CN104970840B - 一种用于微创手术的六自由度丝传动手术器械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微创手术机器人丝传动新型手术器械，手术器械本身是六自由度，联合装载手术器械的直线伸缩机构，达到七个自由度，可完成微创手术过程中所需要的手术操作。手术器械包括四部分：手术器械动力接口部分，手术器械主体连杆部分，手术器械末端执行器部分和手术器械快换部分。其中，主体连杆部分包括肩关节偏转自由度、肘关节俯仰自由度、腕关节俯仰自由度和手腕自转自由度。末端执行器部分包括手指开合自由度和手指俯仰自由度。连杆部分连接动力装置与末端执行器。本发明采用丝实现远距离传动，消除回差，保证传动可靠。钢丝绳以闭合回路形式存在。本发明具有自由度多、占用空间小、功能完整的优点。

Description

一种用于微创手术的六自由度丝传动手术器械

技术领域

本发明涉及一种丝传动医疗机器人设备，特别涉及一种用于微创手术的手术器械。

背景技术

几年来，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。在早期微创外科手术中，医生通过患者表皮微小切口，将细长的内窥镜和手术器械深入至病灶进行操作。相比于传统外科手术，它具有创伤小、出血量少、术后恢复时间短等诸多优点。但操作空间小、手术难度大，对医生的水平要求高等问题限制了微创外科手术在精密手术中的运用。随着机器人技术和信息化技术的发展，微创外科手术机器人应运而生，它稳定性强、灵敏度高、便于医生操作，将医疗技术提高到了一个新的层面。微创外科手术机器人最关键的一部分微创手术器械的设计也变得尤为重要。

现在大多数的微创手术器械是三或四个自由度，它们配合微创手术机械臂完成微创手术。这样的整套设备体积过于庞大，安装、调试比较复杂，甚至需要专门手术房间和各种配套设施。而且多个庞大的机械臂在手术过程中可能会发生干涉。同时术前准备及术中更换器械等操作耗时较长。

钢丝绳传动技术普遍应用于微创手术器械的传动中，其优越性主要体现一下三方面：一，适于长距离传递运动和动力，能够将动力源布局在远离关节位置处，简化结构设计；二，在长距离传动过程中易于改变方向，传动结构简单、小巧紧凑，非常适用于有限空间内多自由度布局；三，合适预紧力下无回差，可以吸收震动，使末端执行器运动更平稳。

目前已经开始研究多自由度的微创手术器械以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，能够提供了精细操作，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，结合平移机构能够完成打结、缝合复杂操作的六自由度微创外科手术器械。本发明基本模拟人的手臂的关节，有肩关节、肘关节、腕关节和指关节，不仅自转自由度设计在手术器械前端腕关节与指关节之间，同时在手指部位设计了快换有效减少了微创手术中的更换手术器械的时间。

为了达到上述目的，本发明所采用的是如下的技术方案：

此新型的微创手术器械包括四部分：手术器械的动力接口部分，手术器械的主体连杆部分，手术器械的末端执行器部分和手术器械的末端快换部分。

微创手术器械的连杆部分包括肩关节偏转自由度、肘关节俯仰自由度、腕关节俯仰自由度和手腕自传自由度。末端执行器部分包括手指的开合自由度和手指的俯仰自由度。连杆部分连接动力装置与末端执行器。两个手指的丝槽将丝固定，丝经过中心通道件再经过导向轮与丝固定装置相连，丝固定装置再与电机输出轴相连，电机驱动实现两个手指的同步偏转或开合运动。手腕的自转运动通过控制缠绕于自转部件上的丝来实现。腕关节的俯仰运动由控制分布于腕关节两侧的两组轮来实现。肘关节的俯仰运动和肩关节的偏转运动都是控制关节中间的双轨道轮来实现。

本发明具有如下优点：

1.本发明手术器械的传动系统中所述钢丝绳具有柔性，通过导向轮的传动实现了长距离的传动，使得动力转置后置。

2.本发明为六个自由度，运动更加灵活，可以完成复杂的手术动作。

3.本发明只需安装在一个直线移动机构上，这样机器人的本体结构明显占用空间小，做到了小型化。

4.本发明的快换结果可以有效的节约在手术过程中更换手术器械的时间，同时有效的减少了手术器械的成本。

5.本发明的自转设计在手术器械的前端腕关节与指关节的中间，相比于设计在后端的手术器械，前者有效的解决了多自由度器械在腹腔内自转需要关节复位的问题。

附图说明

图1为六自由度微创外科手术器械总体结构示意图；

图2为手术器械核心创新设计示意图；

图3为手术器械指关节和末端快换结构示意图；

图4为手术器械指关节和末端快换结构的爆炸视图；

图5为手术器械腕关节和自转关节的结构示意图；

图6为手术器械腕关节与自转关节的丝传动示意图；

图7为手术器械肘关节的爆炸视图；

图8为手术器械肘关节的正面装配视图；

图9为手术器械肩关节爆炸示意图；

图10为手术器械肩关节的正面装配视图；

图11为六自由度微创外科手术器械丝传动示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示为本发明的整体结构示意图，本新型微创手术器械共包括四部分：手术器械的末端快换部分1、末端执行器部分2、主体连杆部分3、动力接口部分4。手术器械的动力接口4详见公开的发明专利ZL200910305201.1。

如图2所示为手术器械核心创新设计示意图：末端快换部分1、末端执行器部分2和主体连杆部分3。主体连杆部分包括肩关节3-1、肘关节3-2、腕关节3-3和自转关节3-4，末端执行器部分为指关节2-1。肩关节3-1提供R1自由度，肘关节3-2提供R2自由度，腕关节3-3提供R3自由度，自转关节3-4提供R4自由度，指关节2-1提供R5自由度和R6自由度。且肩关节3-1提供的R1自由度的轴线垂直于其他关节轴线。快换结构1-1设计在指关节部位，该设计可以使快换更加简单、方便且节省成本。

如图3所示为本发明的指关节部分和末端快换结构示意图，图4为指关节和末端快换结构的爆炸视图。其中，对于指关节部分由插件部分1-1-1的插件1110.1和1110.2分别与自转关节的自转连接件340通过指关节轴212相连，同时，轮211.1-211.2的凸起2110.1-2110.2与插件1110.1-1110.2的凹槽相配合起到定位的作用。轮211.1与插件1110.1通过连接轴213.1相连，同样的，轮211.2与插件1110.2通过连接轴213.2相连。如此，通过丝控制轮211.1和211.2的转动就可以控制指关节的偏转自由度和开合自由度。快换结构包括插件部分1-1-1和手指部分1-1-2。其中，插件部分1-1-1包括插件1110.1-1110.2和接触体1111.1-1111.2。手指部分1-1-2包括手指1120.1-1120.2、连接螺钉1122和螺母1126。接触体1111.1-1111.2装在插件1110.1-1110.2上，手指1-1-2与插件部分1-1-1的连接仅需将弹簧闩1123.1-1123.2分别插入1112.1-1112.2中，再使凸起1112.1-1112.2分别与自留槽1124.1-1124.2配合以固定。连接螺钉1122和螺母1126装配在手指1120.1-1120.2的滑动槽1125.1-1125.2上，起到连接、稳固作用。

如图5所示为腕关节和自转关节的结构示意图，腕关节包括手腕330、手腕320、轮332.1-332.2、轮336.1-336.2和轴334.1-334.2、337.1-337.2。自转关节包括自转元件340、自转中心轴341、中心通道件342.1-342.2、连接件331、338和导向轮333.1-333.2、335.1-335.2。轴334.1分别连接手腕330、轮332.1、导向轮333.1和连接件331的上孔，轴334.2分别连接手腕320、轮332.2，、导向轮333.2和连接件331的下孔。同样的，轴337.1-337.2也起到了同样的连接作用。轮332.1和336.1和手腕330为凸起凹槽配合，再用轴339.1-339.2分别连接固定。而自转件340与自转中心轴341螺纹连接，自转中心轴341与中心通道件342.1螺纹连接，中心通道件342.2与342.1同轴线安装于手腕320上。连接件331和338分别与自转中心轴341的下底面和中心通道件342.2的上底面接触。

如图6所示为腕关节与自转关节的丝传动示意图，首先控制指关节的两组丝S1、S2和S3、S4从中心通道件342.1-342.2通过。S5、S6一头固定于自转中心轴341的上下两条轨道上，另一头经由导向轮333.1-333.2和335.1-335.2再通过导向孔传于后续导向轮直至丝固。电机通过丝驱动自转中心轴341使手术器械完成自转自由度R4。S7、S8分别固定于轮335.1和332.1上，同样经过导向轮335.2、332.2和导向孔传于后续导向轮直至丝固。电机通过丝驱动轮332.1和335.1同时沿轴线3341转动使得手腕部分完成R3俯仰自由度。

如图7为肘关节的爆炸视图，图8为肘关节的正面装配视图。如图套筒3200.1、轮3201.1、3202.1、3203.1、3204.1、套筒324.1和轮3205.1、3206.1、3207.1、3208.1、3209.1、套筒325.1通过轴323.1同轴线装在连接导向件321和手肘320之间。同样，套筒3200.2、轮3201.2、3202.2、3203.2、3204.2、套筒324.2和轮3205.2、3206.2、3207.2、3208.2、3209.2、套筒325.2通过轴323.2同轴线装在连接导向件322和手肘310之间。中间的轮3205.1-3205.2与连接导向件321-322为凸起凹槽配合且分别用轴326.1-326.2、327.1-327.2连接固定。其中轮3205.1-3205.2为双轨道轮。丝分别连接在两轨道上控制转动。

如图9为肩关节爆炸示意图，图10为肩关节的正面装配视图。如图轮3100.1、3101.1、3102.1、3103.1、3104.1、套筒312.1和轮3105.1、3106.1、3107.1、3108.1、3109.1、套筒313.1通过轴314.1同轴线装在连接导向件315和手肘310之间。同样，轮3100.2、3101.2、3102.2、3103.2、3104.2、套筒312.2和轮3105.2、3106.2、3107.2、3108.2、3109.2、套筒313.2通过轴314.2同轴线装在连接导向件316和肩311之间。中间的轮3100.1-3100.2与连接导向件315-316为凸起凹槽配合且分别用轴317.1-317.2、318.1-318.2连接固定。其中轮3100.1-3100.2为双轨道轮。丝分别连接在两轨道上控制转动。肘关节与肩关节的转动方向相互垂直。因此，肩关节的导向轮的大小等于肘关节中各轮到手术器械中轴线之间的距离，如此丝传动基本在同一平面上。

如图11为六自由度微创外科手术器械的丝传动示意图(部分导向轮省略)，电机31通过丝固定装置带动丝S11-512控制驱动轮3100.1转动从而完成手术器械的肩关节偏转自由度R1。电机32通过丝固定装置带动丝59-510经过导向轮3105.1连接到驱动轮3205.1上，控制驱动轮3205.1来完成肘关节俯仰自由度R2。电机33通过丝固定装置带动丝57-S8经过导向轮3104.1、3109.1、3204.1、3209.1连接到驱动轮332.1和336.1上，控制驱动轮332.1和336.1来完成腕关节俯仰自由度R3。电机34通过丝固定装置带动丝55-56经过导向轮3103.1、3108.1、3203.1、3208.1、333.1、335.1连接到自转中心轴341上，控制自转中心轴341来完成自转自由度R4。电机211和212通过丝固定装置带动丝S3-S4和S1-S2经过导向轮3101.1、3107.1、3201.1、3207.1和3102.1、3106.1、3202.1、3206.1连接到驱动轮211.1和211.2上，控制驱动轮211.1和211.2沿轴线的相同方向或相反方向来完成指关节的俯仰自由度和开合自由度。

Claims (3)

1.丝传动手术器械，其特征在于：所述丝传动手术器械包括手术器械的动力接口部分(4)，手术器械的主体连杆部分(3)，手术器械的末端执行器部分(2)和手术器械的末端快换部分(1)：所述动力接口部分(4)处于整个手术器械的最后端；主体连杆部分(3)包括肩关节偏转自由度、肘关节俯仰自由度、腕关节俯仰自由度和手腕自转自由度；末端执行器部分(2)包括手指的开合自由度和手指的俯仰自由度；末端快换部分(1)设计在手指(1-1-2)处；所述的腕关节俯仰自由度通过驱动分布于手术器械两侧的驱动轮(332.1-336.1)来实现，而手术器械的中间部分则为驱动手指的丝的通道；所述的手腕自转自由度设计在腕关节(3-3)和指关节(2-1)之间，自转关节包括自转元件(340)、自转中心轴(341)、中心通道件(342.1)和中心通道件(342.2)，自转元件(340)与自转中心轴(341)螺纹连接，自转中心轴(341)与中心通道件(342.1)螺纹连接，中心通道件(342.2)与中心通道件(342.1)同轴线安装于手腕(320)上，通过丝控制自转中心轴(341)来完成自转。

2.按照权利要求1所述的丝传动手术器械，其特征在于：所述的肩关节(3-1)的关节轴线与肘关节(3-2)的关节轴线相互垂直，在丝传动的布局方面为了不容易落丝、不容易磨损轮，肩关节(3-1)处的导向轮的大小等于肘关节的各对应导向轮到手术器械中轴线的距离；这样就可以保证丝在同一平面内传动。

3.按照权利要求1所述的丝传动手术器械，其特征在于：所述末端快换部分(1)置于手指(1-1-2)处，通过手指(1-1-2)的插入或拔出完成快换。