一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统技术方案

本发明专利技术公开一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，包括：柔性操作臂、柔性臂驱动器和手术执行器；柔性操作臂包括：刚性轴、远端关节、近端关节、远端驱动电缆和近端驱动电缆；第一刚性轴前部连接手术执行器，第一刚性轴和第二刚性轴通过远端关节连接，第二刚性轴与第三刚性轴连接，第三刚性轴和第四刚性轴通过近端关节连接，第四刚性轴后部与柔性臂驱动器相连；远端驱动电缆一端与第一刚性轴连接，另一端与柔性臂驱动器相连；近端驱动电缆一端与第三刚性轴连接，另一端与柔性臂驱动器相连；第四刚性轴与柔性臂驱动器转轴相连用于实现绕水平轴的转动。本发明专利技术具有多个自由度、驱动控制策略简单、可操作性强、手术镊自动开合提高医生的手术临场感。

【技术实现步骤摘要】
一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统
本专利技术涉及医用器械，特别是涉及一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统。
技术介绍
目前全球人类眼部疾病众多，黄斑裂孔是临床上常见的一种眼底病，其可导致患者视觉功能严重受损，甚至发生视网膜脱离、眼球萎缩。一般认为，特发性黄斑裂孔可能与玻璃体牵拉有关。该病起病隐匿，常在另一只眼被遮盖时才被发现，因此早期发现并及时治疗，是影响患者最终愈后的关键因素。临床上主要依靠眼科医生眼底检查及OCT辅助检查对该疾病进行诊断和分期。目前，通过玻璃体切除，特别是剥除玻璃体后皮质、视网膜前膜或内界膜，松解黄斑裂孔周围的牵拉是最主要和有效的治疗手段。然而，手术过程中由于医生手部自然抖动、长时间操刀身体劳累、病变体眼部空间视野角度狭小致使操作不当等原因，会引起白内障、视野缺损、医源性视网膜裂孔、黄斑裂孔扩大、光毒性引起的视网膜色素病变等并发症。因此，如何精确定位上述牵拉因素所在层次结构、消除非自愿运动如震动、急促和低频漂移，克服生理障碍，开发新的眼内手术方式、提高现有手术操作的安全性，同时增加医生视野角度、降低手术创伤或视野不清等引起的医源性损伤，是急需攻克的难关。手术机器人是集成医学、机械学、生物力学和计算机科学为一体的高精端智能医疗器械，能够解决人手抖动、心理因素波动、长时间手术身体疲劳等问题，提高手术效果。同时还能更好地节省医疗资源，解决医生人手不足问题。对于眼科手术机器人的研究是解决此类问题的关键，从目前的发展趋势来看，国外的外科手术机器人如数百万美元的系统——达芬奇主/从机器人，是商业上成功的，可以进行微创外科手术，但是该系统成本太高、手术费用很大，同时机器人体积庞大、刚性结构自由度较低是制约其进一步发展和拓宽医疗市场的关键因素。同时由于人体各个组织器官的巨大差异，人眼的小巧、复杂和精细，这些投入临床应用的手术机器人很难用于眼科手术，尤其是内眼的玻璃体切割手术。因此研究与创新新型、小型、低成本柔性、高控制精度的眼科手术机器人是未来发展的方向，使其进入更广阔的市场，为医疗经济带来巨大价值。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供具有微触觉检测与反馈、手术镊自动开合、手术执行器与柔性臂驱动分离、多自由度、控制策略简单、控制精度高的一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，使其应用于眼科手术机器人。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术手段：一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，包括：柔性操作臂、柔性臂驱动器和手术执行器；所述柔性操作臂包括：刚性轴、远端关节、近端关节、远端驱动电缆和近端驱动电缆；所述刚性轴的内部为中空结构，刚性轴包括多个，第一刚性轴前部连接所述手术执行器，第一刚性轴和第二刚性轴通过所述远端关节连接，第二刚性轴与第三刚性轴连接，第三刚性轴和第四刚性轴通过所述近端关节连接，第四刚性轴后部与柔性臂驱动器相连；所述远端驱动电缆一端与第一刚性轴连接用于实现弯曲运动，另一端与柔性臂驱动器相连；所述近端驱动电缆一端与第三刚性轴连接用于实现竖直平面转动运动，另一端与柔性臂驱动器相连；第四刚性轴与柔性臂驱动器转轴相连用于实现绕水平轴的转动。作为本专利技术的进一步改进，所述远端关节为柔性关节，所述远端关节包括若干弹性簧片，所述远端驱动电缆穿插在弹性簧片上的孔中；所述远端驱动电缆带动该远端关节实现在竖直平面的弯曲运动。作为本专利技术的进一步改进，所述近端关节包括一对联锁齿轮，该对联锁齿轮与其前后端的第三刚性轴和第四刚性轴铰接，所述近端驱动电缆受力带动该近端关节在水平平面绕Z轴的转动。作为本专利技术的进一步改进，还包括滑动电位计和滑轮，所述滑轮安装在刚性轴上，用于支撑远端驱动电缆、近端驱动电缆；所述滑动电位计固定在第三刚性轴上，滑动电位计的可移动部分与远端驱动电缆、近端驱动电缆均相连。作为本专利技术的进一步改进，所述柔性臂驱动器包括：远端驱动轮、远端驱动电机、近端驱动轮、近端驱动电机、传动部件和步进电机；所述远端驱动轮与远端驱动电机键销连接，远端驱动电机带动远端驱动轮的转动，进而带动驱动轮上远端驱动电缆的运动；所述传动部件与步进电机连接，传动部件包括：联轴器、滚动轴承、传动轴和卡盘；传动轴一端通过卡盘与第四刚性轴连接，另一端通过联轴器与步进电机连接。作为本专利技术的进一步改进，所述远端驱动电缆有两根，分别位于刚性轴的上侧和下侧，该两根远端驱动电缆的一端固定在第一刚性轴远端固定处上，另一端连接到远端驱动轮，远端驱动轮转动带动远端驱动电缆的运动。作为本专利技术的进一步改进，所述近端驱动电缆有两根，分别位于刚性轴的前侧和后侧，该两根近端驱动电缆的一端固定在第三刚性轴近端固定处上，另一端连接到近端驱动轮。作为本专利技术的进一步改进，所述手术执行器包括：微型伺服电机、驱动轮、支撑轮、电缆线、微型卡盘、手术镊、恢复弹簧、中空管和支撑杆；所述驱动轮包括中心转轴、柔性缓冲支架和外圈，中心转轴直接与微型伺服电机相连，柔性缓冲支架设置于外圈与中心转轴之间；所述中空管为内部为中空的刚性杆，电缆线布置在中空管内部，电缆线一端连接手术镊的末端，一端连接至驱动轮并固定到驱动轮的外圈上；所述支撑杆固定在中空管的内，手术镊绕此轴转动实现开合；手术镊通过支撑杆固定在中空管内，支撑杆结构为平行四边形结构，通过平行四边形末端的左右运动实现所述手术镊的开合；恢复弹簧为压缩弹簧，一端固定在手术镊的末端，另一端固定在微型卡盘上，所述手术镊闭合时，弹簧处于压缩状态；所述支撑轮为从动轮，电缆线绷紧状态贴合在支撑轮上；支撑轮与电缆线紧密贴合。作为本专利技术的进一步改进，还包括角度传感器，所述角度传感器设置在支撑轮上，所述柔性缓冲支架的刚度大于所述恢复弹簧的刚度，角度传感器提供角度信息反馈给微型伺服电机。作为本专利技术的进一步改进，还包括FBG光纤光栅传感器，沿所述支撑杆外周均匀布置三个FBG光纤光栅传感器；所述支撑杆为悬臂梁，支撑杆变形并在所连接的FBG传感器上产生法向应力。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的眼科手术机器人柔性操作驱动系统包括柔性操作臂、柔性臂驱动器和手术执行器，柔性操作臂根据眼科手术过程中医生的手腕、手臂动作规律仿生设计而成，具三个自由度。所述柔性操作臂由与之相连的柔性臂驱动器驱动，实现手术中的弯曲和小角度转动。柔性臂驱动器主要功能是驱动和控制整个柔性机械臂的精准运动，本专利技术具有多个自由度、驱动控制策略简单、可操作性强、手术镊自动开合，可以进行微触觉感知与传导，提高医生的手术临场感和手术的精度，并且具有成本低、安全性能好等优点。本专利技术为眼科手术机器人的柔性操作臂，具有多个自由度、体积小、设计简单、可操作性强等特点。本专利技术具有多个自由度、驱动控制策略简单、可操作性强、手术镊自动开合，可以进行微触觉感知与传导，提高医生的手术临场感和手术的精度，并且具有成本低、安全性能好等优点。进一步，手术执行器进行类似内界膜撕除的眼科手术，其有触觉识别与反馈、自动控制手术镊开合的功能。进一步，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，其特征在于，包括：柔性操作臂(Ⅱ)、柔性臂驱动器(Ⅲ)和手术执行器(Ⅰ)；/n所述柔性操作臂(Ⅱ)包括：刚性轴(10)、远端关节(13)、近端关节(11)、远端驱动电缆(8)和近端驱动电缆(16)；所述刚性轴(10)的内部为中空结构，刚性轴(10)包括多个，第一刚性轴前部连接所述手术执行器(Ⅰ)，第一刚性轴和第二刚性轴通过所述远端关节(13)连接，第二刚性轴与第三刚性轴连接，第三刚性轴和第四刚性轴通过所述近端关节(11)连接，第四刚性轴后部与柔性臂驱动器(Ⅲ)相连；所述远端驱动电缆(8)一端与第一刚性轴连接用于实现弯曲运动，另一端与柔性臂驱动器(Ⅲ)相连；所述近端驱动电缆(16)一端与第三刚性轴连接用于实现竖直平面转动运动，另一端与柔性臂驱动器(Ⅲ)相连；第四刚性轴与柔性臂驱动器(Ⅲ)转轴相连用于实现绕水平轴的转动。/n

【技术特征摘要】
1.一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，其特征在于，包括：柔性操作臂(Ⅱ)、柔性臂驱动器(Ⅲ)和手术执行器(Ⅰ)；
所述柔性操作臂(Ⅱ)包括：刚性轴(10)、远端关节(13)、近端关节(11)、远端驱动电缆(8)和近端驱动电缆(16)；所述刚性轴(10)的内部为中空结构，刚性轴(10)包括多个，第一刚性轴前部连接所述手术执行器(Ⅰ)，第一刚性轴和第二刚性轴通过所述远端关节(13)连接，第二刚性轴与第三刚性轴连接，第三刚性轴和第四刚性轴通过所述近端关节(11)连接，第四刚性轴后部与柔性臂驱动器(Ⅲ)相连；所述远端驱动电缆(8)一端与第一刚性轴连接用于实现弯曲运动，另一端与柔性臂驱动器(Ⅲ)相连；所述近端驱动电缆(16)一端与第三刚性轴连接用于实现竖直平面转动运动，另一端与柔性臂驱动器(Ⅲ)相连；第四刚性轴与柔性臂驱动器(Ⅲ)转轴相连用于实现绕水平轴的转动。


2.根据权利要求1所述的一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，其特征在于，所述远端关节(13)为柔性关节，所述远端关节(13)包括若干弹性簧片(20)，所述远端驱动电缆(8)穿插在弹性簧片(20)上的孔(21)中；所述远端驱动电缆(8)带动该远端关节(13)实现在竖直平面的弯曲运动。


3.根据权利要求1所述的一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，其特征在于，所述近端关节(11)包括一对联锁齿轮(22)，该对联锁齿轮(22)与其前后端的第三刚性轴和第四刚性轴铰接，所述近端驱动电缆(16)受力带动该近端关节(11)在水平平面绕Z轴的转动。


4.根据权利要求1所述的一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，其特征在于，还包括滑动电位计(9)和滑轮(15)，
所述滑轮(15)安装在刚性轴(10)上，用于支撑远端驱动电缆(8)、近端驱动电缆(16)；所述滑动电位计(9)固定在第三刚性轴上，滑动电位计(9)的可移动部分与远端驱动电缆(8)、近端驱动电缆(16)均相连。


5.根据权利要求1所述的一种眼科手术机器人柔性操作驱动系统，其特征在于，所述柔性臂驱动器(Ⅲ)包括：远端驱动轮(6)、远端驱动电机(3)、近端驱动轮(17)、近端驱动电机(18)、传动部件和步进电机(2)；
所述远端驱动轮(6)与远端驱动电机(3)键销连接，远端驱动电机(3)带动远端驱动轮(6)的转动，进而带动驱动轮上远端驱动电缆(8)的运动；
所述传动部件与步进电机(2)连接，传动部件包括：联轴器(4)、滚动轴承(5)、传动轴(19)和卡盘(7)；传动轴(19)一端通过卡盘(7)与第四刚性轴连接，另一端通过联轴器(4)与步进电机(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小栋，王宁，张政，贾浩然，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61