一种眼科角膜移植手术机器人操作机构的制作方法

本发明属于医疗手术机器人技术领域，具体涉及一种眼科角膜移植手术机器人操作机构。

背景技术：

手术机器人做手术时，由机械臂操作手术工具完成切断、止血及缝合等操作，外科医生可坐在控制台上观测和指导机械臂工作。现在已经发展的较为成熟的手术机器人系统包括，以双平行四边形机构为代表的远心不动点(rcm)手术系统、串联机械臂手术系统、带有柔性关节的灵巧手术系统等。手术机器人系统可实现外科、骨科、心脏以及眼科微创手术，因其具有提高手术操作精度、减小微创手术创伤以及减少术者疲劳的优势，利用机器人做外科手术已日益普及。

目前，手术机器人向专科化发展，已经商业化的眼科手术机器人主要有荷兰preceyes手术系统和国内的福宁or机器人，其主要面向眼内及眼底手术，仅具有3个旋转和1个开合自由度，无法用于角膜移植手术，研究人员尝试采用美国的达芬奇手术系统进行角膜移植手术，但是其存在运动刚度低、运动惯量大以及灵活性差的缺点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种眼科角膜移植手术机器人操作机构，具有灵活性好，精度高，运动刚度高，且运动空间范围大的优点。

本发明采用以下技术方案：

一种眼科角膜移植手术机器人操作机构，包括手术台，手术台一端的左右两侧分别设置有固定基座，每个固定基座上均设置有直线导轨，每个直线导轨的轴上设置有机械臂，左、右两条机械臂均包括术前摆位机构和术中器械操纵机构，术前摆位机构具有五个自由度，其中三个自由度用于对术中器械操纵机构的位置进行定位，两个自由度用于对术中器械操纵机构的方向进行定位；

术中器械操纵机构包括位置调整机构和姿态调整机构，位置调整机构的一端设置有末端执行器，姿态调整机构安装在末端执行器的前端，姿态调整机构的前端设置有手术工具；

位置调整机构包括三条结构相同的运动链，三条运动链对称布置行成并联空间机构，末端执行器具有三个互相正交的移动自由度p1、移动自由度p2和移动自由度p3，三个互相正交的移动自由度由对应的第一电机驱动；姿态调整机构具有翻滚自由度r1、俯仰自由度r2、偏航自由度r3和器械开合自由度r4四个自由度，四个自由度通过绳-滑轮机构与手术工具连接，实现手术操作。

具体的，术前摆位机构包括直线导轨，直线导轨固定在固定基座上，通过移动副与竖直升降台连接，竖直升降台上通过旋转关节与连杆的一端连接，连杆的另一端依次经第一关节和第二关节与术中器械操纵机构连接，旋转关节与连杆能够实现术中器械操纵机构在xy平面内的位置，第一关节与第二关节能够实现术中器械操纵机构的姿态调整。

具体的，位置调整机构包括位置调整机构基座，位置调整机构基座上间隔设置有三个电机基座，每个电机基座上对应安装有一个第一电机，每个第一电机对应连接一条运动链，通过运动链与末端执行器连接，末端执行器的末端设置驱动装置，通过驱动装置与姿态调整机构连接，三条运动链组成并联机构实现末端执行器的三个移动自由度p1、p2和p3，驱动装置能够实现姿态调整机构的转动自由度r1。

进一步的，运动链包括主动臂和从动臂，主动臂的一端与第一电机连接，通过电机驱动实现相对于电机基座的旋转运动，主动臂的另一端经连接杆与从动臂的一端连接，从动臂的另一端经连接杆与末端执行器连接。

更进一步的，两个连接杆和两个从动臂组成空间四边形，第一个连接杆的中部通过旋转副与主动臂的一端相连，第一个连接杆的两端分别通过球面副与从动臂的后端相连；两个从动臂的前端通过球面副与第二个连接杆的两端相连，第二个连接杆的中部通过旋转副与末端执行器的一端相连。

进一步的，驱动装置包括第二电机，第二电机通过端盖固定在末端执行器上，第二电机的伸出轴通过联轴器与姿态调整机构基座的轴固定的连接，姿态调整机构基座的轴通过第一轴承旋转连接在末端执行器上，第一轴承通过轴承端盖固定在末端执行器上，姿态调整机构基座的法兰与姿态调整机构的基座固定的相连，实现姿态调整机构的r1自由度。

具体的，姿态调整机构包括外壳，外壳的一端与位置调整机构的驱动装置连接，另一端经刚性管与远端姿态调整机构连接，手术工具设置在远端姿态调整机构的端部，包括第一开合瓣和第二开合瓣。

进一步的，外壳上设置有浮板，浮板上对应设置有三个第三电机，三个电机分别通过驱动轮对应连接绳，绳的另一端经过中空的刚性管分别连接远端姿态调整机构和手术工具。

更进一步的，绳包括第一绳、第二绳和第三绳，第一绳通过绳-滑轮传动连接实现工具基座相对于刚性管的旋转自由度r2，第三绳通过第二滑轮实现第一开合瓣相对于工具基座的旋转连接，第二绳通过第二滑轮实现第二开合瓣相对于工具基座的旋转连接，滑轮通过第二轴和第二轴承与基座活动连接，第一开合瓣和第二开合瓣通过第三轴与工具基座活动连接。

更进一步的，浮板上设置有轴，轴上设置有第一滑轮，第一滑轮的内圈固定在浮板上，外圈用于改变绳的传动方向。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种眼科角膜移植手术机器人操作机构，为适用于角膜移植手术的专科化机器人，可实现大范围运动和灵活性操控，可完成包括但不仅限于眼科穿透性角膜移植术和板层角膜移植术，采用并联机器人机构作为3自由度位置调整机构，采用绳-滑轮机构作为3自由度姿态调整机构和工具开合机构；采用绳-滑轮机构，将电机布置在远离手术工具的基座上，能够有效减小工具端的尺寸，避免运动中零件间的干涉问题。

进一步的，在手术前的准备阶段，调整末端手术工具的位置和姿态，将其粗定位至角膜附近区域，粗定位后锁死术前摆位机构的各个关节使其不再运动。

进一步的，在手术过程中，能够实现手术工具围绕角膜进行360°的缝合运动，同时能够补偿由于姿态调整机构的旋转运动导致的末端手术工具的牵连运动。

进一步的，位置调整机构采用3条运动链并联的机构，将电机固定在静平台上，具有更高的运动刚度和精度。

进一步的，采用并联机器人机构进行位置调整，提高运动刚度，使其运动稳定性更高。由于远心不动点机构的驱动需要双平行四边形、球形机器人等机构作为器械操纵器，这些驱动机构的杆件大、电机固定在杆件上，存在运动刚度低、所需的布置空间大等问题。而本发明位置调整机构的驱动电机固定在基座上，同时采用并联机器人机构进行位置调整，杆件只需承受外力负载，不需承受电机和多余杆件载荷，因此具有抵抗运动变形能力强、运动刚度高的优势。

进一步的，由于姿态调整机构结构复杂，运动惯量大，因此将驱动装置固连在位置调整机构的末端执行器上，有助于将姿态调整机构作为一个整体驱动，进而实现姿态调整机构的r1自由度。

进一步的，姿态调整机构安装在并联机器人的末端，减小姿态调整机构的尺寸和机构的运动惯量。由于角膜移植手术为眼外手术，远心不动点机构会降低该手术的操作灵活性，并且远心不动点机构的末端腕工具在手术创口外的尺寸是不可忽视的，对于眼外手术会带来额外的运动惯量，而本发明的姿态调整机构安装在并联机器人的末端，能够以更小的运动幅度实现相同的运动，其操纵灵活性更高。

进一步的，浮板作为固连3个电机的基座，能够通过绳-滑轮传递方式驱动远端的姿态调整机构的3个自由度r2、r3和r4，有助于使末端的手术工具机构紧凑，在小空间内实现大范围旋转运动，提高灵活性。

进一步的，通过与工具基座、第一开合瓣、第二开合瓣之间的摩擦力，第一绳、第二绳和第三绳能够实现对于末端手术工具的旋转自由度r2、r3和r4。

进一步的，第一滑轮能够改变绳传动方向，使分散在浮板上的电机的运动能够经过第一滑轮后紧凑的穿过管径较小的刚性管传递至末端手术工具。

综上所述，本发明为适用于角膜移植手术的专科化机器人，可实现大范围运动和灵活性操控，可完成包括但不仅限于眼科穿透性角膜移植术和板层角膜移植术，其具有灵活性好，精度高，运动刚度高，且运动空间范围大的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明术前摆位机构整体结构示意图；

图3为本发明术中器械操纵机构的位置调整机构的结构示意图；

图4为本发明术中器械操纵机构的姿态调整机构的一端结构示意图；

图5为本发明术中器械操纵机构的姿态调整机构的另一端结构示意图；

图6为本发明手术工具的一种结构示意图。

其中：1.术前摆位机构；2.位置调整机构；3.姿态调整机构；4.手术台；10.固定基座；11.直线导轨；12.竖直升降台；13.旋转关节；14.连杆；15.第一关节；16.第二关节；17.法兰；20.位置调整机构基座；21.电机基座；22.第一电机；23.主动臂；24.连接杆；25.从动臂；26.末端执行器；27.驱动装置；270.第二电机；271.联轴器；272.姿态调整机构基座；273.第一轴承；274.轴承端盖；32.外壳；321.浮板；322.驱动轮；323.绳；324.第一轴；325.垫片；326.第一滑轮；327.端口；328.第三电机；33.刚性管；34.远端姿态调整机构；340.基座；341.第二滑轮；342.第二轴承；343.第二轴；344.工具基座；345.第三轴；35.手术工具；351.第一开合瓣；352.第二开合瓣；361.角膜镊；362.持针钳；364.待缝合角膜；363.缝针。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种眼科角膜移植手术机器人操作机构，包括两基座放在手术床的旁边，两条机械臂分别固定在基座的竖直升降台上，通常有至少两条持械臂以模仿外科医生的手和一条持镜臂以放置成像设备，每条持械臂包括术前摆位机构和术中器械操纵机构，术前摆位机构用于对术中器械操纵机构进行定位，术中器械操纵机构包括位置调整机构和姿态调整机构两部分，位置调整机构能够实现对姿态调整机构在空间内的位置调整，姿态调整机构由绳-滑轮机构进行运动和力传动，用以控制工具进行手术操作。本发明能够实现手术工具在工作空间内任意位置和姿态的运动轨迹、完成角膜移植术中的角膜钻切和角膜缝合，具有灵活性好，精度高，运动刚度高，且运动空间范围大的优点。

请参阅图1，本发明一种眼科角膜移植手术机器人操作机构，包括机械臂、手术台4和固定基座10，固定基座10包括两个，分别设置在手术台4一端的左右两侧，每个固定基座10上均设置有直线导轨11，左、右两条机械臂分别对称设置在直线导轨11的轴上，通常采用至少两条持械臂以模仿外科医生的手，同时有一条持镜臂以放置成像设备。

两条机械臂结构相同，均包括术前摆位机构1和术中器械操纵机构，术前摆位机构1具有五个自由度，其中三个自由度用于对术中器械操纵机构的位置进行定位，两个自由度用于对术中器械操纵机构的方向进行定位，定位结束后术前摆位机构1的所有关节被锁死不再运动，各关节可以设置为手动驱动或电机驱动。

术中器械操纵机构包括位置调整机构2和姿态调整机构3，位置调整机构2的一端设置有末端执行器26，姿态调整机构3安装在末端执行器26前端，姿态调整机构3的前端设置有手术工具35；位置调整机构2包括三条结构相同的运动链并且通过对称布置行成并联空间机构，末端执行器26具有三个互相正交的移动自由度p1、移动自由度p2和移动自由度p3，能够实现对姿态调整机构3在空间内的位置调整，三个互相正交的移动自由度由对应的第一电机22进行驱动，用以实现手术工具35在小范围内的精确定位；姿态调整机构3具有翻滚自由度r1、俯仰自由度r2、偏航自由度r3和器械开合自由度r4四个自由度，四个自由度由绳-滑轮机构进行运动和力传动，用以控制手术工具35进行手术操作。

请参阅图2，术前摆位机构1包括直线导轨11、竖直升降台12、旋转关节13、连杆14和关节；直线导轨11固定在固定基座10上，通过移动副与竖直升降台12连接，连杆14的一端通过旋转关节13与竖直升降台12连接，另一端依次经第一关节15和第二关节16后与术中器械操纵机构连接，第二关节16上设置有方形法兰17，旋转关节13与连杆14共同实现术中器械操纵机构在xy平面内的位置，第一关节15与第二关节16实现术中器械操纵机构的姿态调整。

连杆14包括多个，多个连杆14之间通过旋转关节13连接。

请参阅图3，位置调整机构2包括位置调整机构基座20、第一电机22、运动链和末端执行器26；

位置调整机构基座20上间隔设置有三个电机基座21，每个电机基座21上对应安装有一个第一电机22，每个第一电机22能够驱动一条运动链，

每条运动链包括主动臂23和从动臂25，每条运动链主动臂23的一端与对应的第一电机22连接，通过电机驱动实现相对于电机基座21的旋转运动，另一端经连接杆24与对应的从动臂25的一端连接，三个从动臂25的另一端分别经对应的连接杆24与末端执行器26连接，末端执行器26的末端设置驱动装置27，通过驱动装置27与姿态调整机构3连接。

连接杆24的中部通过旋转副与主动臂23的一端相连，连接杆24的两端分别通过球面副与从动臂25的后端相连，两个从动臂25的前端通过球面副与对应的连接杆24的两端相连，即两连接杆24和两从动臂25组成空间四边形，连接杆24中部通过旋转副与末端执行器26的一端相连，三条运动链结构相同并且共同组成并联机构实现末端执行器26的三个移动自由度p1、p2和p3。

驱动装置27安装在末端执行器26上并且实现姿态调整机构3的转动自由度r1，驱动装置27包括第二电机270，第二电机270通过端盖固定在末端执行器26上并且第二电机270的伸出轴通过联轴器271与姿态调整机构基座272的轴固定的连接，姿态调整机构基座272的轴通过第一轴承273旋转的连接在末端执行器26上，第一轴承273通过轴承端盖274固定在末端执行器26上，姿态调整机构基座272的法兰与姿态调整机构3的基座固定的相连，实现姿态调整机构3的r1自由度。

请参阅图4和图5，姿态调整机构3包括外壳32、刚性管33、远端姿态调整机构34和手术工具35；外壳32的一端与驱动装置27连接，另一端经刚性管33与远端姿态调整机构34连接，手术工具35设置在远端姿态调整机构34的端部。

外壳32上设置有浮板321，浮板321上设置有三个第三电机328，三个电机328作为驱动机构分别通过驱动轮322对应连接绳323，用于实现绳323的运动，绳323包括第一绳3231、第二绳3232和第三绳3233，第一绳3231和第二绳3232分别通过带传动实现远端r2轴和r3轴两个自由度，第三绳3233与手术工具35连接，实现工具开合r4的一个自由度，第一滑轮326实现带传动中运动方向的改变，第一滑轮326由轴324和垫片325旋转的连在浮板321上，浮板321前端有一圆柱形端口327用于与刚性管33的一端固定连接，远端姿态调整机构34的基座340固连在刚性管33的另一端，三条绳323经过刚性管33的中空空间实现远端姿态调整机构34和手术工具35的运动。

手术工具35包括第一开合瓣351和第二开合瓣352，第一绳3231通过绳-滑轮传动实现工具基座344相对于刚性管33的旋转自由度r2，第三绳3233通过第二滑轮341实现第一开合瓣351相对于工具基座344的旋转运动，第二绳3232通过第二滑轮341实现第二开合瓣352相对于工具基座344的旋转运动，即第二绳3232和第三绳3233组合共同实现旋转自由度r3和工具开合自由度r4，第二滑轮341通过第二轴343和第二轴承342旋转的连在基座340上，第一开合瓣351和第二开合瓣352通过第三轴345旋转的连在工具基座344上。

远端的手术工具35既可以是铰链机构，也可以是非铰链机构；若是铰链机构，则包括但不仅限于眼科剪、钳、镊、夹等；若是非铰链机构，则包括但不仅限于眼科针、刀、钩、铲等。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过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。

本发明的眼科角膜移植手术机器人操作机构可以作为主从式眼科角膜移植手术机器人操作机构的从端执行机构也可以作为自动式眼科角膜移植手术机器人操作机构进行自动化手术。首先，在手术前的准备阶段，采用术前摆位机构1调整末端手术工具35的位置和姿态，将其粗定位至角膜附近区域，粗定位后锁死术前摆位机构1的各个关节使其不再运动；然后，在手术过程中，通过位置调整机构2和姿态调整机构3，准确调整末端工具35的位置和姿态以配合完成手术动作，该过程通过驱动电机22和电机322完成；同时，由末端手术工具35完成手术动作，如剪断角膜连接、抓持角膜以及持针缝合角膜等等。

请参阅图6，在角膜缝合过程中，两条机械臂末端的手术工具35分别为角膜镊361和持针钳362，角膜镊361用于抓持角膜以将待缝合角膜364调整至合适的缝合位置，持针钳362用于夹持缝针363使其刺入、拔出角膜。本发明眼科角膜移植手术机器人操作机构可以代替医生进行手术操作，实现比医生操作更高的精度，同时缓解医生疲劳。

综上所述，本发明一种眼科角膜移植手术机器人操作机构，具有3个位置自由度、3个旋转自由度和一个开合自由度，能够实现手术工具在工作空间内任意位置和姿态的运动轨迹，同时能够实现角膜移植术中的角膜钻切和角膜缝合，实现穿透性角膜移植术和深板层角膜移植术，其钻切和缝合精度高于医生手部操作精度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

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