009年7月23日，进入中国国家阶段的申请号是200980140317.2，发明名称为“手术从动机器人”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种手术从动机器人。
背景技术
在医学领域，手术是指使用医疗设备进行切割或切入或其它方式操作患者的皮肤、黏膜或其它组织，以处理病理状况的过程。诸如切开皮肤并且处理、重构或切除内脏器官等的剖腹手术等的手术过程可能会存在失血、副作用、疼痛以及疤痕的问题，因此，机器人的使用目前被认为是一种受欢迎的替代方式。
传统的手术机器人装置可以包括：主动机器人，由外科医生操作所述主动机器人以产生和传送所需的信号；以及从动机器人，其接收来自主动机器人的信号，以对患者进行实际操作。通常，从动机器人可以被安装在手术室中，主动机器人可以被安装在操作室中，利用通过有线和/或无线系统连接的主动机器人和从动机器人可以进行手术过程的远程操作。
这里，从动机器人可能面对相互矛盾的需求：位置必须靠近被执行手术的患者，同时不占据过大空间，以便麻醉师、医务人员和护士可以走近患者。
为了满足这些需求，以多种方式安装传统的从动机器人，诸如通过使从动机器人的位置靠近患者，将从动机器人连接到手术床上，以及将从动机器人安装在手术室的天花板上并且根据需要将从动机器人的位置降低到患者的位置。这些方法中的每个都有优点和缺点，很难说哪个方法最好。
发明人为了研发本发明，或者在研发本发明的过程中获得了上述背景技术中的信息。因此，应该理解，这些信息不必属于在本发明的专利申请日之前的公开领域。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供一种手术从动机器人，其具备了机器人手术所需的强度、稳定性、功能性和精确性，其尺寸小而且纤细，因而外科医生可以容易地接近患者，并且在手术前的准备中还给患者和机器人提供了更大的自由。
技术方案
本发明的一个方面是提供一种手术从动机器人，所述手术从动机器人用安装在机器人臂的末端上的手术仪器进行手术操作，所述手术从动机器人包括：主体；主支撑臂，所述主支撑臂与所述主体联结，使所述主支撑臂沿着一个方向可移动；次支撑臂，所述次支撑臂可转动地与所述主支撑臂联结；以及多个机器人臂，所述多个机器人臂可转动地与所述次支撑臂联结。
根据手术台的位置，所述主体可以形成为安装在手术室的地板上的塔形柱体。另外，所述主体可以由轮子支撑，从而使所述主体在手术室中可移动，在此情形下，止动件可以邻近所述轮子与所述主体联结，从而通过所述止动件的作用可以将所述主体固定在特定位置处。
所述主支撑臂可以通过滑动系统与所述主体联结，从而使所述主支撑臂沿着所述主体向上和向下可移动，所述次支撑臂可以通过SCARA系统与所述主支撑臂的末端部联结。另外，所述主支撑臂能够可倾斜地与所述主体联结，所述次支撑臂能够可倾斜地与所述主支撑臂联结。
所述主体的尺寸可以形成为能够容纳所述主支撑臂，并且所述主支撑臂可以通过滑动系统与所述主体联结，从而使所述主支撑臂沿着相对于所述主体的缩回方向和伸出方向可移动。
所述机器人臂可以包括两个或更多个彼此轴向联结的连杆件，并且从各所述连杆件之间的各联结轴延伸的各条直线可以在所述仪器的末端部上的特定点会合。
除上述以外的其它方面、特征和优点将从权利要求和以下书面说明变得明显。
有益效果
在本发明的优选实施例中，主支撑臂和次支撑臂的两折支撑臂可以与塔形主体联结，并且多个机器人臂可以与支撑臂联结，从而使手术从动机器人可以构造得紧凑和尺寸更小巧，从而占据的空间小，使得手术机器人能够在靠近患者的位置，同时给外科医生提供接近患者的空间。
另外，在保持了机器人手术所需的强度、稳定性、功能和精确性的同时，减小了机器人的整体尺寸和质量，从而在紧急情况下，整个机器人可以容易地与患者分离。此外，通过将多个机器人臂与支撑臂联结，所有的机器人臂可以一次折叠，而不是折叠机器人臂中的每个，从而可以更自由地进行机器人的手术前的准备。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的手术从动机器人的透视图；
图2是根据本发明的一个优选实施例的手术从动机器人的俯视图；
图3是根据本发明的一个优选实施例的手术从动机器人的侧面立体图；
图4是根据本发明的另一个优选实施例的手术从动机器人的透视图；
图5是根据本发明的一个优选实施例的机器人臂的示意图。
<关键部件的附图标记的说明>
1：仪器  3：手术台
10：主体  12：主支撑臂
14：次支撑臂  20：机器人臂
22：连杆件  24：RCM(remote center of motion，远程运动中心)点
具体实施方式
由于本发明允许各种变型和多个实施例，因此将在附图中示出并在书面说明书中详细描述具体的实施例。然而，这不意在将本发明限制在具体的实施方式中，并且应该理解，所有不脱离本发明的精神和技术范围的变型、等同物和替换都包括在本发明中。在书面说明书中，当现有技术的某些详细说 明被视为不必要地使本发明的实质不清楚时，省略这些详细说明。
尽管诸如“第一”和“第二”之类的术语可以用于描述各种元件，但是这些元件一定不限于上述术语。上述术语仅用于将一个元件和其它元件区分开来。
在本说明书中使用的术语仅用于描述具体的实施例，并且不意在限制本发明。单数表达可以包括复数表达，除非它在上下文中具有明确的不同的含义。在本说明书中，应该理解，诸如“包括”和“具有”之类的术语意在表示公开在说明书中的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其结合的存在，而不意在排除可以存在或增加一个或多个不同的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其结合的可能。
将在下文中参照附图详细描述本发明的一些实施例。在所有附图中使用相同的附图标记表示相同或相对应的元件，并且省略对相同元件的重复描述。
图1是根据本发明的一个优选实施例的手术从动机器人的透视图；图2是根据本发明的一个优选实施例的手术从动机器人的俯视图；图3是根据本发明的一个优选实施例的手术从动机器人的侧面立体图；以及图4是根据本发明的另一个优选实施例的手术从动机器人的透视图。图1到图4示出了仪器1、手术台3、主体10、主支撑臂12、次支撑臂14以及机器人臂20。
本实施例的一个特征在于，在构造手术从动机器人中，两折支撑臂，即，主支撑臂12和次支撑臂14可以顺序地与塔形主体联结，并且多个机器人臂20可以与次支撑臂14的末端部联结，从而机器人整体上可以构造得紧凑和小巧。
手术从动机器人可能需要满足相互矛盾的需要。也就是，当手术从动机器人动作时，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，手术从动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，手术从动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，并且手术从动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，手术从动机器人必须在手术前的准备中给患者和机器人提供自由。
已经设计了各种安装类型以最好地满足这些互相矛盾的需求中的每个， 包括天花板安装类型、工作台安装类型、地板安装类型以及患者安装类型。下表比较了每种类型的优点和缺点。
表1

从以上的全面评述可以得出结论：手术从动机器人的理想的特性集是使得像天花板安装类型一样易于接近患者，和像地板安装类型一样允许良好的可移动性，和提供小尺寸和纤细形式，以在手术室占据小面积，同时提供足够级别的强度、精确性和灵活性。
本实施例提供了诸如上述的手术从动机器人的理想的特性集。不同于传统的从动机器人的构造，传统的从动机器人的构造中每个机器人臂20与主体联结，使得机器人体积大，可移动性低，并且动作复杂，本实施例可以包括与主体联结的支撑臂12和14，和安装在该支撑臂12和14上的多个机器人臂20，以实现从动机器人的纤细和容易移动和动作的构造。
也就是，不同于使多个机器人臂20直接与主体10联结，根据本实施例的手术从动机器人可以包括从主体10突出的两折支撑臂12和14以及与该支撑臂的末端部分联结的多个机器人臂20。
两折支撑臂12和14可以由主支撑臂12和次支撑臂14构成，该主支撑臂12与主体10联结，该次支撑臂14与主支撑臂12的末端部联结，其中两个支撑臂12和14可以被操作为将机器人臂20移动到手术所需的位置。
为了操作支撑臂12和14，支撑臂12和14可以通过多种联结系统，诸如 滑动系统、SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm，平面关节型机器人)系统等与主体10联结。图1到图3示出主支撑臂12通过滑动系统与主体10联结的实例，其中次支撑臂14通过SCARA(平面关节型机器人)系统与主支撑臂12联结。
由于结构简单和性价比高，SCARA系统广泛用于工业中。SCARA系统提供了快速的操作速度，并且一般用于装配和包装工作或涉及拾取和移动物品的工作。
因此，通过将主支撑臂12与主体10联结，从而使主支撑臂12能够在一个方向上移动，通过将次支撑臂14与主支撑臂12联结，从而使次支撑臂14能够旋转，能够将机器人臂20移动到需要的位置。
多个机器人臂20可以可旋转地与次支撑臂14的末端联结，从而使通过主/次支撑臂12和14的操作而移动的机器人臂20可以被外科医生的操作而进行机器人手术。如上所述，在机器人手术过程期间支撑臂12和14的操作以及支撑臂20的动作可以通过操控主动机器人完成。
手术需要的各种仪器1，诸如腹腔镜、皮肤夹持器(skin holder)、抽吸管、执行器(effector)等，可以安装在用于进行手术操作的机器人臂20的末端部上。
以此方式，与将机器人臂20直接安装在主体10上不同，通过将机器人臂20以小尺寸制造并且将机器人臂集成在支撑臂的末端部上，根据本实施例的手术从动机器人与现有的机器人构造相比可以制造得更紧凑，并且因此可以占据更小的空间和提供减小了的尺寸和质量。另外，与工作台安装类型相比，在紧急情况下可以更容易地使整个从动机器人与患者分离。
为了防止手术患者受到二次感染，可以在手术从动机器人上进行众所周知的将机器人臂20用经消毒的塑料(vinyl)等遮盖的“铺单(draping)”过程。而对于常规的机器人，必须单独给每个机器人臂20铺单，对于根据本实施例的从动机器人，通过仅仅遮盖支撑臂而可以同时给所有机器人臂20铺单，从而可以容易和迅速地进行手术前的准备。
以下将参考图1到图3描述通过滑动系统联结主支撑臂12和通过SCARA系统联结次支撑臂14的例子。然而，如上所述，联结支撑臂12、14的所述方法仅仅是例子，很明显，可以采用各种机器人操作系统将机器人臂20移动 到希望的位置。例如，主支撑臂12可以通过滑动系统或SCARA系统与主体10联结，次支撑臂14也可以通过滑动系统或SCARA系统与主支撑臂12联结。
如图1到图3所示，根据本实施例的从动机器人的主体10可以安装在与手术台3相距特定距离的地方，并且可以具有从主体10延伸到手术台3的两个支撑臂12、14，同时执行手术所需的动作的机器人臂20与末端部联结。
机器人的主体10可以根据手术台3的位置，以塔形的柱体安装在手术室的地板上，主支撑臂12和次支撑臂14可以从主体10朝向手术台3延伸地联结。在次支撑臂14的末端部，可以安装用于进行手术的多个机器人臂20，从而可以直接在患者上方进行机器人手术过程。
在主体10以塔形柱体的形式制造的情形中，主体10不是必须安装在手术室的地板上，而是可以包括安装在下表面上的轮子(未示出)，通过该轮子，主体10可以在手术室中移动到希望的位置。在主体10以此方式安装有轮子的情形中，根据本实施例的机器人可以构造为通过使用者手动移动。机器人还可以构造为根据使用者的输入而自动移动轮子。
如上所述如果主体10安装有轮子，则机器人可以根据需要固定在特定位置，为此，可以将止动件(未示出)临近轮子安装在主体10上，以将主体10固定在希望的位置。
止动件可以形成为限制轮子转动的闸，以固定主体10。止动件也可以以与移动式吊车中所使用的斜撑(outrigger)相似的方式，形成为靠近轮子安装并且延长以便固定主体10的支撑件。
通过将机器人臂20安装在主体10上，同时中间插置有支撑臂12、14，机器人的主体10本身可以安装在与手术台3分离的位置处，同时机器人臂20可以在很靠近患者的位置处被操控，因而满足了对于从动机器人的上述所有相互矛盾的要求。
由于支撑臂12、14可以用于将机器人臂20从机器人的主体延伸到患者的位置，所以主支撑臂12和次支撑臂14可以可旋转地与主体10联结，从而使得机器人臂20能根据外科医生的操控在三维空间中移动到某个点。
图1和图3示出主支撑臂12通过滑动系统与主体10联结的例子。也就是，主支撑臂12可以沿着主体10滑上和滑下，并且将与主支撑臂12联结的部件，即，次支撑臂14和机器人臂20，移动到三维空间中的特定高度(沿着 z轴)。
次支撑臂14可以通过SCARA系统与主支撑臂12联结，以使得与次支撑臂14联结的机器人臂20在特定高度的平面(x-y平面)上自由移动。
结果，例如，根据主支撑臂12和次支撑臂14的操作，机器人臂20可以移动到三维空间中的特定位置，诸如患者的手术位置，并且外科医生可以操控主动机器人，以使机器人臂20动作而因此进行机器人手术。以此方式，根据本实施例的从动机器人可以紧凑的形式制造，同时保持手术所需的强度、精确性和灵活性。
虽然图1到图3示出主支撑臂通过滑动系统与主体10联结，以及次支撑臂14通过SCARA系统与主支撑臂12联结的例子，但是本发明不限于该联结模式，显然，可以应用各种机器人操作系统。
在主体10的尺寸形成为能够容纳主支撑臂12的情形下，即，如图4所示，在主体10的宽度(或深度)与主支撑臂12的长度相同的情形中，主支撑臂12可以与主体10联结，从而使主支撑臂12能够沿着其长度方向滑动。然后，主支撑臂12在不用时可以缩回，在需要时可以从主体10伸出，用于机器人手术。
通过以可缩回到主体10中和可从主体10伸出的方式而可滑动地联结主支撑臂12，可以将从动机器人制造得纤细很多。当需要进行机器人手术时，由于机器人可以伸展到足够长度，并且机器人臂20可以制造为容易达到手术位置，所以可以保持手术所需的灵活程度。
另外，根据本实施例的主支撑臂12可以与主体10可倾斜地联结，另外，次支撑臂14也可以与主支撑臂12可倾斜地联结。也就是，主支撑臂12可以与主体10轴向联结，和/或次支撑臂14可以与主支撑臂12轴向联结，或者铰链可以插置在主支撑臂12和/或次支撑臂14的中部，从而使主支撑臂12和/或次支撑臂14可以围绕联结轴或铰链(未示出)转动，以提供倾斜作用。
在支撑臂12和14如此实现以提供倾斜作用的情形中，与支撑臂12和14的末端部联结的机器人臂20可以制造为仅仅通过轻微转动支撑臂12和14就能移动相当大的距离，由此机器人臂20可以容易地移动到希望的位置。
图5是根据本发明的一个优选实施例的机器人臂的示意图。图5示出了仪器1、机器人臂20、连杆件22和RCM点24。
在此实施例中，机器人臂20可以与次支撑臂14的末端部联结，机器人臂20的连杆件22中的每个都可以以实现RCM(远程运动中心)功能的方式联结，从而使机器人臂20可以容易地在患者的特定部分进行手术过程。
也就是，在用安装在机器人臂20的前端上的仪器1进行手术的过程中，仪器1根据机器人臂20的移动而移动的构造可能产生对患者的皮肤的不必要的损伤的风险。为了解决该问题，假想的转动的中心点可以预设在仪器1的端部上的特定位置上，并且可以控制机器人臂20，从而使仪器1围绕此点转动，该假想的中心点可以称为“远程移动中心”或“RCM”。
如图5所示，机器人臂20可以包括多个轴向联结的连杆件22。通过调整连杆件22的形状和/或联结轴的方向，以使从连杆件22的各联结轴延伸的各多直线在RCM点24会合，从而RCM功能可以实现为用于旋转机器人臂20。
工业适用性
尽管参照了具体的实施例来描述本发明，但是应该理解，在不脱离由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行各种变型和改进。