手术器械更换机器人、手术机器人系统及更换系统的制作方法

1.本发明涉及机器人辅助手术系统领域，特别涉及一种手术器械更换机器人、手术机器人系统及更换系统。


背景技术：

2.近年来，随着机器人相关技术的应用和发展，特别是计算技术的发展，医用患者端机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。其中，微创伤手术机器人系统可以通过介入治疗的方式减轻医生在手术过程中的体力劳动，同时达到精准手术目的，使患者创伤小、失血少、术后感染少、术后恢复快。
3.微创伤手术机器人系统能够使医生在主操控台处通过二维或三维的显示设备观察病人体内的组织特征，并以遥控方式操控从操作机器人上的机械臂及手术工具器械来完成手术的操作。医生能够以与传统手术相同的方式及感觉来完成微创伤手术的操作，大大减轻了医生进行微创伤手术时的困难程度，同时也提高了手术的效率和安全性，并使得远程手术的实现发生了突破性的进展。
4.微创伤患者端机器人装置和系统的研发，不仅使得医生能够以较小创伤的、但与传统开口手术相同的视角与操作感受完成手术。更重要的是，它使医生能够在远离病人的地方实施手术，或在病房中病人旁边进行手术操作，或也可以远程通过操作输入装置对远端接受设备进行控制，从而完成手术的操作。
5.在远程手术中，外科医生使用伺服机构等某种形式的遥控器操作手术器械的移动，而不是直接手持并移动器械。手术过程中需要较为频繁的更换手术器械，手术器械的更换通常由医护人员辅助完成，这增加了医护人员的工作负担，也使得远程手术难以进一步高效实现。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种手术器械更换机器人、手术机器人系统及更换系统，以解决现有需通过医护人员更换手术器械的问题。
7.为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种手术器械更换机器人，用于为患者端机器人更换手术器械，所述手术器械更换机器人包括：包括：主体部、器械收纳部、器械夹头以及机械臂；
8.所述机械臂的一端与所述主体部连接，另一端与所述器械夹头连接，所述器械夹头用于抓取手术器械；
9.所述器械收纳部设置于所述主体部上，用于容置手术器械；
10.所述机械臂被配置为，驱动所述器械夹头自所述器械收纳部上抓取待更换的手术器械，以供患者端机器人更换手术器械；以及/或，驱动所述器械夹头抓取更换后的手术器械并将所述手术器械放置于所述器械收纳部。
11.可选的，所述手术器械更换机器人还包括定位装置，所述定位装置用于与所述患
者端机器人定位，以确定所述手术器械更换机器人与所述患者端机器人之间的相对位置关系。
12.可选的，所述定位装置包括第一机械电气接口，所述第一机械电气接口用于与所述患者端机器人的第二机械电气接口适配连接。
13.可选的，所述定位装置包括定位靶标，所述定位靶标用于供所述患者端机器人的第一导航扫描仪扫描定位；或者所述定位靶标用于供外部的位置扫描仪扫描定位，以确定所述手术器械更换机器人相对于所述患者端机器人的相对位置。
14.可选的，所述定位装置包括第二导航扫描仪，所述第二导航扫描仪用于扫描外部的预定特征，以确定所述手术器械更换机器人相对于所述预定特征的相对位置，进而利用所述患者端机器人相对于所述预定特征的相对位置，确定所述手术器械更换机器人相对于所述患者端机器人的相对位置；或者所述第二导航扫描仪用于扫描所述患者端机器人的定位靶标，以确定所述手术器械更换机器人相对于所述患者端机器人的相对位置。
15.可选的，所述机械臂至少包括第一臂、第二臂、第三臂、第五臂、第六臂和第七臂，所述第一臂围绕第一轴线可转动地与所述主体部连接，所述第二臂围绕第二转轴可转动地与所述第一臂连接，所述第三臂围绕第三转轴可转动地与所述第二臂连接，所述第五臂围绕第五转轴可转动地与所述第三臂连接，所述第六臂围绕第六转轴可转动地与所述第七臂连接；其中，所述第二轴线垂直于所述第一轴线，所述第三轴线平行于所述第二轴线，所述第五轴线平行于所述第三轴线，所述第六轴线垂直于所述第五轴线。
16.可选的，所述机械臂还包括第四臂，所述第四臂围绕第四转轴可转动地与所述第三臂连接，并围绕所述第五转轴可转动地与所述第五臂连接；所述第五臂通过所述第四臂与所述第三臂连接；所述第四轴线分别与所述第一轴线和所述第六轴线共面，所述第五轴线垂直于所述第四轴线。
17.可选的，所述器械夹头围绕第七轴线可转动地与所述第七臂连接，所述第七轴线垂直于所述第六轴线。
18.可选的，所述主体部包括立柱与调整臂，所述调整臂沿所述立柱的延伸方向可移动地与所述立柱连接。
19.可选的，所述调整臂包括依次连接的第一基盘、第二基盘或者第一基盘、第二基盘和第三基盘，所述第一基盘沿所述立柱的延伸方向可移动地与所述立柱连接，所述第二基盘围绕第八轴线可转动地与所述第一基盘连接，所述第三基盘围绕第九轴线可转动地与所述第二基盘连接；所述机械臂可转动地与所述第二基盘或者所述第三基盘连接，所述第八轴线和所述第九轴线均平行于所述立柱的延伸方向。
20.可选的，所述器械收纳部具有多个接口，每个接口具有唯一的标识符，用于与对应的手术器械相适配并供手术器械在替换过程中的识别。
21.可选的，所述标识符为用于确定所述接口的唯一属性的编码图案，所述手术器械更换机器人包括光学传感器，所述光学传感器用于通过扫描所述编码图案获知所述接口的唯一属性。
22.可选的，所述器械收纳部具有两个以上的区域，每个所述区域包括多个所述接口，不同的所述区域用于适配不同使用状态的手术器械。
23.可选的，所述手术器械更换机器人还包括基座、两个驱动轮和一个舵轮，所述基座
设置于所述主体部的底部，所述驱动轮和所述舵轮分别连接于所述基座的底部，两个所述驱动轮被配置为通过差速驱动所述手术器械更换机器人转向。
24.为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种手术机器人系统，其包括：患者端机器人、至少一个如上所述的手术器械更换机器人以及多个手术器械；所述多个手术器械的至少一部分设置于所述手术器械更换机器人的器械收纳部上，所述手术器械更换机器人用于为所述患者端机器人更换所述手术器械。
25.为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种手术器械更换系统，所述手术器械更换系统包括存储器及处理器，所述处理器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现：
26.接收更换手术器械指令；
27.控制机械臂将需更换的手术器械放置在器械收纳部上；和/或
28.控制机械臂从器械收纳部上抓取待更换的手术器械。
29.可选的，在控制机械臂将需更换的手术器械放置在器械收纳部上之前，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：
30.识别自身坐标方位，计算出手术器械更换机器人需要运动到的第一目标坐标，并控制所述手术器械更换机器人按特定指向运动至所述第一目标坐标；
31.计算出所述机械臂之第一轴线的第二目标坐标，并控制所述机械臂运动至至所述第二目标坐标；
32.控制器械夹头运动到手术器械的安装坐标，并控制所述器械夹头从工具臂上抓取需更换的所述手术器械。
33.可选的，在控制所述器械夹头从工具臂上抓取需更换的所述手术器械之后，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别器械收纳部上待放置手术器械的接口，并将所述机械臂所抓取的所述手术器械与所述接口对应连接。
34.可选的，在控制机械臂从器械收纳部上抓取待更换的手术器械之前，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别器械收纳部上待更换的手术器械所对应的接口，并将所述机械臂与所述接口对应连接。
35.可选的，通过扫描器械收纳部的接口的编码图案获知所述接口的唯一属性，完成对器械收纳部上的接口的识别。
36.综上所述，在本发明提供的手术器械更换机器人、手术机器人系统及更换系统中，手术器械更换机器人包括主体部、器械收纳部、器械夹头以及机械臂；所述机械臂的一端与所述主体部连接，另一端与所述器械夹头连接，所述器械夹头用于抓取手术器械；所述器械收纳部设置于所述主体部上，用于容置手术器械；所述机械臂被配置为，驱动所述器械夹头自所述器械收纳部上抓取待更换的手术器械，以供患者端机器人更换手术器械；以及/或，驱动所述器械夹头抓取更换后的手术器械并将所述手术器械放置于所述器械收纳部。
37.如此配置，利用机械臂和器械夹头可以实现对手术器械的抓取和更换，可代替医护人员更换手术器械，减轻了医护人员的工作负担，另一方面也提高了手术自动化水平，使远程手术的实现变得更为便利和高效。
附图说明
38.本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
39.图1是本发明一实施例提供的手术机器人系统的示意图；
40.图2是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人的示意图；
41.图3是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人与患者端机器人组合使用的示意图；
42.图4是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人与患者端机器人分离使用的示意图；
43.图5是本发明一实施例提供的两台手术器械更换机器人与一台患者端机器人组合使用的示意图；
44.图6是本发明一实施例提供的两台手术器械更换机器人与一台患者端机器人分离使用的示意图；
45.图7a、7b、7c是本发明一实施例提供的调整臂处于不同调整状态的示意图；
46.图8是本发明一实施例提供的调整臂的运动自由度简图；
47.图9是本发明一实施例提供的器械收纳部的示意图；
48.图10是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人的仰视图；
49.图11是本发明一实施例提供的机械臂的示意图；
50.图12是本发明一实施例提供的机械臂的运动自由度简图；
51.图13a是本发明一实施例提供的手术器械的示意图；
52.图13b是图13a的a部放大图；
53.图13c是本发明一实施例提供的器械夹头与器械夹取接口的连接示意图；
54.图13d是图13c的另一角度的示意图；
55.图14a是本发明一实施例提供的方位导航原理的示意图；
56.图14b是图14a的另一角度的示意图。
57.附图中：
58.1-患者端机器人；11-立柱；12-支撑机构；13-工具臂；14-手术器械；141-器械夹取接口；1411-凸轴；101-病床；102-第一导航扫描仪；103-定位靶标；106
‑ꢀ
医生控制台；107-主操作手；108-内窥镜；109-第二导航扫描仪；1001-第一机械电气接口；1002-第二机械电气接口；5-手术器械更换机器人；51-主体部；5102
‑ꢀ
驱动轮；5103-驱动模组；5104-立柱；5105-第一基盘；5106-第二基盘；5107-第三基盘；5108-舵轮；52-器械收纳部；521-器械收纳槽口；53-器械夹头；531-凹孔；54-机械臂；5401-第一臂；5402-第二臂；5403-第三臂；5404-第四臂；5405
‑ꢀ
第五臂；5406-第六臂；5407-第七臂；5408-摄像头；55-基座；6-墙体天花板；61
‑ꢀ
天花板特异图像标识；71-第一轴线。
具体实施方式
59.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部
分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
60.如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近被操作对象的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.本发明的主要目的在于提供一种手术器械更换机器人及手术机器人系统，以解决现有需通过医护人员更换手术器械的问题。
62.以下参考附图进行描述。
63.请参考图1至图14b，其中，图1是本发明一实施例提供的手术机器人系统的示意图；图2是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人的示意图；图3是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人与患者端机器人组合使用的示意图；图4是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人与患者端机器人分离使用的示意图；图5是本发明一实施例提供的两台手术器械更换机器人与一台患者端机器人组合使用的示意图；图6是本发明一实施例提供的两台手术器械更换机器人与一台患者端机器人分离使用的示意图；图7a、7b、7c是本发明一实施例提供的调整臂的不同状态示意图；图8是本发明一实施例提供的调整臂的运动自由度简图；图9是本发明一实施例提供的器械收纳部的示意图；图10是本发明一实施例提供的手术器械更换机器人的仰视图；图11是本发明一实施例提供的机械臂的示意图；图12是本发明一实施例提供的机械臂的运动自由度简图；图13a是本发明一实施例提供的手术器械的示意图；图13b是图13a的a部放大图；图13c是本发明一实施例提供的器械夹头与器械夹取接口的连接示意图；图13d是图13c的另一角度的示意图；图14a是本发明一实施例提供的方位导航原理的示意图；图14b是图14a的另一角度的示意图。
64.本发明一实施例提供一种手术机器人系统，图1示出了该手术机器人系统及其手术应用场景，在一个示范性的实施例中，所述手术机器人系统包括执行端和控制端。其中，控制端包括医生控制台106和可活动设置于医生控制台106的主操作手107。进一步参考图2和图3，执行端包括患者端机器人1、手术器械更换机器人5和手术器械14，患者端机器人1包括立柱11、支撑机构12和工具臂13，手术器械14挂载于工具臂13上。手术机器人系统主要操作原理是：医生通过医生控制台106及主操作手107远程操作实现对病床101上的患者进行微创伤手术治疗。其中，主操作手107与工具臂13及手术器械14构成主从控制关系。具体的，
工具臂13和手术器械14在手术过程中是根据主操作手107 的运动而运动，即根据医生手部操作所述主操作手107而作相应运动。进一步，主操作手107还接受人体组织器官对手术器械的作用力信息并反馈至医生手部，以使医生能够更加直观的感受手术操作。所述工具臂13的末端用于挂载或者连接手术器械14，以使手术器械14能够围绕一不动点转动；所述支撑机构12可以与多个工具臂13可转动连接，用于调整所述不动点的空间位置，在一些实施例中，并且多个支撑结构12分别与多个工具臂可转动连接；所述立柱11与所述支撑机构12连接，用于确定支撑机构12和工具臂13的空间位置。
65.进一步，患者端机器人1还包括持镜臂，所述持镜臂用于挂载内窥镜108。所述内窥镜108用于获取人体组织器官、手术器械14、血管以及体液等手术环境信息。所述控制端还包括显示装置200，用于接收内窥镜108采集的图像。操作者根据所述显示装置200显示的图像，通过主操作手107控制工具臂13及手术器械14运动。内窥镜108和手术器械14分别通过患者身体上的创口进入病患位置。
66.使用中，一部分的所述手术器械14设置于所述手术器械更换机器人5的器械收纳部52上，一部分的所述手术器械14设置于所述患者端机器人1上，所述手术器械更换机器人5用于为所述患者端机器人1更换所述手术器械14。
67.基于上述手术机器人系统，本实施例还提供一种手术器械更换机器人5，请参考图2，所述手术器械更换机器人5具体包括：主体部51、器械收纳部52、器械夹头53以及机械臂54；所述主体部51呈竖直延伸的柱体构型，优选的，手术器械更换机器人5还包括基座55，基座55设置于主体部51的底部，所述机械臂54的一端与所述主体部51连接，另一端与所述器械夹头53连接，所述器械夹头53用于抓取手术器械14；所述器械收纳部52的一端设置于所述主体部51上并自所述主体部51的径向向外延伸，用于放置或者固定手术器械14。所述机械臂54被配置为，驱动所述器械夹头53自所述器械收纳部52上抓取待更换的手术器械14，以供患者端机器人1更换手术器械14；以及/或，驱动所述器械夹头53抓取更换后的手术器械14并将所述手术器械14放置于所述器械收纳部52。优选的，请结合参考图2、图13a和图13b，器械收纳部52可供放置多把不同功能的手术器械14，每个手术器械14上均设有器械夹取接口141，器械夹头53可识别和抓取手术器械14上的器械夹取接口141，以实现对手术器械 14的可靠抓取，具体的，器械夹取接口141通常具有特殊图案方向标识或抓取导向定位特征等，以使得机械臂54能够识别不同的手术器械14并且能够准确抓取所需要手术器械14。在一个示范例中，器械夹取接口141与对应的机械臂 54具有唯一匹配方位的抓取导向定位特征，如非中心对称布置的多个孔轴或非中心对称的异形孔，其均可以与机械臂54实现唯一方位的匹配。请参考图13b 至图13d，器械夹取接口141具有非中心对称的若干凸轴1411，而对应的，机械臂54上的器械夹头53具有与器械夹取接口141相适配的若干凹孔531，器械夹头53可通过孔轴配合，实现与器械夹取接口141的唯一方位的匹配。在其它的一些实施例中，器械夹取接口141与对应的机械臂54也可以采用特殊图案方向标识来实现唯一方位的匹配，例如器械夹取接口141具有方向性的箭头图案标识，而机械臂54通过光学传感器扫描识别的方式，来确定机械臂54与器械夹取接口141的唯一方位匹配。
68.手术器械更换机器人5的使用可提升手术机器人使用的便捷性，无需额外的医护工作者即可完成手术器械14的更换。
69.可选的，所述手术器械更换机器人5还包括定位装置，所述定位装置用于与所述患
者端机器人1定位，以确定所述手术器械更换机器人5与所述患者端机器人1之间的相对位置关系。实际中，手术器械更换机器人5可以与患者端机器人1组合使用，也可以与患者端机器人1分离使用。手术器械更换机器人5 通过定位装置确定与患者端机器人1的相对位置关系。在一些实施例中，手术器械更换机器人5与患者端机器人1组合使用，两者可通过机械定位的方式实现确定相对位置关系；在其它的一些实施例中，更优选手术器械更换机器人5与患者端机器人1通过无线定位的方式实现确定相对位置关系。
70.请参考图3和图4，待机状态时，患者端机器人1与手术器械更换机器人5 两者可以组合为同一搬运运输模块，手术器械更换机器人5通过无线定位的方式与患者端机器人1通信连接，以保证其运动的灵活性，不会受到线缆的束缚。在患者端机器人1执行手术的过程中，手术器械更换机器人5可以从患者端机器人1中脱离出来帮助患者端机器人1进行手术器械14的更换，当手术完毕后，手术器械更换机器人5可与患者端机器人1重新进行组合，利于两者相对病床 101位置的移动。当然在其它的一些实施例中，在患者端机器人1执行手术的过程中，手术器械更换机器人5也可以继续维持与患者端机器人1的连接而不脱离患者端机器人1。在手术器械更换机器人5的机械臂54的运动以及患者端机器人1中工具臂13的配合下，实现对手术器械14的更换。在另外的一些实施例中，手术器械更换机器人5也可以自始至终与患者端机器人1保持分离的关系，而仅通过无线的方式实现两者的信息交互连接。
71.请参考图4，可选的，所述手术器械更换机器人5的所述定位装置设置在基座55上并包括第一机械电气接口1001，所述患者端机器人1包括第二机械电气接口1002，所述第一机械电气接口1001用于与所述患者端机器人1的第二机械电气接口1002适配连接。在一个示范性的实施例中，第一机械电气接口1001为设置在手术器械更换机器人5之基座55上的凹槽，第二机械电气接口1002为设置在患者端机器人1上的凸形插块，该凸形插块的形状与第一机械电气接口 1001的凹槽相适配，实际使用中凸形插块插入凹槽中，使手术器械更换机器人 5与患者端机器人1实现连接和定位。进一步的，第一机械电气接口1001与第二机械电气接口1002还可同时实现电连接，手术器械更换机器人5可以通过第一机械电气接口1001与第二机械电气接口1002的连接进行充电以补充能量，和/或进行信息传输。可以理解的，在其它的一些实施例中，也可以将凹槽设置在患者端机器人1上，而将凸形插块设置在手术器械更换机器人5之基座55上。
72.如图5和图6所示，一台患者端机器人1可以与一台或多台手术器械更换机器人5组合使用，具体的，使用中可同时利用两台手术器械更换机器人5以辅助手术器械14的更换操作，一方面两台手术器械更换机器人5可以同时操作，提高了更换操作的效率，另一方面即使在一台手术器械更换机器人5出现故障时，另一台手术器械更换机器人5依旧可以保证手术器械14可以得到及时的更换，提高了手术机器人系统的可靠性。
73.在一个实施例中，所述手术器械更换机器人5的定位装置设置在所述主体部51上并包括定位靶标103，患者端机器人1包括第一导航扫描仪102，所述定位靶标103用于供所述患者端机器人1的第一导航扫描仪102(如图14a所示)扫描定位。具体的，第一导航扫描仪102为一室内导航扫描仪，其通过扫描定位靶标103，可以判断手术器械更换机器人5所处的方位，进而可通过运动空间轨迹规划避免手术器械更换机器人5的机械臂54与患者端机器人1产生碰撞。具体实施上，本领域技术人员可根据实际，将第一导航扫描仪102与定位靶标103配置为利用agps、红外线、超声波、uwb、wavelan、rfid、光学视觉等多种室内定位技术，
本实施例在此不再展开叙述。
74.请参考图14a和图14b，在另一个优选的实施例中，所述定位装置包括第二导航扫描仪109，所述第二导航扫描仪109用于扫描外部的预定特征，以确定所述手术器械更换机器人5相对于所述预定特征的相对位置，进而利用所述患者端机器人1相对于所述预定特征的相对位置，确定所述手术器械更换机器人5 相对于所述患者端机器人1的相对位置。
75.具体的，在患者端机器人1上安装第一导航扫描仪102，在手术器械更换机器人5上安装第二导航扫描仪109，同时在手术室墙体天花板6上制作对应的天花板特异图像标识61作为预定特征，通过多个预定特征实时求解出手术器械更换机器人5以及患者端机器人1的相对位置座标及运动方向矢量。天花板特异图像标识61如可以是一种印有二维码的贴纸，其作用是便于构建一个固定坐标系，以供手术器械更换机器人5及患者端机器人1确定各自相对于固定坐标系的坐标，从而实现室内的坐标定位。在另外一个替代性实施例中，所述患者端机器人1设置有定位靶标，而手术器械更换机器人5的第二导航扫描仪109用于扫描患者端机器人1的定位靶标，以确定所述手术器械更换机器人5相对于所述患者端机器人1的相对位置。
76.值得说明的是，也可以在墙体天花板6上安装位置扫描仪，同时在患者端机器人1和手术器械更换机器人5上分别安装定位靶标，同样可以达到求解出患者端机器人1和手术器械更换机器人5的相对位置坐标及运动方向矢量的效果。具体的，位置扫描仪(如ndi双目扫描仪)可以安装在房间中某个固定位置，即具有一个初始空间坐标系，通过位置扫描仪扫描患者端机器人1上的定位靶标可以获得患者端机器人1的第一相对位置坐标系，通过位置扫描仪扫描手术器械更换机器人5上的定位靶标可以获得手术器械更换机器人5的第二相对位置坐标系，通过第一相对位置坐标系和第二相对位置坐标系的坐标转换，即可确定所述手术器械更换机器人5相对于所述患者端机器人1的相对位置。
77.请参考图10，并结合图4，可选的，所述手术器械更换机器人5还包括两个驱动轮5102和一个舵轮5108，所述驱动轮5102和所述舵轮5108分别连接于所述基座51的底部，两个所述驱动轮5102被配置为通过差速驱动所述手术器械更换机器人5转向。
78.优选的，手术器械更换机器人5还包括位于基座51下方左右对称安装的两个驱动模组5103，该两个驱动模组5103分别与两个驱动轮5102耦合连接，用来为驱动轮5102提供动力，两个驱动轮5102在驱动模组5103的驱动下运动，以实现驱动所述手术器械更换机器人5进退运动和转向。舵轮5108为一无动力的万向转轮，其用以为基座51实现稳定的支撑。
79.请参考图7a至图8，进一步的，所述主体部51包括立柱5104与调整臂，所述调整臂沿所述立柱5104的延伸方向可移动地与所述立柱5104连接。优选的，所述调整臂包括依次连接的第一基盘5105、第二基盘5106和第三基盘5107，所述第一基盘5105沿所述立柱5104的延伸方向可移动地与所述立柱5104连接，所述第二基盘5106围绕第八轴线可转动地与所述第一基盘5105连接，所述第三基盘5107围绕第九轴线可转动地与所述第二基盘5106连接；所述机械臂54可转动地与所述第三基盘5107连接，所述第八轴线和所述第九轴线定义为均平行于所述立柱5104的延伸方向，即定义为平行于竖直方向。在一个示范例中，立柱5104沿竖直方向延伸设置，第一基盘5105通过直线滑轨沿竖向可移动地设置于立柱5104上。第一基盘5105、第二基盘5106和第三基盘5107的设置可以增加手术器械更换机器人5的自由度和运动范围，避免因为手术器械更换机器人5运动到的位置不佳，导致机械臂54工作
空间受限制，使机械臂54 具有一个较佳的操作起点。
80.请参考图9，可选的，器械收纳部52(也可定义为器械盘)安装在立柱5104 上。所述器械收纳部52可以是固定安装于立柱5104，也可相对于立柱5104上下移动。所述器械收纳部52具有多个接口，每个接口与对应的手术器械14相适配，用于实现器械收纳部52与手术器械14之间的接合。每个接口具有唯一的标识符，用于与对应的手术器械14相适配并供手术器械14在替换过程中的识别，以便于手术器械更换机器人5能够进行识别进而存取对应的手术器械14。本实施例对标识符的类型没有特别的限制，可以是电信号，磁信号、红外信号、图像信号、图形信号等。在一个示范例中，标识符如可为确定自身唯一属性的编码图案，如二维码图案等，手术器械更换机器人5具有光学传感器，其可以通过扫描编码图案的方式来获知器械收纳部52的接口的唯一属性(如通过扫描，可以获知具体是器械收纳部52上的几号接口)，从而便于确定存取对应的手术器械14。
81.优选的，患者端机器人1的支撑机构12或工具臂13上也可具有用于确定自身唯一属性的标识符，如二维码图案等，相适配的，手术器械更换机器人5具有光学传感器，其可以通过扫描编码图案的方式来获知支撑机构12或工具臂13 的唯一属性，由此手术器械更换机器人5可以定位已安装手术器械14的工具臂 13。在一个具体的示例中，当手术器械更换机器人5接收到更换某一工具臂13 上的手术器械14的指令后，手术器械更换机器人5通过其光学传感器识别到该待替换手术器械14的工具臂13，而后靠近指定的工具臂13，并利用机械臂54 上的器械夹头53抓取指定工具臂13上的手术器械14，从而完成指定的手术器械14的更换工作。当然在其它的一些实施例中，也可以将标识符设置在手术器械14上，而不在器械收纳部52与患者端机器人1的支撑机构12或工具臂13 上设置标识符，如此配置，手术器械更换机器人5同样可以确定待更换的手术器械14。
82.进一步，为了实现已使用器械与未使用器械之间的隔离，所述器械收纳部52 具有两个以上的区域，每个所述区域包括多个所述接口，不同的所述区域用于适配不同使用状态的手术器械(如区分已经使用器械、未使用器械)。每个区域还可以按照器械的类型做进一步的区域划分，以方便手术器械14的存取与管理。在一个示范例中，所述器械收纳部52大致呈扇形的盘状，其边缘具有多个器械收纳槽口521作为接口，可收纳多把手术器械14。所述器械收纳槽口521的直径稍大于所述手术器械14的器械杆，放置所述手术器械14时，所述手术器械 14的器械杆穿过所述器械收纳槽口521，所述手术器械14的器械盒与所述器械收纳部52的上端面接触。
83.在一个可替代的实施例中，如图11所示，手术器械更换机器人5的所述机械臂54至少包括第一臂5401、第二臂5402、第三臂5403、第五臂5405、第六臂5406和第七臂5407，所述第一臂5401围绕第一轴线可转动地与所述主体部 51(如与第三基盘5107)连接，所述第二臂5402围绕第二转轴可转动地与所述第一臂5401连接，所述第三臂5403围绕第三转轴可转动地与所述第二臂5402 连接，，所述第五臂5405围绕第五转轴可转动地与所述第三臂5403连接，所述第六臂5406围绕第六转轴可转动地与所述第七臂5407连接；其中，所述第二轴线垂直于所述第一轴线，所述第三轴线平行于所述第二轴线，所述第五轴线平行于所述第三轴线，所述第六轴线垂直于所述第五轴线。进一步的，请参考图7，机械臂54的第一轴线71平行于立柱5104的延伸方向。如此配置，机械臂54为具有6个自由度的空间构型，能够实现各个方向的运动。
84.在其它的一些实施例中，所述机械臂54还包括第四臂5404，所述第四臂 5404围绕第四转轴可转动地与所述第三臂5403连接，并围绕所述第五转轴可转动地与所述第五臂5405连接；所述第五臂5405通过所述第四臂5404与所述第三臂5403连接；所述第四轴线分别与所述第一轴线和所述第六轴线共面，所述第五轴线垂直于所述第四轴线。如此配置，机械臂54为具有7个自由度的空间构型，能够实现各个方向的运动，且具有一定的冗余自由度，运动灵活性高。
85.进一步的，所述器械夹头53围绕第七轴线可转动地与所述第七臂5407连接，所述第七轴线垂直于所述第六轴线。更进一步的，所述机械臂54还包括与器械夹头53相对固定安装的摄像头5408，摄像头5408可用于精确识别手术器械14上的器械夹取接口141的特征，提高器械夹头53的位姿精度，以保证器械夹头53运动到精确的位置对手术器械14进行抓取或安装。
86.下面说明利用手术器械更换机器人5完成手术器械14更换的流程，首先操作人员下发更换患者端机器人1某工具臂13上手术器械14的指令，该指令同时传输给手术器械更换机器人5，优选，手术器械14归零位，工具臂13驱动手术器械14退出体外，然后手术器械更换机器人5通过如上所述的定位装置识别自身坐标方位，综合考虑空间干涉及机械臂54的工作空间，计算出手术器械更换机器人5需要运动到的最佳的第一目标坐标，及手术器械更换机器人5的指向，并按特定指向运动至该第一目标坐标；再进一步计算出机械臂54之第一轴线71的最佳的第二目标坐标，并控制机械臂54运动至该第二目标坐标；之后控制器械夹头53运动到手术器械14的安装坐标附近，配合机械臂54上的摄像头5408精确定位抓取患者端机器人1工具臂13上的需替换的手术器械14并取下，将取下的手术器械14放置在器械收纳部52上的对应位置，更换抓取器械收纳部52上所需求的手术器械14，并安装至预定的工具臂13上。如此即完成了通过手术器械更换机器人5对患者端机器人1更换手术器械14的步骤。在另一个实施例中，操作人员下发更换手术器械14的指令后，手术器械更换机器人5自动运动至所需替换手术器械14的位置，到达该位置后，患者端机器人1的工具臂13自动将需替换的手术器械14放置在器械收纳部52上的一个用于放置使用后器械的区域，此后根据摄像头5408的引导抓取器械收纳部52上的用于放置可使用器械区域的手术器械14，这样可无需在手术器械更换机器人5上设置机械臂54，而且更换流程更加简单。
87.优选的，所述手术机器人系统包括患者端机器人1、至少一个如上所述的手术器械更换机器人5以及多个手术器械14，所述多个手术器械14的至少一部分设置于所述手术器械更换机器人5的器械收纳部52上，所述手术器械更换机器人5用于为所述患者端机器人1更换所述手术器械14。
88.基于上述手术机器人系统，本实施例还提供一种手术器械更换系统，其包括存储器及处理器，所述处理器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现：
89.接收更换手术器械指令；
90.控制机械臂54将需更换的手术器械14放置在器械收纳部52上；和/或
91.控制机械臂54从器械收纳部52上抓取待更换的手术器械14。
92.可选的，在控制机械臂54将需更换的手术器械14放置在器械收纳部52上之前，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别自身坐标方位，计算出手术器械更换机器人5需要运动到的第一目标坐标，并控制所述手术器械更换机器人5按特定指向运动至所述
第一目标坐标；计算出所述机械臂54之第一轴线71的第二目标坐标，并控制所述机械臂54运动至至所述第二目标坐标；控制器械夹头53运动到手术器械14的安装坐标，并控制所述器械夹头53从工具臂13上抓取需更换的所述手术器械14。
93.进一步的，在所述器械夹头53从工具臂13上抓取需更换的所述手术器械 14之后，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别器械收纳部52上待放置手术器械14的接口，并将所述机械臂54所抓取的所述手术器械14与所述接口对应连接。
94.可选的，在控制机械臂53从器械收纳部52上抓取待更换的手术器械14之前，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别器械收纳部52上待更换的手术器械14所对应的接口，并将所述机械臂54与所述接口对应连接。
95.优选的，在识别器械收纳部52上待放置手术器械14的接口，以及识别器械收纳部52上待更换的手术器械14所对应的接口的过程中，可通过扫描器械收纳部52的接口的编码图案获知所述接口的唯一属性，完成对器械收纳部52 上的接口的识别，具体请参考上文。
96.综上所述，在本发明提供的手术器械更换机器人、手术机器人系统及更换系统中，手术器械更换机器人包括主体部、器械收纳部、器械夹头以及机械臂；所述机械臂的一端与所述主体部连接，另一端与所述器械夹头连接，所述器械夹头用于抓取手术器械；所述器械收纳部设置于所述主体部上，用于容置手术器械。所述机械臂被配置为，驱动所述器械夹头自所述器械收纳部上抓取待更换的手术器械，以供患者端机器人更换手术器械；以及/或，驱动所述器械夹头抓取更换后的手术器械放置入所述器械收纳部。如此配置，利用机械臂和器械夹头可以实现对手术器械的抓取和更换，可代替医护人员更换手术器械，减轻了医护人员的工作负担，另一方面也提高了手术自动化水平，使远程手术的实现变得更为便利和高效。
97.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

技术特征：
1.一种手术器械更换机器人，用于为患者端机器人更换手术器械，其特征在于，包括：主体部、器械收纳部、器械夹头以及机械臂；所述机械臂的一端与所述主体部连接，另一端与所述器械夹头连接，所述器械夹头用于抓取手术器械；所述器械收纳部设置于所述主体部上，用于容置手术器械；所述机械臂被配置为，驱动所述器械夹头自所述器械收纳部上抓取待更换的手术器械，以供患者端机器人更换手术器械；以及/或，驱动所述器械夹头抓取更换后的手术器械并将所述手术器械放置于所述器械收纳部。2.根据权利要求1所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述手术器械更换机器人还包括定位装置，所述定位装置用于与所述患者端机器人定位，以确定所述手术器械更换机器人与所述患者端机器人之间的相对位置关系。3.根据权利要求2所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述定位装置包括第一机械电气接口，所述第一机械电气接口用于与所述患者端机器人的第二机械电气接口适配连接。4.根据权利要求2所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述定位装置包括定位靶标，所述定位靶标用于供所述患者端机器人的第一导航扫描仪扫描定位；或者所述定位靶标用于供外部的位置扫描仪扫描定位，以确定所述手术器械更换机器人相对于所述患者端机器人的相对位置。5.根据权利要求2所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述定位装置包括第二导航扫描仪，所述第二导航扫描仪用于扫描外部的预定特征，以确定所述手术器械更换机器人相对于所述预定特征的相对位置，进而利用所述患者端机器人相对于所述预定特征的相对位置，确定所述手术器械更换机器人相对于所述患者端机器人的相对位置；或者所述第二导航扫描仪用于扫描所述患者端机器人的定位靶标，以确定所述手术器械更换机器人相对于所述患者端机器人的相对位置。6.根据权利要求1所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述机械臂至少包括第一臂、第二臂、第三臂、第五臂、第六臂和第七臂，所述第一臂围绕第一轴线可转动地与所述主体部连接，所述第二臂围绕第二转轴可转动地与所述第一臂连接，所述第三臂围绕第三转轴可转动地与所述第二臂连接，所述第五臂围绕第五转轴可转动地与所述第三臂连接，所述第六臂围绕第六转轴可转动地与所述第七臂连接；其中，所述第二轴线垂直于所述第一轴线，所述第三轴线平行于所述第二轴线，所述第五轴线平行于所述第三轴线，所述第六轴线垂直于所述第五轴线。7.根据权利要求6所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述机械臂还包括第四臂，所述第四臂围绕第四转轴可转动地与所述第三臂连接，并围绕所述第五转轴可转动地与所述第五臂连接；所述第五臂通过所述第四臂与所述第三臂连接；所述第四轴线分别与所述第一轴线和所述第六轴线共面，所述第五轴线垂直于所述第四轴线。8.根据权利要求6所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述器械夹头围绕第七轴线可转动地与所述第七臂连接，所述第七轴线垂直于所述第六轴线。9.根据权利要求1所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述主体部包括立柱与调整臂，所述调整臂沿所述立柱的延伸方向可移动地与所述立柱连接。
10.根据权利要求9所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述调整臂包括依次连接的第一基盘、第二基盘或者第一基盘、第二基盘和第三基盘，所述第一基盘沿所述立柱的延伸方向可移动地与所述立柱连接，所述第二基盘围绕第八轴线可转动地与所述第一基盘连接，所述第三基盘围绕第九轴线可转动地与所述第二基盘连接；所述机械臂可转动地与所述第二基盘或者所述第三基盘连接，所述第八轴线和所述第九轴线均平行于所述立柱的延伸方向。11.根据权利要求1所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述器械收纳部具有多个接口，每个接口具有唯一的标识符，用于与对应的手术器械相适配并供手术器械在替换过程中的识别。12.根据权利要求11所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述标识符为用于确定所述接口的唯一属性的编码图案，所述手术器械更换机器人包括光学传感器，所述光学传感器用于通过扫描所述编码图案获知所述接口的唯一属性。13.根据权利要求11所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述器械收纳部具有两个以上的区域，每个所述区域包括多个所述接口，不同的所述区域用于适配不同使用状态的手术器械。14.根据权利要求1所述的手术器械更换机器人，其特征在于，所述手术器械更换机器人还包括基座、两个驱动轮和一个舵轮，所述基座设置于所述主体部的底部，所述驱动轮和所述舵轮分别连接于所述基座的底部，两个所述驱动轮被配置为通过差速驱动所述手术器械更换机器人转向。15.一种手术机器人系统，其特征在于，包括患者端机器人、至少一个根据权利要求1～14中任一项所述的手术器械更换机器人以及多个手术器械；所述多个手术器械的至少一部分设置于所述手术器械更换机器人的器械收纳部上，所述手术器械更换机器人用于为所述患者端机器人更换所述手术器械。16.一种手术器械更换系统，其特征在于，所述手术器械更换系统包括存储器及处理器，所述处理器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现：接收更换手术器械指令；控制机械臂将需更换的手术器械放置在器械收纳部上；和/或控制机械臂从器械收纳部上抓取待更换的手术器械。17.根据权利要求16所述的手术器械更换系统，其特征在于，在控制机械臂将需更换的手术器械放置在器械收纳部上之前，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别自身坐标方位，计算出手术器械更换机器人需要运动到的第一目标坐标，并控制所述手术器械更换机器人按特定指向运动至所述第一目标坐标；计算出所述机械臂之第一轴线的第二目标坐标，并控制所述机械臂运动至至所述第二目标坐标；控制器械夹头运动到手术器械的安装坐标，并控制所述器械夹头从工具臂上抓取需更换的所述手术器械。18.根据权利要求17所述的手术器械更换系统，其特征在于，在控制所述器械夹头从工具臂上抓取需更换的所述手术器械之后，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别器械收纳部上待放置手术器械的接口，并将所述机械臂所抓取的所述手术器械与所述接
口对应连接。19.根据权利要求16所述的手术器械更换系统，其特征在于，在控制机械臂从器械收纳部上抓取待更换的手术器械之前，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现：识别器械收纳部上待更换的手术器械所对应的接口，并将所述机械臂与所述接口对应连接。20.根据权利要求18或19所述的手术器械更换系统，其特征在于，通过扫描器械收纳部的接口的编码图案获知所述接口的唯一属性，完成对器械收纳部上的接口的识别。

技术总结
本发明提供一种手术器械更换机器人、手术机器人系统及更换系统，手术器械更换机器人包括主体部、器械收纳部、器械夹头以及机械臂；所述机械臂的一端与所述主体部连接，另一端与所述器械夹头连接，所述器械夹头用于抓取手术器械；所述器械收纳部设置于所述主体部上，用于容置手术器械；所述机械臂被配置为，驱动所述器械夹头自所述器械收纳部上抓取待更换的手术器械，以供患者端机器人更换手术器械；以及/或，驱动所述器械夹头抓取更换后的手术器械放置入所述器械收纳部。如此，利用机械臂和器械夹头可实现对手术器械的抓取和更换，可代替医护人员更换手术器械，减轻工作负担，此外也提高了手术自动化水平，使远程手术的实现变得更便利。便利。便利。


技术研发人员：何裕源 李自汉 何超 朱祥
受保护的技术使用者：上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25