專利名稱：主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人，用于內(nèi)鏡(內(nèi)窺鏡)位姿調(diào)整。屬于手術(shù)用輔助設(shè)備。

背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們逐步將傳統(tǒng)醫(yī)療器械與信息、微電子、新材料、自動(dòng)化、精密制造、機(jī)器人等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，以提高醫(yī)療質(zhì)量。
與傳統(tǒng)的開放性手術(shù)相比，內(nèi)鏡微創(chuàng)手術(shù)以其創(chuàng)面小、患者痛楚小、恢復(fù)期短、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，受到醫(yī)生和患者的普遍歡迎，具有廣闊的應(yīng)用前景。在進(jìn)行此類手術(shù)的過程中，需根據(jù)主刀醫(yī)生的要求不斷調(diào)整內(nèi)鏡的方位，以便從顯示器上及時(shí)準(zhǔn)確地觀察到手術(shù)部位的圖像。為此，人們研制了各種控制內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。發(fā)明專利“ROBOTIZED SYSTEM FOR THE CONTROLAND MICROMETRIC ACTUATION OF AN ENDOSCOPE”(內(nèi)窺鏡控制及微動(dòng)作機(jī)器人系統(tǒng))(專利號(hào)WO2006016390)公開了一種用于控制內(nèi)窺鏡精確操作的機(jī)器人系統(tǒng)，此外，它還能用于新生兒的內(nèi)鏡手術(shù)。其主要結(jié)構(gòu)由通過主動(dòng)模式控制保持機(jī)器人實(shí)際位置的三至五個(gè)自平衡機(jī)械臂(也可用于被動(dòng)控制)組成。至少兩個(gè)機(jī)械臂支撐微創(chuàng)手術(shù)內(nèi)窺鏡的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其中每個(gè)機(jī)械臂都能驅(qū)動(dòng)內(nèi)窺鏡繞兩個(gè)相互垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并能獨(dú)立夾持內(nèi)窺鏡沿切口插入病人的體內(nèi)，同時(shí)也能旋轉(zhuǎn)其他手術(shù)工具及控制軸的移動(dòng)，手術(shù)工具的系列動(dòng)作(包括剪、鑷等)在適當(dāng)位置上能被控制精確到微米級(jí)。力傳感器的安裝使用使醫(yī)生在做各種手術(shù)動(dòng)作時(shí)有力感。保持機(jī)械臂的作用是夾持各種其他的附件(攝像機(jī)，吹藥器等)并在醫(yī)生的控制下移動(dòng)他們，命令和控制信號(hào)由控制臺(tái)發(fā)出。這套設(shè)備研制的目的是精確控制機(jī)器人的移動(dòng)，避免手術(shù)中人手操作的隨意性，這套手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)不久將應(yīng)用于醫(yī)院臨床實(shí)踐中。
其不足之處在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大，生產(chǎn)成本較高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人，根據(jù)主刀醫(yī)生的要求，手動(dòng)控制操作面板上的按鈕，產(chǎn)生DSP數(shù)字信號(hào)處理器可接受的信息，并發(fā)出相關(guān)指令，改變升降電機(jī)和大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和角度；于是，穿透患者腹(胸)腔壁的內(nèi)鏡在插入點(diǎn)皮膚的約束下運(yùn)動(dòng)，以便在顯示器上獲得手術(shù)部位的最佳圖像。所述的“主被動(dòng)式”是以運(yùn)動(dòng)桿件有無可控電機(jī)拖動(dòng)來區(qū)分。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和控制原理簡單，制作成本相對(duì)不高，便于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。
主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人包括運(yùn)載車、升降機(jī)構(gòu)、大轉(zhuǎn)動(dòng)臂、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂、步進(jìn)電機(jī)、帶有球鉸鏈的內(nèi)鏡夾持裝置和DSP數(shù)字信號(hào)處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制面板組成的控制系統(tǒng)；其中，升降機(jī)構(gòu)為絲杠螺母機(jī)構(gòu)；可升降的套筒借助一側(cè)外壁上的滑塊沿鉛垂導(dǎo)軌滑動(dòng)；螺母固裝在套筒下端；旋入螺母內(nèi)的絲杠外端與步進(jìn)電機(jī)相連；于是，在該步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，套筒可沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)；大轉(zhuǎn)動(dòng)臂水平地置于套筒頂部，并與固裝在套筒內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連；于是，在該步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，大轉(zhuǎn)動(dòng)臂可繞套筒軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；小轉(zhuǎn)動(dòng)臂可繞大轉(zhuǎn)動(dòng)臂的端部水平轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)力來自固定于大轉(zhuǎn)動(dòng)臂另一端的步進(jìn)電機(jī)和齒形帶傳動(dòng)副；小轉(zhuǎn)動(dòng)臂由便于拆卸、相互螺接的兩段組成，一段平直，另一段向下彎折45°，其上裝有兩個(gè)小光束源，光束源發(fā)出的光束在豎直平面相交于一點(diǎn)，用于標(biāo)定手術(shù)切口相對(duì)機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位置；內(nèi)鏡夾持裝置借助球鉸鏈固裝在小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的末端，成彎鉤狀并使內(nèi)鏡的軸線穿過球鉸鏈球心。鉛垂導(dǎo)軌固連在箱式運(yùn)載車內(nèi)，套筒連同大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂以及內(nèi)鏡夾持裝置延伸至車廂外。運(yùn)載車底部裝有帶鎖定機(jī)構(gòu)的滾輪，方便整個(gè)裝置的搬運(yùn)和定位。
控制面板固定在運(yùn)載車箱體的側(cè)上方，其上裝有電源開關(guān)及其指示燈、模式選擇按鈕及其指示燈、機(jī)器人狀態(tài)啟動(dòng)和復(fù)位按鈕及其指示燈、定位和操作按鈕及其指示燈、速度調(diào)節(jié)按鈕及其指示LED光柱、前后左右控制按鈕、升降控制按鈕、(內(nèi)鏡)抽插控制按鈕。其中，模式選擇按鈕用于設(shè)置由患者的手術(shù)部位所決定的本發(fā)明的使用位置，即其置于手術(shù)臺(tái)的左側(cè)還是右側(cè)——這與大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂工作時(shí)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)；機(jī)器人狀態(tài)啟動(dòng)和復(fù)位按鈕可直接、快速控制大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的術(shù)前展開和術(shù)后大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的復(fù)位及小轉(zhuǎn)動(dòng)臂收攏到大轉(zhuǎn)動(dòng)臂的下方；定位和操作按鈕分別定義機(jī)器人工作時(shí)的狀態(tài)——定位還是操作，定位完成后按下操作按鈕的同時(shí)機(jī)器人將自動(dòng)記錄病人切口相對(duì)其坐標(biāo)系的位置；速度調(diào)節(jié)按鈕用于調(diào)節(jié)機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度，當(dāng)機(jī)器人用于定位時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較高，當(dāng)用于手術(shù)操作時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低，便于實(shí)際操作又具有較高的安全性；六個(gè)手術(shù)方向(前、后、左、右、升、降)按鈕用于控制機(jī)器人小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端的運(yùn)動(dòng)方向；抽插控制按鈕用于控制內(nèi)鏡在空間位置保持位姿不變情況下的進(jìn)出。DSP數(shù)字信號(hào)處理器裝于運(yùn)載車的箱體內(nèi)；用于數(shù)據(jù)處理及向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與其相連的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；控制面板通過數(shù)據(jù)線與DSP數(shù)字信號(hào)處理器相連。
運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型本發(fā)明為PRRRRR結(jié)構(gòu)，共有6個(gè)自由度，其中3個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)為集中于一點(diǎn)的球鉸鏈結(jié)構(gòu)，無驅(qū)動(dòng)電機(jī)(參見圖7)。
各桿件間的變換矩陣 其中，s2＝sinθ2；c2＝cosθ2；s23＝sin(θ2+θ3)；c23＝cos(θ2+θ3)，其中，a2、a3分別為大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的長，θ2為大轉(zhuǎn)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角，θ3為小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角。
由 可知本發(fā)明被動(dòng)關(guān)節(jié)中心的位置為(a2c2+a3c23，a2s2+a3s23，d1)，即而本發(fā)明的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為 使用時(shí)確定手術(shù)切口相對(duì)本發(fā)明基礎(chǔ)坐標(biāo)系空間位置的原理及過程本發(fā)明定位、通電、啟動(dòng)后，進(jìn)行模式選擇，初始化后升降機(jī)構(gòu)將大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂升到其行程的最高點(diǎn)，同時(shí)大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂按照程序設(shè)定好的轉(zhuǎn)角進(jìn)行展開，安裝機(jī)器人小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的可拆卸部分，并啟動(dòng)安裝在其下部的兩個(gè)光束源，兩光束源被傾斜放置并成不同角度，使其在交點(diǎn)位于球鉸鏈球心的正下方200mm處。此時(shí)，通過觀察兩光束照在人體皮膚上的光點(diǎn)，按動(dòng)控制面板上的方向按鈕，控制大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使球鉸鏈的球心處于切口的正上方，然后通過控制面板上的升降按鈕控制升降機(jī)構(gòu)降低大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的高度，此時(shí)兩光束照在人體皮膚上的兩個(gè)光點(diǎn)的距離逐漸減小，當(dāng)兩光點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)到切口處時(shí)停止下降，并按下控制面板的操作開關(guān)，則即可記錄下手術(shù)切口在本發(fā)明基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位置(x切口，y切口，z切口)即(xp，yp，zp-200)，完成此操作。圖8給出了確定手術(shù)切口相對(duì)本發(fā)明基礎(chǔ)坐標(biāo)系空間位置的示意圖，其中，8為安裝在小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端的兩個(gè)光束源，9為光束源發(fā)出的光束，02為手術(shù)切口，4為小轉(zhuǎn)動(dòng)臂。
本發(fā)明操作過程中內(nèi)鏡的抽插實(shí)現(xiàn)過程及內(nèi)鏡的空間矢量當(dāng)內(nèi)鏡沿手術(shù)切口插入腹(胸)腔內(nèi)部后，由于手術(shù)中觀察病灶整體和局部的需要，內(nèi)鏡須保持原來位姿不變的情況沿其軸線運(yùn)動(dòng)，即為內(nèi)鏡的抽插。手術(shù)中內(nèi)鏡抽的過程可以分解為升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂上升和轉(zhuǎn)動(dòng)臂向基礎(chǔ)坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程，插的過程可以分解為升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂下降和轉(zhuǎn)動(dòng)臂遠(yuǎn)離基礎(chǔ)坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。由于內(nèi)鏡的軸線穿過球鉸鏈的球心，且手術(shù)切口及球鉸鏈球心相對(duì)機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位置已知(x切口，y切口，z切口)、(xp0，yp0，zp0)，內(nèi)鏡所在空間矢量

即可求得，即(x切口-xp0，y切口-yp0，z切口-zp0)，則內(nèi)鏡在手術(shù)機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的空間直線參數(shù)方程為

內(nèi)鏡沿

運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人球鉸鏈球心的位置為((xp0-x切口)t+x切口，(yp0-y切口)t+y切口，(zp0-z切口)t+z切口)，即

內(nèi)鏡在切口處沿其空間矢量

運(yùn)動(dòng)的距離為 水平面小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端直線運(yùn)動(dòng)的基本算法水平面內(nèi)大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的雅可比矩陣為小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端在水平面以10mm/s的速度垂直y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度分別為 小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端在水平面以10mm/s的速度垂直x軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為 本發(fā)明升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過控制面板上的升降按鈕直接控制。
使用時(shí)，將本發(fā)明推到手術(shù)臺(tái)旁的相應(yīng)位置上，鎖定車輪將其定位；接通電源；選擇機(jī)器人工作模式(患者的左側(cè)或右側(cè))；按下機(jī)器人狀態(tài)啟動(dòng)按鈕使升降機(jī)構(gòu)升到最高點(diǎn)及大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂快速展開；按動(dòng)控制面板上的定位按鈕，然后按動(dòng)方向按鈕調(diào)整升降機(jī)構(gòu)的高度及小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端的位置，使小轉(zhuǎn)動(dòng)臂上的兩束光源的交點(diǎn)集中到切口處，按下操作按鈕記下手術(shù)切口相對(duì)機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位置；按動(dòng)方向鈕中的上升按鈕，為內(nèi)鏡沿內(nèi)鏡夾持裝置插入患者體內(nèi)提供必要的初始位姿。手術(shù)過程中，按動(dòng)控制面板中的方位按鈕，使內(nèi)鏡在大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的帶動(dòng)下調(diào)整位姿，到達(dá)主刀醫(yī)生觀察患者手術(shù)部位的最佳方位。手術(shù)結(jié)束后，按動(dòng)操作面板中的方向按鈕改變內(nèi)鏡的位姿，將其從內(nèi)鏡夾持裝置上取下；取下可拆卸的小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的外段，作消毒處理，以便下次手術(shù)使用。按動(dòng)操作控制面板中機(jī)器人狀態(tài)的復(fù)位鍵，使大轉(zhuǎn)動(dòng)臂復(fù)位，小轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)到大轉(zhuǎn)動(dòng)臂的正下方側(cè)。最后，關(guān)掉電源，推出手術(shù)室，結(jié)束本次使用。



圖1主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人主視圖 圖2主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人的被動(dòng)關(guān)節(jié)及內(nèi)鏡夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖(圖1I處局部放大) 圖3主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人的可拆卸小轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接結(jié)構(gòu)示意圖(圖1II處局部放大) 圖4主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人工作空間示意圖 圖5主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 圖6主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人控制面板示意圖 圖7主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖及各連桿坐標(biāo)系 圖8主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人確定手術(shù)切口相對(duì)位置示意圖
具體實(shí)施例方式 下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖加以說明。
如圖1所示，主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人包括運(yùn)載車1、升降機(jī)構(gòu)2、大轉(zhuǎn)動(dòng)臂3、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂4、步進(jìn)電機(jī)5、帶有球鉸鏈的內(nèi)鏡夾持裝置6和由控制面板71、DSP數(shù)字信號(hào)處理器72、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器73組成的控制系統(tǒng)7；其中，升降機(jī)構(gòu)2為絲杠螺母機(jī)構(gòu)；可升降的套筒21借助一側(cè)外壁上的滑塊22沿鉛垂導(dǎo)軌23滑動(dòng)；螺母24固裝在套筒21下端，旋入螺母24內(nèi)的絲杠25外端與步進(jìn)電機(jī)5相連；于是，在該步進(jìn)電機(jī)5的帶動(dòng)下，套筒21可沿導(dǎo)軌23上下滑動(dòng)；大轉(zhuǎn)動(dòng)臂3水平地置于套筒21頂部，并與固裝在套筒21內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)5的輸出軸相連；于是，在該步進(jìn)電機(jī)5的帶動(dòng)下，大轉(zhuǎn)動(dòng)臂3可繞套筒21軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；小轉(zhuǎn)動(dòng)臂4可繞大轉(zhuǎn)動(dòng)臂3的端部水平轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)力來自固定于大轉(zhuǎn)動(dòng)臂3另一端的步進(jìn)電機(jī)5和齒形帶傳動(dòng)副；小轉(zhuǎn)動(dòng)臂4由便于拆卸、相互螺接的兩段41和42組成，41為平直段，42帶有向下45°的彎折段，下方固裝有兩個(gè)水平傾角分別為-60°和-53°的光束源81、82，兩段借助螺紋副43和44連接(參見圖3)；內(nèi)鏡夾持裝置6借助球鉸鏈將內(nèi)鏡0固裝在小轉(zhuǎn)動(dòng)臂4的末端；球鉸鏈包括帶內(nèi)鏡夾的球體61、球座62、彈簧63、緊固螺釘64(參見圖2)。鉛垂導(dǎo)軌23固連在箱式運(yùn)載車1內(nèi)，套筒21連同大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂3、4以及內(nèi)鏡夾持裝置6延伸至車廂外。運(yùn)載車1底部裝有帶鎖定機(jī)構(gòu)的滾輪11，方便整個(gè)裝置的搬運(yùn)和定位。
控制面板71固定在運(yùn)載車1箱體的側(cè)上方(參見圖1)，其上裝有電源開關(guān)及其指示燈、模式選擇按鈕及其指示燈、機(jī)器人狀態(tài)啟動(dòng)和復(fù)位按鈕及其指示燈、定位和操作按鈕及其指示燈、速度調(diào)節(jié)按鈕及其指示LED光柱、前后左右控制按鈕、升降控制按鈕、(內(nèi)鏡)抽插控制按鈕(參見圖6)。其中，模式選擇按鈕用于設(shè)置由患者的手術(shù)部位所決定的本發(fā)明的使用位置，即其置于手術(shù)臺(tái)的左側(cè)還是右側(cè)——這與大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂工作時(shí)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)；機(jī)器人狀態(tài)的啟動(dòng)和復(fù)位按鈕可直接、快速控制大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂3和4的術(shù)前展開和術(shù)后大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂3和4的復(fù)位及小轉(zhuǎn)動(dòng)臂4收攏到大轉(zhuǎn)動(dòng)臂3的下方；定位和操作分別定義機(jī)器人工作時(shí)的狀態(tài)——定位還是操作，定位完成后按下操作按鈕的同時(shí)機(jī)器人將記錄病人切口相對(duì)其坐標(biāo)系的位置；速度調(diào)節(jié)按鈕用于調(diào)節(jié)機(jī)器人工作時(shí)的速度，當(dāng)機(jī)器人用于定位時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較高，當(dāng)用于手術(shù)操作時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低，便于實(shí)際操作又具有較高的安全性；六個(gè)手術(shù)方向(前、后、左、右、升、降)按鈕用于控制機(jī)器人小轉(zhuǎn)動(dòng)臂末端的運(yùn)動(dòng)；內(nèi)鏡抽插控制按鈕用于控制內(nèi)鏡在一定空間位置的進(jìn)出。
DSP數(shù)字信號(hào)處理器72裝于運(yùn)載車1的箱體內(nèi)；用于數(shù)據(jù)處理及向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器73發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與其相連的步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)；控制面板71通過數(shù)據(jù)線與DSP數(shù)字信號(hào)處理器72相連(參見圖5)。
所述的控制面板將信號(hào)傳輸?shù)截?fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及發(fā)出脈沖信號(hào)的DSP數(shù)字信號(hào)處理器72中，經(jīng)過DSP數(shù)字信號(hào)處理器72向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器73發(fā)出脈沖信號(hào)，控制大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂3和4上的步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)過不同角度。由于內(nèi)鏡0是沿病患部位的切口插入患者體內(nèi)，插入點(diǎn)便成為限制內(nèi)鏡0橫向運(yùn)動(dòng)的約束，在大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂的帶動(dòng)下內(nèi)鏡0的運(yùn)動(dòng)到方位為手術(shù)進(jìn)行提供手術(shù)區(qū)域的圖像。圖4給出了本發(fā)明的工作空間示意圖，其中02為內(nèi)鏡0的插入點(diǎn)，01和03分別為內(nèi)鏡0在患者體內(nèi)和體外部分的運(yùn)動(dòng)面。
本發(fā)明中的DSP數(shù)字信號(hào)處理器72的型號(hào)為TMS320LF2407A，或采用TMS320LF2812系列；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器73采用常州雙杰SJ-240M型，或北京四通電機(jī)公司SH-20402A型；步進(jìn)電機(jī)5采用42BYG系列或57BYG系列。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和控制原理簡單，制作成本相對(duì)較低，便于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人，其特征在于它包括運(yùn)載車(1)、升降機(jī)構(gòu)(2)、大轉(zhuǎn)動(dòng)臂(3)、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂(4)、步進(jìn)電機(jī)(5)、帶有球鉸鏈的內(nèi)鏡夾持裝置(6)和控制系統(tǒng)(7)；其中，升降機(jī)構(gòu)(2)為絲杠螺母機(jī)構(gòu)；可升降的套筒(21)借助一側(cè)外壁上的滑塊(22)沿鉛垂導(dǎo)軌(23)滑動(dòng)；螺母(24)固裝在套筒(21)下端，旋入螺母(24)內(nèi)的絲杠(25)外端與步進(jìn)電機(jī)(5)相連；大轉(zhuǎn)動(dòng)臂(3)水平地置于套筒(21)頂部，并與固裝在套筒(21)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)(5)的輸出軸相連；小轉(zhuǎn)動(dòng)臂(4)可繞大轉(zhuǎn)動(dòng)臂(3)的端部水平轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)力來自固定于大轉(zhuǎn)動(dòng)臂(3)另一端的步進(jìn)電機(jī)(5)和齒形帶傳動(dòng)副；小轉(zhuǎn)動(dòng)臂(4)由便于拆卸、相互螺接的兩段(41)和(42)組成，且(42)下方固裝有兩個(gè)水平傾角分別為-60°和-53°的光束源(81、82)；內(nèi)鏡夾持裝置(6)借助球鉸鏈將內(nèi)鏡(0)固裝在小轉(zhuǎn)動(dòng)臂(4)的末端；鉛垂導(dǎo)軌(23)固連在箱式運(yùn)載車(1)內(nèi)，套筒(21)連同大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂(3、4)以及內(nèi)鏡夾持裝置(6)延伸至車廂外；運(yùn)載車(1)底部裝有帶鎖定機(jī)構(gòu)的滾輪(11)。
2.如權(quán)利要求1所述的主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人，其特征在于控制系統(tǒng)(7)包括控制面板(71)、DSP數(shù)字信號(hào)處理器(72)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(73)；其中，控制面板(71)固定在運(yùn)載車1箱體的側(cè)上方，其上裝有電源開關(guān)及其指示燈、模式選擇按鈕及其指示燈、機(jī)器人狀態(tài)啟動(dòng)和復(fù)位按鈕及其指示燈、定位和操作按鈕及其指示燈、速度調(diào)節(jié)按鈕及其指示LED光柱、前后左右控制按鈕、升降控制按鈕、抽插控制按鈕；DSP數(shù)字信號(hào)處理器(72)通過數(shù)據(jù)線分別與控制面板(71)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(73)相連；手動(dòng)操作控制面板(71)上的相關(guān)按鈕，產(chǎn)生DSP數(shù)字信號(hào)處理器(72)可接受的信息，并發(fā)出相關(guān)指令，改變升降電機(jī)和大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂電機(jī)(5)的旋轉(zhuǎn)方向和角度，進(jìn)而改變內(nèi)鏡(0)的方位。
全文摘要
本發(fā)明的目的是公開一種主被動(dòng)式內(nèi)鏡操作手術(shù)機(jī)器人，用于微創(chuàng)手術(shù)中必備的內(nèi)鏡的位姿調(diào)整。它包括運(yùn)載車、升降機(jī)構(gòu)、大小轉(zhuǎn)動(dòng)臂、步進(jìn)電機(jī)、內(nèi)鏡夾持裝置和由控制面板、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、組成的控制系統(tǒng)。利用本發(fā)明，通過按動(dòng)操作面板上的操作按鈕，產(chǎn)生DSP數(shù)字信號(hào)處理器可接受的信息，并借助步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相關(guān)指令，改變大、小轉(zhuǎn)動(dòng)臂電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和角度；于是，穿透患者腹(胸)腔壁的內(nèi)鏡在插入點(diǎn)皮膚的約束下運(yùn)動(dòng)，便可在顯示器上獲得手術(shù)部位的最佳圖像。所述的“主被動(dòng)式”是以運(yùn)動(dòng)桿件有無可控電機(jī)拖動(dòng)來區(qū)分。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和控制原理簡單，制作成本相對(duì)不高，便于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B25J3/00GK101112329SQ20071007269
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月23日
發(fā)明者張立勛, 董九志, 李艷生, 張鐵鋒 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)