CN105963017A - 一种空间多自由度手术辅助手臂机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间多自由度手术辅助手臂机构，包括手臂支架、触手组件以及连接在触手组件与手臂支架之间，用于对触手组件进行三维方向调整的运动组件；所述触手组件包括触手安装盘以及固定在触手安装盘上的若干触手，每个触手由若干触手子节铰接而成，相邻两个触手子节之间设有限制两者相对旋转角度的弹性限位件；所述运动组件包括水平方向调整单元和竖直方向调整单元，该水平方向调整单元和竖直方向调整单元均通过蜗轮蜗杆副结构进行位置调整。本发明操作简单，高效，成本低，适用于辅助医生做不同外科手术。

Description

一种空间多自由度手术辅助手臂机构

技术领域

本发明涉及一种机械手臂机构，具体来说，是涉及一种在空间上可以多位置移动的具有自锁及可以梯度调节的手臂机构。

背景技术

医生在做外科手术或者在做模拟手术时，两只手的操作是有限的，一般都需要助手的帮助，由助手帮助医生拿取手术器械，帮助夹持生物组织，剪切组织，但是一般情况下助手会有手抖动的情况。有些组织或器官会在手术过程中挡住医生视线，也需要助手用相应器械拨开组织或器官，便于医生继续做手术。但是很多需要手术的部位是很小的区域，助手在辅助医生的过程中，反而会挡住医生视线，妨碍做手术，或者为了能使视野开阔，会增大手术创口面积，而且医生周围场地有限，助手过多，会妨碍医生顺利进行手术。

目前报道的文献中，多是针对手术台的改进，比如申请号为201510044457.7的专利文献公开了一种骨外科手术台，其在手术台主体上设有高度调节控制开关，高度调节控制开关右侧设有固定足支撑腿，手术台主体与固定足支撑腿之间设有固定连接孔，固定足支撑腿下侧设有中空连接孔，中空连接孔下侧设有固定足，固定足上设有移动轮控制杆，移动轮控制杆下侧设有固定提拉杆，固定提拉杆下设有移动轮固定片，移动轮控制片下侧设有移动轮，手术台主体上设有手术操作台，手术操作台右侧设有头部躺靠台连接片，头部躺靠台连接片内设有固定旋转轮，固定旋转轮上设有固定卡槽。比如申请号为201520591622.6的专利文献公开了一种新型联动式综合手术台，由台面升降器1、升降头枕板2、搁手板3、背垫板4、腿垫板5、脚蹬板6、分腿支撑架7、手臂支撑架8、身体固定座9、肩膀固定架10、遮布架11、操控器12组合构成。台面升降器1底座里面设有暗藏式万向脚轮，内部还设有整体升降装置。再比如，申请号为201520161651.9的专利文献公开了一种用于脑外科的手术托架，包括固定底座、左右支架，固定底座一侧设有卡槽，左右支架均包括伸缩杆、转轴、支撑架，固定底座上设置有滑轨，在滑轨内有滑座，滑座与伸缩杆固定连接，伸缩杆上端与转轴相连，转轴上方与支撑架相连，卡槽下方设置有4-8个螺栓，支撑架上方设置有凹槽，凹槽上方设置有弧形充气垫，弧形充气垫上方设置有聚氨酯纤维层。

上述这类文献，主要是针对手术台整体的改进，其固定点的设置，也是针对手术患者身体和肢体的固定，并没有对手术部位组织等进行固定的结构设计。而且，上述这些文献中提到的方案，一般结构较为复杂，一个部件出现问题，整个手术台就需要更换，使用成本较高。

因此一种空间多自由度手术辅助手臂的设计是很有意义的，采用触手模块使得机械辅助手臂更加灵活，可变，更加有效的帮助外科医生对机体器官和组织的狭窄部分进行操作，同时在该辅助手臂触手上可以装载多种外科手术工具，像夹具或者刀具，以便使其更加功能性的发挥作用，从而克服了传统工具和器械的障碍，器械又小又巧，按照医生的思路来操作辅助手臂，可以减少助手数量，减少阻挡视野面积，打开视野，帮助医生们避开对危险结构的破坏，比如血管的附近结构等，使医生更加顺利的进行外科手术操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间多自由度手术辅助手臂机构，该机构用来辅助医生做外科手术，结构紧凑，且避免发生抖动，而且小巧，所占空间很小，使医生视野开阔，减少阻挡视野面积，并能在触手占有狭小空间的情况下，拨开阻挡视线的组织或者器官，使手术顺利进行，还可以减少手术助手数量，帮助医生更好的进行手术操作，使创伤面积更小。

一种空间多自由度手术辅助手臂机构，包括手臂支架、触手组件以及连接在触手组件与手臂支架之间，用于对触手组件进行三维方向调整的运动组件；

所述触手组件包括触手安装盘以及固定在触手安装盘上的若干触手，每个触手由若干触手子节铰接而成，相邻两个触手子节之间设有限制两者相对旋转角度的弹性限位件；

所述运动组件包括水平方向调整单元和竖直方向调整单元，该水平方向调整单元和竖直方向调整单元均通过蜗轮蜗杆副结构进行位置调整。

作为优选，所述水平方向调整单元包括：

与手臂支架固定的第一安装座；

固定在第一安装座上的第一蜗轮蜗杆副；

用于调整蜗杆转动的第一手轮；

所述第一蜗轮蜗杆副包括轴接在第一安装座内的水平蜗杆以及第一蜗轮杆，该第一蜗轮杆顶端设有与水平蜗杆单向传动啮合的蜗轮结构。

作为优选，所述竖直方向调整单元包括：

与第一蜗轮杆底端固定的第二安装座；

固定在第二安装座上的第二蜗轮蜗杆副；

用于调整第二蜗轮蜗杆副中蜗杆转动的第二手轮；

所述第二蜗轮蜗杆副包括轴接在第二安装座内的竖直蜗杆以及第二蜗轮杆，该第二蜗轮杆顶端设有与竖直蜗杆单向传动啮合的蜗轮结构。

作为进一步优选，所述第一安装座上设有限位结构，使第一蜗轮杆可在水平方向上进行180度转动；

所述第二安装座上设有限位结构，使第二蜗轮杆可在水平方向上进行180度转动。

本发明中，通过转动第一手轮，可以使第一蜗轮杆以下的辅助手臂部分在水平面上绕第一蜗轮杆的蜗轮中心转动，转动范围在-90度到+90度，并可以实现反向自锁；通过转动第二手轮，可以使第二蜗轮杆以下的辅助手臂部分在垂直面上绕第二蜗杆的蜗轮中心转动，转动范围在-90度到+90度，并可实现反向自锁，最终使第二蜗轮杆以下的辅助手臂部分可以在空间多位置移动。

作为优选，所述弹性限位件为压缩弹簧；

每个触手子节包括本体，所述本体一端设有轴孔；所述本体另一端设有带有铰接孔的弹簧座以及设置所述铰接孔内且活动连接的铰接轴；

所述压缩弹簧设置在所述铰接孔内，该压缩弹簧一端与弹簧座相对固定，另一端与铰接轴相对固定，实现两者之间里的传动和限位；

触手子节一端的轴孔用于与该端相邻的触手子节的铰接轴相互固定；触手子节另一端的铰接轴用于与该端相邻的触手子节的轴孔相互固定。

作为优选，自靠近触手安装盘一端向靠近手术台方向，每个触的多个触手压缩弹簧的弹性系数依次减小。由于触手子节之间的作用力是由梯度弹簧施加，所以当移动触手顶端时，最先跟着移动是触手顶端，随着施加力的增大，移动范围增大，触手子节由触手顶端向根部传递力，引起靠近触手根部的触手子节绕铰接螺栓转动。

作为优选，所述轴孔的轴线方向与铰接孔轴线方向垂直。

本发明中，所述触手是由触手子节组成，触手子节两端是呈90度的铰接孔，通过触手子节的相互绞接，并在梯度弹簧挤压下，可以使触手在空间多位置移动。

作为优选，所述触手底端设有手术用镊子或手钳。本发明中可在触手底部固定镊子，手钳，在模拟手术台进行辅助手臂的模拟动作。可以通过镊子把组织外皮拨开，手钳夹紧组织扯向两边，使医生手术过程更方便。医生两只手的操作是有限的，在助手的帮助下有手抖的情况出现，本机构上的触手上固定的镊子和手钳不会发生颤抖的情况，而且小巧，所占空间很小，使医生视野开阔，在不损伤组织器官，避开对危险结构破坏的情况下，比如血管的附近结构等，更加顺利的进行外科手术操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

可以实现自锁，安全性高。该结构采用涡轮蜗杆传动，利用涡轮蜗杆自锁的特点，可以实现反向自锁，即只能有蜗杆带动涡轮，而不能由涡轮带动蜗杆。如在机械辅助手臂中采用涡轮蜗杆机构，其反向自锁性可以提高安全性能。

结构简单，紧凑。涡轮蜗杆的运动和动力传动是在两交错轴之间，而且触手模块是通过螺栓铰接在一起，使得整个机械辅助手臂结构简单，紧凑。

传动平稳，传动比大，可以任意角度的转动，实现无级转动。采用涡轮蜗杆传动可以获得大的传动比，传动平稳。转动第一手轮装置可以使涡轮在-90度到+90度之间任意角度转动。

触手采用触手模块组成，移动起来更加灵活。模块两端呈90度交错，可以实现多自由度多位置移动。

梯度传递模块作用力。由于模块连接采用不同弹簧系数的弹簧，所以使模块在连接中形成梯度，对于施加的力反应幅度不同，结果是触手远端先动，然后传递到触手近端。

外科医生在手术过程中可以用手操作手轮装置和触手，可以任意移动，并任意停滞空间位置，操作方便，高效。

采用触手模块使得机械辅助手臂更加灵活，可变，更加有效的帮助外科医生对机体器官和组织的狭窄部分进行操作，同时在该辅助手臂触手上可以装载多种外科手术工具，像夹具或者刀具，以便使其更加功能性的发挥作用，从而客服了传统工具和器械的障碍。

触手模块上装载镊子，手钳，在模拟手术台进行辅助手臂的模拟动作。可以通过镊子把组织外皮拨开，手钳夹紧组织扯向两边，使医生手术过程更方便。医生两只手的操作是有限的，在助手的帮助下有手抖的情况出现，本机构上的触手上固定的镊子和手钳不会发生颤抖的情况，而且小巧，所占空间很小，在不损伤组织器官，避开对危险结构破坏的情况下，比如血管的附近结构等，更加顺利的进行外科手术操作。每个触手前段可以相应固定手术器械，医生可以方便从触手上取下手术器械。

附图说明

图1为本发明的一种空间多自由度手术辅助手臂机构示意图。

图和竖直方向调整单元的结构示意图。

图3为本发明的一种空间多自由度手术辅助手臂机构的触手结构示意图。

图4为触手子节的放大结构示意图。

图5为本发明的一种空间多自由度手术辅助手臂机构的第一涡轮蜗杆副的结构示意图。

图6为本发明的一种空间多自由度手术辅助手臂工作状态示意图。

图中：1为手臂支架，1a为底座，1b为立柱，1c为安装臂，2为触手，2a为本体，2b为铰接轴，2c为轴孔，3为触手安装盘，4为第二蜗杆，5为第二手轮，6为第一蜗杆，7为第一手轮，8为压缩弹簧，9为弹簧座，10为第一安装座，11为第二安装座，12为镊子，13为钳子，14为模拟手术台。

具体实施方式

如图1所示，一种空间多自由度手术辅助手臂机构，包括手臂支架1、水平方向调整单元、竖直方向调整单元、受竖直方向调整单元和水平方向调整单元调整的触手安装盘3以及安装在触手安装盘3底面的触手组。

手臂支架1一般包括底座1a、固定在底座1a上的立柱1b、以及固定在立柱1b顶部的安装臂1c，安装臂1c倾斜设置。

参考图2和图5，安装臂1c向下倾斜的底端固定有竖直方向调整单元。水平方向调整单元包括与安装臂1c固定的第一安装座10、固定在第一安装座10上的第一蜗轮蜗杆副以及用于调整蜗杆的第一手轮7，第一蜗轮蜗杆副包括轴接在第一安装座10内的水平蜗杆以及与水平蜗杆单向传动啮合的第一蜗轮杆6，其中水平蜗杆与设置在第一安装座10外部的第一手轮7同轴固定，实现第一手轮7对水平蜗杆的调节，进而实现对第一蜗轮杆6及安装在其上的部件的竖直位置调整。

第一蜗轮杆6顶端设有与水平蜗杆啮合的蜗轮结构，底端固定有竖直方向调整单元。竖直方向调整单元包括与第一蜗轮杆6底部固定的第二安装座11、固定在第二安装座11上的第二蜗轮蜗杆副以及用于调整蜗杆的第二手轮5，第二蜗轮蜗杆副包括轴接在第二安装座11内的竖直蜗杆以及与竖直蜗杆单向传动啮合的第二蜗轮杆4，其中竖直蜗杆与设置在第二安装座11外部的第二手轮5同轴固定，实现第二手轮5对水平蜗杆的调节，进而实现对第二蜗轮杆4及安装在其上的部件的水平位置调整。

本发明中，提到的竖直和水平并非严格的竖直设置和水平设置，“竖直”和“水平”仅仅从功能上进行的描述，对带有“竖直”和“水平”的具体结构和安装方式无严格的限定。

第二蜗轮杆4顶部设有与第二蜗轮杆4啮合的蜗轮结构，底部与触手安装盘3固定：

参考图3，触手安装盘3底部设有铰接座，通过铰接座铰接有触手组，触手组由若干触手2组成，触手2的个数与铰接座一般对应，可根据实际需要调整。当然，铰接座的数量也可以多于触手的数量，以备用。图中为铰接座和触手2四个。触手2由若干触手子节铰接而成。

参考图4，图4为一个触手子节的放大结构图。触手子节包括本体2a，本体2a一端(图3、图4中为底端)设有轴孔2c，另一端设有弹簧座9、设置在弹簧座9的铰接孔内且活动连接的铰接轴2b、以及设置在铰接孔内的压缩弹簧8，压缩弹簧8一端与弹簧座9相对固定，另一端与铰接轴2b相对固定，实现两者之间里的传动。

其中，触手子节底端的轴孔2c用于与下面相邻的触手子节的铰接轴2b通过螺母相互固定，触手子节顶端的铰接轴2b用于与上面相邻的触手子节的轴孔2c通过螺母相互固定。铰接轴2b一般可采用螺栓结构。

参考图6，最顶端的触手子节与设置在触手安装盘3上的铰接座连接；最低端的触手子节与镊子12，手钳13等固定。

每个触手自上而下设置有多个压缩弹簧8，自上(靠近触手安装盘3)而下(靠近镊子12，手钳13等)压缩弹簧8的弹性系数依次减小，所以使各个触手子节在连接中形成梯度，对于施加的力反应幅度不同，结果是触手远端(靠近手术台)先动，然后传递到触手近端(远离手术台)。

本发明中，手臂支架1用于支撑整个手臂机构，通过第一手轮7调节第一蜗轮杆6使其以下的辅助手臂结构部分在水平面上绕第一蜗轮杆的蜗轮中心转动，转动范围在-90度到+90度(参考图5)，并可以实现反向自锁，通过第二手轮5调节第二蜗轮杆使其以下的辅助手臂结构部分在垂直面上绕第二蜗轮杆的蜗轮中心转动，转动范围在-90度到+90度，并可实现反向自锁，结果使第二蜗轮杆以下的辅助手臂结构部分可以在空间多位置实现三维移动。通过触手子节的相互铰接，并在梯度分布的压缩弹簧挤压下，可以使触手在空间多位置移动。

如图3所示，本发明的机械手臂机构触手2在外力的驱动下，可以移动到空间任意位置。如图4所示，触手子节之间通过铰接轴9绞连接，并在压缩弹簧8的挤压作用下使触手子节之间产生摩擦力。如图5所示，本发明中的涡轮蜗杆副不仅可以任意角度转动，而且可以反向自锁。

实际使用时，如图6所示，触手2最底部的触手子节上固定镊子12，手钳13，在模拟手术台14上进行辅助手臂的模拟动作。可以通过镊子12把组织外皮拨开，手钳13夹紧组织扯向两边，使医生手术过程更方便。医生两只手的操作是有限的，在助手的帮助下有手抖的情况出现，本发明的手术辅助手臂机构上的触手上固定的镊子和手钳不会发生颤抖的情况，而且小巧，所占空间很小，视野开阔，在不损伤组织器官，避开对危险结构破坏的情况下，比如血管的附近结构等，更加顺利的进行外科手术操作。

Claims (8)

1.一种空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：

包括手臂支架、触手组件以及连接在触手组件与手臂支架之间，用于对触手组件进行三维方向调整的运动组件；

所述触手组件包括触手安装盘以及固定在触手安装盘上的若干触手，每个触手由若干触手子节铰接而成，相邻两个触手子节之间设有限制两者相对旋转角度的弹性限位件；

所述运动组件包括水平方向调整单元和竖直方向调整单元，该水平方向调整单元和竖直方向调整单元均通过蜗轮蜗杆副结构进行位置调整。

2.根据权利要求1所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：所述水平方向调整单元包括：

与手臂支架固定的第一安装座；

固定在第一安装座上的第一蜗轮蜗杆副；

用于调整蜗杆转动的第一手轮；

所述第一蜗轮蜗杆副包括轴接在第一安装座内的水平蜗杆以及第一蜗轮杆，该第一蜗轮杆顶端设有与水平蜗杆单向传动啮合的蜗轮结构。

3.根据权利要求2所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：

所述竖直方向调整单元包括：

与第一蜗轮杆底端固定的第二安装座；

固定在第二安装座上的第二蜗轮蜗杆副；

用于调整第二蜗轮蜗杆副中蜗杆转动的第二手轮；

所述第二蜗轮蜗杆副包括轴接在第二安装座内的竖直蜗杆以及第二蜗轮杆，该第二蜗轮杆顶端设有与竖直蜗杆单向传动啮合的蜗轮结构。

4.根据权利要求2所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：

所述第一安装座上设有限位结构，使第一蜗轮杆可在水平方向上进行180度转动；

所述第二安装座上设有限位结构，使第二蜗轮杆可在水平方向上进行180度转动。

5.根据权利要求1～4任一权项所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：所述弹性限位件为压缩弹簧；

每个触手子节包括本体，所述本体一端设有轴孔；所述本体另一端设有带有铰接孔的弹簧座以及设置所述铰接孔内且活动连接的铰接轴；

所述压缩弹簧设置在所述铰接孔内，该压缩弹簧一端与弹簧座相对固定，另一端与铰接轴相对固定，实现两者之间里的传动和限位；

触手子节一端的轴孔用于与该端相邻的触手子节的铰接轴相互固定；触手子节另一端的铰接轴用于与该端相邻的触手子节的轴孔相互固定。

6.根据权利要求5所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：自靠近触手安装盘一端向靠近手术台方向，每个触手的多个压缩弹簧的弹性系数依次减少。

7.根据权利要求1所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：所述触手底端设有手术用镊子或手钳。

8.根据权利要求5所述的空间多自由度手术辅助手臂机构，其特征在于：所述轴孔的轴线方向与铰接孔轴线方向垂直。