CN104983466A - 手术机器人柔性工具双驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了手术机器人柔性工具双驱动机构，它包括水平连接板，在水平连接板上固定安装有第一驱动支架，在水平连接板一端安装有电机，在电机的输出轴上固定连接有第一驱动轮，在水平连接板的另一端固定安装有第二驱动支架，在第二驱动支架上安装有第一导向轮、第二导向轮、中间传动轮以及第二驱动轮，外壳连接座固定在第二驱动支架上，在外壳连接座上连接有辅助驱动轮，辅助驱动轮外壳罩在外壳连接座上，在辅助轮外壳上沿竖直方向对称分布的开有两个孔，在两个孔中均装有压缩弹簧，两压缩弹簧的一端分别压在辅助驱动轮的转轴两端。本装置操作方便实用，能够方便用于驱动柔性工具的机器人中。

Description

手术机器人柔性工具双驱动机构

技术领域

本发明涉及一种用于微创手术机器人用的驱动机构，特别涉及一种柔性工具的双驱动机构。

背景技术

手术的发展历程经历了传统的开口手术、腔镜下微创手术再到机器人辅助微创手术。手术对病人的创伤越来越小，从开口到多孔，以及经自然腔道进入体内的无孔手术，对于手术工具的要求越来越高，尤其在经自然腔道微创手术机器人上，其需要手术机器人的手术工具越加柔软，不伤害口、鼻、肛门等，同时其可操作性越来越好，自动化程度、自能化程度越来越高。在传统的经自然腔道手术以及介入手术中过程中，柔性工具如胃镜、尿道镜以及介入导管鞘的插入是通过医生人手握住工具靠近病人入口端的位置不断地往病人体内递送，从而把工具插入病人体内进行探查或者手术等操作。然而在机器人操作过程中，由于手术工具的柔性，机器人在递送手术工具到人体内时，由于机器人对于手术工具的驱动位于柔性器械的后端刚性结构处(如胃镜、尿道镜的驱动手柄端)，工具柔性段的刚性不足而导致柔性工具如胃镜、尿道镜或者介入导管等难以驱动进入病人体内。

目前，国内外均柔性工具进行研究和设计。专利US8394054B2研究了心脏介入导管的机器人系统，其利用两个驱动模块来实现导管的递送，第一个模块用来驱动导管鞘，第二个模块驱动导管进入导管鞘。该驱动方法需要两套驱动系统，结构复杂，成本高。专利WO2013/036909A1中针对柔性工具特别是尿道镜手术机器人通过设计一个三自由度的驱动装置对尿道镜进行驱动，前端没有对内窥镜柔性段的支撑机构或者驱动机构。专利CN101247847中的导管机器人导管通过一个驱动进入体内，在机器人前端有一个支撑机构支撑导管的柔性部分。专利CN102028549B亦专通过一支撑机构支撑导管机器人的导管，但该支撑机构以导管为轴转动，避免机器人在驱动导管转动时的转动不便。专利101918073A的导管机器人通过把整个导管通过一个长形滑轨上的V型滑槽内提高柔性导管的刚性。以上专利的结构设计中，对于柔性工具部分都是通过被动的支撑机构，没有主动驱动机构，导致柔性的导管由于受到摩擦以及其他干扰力的作用很难推送前进。

在微创手术中，机器人辅助手术、特别是介入或者经自然腔道手术能够最大限度地减少病人创伤，降低患者痛苦，节省病人恢复时间。然而，在手术机器人的操作机构，特别是对于柔性工具的驱动机构，不仅直接影响病人的手术质量，同时对于医生的操作使用产生重要影响。因此，对机器人辅助手术而言，降低手术执行难度，提高可操作性的根本方法就是开发高效的机构，设计性能良好的手术机器人，在提高病人的手术疗效和增加医生的可操作性，保证手术顺利实施。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种结构简单、可操作性好的手术机器人柔性工具双驱动机构。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的手术机器人柔性工具双驱动机构，它包括一个水平连接板，在所述水平连接板上固定安装有一个第一驱动支架，所述第一驱动支架用于装卡安装柔性工具，在水平连接板一端通过电机连接座安装有电机，在所述电机的输出轴上固定连接有一个转轴沿水平方向设置的第一驱动轮，在所述水平连接板的另一端固定安装有一个第二驱动支架，在所述第二驱动支架上从下至上沿水平方向通过转轴安装有能够绕各自的转轴转动的第一导向轮、第二导向轮、中间传动轮以及第二驱动轮，所述的第二驱动轮能够在中间传动轮的驱动下转动，外壳连接座固定在第二驱动支架上，在所述外壳连接座上通过转轴转动连接有轴线与第二驱动轮平行设置的辅助驱动轮，所述的辅助驱动轮设置在第二驱动轮上方，辅助驱动轮外壳罩在外壳连接座上并与外壳连接座固定连接，在所述辅助轮外壳上沿竖直方向对称分布的开有两个孔，在两个孔中均装有压缩弹簧，两压缩弹簧的一端分别压在辅助驱动轮的转轴两端，在压缩弹簧的压力下，能够把柔性工具软管部分压紧在辅助驱动轮与第二驱动轮之间，传动带一端固定在第一驱动支架上，另一端经过第一驱动轮，传到水平连接板的下方，传动带经过张紧装置后连接到第一导向轮，传动带经过第一导向轮导向后传到中间传动轮，经过中间传动轮后传到第二导向轮，传动带经第二导向轮导向后另一端返回并固定到第一驱动支架上。

与现有技术相比，本发明提供的一种手术机器人柔性工具双驱动机构具有以下有益效果：

1.本发明的一种手术机器人柔性工具双驱动机构，结构巧妙，操作方便实用，能够方便用于驱动柔性工具的机器人中。

2.本发明的一种手术机器人柔性工具双驱动机构，采用单电机双位置驱动，在操作中能够保证机器人能够同时驱动柔性工具的握柄部分以及软管部分，大大提高了柔性工具的操作刚性。

3.本发明的手术机器人柔性工具双驱动机构，采用钢丝驱动或者带传动，能够很好地减少机器人的体积和重量，更加利于机器人的使用和操作。

5.本发明的手术机器人柔性工具双驱动机构可面向不同的柔性工具机器人，如尿道镜机器人、介入导管机器人等，可满足不同医院条件以及不同的手术机器人要求，具有宽广的应用扩展潜力。

附图说明

图1为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构在导管机器人中的应用示意图；

图2为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构连接原理示意图；

图3为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构柔性工具驱动端结构示意图；

图4为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构柔性工具驱动端安装前结构示意图；

图5为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构驱动电机安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。

如附图所示的本发明的手术机器人柔性工具双驱动机构，它包括一个水平连接板14，在所述水平连接板上固定安装有一个第一驱动支架2，所述第一驱动支架2上用于装卡安装柔性工具(如尿道镜、导管等)，在水平连接板14一端通过电机连接座19安装有电机1。在所述电机1的输出轴上固定连接有一个转轴沿水平方向设置的第一驱动轮13。

在所述水平连接板14的另一端固定安装有一个第二驱动支架15，在所述第二驱动支架15上从下至上通过转轴沿水平方向安装有能够绕各自的转轴转动的第一导向轮7、第二导向轮8、中间传动轮9以及第二驱动轮10。所述的第二驱动轮10能够在中间传动轮9的驱动下转动。

外壳连接座18固定在第二驱动支架15上，两者之间的固定结构可以为：外壳连接座18通过其两侧对称分布的弹性卡扣18A插到对称分布在第二驱动支架15两侧的第二驱动支架卡槽15A中进行固定。当然也可以采用过盈卡紧配合、螺钉链接、粘接或者焊接等结构固定。

在所述外壳连接座18上通过转轴转动连接有轴线与第二驱动轮10平行设置的辅助驱动轮11。所述的辅助驱动轮11设置在第二驱动轮10上方，辅助驱动轮外壳17罩在外壳连接座18上并与外壳连接座18固定连接，在所述辅助轮外壳17上沿竖直方向对称分布的开有两个孔，在两个孔中均装有压缩弹簧16，两压缩弹簧16的一端分别压在辅助驱动轮11的转轴两端。在压缩弹簧16的压力下，能够把柔性工具软管部分12A压紧在辅助驱动轮11与第二驱动轮10之间。

传动带一端固定在第一驱动支架2上，另一端经过第一驱动轮13，传到水平连接板的下方，传动带经过张紧装置后连接到第一导向轮7，传动带经过第一导向轮7导向后传到中间传动轮9，经过中间传动轮9后传到第二导向轮8，传动带经第二导向轮8导向后另一端返回并固定到第一驱动支架13上。

传动带的张紧装置可以为：

所述的张紧装置包括设置在第一驱动支架2与第二驱动支架15之间的水平连接板14下侧并且与水平连接板14相连的张紧轮，所述的张紧轮的轴线沿竖直方向设置。所述的张紧轮包括第一张紧轮4、第二张紧轮5与第三张紧轮6。所述第一张紧轮4与第三张紧轮6通过轴孔过盈配合固定连接在水平连接板14上；第二张紧轮5的上端轴放置于水平连接板14上的一个长孔中且在孔中的位置手动调整，第二张紧轮5的上端轴开有一螺纹孔，通过一个螺钉穿过水平连接板14的长孔拧入第二张紧轮5上端的螺纹孔中使第二张紧轮5固定连接在水平连接板14上。传动带经过第一张紧轮4导向后绕到第二张紧轮5连接到第三张紧轮6，经过第三张紧轮6导向后连接到第一导向轮7。

传动带的张紧装置另外一种实施方式可以为：传动带在需要张紧的位置断开，传动带断开处的一端与螺栓固连，另外一端与螺母固连，通过调节螺母拧入螺栓的量来张紧传动带。

下面再结合每一幅图对本发明加以详细说明。

如图1所示本发明手术机器人柔性工具双驱动机构在导管机器人中的应用示意图，在导管机器人中，其包括一根商业化的产品导管12，导管12的机器人控制一般至少需要控制其转动R1以及导管的前后移动T1。而机器人控制导管12进出是最为关键的步骤之一，本发明柔性工具双驱动机构即是用来驱动导管12的前后移动T1的。

图2为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构连接原理示意图，所述柔性工具双驱动机构的驱动原理为：传动带为钢丝绳3，其一端通过打结等方式固定在第一驱动支架2上，另一端经过第一驱动轮13，并绕第一驱动轮13多圈(一般4圈以上为宜)后，钢丝绳3经过第一张紧轮4导向后绕到第二张紧轮5连接到第三张紧轮6，经过第三张紧轮6导向后连接到第一导向轮7，钢丝绳3经过导向轮7导向后传到中间传动轮9，绕中间传动轮9多圈(以4圈以上为宜)后传到第二导向轮8，钢丝绳3经第二导向轮8导向后另一端返回并通过打结等方式固定到第一驱动支架13上。在钢丝绳3连接完毕后，可以通过手动调整第二张紧轮5的左右移动对钢丝绳3进行张紧。

所述导管12的握柄通过紧配合卡在第一驱动支架2上端的凹槽中固定连接，另外一端软管部分12A通过两滚轮第二驱动轮10以及辅助驱动轮11滚动挤压实现前后运动T1。所述第一驱动支架2的底面通过螺钉固定连接到水平连接板14上(结合图3)，所述的第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9的连接传动方式为：第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9直接接触，中间传动轮9通过摩擦力带动第二驱动轮10转动。

所述的第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9的连接传动的另外一种实施方式为：第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9通过齿轮传动连接，中间传动轮9通过齿轮啮合传动带动第二驱动轮10转动。

所述柔性工具双驱动机构的另外一种驱动形式为：传动带为一根普通带、钢带或者齿形带，传动带的缠绕方式与传动带为钢丝绳时传递方式相同，但传动带在绕第一驱动轮13以及中间传动轮9时不再缠绕多圈，只需要包覆在外侧即可。

图3为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构柔性工具驱动端结构，水平连接板14上在下侧安装有第一张紧轮4、第二张紧轮5与第三张紧轮6。所述第一张紧轮4与第三张紧轮6通过轴孔过盈配合固定连接在水平连接板14上；第二张紧轮5的上端轴放置于水平连接板14上的一个长孔14A中且在孔中的位置能够手动调整，其上端有一螺纹孔，通过一个螺钉穿过水平连接板14的长孔拧入第二张紧轮5上端的螺纹孔中保证第二张紧轮5固定连接在水平连接板14上。

所述水平连接板14一端的上表面通过螺钉或者焊接安装固定安装一个第二驱动支架15，在所述第二驱动支架15上有对称的转轴安装孔，第一导向轮7、第二导向轮8以及中间传动轮9通过转轴固定安装在相应的第二驱动支架15的各安装孔中(安装孔没有画出)。所述第一导向轮7、第二导向轮8以及中间传动轮9可以绕各自的转轴转动。

结合图4，所述第二驱动支架15上方有两对称分布沟槽15B，第二驱动轮10通过其转轴两端置于第二驱动支架15上对称分布的沟槽15B中且第二驱动轮10能绕其转轴自由转动。外壳连接座18安装在第二驱动支架15上并通过其两侧对称分布的弹性卡扣18A伸到对称分布在第二驱动支架15两侧的第二驱动支架卡槽15A中进行固定。所述外壳连接座18其上端对称分布开有一组沟槽，所开沟槽可以与沟槽15B相同。辅助驱动轮11上的转轴两端放置于沟槽中，辅助驱动轮外壳17罩在外壳连接座18的上方并通过螺钉等方式与外壳连接座18固定安装，所述辅助轮外壳17上两侧对称分布的孔中装有压缩弹簧16，两压缩弹簧16的一端分别压在辅助驱动轮11的转轴两端。

所述导管12的握柄通过紧配合卡在第一驱动支架2上端的凹槽中固定连接，所述的第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9的连接传动方式为：第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9直接接触，中间传动轮9通过摩擦力带动第二驱动轮10转动。

所述的第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9的连接传动的另外一种实施方式为：第二驱动轮10的轮表面与中间传动轮9通过齿轮传动连接，中间传动轮9通过齿轮啮合传动带动第二驱动轮10转动。

如图4所示，安装柔性工具12中的软管部分12A时，先把第二驱动轮10通过其转动轴置于沟槽15B中，第二驱动轮10是一次性使用品或者可消毒重复使用，把软管部分12A放置于第二驱动轮上，把外壳连接座18罩在第二驱动支架15上端，通过外壳连接座18其两侧的弹性卡扣18A伸到第二驱动支架卡槽15A中进行固定连接，此时所述辅助驱动轮11在压缩弹簧16的压力下，把软管部分12A压紧在辅助驱动轮11与第二驱动轮10之间，中间传动轮9通过齿轮啮合传动或者摩擦带动第二驱动轮10的转动，第二驱动轮10以及辅助驱动轮11滚动挤压实现软管部分12A的直线运动T1。软管12A需要转动时，本发明柔性工具双驱动机构在其他机器人结构(图1所示)的驱动下围绕柔性工具12轴线转动，从而带动软管12A转动。

图5为本发明手术机器人柔性工具双驱动机构电机安装结构示意图，第一驱动支架2一端的上表面通过螺钉固定安装一个电机连接座19，电机1通过螺钉固定安装在所述电机连接座19的安装孔中，所述电机1的输出轴上固定连接一个第一驱动轮13。

所述电机1工作时，通过第一驱动支架2与第二驱动轮10同时分别驱动柔性工具12的握柄部分或者柔性工具12的软管部分12。

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，附图中所示的只是本发明的实施方式之一，实际的结构也并不局限于此。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，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计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。

Claims (8)

1.手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：它包括一个水平连接板，在所述水平连接板上固定安装有一个第一驱动支架，所述第一驱动支架用于装卡安装柔性工具，在水平连接板一端通过电机连接座安装有电机，在所述电机的输出轴上固定连接有一个转轴沿水平方向设置的第一驱动轮，在所述水平连接板的另一端固定安装有一个第二驱动支架，在所述第二驱动支架上从下至上沿水平方向通过转轴安装有能够绕各自的转轴转动的第一导向轮、第二导向轮、中间传动轮以及第二驱动轮，所述的第二驱动轮能够在中间传动轮的驱动下转动，外壳连接座固定在第二驱动支架上，在所述外壳连接座上通过转轴转动连接有轴线与第二驱动轮平行设置的辅助驱动轮，所述的辅助驱动轮设置在第二驱动轮上方，辅助驱动轮外壳罩在外壳连接座上并与外壳连接座固定连接，在所述辅助轮外壳上沿竖直方向对称分布的开有两个孔，在两个孔中均装有压缩弹簧，两压缩弹簧的一端分别压在辅助驱动轮的转轴两端，在压缩弹簧的压力下，能够把柔性工具软管部分压紧在辅助驱动轮与第二驱动轮之间，传动带一端固定在第一驱动支架上，另一端经过第一驱动轮，传到水平连接板的下方，传动带经过张紧装置后连接到第一导向轮，传动带经过第一导向轮导向后传到中间传动轮，经过中间传动轮后传到第二导向轮，传动带经第二导向轮导向后另一端返回并固定到第一驱动支架上。

2.根据权利要求1所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的外壳连接座固定在第二驱动支架上的结构为：所述的外壳连接座通过其两侧对称分布的弹性卡扣插到对称分布在第二驱动支架两侧的第二驱动支架卡槽中使两者固定。

3.根据权利要求1或2所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的张紧装置包括设置在第一驱动支架与第二驱动支架之间的水平连接板下侧并且与水平连接板相连的张紧轮，所述的张紧轮的轴线沿竖直方向设置，所述的张紧轮包括第一张紧轮、第二张紧轮与第三张紧轮，所述第一张紧轮与第三张紧轮通过轴孔过盈配合固定连接在水平连接板上，第二张紧轮的上端轴放置于水平连接板上的一个长孔中，第二张紧轮的上端轴开有一螺纹孔，通过一个螺钉穿过水平连接板的长孔拧入第二张紧轮上端的螺纹孔中使第二张紧轮固定连接在水平连接板上，传动带经过第一张紧轮导向后绕到第二张紧轮连接到第三张紧轮，经过第三张紧轮导向后连接到第一导向轮。

4.根据权利要求1或2所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的传动带在需要张紧的位置断开，传动带断开处的一端与螺栓固连，另外一端与螺母固连，通过调节螺母拧入螺栓的量来张紧传动带。

5.根据权利要求3所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的传动带为钢丝绳，所述的钢丝绳一端通过打结方式固定在第一驱动支架上并且另一端经过第一驱动轮和中间传动轮时缠绕多圈。

6.根据权利要求3所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的传动带为普通带、钢带或者齿形带中的一种。

7.根据权利要求3所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的第二驱动轮的轮表面与中间传动轮直接接触，中间传动轮通过摩擦力带动第二驱动轮转动。

8.根据权利要求3所述的手术机器人柔性工具双驱动机构，其特征在于：所述的第二驱动轮的轮表面与中间传动轮通过齿轮传动连接，中间传动轮通过齿轮啮合传动带动第二驱动轮转动。