CN103919610B - 多自由度微创外科手术持械臂机构 - Google Patents

多自由度微创外科手术持械臂机构 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供多自由度微创外科手术持械臂机构，移动支架机构中底板上安装有刹车万向轮和驱动轮。通过两个电机的驱动以及齿轮的啮合传动分别实现底座和丝杠旋转，通过丝杠上端的螺纹传动使得手臂旋转关节的滑块沿丝杠和立柱的滑槽轨道实现滑移运动；电机由带传动实现小臂的旋转；电机通过带传动实现手腕绕主轴的旋转自由度；电机通过齿轮与齿条的内啮合实现滑轨机构沿圆弧齿条的摆动，另一个电机通过联轴器和滑动丝杠相连，滑动丝杠的旋转带动手指连接板的前后运动。本发明具有状态稳定、定位准确、灵巧性好、工作范围大等优势，移动支架机构还有类似于人腰部的总旋转自由度和丝杠部分的升降自由度。

Description

多自由度微创外科手术持械臂机构
技术领域
本发明涉及的是一种手术机构，具体地说是夹持手术器械的机构。
背景技术
微创外科手术是指医生借助于各种视觉图像的引导，将手术器械沿着事先规划好的手术路径，经过小切口送入病人体内进行观察或治疗，从而最大程度地减小创伤、减轻痛苦等。微创外科手术机器人的运用解决了传统的手术过程中存在医生劳动强度大、手术精度低、安全性差等缺点，更提高了手术的质量，能够克服传统微创伤手术的缺陷，可以拓宽微创手术的范围，可以进行手术仿真，还可以利用网络技术进行远程手术等。然而，目前许多医疗外科机器人直接利用工业机器人，其系统的可靠性、安全性、可操作性都不能满足手术的要求。因此深入研究微创外科机器人结构特点，对适合微创外科手术的机器人结构进行分析，是十分必要的课题。外科手术机器人在医学领域将会有更广阔的发展的前景，该项技术将会不断的进步，不断的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供稳定灵活、易于控制的多自由度微创外科手术持械臂机构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明多自由度微创外科手术持械臂机构，其特征是：包括移动支架机构、手臂旋转关节、手腕旋转关节、滑轨机构；移动支架机构包括底板、第一-第二电机、驱动轮、刹车万向轮、丝杠，驱动轮和刹车万向轮安装在底板下方，驱动轮连接车轮轴，车轮轴通过轴承安装在底板上方，车轮轴上安装第一大齿轮，车轮轴上方安装第二电机基座，第一电机安装在底板上，第二电机安装在第二电机基座上，第一电机连接第一小齿轮，第一小齿轮与第一大齿轮啮合，丝杠安装在第二电机基座上，丝杠上安装第二大齿轮，第二电机上连接第二小齿轮，第二小齿轮与第二大齿轮啮合；手腕旋转关节包括滑块、第三电机、第一-第二同步带轮、小臂、连接法兰、同步大带轮、主轴，第三电机安装滑块上，第一-第二同步带轮通过第一同步带相连，第三电机连接第一同步带轮，第二同步带轮与小臂相连，连接法兰分别与小臂和同步大带轮相连，同步大带轮通过轴承与主轴相连，滑块上设置与丝杠相配合的内螺纹孔，丝杠安装在内螺纹孔里；手腕旋转关节包括第四电机、同步小带轮、支撑板、连接板、圆弧齿条，支撑板与连接板相连，第四电机安装在连接板上，同步小带轮连接第四电机，支撑板上安装轴定位块，圆弧齿条安装在连接板的端部，同步小带轮与同步大带轮通过第二同步带相连，主轴端部安装在轴定位块里；滑轨机构包括第五电机、第六电机、滑动丝杠、滑动螺母、导向杆、手指连接板、手腕总支撑、第三小齿轮，第五电机与手腕总支撑相连，第三小齿轮与第五电机相连，第三小齿轮与圆弧齿条相啮合，导向杆通过导向杆支撑安装在手腕总支撑，第六电机连接滑动丝杠，滑动螺母安装在滑动丝杠上，手指连接板与滑动螺母相连并套装在导向杆和滑动丝杠上。
本发明还可以包括：
1、圆弧齿条两端安装起到限位作用的挡板。
2、还包括张紧轮，张紧轮通过张紧轮支撑板安装在支撑板，第二同步带同时绕在同步小带轮、张紧轮、同步大带轮。
3、滑轨机构绕圆弧齿条中心摆动的角度范围为-20°～+20°，小齿轮和大齿轮啮合带动车轮轴旋转的角度范围为-90°～+90°。
本发明的优势在于：本发明具有状态稳定、定位准确、灵巧性好、工作范围大等优势，移动支架机构还有类似于人腰部的总旋转自由度和丝杠部分的升降自由度。它可以有效避免人工手术操作的一些缺点，有效地利用了手术医生的经验。具体说：
1、从手串联手臂具有工作范围较大，定位精度较高，运动直观性较强，对姿态的影响小的优点。
2、本发明可以在末端安装微器械，能在很小的手术开口中进行操作，减轻了病人手术的痛苦。
3、本发明持械臂末端可以根据实际的需要更换安装不同的手术微器械，具有一定的通用性。
4、本发明整体具有六个自由度，手腕部分具有三个自由度，简单易行，便于操作及控制。
附图说明
图1是本发明整体机构图；
图2是本发明的移动支架机构示意图；
图3是本发明的驱动轮机构图；
图4是本发明的手臂旋转关节示意图；
图5是本发明的手腕旋转关节示意图；
图6是本发明的滑轨机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～6，本发明主要由移动支架机构1、手臂旋转关节2、手腕旋转关节3、滑轨机构4组成。
移动支架机构1由轴端挡盘1-1、驱动轮1-2、底板1-3、刹车万向轮1-4、轴承底盖1-5、车轮轴1-6、轴承端盖1-7、大齿轮1-8、齿轮固定套筒1-9、小齿轮1-10、套筒1-11、电机支架1-12、立柱1-13、螺钉1-14、顶盖1-15、轴承端盖1-16、深沟球轴承1-17、丝杠1-18、电机1-19、齿轮固定套筒1-20、大齿轮1-21、轴承座1-22、圆锥滚子轴承1-23、电机1-24、套筒1-25、电机支架1-26、小齿轮1-27组成；手臂旋转关节2由滑块2-1、同步带轮2-2、电机支架2-3、电机2-4、同步带2-5、深沟球轴承2-6、套筒2-7、轴2-8、轴承端盖2-9、圆锥滚子轴承2-10、小臂2-11、连接法兰2-12、环形支撑2-13、同步大带轮2-14、轴承端盖2-15、主轴2-16组成；手腕旋转关节3由挡板3-1、螺钉3-2、圆弧齿条3-3、连接板3-4、电机3-5、同步小带轮3-6、电机支撑板3-7、张紧轮支撑板3-8、张紧轮3-9、支撑板3-10、轴定位块3-11、螺栓3-12组成；滑轨机构4由电机4-1、支撑板4-2、电机支撑板4-3、小齿轮4-4、上滑轨4-5、手腕总支撑4-6、导向杆支撑4-7、导向杆(4-8)、电机4-9、电机连接板4-10、联轴器4-11、轴承座4-12、手指连接板4-13、连接板4-14、滑动螺母4-15、滑动丝杠4-16、滚动轴承4-17、孔用弹性挡圈4-18组成。
轴承底盖1-5、万向轮1-4、驱动轮1-2分别由螺栓固定在底板1-3上，驱动轮可以驱动整个机构快速移动，机构移动到手术需要的合适位置时，刹车万向轮实现机构的锁死。电机1-24通过电机支架1-26固定在底板1-3上，小齿轮1-27和大齿轮1-8啮合带动车轮轴1-6旋转，实现整体机构的一个旋转自由度。该旋转角度范围在-90°～+90°之间，能够满足手术操作的空间需要。电机1-19通过齿轮传动带动丝杠1-18旋转，通过丝杠上端的螺纹传动使得手臂旋转关节的滑块沿丝杠1-18和立柱1-13的滑槽轨道实现上升和下降运动。
电机2-4通过电机支架2-3用螺栓固定在滑块2-1上，电机2-4轴和轴2-8上都安装有同步带轮2-2，同步带轮与轴都是通过平键连接，轴向定位都采用轴端挡圈加螺母的形式。通过同步带2-5带动安装在轴2-8上的同步带轮转动，因此轴2-8的转动带动安装在其上的小臂2-11的转动，进而实现小臂2-11的一个旋转自由度。连接法兰2-12通过螺栓分别与小臂2-11同步大带轮2-14连接，其中同步大带轮2-14通过一对轴承与主轴2-16和手腕部分连接起来，对整个系统起到一个支撑的作用。
张紧轮支撑板3-8用螺栓固定在支撑板3-10上，连接板3-4用螺栓和电机支撑板3-7、支撑板3-10、圆弧齿条3-3同时固定。圆弧齿条3-3两端都有通过螺钉连接的挡板3-1，挡板3-1起到限位的作用。电机3-5固定在电机支撑板3-7上，电机轴上固定同步小带轮3-6。电机3-5通过小带轮3-6和大带轮2-14实现带传动，张紧轮3-9通过螺栓连接在张紧轮支撑板3-8上，用于调节同步带的张紧。螺栓3-12和轴定位块3-11实现主轴轴向和周向定位，用螺钉把轴定位块3-11固定在支撑板3-10上。主轴2-16带动连接板3-4实现手腕的旋转。
电机4-1通过电机支撑板4-3安装在支撑板4-2上，支撑板4-2和上滑轨4-5通过螺栓固定在手腕总支撑4-6上，小齿轮(4-4)沿位置固定的圆弧齿条内啮合运动，从而实现滑轨机构4在圆弧齿条上的绕中心做-20°到+20°的摆动。电机4-9通过联轴器4-11和滑动丝杠4-16连接，电机4-9带动滑动丝杠4-16转动，滑动丝杠4-16带动滑动螺母4-15做直线运动，其中两侧的导向杆4-8保证丝杆传动的精度。滑动螺母4-15上有定位孔，可以手动装入紧定螺钉定位手指位置。该机构主要用来夹持微创外科手术用的各种微器械，具有一定的通用性，而且具有体积小、重量轻、灵活度丰富等优点。
结合图2，在移动支架机构1中，轴承底盖1-5、刹车万向轮1-4、驱动轮1-2分别由螺栓固定在底板1-3上，两个刹车万向轮1-4与两个驱动轮1-2关于中心对称布置。刹车万向轮1-4所用是成品，不做详细说明。大齿轮1-8与车轮轴1-6通过平键连接，轴向定位则是通过齿轮固定套筒1-9实现。电机1-24通过电机支架1-26固定在底板1-3上，小齿轮1-27与电机1-24轴通过平键连接，然后跟大齿轮1-8啮合带动车轮轴1-6旋转，实现整体机构类似于人腰部的旋转自由度，该旋转角度范围在-90°～+90°之间，能够满足手术操作的空间需要。电机1-19通过电机支架1-12固定在车轮轴1-6上，安装在电机1-19上的小齿轮1-10与被齿轮固定套筒1-20固定在丝杠1-18上的大齿轮1-21外啮合驱动丝杠1-18旋转。圆锥滚子轴承1-23可以承受较大轴向力，所以丝杠1-18末端由圆锥滚子轴承1-23支撑，轴承座1-22通过螺栓固定在车轮轴1-6上。通过丝杠上端的螺纹传动使得手臂旋转关节的滑块沿丝杠1-18和立柱1-13的滑槽轨道实现上升和下降运动。
结合图3，电机1-2-1通过套筒联轴器1-2-2连接转轴1-2-11，转轴1-2-11与车轮1-2-10之间通过平键连接。转轴1-2-11和电机1-2-1轴分别由紧定螺钉1-2-4固定在套筒联轴器1-2-2上，电机1-2-1通过螺栓与电机支撑架1-2-5固定，驱动轮支架1-2-7通过螺钉1-2-9左端跟电机支撑架1-2-5连接，右端跟轴承端盖1-2-8固定，车轮1-2-10由螺母1-2-13和轴端挡圈1-2-12实现轴向的定位。驱动轮可以为整个机构的移动提供动力，减轻操作者的负担，而刹车万向轮具有自锁功能，实现整个机构的固定，防止操作过程中整个机构的移动。
结合图4，电机2-4通过电机支架2-3用螺栓固定在滑块2-1上，电机2-4轴和轴2-8上都安装有同步带轮2-2，同步带轮与轴都是通过平键连接，轴向定位都采用轴端挡圈加螺母的形式。通过同步带2-5带动安装在轴2-8上的同步带轮转动，小臂2-11与轴2-8之间用平键连接，因此轴2-8的转动带动安装在其上的小臂2-11的转动，进而实现小臂2-11的一个旋转自由度。小臂2-11与轴2-8之间还安装有深沟球轴承2-6和圆锥滚子轴承2-10，球轴承主要承担径向力，圆锥滚子轴承同时承担轴向力和径向力。连接法兰2-12通过螺栓分别与小臂2-11同步大带轮2-14连接，其中同步大带轮2-14和外部支撑连接在一起，通过一对轴承与主轴2-16和手腕部分连接起来，对整个系统起到一个支撑的作用。
结合图5，张紧轮支撑板3-8用螺栓固定在支撑板3-10上，连接板3-4用螺栓和电机支撑板3-7、支撑板3-10、圆弧齿条3-3同时固定。圆弧齿条3-3两端都有通过螺钉连接的挡板3-1，挡板3-1起到限位的作用。电机3-5固定在电机支撑板3-7上，电机轴上固定同步小带轮3-6。张紧轮通过螺栓连接在张紧轮支撑板3-8上，用于调节同步带的张紧。螺栓3-12和轴定位块3-11实现主轴轴向和周向定位，轴定位块3-11用螺钉固定在支撑板3-10上。
结合图6，电机4-1通过电机支撑板4-3安装在支撑板4-2上，支撑板4-2和上滑轨4-5通过螺栓固定在手腕总支撑4-6上，小齿轮(4-4)沿位置固定的圆弧齿条内啮合运动，从而实现滑轨机构4在圆弧齿条上的绕中心做-20°到+20°的摆动。电机4-9通过电机连接板4-10固定在手腕总支撑4-6上，导向杆4-8由导向杆支撑4-7固定在手腕总支撑4-6上。滑动丝杠4-16上安装有一对滚动轴承4-17和孔用弹性挡圈4-18，用轴承座4-12把滑动丝杠4-16固定在手腕总支撑4-6上。连接板4-14通过螺栓分别和手指连接板4-13、滑动螺母4-15固定。电机4-9通过联轴器4-11和滑动丝杠4-16连接，电机4-9带动滑动丝杠4-16转动，滑动丝杠4-16带动滑动螺母4-15做直线运动，其中两侧的导向杆4-8保证丝杆传动的精度。滑动螺母4-15上有定位孔，可以手动装入紧定螺钉定位手指位置。
结合图1至图6，移动支架机构1中底板上安装有刹车万向轮和驱动轮，能实现小车沿任意方向位置的移动和固定。通过两个电机的驱动以及齿轮的啮合传动分别实现底座和丝杠旋转，通过丝杠上端的螺纹传动使得手臂旋转关节的滑块沿丝杠和立柱的滑槽轨道实现滑移运动；在手臂旋转关节2中，电机由带传动实现小臂的旋转；手腕旋转关节3中，电机通过带传动实现手腕绕主轴的旋转自由度；在滑轨机构4中，电机通过齿轮与齿条的内啮合实现滑轨机构沿圆弧齿条的摆动，另一个电机通过联轴器和滑动丝杠相连，滑动丝杠的旋转带动手指连接板的前后运动，此外，可以根据需要将手术微器械安装在手指连接板上。

Claims (5)

1.多自由度微创外科手术持械臂机构，其特征是：包括移动支架机构、手臂旋转关节、手腕旋转关节、滑轨机构；移动支架机构包括底板、第一电机、第二电机、驱动轮、刹车万向轮、丝杠，驱动轮和刹车万向轮安装在底板下方，驱动轮连接车轮轴，车轮轴通过轴承安装在底板上方，车轮轴上安装第一大齿轮，车轮轴上方安装第二电机基座，第一电机安装在底板上，第二电机安装在第二电机基座上，第一电机连接第一小齿轮，第一小齿轮与第一大齿轮啮合，丝杠安装在第二电机基座上，丝杠上安装第二大齿轮，第二电机上连接第二小齿轮，第二小齿轮与第二大齿轮啮合；手腕旋转关节包括滑块、第三电机、第一同步带轮、第二同步带轮、小臂、连接法兰、同步大带轮、主轴，第三电机安装滑块上，第一同步带轮、第二同步带轮通过第一同步带相连，第三电机连接第一同步带轮，第二同步带轮与小臂相连，连接法兰分别与小臂和同步大带轮相连，同步大带轮通过轴承与主轴相连，滑块上设置与丝杠相配合的内螺纹孔，丝杠安装在内螺纹孔里；手腕旋转关节包括第四电机、同步小带轮、支撑板、连接板、圆弧齿条，支撑板与连接板相连，第四电机安装在连接板上，同步小带轮连接第四电机，支撑板上安装轴定位块，圆弧齿条安装在连接板的端部，同步小带轮与同步大带轮通过第二同步带相连，主轴端部安装在轴定位块里；滑轨机构包括第五电机、第六电机、滑动丝杠、滑动螺母、导向杆、手指连接板、手腕总支撑、第三小齿轮，第五电机与手腕总支撑相连，第三小齿轮与第五电机相连，第三小齿轮与圆弧齿条相啮合，导向杆通过导向杆支撑安装在手腕总支撑，第六电机连接滑动丝杠，滑动螺母安装在滑动丝杠上，手指连接板与滑动螺母相连并套装在导向杆和滑动丝杠上。
2.根据权利要求1所述的多自由度微创外科手术持械臂机构，其特征是：圆弧齿条两端安装起到限位作用的挡板。
3.根据权利要求1或2所述的多自由度微创外科手术持械臂机构，其特征是：还包括张紧轮，张紧轮通过张紧轮支撑板安装在支撑板，第二同步带同时绕在同步小带轮、张紧轮、同步大带轮。
4.根据权利要求1或2所述的多自由度微创外科手术持械臂机构，其特征是：滑轨机构绕圆弧齿条中心摆动的角度范围为-20°～+20°，小齿轮和大齿轮啮合带动车轮轴旋转的角度范围为-90°～+90°。
5.根据权利要求3所述的多自由度微创外科手术持械臂机构，其特征是：滑轨机构绕圆弧齿条中心摆动的角度范围为-20°～+20°，小齿轮和大齿轮啮合带动车轮轴旋转的角度范围为-90°～+90°。
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