CN101797185B - 七自由度微创手术机械从手装置 - Google Patents

Abstract

一种医疗器械技术领域的七自由度微创手术机械从手装置，包括：机械从手机构、处理控制器、驱动模块和传感器，其中：处理控制器和驱动模块相连，驱动模块和机械从手机构相连，传感器分别与驱动模块和处理控制器相连以传输角位移和转速信息。本发明机械从手机构的传动形式为线传动，线传动依靠紧绕在线轮上的传动线来传递主从动件间的机械运动和力矩。线传动平稳连续，无传动间隙，运动惯量小，驱动顺滑，成本低廉，本发明可以实现普外科微创手术的复杂操作，具有较高的灵活性。

Description

七自由度微创手术机械从手装置

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，尤其涉及的是一种七自由度微创手术机械从手装置。

背景技术

微创手术MIS(Minimally Invasive Surgery，微创手术)可以减轻病人的痛苦，减小伤口感染的风险，减少手术疤痕，病人术后恢复快。目前，微创手术已成为是21世纪医学发展的重要方向之一。

手术机械手技术是集医学、生物力学、机械工程学、材料学、计算机科学、机器人技术等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。手术机械手的最大优点是能消除外科医师不同程度存在的操作时手的颤抖而使手术解剖更加精细和平稳，这对于高精度的手术，如心脏和脑部手术以及长时间的复杂手术尤其重要。尽管称为手术机械手，但操作意图和指令是由医师发出的，外科操作则以内窥镜技术为基础。手术机械手系统的研究和开发引起了西方许多发达国家政府和学术界的极大关注，国内对手术机械手的研究也已经重视。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号：200510014710.0，名称为：喉部手术用微机械手，该技术包括：本体、指端器械机构、器械卸换机构、器械旋转机构、器械开合机构和器械限位机构，其串型布局可以减小手指的径向尺寸，适于狭长空间，能够灵活精确地传递运动并且得到满足手术要求的张开角度。但该机械手仅限用于狭长的喉部手术，无法应用于普外科手术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种七自由度微创手术机械从手装置，通过线传动来传递主从动件间的机械运动和力矩，实现普外科微创手术的复杂操作。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机械从手机构、处理控制器、驱动模块和传感器，其中：处理控制器和驱动模块相连，驱动模块和机械从手机构相连，传感器分别与驱动模块和处理控制器相连以传输角位移和转速信息。

所述的机械从手机构包括：底座、立柱、姿势模块、位置模块和末端执行器模块，其中：底座上设有立柱，立柱上设置姿势模块，位置模块和姿势模块相连，末端执行器模块和位置模块相连，驱动模块分别与姿势模块、末端执行器模块和位置模块相连。

所述的姿势模块包括：固定块、第一线轮、姿势调节块和偏摆盘，其中：姿势调节块设置在立柱上，固定块和第一线轮设置在立柱的同一侧，第一线轮设置在姿势调节块的末端，偏摆盘设置在姿势调节块的内部。

所述的位置模块包括：第一导轮、第一固定座、滑块、导轨、第二导轮、第二固定座、带动线缆和支撑座，其中：第一固定座和偏摆盘相连，第一导轮设置在偏摆盘内部，滑块设置在导轨上，导轨分别与第一固定座和第二固定座相连，第二导轮设置在第二固定座的内部，支撑座固定在滑块上，带动线缆与滑块、第一导轮的上线槽和第二导轮套接。

所述的末端执行器模块包括：第一末端执行器、第二末端执行器、U型架、操作杆和第二线轮，其中：操作杆的一端连接U型架，另一端连接第二线轮，第二线轮设置在支撑座的内部，第一末端执行器和第二末端执行器的末端设置在U型架内。

所述的驱动模块包括：七条传动线缆、七个驱动电机和七个传动轮，其中：第一驱动电机和第一传动轮相连，第一传动轮和第一传动线缆相连，第一传动线缆与支撑座的背面的通孔、操作杆、U型架和第一末端执行器套接，

第二驱动电机和第二传动轮相连，第二传动轮和第二传动线缆相连，第二传动线缆与支撑座的背面的通孔、操作杆、U型架和第二末端执行器套接，

第三驱动电机和第三传动轮相连，第三传动轮和第三传动线缆相连，第三传动线缆与支撑座的背面的通孔、操作杆和U型架套接，

第四驱动电机和第四传动轮相连，第四传动轮和第四传动线缆相连，第四传动线缆与支撑座的侧面的通孔和第二线轮套接，

第五驱动电机和第五传动轮相连，第五传动轮和第五传动线缆相连，第五传动线缆与偏摆盘和第一导轮的下线槽套接，

第六驱动电机和第六传动轮相连，第六传动轮和第六传动线缆相连，第六传动线缆与姿势调节块和偏摆盘套接，

第七驱动电机和第七传动轮相连，第七传动轮和第七传动线缆相连，第七传动线缆与固定块和第一线轮套接。

所述的驱动电机是微型伺服电机、步进电机、电磁流变液元件或磁粉制动器。

所述的传动线缆是不锈钢丝、高分子合成线或钨线。

所述的传感器是光电式数字编码器，共有七个，与七个驱动电机一一相连，以传输角位移和转速信息。

本发明工作时：第六驱动电机和第七驱动电机的动力分别在第六传动线缆和第七传动线缆的传递下，作用在姿势模块上，实现机械从手机构的姿势调整；第五驱动电机的动力在第五传动线缆的传递下，作用在位置模块上，实现机械从手机构的位置调整；第四驱动电机的动力在第四传动线缆的传递下，作用在操作杆上，实现操作杆沿轴向的旋转；第三驱动电机的动力在第三传动线缆的传递下，作用在U型架上，实现U型架的偏摆运动；第二驱动电机的动力在第二传动线缆的传递下，作用在第一末端执行器上，实现第一末端执行器的剪切运动；第一驱动电机的动力在第一传动线缆的传递下，作用在第二末端执行器上，实现第二末端执行器的剪切运动。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明机械从手机构的传动形式为线传动，线传动依靠紧绕在线轮上的传动线来传递主从动件间的机械运动和力矩。线传动平稳连续，无传动间隙，运动惯量小，驱动顺滑，成本低廉，本发明可以实现普外科微创手术的复杂操作，具有较高的灵活性。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是机械从手机构的结构示意图；

图4是末端执行器模块的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示：本实施例包括：机械从手机构1、处理控制器2、驱动模块3和传感器4，其中：处理控制器2和驱动模块3相连，驱动模块3和机械从手机构1相连，传感器4分别与驱动模块3和处理控制器2相连以传输位置和速度信息。

如图2所示，机械从手机构1包括：底座5、立柱6、姿势模块7、位置模块8和末端执行器模块9，其中：底座5上设有立柱6，立柱6上设置姿势模块7，位置模块8和姿势模块7相连，末端执行器模块9和位置模块8相连，驱动模块3分别与姿势模块7、末端执行器模块9和位置模块8相连。

如图3所示，姿势模块7包括：固定块10、第一线轮11、姿势调节块12和偏摆盘13，其中：姿势调节块12设置在立柱6上，固定块10和第一线轮11设置在立柱6的同一侧，第一线轮11设置在姿势调节块12的末端，偏摆盘13设置在姿势调节块12的内部。

所述的位置模块8包括：第一导轮14、第一固定座15、滑块16、导轨17、第二导轮18、第二固定座19、带动线缆(图中未显示)和支撑座20，其中：第一固定座15和偏摆盘13相连，第一导轮14设置在偏摆盘13内部，第一导轮14上设有上线槽和下线槽，滑块16设置在导轨17上，导轨17分别与第一固定座15和第二固定座19相连，第二导轮18设置在第二固定座19的内部，支撑座20固定在滑块16上，带动线缆与滑块16、第一导轮14的上线槽和第二导轮18套接，支撑座20的侧面和背面设有若干个通孔。

如图4所示：末端执行器模块9包括：第一末端执行器21，第二末端执行器22，U型架23，操作杆24，第一旋转轴25，第二旋转轴26和第二线轮(图中未显示)，其中：操作杆24一端连接U型架23，另一端固定设有第二线轮，第二线轮设置在支撑座20的内部(图中无显示)，U型架23中设有第一末端执行器21和第二末端执行器22的末端，第一旋转轴25分别连接操作杆24和U型架23，第二旋转轴26分别连接在U型架23和两个末端执行器。

如图2所示，驱动模块3包括：电机座27、七条传动线缆(图中未显示)、七个驱动电机和七个传动轮，其中：电机座27上设有七个驱动电机，

第一驱动电机28和第一传动轮33相连，第一传动轮33和第一传动线缆相连，第一传动线缆与支撑座20的背面的通孔、操作杆24、U型架23和第一末端执行器21套接，

第二驱动电机29和第二传动轮34相连，第二传动轮34和第二传动线缆相连，第二传动线缆与支撑座20的背面的通孔、操作杆24、U型架23和第二末端执行器22套接，

第三驱动电机30和第三传动轮35相连，第三传动轮35和第三传动线缆相连，第三传动线缆与支撑座20的背面的通孔、操作杆24和U型架23套接，

第四驱动电机31和第四传动轮36相连，第四传动轮36和第四传动线缆相连，第四传动线缆与支撑座20的侧面的通孔和第二线轮套接，

第五驱动电机32和第五传动轮37相连，第五传动轮37和第五传动线缆相连，第五传动线缆与偏摆盘13和第一导轮14的下线槽套接，

第六驱动电机(图中未显示)和第六传动轮38相连，第六传动轮38和第六传动线缆相连，第六传动线缆与姿势调节块12和偏摆盘13套接，

第七驱动电机(图中未显示)和第七传动轮39相连，第七传动轮39和第七传动线缆相连，第七传动线缆与固定块10和第一线轮11套接。

本实施例的驱动电机采用微型伺服电机，在其他实施例中也可以使用步进电机、电磁流变液元件或磁粉制动器。

本实施的传动线缆采用不锈钢丝，在其他实施例中也可以是高分子合成线或钨线。

所述的传感器4是光电式数字编码器，共有七个，分别与七个驱动电机一一相连，传感器4分别与驱动电机和处理控制器2相连以传输角位移和转速信息。

所述的处理控制器2接收传感器4的角位移和转速信息，对实际的工作情况做出计算判断，传输驱动信号给各个驱动电机。

在本实施例中，第六驱动电机和第七驱动电机的动力分别在第六传动线缆和第七传动线缆的传递下，作用于姿势模块7上，实现了机械从手机构1的姿势调整；第五驱动电机32的动力在第五传动线缆的传递下，作用于位置模块8上，实现机械从手机构1的位置调整；第四驱动电机31的动力在第四传动线缆的传递下，作用于操作杆24，实现操作杆24沿轴向的旋转；第三驱动电机30的动力在第三传动线缆的传递下，作用于U型架23上，实现U型架23的偏摆运动；第二驱动电机29的动力在第二传动线缆的传递下，作用于第一末端执行器21，实现了第一末端执行器21的剪切运动；第一驱动电机28的动力在第一传动线缆的传递下，作用于第二末端执行器22上，实现第二末端执行器22的剪切运动。

Claims (4)

1.一种七自由度微创手术机械从手装置，包括：机械从手机构、处理控制器、驱动模块和传感器，其特征在于：

所述的机械从手机构包括：底座、立柱、姿势模块、位置模块和末端执行器模块，其中：底座上设有立柱，立柱上设置姿势模块，位置模块和姿势模块相连，末端执行器模块和位置模块相连，驱动模块分别与姿势模块、末端执行器模块和位置模块相连；

所述的姿势模块包括：固定块、第一线轮、姿势调节块和偏摆盘，其中：姿势调节块设置在立柱上，固定块和第一线轮设置在立柱的同一侧，第一线轮设置在姿势调节块的末端，偏摆盘设置在姿势调节块的内部；

所述的位置模块包括：第一导轮、第一固定座、滑块、导轨、第二导轮、第二固定座、带动线缆和支撑座，其中：第一固定座和偏摆盘相连，第一导轮设置在偏摆盘内部，滑块设置在导轨上，导轨分别与第一固定座和第二固定座相连，第二导轮设置在第二固定座的内部，支撑座固定在滑块上，带动线缆与滑块、第一导轮的上线槽和第二导轮套接；

所述的末端执行器模块包括：第一末端执行器、第二末端执行器、U型架、操作杆和第二线轮，其中：操作杆的一端连接U型架，另一端连接第二线轮，第二线轮设置在支撑座的内部，第一末端执行器和第二末端执行器的末端设置在U型架内；

所述的驱动模块包括：七条传动线缆、七个驱动电机和七个传动轮，其中：第一驱动电机和第一传动轮相连，第一传动轮和第一传动线缆相连，第一传动线缆与支撑座的背面的通孔、操作杆、U型架和第一末端执行器套接，第二驱动电机和第二传动轮相连，第二传动轮和第二传动线缆相连，第二传动线缆与支撑座的背面的通孔、操作杆、U型架和第二末端执行器套接，第三驱动电机和第三传动轮相连，第三传动轮和第三传动线缆相连，第三传动线缆与支撑座的背面的通孔、操作杆和U型架套接，第四驱动电机和第四传动轮相连，第四传动轮和第四传动线缆相连，第四传动线缆与支撑座的侧面的通孔和第二线轮套接，第五驱动电机和第五传动轮相连，第五传动轮和第五传动线缆相连，第五传动线缆与偏摆盘和第一导轮的下线槽套接，第六驱动电机和第六传动轮相连，第六传动轮和第六传动线缆相连，第六传动线缆与姿势调节块和偏摆盘套接，第七驱动电机和第七传动轮相连，第七传动轮和第七传动线缆相连，第七传动线缆与固定块和第一线轮套接；

所述的处理控制器和所述的驱动模块相连，驱动模块和所述的机械从手机构相连，所述的传感器分别与驱动模块和处理控制器相连以传输角位移和转速信息。

2.根据权利要求1所述的七自由度微创手术机械从手装置，其特征是，所述的驱动电机是微型伺服电机、步进电机、电磁流变液元件或磁粉制动器。

3.根据权利要求1所述的七自由度微创手术机械从手装置，其特征是，所述的传动线缆是不锈钢丝、高分子合成线或钨线。

4.根据权利要求1所述的七自由度微创手术机械从手装置，其特征是，所述的传感器是光电式数字编码器，共有七个，与七个驱动电机一一相连，传感器分别与驱动电机和处理控制器相连以传输角位移和转速信息。

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