防水型、轻量化的手术机器人执行器及手术机器人系统的制作方法

本发明属于医疗器械技术领域。具体涉及一种防水型、轻量化的手术机器人执行器及手术机器人系统。

背景技术：

自上世纪九十年代开始，机器人辅助微创外科手术获得了突飞猛进的发展。多种外科手术机器人系统在临床上得到了成功的应用，这引起了世界范围内医学界和科技界极大的关注。手术机器人系统融合诸多新兴学科，实现了外科手术微创化、智能化和数字化，近年来，手术机器人已在全世界范围内得到了广泛的应用，手术种类涵盖泌尿科、妇产科、心脏外科、胸外科、肝胆外科、胃肠外科、耳鼻喉科等学科。

手术机器人一般主要由三部分组成：1.医生控制系统；2.三维成像视频影像平台；3.机械臂。医生通过三维成像视频影像平台获得病人手术部位相关信息，然后通过控制系统输出操作指令，最后由机械臂实施手术动作。但是，一般情况下机械臂只提供大的手术动作(有点类似人类的手臂)，而细致、具体的手术动作还要由连接于机械臂末端的手术执行器来完成(手术执行器的功能类似于人类的手掌和手指)。

中国实用新型专利cn211512043u公开了一种经尿道电切镜手术机器人执行器，中国发明专利申请公开号cn110074867a提出了一种经皮肾镜手术机器人系统。但上述手术机器人执行器均未公开防水结构，而手术过程例如需要用大量生理盐水对创口进行冲洗，飞溅的冲洗液可能会腐蚀手术机器人执行器的部件。此外，上述手术机器人执行器重量也较大，较大的重量会影响手术动作的灵活性。

技术实现要素：

鉴于已有的手术机器人执行器存在的以上不足，本申请提出一种防水型、轻量化的手术机器人执行器。

本发明的实施例提供一种防水型、轻量化的手术机器人执行器，所述防水型、轻量化的手术机器人执行器包括夹持部(01)和控制部(02)，其中，所述夹持部(01)配置为固定安装手术操作器(20x)，并确保所述手术操作器(20x)在手术过程中不晃动；所述控制部(02)配置为通过线缆与外部的手术控制装置通信，获得手术动作指令后，驱动所述手术操作器(20x)完成手术动作。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述夹持部(01)包括底板(6)，所述底板(6)将所述夹持部(01)与所述控制部(02)隔离开，所述底板(6)具有长条形开口；

所述控制部(02)包括连杆(14)和防水膜(15)，所述连杆(14)穿过所述底板(6)上的所述长条形开口，并与固定安装在所述夹持部(01)中的所述手术操作器(20x)相连；

所述防水膜(15)的形状近似一个倒扣的漏斗，下部紧密贴合于所述底板(6)的表面，上部收紧贴合于所述连杆(14)的外表面；

优选的，所述防水膜(15)采用弹性材料制造，例如为橡胶膜；

优选的，所述长条形开口的长度方向与所述所述手术操作器(20x)的长度方向平行。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述夹持部(01)包括前垫块(1)、前合盖(2)、后垫块(3)以及后合盖(4)，所述前垫块(1)、所述后垫块(3)固定安装在底板(6)上，所述前垫块(1)、所述后垫块(3)在远离底板(6)的一侧具有与所述手术操作器(20x)的形状相适配的凹槽，所述手术操作器(20x)能够卡紧于所述凹槽中；

优选的，所述前垫块(1)、所述后垫块(3)采用高分子材料制作，所述前垫块(1)、所述后垫块(3)上的凹槽尺寸稍微大于手术操作器(20x)相应部位的尺寸；进一步优选的，所述前垫块(1)、所述后垫块(3)上的凹槽尺寸与所述手术操作器(20x)相应部位的尺寸的比例为1.01-1.05：1，或者为1.01-1.02：1；

优选的，所述前合盖(2)、所述后合盖(4)的一侧通过转轴分别安装在所述前垫块(1)、所述后垫块(3)之上，另一侧通过锁紧机构能够分别与所述前垫块(1)、所述后垫块(3)锁紧。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述防水型、轻量化的手术机器人执行器进一步包括摄像头垫块(7)，所述摄像头垫块(7)是一块具有一定厚度的板，固定安装在底板(6)上，所述摄像头垫块(7)将安装于所述摄像头垫块(7)上方的摄像头垫起来，使得所述摄像头与所述手术操作器20x准确对接；

优选的，所述防水型、轻量化的手术机器人执行器进一步包括灯带(10)，所述灯带(10)通过亮度、发光颜色等显示手术机器人执行器的工作状态。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述控制部(02)包括连杆(14)、防水膜(15)、前轴承座(16)、丝杠(17)、直线轴承(18)、滑块(19)、丝杠螺母(20)、限位环(21)、光电传感器(22)、后轴承座(23)、联轴器(24)、电机支撑座(25)、伺服电机(26)、光轴(27)、外壳(5)；

优选的，所述前轴承座(16)、所述后轴承座(23)与所述外壳(5)紧密连接，将所述控制部(02)内部空间划分为三个部分。

根据本发明的一种实施方式，例如，在所述底板(6)的适当位置设置螺孔(29)，用于安装所述底板(6)，在所述螺孔(29)上方设置防水垫；

优选的，所述防水垫是橡胶垫；

优选的，用螺丝通过所述螺孔(29)将所述底板固定在所述接口(03)、所述前轴承座(16)和/或所述后轴承座(23)上。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述外壳(5)包括外壳沟槽(30)和前后轴承座安装槽(31)，在所述外壳沟槽(30)和所述前后轴承座安装槽(31)中安装橡胶圈，使得所述防水型、轻量化的手术机器人执行器内部各空间之间彼此隔离，即便某一个舱室中出现水汽或者液态水，也不会影响其他舱室。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述接口(03)具有与所述防水型、轻量化的手术机器人执行器的接合处(32)，在所述接合处(32)设置防水橡胶圈，防止所述防水型、轻量化的手术机器人执行器内部的冲洗液或水汽通过所述接口(03)进入机械臂。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述防水型、轻量化的手术机器人执行器的非受力部件采用塑料制成；

优选的，所述塑料包括尼龙；

优选的，所述非受力部件包括外壳(5)、前垫块(1)、前合盖(2)、后垫块(3)、后合盖(4)、摄像头垫块(7)、线缆盖(8)、灯带(10)、直线轴承(18)中的至少一种。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述防水型、轻量化的手术机器人执行器的轴承、直线轴承、丝杠螺母采用非金属材料制造；

优选的，所述非金属材料为高分子材料。

本发明的实施例还提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括手术机器人装置、手术监测装置和手术控制装置；

所述手术机器人装置包括机械臂、操作器以及将所述操作器连接并固定于所述机械臂之上的手术机器人执行器；

所述手术机器人执行器包括执行器主体、驱动系统以及固定系统；

所述执行器主体配置为给所述驱动系统、所述固定系统以及所述操作器提供安装位置和空间；

所述驱动系统配置为驱动所述操作器进行往复运动，以推动所述操作器末端执行手术操作；

所述固定系统配置为将所述操作器固定在所述执行器主体上；

所述手术监测装置与所述手术控制装置连接，配置为实时获取手术实施位置，并将手术实施位置的信息发送给所述手术控制装置，并将所述手术实施位置的信息以图像形式展示给手术操作者；

所述手术控制装置配置为从外部扫描装置获得所述病变位置扫描数据，并根据所述病变位置扫描数据建立三维模型，根据所述三维模型生成手术控制指令，并将所述手术控制指令发送至所述手术机器人装置，由所述手术机器人装置执行手术操作；

所述手术机器人装置包括如上所述的防水型、轻量化的手术机器人执行器。

附图说明

图1是本发明实施例提出的手术机器人执行系统的机械臂示意图。

图2是包括机械臂、手术机器人执行器和连接件的手术机器人装置结构示意图。

图3是一种手术操作器结构示意图。

图4是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器的侧面剖视图。

图5是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器的立体结构示意图。

图6是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器的俯视图，其中详细展示了前合盖2、后合盖4的结构。

图7是本发明实施例提出的手术机器人执行器控制部02的内部结构示意图。

图8是本发明实施例提出的手术机器人执行器侧视图。

图9是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器另一角度的俯视图。

图10是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器下部框架结构图。

图11是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器接口位置结构放大图。

图12是本发明实施例提出的手术机器人系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

在发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。

参照图1，图1展示了本领域常见的机械臂的基本结构。从图1可见，机械臂外观看起来像是一个缺少了手掌和手指的人体手臂。具体的手术动作需要由连接在机械臂末端的手术机器人执行器来完成。

图2展示了包括机械臂、手术机器人执行器和连接件的手术机器人装置的结构。由图2可见，机械臂0011末端连接了手术机器人执行器0012，手术机器人执行器0012一般包括电路以及与电路连接的机械动力机构和传动机构，手术机器人执行器0012中的电路结构与机械臂0011中的电路连接，通过上述电路连接，手术机器人执行器0012获得动作指令以及驱动其机械运动的电能，从而完成手术动作。如图2所示，手术机器人执行器0012与机械臂0011之间需要通过连接件0013连接成为一体。

手术机器人执行器0012并不能直接实施手术。实际上，手术机器人执行器0012起到的也是一个桥梁的作用，它通过与手术机器人相连接，接受外界的指令(例如，来自手术控制装置)，然后控制、把持着安装于其上的手术操作器来实施手术。作为示例，图3展示了一个手术操作器的结构。如图3所示，操作器20x包括镜身200、镜体201，镜身200的尾端连接镜体201，镜身200与镜体201内设有相互连通的管腔，镜体201上设置有观察口2011、操作通道2012、进水阀2013和光源入口2014。采用上述手术操作器实施手术时，医生手持镜体在患者身旁操作，容易受到患者体液污染；其次，手术效果受医生个体影响大，难以保证手术的精准、安全，无法实现手术的标准化、规范化，若医生经验欠缺，可能出现穿刺损伤临近脏器或大血管导致出血等并发症。

参照图4，本发明实施例提出了一种防水型、轻量化的手术机器人执行器，该防水型、轻量化的手术机器人执行器够连接手术机器人的机械臂和手术操作器20x，以执行各种外科手术，完成各种难度的手术操作。由于采用手术机器人来辅助实施手术，可以很好地解决上述医生手持手术操作器完成手术时存在的问题。图4展示了本发明实施例提供的一种手术机器人执行器的侧面剖视图，该手术机器人执行器已经安装了手术操作器20x。如图4所示，手术机器人执行器包括夹持部01和控制部02，其中，夹持部01主要功能在于固定安装手术操作器20x，确保手术操作器20x在手术过程中不晃动；控制部02的主要功能在于通过线缆与外部的手术控制装置通信，获得手术动作指令后，驱动手术操作器20x完成手术动作。手术操作器20x与接口03不属于手术机器人执行器的一部分，但为了清楚地描述手术机器人的工作方式，也出现在附图中了。接口03的主要功能在于连接机械臂与手术机器人执行器。

图5是本发明实施例提供的一种手术机器人执行器的立体结构示意图。夹持部01主要包括前垫块1、前合盖2、后垫块3、后合盖4、摄像头垫块7、线缆盖8、互联件9、灯带10和底板6。其中，前垫块1、后垫块3和摄像头垫块7固定安装在底板6上，摄像头垫块7是一块具有一定厚度的板，作用是将安装于摄像头垫块7上方的摄像头垫起来，以便于摄像头与手术操作器20x的对接；前垫块1、后垫块3在远离底板6的一侧具有与手术操作器20x的形状相适配的凹槽，如图5所示，手术前，将手术操作器20x卡合到前垫块1、后垫块3的凹槽中，便可基本固定住手术操作器20x。例如，前垫块1、后垫块3可以采用塑料制作，前垫块1、后垫块3上的凹槽尺寸可稍微大于手术操作器20x相应部位的尺寸，这样，当手术操作器20x卡合到前垫块1、后垫块3的凹槽中时，凹槽可以顺利地将手术操作器20x卡住。手术过程中保持手术操作器20x的绝对固定是非常重要的，仅仅依靠前垫块1、后垫块3中凹槽的卡合，还不足以保证手术操作器20x的绝对固定。手术操作器20x卡合到前垫块1、后垫块3的凹槽中之后，前合盖2、后合盖4提供了进一步的固定和锁紧。图6详细展示了前合盖2、后合盖4的结构，由图6可见，前合盖2、后合盖4的一侧通过转轴分别安装在前垫块1、后垫块3之上，另一侧通过锁紧机构可以分别与前垫块1、后垫块3锁紧。安装手术操作器20x之前，先将前合盖2、后合盖4设置为打开状态，将手术操作器20x卡合到前垫块1、后垫块3的凹槽中之后，合上前合盖2、后合盖4，并将锁紧机构锁紧，如此手术操作器20x便可稳固地固定住、确保在整个手术过程中不松动。灯带10可以通过亮度、发光颜色等显示手术机器人执行器的工作状态。底板6是一块平板，将夹持部01与控制部02分隔开，并为诸多零件提供安装位置。

图5中还展示了连杆14、防水膜15和外壳5，连杆14、防水膜15和外壳5都属于控制部02。连杆14的功能主要是将控制部02的动力输出给手术操作器20x，而防水膜15则可以防止夹持部01中的液体(例如，手术过程中的冲洗液)泄露进入控制部02。外壳5则将控制部02内部与外界隔开。

图5中还展示了接口03的具体结构。接口03主要包括互联盖11、螺纹套12和螺纹盘13，接口03的功能在于将手术机器人执行器与机械臂连接起来，由于接口03不属于手术机器人执行器的一部分，本文不作详细介绍。

图7展示了手术机器人执行器控制部02的内部结构。如图7所示，控制部02主要包括连杆14、防水膜15、前轴承座16，丝杠17，直线轴承18，滑块19，丝杠螺母20，限位环21，光电传感器22，后轴承座23，联轴器24，电机支撑座25，伺服电机26，光轴27，外壳5。手术过程中，伺服电机26带动丝杠17转动，丝杠螺母20带动滑块19做往复直线运动，滑块19上安装的连杆14与手术操作器20x相连，这样便实现了由伺服电机26驱动手术操作器20x的前后伸缩运动。

如前所述，本发明相对于已有技术的改进点之一是增加了全面的防水结构。下面将详细描述这些防水结构。图8是本发明实施例提出的手术机器人执行器侧视图。图8标注了此前描述过的防水膜15，以及在外壳5上设置的泄水孔28。连杆14将动力传递给手术操作器20x，为此连杆14需要在沿着手术操作器20x的方向上前后移动，在底板6上设置了允许连杆14前后移动的长条形开口(该长条形开口被防水膜遮挡，在图中不可见)。手术过程中，患者伤口可能会流血，需要大量的冲洗液(一般是生理盐水)进行冲洗，因此在手术过程中冲洗液难免会泄露到夹持部01中。如果冲洗液从上述长条形开口进入下面的控制部02，会腐蚀控制部02中的部件，导致设备受损。为了防止冲洗液泄露到控制部02内部，设置防水膜15遮盖住上述长条形开口。如图8所示，防水膜15像一个倒扣的漏斗，下部紧密贴合于底板6的表面，上部收紧贴合于连杆14的外表面。防水膜15采用弹性材料制造，例如为橡胶膜，当连杆14运动时，弹性膜15会随着连杆14运动而变形，始终保持着对连杆14以及底板6的紧密附着，从而防止冲洗液从夹持部01通过长条形开口进入控制部02中。若极端情况，例如弹性膜15破损，冲洗液进入了控制部02中，由于在外壳5正对着弹性膜15的正下方设置了若干个泄水孔28，冲洗液也会从这些泄水孔28漏出来。由于最需要防水的零部件伺服电机26被后轴承座23隔开，位于另一个舱中(参见图7)，因此控制部02的核心部件依然不会受到影响。

如图9所示，为了固定底板6，通常底板6上在适当位置需要设置螺孔29，用螺丝将底板6固定在接口03或者前轴承座16、后轴承座23上。这些螺孔29不可能完全被螺丝闭合，若底板6上有冲洗液，这些冲洗液或者水汽可以从螺孔29的缝隙慎入下面的控制部02内。为了解决这个问题，在螺孔29上方设置防水垫。例如，上述防水垫可以是橡胶垫。

图10展示了手术机器人执行器下部框架图，下部框架包括外壳5，外壳5包括外壳沟槽30和前后轴承座安装槽31。在所述外壳沟槽30和前后轴承座安装槽31中安装橡胶圈，使得手术机器人执行器内部各空间之间彼此隔离，即便某一个舱室中出现水汽或者液态水，也不会影响其他舱室。

图11展示了手术机器人执行器接口位置结构放大图，其中包括接口03与手术机器人执行器的接合处32。在该接合处32设置防水橡胶圈，防止手术机器人执行器内部的冲洗液或水汽通过接口03进入机械臂。

为了降低手术机器人执行器的重量，使得手术机器人执行器更加轻便、便携，本发明的手术机器人执行器的非受力部件采用塑料(如尼龙)制成。这些非受力部件包括外壳5、前垫块1、前合盖2、后垫块3、后合盖4、摄像头垫块7、线缆盖8、灯带10、直线轴承18等。

在研发过程中，本发明的发明人还注意到，已有的手术机器人执行器在运行过程中噪音较大，噪音来源主要来自采用金属材质制造的运动部件如光轴、丝杠、轴承等。为了降低噪音，本发明的发明人将上述部件中的轴承、直线轴承、丝杠螺母改用非金属材料(例如，高分子材料)制造。这样改进后，手术过程中，手术机器人执行器产生的噪音降低了50％以上。

图12为本发明实施例提供的一种手术机器人系统结构示意图。如图12所示，手术机器人系统包括：手术机器人装置001、手术监测装置002和手术控制装置003。

所述手术机器人装置001与手术控制装置003相连接，根据所述手术控制装置003发送过来的手术控制指令，按照穿刺路径进行穿刺操作(例如，皮肾穿刺)，进行通道扩张，进行碎石操作。

所述手术监测装置002与所述手术控制装置003连接，在手术中对当前手术实施位置进行实时扫描，将获取到的当前手术实施位置的扫描数据发送给所述手术控制装置003，并将所述扫描数据以图像形式展示给手术操作者(例如，医生)。

所述手术控制装置003从外部扫描设备获取手术部位(例如，肾脏)扫描数据，根据所述手术部位扫描数据建立病变部位(例如，肾脏及结石的)三维模型；根据所述三维模型和预设模型的匹配结果，确定穿刺路径，根据所述穿刺路径和所述扫描数据确定导航信息，根据所述导航信息生成手术控制指令发送至所述手术机器人装置001，由所述手术机器人装置001执行手术操作。

在实施手术之前，先通过外部扫描装置对患者的病变部位(例如，肾脏)进行扫描，然后通过手术控制装置003获取外部扫描装置扫描所得到的扫描数据，建立患者的病变部位(例如，肾脏和结石的)三维模型。例如，所述手术控制装置003可以为计算机设备，并安装有根据扫描数据建立三维模型的软件，所述外部扫描装置可以是磁共振检查装置、电子计算机断层扫描装置和超声扫描装置中的至少一种。在建立三维模型后，可以通过与手术控制装置003连接的显示器将该三维模型展示给医生，以备医生根据该三维模型确定手术方案，并经计算机软件进行手术规划及模拟预穿刺验证，通过所述手术控制装置003配置的输入设备(例如，鼠标和键盘)，输入针对该患者实施手术时的穿刺路径，还可以通过所述手术控制装置003中安装的手术方案制定软件，根据三维模型和预先存储的手术模型，确定穿刺路径。之后，需要医生确认软件得出的方案，或修改软件得出的方案。所述手术控制装置003根据设定好的穿刺路径以及所述手术监测装置002发送的扫描数据，确定实施穿刺或者实施碎石的导航信息，向手术机器人装置001发送手术控制指令，所述手术机器人装置001中配置的手术装置实施手术。例如，手术机器人装置001包括本发明实施例提供的防水型、轻量化的手术机器人执行器。

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