手术机器人系统的制作方法

本实用新型属于医疗器械技术领域。具体涉及一种手术机器人系统。

背景技术：

手术机器人系统是当前应用最广泛，而且最具前景的医疗机器人细分领域之一。手术机器人系统克服了传统外科手术诸多缺陷，这些缺陷包括精准度差、手术时间长、医生疲劳和缺乏三维精度视野等，给患者带来了更好的临床转归，并且大大缩短了医生对于复杂手术的学习过程。

经皮肾镜碎石术(percutaneousnephrostolithotomy，pcnl)是经超声或x光定位肾脏目标肾盏，实时穿刺并进入目标肾盏，建立经皮肤切口与肾脏之间的通道，并经此通道，置入碎石能量平台进行碎石取石治疗。是治疗肾结石和上段输尿管结石的主要方法之一。其手术创伤小，结石清除率高，术后恢复快。pcnl的关键点是准确定位、精准穿刺，也是其难点。学习曲线长，难以掌握。并且容易损伤临近脏器如胸膜、肺、肠道、肝脏和脾脏。在诸多外科手术中，经皮肾镜碎石术是最急需应用手术机器人系统的外科手术之一。

技术实现要素：

传统的经皮肾镜碎石术(percutaneousnephrostolithotomy，pcnl)存在若干风险。例如，在经皮肾镜碎石术的手术过程中，穿刺部位欠准确、通道扩张过程不当、穿刺过深等均可能引起大出血或损伤临近脏器如胸膜、肺、肠道、肝脏和脾脏等严重并发症。此外，手术时间较长，术中灌注压力过高造成细菌和毒素吸收，可能引起术后感染的发生。上述并发症严重者甚至危及患者生命。

为此，提高穿刺精确度、建立通道及碎石操作过程的标准化，既降低医生的手术强度，也减少患者术中、术后并发症的发生。

手术机器人辅助外科医生可以解决上述问题。但是，当前缺乏可靠的、易用的手术机器人系统和手术机器人执行器来替代医生完成经皮肾镜碎石术。

鉴于此，本实用新型实施例提出了一种手术机器人执行器及利用了该手术机器人执行器的手术机器人系统。特别的，上述手术机器人执行器及利用了该手术机器人执行器的手术机器人系统适用于经皮肾镜手术。

本实用新型的实施例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。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述执行器主体包括上平台(1)和低槽(45)，所述上平台(1)和所述低槽(45)围合限定出其下底部具有开口的容置腔，所述容置腔为所述手术机器人执行器的各部件提供容置空间；所述上平台(1)呈平板状，其上设有安装镜体的v型安装座(38)，为镜体提供安装位置。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述执行器主体还进一步包括密封件，所述上平台(1)和所述低槽(45)通过所述密封件密封连接；

所述执行器主体远端设置有遮板(6)，当所述上平台(1)运动时，所述遮板(6)密封上平台(1)暴露出来的部分，防止患者体液或医疗试剂进入所述低槽(45)。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述驱动系统包括光纤驱动系统和平台驱动系统；所述光纤驱动系统包括第一电机(7)、第一电机座(8)和传动装置；所述第一电机(7)由所述第一电机座(8)固定安装在所述上平台(1)上；所述第一电机(7)为光纤运动提供动力；所述第一电机(7)为伺服电机。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述传动装置包括第一丝杠螺母(12)、第一丝杠(13)、滑轨(17)和滑块(43)；所述第一丝杠(13)在所述第一电机(7)的驱动下能够向正反两个方向转动，所述第一丝杠(13)转动时带动所述第一丝杠螺母(12)沿所述第一丝杠(13)进行轴向往复运动；所述光纤驱动系统通过丝杠螺母座(10)与挡板(37)上的光纤夹紧座(5)连接，将所述第一丝杠螺母(12)的直线运动传递给所述光纤夹紧座(5)，推动光纤(41)完成往复运动。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，进一步设置导向条(15)引导所述丝杠螺母座(10)进行直线运动，防止发生旋转，从而推动所述光纤(41)完成往复运动；所述平台驱动系统包括第二电机(18)、第二电机座(19)、联轴器(20)和传动装置；所述第二电机(18)、所述第二电机座(19)和所述传动装置设置在所述光纤(41)旁；所述第二电机(18)由所述第二电机座(19)固定安装在所述低槽(45)上；所述第二电机(18)为所述手术机器人执行器部件的运动提供动力；所述第二电机(18)为伺服电机；所述传动装置包括第二丝杠(25)、螺母安装座(27)和第二丝杠螺母(28)。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述联轴器(20)连接所述第二电机(18)和所述第二丝杠(25)，所述第二丝杠螺母(28)将所述第二丝杠(25)的旋转运动转化为直线运动，通过螺母安装座(27)传递给所述上平台(1)，所述第二丝杠(25)在所述第二电机(18)的驱动下向正反两个方向转动，带动所述上平台(1)进行轴向往复运动；所述执行器主体与所述第一丝杠螺母(12)、所述第一丝杠(13)相对的另一侧设置有第三安装座(23)和第四安装座(30)，所述第三安装座(23)将第一轴承座(22)固定安装在所述低槽(45)上，所述第四安装座(30)将第二轴承座(29)固定安装在所述低槽(45)上；所述第二丝杠(25)的一端通过丝杠锁紧螺母(21)锁紧固定在所述第一轴承座(22)上，另一端通过第二丝杠螺母(28)安装在所述第二轴承座(29)上；所述平台驱动系统由所述第三安装座(23)和所述第四安装座(30)固定连接在所述低槽(45)内。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述手术机器人系统进一步包括经皮肾镜操作器(2)，所述经皮肾镜操作器(2)包括镜身(200)、镜体(201)，所述镜身(200)的尾端连接所述镜体(201)，所述镜身(200)与所述镜体(201)内设有相互连通的管腔，所述镜体(201)上设置有观察口(2011)、操作通道(2012)、进水阀(2013)和光源入口(2014)。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述固定系统包括光纤固定系统和操作器固定系统；

所述光纤固定系统包括第一压紧螺母(3)、夹紧板(4)、夹紧座(5)、拖链(31)和拖链安装座(32)；所述夹紧座(5)固定安装在所述上平台(1)的挡板(37)上，所述第一压紧螺母(3)与所述夹紧座(5)通过螺纹连接，转动所述第一压紧螺母(3)，使所述夹紧板(4)与所述夹紧座(5)贴合，完成光纤的夹紧固定；所述拖链(31)和所述拖链安装座(32)位于所述低槽(45)腔内，所述拖链安装座(32)将所述拖链(31)的一端固定在所述上平台(1)上，所述拖链(31)用于线缆的走线，避免线缆缠绕；

所述操作器固定系统包括v型安装座(38)、第二压紧螺母(39)、径向压紧板(40)和轴向压紧板(42)；所述第二压紧螺母(39)与所述径向压紧板(40)和所述第一丝杠螺母(12)配合，将所述镜体(201)固定压紧在所述v型安装座(38)上，所述径向压紧板(40)压紧所述镜体(201)避免所述镜体(201)发生径向运动，所述轴向压紧板(42)压紧所述镜体(201)避免所述镜体(201)发生轴向运动；所述径向压紧板(40)和所述轴向压紧板(42)能够抱紧所述镜体(201)，从而限制了所述镜体(201)向脱离手术机器人执行器的外壳表面的方向运动。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述执行器主体还包括第一安装座(9)、第二安装座(14)、第三安装座(23)和第四安装座(30)，所述执行器主体一侧设置所述第一安装座(9)和所述第二安装座(14)，所述第一安装座(9)和所述第二安装座(14)与所述上平台(1)固定连接；所述第一丝杠(13)的两端分别设置在所述第一安装座(9)和所述第二安装座(14)上；

在所述第一安装座(9)和所述第二安装座(14)之间、所述第三安装座(23)和所述第四安装座(30)之间分别设置有第一行程开关和第二行程开关，所述第一行程开关配置为控制所述第一丝杠螺母(12)在所述第一安装座(9)和所述第二安装座(14)之间的极限行程，避免所述第一丝杠螺母(12)撞击所述第一安装座(9)和所述第二安装座(14)；所述第二行程开关用于控制所述第二丝杠螺母(28)在所述第三安装座(23)和所述第四安装座(30)之间的极限行程，避免所述第二丝杠螺母(28)撞击所述第三安装座(23)和所述第四安装座(30)；

所述第二行程开关由光电开关(24)、光纤行程挡光片(11)、平台行程挡光片(26)组成。

附图说明

图1是本实用新型实施例提出的手术机器人系统示意图；

图2是本实用新型实施例提出的手术机器人装置结构示意图；

图3是本领域已有的经皮肾镜操作器的结构示意图。

图4是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的结构示意图。

图5是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的执行器主体外部侧视图(上图)和内部结构的俯视图(下图)，其中下图是沿上图的b-b剖面结构图。

图6是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的执行器主体内部结构的侧视图，即沿图7的d-d剖面结构图。

图7是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的俯视图。

图8是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的仰视图。

图9是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的后视图。

图10是本实用新型实施例提出的手术机器人执行器的沿图8的e-e剖面结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。

在实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。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。

实施例1

图1为本实施例1提供的一种手术机器人系统结构示意图。特别的，本实施例的手术机器人系统可适用于外科医生实施经皮肾镜取石手术。如图1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中配置的切除装置按照穿刺路径探入病变部位(例如，肾脏)的预设手术位置，完成穿刺并扩张通道，之后进行碎石。

可选的，手术机器人装置001与手术控制装置003可以通过无线方式连接，如此设置医生可以在手术控制装置003这一端设定手术方案，监视手术实施过程。而手术机器人装置001与手术控制装置003在位置摆放上更加灵活，医生不必坐在靠近受术者的位置进行手术，改善了医生的操作环境。

由上述内容可知，本实用新型上述实施例1提供的技术方案通过对患者的病变部位(例如，肾脏)进行三维建模，并预设穿刺路径，解决了外科医生经验不足导致定位困难、穿刺成功率不高的问题，通过导航引导的精准穿刺和碎石，避免了血管损伤、大出血和临近组织损伤，提高了手术安全性，避免了结石遗漏，提高了清石率，避免了血液尿液污染，改善了手术环境和手术者的舒适度。

实施例2

图2展示了手术机器人装置001的进一步结构。如图2所示，手术机器人装置001包括机械臂0011、操作器2(例如，经皮肾镜操作器)以及将所述机械臂0011和所述操作器2连接起来的手术机器人执行器0012。

参照图3，通常的操作器2(例如，经皮肾镜操作器)包括镜身200、镜体201，镜身的尾端连接镜体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-图10，本实用新型实施例提出了一种手术机器人执行器(例如，经皮肾镜手术机器人执行器)，该手术机器人执行器够连接手术机器人的机械臂和操作器2，以执行手术(例如，经皮肾镜碎石手术)，完成肾结石或上段输尿管结石的碎石取石等手术操作。

手术机器人执行器包括执行器主体、驱动系统和固定系统。执行器主体包括上平台1和低槽45(参见附图3和8)，经皮肾镜手术操作器2固定于上平台1，由驱动系统提供动力进行直线往复运动。低槽45容纳手术机器人执行器的各部件，例如电机、传动装置、电气元件等。驱动系统用于驱动经皮肾镜手术操作器进行往复运动，以推动操作器末端执行穿刺、通道扩张、碎石取石等手术操作。固定系统用于将经皮肾镜手术操作器固定在执行器主体上。

由此，经皮肾镜手术操作器的往复运动(即碎石取石的动作)由手术机器人执行器驱动完成，而经皮肾镜手术操作器的其他动作(如位置调整、姿态调整、旋转等)由手术机器人的机械臂带动手术机器人执行器，进而带动经皮肾镜来完成，以旋转为例，通过旋转手术机器人执行器即可实现经皮肾镜执行器如套石篮的转动操作。

执行器主体包括上平台1和低槽45，上平台1和低槽45围合限定出其下底部具有开口的容置腔,执行器主体底部开口可以由用于连接手术机器人的机械臂的连接系统封闭。

上平台1大致呈平板状，其上设有安装镜体201的v型安装座38，为镜体201提供安装位置；其上设有开口(图中未示出，位于挡板37下方)，所述光纤驱动系统通过丝杠螺母座10(参见图5)与挡板37(参见图7)上的光纤夹紧座5连接，将第一丝杠螺母12的直线运动传递给光纤夹紧座5，推动光纤41完成往复运动。

低槽45由底板、两个相对的侧板和近端壁板围合成底板具有开口的槽形结构。低槽45底部开口可以由用于连接手术机器人的机械臂的连接系统封闭。

上平台1和低槽45固定、密封连接，例如在上平台和低槽45的相接处设置密封件，例如密封圈。密封连接能够防止体液、医疗用试剂(如冲洗液)等溅入低槽45内，损坏安装在低槽45内的部件。执行器主体远端设置有遮板6(参见图5)，当上平台运动时遮板6密封上平台暴露出来的部分，能够防止患者体液或医疗试剂进入低槽45内部。

驱动系统包括光纤驱动系统和平台驱动系统，光纤驱动系统和平台驱动系统平行安装在外壳内。

光纤驱动系统包括电机7、电机座8和传动装置。电机7、电机座8和传动装置设置在外壳内。电机7由电机座8固定安装在上平台1上。电机7为光纤运动提供动力。优选的，电机7为伺服电机。传动装置包括第一丝杠螺母12、第一丝杠13、滑轨17和滑块43(参见图10)。第一丝杠13能够在电机7的驱动下向正反两个方向转动，第一丝杠13转动时带动第一丝杠螺母12沿第一丝杠13进行轴向往复运动。

参见图5、图7和图9，光纤驱动系统的传动装置通过丝杠螺母座10与挡板37上的光纤夹紧座5连接，将第一丝杠螺母12的直线运动传递给光纤夹紧座5，其中导向条15引导丝杠螺母座10进行直线运动，防止发生旋转，从而推动光纤41完成往复运动。

参见图5，执行器主体一侧设置有第一安装座9和第二安装座14，第一安装座9和第二安装座14与上平台1固定连接。第一丝杠13的两端分别设置在第一安装座9和第二安装座14上。

参见图5，平台驱动系统包括电机18、电机座19、联轴器20和传动装置。电机18、电机座19和传动装置设置在光纤系统旁。电机18由电机支座19固定安装在低槽45上。电机18为平台运动提供动力。优选的，电机18为伺服电机。传动装置包括第二丝杠25、螺母安装座27和第二丝杠螺母28。联轴器20连接电机18和第二丝杠25，第二丝杠螺母28将第二丝杠25的旋转运动转化为直线运动，通过螺母安装座27传递给上平台1。第二丝杠25在电机18的驱动下向正反两个方向转动，带动上平台1进行轴向往复运动。

对照附图5，执行器主体另一侧设置有第三安装座23和第四安装座30，第三安装座23将第一轴承座22固定安装在低槽45上，第四安装座30将第二轴承座29固定安装在低槽45上。第二丝杠25的一端通过丝杠锁紧螺母21锁紧固定在第一轴承座22上，另一端通过第二丝杠螺母28安装在第二轴承座29上。平台驱动系统由第三安装座23和第四安装座30固定连接在低槽45内。

对照附图5，第一安装座9和第二安装座14之间、第三安装座23和第四安装座30之间分别设置有第一行程开关(图中未示出)和第二行程开关(由光电开关24、光纤行程挡光片11、平台行程挡光片26组成)，第一行程开关用于控制第一丝杠螺母12在第一安装座9和第二安装座14之间的极限行程，避免第一丝杠螺母12撞击第一安装座9和第二安装座14；第二行程开关用于控制第二丝杠螺母28在第三安装座23和第四安装座30之间的极限行程。避免第二丝杠螺母28撞击第三安装座23和第四安装座30。

由此，上平台1与平台支撑件16连接，然后与滑块43连接，在电机18的驱动下，沿导轨滑移，从而带动操作器2(图3)(例如，经皮肾镜操作器)执行穿刺、扩张通道等手术操作；光纤41固定于上平台1，搭载在上平台1的电机7驱动光纤41前后移动，完成碎石、取石等手术操作。

固定系统用于将光纤41和经皮肾镜手术操作器2(图3)固定在手术机器人执行器上，所述固定系统包括光纤固定系统和经皮肾镜手术操作器固定系统。

光纤固定系统包括第一压紧螺母3、夹紧板4、夹紧座5、拖链31和拖链安装座32(参见附图4、附图6和附图9)。夹紧座5固定安装在上平台1的挡板37上，第一压紧螺母3与夹紧座5通过螺纹连接，转动第一压紧螺母3，使夹紧板4与夹紧座5贴合，完成光纤的夹紧固定(参见附图4)。拖链31和拖链安装座32位于低槽45腔内，拖链安装座32将拖链31的一端固定在上平台1上，拖链31用于线缆的走线，避免线缆缠绕(参见附图6)。

参见图4、图5和图7，经皮肾镜手术操作器固定系统包括v型安装座38、第二压紧螺母39、径向压紧板40和轴向压紧板42。第二压紧螺母39与径向压紧板40和第一丝杠螺母12配合，将镜体201固定压紧在v型安装座38上，径向压紧板40压紧镜体201避免镜体201发生径向运动，轴向压紧板42压紧镜体201避免镜体201发生轴向运动。径向压紧板40和轴向压紧板42能够抱紧镜体201，从而限制了镜体201向脱离手术执行器的外壳表面的方向运动。

中空螺纹快换调节板33、中空螺纹快换头34、中空螺纹快换锁紧圈35、中空螺纹快换座36和快换定位销44构成安装座，用于手术机器人执行器与手术机器人机械臂的连接，其中快换定位销44用于中空螺纹快换头34和中空螺纹快换座36的固定，避免相对旋转。手术机器人的机械臂具有多个自由度，能够完成手术机器人执行器的位置调整、姿态调整、旋转等动作，通过控制手术机器人执行器动作来控制经皮肾镜的动作。连接系统可以采用现有技术中的各种连接方式实现与可拆卸连接。上述其他电气元件和连接系统均可采用现有技术中的成熟方案。

工作时，本实用新型实施例的手术机器人执行器能够稳定、牢固地连接手术机器人的机械臂和手术器械，例如经皮肾镜，在控制系统的控制下，由手术机器人执行器控制经皮肾镜手术操作器2的直线运动，通过机械臂控制手术机器人执行器的整体运动进而控制经皮肾镜的操作器的位置和姿态，从而实现自动化的手术过程。