CN104224328A - 一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，主要由平行四杆机构、伸缩体和四杆支撑杆单元组成。平行四杆机构与伸缩体和四杆支撑杆共同组成三个平行四边形，是双平行四边形构型中的一种变形，提供双平行四边形具有的不变的远程运动中心，此本体结构通过对四杆机构中的四杆形状合理设计，使其提供的远程运动中心为手术器械轴线和四杆支撑杆的旋转轴线的交点，因此能为手术器械的安装留有足够的空间，避免传统双平行四边形机构由于手术器械的安装使远程运动中心点发生改变，此外还能为手术器械提供两个旋转自由度和一个移动自由度。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗机器人设备，特别是涉及一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构。
背景技术
微创外科手术与传统开口手术相比具有切口小、出血少、疤痕小和恢复时间快等优点。但也有很多不足，由于体表切口约束，操作空间小、手术难度大，操作过程中医生手部运动与手术器械末端运动相反，造成眼手不协调，大大降低了手术灵活性。此外，医生手部抖动会被细长的手术器械放大，增加手术风险。
机器人辅助的外科手术系统能够有效地利用手术医生经验，同时发挥机器人定位精确和运行稳定等特点。能够帮助医生完成复杂的外科手术动作，减少手术中因医生疲劳或手部抖动导致的误操作和损伤，提高了手术安全性，缩短了治愈时间和降低了医疗成本。
现有的微创外科手术机器人本体结构大多数具有远程运动中心机构，通常远程运动中心机构可有双平行四边形结构、弧形导轨和控制算法等实现，ZL200810153717.4一种用于辅助微创外科手术的机器人主动支架中提供了一种由丝传动实现的远程运动中心机构。
双平行四边形由连杆构成，结构简单，广泛用于实现远程运动中心，然而由于微创外科手术器械的安装，通常会导致此远程运动中心发生改变。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，该本体结构不但能够提供传统双平行四边结构所具有的不动的远程运动中心，而且不会因为微创手术器械的安装而使远程运动中心发生改变，同时能够为微创手术器械提供三个定位自由度，满足微创外科手术对机器人机构的设计要求。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：，
一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构中的双平行四杆型远程运动中心机构，通过改变杆件的形状合理地安排虚拟转动中心的位置，为微创外科手术器械的安装留出空间，解决因安装而使远程运动中心发生改变问题。
为有效减小伸缩机构的外形尺寸，本发明的本体结构中的伸缩机构使用丝传动方式，在丝的布局上进行了规划，使得伸缩机构的驱动电机后置，病人上方驱动电机所占据的较大空间被大大减小。在伸缩机构上安装有适合不同手术类型所需手术器械的快换接口。
用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构主要由平行四杆机构、伸缩体和四杆支撑杆单元组成。平行四杆机构由水平杆、水平驱动杆、竖直驱动杆、竖直驱动从杆和相应的联接轴及轴承组成；伸缩体由伸缩支撑杆、伸缩驱动单元、导轨、滑块、花键单元、花键套筒、钢丝绳、轴承、相应导向轮、导向轴和快换接口座组成；四杆支撑杆单元由四杆支撑杆、两个转动自由度伺服电机驱动单元、联轴器、驱动轴和轴承组成。平行四杆机构与伸缩体和四杆支撑杆共同组成三个平行四边形，是双平行四边形构型中的一种变形，提供双平行四边形具有的不变的远程运动中心，此本体结构通过对四杆的形状合理设计，使其提供的远程运动中心为手术器械轴线和四杆支撑杆的旋转轴线的交点，因此能为手术器械的安装留有足够的空间，避免了传统双平行四边形机构由于手术器械的安装使远程运动中心点发生改变。此外还能提供两个旋转自由度和一个移动自由度。
本发明一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构在与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明的用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构具有结构简单、传动可靠、易于控制的优点，同时不会因为微创手术器械的安装而使远程运动中心改变；
2、本发明的用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构应用领域可以是任何方面的微创外科手术；
3、本发明的用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构可以组装多种其他配套的手术器械，能够充分满足微创手术操作过程中使用不同器械的要求；
4、本发明的用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，结构简单、紧凑，所占空间很小，避免了手术器械之间的干涉，从而使得机器人操作起来更加灵活；
5、本发明的用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构远程运动中心的实现是由于机械结构的设计所决定，与控制算法所实现的远程运动中心相比具有较好的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构整体示意图；
图2为四杆支撑杆单元结构示意图；
图3为支撑杆单元的伺服电机驱动单元分解示意图；
图4为平行四杆机构结构示意图；
图5为连接轴单元的分解结构示意图；
图6为伸缩体结构示意图；
图7为伸缩体传动部分分解示意图；
图8为伸缩体部分丝传动路线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构进行详细说明。
如图1所示为用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构整体示意图，该整体结构包括平行四杆机构2、伸缩体3、四杆支撑杆单元1和微创外科手术器械4。通过四杆机构的合理布局，使四杆支撑杆单元1的旋转中心与微创外科手术器械4的旋转中心的交点P为远程运动中心，为手术器械4的安装留有安装空间，避免了远程运动中心发生改变，同时机构能够提供三个自由度：绕X轴的旋转自由度R1、绕Y轴的旋转自由度R2和沿Z向进行伸缩的移动自由度T。
如图2所示为四杆支撑杆单元结构示意图，四杆支撑杆单元包含旋转自由度R1的伺服电机驱动单元1-1、支座1-2、四杆支撑杆1-3和图1中所示的旋转自由度R2的伺服电机驱动单元1-4和联接轴单元1-5。c-1、c-2、c-3是三个转动中心，水平驱动杆1-3在旋转自由度R1的伺服电机驱动单元1-1的带动下绕转动中心c-3实现X轴的旋转自由度R1。旋转自由度R2的伺服电机驱动单元1-4与旋转自由度R1的伺服电机驱动单元1-1结构相同，下面只针对旋转自由度R1的伺服电机驱动单元1-1做详细说明。
如图3所示为支撑杆单元的伺服电机驱动单元分解示意图，伺服电动机1-1-1与减速器1-1-2联接在一起，联轴器1-1-4将减速器1-1-2的输出轴与驱动轴1-1-7联接在一起，减速器1-1-2固定在中间件1-1-3上，中间件1-1-3固定在减速器基座1-1-5上，减速器基座1-1-5与支座1-2联接在一起，然后通过支座1-2固定在基座上，轴承1-1-6安装在支座1-2中与驱动轴1-1-7配合，驱动轴1-1-7与水平驱动杆1-3固定。
如图4所示为平行四杆机构结构示意图，此部分由水平从杆2-1、水平杆2-2、竖直驱动杆2-3和竖直驱动从杆2-4和四个随动转动关节c-4、c-5、c-6、c-7组成。与连接轴单元2-5结构相同的四个连接轴将杆2-1、2-2、2-3和2-4联接在一起。旋转自由度R2的伺服电机驱动单元1-4与竖直驱动杆2-3联接，在旋转自由度R2的伺服电机驱动单元1-4驱动下竖直驱动杆2-3和竖直驱动从杆2-4分别绕转动关节c-2和c-1转动，水平从杆2-1绕随动转动关节c-5和c-7转动，水平杆2-2绕随动转动关节c-4和c-6转动，伸缩体3绕随动转动关节c-8和c-9转动，最终实现手术器械4中杆的轴线绕Y轴的旋转的自由度R2，此外四杆机构2通过旋转自由度R2的伺服电机驱动单元1-4、与连接轴单元2-5结构相同的连接轴1-5和四杆支撑杆单元1联接。
如图5所示为连接轴单元的分解结构示意图，所有连接轴均与连接轴单元2-5结构相同，其作用是将两杆件连接起来。此处以连接轴单元2-5联接水平从杆2-1和竖直驱动从杆2-4为例加以说明，连接轴2-5-6一端位于随动转动关节c-5内，通过螺钉2-5-8和轴端挡圈2-5-7实现连接轴2-5-6与水平从杆2-1联接。连接轴2-5-6另一端与轴承2-5-5配合，轴承2-5-5内圈一侧由连接轴2-5-6轴肩定位，另一侧由轴用挡圈2-5-4定位，通过螺钉2-5-3将轴承2-5-5固定在连接轴2-5-6上，轴承2-5-5外圈一侧由竖直驱动从杆2-4定位，另一侧由轴承端盖2-5-2定位，轴承端盖2-5-2通过螺钉组2-5-1固定在竖直驱动从杆2-4上。
如图6所示为伸缩体结构示意图，伸缩体3由伺服电机驱动部分3-1、丝传动单元3-2、导轨滑块机构3-3、伸缩支撑杆3-4、快换座3-5、导向机构3-6、导向套3-7构成和固丝装置3-8组成。导轨3-3上有滑块，快换座3-5与滑块相固定。导向套3-7位于导向机构3-6的导向孔内，导向机构3-6联接在伸缩支撑杆3-4上，手术器械4通过快换座3-5与伸缩体3联接，手术器械4杆穿过导向套3-7的内孔，导向套3-7起到导向的作用。
图7所示为伸缩体传动部分分解示意图，伺服电机驱动部分3-1的减速器3-1-2将伺服电机3-1-1的速度降低到需求速度后，通过联轴器3-1-4与花键动力轴3-2-1联接，减速器3-1-2固定在减速器基座3-1-3上，减速器基座3-1-3与轴承压盖3-1-5、连接件3-1-6依次连接后固定在伸缩支撑杆3-4上。丝传动单元3-2主要由花键动力轴3-2-1、花键筒3-2-2、换向轴支座3-2-3、丝筒3-2-4、换向轴单元3-2-5、导向轮单元3-2-6和转向轮3-2-7组成。导轨3-3安装在伸缩支撑杆3-4上。
如图8所示为伸缩体部分丝传动路线示意图，丝筒3-2-4上缠着左旋的钢丝绳，钢丝绳一端s-1从丝筒3-2-4的左上侧伸出，钢丝绳s-1经由导向轴3-2-5-1和3-2-5-2、导向轮3-2-6-1、3-2-6-2、3-2-6-3和转向轮3-2-7和经由导向轴3-2-5-2、导向轮3-2-6-4和3-2-6-5钢丝绳另一端s-2在快换座3-5内相交，张紧后由固丝装置3-8固定于快换座3-5中，整个钢丝绳的传动以一个闭合回路的形式存在，当伺服电机3-1-1做正反转运动时，在丝传动单元3-2的作用下使快换座3-5带动手术器械4沿导轨滑块机构3-3中的导轨移动，从而实现手术器械4沿Z向的移动自由度。
Claims (4)
1.一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，其特征在于该本体结构主要由平行四杆机构、伸缩体和四杆支撑杆单元组成；平行四杆机构与伸缩体和四杆支撑杆共同组成三个平行四边形，是双平行四边形构型中的一种变形，使其提供的远程运动中心为手术器械轴线和四杆支撑杆的旋转轴线的交点，因此能为手术器械的安装留有足够的空间，避免传统双平行四边形机构由于手术器械的安装使远程运动中心点发生改变，此外还能为手术器械提供两个旋转自由度和一个移动自由度。
2.按照权利要求1所述的一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，其特征在于本发明的本体结构所提供的远程运动中心可以应用于任何方面的微创外科手术。
3.按照权利要求1所述一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，其特征在于采用本发明的机构可以安装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。
4.按照权利要求1所述一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构，其特征在于本发明的伸缩体采用钢丝绳传动方式，将伺服电机驱动单元后置，使结构更加紧凑，有利于微创手术多操作臂协调操作，减少了操作时多操作臂间的运动干涉。
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