[发明专利]一种用于柔性微创手术机械手的自动锚爪支撑装置

说明书

技术领域

本发明涉及手术机器人领域，尤其是涉及一种用于柔性微创手术机械手的自动锚爪支撑装置，适用于脊柱、肿瘤、骨科、颈椎手术等人工操作风险较大的手术机械手中。

背景技术

柔性微创手术机械手，属于连续型机器人的执行部分，柔性机器人可以柔顺而灵活的改变自身形状，因而能够根据环境障碍物的状况而改变自身形状，对于工作空间狭小的环境以及非结构环境具有独特的适应能力，能在实际手术中避开容易对其造成伤害的神经组织，而且操作简便，医生容易上手并且精度和准确度能达到更高水平，在微创手术领域有很大的发展潜力。连续型柔性机器人作为手术机器人的一个重要分支，对它的研究一直是各国专家学者的关注的焦点之一。近年来，柔性机器人的研究得到了长足的进展，其中国外一些研究机构凭借充裕的资金和先进的技术，在该领域取得了较快的发展。如，1992年美国Computer Motion公司推出的ROBODOC机器人系统，是在传统工业机器人技术基础上开发而成，可以完成髋骨替换、髋骨置换及修复和膝关节置换等手术，其控制方式是依据CT图像进行3D建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据。1994年，美国Computer Motion公司研制的手术机器人，其采用自动光学定位内窥镜系统，它可以模仿人手臂的功能，并取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要，提供比人为控制更精确、更一致的镜头运动，为医生提供直接、稳定的手术视野。随之，更成熟先进的机器人辅助微创手术系统是美国Intuitive Surgical公司的Da Vinci系统，它包括一个医生控制平台、多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备，此机械系统的开发成功，首次突破了传统微创手术存在的限制，以更高的精度更好的稳定性替代了传统的微创手术，是微创手术机器人的一次革新。在国内，北京航空航天大学机器人研究所和解放军总医院共同开发出了脑外科机械臂系统辅助完成脑立体定向技术，其系统主要由影像获取传输、虚拟手术规划、智能机械臂、支撑装置等部分组成。通过这些设备可以准确定位手术点，重建三维病灶区域，迅速完成器械引导工作，以快速完成手术。这种方法可以更好的减少手术创伤，为病人省去很多痛苦，并且操作过程中其精度更高，后遗症的可能性会更小。

在脊柱微创手术中，脊柱微创手术机械手由预先加工为某一弯曲半径的圆弧合金管组成，该种同心管连续型机器人通过改变两合金管弯曲方向的相对角度来控制连续型机器人的弯曲运动，其尺寸非常小，采用超弹性镍钛合金材料制造，材料具有优良的生物相容性、射线不透性、核磁共振无影响性、形状记忆效应、超弹性和阻尼等特性。通过整体的连续变形来达到输入输出运动的目的，连续型机器人组成的构件既是结构部件又是传动部件，因而结构尺寸可以足够小。但是，该连续型柔性机械手具有末端点挠度大、承载力小的弱点，使得其在应用中存在机械手的柔性执行部分空间位置定位精度不高，而脊柱微创手术对于手术点的位置精度要求较高的矛盾问题。

发明内容

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安全可靠、调整迅速、可控制性强的用于柔性微创手术机械手的自动锚爪支撑装置，该装置结合一定的算法控制锚爪自动开合，在手术时自动选择锚点锁在人体骨骼上，使得机械手本体末端能够获得较高的刚度从而方便末端执行部件进行手术操作过程，并通过传感器的实时数据反馈控制，更好地减少手术器械对人体的伤害，保证了手术器械的安全性、实时性和稳定性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于柔性微创手术机械手的自动锚爪支撑装置，为机械手本体提供作业支撑点，其特征在于，所述的机械手本体为柔性中空管，所述的装置包括锚爪、金属加热丝、温度传感器、距离传感器及控制器，所述的锚爪根据温度可自动开合，贴附在机械手本体末端的外表面，所述的金属加热丝置于柔性中空管中，并隔着管壁与锚爪贴合，所述的温度传感器设于锚爪上，并穿过管壁与金属加热丝连接，所述的距离传感器与锚爪连接，所述的控制器分别与金属加热丝、温度传感器和距离传感器连接；

在不通电加热时，锚爪闭合贴附在机械手本体末端的外表面，不干扰机械手本体进入人体手术作业空间；当机械手进入目标手术点以后，距离传感器自动测量各个锚爪与其最近的骨骼的距离并反馈至控制器，控制器智能选择最靠近骨骼位置的锚爪并控制金属加热丝对其进行加热，锚爪开始张开，温度传感器测量锚爪所在的环境温度并反馈至控制器，控制器控制加热锚爪的温度，当加热达到预定的温度后停止加热，张开后的锚爪锚在骨骼上，为机械手本体增加支撑点。

所述的锚爪与机械手本体外表面采用单面铆接固定。

所述的锚爪采用镍钛合金制造。