CN103251458A - 一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械 - Google Patents

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桑宏强
孟宪全
贠今天
许立磊
刘娇龙
杜萌萌
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Abstract

本发明公开了一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械，手术器械包括三部分：手术器械的动力接口部分、手术器械的主体连杆部分和手术器械的末端执行器部分。主体连杆部分末端具有一个手腕自转自由度，手术器械的末端执行器部分包含手指开合自由度，手指偏转自由度和手腕俯仰自由度，连杆部分一端与动力装置相连，一端通过手腕轴与末端执行器相连，手腕的自转自由度是通过一对锥齿轮啮合来把轴向转动转换为手腕转动。本发明采用丝实现远距离传动，消除回差，保证传动可靠，同时通过锥齿轮传动实现手术器械手腕自转，减小了手术器械与套管间的摩擦。

Description

一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械
技术领域
本发明涉及一种丝传动医疗机器人设备，尤其涉及一种用于微创外科手术机器人的手术器械。
背景技术
随着社会进步和人民生活水平的不断提高，人们开始更多地关注自身疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康，在这种情况下，先进医疗仪器设备和手术机器人得到了迅速的发展与推广，尤其是微创外科手术机器人。使用微创外科手术机器人进行手术时，医生通过操作手柄来控制持有手术器械的从操作臂来完成手术，同时能够消除医生操作时人手的生理颤动，从而使手术操作更加平稳和精准，这对于高精度的手术及长时间的复杂手术尤为重要，从而使常规微创手术对病人的创伤再次微小化，外科操作以内窥镜技术为基础，内窥镜所采集的图像经过计算机处理后不再是传统的二维图像，而是高分辨率的三维图像，几乎没有视野死角。与传统的微创手术相比，可通过增加手术器械的自由度，使手术器械更加灵活，可以提供几乎与人手相媲美的旋转、弯曲等动作。在进行血管、神经的分离、止血、打结、缝合外科操作动作时，能够提供精细操作，同时也拓展了医生的操作能力。
发明内容
本发明提供了一种在外科医生操作控制下，结合从操作臂的主动环节能够完成打结、缝合复杂操作的四自由度微创外科手术器械，同时自转自由度在手术器械前端，有效减少了手术器械与套管间的摩擦。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械包括三部分：手术器械的动力接口部分、手术器械的主体连杆部分和手术器械的末端执行器部分。主体连杆部分末端具有一个手腕自转自由度，手术器械的末端执行器部分包含手指开合自由度，手指偏转自由度和手腕俯仰自由度，连杆部分一端与动力装置相连，一端通过手腕轴与末端执行器相连，两个手指两侧丝槽将丝固定，丝通过末端第一导向轮和第二导向轮后，在手腕轴上的导向轮上实现交叉缠绕后，通过连杆最后经过导向轮与丝固定装置相连，电机输出轴通过与丝固定装置相连，可以实现两个手指的同时偏转或开合运动，手腕运动是电机通过控制丝来实现手腕关节的俯仰运动，手腕的自转是通过一对锥齿轮啮合来把轴向转动转换为手腕转动。本发明的丝传动四自由度手术器械具有以下有益效果：
1.本发明具有四个自由度，能够在微创环境下狭小空间内实现缝合和打结复杂的手术操作。
2.本发明采用丝传动，实现紧凑结构和轻量化结构设计，同时消除了常规传动的反向间隙，保证了微创环境下的手术器械运动的准确性和可靠性。
3.本发明实现了仅仅是手术器械末端执行器的自转，克服了现有手术器械细长杆与套管间的摩擦，同时有利于简化基于模型的力检测和力反馈技术中的模型。
4.本发明应用领域是面向腹腔微创外科手术，同时具有向其它外科手术器械和相关紧凑型机械臂领域拓展的潜力。
附图说明
图1是丝传动四自由度手术器械总体结构示意图；
图2是手术器械手指部分偏转自由度示意图；
图3是手术器械手腕部分俯仰自由度示意图；
图4是手指部分的丝传动示意图；
图5是手指部分丝固定示意图；
图6是手术器械末端执行器部分连接示意图；
图7是手术器械手腕自转自由度分解示意图；
图8是手术器械手腕自转自由度结构传动简图；
图9是手术器械整体结构丝传动系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
图1所示，是本发明丝传动四自由度手术器械总体结构示意图，图示的R1、R4描述的是本发明微创手术器械的2个自由度，R1为手腕自转自由度，R4为手指开合自由度，手术器械主要分为三部分：手术器械的动力接口部分3、手术器械的主体连杆部分2和手术器械的末端执行器部分1。手术器械的动力接口3与手术器械的连杆2采用激光焊接。手术器械的动力接口3详见公开的发明专利ZL200910305201.1。
图2、图3所示分别为手术器械手指部分偏转自由度示意图和手术器械手腕部分俯仰自由度示意图，手指部分1-1绕轴R2进行偏转运动，手腕部分1-2绕轴R3进行俯仰运动。
图4所示，是手指部分丝传动示意图，丝固定在手指1-10的丝槽里，通过手指的丝轮先后同向缠绕在相切导向轮1-9上再分别交叉缠绕在导向轮1-8和导向轮1-7上，然后固定在电机3-1-3的丝固定装置上，电机轴通过带动丝固定装置来带动丝运动，当丝运动时两个导向轮1-7和两个导向1-8做同向运动，两个导向轮1-9做相反运动，使得手指1-10绕轴R2运动，手指1-6的运动与手指1-10运动原理相同，当两个手指向同一方向做轴向运动时，手指沿轴R2实现偏转自由度运动，当两个手指向相反方向做轴向运动时，手指沿轴R2实现开合自由度运动。
图5所示，是手指部分丝固定示意图，丝2-8-3上的丝结2-10可以与丝生产厂家定制或通过毛细钢管挤压在丝上形成，手指1-10上通过加工好与丝结2-10尺寸相同的槽1-10-1，丝结放入槽中并进行固定，通过丝槽与导向轮缠绕，实现图4的缠绕方式。
图6所示，是手术器械末端执行器部分连接示意图，驱动丝轮1-1与手腕零件1-2通过销轴2-9与手腕零件中的孔1-2-1配合来实现驱动轮与手腕零件的定位连接，手腕部分运动与手指部分驱动原理相同，两对导向轮1-9和导向轮1-5通过轴1-11安装在手腕零件1-2上，轴1-11两侧末端加工了两个比较浅的孔，通过对轴1-11的浅孔冲压使轴末端变形，从而实现导向轮的安装，两对导向轮1-8和导向轮1-4与轴1-12及手指1-10和手指1-6与轴1-13的安装原理与导向轮1-9和导向轮1-5安装原理相同。
图7所示，是手术器械手腕自转部分分解示意图，手术器械末端自转内筒2-1与锥齿轮2-3通过激光焊接后套入内筒的顶槽2-2中，通过与手术器械连杆动力接口端进入到手术器械连杆末端2-7进行安装，手术器械连杆末端加工有卡槽，可以将内筒的顶槽2-2卡在连杆末端，末端的卡槽上加工有螺纹孔，通过顶丝来调节顶槽2-2与卡槽的距离来调整锥齿轮2-3与锥齿轮2-4的啮合位置，顶槽2-2同时可以减小手术器械末端自转内筒2-1转动时的摩擦，锥齿轮2-3、锥齿轮2-4将齿轮轴2-6的轴向运动转换为手术器械手腕的自转运动，锥齿轮驱动轮2-5安装在锥齿轮轴2-6上，电机通过带动丝来带动锥齿轮驱动轮2-5转动，驱动轮2-5通过齿轮轴2-6带动锥齿轮2-4转动，驱动轮2-5和锥齿轮2-4与齿轮轴2-6在安装好后通过激光焊接实现连接，为方便零件焊接，手术器械连杆末端2-7加工了方孔，齿轮轴2-6与手术器械连杆末端2-7的安装与轴1-11安装原理相同，同时手术器械连杆部分2通过轴与手术器械末端执行器部分1连接原理与轴1-11安装原理相同。
图8所示，是手术器械手腕自转部分结构传动简图，电机3-1-1通过丝固定装置带动丝2-8-1移动来驱动锥齿轮驱动轮2-5转动，驱动轮转动通过齿轮轴2-6传递给锥齿轮2-4进行轴向运动，锥齿轮2-4与锥齿轮2-3啮合从而带动锥齿轮2-3进行轴线R1方向的自转运动。
图9所示，是整个手术器械的丝传动系统示意图，手术器械的自转自由度R1由电机3-1-1带动相连的丝固定装置带动丝2-8-1来控制驱动轮2-5，从而驱动锥齿轮2-3和锥齿轮2-4实现手术器械手腕自转自由度R1，手术器械的俯仰自由度是电机3-1-2带动丝固定装置，通过丝2-8-2带动驱动轮1-1，驱动轮1-1与手腕零件1-2用销轴定位连接，从而实现对手术器械俯仰自由度R3的控制，手术器械的手指开合自由度R4和偏转自由度R2是由手指1-6和手指1-10同时沿着轴线R2向相反方向或相同方向转动而完成，丝2-8-4在导向轮1-3、1-4、1-5上不同方向交叉缠绕后连接于手指1-6，通过电机3-1-4带动丝固定装置来控制手指1-6进行轴向转动，同理丝2-8-3在导向轮1-7、1-8、1-9上不同方向交叉缠绕后连接于手指1-10，通过电机3-1-3带动丝固定装置来控制手指1-10进行轴向转动。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用锥齿轮或类似锥齿轮传动的结构进行手术器械自转或与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
下面说明用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械具体实施过程。
1、四自由度运动：
手术器械具有四个自由度以便完成手术器械末端执行器小范围位置调整、姿态调整以及开合动作，四自由度分别为手术器械的自转自由度R1，手腕部分的俯仰自由度R3，手指的偏转自由度R2，手指的开合自由度R4。
2、手术器械的自转自由度：
手术器械的自转自由度是通过电机3-1-1带动相连的丝固定装置，来带动闭环的丝2-8-1运动，丝带动驱动轮2-5运动，驱动轮2-5与锥齿轮2-4安装好后通过激光焊接在齿轮轴2-6上，从而保持锥齿轮2-4与驱动轮2-5一起运动，锥齿轮2-4与锥齿轮2-3相互啮合，带动锥齿轮2-3运动，锥齿轮2-3与手术器械自转内筒2-1通过激光焊接在一起，从而实现手术器械腕部自转运动。
3、驱动轮固丝方式：
驱动轮通过加工固丝槽1-10-1，用于固定固丝结2-10，丝结2-10可以与传动丝生产厂家定制或通过毛细钢管挤压在传动丝上形成，来完成传动丝与驱动轮的固定。

Claims (2)

1.一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械，手术器械包括三部分：手术器械的动力接口部分、手术器械的主体连杆部分和手术器械的末端执行器部分，主体连杆部分末端具有一个手腕自转自由度，手术器械的末端执行器部分包含手指开合自由度，手指偏转自由度和手腕俯仰自由度，连杆部分一端与动力装置相连，一端通过手腕轴与末端执行器相连，两个手指两侧丝槽将丝固定，丝通过末端第一导向轮和第二导向轮后，在手腕轴上的导向轮上实现交叉缠绕后，通过连杆最后经过导向轮与丝固定装置相连，电机输出轴通过与丝固定装置相连，可以实现两个手指的同时偏转或开合运动，手腕运动是电机通过控制丝来实现手腕关节的俯仰运动，手腕的自转是通过一对锥齿轮啮合来把轴向转动转换为手腕转动。
2.按照权利要求1所述的一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械，其特征在于：手术器械末端执行器的自转自由度是通过丝带动一对锥齿轮啮合来实现。
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