CN104546031B - 一种用于微创手术的多自由度手术器械 - Google Patents

一种用于微创手术的多自由度手术器械 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微创手术的多自由度手术器械，包括手持部分、与所述手持部分固定连接的动力驱动部分、与所述动力驱动部分固定连接的细连杆、与所述细连杆连接的末端执行部分、控制所述动力驱动部分运动的控制系统，其中，所述手持部分和动力驱动部分均通过线路与所述控制系统相连，所述手持部分的运动会带动关节处编码器的运动，编码器采集相应关节的运动信息，然后将其反馈给所述控制系统，所述动力驱动部分接收所述控制系统的信号后驱动所述末端执行部分完成俯仰、偏摆和夹持动作。本发明具有俯仰、偏摆、夹持以及轴转4个自由度，具有较高的灵巧度，能够有效提高手术质量和效率，结构小巧紧凑。

Description

一种用于微创手术的多自由度手术器械
技术领域：
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的说涉及一种用于微创手术的手术器械。
背景技术：
微创手术是一种主要透过内窥镜及各种显像技术而使外科医生在无需对患者造成巨大伤口的情况下施行手术。早期的微创手术专指腹腔镜手术，因为当时只有开腹手术能够用微创手术所取代。由于微创手术的伤口很小，且康复周期短，因此受到人们的青睐，现在微创手术技术普及已广泛的应用于各种手术中。
微创手术时首先在病患的腹壁上开设几个小孔，然后放入剪刀、钳子等手术器械，对病变的组织进行钳夹、切割、缝合、打结等一系列操作。然而现有手术器械的自由度有限，通常不具备俯仰和偏摆自由度，比较笨拙，灵巧度差，严重影响了手术的质量与精度。因此，针对现有技术中存在的问题予以改进。
发明内容：
本发明的目的就是针对现有技术之不足，而提供一种用于微创手术的多自由度手术器械，具有俯仰、偏摆、夹持以及轴转4个自由度，具有较高的灵巧度，能够有效提高手术质量和效率，结构小巧紧凑。
本发明的技术解决措施如下：
一种用于微创手术的多自由度手术器械，包括手持部分、与所述手持部分固定连接的动力驱动部分、与所述动力驱动部分固定连接的细连杆、与所述细连杆连接的末端执行部分、控制所述动力驱动部分运动的控制系统；
所述手持部分包括一端与所述动力驱动部分固定连接的第一连杆、通过第一关节与所述第一连杆转动连接的第二连杆、通过第二关节与所述第二连杆转动连接的第三连杆、通过夹持盖固定设置在所述第三连杆顶部的夹持单元、固定设置在所述第一关节和所述第二关节上的编码器；
所述夹持单元包括基板，所述基板上对称的设置有一对相向的平面连杆机构，所述平面连杆机构包括原动杆以及与所述原动杆连接的从动杆，所述原动杆的一端转动的设置在所述基板上，另一端与所述从动杆的一端铰接，所述从动杆的另一端转动的设置在电位计的凸出端处，所述电位计固定设置在所述基板上，所述原动杆之间设置有弹簧，所述弹簧的两端分别抵靠在所述原动杆上，所述原动杆的侧壁上还固定设置有夹持片；
其中，所述手持部分和动力驱动部分均通过线路与所述控制系统相连，所述手持部分的运动会带动关节处编码器的运动，编码器采集相应关节的运动信息，然后将其反馈给所述控制系统，所述动力驱动部分接收所述控制系统的信号后驱动所述末端执行部分完成俯仰、偏摆和夹持动作。
作为上述技术方案的优选，所述的动力驱动部分包括外罩，所述外罩内设置有偏摆电机、俯仰电机和夹持电机，所述偏摆电机的输出轴端连接有偏摆电机主动拨轮，所述俯仰电机的输出轴端连接有俯仰电机主动拨轮，所述夹持电机的输出轴端连接有夹持电机主动拨轮，所述偏摆电机主动拨轮连接有偏摆电机被动拨轮，所述俯仰电机主动拨轮连接有俯仰电机被动拨轮，所述夹持电机主动拨轮连接有夹持电机被动拨轮，所述偏摆电机被动拨轮、所述俯仰电机被动拨轮和所述夹持电机被动拨轮分别连接有刚丝缠绕装置。
作为上述技术方案的优选，所述的细连杆的一端固定设置在所述动力驱动部分内，另一端延伸至所述动力驱动部分的外侧，其中，所述细连杆为中空结构，其中空腔内设置有若干固定槽，所述刚丝缠绕装置的钢丝通过所述固定槽设置在所述细连杆内。
作为上述技术方案的优选，所述的末端执行部分与所述细连杆远离所述动力驱动部分的一端相连，且还与所述刚丝缠绕装置的钢丝相连。
作为上述技术方案的优选，所述的第三连杆的侧壁上设置有离合按钮，所述离合按钮位于所述夹持单元的正下方，且通过线路与所述控制系统连接。
作为上述技术方案的优选，所述的第三连杆上还固定设置有手环，所述手环设置在所述离合按钮的正下方，其中，所述手环与所述离合按钮位于所述第三连杆的同一母线上。
作为上述技术方案的优选，所述的手环包括环状部分以及固定设置在所述环状部分两端的连接端，所述连接端固定设置在所述第三连杆上，其中，所述环状部分选用弹性材料制成，所述连接端选用硬质材料制成。
本发明的有益效果在于：本发明具有俯仰、偏摆、夹持以及轴转4个自由度，当操作者的手部握持在第三连杆上时，通过手持部分和动力驱动部分能够控制末端执行部分完成俯仰、偏摆以及夹持运动，此外，操作者手臂的转动可映射成末端执行部分的轴转运动，本发明既能实现大型的主从型手术机器人的多自由度、又与普通微创手术器械的体积相仿，结构小巧紧凑；相比较传统的微创手术器械具有较高的灵巧度，能够有效提高手术质量和效率；另外，从人机工程学的角度考虑，手环的设置方便操作者握持，能在一定程度上减轻操作者手部的承载力以及手术过程中的疲劳感。
附图说明：
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的手环的结构示意图；
图3为本发明的手持部分的结构示意图；
图4为本发明的夹持单元的结构示意图；
图5为本发明的动力驱动部分的电机部分的结构示意图；
图6为本发明的动力驱动部分的钢丝缠绕装置部分的结构示意图。
图中，10、手持部分；11、第一连杆；12、第二连杆；13、第三连杆；14、第一关节；15、第二关节；16、编码器；17、夹持盖；18、夹持单元；181、夹持片；182、电位计；183、弹簧；184、基板；185、原动杆；186、从动杆；19、离合按钮；20、动力驱动部分；21、偏摆电机；22、俯仰电机；23、夹持电机；24、偏摆电机主动拨轮；25、俯仰电机主动拨轮；26、夹持电机主动拨轮；27、偏摆电机被动拨轮；28、俯仰电机被动拨轮；29、夹持电机被动拨轮；210、刚丝缠绕装置；30、细连杆；40、末端执行部分；50、手环；51、连接端；52、环状部分。
具体实施方式：
实施例：以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本实施例中提到的“顶部”和“底部”描述是按照通常的意义而定义的，比如，参考重力的方向定义，重力的方向是下方，相反的方向是上方，类似地在上方的是顶部或者顶端，在下方的是底部或底端；本实施例中提到的“第一”、“第二”和“第三”的描述是为便于叙述明了，而无关乎零部件的重要性，更不是用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，也当视为本发明可实施的范畴。
见图1所示，一种用于微创手术的多自由度手术器械，包括手持部分10、与所述手持部分10固定连接的动力驱动部分20、与所述动力驱动部分20固定连接的细连杆30、与所述细连杆30连接的末端执行部分40、控制所述动力驱动部分20运动的控制系统(未图示)；
见图3所示，所述手持部分10包括一端与所述动力驱动部分20固定连接的第一连杆11、通过第一关节14与所述第一连杆11转动连接的第二连杆12、通过第二关节15与所述第二连杆12转动连接的第三连杆13、通过夹持盖17固定设置在所述第三连杆13顶部的夹持单元18、固定设置在所述第一关节14和所述第二关节15上的编码器16。
所述第三连杆13的侧壁上设置有离合按钮19，所述离合按钮19位于所述夹持单元18的正下方，且通过线路与所述控制系统连接；当操作者的手部运动到空间极限位置时，可以触发离合按钮19，此时手持部分10与末端执行部分40脱开，手持部分10切换到新的舒适状态后停止触发离合按钮19，实现重新连接，继续实施手术动作。
见图4所示，所述夹持单元18包括基板184，所述基板184上对称的设置有一对相向的平面连杆机构，所述平面连杆机构包括原动杆185以及与所述原动杆185连接的从动杆186，所述原动杆185的一端转动的设置在所述基板184上，另一端与所述从动杆186的一端铰接，所述从动杆186的另一端转动的设置在电位计182的凸出端处，所述电位计182固定设置在所述基板184上，所述原动杆185之间设置有弹簧183，所述弹簧183的两端分别抵靠在所述原动杆185上，所述原动杆185的侧壁上还固定设置有夹持片181。
所述第三连杆13上还固定设置有手环50，所述手环50设置在所述离合按钮19的正下方，其中，所述手环50与所述离合按钮19位于所述第三连杆13的同一母线上。所述手环50包括环状部分52以及固定设置在所述环状部分52两端的连接端51，所述连接端51固定设置在所述第三连杆13上，其中，所述环状部分52选用弹性材料制成，所述连接端51选用硬质材料制成。所述环状部分52呈“C”型，用于放置操作者的其余三根手指，由弹性材料制成的环状部分52具有一定的弹性，这样能够适合用于不同的操作者，非常实用。
见图5和图6所示，所述动力驱动部分20包括外罩(未图示)，所述外罩内设置有偏摆电机21、俯仰电机22和夹持电机23，所述偏摆电机21的输出轴端连接有偏摆电机主动拨轮24，所述俯仰电机22的输出轴端连接有俯仰电机主动拨轮25，所述夹持电机23的输出轴端连接有夹持电机主动拨轮26，所述偏摆电机主动拨轮24连接有偏摆电机被动拨轮27，所述俯仰电机主动拨轮25连接有俯仰电机被动拨轮28，所述夹持电机主动拨轮26连接有夹持电机被动拨轮29，所述偏摆电机被动拨轮27、所述俯仰电机被动拨轮28和所述夹持电机被动拨轮29分别连接有刚丝缠绕装置210。
所述细连杆30的一端固定设置在所述动力驱动部分20内，另一端延伸至所述动力驱动部分20的外侧，其中，所述细连杆30为中空结构，其中空腔内设置有若干固定槽，所述刚丝缠绕装置210的钢丝通过所述固定槽设置在所述细连杆30内。所述末端执行部分40与所述细连杆30远离所述动力驱动部分20的一端相连，且还与所述刚丝缠绕装置210的钢丝相连。
其中，所述手持部分10和动力驱动部分20均通过线路与所述控制系统相连，所述手持部分10的运动会带动关节处编码器16的运动，编码器16采集相应关节的运动信息，然后将其反馈给所述控制系统，所述动力驱动部分20接收所述控制系统的信号后驱动所述末端执行部分40完成俯仰、偏摆和夹持动作。
使用时，操作者的手部握持在第三连杆13上，操作者的拇指和食指按住设置在原动杆185上的夹持片181。由于弹簧183的作用，夹持片181自动张开，当手指用力时能够克服弹簧183的阻力完成闭合动作。在夹持过程中所述电位计182的电阻发生变化，从而引起电位计182电压的变化，该电压变化信号作为控制信号驱动末端执行部分40进行相应夹持动作。通过设置在第一关节14和第二关节15上的编码器16对第二连杆12和第三连杆13角度信息进行采集，编码器16将采集的到的信息反馈至控制系统，动力驱动部分20控制末端执行部分40实现相应的俯仰及偏转动作，此外，操作者手臂的转动可映射成末端执行部分的轴转运动。
所述实施例用以例示性说明本发明，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对所述实施例进行修改，因此本发明的权利保护范围，应如本发明的权利要求所列。

Claims (7)

1.一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：包括手持部分(10)、与所述手持部分(10)固定连接的动力驱动部分(20)、与所述动力驱动部分(20)固定连接的细连杆(30)、与所述细连杆(30)连接的末端执行部分(40)、控制所述动力驱动部分(20)运动的控制系统；
所述手持部分(10)包括一端与所述动力驱动部分(20)固定连接的第一连杆(11)、通过第一关节(14)与所述第一连杆(11)转动连接的第二连杆(12)、通过第二关节(15)与所述第二连杆(12)转动连接的第三连杆(13)、通过夹持盖(17)固定设置在所述第三连杆(13)顶部的夹持单元(18)、固定设置在所述第一关节(14)和所述第二关节(15)上的编码器(16)；
所述夹持单元(18)包括基板(184)，所述基板(184)上对称的设置有一对相向的平面连杆机构，所述平面连杆机构包括原动杆(185)以及与所述原动杆(185)连接的从动杆(186)，所述原动杆(185)的一端转动的设置在所述基板(184)上，另一端与所述从动杆(186)的一端铰接，所述从动杆(186)的另一端转动的设置在电位计(182)的凸出端处，所述电位计(182)固定设置在所述基板(184)上，所述原动杆(185)之间设置有弹簧(183)，所述弹簧(183)的两端分别抵靠在所述原动杆(185)上，所述原动杆(185)的侧壁上还固定设置有夹持片(181)；
其中，所述手持部分(10)和动力驱动部分(20)均通过线路与所述控制系统相连，所述手持部分(10)的运动会带动关节处编码器(16)的运动，编码器(16)采集相应关节的运动信息，然后将其反馈给所述控制系统，所述动力驱动部分(20)接收所述控制系统的信号后驱动所述末端执行部分(40)完成俯仰、偏摆和夹持动作。
2.根据权利要求1所述的一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：所述动力驱动部分(20)包括外罩，所述外罩内设置有偏摆电机(21)、俯仰电机(22)和夹持电机(23)，所述偏摆电机(21)的输出轴端连接有偏摆电机主动拨轮(24)，所述俯仰电机(22)的输出轴端连接有俯仰电机主动拨轮(25)，所述夹持电机(23)的输出轴端连接有夹持电机主动拨轮(26)，所述偏摆电机主动拨轮(24)连接有偏摆电机被动拨轮(27)，所述俯仰电机主动拨轮(25)连接有俯仰电机被动拨轮(28)，所述夹持电机主动拨轮(26)连接有夹持电机被动拨轮(29)，所述偏摆电机被动拨轮(27)、所述俯仰电机被动拨轮(28)和所述夹持电机被动拨轮(29)分别连接有刚丝缠绕装置(210)。
3.根据权利要求2所述的一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：所述细连杆(30)的一端固定设置在所述动力驱动部分(20)内，另一端延伸至所述动力驱动部分(20)的外侧，其中，所述细连杆(30)为中空结构，其中空腔内设置有若干固定槽，所述刚丝缠绕装置(210)的钢丝通过所述固定槽设置在所述细连杆(30)内。
4.根据权利要求3所述的一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：所述末端执行部分(40)与所述细连杆(30)远离所述动力驱动部分(20)的一端相连，且还与所述刚丝缠绕装置(210)的钢丝相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：所述第三连杆(13)的侧壁上设置有离合按钮(19)，所述离合按钮(19)位于所述夹持单元(18)的正下方，且通过线路与所述控制系统连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：所述第三连杆(13)上还固定设置有手环(50)，所述手环(50)设置在所述离合按钮(19)的正下方，其中，所述手环(50)与所述离合按钮(19)位于所述第三连杆(13)的同一母线上。
7.根据权利要求6所述的一种用于微创手术的多自由度手术器械，其特征在于：所述手环(50)包括环状部分(52)以及固定设置在所述环状部分(52)两端的连接端(51)，所述连接端(51)固定设置在所述第三连杆(13)上，其中，所述环状部分(52)选用弹性材料制成，所述连接端(51)选用硬质材料制成。
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