CN105997251A - 一种四自由度混联式微创手术机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种四自由度混联式微创手术机械手。目的是提供的机械手应具有结构紧凑、体积较小、工作可靠的特点。技术方案是：一种四自由度混联式微创手术机械手，其特征在于：该机械手包括可转动地定位动平台上的手术模块、位于动平台下方的底座以及并联连接在动平台与底座之间以驱动手术模块运动的两个分支机构。

Description

一种四自由度混联式微创手术机械手
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体是一种四自由度混联式微创手术机械手。
背景技术
微创手术与传统的开膛手术相比具有如下优点：切口小，损伤轻，安全有效，可以避免脏器暴露在空气中以减少感染；可以减少病人手术后的痛苦，病人康复较快并且可在术后短期内恢复正常活动，治疗效果等于或高于传统外科手术方法；术后伤口比传统外科手术美观，愈合后疤痕小。而随着微创手术在临床手术中的不断应用和发展，具有更高手术精度和操作便捷性的微创手术机器人也应运而生了。1994年美国Computer Motion公司研制了第一台协助微创手术的内窥镜自动定位系统即AESOP机器人，它采用串联结构；1998年推出ZEUS微创手术操作机器人，该系统采用主从操作技术；2000年da Vinci系统研制成功并于当年7月经美国FDA批准成为允许在临床使用的第一个合法的商品化手术机器人，它已经用于临床并取得很好的效果。
现已有类似构型的微创手术机器人发明公布专利(如CN104644267A、CN104323861A、CN203619682U)，存在手术机器人体积较大、结构复杂、控制繁琐、费用较高，在推广应用时还受到较多局限等问题，所以提出一种结构紧凑、操作简便、价格便宜的新型混联式机构很有必要。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种用于微创手术的混联机械手，该机械手应具有结构紧凑、体积较小、工作可靠的特点。
本发明的技术方案是：一种四自由度混联式微创手术机械手，其特征在于：该机械手包括可转动地定位动平台上的手术模块、位于动平台下方的底座以及并联连接在动平台与底座之间以驱动手术模块运动的两个分支机构；
所述每个分支机构包括依次连接在动平台与底座之间的第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、圆柱副的铰接套以及作为圆柱副滑杆的第三连杆；每个分支机构中，第一转动副轴线与第二转动副轴线互相平行并且垂直于手术模块转动轴线与圆柱副旋转轴线；两个分支机构中的两个圆柱副旋转轴线与手术模块转动轴线均相交于一点；
或者，所述每个分支机构包括依次连接在动平台与底座之间的第一转动副、第一连杆、第二转动副、作为移动副滑杆的第四连杆、作为移动副滑套的第五连杆以及第三转动副；每个分支机构中，第一转动副轴线与第二转动副轴线互相平行并且垂直于手术模块转动轴线、移动副轴线与第三转动副轴线，移动副轴线也垂直于第三转动副轴线；两个分支机构中的两个第三转动副轴线、手术模块转动轴线相交于一点。
所述手术模块包括可转动地定位在动平台上且伸入底座下方的手术工具以及用于驱动手术工具旋转的电机；所述电机的转动轴线为手术模块转动轴线。
所述电机通过支架固定在动平台上方。
本发明的有益效果是：
本发明采用结构紧凑的混联机构，不仅可以保证较高的刚度，而且运动累计误差小于串联机构，可以提高手术精度；本发明可以驱动手术模块绕切口灵活地运动，不仅可以满足微创手术的要求，而且可以减小对切口的伤害，安全性较高；本发明还可用作教学培训的模拟手术器具；因此，本发明对于提高微创手术的进一步推广具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例一的立体结构示意图。
图2是本发明实施例一中一个分支机构的示意图。
图3是本发明实施例二的立体结构示意图。
图4是本发明实施例二中一个分支机构的示意图。
图5是本发明工作方式的示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例一
如图1所示，一种用于微创手术的混联机械手，包括动平台3、底座5、手术模块以及驱动手术模块两个分支机构。
所述手术模块可转动地定位在动平台上，包括手术工具4以及用于驱动手术工具旋转的电机41，手术工具通过套筒40可转动定位在动平台上；所述手术工具一般为腹腔镜器械(具体指切开刀、分离钳、冲洗器、内窥镜)；所述电机通过支架42固定在动平台上，并且电机的转动轴线为手术模块转动轴线，同时，电机的转动轴线与手术工具的长度方向轴线共轴；所述底座为位于动平台下方的弧形底座，手术工具的下端向下穿越底座中部的半围合区域51后伸入底座下方。
所述两个分支机构并联连接在动平台与底座之间，用于驱动手术模块运动；每个分支机构均为四自由度机械臂，包括由上往下依次连接在动平台与底座之间的第一转动副21、第一连杆11、第二转动副22、第二连杆12、圆柱副28(圆柱副中的铰接套与滑杆同时保持铰接和滑动配合，铰接轴线与滑动方向一致)以及作为圆柱副滑杆的第三连杆14。
每个分支机构中，第一转动副轴线与第二转动副轴线互相平行并且垂直于手术模块转动轴线与圆柱副旋转轴线(圆柱副旋转轴线与圆柱副滑动轴线共轴)；所述第三连杆固定在底座上。
所述圆柱副中，固定在第二连杆下端的铰接套筒既可转动又可滑动地定位在第三连杆上(第三连杆作为该铰接套筒的滑杆)；两个分支机构的所有圆柱副轴线相交于O点(O点表示手术时人体上的切口位置，即固定点)，手术模块转动轴线通过O点，手术工具也通过O点。
实施例二
如图1所示，一种用于微创手术的混联机械手，包括动平台3、底座5、手术模块以及驱动手术模块两个分支机构。
所述手术模块可转动地定位在动平台上，包括手术工具4以及用于驱动手术工具旋转的电机41，手术工具通过套筒(图中省略)可转动定位在动平台上；所述手术工具一般为腹腔镜器械(具体指切开刀、分离钳、冲洗器、内窥镜)；所述电机通过支架42固定在动平台上，并且电机的转动轴线为手术模块转动轴线，同时，电机的转动轴线与手术工具的长度方向轴线共轴；所述底座为位于动平台下方的弧形底座，手术工具的下端向下穿越底座中部的半围合区域51后伸入底座下方。
所述两个分支机构并联连接在底座与手术模块之间，用于驱动手术模块运动；每个分支机构均为四自由度机械臂，包括由上往下依次连接在动平台与底座之间的第一转动副21、第一连杆11、第二转动副22、移动副29以及第三转动副23。
每个分支机构中，第一转动副轴线与第二转动副轴线互相平行并且垂直于手术模块转动轴线、移动副轴线与第三转动副轴线，移动副轴线也垂直于第三转动副轴线。
所述移动副中，第四连杆15可滑动地定位在第五连杆13中(第四连杆作为移动副的滑杆并且第五连杆作为移动副的滑套；或者，第四连杆作为移动副的滑套并且第五连杆作为移动副的滑杆)；两个分支机构的所有第三转动副轴线相交于O点(O点表示手术时人体上的切口位置，即前述固定点)，手术模块转动轴线通过O点，手术工具也通过O点。
上述实施例中，圆柱副或滑动副、以及所有转动副均由伺服电机(图中省略)驱动。
如图5所示，人体的切口位置7放有穿刺套管6(英文Trocar)，手术工具穿过穿刺套管后伸入人体内；该手术工具在两个分支机构驱动下进行运动，包括以切口位置作为原点(即前述的固定点)的摆动以及沿着手术工具轴线方向的伸缩运动，同时手术工具还可在电机驱动下旋转。

Claims (3)

1.一种四自由度混联式微创手术机械手，其特征在于：该机械手包括可转动地定位动平台(3)上的手术模块、位于动平台下方的底座(5)以及并联连接在动平台与底座之间以驱动手术模块运动的两个分支机构；
所述每个分支机构包括依次连接在动平台与底座之间的第一转动副(21)、第一连杆(11)、第二转动副(22)、第二连杆(12)、圆柱副(28)的铰接套以及作为圆柱副滑杆的第三连杆(13)；每个分支机构中，第一转动副轴线与第二转动副轴线互相平行并且垂直于手术模块转动轴线与圆柱副旋转轴线；两个分支机构中的两个圆柱副旋转轴线与手术模块转动轴线均相交于一点；
或者，所述每个分支机构包括依次连接在动平台与底座之间的第一转动副(21)、第一连杆(11)、第二转动副(22)、作为移动副(29)滑杆的第四连杆(15)、作为移动副滑套的第五连杆(13)以及第三转动副(23)；每个分支机构中，第一转动副轴线与第二转动副轴线互相平行并且垂直于手术模块转动轴线、移动副轴线与第三转动副轴线，移动副轴线也垂直于第三转动副轴线；两个分支机构中的两个第三转动副轴线与手术模块转动轴线均相交于一点。
2.根据权利要求1所述的一种用于微创手术的混联机械手，其特征在于：所述手术模块包括可转动地定位在动平台上且伸入底座下方的手术工具(4)以及用于驱动手术工具旋转的电机(41)；所述电机的转动轴线为手术模块转动轴线。
3.根据权利要求2所述的一种用于微创手术的混联机械手，其特征在于：所述电机通过支架(42)固定在动平台上方。
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