机器人系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请大体设及机器人系统，更具体地设及用于内镜黏膜下剥离术巧SD)的主从 机器人系统。
【背景技术】
[0002] 在世界的不同地区，胃癌和结肠直肠癌都是癌症的常见类型。胃癌和结肠直肠癌 也是癌症死亡的首要原因。胃肠（GI)癌起源于黏膜层。如果在恶化前和早期的癌症扩散 到淋己结之前在初期整体移除运些癌症，患运些癌症的病人的存活率可W提高。
[0003] 为了去除胃肠道中恶化前和早期的癌症，开发了内镜黏膜切除术（EMR)和内镜黏 膜下剥离术巧SD)。运些手术借助于柔性内镜，并具有微创和保留器官的优势。为了去除 更大的病变，通常需要ESD，因为ESD具有更高的单块完整剥离率所W局部复发率更低（与 EMR相比）。
[0004] 通常，在ESD手术过程中，通过电烙术对病变边缘进行标记，并且使用黏膜下注射 W提拉病变；用专用内镜电烙刀围绕病变执行进入黏膜下的周边切割；W及用电烙刀从胃 肠道壁的下方深层将病变剥离并移除。相比开放性手术，使用内镜的黏膜切除术显然是低 创的。 阳0化]尽管ESD有效地移除了早期的胃癌和结肠直肠癌，但ESD是与更高风险的并发症 相关联的、技术上需要的手术。通常ESD主要具有=个不足之处。第一，目前柔性内镜具有 单个仪器通道。内镜一次只能用单个配件进行操作。第二，很难将柔性内镜的端部维持在 中空腑脏内的稳定位置。用柔性内镜瞄准黏膜病变在技术上具有挑战性。通常，切割无意 中会导致重大的并发症（如穿孔和出血）。第=，由于难W维持内镜位置和更薄的肌肉层， 所W位于接近大肠（盲肠和横结肠）的大肠 ESD手术更难W执行。
[0006] 手术机器人已经发展了很多年。可W借助于柔性内镜来应用的机器人几乎没有。 机器人旨在用两个臂进行模拟操作。运种设计受到一些动物身体结构的启发，如人和龙邮， 它们均使用臂和眼睛来完成任务。此设计可W减小外科医生的学习曲线。上述工作示出了 机器人的初步设计W及该结构进行ESD的可用性。此外，臂形设计模仿手腕并提供了更多 的自由度。运使得内镜剥离术变得更容易并且更有效。本发明的该机器人设计中也应用了 运个构思。
[0007] 现今手术机器人可W分为两类：直接驱动的和机动化的。直接驱动的机器人的优 势为成本低并且结构简单。控制器和机器人通过机械结构（如腫和銷）直接连接。操作者 通过控制器控制机器人。直接的力反馈反馈至控制器并且然后反馈至操作者。然而，直接 驱动的机器人的缺点为控制精度不足。
[0008] 纯机械结构通常具有后冲和力损问题。机器人的执行与控制器的输入不同。机动 化的机器人可W解决上述问题。例如，可W使用补偿机制W抵消后冲和力损。此外，因为机 器人的动作不是直接用控制器映射，所W机动化的机器人可W具有更多的自由度。机器人 的动作可W更复杂。
[0009] 目前的内镜机器人具有机器人臂嵌入在内镜平台内的结构限制。在外科医生将机 器人插入患者的胃肠道时，机器人臂的端部庞大并因此将会很难通过。当沿消化道推动机 器人臂时，可能引起黏膜损害。此外机器人具有保护机器人臂的盖，内镜平台需要与机器人 一起开发。因而增加了成本。
【发明内容】
[0010] 根据本申请的实施方式公开了用于内镜黏膜下剥离术巧SD)的机器人。机器人包 括配置有第一臂和第二臂的从设备、具有能够延伸至祀组织并分别用于容纳第一臂和第二 臂的至少两个通道的内镜平台，W及配置为控制第一臂W拉回祀组织和控制第二臂W剥离 拉回的祀组织的主设备。
[0011] 在本申请的实施方式中，第一臂和第二臂中的每个可包括相同的连续体结构W及 与连续体结构连接的端部操纵装置，其中连续体结构是柔性的W将端部操纵装置引导至祀 组织。
[0012] 在本申请的实施方式中，每个连续体结构可包括配置为形成恒定曲率的基干、能 够沿形成的恒定曲率延伸并配置为驱动端部操纵装置的两对致动器，W及彼此分离一段距 离并具有用于容纳致动器的孔的多个引导盘。
[0013] 在本申请的实施方式中，致动器可由形状记忆合金和锻膜金属线的组合形成。运 个组合具有两者的优点。SMA可W形成便于连续体结构的动力学建模的曲线。此外，超塑性 SMA用推拉运动来致动连续体结构，其中推拉运动与拉机制相比将驱动力加倍，使整个机器 人结构的尺寸减小成为可能。另一方面，锻膜金属线更具有柔性，其可适合不规则的结构， 诸如夹持器上的凹槽。
[0014] 在本申请的实施方式中，致动器的每个可W容纳在卷銷中。卷銷用作柔性通道W 将力从马达驱动器传达到远端结构。使用卷銷的另一作用是其用作转力机构。用于W上结 构的銷（如用于夹持器的銷）通过连续体结构，并因此由W上结构释放的致动力可W沿銷 均匀分布而不是在连续体部分引起不期望的变形，并因此进行保护W免于自毁坏。
[0015] 在本申请的实施方式中，第一臂上的端部操纵装置可W为夹持器，W及第二臂上 的端部操纵装置可W为剥离器。
[0016] 在本申请的一个实施方式中，第一臂可具有至少5个自由度。在本申请的另一实 施方式中，第二臂可具有至少4个自由度。
[0017] 卷銷可设置为捆并固定在橡胶管内部，其中该橡胶管作为单个机器人臂的柔性 杆。柔性杆和内部的銷之间没有相对运动。因此，通过将柔性杆紧固在由马达驱动的线型 齿条上实现机器人臂的平移。
[0018] 在本申请的另一方面中，公开了用于内镜黏膜下剥离术巧SD)的机器人，该机器 人可包括：第一臂；第二臂；具有能够延伸至祀组织并用于分别容纳第一和第二臂的至少 两个通道的内镜平台，其中第一臂配置为拉回祀组织W及第二臂配置为剥离拉回的祀组 织。
[0019] 在本申请的实施方式中，第一臂和第二臂的每个可包括相同的连续体结构和与连 续体结构连接的端部操纵装置，其中连续体结构是柔性的W将端部操纵装置引导至祀组 织。
[0020] 在本申请的实施方式中，连续体结构可包括：用于形成恒定曲率的基干；能够沿 形成的恒定曲率延伸并配置为驱动端部操纵装置的两对致动器；W及彼此分离一段距离并 具有用于容纳致动器的孔的多个引导盘。
【附图说明】
[0021] 下面参照附图对本发明的示例性且非限制性实施方式进行描述。附图是说明性的 并通常不是精确刻度。不同附图中的相同或相似的元件用相同的附图标记来表示。
[0022] 图1是示出用于使用在ESD中的机器人的结构的框图；
[0023] 图2是示出从设备和内镜平台的示意图；
[0024] 图3是示出连续体结构的示意图； 阳0巧]图4是示出从设备的两个臂的示意图；
[00%] 图5是示出连续体结构的参数的符号的示意图；
[0027] 图6是示出主设备与机器人臂之间操作的框图； 阳028] 图7是示出驱动器的示意图；
[0029] 图8是示出驱动单元的示意图。
[0030] 图9是示出控制器的示意图；W及
[0031] 图10是示出控制软件架构的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 现在将详细地参照示例性实施方式，其中在附图中示出了示例性实施方式的示 例。在适当的情况下，在所有附图中，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
[0033] 图1是根据本申请的实施方式的用于内镜黏膜下剥离术巧SD)的机器人100的框 图。机器人100包括从设备1、内镜平台2和主设备3。从设备1配置有第一臂和第二臂。 内镜平台2具有至少两个通道，该至少两个通道能够延伸至祀组织并分别用于容纳第一臂 和第二臂。主设备3配置为控制第一臂W拉回祀组织并控制第二臂W剥离拉回的组织。在 一些实施方式中，可根据需要改变通道的数量。
[0034] 图2示出了从设备1的详细结构。如图2所示，内镜平台2具有四个独立的通道， 即上通道、下通道、左通道和右通道，W及从设备1包括两个臂13和14, 一个臂用于剥离组 织和一个臂用于拉回组织。臂13、14中的每个包括相同的连续体结构和与连续体结构相连 接的端部操纵装置，其中，连续体结构是柔性的W将端部操纵装置引导至祀组织。在该实施 方式中，剥离器131附接于左臂13的远端作为端部操纵装置。在该实施方式中，夹持器141 附接于左臂13的远端作为端部操纵装置。右臂4上的端部操纵装置可W是能够夹持组织 的夹持器。
[0035] 如图所示，内镜像机2穿过上通道和下通道并可W用于使用其他设备，如用于吸 收和注射液体的第=机器人臂。在一些实施方式中，内镜平台在其端部可具有带有四个孔 的套管，其中运些孔的具体形状与引导盘兼容，W使机器人臂的平动平滑化并限制机器人 臂的旋转。
[0036] 图3示出了连续体结构11的详细结构。连续体结构11包括配置为形成恒定曲率 的基干111、可沿所形成的恒定曲率延伸并配置为驱动端部操纵装置的多个（例如，如所示 的两对）致动器112, W及彼此W-定距离分离（例如通过橡胶间隔装置114)并具有用于 容纳和引导致动器112及基干111的孔115的多个引导盘113。在一些实施方式中，引导盘 的材料为例如由激光加工机制造的1.5mm厚的丙締酸片。为了实现最佳的曲率，致动器到 中央比间隔装置长度可W设置为例如0. 4。通过使用金属止动器将四个致动器固定于连续 体结构的端部。
[0037] 在该实施方式中，致动器112中的每个由至少一个形状记忆合金和锻膜金属线形 成，并且容纳在卷銷116中，如图4所示。运些銷116通过柔性通道连接在连续体结构和端 部操纵装置之间。运种腫-銷驱动机构不仅提供对于内镜用途的柔性需求而且还充当转力 机构。
[0038] 连续体结构11通过两对超弹性儀铁形状记忆合金（SMA)线致动，并且其他连结部 (诸如较链连结部和爪）由金属线驱动。通过根据逆动力学来组合四个致动器112的推拉 运动，可W精确地控制连续结构的端部。SMA的超塑性特性迫使连续体结构111形成恒定曲 率，运可W精确地模