CN105559850B - 一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械，包括：末端执行器部分、偏转‑俯仰部分和自转部分。末端执行器由六维力传感器、钻连接件、俯仰连接件、手术钻、中间连接轴组成，用来实现钻孔和力传感功能。俯仰‑偏转部分由俯仰轴、中间支撑体、偏转驱动轮、偏转轴、传动轮组成，用来完成俯仰和偏转自由度。自转部分由自转轴和碳纤维管组成，用来实现自转自由度。本发明的钻器械采用丝传动，能够实现远距离传动，通过适当预紧消除回差，具有操作空间大，传动精度高，运动稳定性好和感知钻末端力与力矩优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种外科手术钻器械，特别涉及一种用于机器人辅助外科人工耳蜗移植手术具有力传感功能的手术钻器械。
背景技术
近年来随着机器人技术和外科手术技术的不断发展，用于辅助外科手术的机器人逐步走入人们的视野。相对于传统手术，机器人操作手术具有灵敏度高、定位精确和运动平稳等优点。因此，用于辅助外科手术的机器人具有广泛的应用前景。
耳蜗处的组织结构微小复杂，满布神经、肌肉、软骨等结构。在传统手术中，医生在人工耳蜗移植过程中，钻头在各个组织上钻孔的力和力矩大小不同，但是人体很难感知钻头处接触力和力矩的微小变化，手术过程中容易伤害神经和组织，因此获取钻头处的力和力矩有重要意义。
在传统手术过程中，医生手持手术钻对病人手术，其身体跟患者接触，易使患者产生空间压迫感。因此设计一种小巧的辅助外科人工耳蜗移植的手术钻器械至关重要。
在传统手术过程中，医生对耳蜗处进行钻孔，由于手术钻内部电机转动和人生理抖动等因素，钻运行过程中医生难以掌握其稳定性及位置精确性。因此如何提高钻在运行过程中的稳定性和钻孔位置的精确性成为一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有力传感功能且能够提供俯仰、偏转、自转三个自由度的外科手术钻器械，结合手术机器人技术实现机器人辅助耳蜗移植手术中钻的任务。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械，它包括：末端执行器部分、俯仰-偏转部分和自转部分。
所述的末端执行器部分包括六维力传感器、钻连接件、手术钻、俯仰连接件、中间连接轴。所述的钻连接件一侧通过螺钉与所述的六维力传感器相连，另一侧通过孔与所述的手术钻定位并通过紧定螺钉进行连接。所述的俯仰连接件一侧通过螺钉与所述的六维力传感器的另一端相连，另一侧通过半圆形孔槽与中间连接轴相连。
所述的俯仰-偏转部分实现俯仰、偏转两个自由度。所述俯仰-偏转部分包括俯仰轴、中间支撑体、偏转驱动轮、偏转轴、传动轮和轴承。所述俯仰轴通过中间孔与所述中间连接轴垂直定位联接，所述俯仰轴轴端装有弹性挡圈实现对所述轴承的内圈定位，在所述俯仰轴中间孔两侧沿周向方向各有一丝槽，在丝槽处开有固丝用的阶梯孔。所述中间支撑体一侧与所述俯仰轴相连，另一侧通过孔与所述偏转驱动轮定位联接，所述中间支撑体与所述偏转驱动轮所形成的空间用于放置传动丝。所述中间支撑体上有用于定位传动轮的孔，所述传动轮通过轴与所述中间支撑体相连，所述传动轮与所述丝槽相切，保证丝无偏差传动，所述传动轮用于传动实现俯仰自由度的丝。
所述的自转部分实现自转自由度。所述自传部分由碳纤维管和自转轴组成。所述中间支撑体通过碳纤维管快换接口中的自转轴相连，所述自转轴上有用于固定丝端头的阶梯孔和用于缠绕丝的丝槽。所述快换接口部分详见公开的发明专利ZL200910305201.1。
本发明具有如下优点：
1.本发明能够精确反馈手术钻末端的接触力和力矩的大小，有利于手术过程中钻孔位置准确把握。
2.本发明传动系统及俯仰-偏转部分在中间支撑体一个零件上实现两个自由度，结构简单，操作方便灵活，成本低有利于市场普及。
3.本发明俯仰-偏转部分结构小巧，前端实现结构较轻，电机驱动力和驱动力矩较小，减小电机转动对手术钻的稳定性的影响，使手术效果更佳。
4.本发明仅俯仰自由度有传动轮，其余两个均没有传动轮，丝传动方式简单，导向轮少，丝传动摩擦减少，传动更加精确。
5.本发明传动系统中使用钢丝绳传动，传动精度高，配合导向轮可以实现长距离传动，使驱动电机后置，可以保证手术钻的平衡稳定。
附图说明
图1为本发明的用于机器人辅助外科的手术钻器械整体结构示意图；
图2为本发明的具有力传感功能的手术钻器械安装实施示意图；
图3为本发明的具有力传感功能的手术钻器械末端执行器部分结构示意图；
图4为本发明的具有力传感功能的手术钻器械俯仰-偏转结构分解示意图；
图5为本发明的具有力传感功能的手术钻器械三自由度丝传动原理图；
图6为本发明的具有力传感功能的手术钻器械俯仰-偏转自由度丝布局图；
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。
图1为本发明的用于机器人辅助外科的具有力传感功能手术钻器械整体结构示意图，它包括末端执行器部分1，俯仰-偏转部分2和自转部分3。该手术器械有三个自由度：俯仰自由度R1，偏转自由度R2和自转自由度R3。解决手术过程中感知手术钻接触力大小，人为手术定位不准确，操作不稳定，很容易损伤面神经和组织的问题。
图2本发明的具有力传感功能的手术钻器械安装实施示意图，本发明的手术钻器械可安装于快换接口上，所述快换接口部分详见公开的发明专利ZL200910305201.1。
图3为本发明的具有力传感功能的手术钻器械末端执行器部分结构示意图，末端执行器部分包括，钻连接件1-2，六维力传感器1-4，手术钻1-1，俯仰连接件1-6和中间连接轴1-7。钻连接件1-2一侧通过圆周均布螺栓1-5-1、1-5-2、1-5-3与六维力传感器1-4一端连接，手术钻1-1通过钻连接件1-2内部凸台定位，并经紧定螺钉1-3与钻连接件1-2另一侧固连，俯仰连接件1-6一侧通过圆周均布螺栓1-5-4、1-5-5、1-5-6与六维力传感器1-4另一端连接，俯仰连接件1-6另一侧有开孔半圆槽用于和中间连接轴1-7相连。末端执行器用来实现钻孔和力传感功能。
图4为本发明的具有力传感功能的手术钻器械俯仰-偏转部分分解示意图，俯仰-偏转部分包括，俯仰轴2-1，中间支撑体2-2，偏转驱动轮2-6-5，偏转轴2-8。俯仰轴2-1中部有中间孔与中间连接轴1-7相连，俯仰轴2-1两端分别与轴承2-3-1、2-3-2内圈相连，轴承2-3-1、2-3-2外圈与中间支撑体两侧孔2-2联接，轴端用弹性挡圈2-4-1、2-4-2放置在俯仰轴2-1中的沟槽内，实现轴承2-3-1、2-3-2的内圈定位。中间支撑体2-2与偏转驱动轮2-6-5通过偏转轴2-8相连。俯仰轴的转动实现手术钻俯仰自由度，偏转驱动轮的转动实现偏转自由度。
图5和图6分别为：本发明的具有力传感功能的手术钻器械三自由度丝传动原理图和俯仰-偏转自由度丝布局图。俯仰轴2-1两侧各有一个丝槽，在丝槽处开有阶梯孔用于固定丝S1、S2的一端，丝S1的另一端通过销2-5-1将丝S1保持在所需要的平面上，经过导向轮2-6-1、2-6-2传递到与第一电机M1输出轴相连的固丝装置上，同理丝S2经过销2-5-2、导向轮2-6-3和导向轮2-6-4传递到与第一电机M1输出轴相连的固丝装置上，丝S1、S2分别以S型经过导向轮2-6-1、2-6-2和导向轮2-6-3、2-6-4并与所述快换接口的固丝装置相连，完成手术钻俯仰方向的自由度传动丝的闭合回路，从而带动手术钻实现俯仰的自由度R1，完成手术轴的俯仰运动。偏转架2-2上两个阶梯孔2-11-1、2-11-2用于固定丝S3、S4的一端，丝的另一端通过偏转驱动轮2-6-5与中间支撑体2-2形成的空间，后经过偏转驱动轮2-6-5传递到与第二电机M2输出轴相连的固丝装置上，完成丝的闭环传动。丝S3、S4的传动带动偏转驱动轮2-6-5转动，从而带动中间支撑体2-2的偏转实现手术钻的偏转自由度的运动R2。手术钻通过丝S5、S6带动自转轴3-1的转动，实现自转自由度R3，从而带动整个机构实现自转运动。
丝端头的固定方式。图6的A-A所示，在俯仰轴2-1两侧开阶梯孔，用钢丝软管将丝的一端固定于所述开孔的一端，同理丝S1、S2的另一端固定于与电机输出轴相连的固丝装置上。丝S3、S4、S5、S6的固定方式和丝S1、S2的固定方式相同。
Claims (4)
1.一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械，它包括末端执行器部分、俯仰-偏转部分和自转部分，其特征在于：所述的末端执行器分包括六维力传感器，与所述的六维力传感一端相连钻连接件，与所述钻连接件相连的手术钻，与所述的六维力传感器另一端相连的俯仰连接件，与所述俯仰连接件相连的中间连接轴，所述的中间连接轴与俯仰轴垂直相连，所述的俯仰轴两端通过轴承和中间支撑体相连，所述的中间支撑体与偏转驱动轮相连，所述的偏转驱动轮套接在偏转轴上，所述的俯仰轴用于实现俯仰自由度的同时和中间支撑体相连，所述的中间支撑体通过碳纤维管和自转轴相连，所述的俯仰-偏转部分、自转部分通过多段钢丝绳带动所述的俯仰轴，所述的偏转驱动轮和所述的自转轴转动进而实现偏转、俯仰和自转三个自由度。
2.按照权利要求1所述的一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械，其特征在于：所述的钻连接件一侧通过螺钉与所述的六维力传感器相连，所述的钻连接件另一侧通过紧定螺钉与所述的手术钻相连。
3.按照权利要求1所述的一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械，其特征在于：所述的俯仰轴两端通过轴承和所述中间支撑体相连，所述的俯仰轴的中间孔用于与所述的中间连接轴定位联接，所述的俯仰轴两侧分别开有传动丝槽，所述的传动丝槽开有用于固定丝一端的阶梯孔。
4.按照权利要求1所述的一种用于机器人辅助外科具有力传感功能的手术钻器械，其特征在于：所述的中间支撑体一侧通过轴承与所述的俯仰轴相连、所述的中间支撑体另一侧通过孔与所述的偏转驱动轮定位联接，所述的中间支撑体与所述偏转驱动轮所形成的空间用于放置传动丝。
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