(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111643188 A(43)申请公布日 2020.09.11
(21)申请号 202010549207.X(22)申请日 2020.06.16
(71)申请人 上海交通大学
地址 200240 上海市闵行区东川路800号(72)发明人 李红兵 王艺芸 李昱丞 张婧 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限
公司 31225
代理人 陈源源(51)Int.Cl.
A61B 34/30(2016.01)A61B 17/34(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图2页
(54)发明名称
一种穿刺手术机器人装置(57)摘要
本发明涉及一种穿刺手术机器人装置，包括安装支座、双平行四边形支架模块、穿刺模块、第一直线运动机构、第二直线运动机构和第一旋转机构；穿刺模块包括外壳、手持式手柄、第一力-力矩传感器、旋转组件、U形旋转支架、第二力-力矩传感器和穿刺针单元，手持式手柄、第一力-力矩传感器、旋转组件依次连接，第二力-力矩传感器安装在U形旋转支架内，U形旋转支架的顶端连接第二直线运动机构，外壳包裹在U形旋转支架外，旋转组件转动连接外壳。与现有技术相比，本发明具能够进行穿刺时的辅助，有效减轻了纯手工穿刺对医生的控制要求，提高了穿刺的精度；同时，减小长时间拿取穿刺设备的疲劳，有效降低医生的工作强度。
CN 111643188 ACN 111643188 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，包括安装支座(1)、双平行四边形支架模块(2)、穿刺模块(3)、第一直线运动机构(4)、第二直线运动机构(5)和第一旋转机构(6)，所述的安装支座(1)通过第一旋转机构(6)连接双平行四边形支架模块(2)，所述的第一直线运动机构(4)设置在双平行四边形支架模块(2)内用于调节双平行四边形支架模块(2)的折叠姿态，所述的穿刺模块(3)通过第二直线运动机构(5)连接双平行四边形支架模块(2)的底部，用于进行穿刺模块(3)整体的前进和后退；
所述的穿刺模块(3)包括外壳(31)、手持式手柄(33)、第一力-力矩传感器(34)、旋转组件(35)、U形旋转支架(36)、第二力-力矩传感器(37)和穿刺针单元(38)，所述的手持式手柄(33)、第一力-力矩传感器(34)、旋转组件(35)依次连接，所述的第二力-力矩传感器(37)安装在U形旋转支架(36)内，第二力-力矩传感器(37)两端的延伸轴(371)分别转动连接U形旋转支架(36)的两个侧壁，并且一端的延伸轴(371)穿过侧壁后连接穿刺针单元(38)，另一端的延伸轴(371)穿过侧壁后连接旋转组件(35)，所述的穿刺针单元(38)、第二力-力矩传感器(37)、旋转组件(35)、第一力-力矩传感器(34)和手持式手柄(33)同轴设置，U形旋转支架(36)的顶端连接第二直线运动机构(5)，所述的外壳(31)包裹在U形旋转支架(36)外，所述的旋转组件(35)转动连接外壳(31)。
2.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的穿刺模块(3)还包括第二旋转机构(32)，该二旋转机构(32)安装在外壳(31)上，并且连接第二力-力矩传感器(37)的延伸轴(371)。
3.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的双平行四边形支架模块(2)包括第一连杆(21)、第二连杆(22)、第三连杆(23)和第四连杆(24)，第一连杆(21)和第二连杆(22)互相平行，并且均一端铰接安装支座(1)，第三连杆(23)和第四连杆(24)互相平行，第三连杆(23)的一端通过旋转轴铰接第一连杆(21)的另一端，第三连杆(23)的中间和第二连杆(22)的中间互相交错且通过旋转轴铰接，第四连杆(24)的一端连接第二连杆(22)的另一端，第四连杆(24)另一端连接第二直线运动机构(5)；
所述的第一直线运动机构(4)的一端和第二直线运动机构(5)的端部相连，第一直线运动机构(4)的另一端铰接设置于第二连杆(22)和第四连杆(24)连接处的旋转轴。
4.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的第一直线运动机构(4)包括第一滚珠丝杠(41)、第一驱动电机(42)、第一丝杠螺母(43)和第一电机支架(44)，所述的第一电机支架(44)设有安装孔(421)，第二连杆(22)和第四连杆(24)连接处的旋转轴穿过安装孔(421)，所述的第一驱动电机(42)固定在第一电机支架(44)的一端，所述的第一滚珠丝杠(41)一端穿过第一电机支架(44)后连接第一驱动电机(42)，所述第一丝杠螺母(43)套在第一滚珠丝杠(41)上并且连接第二直线运动机构(5)。
5.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的第二直线运动机构(5)包括第二滚珠丝杠(51)、第二驱动电机(52)、第二丝杠螺母(53)和第二电机支架(54)，所述的第二电机支架(54)设有支架安装孔，位于第四连杆(24)端部的旋转轴穿过支架安装孔，所述的第二驱动电机(52)固定在第二电机支架(54)的一端，所述的第二滚珠丝杠(51)一端穿过第二电机支架(54)后连接第二驱动电机(52)，另一端通过连接结构和第一直线运动机构(4)相连，所述第二丝杠螺母(53)套在第二滚珠丝杠(51)上并且连接穿刺模块(3)。
2
CN 111643188 A
权 利 要 求 书
2/2页
6.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的第一旋转机构(6)包括第一旋转电机(61)、转轴(62)和转轴安装座(63)，所述的转轴(62)通过转轴安装座(63)竖直安装在安装支座(1)上，所述转轴(62)的上下两端分别铰接双平行四边形支架模块(2)的连杆，所述的第一旋转电机(61)设置在安装支座(1)内，第一旋转电机(61)的输出轴通过带轮结构(63)连接转轴(62)。
7.根据权利要求2所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的第二旋转机构(32)包括第二旋转电机(321)和驱动轴套(322)，所述的驱动轴套(322)连接第二力-力矩传感器(37)的延伸轴(371)，所述的第二旋转电机(321)安装在外壳(31)上，通过带轮结构连接驱动轴套(322)。
8.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的穿刺针单元(38)包括互相连接的把持器(382)和针头(381)，针头(381)通过把持器(382)可拆卸式连接第二力-力矩传感器(37)的延伸轴(371)。
9.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的旋转组件(35)为凸台轴承结构。
10.根据权利要求1所述的一种穿刺手术机器人装置，其特征在于，所述的手持式手柄(33)上设有防滑纹。
3
CN 111643188 A
说 明 书
一种穿刺手术机器人装置
1/5页
技术领域
[0001]本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种穿刺手术机器人装置。
背景技术
[0002]微创手术是当前外科学发展的一个重要方向，是新世纪最具发展潜力的临床医学之一。微创甚至无创治疗在减少患者手术创伤、出血量少、减轻患者痛苦、缩短患者住院及康复时间等方面起到了积极作用。作为微创手术中的典型应用，经皮穿刺手术广泛应用于腰椎穿刺、麻醉、活组织检测、消融手术、粒子植入等手术场景。传统穿刺手术中，医生结合X光、CT或超声等医学影像技术，徒手将穿刺针插入靶点，这种徒手方法严重依赖医生经验，对医生手眼协调能力要求高，一次穿刺成功率低，同时穿刺精度与进针的连续性难以得到保证。
[0003]鉴于徒手穿刺手术存在上述问题，目前有提出了采用机器人技术应用于穿刺手术。如申请号为201910111826.8的发明申请公开了一种六自由度机械手臂及采用该机械手臂的肺穿刺机器人；申请号为201910650459.9的发明申请公开了一种穿刺机器人及其机械臂用进针系统。但是，这些方式完全舍弃了传统人工的方式，甚至完全采用机器人自动进针、自动监测、自动控制等操作，无需医护人员干涉。但是，在当前的环境中，全自动控制的机器人自动穿刺技术有效性还没有得到确认。目前市场急需一种能够配合现有人工穿刺方式，能进行人机协作的穿刺手术机器人，提高医生的穿刺进度确保手术成功率，同时不改变当前医院手术室工作环境和操作规范，易于推广和实现。发明内容
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种穿刺手术机器人装置，实现穿刺设备和医生的协调工作，减轻医生的工作量。[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：[0006]一种穿刺手术机器人装置，包括安装支座、双平行四边形支架模块、穿刺模块、第一直线运动机构、第二直线运动机构和第一旋转机构，所述的安装支座通过第一旋转机构连接双平行四边形支架模块，所述的第一直线运动机构设置在双平行四边形支架模块内用于调节双平行四边形支架模块的折叠姿态，所述的穿刺模块通过第二直线运动机构连接双平行四边形支架模块的底部，用于进行穿刺模块整体的前进和后退；[0007]所述的穿刺模块包括外壳、手持式手柄、第一力-力矩传感器、旋转组件、U形旋转支架、第二力-力矩传感器和穿刺针单元，所述的手持式手柄、第一力-力矩传感器、旋转组件依次连接，所述的第二力-力矩传感器安装在U形旋转支架内，第二力-力矩传感器两端的延伸轴分别转动连接U形旋转支架的两个侧壁，并且一端的延伸轴穿过侧壁后连接穿刺针单元，另一端的延伸轴穿过侧壁后连接旋转组件，所述的穿刺针单元、第二力-力矩传感器、旋转组件、第一力-力矩传感器和手持式手柄同轴设置，U形旋转支架的顶端连接第二直线运动机构，所述的外壳包裹在U形旋转支架外，所述的旋转组件转动连接外壳。
4
CN 111643188 A[0008]
说 明 书
2/5页
进一步地，所述的穿刺模块还包括第二旋转机构，该二旋转机构安装在外壳上，并
且连接第二力-力矩传感器的延伸轴。[0009]进一步地，所述的双平行四边形支架模块包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，第一连杆和第二连杆互相平行，并且均一端铰接安装支座，第三连杆和第四连杆互相平行，第三连杆的一端通过旋转轴铰接第一连杆的另一端，第三连杆的中间和第二连杆的中间互相交错且通过旋转轴铰接，第四连杆的一端连接第二连杆的另一端，第四连杆另一端连接第二直线运动机构；
[0010]所述的第一直线运动机构的一端和第二直线运动机构的端部相连，第一直线运动机构的另一端铰接设置于第二连杆和第四连杆连接处的旋转轴。[0011]进一步地，所述的第一直线运动机构包括第一滚珠丝杠、第一驱动电机、第一丝杠螺母和第一电机支架，所述的第一电机支架设有安装孔，第二连杆和第四连杆连接处的旋转轴穿过安装孔，所述的第一驱动电机固定在第一电机支架的一端，所述的第一滚珠丝杠一端穿过第一电机支架后连接第一驱动电机，所述第一丝杠螺母套在第一滚珠丝杠上并且连接第二直线运动机构。[0012]进一步地，所述的第二直线运动机构包括第二滚珠丝杠、第二驱动电机、第二丝杠螺母和第二电机支架，所述的第二电机支架设有支架安装孔，位于第四连杆端部的旋转轴穿过支架安装孔，所述的第二驱动电机固定在第二电机支架的一端，所述的第二滚珠丝杠一端穿过第二电机支架后连接第二驱动电机，另一端通过连接结构和第一直线运动机构相连，所述第二丝杠螺母套在第二滚珠丝杠上并且连接穿刺模块。[0013]进一步地，所述的第一旋转机构包括第一旋转电机、转轴和转轴安装座，所述的转轴通过转轴安装座竖直安装在安装支座上，所述转轴的上下两端分别铰接双平行四边形支架模块的连杆，所述的第一旋转电机设置在安装支座内，第一旋转电机的输出轴通过带轮结构连接转轴。
[0014]进一步地，所述的第二旋转机构包括第二旋转电机和驱动轴套，所述的驱动轴套连接第二力-力矩传感器的延伸轴，所述的第二旋转电机安装在外壳上，通过带轮结构连接驱动轴套。
[0015]进一步地，所述的穿刺针单元包括互相连接的把持器和针头，针头通过把持器可拆卸式连接第二力-力矩传感器的延伸轴。[0016]进一步地，所述的旋转组件为凸台轴承结构。[0017]进一步地，所述的手持式手柄上设有防滑纹。[0018]与现有技术相比，本发明具有以下优点：[0019]1、本发明通过设置连接安装支座和双平行四边形支架模块的穿刺模块，进行穿刺时的辅助，有效减轻了纯手工穿刺对医生的控制要求，提高了穿刺的精度；同时，本发明通过双平行四边形支架模块的辅助支撑能够减小长时间拿取穿刺设备的疲劳，有效降低医生的工作强度。[0020]2、本发明的穿刺模块设置了第一力-力矩传感器和第二力-力矩传感器，通过第一力-力矩传感器检测穿刺针的穿刺状态轴向力，通过第二力-力矩传感器检测人工控制产生的轴向力，配合外置的机器人控制系统实现对穿刺过程更加精确地控制。[0021]3、本发明的双平行四边形支架模块结构紧凑，运动范围大，易于姿态控制，能够有
5
CN 111643188 A
说 明 书
3/5页
效地帮助医生控制穿刺模块的姿态，并且稳定性高。[0022]4、直线运动机构均采用了丝杠结构，实现对姿态调节的控制精确。[0023]5、第二旋转机构通过带动穿刺针单元转动，进一步提升穿刺能力。
附图说明
[0024]图1为本发明的结构示意图。
[0025]图2为第一直线运动机构的结构示意图。[0026]图3为穿刺模块的结构示意图。[0027]图4为穿刺针单元的结构示意图。[0028]附图标记：[0029]1、安装支座；[0030]2、双平行四边形支架模块，21、第一连杆，22、第二连杆，23、第三连杆，24、第四连杆；
[0031]3、穿刺模块，31、外壳，32、第二旋转机构，321、第二旋转电，322、驱动轴套，33、手持式手柄，34、第一力-力矩传感器，35、旋转组件，36、U形旋转支架，37、第二力-力矩传感器，371、延伸轴，38、穿刺针单元，381、针头，382、把持器；[0032]4、第一直线运动机构，41、第一滚珠丝杠，42、第一驱动电机，421、安装孔，43、第一丝杠螺母，44、第一电机支架；[0033]5、第二直线运动机构，51、第二滚珠丝杠，52、第二驱动电机，53、第二丝杠螺母，54、第二电机支架；[0034]6、第一旋转机构，61、第一旋转电机，62、转轴，63、转轴安装座，64、带轮结构。具体实施方式
[0035]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0036]如图1所示，本实施例提供了一种穿刺手术机器人装置，包括四自由度机械手臂(A)和手持式的穿刺设备(B)。四自由度机械手臂(A)具体包括安装支座1、双平行四边形支架模块2、第一直线运动机构4、第二直线运动机构5和第一旋转机构6；手持式的穿刺设备(B)为穿刺设备3。
[0037]安装支座1固定在外置的墙面或者支柱上。第一旋转机构6包括第一旋转电机61、转轴62和转轴安装座63。转轴安装座63设置在安装支座1的侧壁上，转轴62通过转轴安装座63竖直固定，并且两端悬空用于连接双平行四边形支架模块2。第一旋转电机61固定安装在安装支座1内，并且通过带轮结构64连接转轴62，该结构将第一旋转电机61的旋转运动传递到转轴62上，实现连接转轴62的双平行四边形支架模块2进行前后摇摆运动。[0038]双平行四边形支架模块2包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23和第四连杆24。第一连杆21和第二连杆22互相平行，第一连杆21的左端铰接转轴62的顶端，第二连杆22的左端铰接转轴62的底端。第三连杆23和第四连杆24互相平行，第三连杆23的上端通过旋转轴铰接第一连杆21的右端，并且第三连杆23的中间和第二连杆22的中间互相交错且通过
6
CN 111643188 A
说 明 书
4/5页
旋转轴铰接。第四连杆24的上端连接第二连杆22的右端，第四连杆24的下端连接第二直线运动机构5。而第三连杆23的下端悬空。[0039]第一直线运动机构4设置在双平行四边形支架模块2内用于调节双平行四边形支架模块2的折叠姿态。第一直线运动机构4如图2所示，包括第一滚珠丝杠41、第一驱动电机42、第一丝杠螺母43和第一电机支架44。第一电机支架44的后端下侧设有安装孔421，第二连杆22和第四连杆24连接处的旋转轴穿过安装孔421，和第一电机支架44形成铰接。第一驱动电机42固定在第一电机支架44的一端，第一滚珠丝杠41一端穿过第一电机支架44后连接第一驱动电机42，另一端悬空。第一丝杠螺母43套在第一滚珠丝杠41上并且连接第二直线运动机构5。在第一电机的驱动作用下，实现第一丝杠螺母43在第一滚珠丝杠41上滑动，带动双平行四边形支架模块2改变折叠姿态，进行上下摆动。
[0040]第二直线运动机构5连接双平行四边形支架模块2的底部，用于进行穿刺模块3整体的前进和后退。第二直线运动机构5的结构基本和第一直线运动机构4相同，包括第二滚珠丝杠51、第二驱动电机52、第二丝杠螺母53和第二电机支架54。在第二电机支架54的后端下侧同样设有支架安装孔，位于第四连杆24端部的旋转轴穿过支架安装孔，使得第四连杆24和第二电机支架54互相形成铰接。第二驱动电机52固定在第二电机支架54的一端，第二滚珠丝杠51的左端穿过第二电机支架54连接第二驱动电机52，右端通过连接结构和第一滚珠丝杠41的端部相连。在第二直线运动机构5的下端还有设有一块镂空的固定板。第二丝杠螺母53套在在第二滚珠丝杠51上，并且穿过固定板的镂空处连接下方的穿刺模块3。在第二驱动电机52的驱动下，第二丝杠螺母53沿着第二滚珠丝杠51做平移运动，从而带动穿刺模块3实现平移。
[0041]如图3所示，穿刺模块3包括外壳31、第二旋转机构32、手持式手柄33、第一力-力矩传感器34、旋转组件35、U形旋转支架36、第二力-力矩传感器37和穿刺针单元38。手持式手柄33、第一力-力矩传感器34和旋转组件35依次连接。第二力-力矩传感器37安装在U形旋转支架36内。第二力-力矩传感器37两端的延伸轴371分别转动连接U形旋转支架36的两个侧壁，并且一端的延伸轴371穿过侧壁后连接穿刺针单元38，另一端的延伸轴371穿过侧壁后连接旋转组件35。穿刺针单元38、第二力-力矩传感器37、旋转组件35、第一力-力矩传感器34和手持式手柄33同轴设置。外壳31包裹在U形旋转支架36外。U形旋转支架36的顶端连接第二直线运动机构5。旋转组件35为凸台型轴承结构转动嵌入外壳31的一端侧壁。安装在外壳31上的第二旋转机构32连接第二力-力矩传感器37的延伸轴371。第二旋转机构32包括第二旋转电机321和驱动轴套322。驱动轴套322连接第二力-力矩传感器37的延伸轴371，第二旋转电机321安装在外壳31上，通过带轮连接驱动轴套322。第二旋转机构32能够带动穿刺针单元38实现转动。[0042]如图4所示，穿刺针单元38包括互相连接的把持器382和针头381，针头381通过把持器382可拆卸式连接第二力-力矩传感器37的延伸轴371。穿刺针单元38穿过人体组织所受的阻力将通过把持器382传递到第二力-力矩传感器37，实现对穿刺力的精准监测。[0043]手持式手柄33为L型件，并且在手柄上设有防滑纹。[0044]本实施例的工作原理为：[0045]在具体的手术过程中，将装置的各个关节处电机设置为被动模式，完全由医生在主动操控穿刺机器人辅助装置进行姿态和位置调整。在实施穿刺过程中，该装置的控制系
7
CN 111643188 A
说 明 书
5/5页
统可依据第一力-力矩传感器34检测到的操作力大小和方向以及结合穿刺针的运动方向，在第二直线运动机构5的第二驱动电机52上实施主动运动控制，进行穿刺模块3的整体推进，然后通过第二-力矩传感器37进行精确的力度调整，实现人机协同控制，辅助医生进行进针操作，减少医生的操作作用力，降低医生的疲劳感。[0046]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
8
CN 111643188 A
说 明 书 附 图
1/2页
图1
图2
9
CN 111643188 A
说 明 书 附 图
2/2页
图3
图4
10
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容