CN101627921B - 一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口 - Google Patents
一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口，它包括快换盒部分、具有接口固定座的快换座部分，快换盒部分包括盒盖、与盒盖相连的底座、设置在盒盖和底座之间的并且与底座相连的支撑板，在底座和支撑板之间连接有多个分上下布置的旋转轴，在快换座体上与每一旋转轴同轴线位置安装有与电动机输出轴相连的减速器的转轴，在底座两侧设置有滑块，在接口固定座两侧开有滑槽并且在其底部设置有限位块，滑块能够与滑槽上下滑动配合，在底座中间沿水平方向设置有快换座与快换盒的定位装置；在每一旋转轴的端部设置有与减速器转轴上的套筒的配合槽相连的凸台，光电传感器向电动机的控制器发出检测到的初始位置信号。本接口体积小、快换效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种微创外科手术领域内的医疗设备，它可以在辅助微创外科手术机器人手术过程中能够快速更换不同的手术器械和为手术器械提供多个自由度的运动，尤其涉及一种适合于胸腔和腹腔的微创手术操作的辅助微创外科手术机器人的快换接口。
背景技术
以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生借助细长的手术器械通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，达到与传统开口手术相同的疗效。手工操作的微创手术器械是被动操作形式，一般末端只具有一个运动自由度。手术过程中医生通过手指施加驱动实现末端器械动作，并依靠医生手臂与腕部的运动灵活性顺利完成包括缝合、打结在内的各种复杂操作。但是，对于辅助微创手术机器人系统而言，由于手术器械的操作是通过机器人来完成的，而机器人系统本身不具备人操作的灵活性。因此，对微创手术机器人专用手术器械的设计提出了更高的要求。为适应微创手术的要求，手术器械的设计应满足体积小、操作灵活、形式多样、便于与机器人手臂安装、有足够的刚度和强度、适于医疗环境要求(如多次消毒)等。特别是手术器械应具有较多的自由度以满足灵活性要求，才能适应缝合打结等复杂手术操作。
目前，在临床上广泛应用的DaVinci系统手术器械EndoWrist，它有价格高和使用寿命短和结构相对复杂等缺点。
专利号为US2007/0119274A1的美国专利公开了一种用于机器人外科手术的手术器械的快换接口。该结构的缺点为结构复杂，电机到驱动轴之间引入一级丝传动、增加了传动系统的摩擦，手术器械自转旋转处的支撑轴承布局相当于悬臂梁，按钮处容易损坏，使用寿命短等。在美国专利6394998B1中也公开了用于机器人外科手术的手术器械的接口，该接口也存在上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现手术过程中快速更换不同的手术器械和为手术器械传递驱动力的的辅助微创外科手术机器人的快换接口。
为了达到上述目的，本发明的一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口，它包括快换盒部分、包括接口固定座的快换座部分，所述的快换盒部分包括盒盖、与所述的盒盖相连的底座、设置在所述的盒盖和底座之间与所述的底座相连的支撑板，在所述的底座和支撑板之间通过轴承连接有多个分上下布置的旋转轴，一个手术器械自转旋转轴通过轴承和底座相连，在快换座体上与每一旋转轴同轴线位置安装有与电动机输出轴相连的减速器的转轴，在所述的底座两侧设置有滑块，在所述的接口固定座两侧开有滑槽并且在其底部设置有限位块，所述的滑块能够与所述的滑槽上下滑动配合，在所述的底座中间沿水平方向开有导向槽，在所述的导向槽的两端分别插有左、右分离栓，在所述的左、右分离栓之间的导向槽内装有压缩弹簧，在所述的左、右分离栓的上侧分别连接有左右按钮，在所述的接口固定座的左右两侧分别开有左右定位孔，所述的左、右分离栓与所述的压缩弹簧相对的两侧能够分别插入所述的左右定位孔；在每一所述的旋转轴的端部设置有凸台，在每一所述的减速器的转轴上连接有其一侧端面开有配合槽的套筒，每一所述的旋转轴的凸台能够与相对应设置的套筒上的配合槽相插合配合，所述的每一套筒具有其上开有开口的套筒凸台，在所述的接口固定座上对应每一套筒凸台的位置安装有光电传感器，所述的光电传感器与所述的接口固定座通过光电传感器支座相连，所述的光电传感器向电动机的控制器发出检测到初始位置的信号。
本发明用于辅助微创外科手术机器人的快换接口具有以下有益效果：
1、本发明的快换接口具有结构简单、体积小、重量轻、传动可靠、快换效率高的优点；
2、本发明快换接口应用领域可以是任何方面的微创外科手术；
3、采用本发明的快换接口可以快速更换多种配套的手术器械，能够充分满足微创手术操作过程中使用不同器械的要求。
附图说明
图1是本发明的用于辅助微创外科手术机器人的快换接口整体结构示意图；
图2是图1所示的快换接口各组成部分的分解示意图；
图3是图1所示的快换盒部分中去掉盒盖后的示意图；
图4是图1所示的快换接口的快换盒部分的结构示意图；
图5是图4所示的快换盒部分中旋转轴部分剖视示意图；
图6是图4所示的快换盒部分中定位分离部分结构示意图；
图7是图4所示的快换盒部分中的手术器械自转轴结构示意图；
图8是图1所示的快换座部分的结构示意图；
图9是本发明快换座部分中的伺服电机传动结构和传感器安装结构示意图。
具体实施方式
下面首先结合附图对现有结构进行描述。
图1、图2所示为本发明的总体结构示意图，图1为整体快换接口示意图，图2中所示为本发明的结构的分解示意图。图中的1为快换盒部分、2为快换座部分。快换盒部分1可以沿P方向沿着快换座部分2中的导向槽滑动。R1-R4是快换接口中伺服电机的旋转方向。
快换盒部分的结构示意图如图3至图7所示。本发明快换盒部分安装的旋转轴按常规设置，即包括左指尖旋转轴部分1-3、右指尖旋转轴部分1-5、俯仰旋转轴部分1-7、自转旋转轴部分1-8，上述四个旋转轴部分的旋转轴分别通过导向轮支撑部分1-4、手术器械自转旋转轴部分1-9提供动力输出带动设置在手术器械部分的驱动轮转动，从而为手术器械提供自转自由度、俯仰自由度和偏转自由度三个自由度(不计开合自由度)，实现手术器械的三个运动。左、右指尖旋转轴部分、俯仰旋转轴部分、自转旋转轴部分它们的结构基本相同。现以右指尖旋转轴部分1-5和自转旋转轴部分1-8为例加以说明。右指尖旋转轴部分1-5中的右指尖旋转轴1-5-4一端通过右指尖第一轴承1-5-1和底座1-2相连，两个相同的小固定丝轮1-5-2与右指尖旋转轴1-5-4之间间隙配合，每个小固定丝轮1-5-2分别固定丝的一端，当丝张紧后，紧固丝轮上的螺钉，使得小固定丝轮1-5-2紧紧的连接在右指尖旋转轴1-5-4上。右指尖旋转轴1-5-4另一端通过右指尖第二轴承1-5-3与支撑板1-1相连，支撑板1-1通过螺钉和弹性圆柱销与底座1-2定位连接。自转旋转轴部分1-8同右指尖旋转轴部分1-5，不同之处为自转旋转轴1-8-1与大固定丝轮1-8-3配合处的直径比右指尖旋转轴1-5-4与小固定丝轮1-5-2配合处的直径大。所述的每一旋转轴的转动通常是由电动机经减速器传递。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如附图所示，手术器械自转旋转轴部分1-9中的手术器械自转旋转轴1-9-1通过轴承1-9-3、1-9-6和底座1-2相连，轴承1-9-3外圈通过轴承端盖1-9-2、1-9-4定位，内圈通过手术器械自转旋转轴1-9-1的轴肩和弹性挡圈1-9-5定位，轴承端盖1-9-2、1-9-4通过螺钉与底座1-2相连。导向轮支撑部分1-4中的导向轮轴1-4-1通过过渡配合与底座1-2相连，导向轮1-4-2与导向轮轴1-4-1间隙配合，导向轮1-4-2可以任意转动。隔离套1-4-3隔离阻止导向轮脱离导向轮轴1-4-1，在导向轮轴1-4-1末端弹性挡圈1-4-4卡在导向轮轴的弹性挡圈槽中，防止导向轮1-4-2和隔离套1-4-3脱落导向轮轴1-4-1。现有结构为悬臂梁支撑结构，本结构比现有结构传动更加平稳。
固定丝块2-10通过螺钉与接口固定座2-9相连，可以压紧通过接口固定座2-9孔中的丝。
在底座1-2两侧设置有滑块1-10，在接口固定座2-9两侧开有滑槽并且在其底部设置有限位块，所述的滑块1-10滑块能够与所述的滑槽上下滑动配合，并且当底座1-2滑到限位块时停止下滑。如图6所示的本发明的定位分离部分1-6中的左右按钮1-6-1、1-6-7通过螺纹分别与左右分离栓1-6-2、1-6-6连接，左右分离栓1-6-2、1-6-6和压缩弹簧1-6-3放在底座1-2的导向槽中，左右压板1-6-4、1-6-5通过螺钉与底座1-2连接，防止在压缩弹簧作用下，左右分离栓1-6-2、1-6-6脱离底座1-2的导向槽。所述的左、右分离栓与所述的压缩弹簧相对的两侧能够分别插入接口固定座2-9两侧的左右定位孔。
快换座部分的结构示意图如图8至图9所示，快换座部分主要由接口固定座2-9、左指尖旋转轴驱动部分2-1、右指尖旋转轴驱动部分2-4、俯仰旋转轴驱动部分2-8、自转旋转轴驱动部分2-5、和与所述的旋转轴对应的驱动部分的初始位置检测部分2-2、2-3、2-6、2-7组成。初始位置检测部分2-2、2-3、2-6、2-7结构一样，现以其中的2-2为例加以说明，光电传感器2-3-1与光电传感器支座2-3-2通过胶相连，光电传感器支座2-3-2通过螺栓与接口固定座2-9相连。左右指尖旋转轴驱动部分2-1、2-4和俯仰旋转轴驱动部分2-8、自转旋转轴驱动部分2-5结构基本相同，不同之处为左右指尖旋转轴驱动部分2-1、2-4中宽槽套筒2-4-4中的凹槽比俯仰旋转轴驱动部分2-8和自转旋转轴驱动部分2-5中的窄槽套筒2-5-3中的凹槽宽。现以其中右指尖旋转轴驱动部分2-4为例加以说明。伺服电机2-4-1通过螺钉与谐波减速器2-4-2相连，谐波减速器2-4-2通过螺钉与电机座2-4-3相连，电机座2-4-3通过螺钉和弹性圆柱销定位固定在接口固定座2-9上，宽槽套筒2-4-4通过紧定螺钉和谐波减速器2-4-2的输出轴相连。在所述的左、右指尖旋转轴的端部设置有宽凸台1-5-5，在自转旋转轴、自轴旋转轴的端部设置有窄凸台1-8-5，在所述的每一减速器的转轴的套筒的一侧端面分别开有宽配合槽2-4-5和窄配合槽2-5-4，所述的每一旋转轴的凸台能够与相对应设置的套筒上的配合槽相插合配合。所述的每一套筒具有其上开有开口的套筒凸台，所述的光电传感器安装在所述的接口固定座上对应每一套筒凸台的位置，所述的光电传感器与所述的光电传感器支座相连，当套筒转到开口位置(即初始位置)时，光电传感器向电动机的控制器发出检测到初始位置信号，在控制器控制下电机停止转动，此时配合槽的位置处于垂直位置。
本发明的快换接口根据现有的旋转轴的设置不同可以提供手术器械末端多自由度的运动，以本发明的附图为例可以提供三自由度的运动，如手术器械自由度少于三个时可以使相应的驱动伺服电机不工作。伺服电机的安装位置不同，快换盒安装方式不同，只要与本发明类似，均属于本发明保护范畴。
下面将说明本发明辅助微创外科手术机器人的快换接口动作实施过程。
1.三自由度运动和快速安装与更换：
本发明的辅助微创外科手术机器人的快换接口为手术器械提供自转自由度、俯仰自由度和偏转自由度三个自由度(不计开合自由度)，实现手术器械的三个运动。
快换座固定在机器人本体系统的伸缩体上图中未示意，快换盒中的手术器械旋转轴连接的手术器械图中未示意。起初手术器械处于初始位置，当安装手术器械时，手术医生手持快换盒，同时手指按压两侧的按钮，在按钮的带动下，分离栓克服压缩弹簧弹力回退到手术盒内部，快换盒沿着快换座中的接口固定座的导向槽移动，在移动过程中，俯仰旋转轴和自转旋转轴底端的凸台首先通过快换座中两个宽槽套筒中的凹槽，当快换盒移动到最下端时，左右指尖旋转轴底部的凸台1-5-5与宽槽套筒中的凹槽2-4-5间隙配合，俯仰旋转轴和自转旋转轴中底部的凸台1-8-5与窄槽套筒中的凹槽2-5-4间隙配合，并且相应的轴线重合。此时，手术医生松开按钮，分离栓在压缩弹簧的作用下，滑入接口固定座中的定位孔2-9-1中，从而实现了快换盒的快速定位和固定，在伺服电机的旋转下可以可靠的传递动力，从而实现手术器械末端的三自由度运动。当更换手术器械时，在控制器的控制下，光电传感器开始检测初始位置，检测信号接收后，控制器控制伺服电机停止转动，手术医生按压两侧的按钮，使分离栓脱离快换接口固定座，在向上的分离力的作用下，快换盒沿着导向槽移动，在移动的过程中，相应的旋转轴依次脱离相应的套筒，从而实现了手术器械的快速分离。
Claims (3)
1.一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口，它包括快换盒部分、包括接口固定座的快换座部分，所述的快换盒部分包括盒盖、与所述的盒盖相连的底座、设置在所述的盒盖和底座之间与所述的底座相连的支撑板，在所述的底座和支撑板之间通过轴承连接有多个分上下布置的旋转轴，一个手术器械自转旋转轴通过轴承和底座相连，在快换座体上与每一旋转轴同轴线位置安装有与电动机输出轴相连的减速器的转轴，其特征在于：在所述的底座两侧设置有滑块，在所述的接口固定座两侧开有滑槽并且在其底部设置有限位块，所述的滑块能够与所述的滑槽上下滑动配合，在所述的底座中间沿水平方向开有导向槽，在所述的导向槽的两端分别插有左、右分离栓，在所述的左、右分离栓之间的导向槽内装有压缩弹簧，在所述的左、右分离栓的上侧分别连接有左右按钮，在所述的接口固定座的左右两侧分别开有左右定位孔，所述的左、右分离栓与所述的压缩弹簧相对的两侧能够分别插入所述的左右定位孔；在每一所述的旋转轴的端部设置有凸台，在每一所述的减速器的转轴上连接有其一侧端面开有配合槽的套筒，每一所述的旋转轴的凸台能够与相对应设置的套筒上的配合槽相插合配合，所述的每一套筒具有其上开有开口的套筒凸台，在所述的接口固定座上对应每一套筒凸台的位置安装有光电传感器，所述的光电传感器与所述的接口固定座通过光电传感器支座相连，所述的光电传感器向电动机的控制器发出检测到初始位置的信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口，其特征在于：在所述的底座的导向槽中装有左右压板压在所述的压缩弹簧上。
3.根据权利要求1所述的一种用于辅助微创外科手术机器人的快换接口，其特征在于：所述的手术器械自转旋转轴通过设置在其轴两端的轴承和底座相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220909 Address after: 264211 no.566-1 Qishan Road, caomiaozi Town, Lingang Economic and Technological Development Zone, Weihai City, Shandong Province Patentee after: SHANDONG WEIGAO OPERATION ROBOT CO.,LTD. Address before: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92 Patentee before: Tianjin University Patentee before: Tianjin University Asset Management Co.,Ltd. Effective date of registration: 20220909 Address after: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92 Patentee after: Tianjin University Patentee after: Tianjin University Asset Management Co.,Ltd. Address before: 300192 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 72 Patentee before: Tianjin University |
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| TR01 | Transfer of patent right |