用于腔镜摄像头的视觉随动装置及视觉随动机器人的制作方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，涉及一种用于腔镜摄像头的视觉随动装置及视觉随动机器人。


背景技术：

2.目前微创腔镜手术中，为了解决主刀医生“手眼分离”的弊端，对机器人自动扶镜功能的需求强烈。
3.本技术人在先前专利“视觉随动腔镜图像系统”中，描述了一种用于自动扶镜机器人的随动摄像头支架，采用了弧形导轨的方案，可以实现多自由度主动机械臂持镜。但是实际测试发现，弧形导轨单个齿面受力大，容易断裂；弧形导轨方案器械尺寸较大，使用不便；弧形导轨采用齿轮配合，使用过程中容易造成无菌膜嵌入齿轮之间，增加使用风险。此外，弧形导轨需要的电机扭力较高，所需的电机尺寸大，使得整个器械笨重；齿轮及滑轨的使用增加了器械总零部件数目，结构复杂；弧形齿条长度长，滑块运行到弧形齿条远端时候容易发生震动。齿轮存在运动间隙，启动及停止时存在一定的晃动量。此外，多自由度主动机械臂持镜方案，机械臂关节活动范围及自由度较大，导致需要复杂的算法来进行控制，结构复杂，运行不稳定；机械臂驱动电机位于关节部位，机械臂各关节为串联，尺寸较大，需要较高负载的电机，器械整体尺寸笨重。
4.针对上述问题，提出了改进的技术方案，采用了更加小巧的双平行四边形结构，在降低电机的负载同时，也获得了更大的运动角度。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出一种具备更高的稳定性的用于腔镜摄像头的视觉随动装置及视觉随动机器人，可以使用更低扭力的电机的同时，尽可能的增加摄像头的运动范围，有效降低支架运行过程中引起的摄像头抖动，具备更高的稳定性。
6.根据本发明的一个方面，提供一种用于腔镜摄像头的视觉随动装置，包括：
7.活动支架；
8.腔镜夹，活动地设置在所述活动支架上，用于承载腔镜摄像头；
9.第一驱动电机，连接到所述活动支架的一端，用于驱动所述活动支架实现旋转运动；
10.第二驱动电机，设置在所述活动支架上，用于驱动所述活动支架实现俯仰运动；
11.第三驱动电机，用于驱动所述腔镜夹实现伸缩运动。
12.优选地，所述活动支架为双平行四边形的框架结构。
13.进一步地，双平行四边形的框架结构包括一对第三部件、一对第四部件、一对第五部件、一对第六部件、一对第七部件；
14.其中，第三部件的一端分别通过第三轴孔与第六部件的一端铰接；
15.第四部件的一端分别通过第四轴孔与第六部件的中部铰接；
16.第五部件的一端分别通过第四轴孔与第六部件铰接；
17.第五部件的另一端分别通过第五轴孔与第七部件的一端铰接。
18.进一步地，所述第一驱动电机具有两个安装盘；其中一个安装盘与第一部件固定连接，另一个安装盘与第二部件固定连接；第一部件与第二部件能够绕所述第一驱动电机的机轴共同旋转，所述第一部件与第二部件无相对运动。
19.进一步地，第三部件的另一端分别通过第一轴孔与第一部件铰接；第四部件的另一端分别通过第二轴孔与第二部件铰接。
20.进一步地，还包括第八部件，所述第六部件的另一端分别通过第七轴孔与所述第八部件的一端铰接；
21.所述第七部件的另一端分别通过第七轴孔与第八部件的另一端铰接。
22.进一步地，还包括滑轨和滑块，所述滑轨与所述腔镜夹连接；所述滑块可滑动地套接在所述滑轨上，所述滑块与所述第八部件连接。
23.进一步地，所述第二驱动电机两端设置有连接耳，其中一端连接耳通过转轴铰接于所述第四轴孔，另一侧的连接耳，通过转轴连接于所述第一部件端部的第八轴孔。
24.进一步地，所述第三驱动电机设置在所述第八部件上，所述第三驱动电机的第三电机推杆连接到所述腔镜夹上。
25.根据本发明的另一方面，还提供一种用于腔镜摄像头的视觉随动机器人，包括：
26.所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置；
27.控制装置，用于接收所述腔镜摄像头的图像信号，并控制所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机，驱动所述腔镜夹实现旋转、俯仰、伸缩运动。
28.本发明的用于腔镜摄像头的视觉随动装置体积紧凑，结构更稳定。通过采用的是双平行四边形的框架结构，摄像头支架的运行不通过齿轮驱动，因此避免了由齿轮间隙引起的晃动。采用框架结构及小电机，一方面减低了器械的整体重量，另一方面，增加了结构强度。
附图说明
29.通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
30.图1是本发明实施例的视觉随动装置的整体结构示意图。
31.图2是本发明实施例的第一电机的装配示意图。
32.图3是本发明实施例的第二电机的装配示意图。
33.图4本发明实施例的第三电机的装配示意图。
34.图5是本发明实施例的滑轨滑块的装配示意图。
35.图6是本发明实施例的视觉随动装置的各部件位置及角度关系图。
36.图7是本发明实施例的视觉随动装置的各部件位置及角度关系图。
37.图中：
38.第一电机1、第二电机2、第三电机3、示踪器4、腔镜夹5、腔镜镜体6、连接件7、滑轨8、滑块9、第二电机推杆10、第三电机推杆11；
39.第一轴孔21a、第一轴孔21b、第二轴孔22a、第二轴孔22b、第三轴孔23a、第三轴孔23b、第四轴孔24a、第四轴孔24b、第五轴孔25a、第五轴孔25b、第六轴孔26a、第六轴孔26b、第七轴孔27a、第七轴孔27b、第八轴孔28a、第八轴孔27b；
40.第一部件31、第二部件32、第三部件33a、第三部件33b、第四部件34a、第四部件34b、第五部件35a、第五部件35b、第六部件36a、第六部件36b、第七部件37a、第七部件37b、第八部件38；
41.虚拟旋转中心o、第一电机输出轴延长线l1、腔镜镜体中心延长线l2。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
43.本发明是一种用于腔镜摄像头的视觉随动装置，至少能够提供3个自由度，包括3部电机驱动，能够控制腔镜镜体始终通过一个虚拟点转动，并完成多个方向的角度偏转及实现镜体的伸缩运动。本发明所采用的是通过多片铰接的支架围成的双平行四边形结构，操控性能及稳定性上存在更多的优势。
44.本发明提供一种用于腔镜摄像头的视觉随动装置，包括：
45.活动支架；
46.腔镜夹，活动地设置在所述活动支架上，用于承载腔镜摄像头；
47.第一驱动电机，连接到所述活动支架的一端，用于驱动所述活动支架实现旋转运动；
48.第二驱动电机，设置在所述活动支架上，用于驱动所述活动支架实现俯仰运动；
49.第三驱动电机，用于驱动所述腔镜夹实现伸缩运动。
50.活动支架的一端能够相对于另一端俯仰运动。优选地，活动支架为双平行四边形的框架结构。
51.具体地，腔镜镜体设置在腔镜夹上，腔镜夹设置在活动支架的另一端。活动支架的一端设置有用于驱动活动支架旋转的第一驱动电机，活动支架上设置有用于驱动活动支架俯仰的第二驱动电机，腔镜夹上设置有用于驱动腔镜镜体伸缩运动的第三驱动电机。因此，本发明的用于腔镜摄像头的视觉随动装置能够驱动腔镜镜体实现旋转、俯仰、伸缩运动。
52.优选地，第一驱动电机所选为舵机，舵机为通轴舵机，具备对称的两个安装盘。两个安装盘分别可以与活动支架一端的两个活动部件铰接，或者通过两个部件分别与活动支架一端的两个活动部件铰接，使得活动支架能够在舵机的驱动下实现旋转运动。
53.优选地，第二驱动电机所选为推杆电机，第二驱动电机的两端设置有连接耳，两个连接耳分别铰接到活动之间的两端，使得活动支架两端在推杆电机的驱动下能够实现俯仰运动。
54.优选地，第三驱动电机为推杆电机，第三驱动电机的机体设置在活动支架另一端的连接部件上，第三驱动电机的推杆一端连接到腔镜夹上，通过第三驱动电机能够驱动腔镜夹相对于活动支架的伸缩运动。
55.更具体地，腔镜镜体绕虚拟旋转中心进行旋转运动，可以通过第一驱动电机控制实现，腔镜镜体的旋转角度等于第一驱动电机的转角。
56.腔镜镜体绕虚拟旋转中心进行俯仰运动，可以通过第二驱动电机控制实现，第二驱动电机的推杆伸长时，根据活动支架的结构几何关系特点，腔镜镜体可以绕虚拟旋转中心做上仰动作。相反的，当第二驱动电机推杆缩短时，腔镜镜体做下俯动作。
57.腔镜镜体的前后伸缩运动是通过第三驱动电机控制实现的，第三驱动电机推杆伸长时，腔镜夹在推杆的带动下沿着滑轨向后滑动，腔镜镜体后缩，相反的，腔镜镜体前伸。
58.本发明还提供一种用于腔镜摄像头的视觉随动机器人，包括：
59.上述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置；
60.控制装置，用于控制所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机，驱动所述腔镜夹实现旋转、俯仰、伸缩运动。
61.具体地，可以在腔镜镜体上设置示踪器，医生的手术工具上也设置有示踪器，通过跟踪定位装置(例如ndi系统)实时追踪示踪器的位置，控制装置可以计算腔镜摄像头与手术工具端部之间的相对位置，从而控制所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机，用于驱动所述腔镜夹实现旋转、俯仰、伸缩运动，使得腔镜摄像头实时跟随医生的手术工具，解决主刀医生“手眼分离”的问题。
62.为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
63.参照图1-7所示，本实施例的用于腔镜摄像头的视觉随动装置包括：
64.腔镜夹5，一侧通过螺丝与滑轨8连接，另一侧成型有c型开口的弹性夹片，腔镜镜体6可以嵌套于弹性夹片内，弹性夹片c型开口尺寸略小于腔镜镜体6的直径，使得腔镜镜体6可以被弹性夹片夹紧，两者不易发生相对滑动。腔镜镜体6上设置有示踪器4。滑块9可滑动的套接在滑轨8上，滑块9通过螺丝与第八部件38连接。
65.活动支架，本实施例为双平行四边形的框架结构，包括一对第三部件33a、33b、一对第四部件34a、34b、一对第五部件35a、35b、一对第六部件36a、36b、一对第七部件37a、37b。
66.其中，第三部件33a、33b的一端分别通过第三轴孔23a、23b与第六部件36a、36b的一端铰接；第四部件34a、34b的一端分别通过第四轴孔24a、24b与第六部件36a、36b的中部铰接；第五部件35a、35b的一端分别通过第四轴孔24a、24b与第六部件36a、36b铰接；第五部件35a、35b的另一端分别通过第五轴孔25a、25b与第七部件37a、37b的一端铰接。
67.第一驱动电机1，所选为舵机，舵机为通轴舵机，具备对称的两个安装盘。其中一个安装盘通过螺丝与第一部件31固定连接，另一个安装盘通过螺丝与第二部件32固定连接。第一部件31与第二部件32可绕舵机轴共同旋转，第一部件31与第二部件32无相对运动。第一部件31与第二部件32可绕第一电机输出轴延长线l1旋转。连接件7设置在第一驱动电机1的一侧，用于将视觉随动装置连接到机械臂或者支架上。
68.第二驱动电机2，所选为推杆电机，第二驱动电机2两端设置有连接耳，其中一端连接耳通过转轴铰接于第四轴孔24，另一侧的连接耳，通过转轴连接于第八轴孔28；其中一个连接耳设置在第二电机推杆10的端部。
69.第三驱动电机3为推杆电机，第三驱动电机3的机体固定于第八部件38上，第三驱动电机3的第三电机推杆11一端开设有螺纹孔，通过螺丝固定于腔镜夹5上。第三驱动电机3驱动腔镜镜体6沿着腔镜镜体中心延长线l2伸缩运动。
70.第三部件33a、33b的另一端分别通过第一轴孔21a、21b与第一部件31铰接；第四部件34a、34b的另一端分别通过第二轴孔22a、22b与第二部件32铰接。
71.第六部件36a、36b的另一端分别通过第七轴孔27a、27b与第八部件38的一端铰接；第七部件37a、37b的另一端分别通过第七轴孔27a、27b与第八部件38的另一端铰接。
72.其中，第一轴孔21至第三轴孔23的距离等于第二轴孔22到第四轴孔24的距离，等于第四轴孔24到第五轴孔25的距离，等于第七轴孔27到第六轴孔26的距离；第一轴孔21到第二轴孔22的距离等于第三轴孔23到第四轴孔24的距离，等于第四轴孔24到第七轴孔27的距离，等于第五轴孔25到第六轴孔26的距离。
73.本实施例的用于腔镜摄像头的视觉随动装置工作过程如下：
74.实施方式：
75.腔镜镜体6嵌套于腔镜夹5的弹性夹片内，通过连接件7将视觉随动装置连接到机械臂上。
76.1、腔镜镜体6绕虚拟旋转中心o的旋转动作是通过第一驱动电机1控制实现的，腔镜镜体6的旋转角度等于第一驱动电机1的转角。
77.2、腔镜镜体6绕虚拟旋转中心o的俯仰运动通过第二驱动电机2控制实现，第二驱动电机2的第二电机推杆10伸长时，第八轴孔28至第四轴孔24的距离增加，根据活动支架结构的几何关系特点，腔镜镜体6绕虚拟旋转中心o做上仰动作。相反的，当第二电机推杆10缩短时，腔镜镜体6做下俯动作。
78.3、腔镜镜体6的前后伸缩运动是通过第三驱动电机3控制实现的，第三驱动电机3的第三电机推杆11伸长时，腔镜夹5在第三电机推杆11的带动下沿着滑轨8向后滑动，腔镜镜体6后缩，相反的，腔镜镜体6前伸。
79.本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
80.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

技术特征：
1.一种用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，包括：活动支架；腔镜夹，活动地设置在所述活动支架上，用于承载腔镜摄像头；第一驱动电机，连接到所述活动支架的一端，用于驱动所述活动支架实现旋转运动；第二驱动电机，设置在所述活动支架上，用于驱动所述活动支架实现俯仰运动；第三驱动电机，用于驱动所述腔镜夹实现伸缩运动。2.根据权利要求1所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，所述活动支架为双平行四边形的框架结构。3.根据权利要求2所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，双平行四边形的框架结构包括一对第三部件(33a、33b)、一对第四部件(34a、34b)、一对第五部件(35a、35b)、一对第六部件(36a、36b)、一对第七部件(37a、37b)；其中，第三部件(33a、33b)的一端分别通过第三轴孔(23a、23b)与第六部件(36a、36b)的一端铰接；第四部件(34a、34b)的一端分别通过第四轴孔(24a、24b)与第六部件(36a、36b)的中部铰接；第五部件(35a、35b)的一端分别通过第四轴孔(24a、24b)与第六部件(36a、36b)铰接；第五部件(35a、35b)的另一端分别通过第五轴孔(25a、25b)与第七部件(37a、37b)的一端铰接。4.根据权利要求3所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，所述第一驱动电机具有两个安装盘；其中一个安装盘与第一部件(31)固定连接，另一个安装盘与第二部件(32)固定连接；第一部件(31)与第二部件(32)能够绕所述第一驱动电机的机轴共同旋转，所述第一部件(31)与第二部件(32)无相对运动。5.根据权利要求4所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，第三部件(33a、33b)的另一端分别通过第一轴孔(21a、21b)与第一部件(31)铰接；第四部件(34a、34b)的另一端分别通过第二轴孔(22a、22b)与第二部件(32)铰接。6.根据权利要求3所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，还包括第八部件(38)，所述第六部件(36a、36b)的另一端分别通过第七轴孔(27a、27b)与所述第八部件(38)的一端铰接；所述第七部件(37a、37b)的另一端分别通过第七轴孔(27a、27b)与第八部件(38)的另一端铰接。7.根据权利要求6所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，还包括滑轨和滑块，所述滑轨与所述腔镜夹连接；所述滑块可滑动地套接在所述滑轨上，所述滑块与所述第八部件连接。8.根据权利要求5所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，所述第二驱动电机两端设置有连接耳，其中一端连接耳通过转轴铰接于所述第四轴孔(24)，另一侧的连接耳，通过转轴连接于所述第一部件(31)端部的第八轴孔(28)。9.根据权利要求7所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置，其特征在于，所述第三驱动电机设置在所述第八部件上，所述第三驱动电机的第三电机推杆连接到所述腔镜夹上。10.一种用于腔镜摄像头的视觉随动机器人，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任一所述的用于腔镜摄像头的视觉随动装置；控制装置，用于控制所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机，驱动所述腔镜夹实现旋转、俯仰、伸缩运动。

技术总结
本发明提出了一种用于腔镜摄像头的视觉随动装置及视觉随动机器人。用于腔镜摄像头的视觉随动装置，包括：活动支架；腔镜夹，活动地设置在所述活动支架上，用于承载腔镜摄像头；第一驱动电机，连接到所述活动支架的一端，用于驱动所述活动支架实现旋转运动；第二驱动电机，设置在所述活动支架上，用于驱动所述活动支架实现俯仰运动；第三驱动电机，用于驱动所述腔镜夹实现伸缩运动。本发明的用于腔镜摄像头的视觉随动装置体积紧凑，结构更稳定。通过采用的是双平行四边形的框架结构，摄像头支架的运行不通过齿轮驱动，因此避免了由齿轮间隙引起的晃动。采用框架结构及小电机，一方面减低了器械的整体重量，另一方面，增加了结构强度。度。度。


技术研发人员：赵宗凯 朱罡 孙向民
受保护的技术使用者：北京罗森博特科技有限公司
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/22