一种内窥镜运动控制装置、控制方法及手术机器人与流程

1.本发明涉及手术机器人持镜臂技术领域，尤其涉及一种内窥镜运动控制装置、控制方法及手术机器人。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.内窥镜是外科手术机器人系统中的重要部件，其大多依靠手术机器人的持镜臂或者单独的持镜机器人实现运动。
4.现有腹腔镜手术机器人系统的持镜臂的运动都是通过机械臂的控制来实现的，其能操作实现不少于3自由度的运动，但是持镜臂运动的实现需要的摆动幅度是比较大的，而内窥镜本身相对于其所在机械臂上的承载平台无相对运动，多个机械臂同时运动时容易交叉“打架”；同时，该类持镜臂通常搭载的都是带有一定视场角的硬镜，结构限制了内窥镜自己的旋转自由度，因此在需要变换观察位时需要比较大的动作调整。
5.对于持镜机器人，整体上可实现的自由度小于腹腔镜手术机器人的持镜臂，其能够在小幅度、有限的活动范围内操作内窥镜，例如其可靠一驱动电机完成内窥镜轴向的移动动作。但其普遍体积较大，且无法完成内窥镜的绕轴向转动这一自由度的运动。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出了一种内窥镜运动控制装置、控制方法及手术机器人，能够通过压电微机械驱动部产生的行波运动，产生一个设定方向的力，进而驱动内窥镜实现轴向移动和绕内窥镜轴的转动。
7.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
8.一种内窥镜运动控制装置，包括：支撑部和驱动部，所述支撑部包括一支撑臂和连接在支撑臂末端的环状结构；驱动部设置在所述环状结构内，所述驱动部包括：呈条状螺旋设置的第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件，所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件的螺旋方向相反；
9.所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件能够与内窥镜外壁螺旋贴合，所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件在接收到设定的电压时，能够分别产生行波运动，通过控制两个驱动件行波运动的方向，能够合成用于驱动内窥镜轴向运动或者绕轴向转动的力。
10.作为进一步地方案，所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件相对于过内窥镜轴线的一平面中心对称设置。
11.作为进一步地方案，所述第一压电微机械驱动件或者第二压电微机械驱动件包括：压电陶瓷，与压电陶瓷连接的金属弹性体，以及设置在金属弹性体表面的摩擦材料，插入内窥镜时，摩擦材料与内窥镜外壁接触。
12.作为进一步地方案，所述金属弹性体呈矩形齿状，摩擦材料设置在矩形齿上。
13.作为进一步地方案，所述第一压电微机械驱动件固定在第一承载套上，第二压电微机械驱动件固定在第二承载套上，第一承载套和第二承载套均为半圆弧，第一承载套和第二承载套的一端通过第一轴铰接，另一端通过弹性件抵接，所述弹性件能够提供弹力使得第一承载套和第二承载套趋于压合状态。
14.作为进一步地方案，所述环状结构的两端与内窥镜外壁之间设置密封件，插入内窥镜时，环状结构内部能够形成封闭腔体。
15.作为进一步地方案，所述内窥镜表面设有激光刻蚀的栅格，所述环状结构内分别设有第一光电传感器和第二光电传感器；所述第一光电传感器用于检测内窥镜轴向位移，所述第二光电传感器用于检测内窥镜绕轴向转动位移。
16.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
17.一种内窥镜运动控制方法，包括：
18.响应于内窥镜的控制指令，分别为第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件施加设定的交流电压，使得第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件产生微观机械振动，进而产生设定方向的行波；
19.第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件所产生的行波形成设定方向的合力，使得内窥镜执行控制动作；
20.不断检测内窥镜的动作位移，直至完成控制指令所要求的动作。
21.作为进一步地方案，所述第一压电微机械驱动件或者第二压电微机械驱动件包括：压电陶瓷，与压电陶瓷连接的金属弹性体，以及设置在金属弹性体表面的摩擦材料，插入内窥镜时，摩擦材料与内窥镜外壁接触；在压电陶瓷块上施加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使金属弹性体在超声频段产生微观机械振动，这种微观机械振动通过共振放大后在金属弹性体上部产生行波，摩擦材料与内窥镜之间通过行波产生摩擦耦合，进而驱动内窥镜运动。
22.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
23.一种手术机器人，包括上述的内窥镜运动控制装置。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)本发明通过两个压电微机械驱动件与内窥镜外壁螺旋贴合，利用逆压电效应或电致伸缩效应产生行波，依靠摩擦耦合驱动内窥镜运动，无磁极和绕组，工作时无电磁场产生，也不受外界电磁场及辐射源影响，电磁兼容性好；能够以非常小的空间体积和重量的占用来实现对内窥镜轴向移动和绕轴向转动两个自由度的移动；响应时间可以做的很小，可以达到毫秒级，定位频率高，可以达到1khz，可以获得获得较好的控制精度。
26.(2)本发明通过弹性件提供弹力使得第一承载套和第二承载套趋于压合状态，从而使得摩擦材料与内窥镜紧密贴合，在断电情况下依靠摩擦力可以保持内窥镜的稳定，有较大的保持力矩，从而实现断电自锁，相比传统的电机控制方案，可以简化定位控制；通过改变弹性件的尺寸，可以调整第一承载套和第二承载套所围成的圆环的大小，进而改变所通过的内窥镜直径的大小，实现对不同直径内窥镜(例如直径10～12mm)的兼容使用。
27.(3)本发明的环状结构与内窥镜之间通过密封件保持密封，能够使得环状结构内部形成封闭腔体，有效保护内部结构。
28.(4)本发明控制装置及方法对于温度和压力变化的敏感性差，可以适用于多种灭菌方式的实施，例如湿热灭菌、vhp过氧化氢低温等离子灭菌等。
29.本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
30.图1为本发明实施例中的内窥镜运动控制装置整体结构示意图；
31.图2为本发明实施例中的内窥镜运动控制装置轴向剖视图；
32.图3为本发明实施例中的内窥镜运动控制装置径向剖视图；
33.图4为本发明实施例中的第一压电微机械驱动件结构示意图；
34.图5(a)-(c)分别为本发明实施例中的光电传感器与栅格示意图；
35.图6(a)-(d)分别为本发明实施例中的四种合成运动实例示意图；
36.图7为本发明实施例中的内窥镜运动控制方法流程图；
37.其中，1.支撑臂，2.环状结构，3.内窥镜，4.套壳，5.上盖，6.密封件，7.第一承载套，8.第一压电微机械驱动件，9.第二承载套，10.第二压电微机械驱动件，11.第一轴，12.弹性件，13.压电陶瓷，14.金属弹性体，15.摩擦材料，16.光电传感器，17.栅格。
具体实施方式
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.实施例一
41.在一个或多个实施方式中，公开了一种内窥镜运动控制装置，结合图1，包括：支撑部和驱动部，其中，支撑部包括一支撑臂1和连接在支撑臂1末端的环状结构2；结合图2，环状结构2包括环状套壳4，环状套壳4的两端分别设有环状上盖5，环状上盖5与内窥镜3外壁之间设置密封件6，插入内窥镜3时，环状结构2内部能够形成封闭腔体，以保护内部结构。
42.结合图2和图3，驱动部设置在环状结构2内，驱动部包括：呈条状螺旋设置的第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10，第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10的螺旋方向相反；作为一种具体的示例，第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10相对于过内窥镜3轴线的一平面中心对称设置，以便于在内窥镜3上形成的力相对均匀。
43.本实施例中，第一压电微机械驱动件8固定在第一承载套7上，第二压电微机械驱动件10固定在第二承载套9上，压电微机械驱动件与承载套的固定方式可以为烧结，也可以采用其他固定方式比如粘贴。第一承载套7和第二承载套9均设置在环状结构2内，且均为半圆弧，与环状结构2内壁相适配；第一承载套7和第二承载套9的一端通过第一轴11铰接，另
一端通过弹性件12抵接，弹性件12能够提供弹力使得第一承载套7和第二承载套9趋于压合状态(及弹性件12的弹力能够使得两承载套相互靠近)。当插入内窥镜3时，可以压缩弹性件12使得第一承载套7和第二承载套9之间的空间稍微增大，便于顺利插入内窥镜3；当插入内窥镜3后，弹性件12的弹力又可以保证在静态下压电微机械驱动件能够与内窥镜3杆紧密的贴合，在自然状态下保持静止不动。
44.本实施例两个承载套之间通过弹性件12进行压紧的结构，可以使两个压电微机械驱动件与内窥镜3之间在静态下有一较大预紧压力，同时可以通过改变弹性件12的尺寸，可以适应不同尺寸的内窥镜3(10～12mm)。
45.本实施例中，第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10结构相同，下面结合图4，以第一压电微机械驱动件8为例进行说明。
46.第一压电微机械驱动件8包括：压电陶瓷13，与压电陶瓷13连接的金属弹性体14，以及设置在金属弹性体14表面的摩擦材料15；本实施例中，金属弹性体14呈矩形齿状，摩擦材料15设置在矩形齿上；插入内窥镜3时，摩擦材料15充分与内窥镜3外壁接触。
47.在压电陶瓷13块上施加高频交流电压(20khz～50khz)时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使金属弹性体14在超声频段(频率为20khz以上)产生微观机械振动。这种振动通过共振放大后在金属弹性体14齿上部产生行波，在金属弹性体14齿末端有摩擦材料15，可以与相接触的内窥镜3外表面产生摩擦，齿与内窥镜3金属表面紧紧贴合，两者间通过行波产生摩擦耦合变换成相对转动。
48.当对第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10分别施加一定的高频交流电压时，两者可以分别产生沿条形驱动件方向的行波运动，通过控制两驱动件的行波运动方向，可以合成一个合力，通过摩擦，可以完成内窥镜3的轴向移动和绕内窥镜3轴的转动。典型四种合成运动实例分别如图6(a)-(d)所示。
49.本实施例中，通过在压电微机械驱动件的a、b两端施加方向不同的高频电压，改变a、b端电压相位超前顺序，从而改变压电微机械驱动部的行波方向。
50.比如：在施加从a端到b端的正向电压时，a端相位超前b端，行波方向为从a端到b端；施加从b端到a端的正向电压时，b端相位超前a端，行波方向为从b端到a端。
51.作为进一步的实施方式，内窥镜3表面设有激光刻蚀的栅格17，栅格17的方式可以选择不同形式，图5(a)-(c)给出了三种不同的栅格17形式；在环状结构2上盖5内分别设置两个光电传感器16；第一光电传感器16用于检测内窥镜3轴向的位移，第二光电传感器16用于检测内窥镜3绕轴向转动的位移，以达到对内窥镜3两方向准确控制的目的。
52.本实施例中，光电传感器16和栅格17配合检测内窥镜3位移的具体实现过程如下：
53.光电传感器16为反射式光电传感器，其发射端和接收端集成于一平面，发射端发出光线照射到内窥镜3镜杆上，照射到格栅深色刻印部分(即激光刻蚀部分)时不反射，当照射到格栅浅色部分(即没有刻蚀的部分)时反射到接收端，通过感知刻印部分的格栅明暗变化频率来获取内窥镜3相对驱动部的速度和位移变化。
54.本实施例利用内窥镜3的金属外表面作为一驱动转子，两条相对内窥镜3轴线有一定螺旋角的压电微机械驱动件对称布置，通过为压电微机械驱动件施加电压可以产生设定方向的行波运动，通过两个行波运动的合成，达到对内窥镜3的直接运动控制；占用空间体积小，控制精度高，系统运行时无可见噪声，且不受外界电磁场及辐射源影响。
55.实施例二
56.在一个或多个实施方式中，公开了一种内窥镜运动控制方法，结合图7，具体包括如下过程：
57.(1)响应于内窥镜3的控制指令，分别为第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10施加设定的交流电压，使得第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10产生微观机械振动，进而产生设定方向的行波；
58.(2)第一压电微机械驱动件8和第二压电微机械驱动件10所产生的行波形成设定方向的合力，使得内窥镜3执行控制动作；
59.本实施例第一压电微机械驱动件8或者第二压电微机械驱动件10包括：压电陶瓷13，与压电陶瓷13连接的金属弹性体14，以及设置在金属弹性体14表面的摩擦材料15，插入内窥镜3时，摩擦材料15与内窥镜3外壁接触；在压电陶瓷13块上施加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使金属弹性体14在超声频段产生微观机械振动，这种微观机械振动通过共振放大后在金属弹性体14上部产生行波，摩擦材料15与内窥镜3之间通过行波产生摩擦耦合，进而驱动内窥镜3运动。
60.(3)通过光电传感器16不断检测内窥镜3的动作位移，直至完成控制指令所要求的动作。
61.上述过程的具体实现方法与实施例一中相同，不再详述。
62.实施例三
63.在一个或多个实施方式中，公开了一种手术机器人，包括实施例一中所述的内窥镜运动控制装置。
64.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，包括：支撑部和驱动部，所述支撑部包括一支撑臂和连接在支撑臂末端的环状结构；驱动部设置在所述环状结构内，所述驱动部包括：呈条状螺旋设置的第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件，所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件的螺旋方向相反；所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件能够与内窥镜外壁螺旋贴合，所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件在接收到设定的电压时，能够分别产生行波运动，通过控制两个驱动件行波运动的方向，能够合成用于驱动内窥镜轴向运动或者绕轴向转动的力。2.如权利要求1所述的一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，所述第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件相对于过内窥镜轴线的一平面中心对称设置。3.如权利要求1所述的一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，所述第一压电微机械驱动件或者第二压电微机械驱动件包括：压电陶瓷，与压电陶瓷连接的金属弹性体，以及设置在金属弹性体表面的摩擦材料，插入内窥镜时，摩擦材料与内窥镜外壁接触。4.如权利要求3所述的一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，所述金属弹性体呈矩形齿状，摩擦材料设置在矩形齿上。5.如权利要求1或3所述的一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，所述第一压电微机械驱动件固定在第一承载套上，第二压电微机械驱动件固定在第二承载套上，第一承载套和第二承载套均为半圆弧，第一承载套和第二承载套的一端通过第一轴铰接，另一端通过弹性件抵接，所述弹性件能够提供弹力使得第一承载套和第二承载套趋于压合状态。6.如权利要求1所述的一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，所述环状结构的两端与内窥镜外壁之间设置密封件，插入内窥镜时，环状结构内部能够形成封闭腔体。7.如权利要求1所述的一种内窥镜运动控制装置，其特征在于，所述内窥镜表面设有激光刻蚀的栅格，所述环状结构内分别设有第一光电传感器和第二光电传感器；所述第一光电传感器用于检测内窥镜轴向位移，所述第二光电传感器用于检测内窥镜绕轴向转动位移。8.一种内窥镜运动控制方法，其特征在于，包括：响应于内窥镜的控制指令，分别为第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件施加设定的交流电压，使得第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件产生微观机械振动，进而产生设定方向的行波；第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件所产生的行波形成设定方向的合力，使得内窥镜执行控制动作；不断检测内窥镜的动作位移，直至完成控制指令所要求的动作。9.如权利要求8所述的一种内窥镜运动控制方法，其特征在于，所述第一压电微机械驱动件或者第二压电微机械驱动件包括：压电陶瓷，与压电陶瓷连接的金属弹性体，以及设置在金属弹性体表面的摩擦材料，插入内窥镜时，摩擦材料与内窥镜外壁接触；在压电陶瓷块上施加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使金属弹性体在超声频段产生微观机械振动，这种微观机械振动通过共振放大后在金属弹性体上部产生行波，摩擦材料与内窥镜之间通过行波产生摩擦耦合，进而驱动内窥镜运动。10.一种手术机器人，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的内窥镜运动控制装置。

技术总结
本发明涉及手术机器人持镜臂技术领域，具体公开了一种内窥镜运动控制装置、控制方法及手术机器人，包括：支撑部和驱动部，支撑部包括一支撑臂和连接在支撑臂末端的环状结构；驱动部设置在环状结构内，驱动部包括：呈条状螺旋设置的第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件，第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件能够与内窥镜外壁螺旋贴合，第一压电微机械驱动件和第二压电微机械驱动件在接收到设定的电压时，能够分别产生行波运动，通过控制两个驱动件行波运动的方向，能够合成用于驱动内窥镜轴向运动或者绕轴向转动的力。本发明能够以非常小的空间体积和重量的占用来实现对内窥镜轴向移动和绕轴向转动两个自由度的移动。度的移动。度的移动。


技术研发人员：王迎智 周毅 宋梁
受保护的技术使用者：极限人工智能有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/19