機器人系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請大體設及機器人系統(tǒng)，更具體地設及用于內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)巧SD)的主從 機器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在世界的不同地區(qū)，胃癌和結(jié)腸直腸癌都是癌癥的常見類型。胃癌和結(jié)腸直腸癌 也是癌癥死亡的首要原因。胃腸（GI)癌起源于黏膜層。如果在惡化前和早期的癌癥擴散 到淋己結(jié)之前在初期整體移除運些癌癥，患運些癌癥的病人的存活率可W提高。
[0003] 為了去除胃腸道中惡化前和早期的癌癥，開發(fā)了內(nèi)鏡黏膜切除術(shù)（EMR)和內(nèi)鏡黏 膜下剝離術(shù)巧SD)。運些手術(shù)借助于柔性內(nèi)鏡，并具有微創(chuàng)和保留器官的優(yōu)勢。為了去除 更大的病變，通常需要ESD，因為ESD具有更高的單塊完整剝離率所W局部復發(fā)率更低（與 EMR相比）。
[0004] 通常，在ESD手術(shù)過程中，通過電烙術(shù)對病變邊緣進行標記，并且使用黏膜下注射 W提拉病變；用專用內(nèi)鏡電烙刀圍繞病變執(zhí)行進入黏膜下的周邊切割；W及用電烙刀從胃 腸道壁的下方深層將病變剝離并移除。相比開放性手術(shù)，使用內(nèi)鏡的黏膜切除術(shù)顯然是低 創(chuàng)的。 陽0化]盡管ESD有效地移除了早期的胃癌和結(jié)腸直腸癌，但ESD是與更高風險的并發(fā)癥 相關(guān)聯(lián)的、技術(shù)上需要的手術(shù)。通常ESD主要具有=個不足之處。第一，目前柔性內(nèi)鏡具有 單個儀器通道。內(nèi)鏡一次只能用單個配件進行操作。第二，很難將柔性內(nèi)鏡的端部維持在 中空腑臟內(nèi)的穩(wěn)定位置。用柔性內(nèi)鏡瞄準黏膜病變在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。通常，切割無意 中會導致重大的并發(fā)癥（如穿孔和出血）。第=，由于難W維持內(nèi)鏡位置和更薄的肌肉層， 所W位于接近大腸（盲腸和橫結(jié)腸）的大腸 ESD手術(shù)更難W執(zhí)行。
[0006] 手術(shù)機器人已經(jīng)發(fā)展了很多年。可W借助于柔性內(nèi)鏡來應用的機器人幾乎沒有。 機器人旨在用兩個臂進行模擬操作。運種設計受到一些動物身體結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，如人和龍郵， 它們均使用臂和眼睛來完成任務。此設計可W減小外科醫(yī)生的學習曲線。上述工作示出了 機器人的初步設計W及該結(jié)構(gòu)進行ESD的可用性。此外，臂形設計模仿手腕并提供了更多 的自由度。運使得內(nèi)鏡剝離術(shù)變得更容易并且更有效。本發(fā)明的該機器人設計中也應用了 運個構(gòu)思。
[0007] 現(xiàn)今手術(shù)機器人可W分為兩類：直接驅(qū)動的和機動化的。直接驅(qū)動的機器人的優(yōu) 勢為成本低并且結(jié)構(gòu)簡單?？刂破骱蜋C器人通過機械結(jié)構(gòu)（如腫和銷）直接連接。操作者 通過控制器控制機器人。直接的力反饋反饋至控制器并且然后反饋至操作者。然而，直接 驅(qū)動的機器人的缺點為控制精度不足。
[0008] 純機械結(jié)構(gòu)通常具有后沖和力損問題。機器人的執(zhí)行與控制器的輸入不同。機動 化的機器人可W解決上述問題。例如，可W使用補償機制W抵消后沖和力損。此外，因為機 器人的動作不是直接用控制器映射，所W機動化的機器人可W具有更多的自由度。機器人 的動作可W更復雜。
[0009] 目前的內(nèi)鏡機器人具有機器人臂嵌入在內(nèi)鏡平臺內(nèi)的結(jié)構(gòu)限制。在外科醫(yī)生將機 器人插入患者的胃腸道時，機器人臂的端部龐大并因此將會很難通過。當沿消化道推動機 器人臂時，可能引起黏膜損害。此外機器人具有保護機器人臂的蓋，內(nèi)鏡平臺需要與機器人 一起開發(fā)。因而增加了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 根據(jù)本申請的實施方式公開了用于內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)巧SD)的機器人。機器人包 括配置有第一臂和第二臂的從設備、具有能夠延伸至祀組織并分別用于容納第一臂和第二 臂的至少兩個通道的內(nèi)鏡平臺，W及配置為控制第一臂W拉回祀組織和控制第二臂W剝離 拉回的祀組織的主設備。
[0011] 在本申請的實施方式中，第一臂和第二臂中的每個可包括相同的連續(xù)體結(jié)構(gòu)W及 與連續(xù)體結(jié)構(gòu)連接的端部操縱裝置，其中連續(xù)體結(jié)構(gòu)是柔性的W將端部操縱裝置引導至祀 組織。
[0012] 在本申請的實施方式中，每個連續(xù)體結(jié)構(gòu)可包括配置為形成恒定曲率的基干、能 夠沿形成的恒定曲率延伸并配置為驅(qū)動端部操縱裝置的兩對致動器，W及彼此分離一段距 離并具有用于容納致動器的孔的多個引導盤。
[0013] 在本申請的實施方式中，致動器可由形狀記憶合金和鍛膜金屬線的組合形成。運 個組合具有兩者的優(yōu)點。SMA可W形成便于連續(xù)體結(jié)構(gòu)的動力學建模的曲線。此外，超塑性 SMA用推拉運動來致動連續(xù)體結(jié)構(gòu)，其中推拉運動與拉機制相比將驅(qū)動力加倍，使整個機器 人結(jié)構(gòu)的尺寸減小成為可能。另一方面，鍛膜金屬線更具有柔性，其可適合不規(guī)則的結(jié)構(gòu)， 諸如夾持器上的凹槽。
[0014] 在本申請的實施方式中，致動器的每個可W容納在卷銷中。卷銷用作柔性通道W 將力從馬達驅(qū)動器傳達到遠端結(jié)構(gòu)。使用卷銷的另一作用是其用作轉(zhuǎn)力機構(gòu)。用于W上結(jié) 構(gòu)的銷（如用于夾持器的銷）通過連續(xù)體結(jié)構(gòu)，并因此由W上結(jié)構(gòu)釋放的致動力可W沿銷 均勻分布而不是在連續(xù)體部分引起不期望的變形，并因此進行保護W免于自毀壞。
[0015] 在本申請的實施方式中，第一臂上的端部操縱裝置可W為夾持器，W及第二臂上 的端部操縱裝置可W為剝離器。
[0016] 在本申請的一個實施方式中，第一臂可具有至少5個自由度。在本申請的另一實 施方式中，第二臂可具有至少4個自由度。
[0017] 卷銷可設置為捆并固定在橡膠管內(nèi)部，其中該橡膠管作為單個機器人臂的柔性 桿。柔性桿和內(nèi)部的銷之間沒有相對運動。因此，通過將柔性桿緊固在由馬達驅(qū)動的線型 齒條上實現(xiàn)機器人臂的平移。
[0018] 在本申請的另一方面中，公開了用于內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)巧SD)的機器人，該機器 人可包括：第一臂；第二臂；具有能夠延伸至祀組織并用于分別容納第一和第二臂的至少 兩個通道的內(nèi)鏡平臺，其中第一臂配置為拉回祀組織W及第二臂配置為剝離拉回的祀組 織。
[0019] 在本申請的實施方式中，第一臂和第二臂的每個可包括相同的連續(xù)體結(jié)構(gòu)和與連 續(xù)體結(jié)構(gòu)連接的端部操縱裝置，其中連續(xù)體結(jié)構(gòu)是柔性的W將端部操縱裝置引導至祀組 織。
[0020] 在本申請的實施方式中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)可包括：用于形成恒定曲率的基干；能夠沿 形成的恒定曲率延伸并配置為驅(qū)動端部操縱裝置的兩對致動器；W及彼此分離一段距離并 具有用于容納致動器的孔的多個引導盤。
【附圖說明】
[0021] 下面參照附圖對本發(fā)明的示例性且非限制性實施方式進行描述。附圖是說明性的 并通常不是精確刻度。不同附圖中的相同或相似的元件用相同的附圖標記來表示。
[0022] 圖1是示出用于使用在ESD中的機器人的結(jié)構(gòu)的框圖；
[0023] 圖2是示出從設備和內(nèi)鏡平臺的示意圖；
[0024] 圖3是示出連續(xù)體結(jié)構(gòu)的示意圖； 陽0巧]圖4是示出從設備的兩個臂的示意圖；
[00%] 圖5是示出連續(xù)體結(jié)構(gòu)的參數(shù)的符號的示意圖；
[0027] 圖6是示出主設備與機器人臂之間操作的框圖； 陽028] 圖7是示出驅(qū)動器的示意圖；
[0029] 圖8是示出驅(qū)動單元的示意圖。
[0030] 圖9是示出控制器的示意圖；W及
[0031] 圖10是示出控制軟件架構(gòu)的示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 現(xiàn)在將詳細地參照示例性實施方式，其中在附圖中示出了示例性實施方式的示 例。在適當?shù)那闆r下，在所有附圖中，使用相同的附圖標記來表示相同或相似的部分。
[0033] 圖1是根據(jù)本申請的實施方式的用于內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)巧SD)的機器人100的框 圖。機器人100包括從設備1、內(nèi)鏡平臺2和主設備3。從設備1配置有第一臂和第二臂。 內(nèi)鏡平臺2具有至少兩個通道，該至少兩個通道能夠延伸至祀組織并分別用于容納第一臂 和第二臂。主設備3配置為控制第一臂W拉回祀組織并控制第二臂W剝離拉回的組織。在 一些實施方式中，可根據(jù)需要改變通道的數(shù)量。
[0034] 圖2示出了從設備1的詳細結(jié)構(gòu)。如圖2所示，內(nèi)鏡平臺2具有四個獨立的通道， 即上通道、下通道、左通道和右通道，W及從設備1包括兩個臂13和14, 一個臂用于剝離組 織和一個臂用于拉回組織。臂13、14中的每個包括相同的連續(xù)體結(jié)構(gòu)和與連續(xù)體結(jié)構(gòu)相連 接的端部操縱裝置，其中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)是柔性的W將端部操縱裝置引導至祀組織。在該實施 方式中，剝離器131附接于左臂13的遠端作為端部操縱裝置。在該實施方式中，夾持器141 附接于左臂13的遠端作為端部操縱裝置。右臂4上的端部操縱裝置可W是能夠夾持組織 的夾持器。
[0035] 如圖所示，內(nèi)鏡像機2穿過上通道和下通道并可W用于使用其他設備，如用于吸 收和注射液體的第=機器人臂。在一些實施方式中，內(nèi)鏡平臺在其端部可具有帶有四個孔 的套管，其中運些孔的具體形狀與引導盤兼容，W使機器人臂的平動平滑化并限制機器人 臂的旋轉(zhuǎn)。
[0036] 圖3示出了連續(xù)體結(jié)構(gòu)11的詳細結(jié)構(gòu)。連續(xù)體結(jié)構(gòu)11包括配置為形成恒定曲率 的基干111、可沿所形成的恒定曲率延伸并配置為驅(qū)動端部操縱裝置的多個（例如，如所示 的兩對）致動器112, W及彼此W-定距離分離（例如通過橡膠間隔裝置114)并具有用于 容納和引導致動器112及基干111的孔115的多個引導盤113。在一些實施方式中，引導盤 的材料為例如由激光加工機制造的1.5mm厚的丙締酸片。為了實現(xiàn)最佳的曲率，致動器到 中央比間隔裝置長度可W設置為例如0. 4。通過使用金屬止動器將四個致動器固定于連續(xù) 體結(jié)構(gòu)的端部。
[0037] 在該實施方式中，致動器112中的每個由至少一個形狀記憶合金和鍛膜金屬線形 成，并且容納在卷銷116中，如圖4所示。運些銷116通過柔性通道連接在連續(xù)體結(jié)構(gòu)和端 部操縱裝置之間。運種腫-銷驅(qū)動機構(gòu)不僅提供對于內(nèi)鏡用途的柔性需求而且還充當轉(zhuǎn)力 機構(gòu)。
[0038] 連續(xù)體結(jié)構(gòu)11通過兩對超彈性儀鐵形狀記憶合金（SMA)線致動，并且其他連結(jié)部 (諸如較鏈連結(jié)部和爪）由金屬線驅(qū)動。通過根據(jù)逆動力學來組合四個致動器112的推拉 運動，可W精確地控制連續(xù)結(jié)構(gòu)的端部。SMA的超塑性特性迫使連續(xù)體結(jié)構(gòu)111形成恒定曲 率，運可W精確地模