CN106308940A - 用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构及快换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构及快换方法，通过锁紧销、锁紧槽、止挡部件以及弹性部件的结合使用，锁紧槽在弹簧力作用下将锁紧销压紧在止挡部件上，以实现锁紧销相对锁紧槽沿槽深方向的限位，同时锁紧销与锁紧槽为斜面连接，以实现锁紧销相对锁紧槽在槽长方向的限位，在外力作用下克服弹簧的作用力可实现锁紧销与锁紧槽在槽深方向的解锁，进而进行槽长方向的解锁，实现锁紧销和锁紧槽的快速拆装，能够快速拆装机器人末端和手术工具，从而提高骨科手术机器人在手术室的适应性和可接受性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构及快换方法。
背景技术
骨科手术机器人是医疗领域最早开展研究和应用的手术机器人之一，也是国内外研究较多的手术机器人，目前已有ROBODOC、ACROBOT、MAKO、RIO、Renaissance等机器人已获得美国食品药品管理局(FDA)临床许可。
在骨科手术过程中，会需要根据手术需要经常更换机器人末端手术工具。为此，在骨科手术机器人设计时，一把都把机器人末端连接处设计成工业常见的法兰结构，以便进行手术工具的更换。这种靠多个螺钉固定式的接头因消耗医生无效作业时间在手术室是很难被接受的。特别是考虑消毒灭菌等问题，机器人在手术过程中都被包裹一层消毒幕帘，这对手术过程中需要根据手术需要经常更换机器人末端手术工具的骨科手术来说，临床可接受性就是一大挑战，也会限制了骨科手术机器人在临床的推广。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构，能够快速拆装安装于机器人末端的手术工具，从而提高骨科手术机器人在手术室的适应性和可接受性。
为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构，用于快速拆装安装于机器人末端的手术工具，所述快换机构包括锁紧组件，所述锁紧组件包括：
第一锁紧单元，所述第一锁紧单元包括锁紧销，所述锁紧销具有分别设置在其四周的第一锁紧面、第一连接面、第二锁紧面以及第二连接面，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面位置相背，所述第一连接面和所述第二连接面位置相背，沿销长方向，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面中段之间的距离大于二者两端之间的距离；
第二锁紧单元，所述第二锁紧单元包括锁紧槽、止挡部件以及弹性部件，所述锁紧槽具有分别设置的第一槽壁面、槽底面、第二槽壁面以及槽口，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面位置相对，沿槽长方向，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面中段之间的距离大于二者两端之间的距离，所述止挡部件位于所述锁紧槽的槽口一侧，所述弹性部件相对所述止挡部件设置在所述锁紧槽的另一侧，所述弹性部件对所述锁紧槽施加弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离小于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离，在外力作用下，所述锁紧槽克服所述弹性部件的弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离大于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离；
其中，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面分别与所述第一槽壁面和所述第二槽壁面在槽长方向可互相限位，所述第一锁紧单元和所述第二锁紧单元中，其中一个设置在所述机器人末端上，另一个设置在所述手术工具上。
进一步的，所述锁紧组件还包括解锁按钮，所述解锁按钮的一端与所述锁紧槽连接，所述解锁按钮的另一端构成按压端，通过所述按压端向所述活动件施加克服所述弹性部件的弹力的外作用力。
进一步的，所述锁紧槽可移动的连接在导向通道中，所述解锁按钮包括一直杆段和一U形杆段，所述直杆段可滑动的连接在导向轴套中，所述直杆段的一端与所述U形杆段的底部连接，所述直杆段的另一端延伸至外部以构成所述按压端，所述U形杆段的自由端与所述锁紧槽的槽口位置连接以构成大体沿凸字形笔画延伸的闭合框体，所述锁紧销沿槽长方向移动以使其移动至所述闭合框体的大框内，所述闭合框体沿槽深方向移动以使其小框体卡设在所述锁紧销的外侧。
进一步的，所述弹性部件采用弹簧，所述弹簧套设安装在一导向轴上。
进一步的，所述快换机构还包括定位组件，所述定位组件采用一面两孔定位结构，包括第一定位面和第二，其中一个设在所述机器人末端，另一个设在所述手术工具，所述第一定位面和所述第二定位面定位连接以限制所述手术工具相对所述机器人末端的3个自由度，所述第一定位面和所述第二定位面通过圆柱销定位连接以限制所述手术工具相对所述机器人末端的2个自由度，所述第一定位面和所述第二定位面还通过圆柱销和削边销相配合以限制所述手术工具相对所述机器人末端的1个自由度。
进一步的，所述第一定位面和所述第二定位面中，其中一个为所述机器人末端的法兰的自由面，另一个为所述手术工具的法兰的自由面，所述锁紧销和所述圆柱销集成为一锁紧销，所述锁紧销设在其中一个定位面上，所述止挡部件为贯通另一个定位面和导向通道的定位孔并位于所述锁紧槽的槽口相对方向的的孔壁构成，所述定位孔设置在中心部分并且与所述锁紧销的定位连接。
本发明还提供另外一个技术方案：一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换方法，用于快速拆装安装在机器人末端的手术工具，所述快换方法包括锁紧工序，所述锁紧工序包括如下步骤：
(1)分别提供一第一锁紧单元和一第二锁紧单元，其中一个设置在机器人的末端上，另一个设置在手术工具上，所述第一锁紧单元包括锁紧销，所述锁紧销具有分别设置在其四周的第一锁紧面、第一连接面、第二锁紧面以及第二连接面，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面位置相背，所述第一连接面和所述第二连接面位置相背，沿销长方向，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面中段之间的距离大于二者两端之间的距离，所述第二锁紧单元包括锁紧槽、止挡部件以及弹性部件，所述锁紧槽具有分别设置的第一槽壁面、槽底面、第二槽壁面以及槽口，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面位置相对，沿槽长方向，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面中段之间的距离大于二者两端之间的距离，所述止挡部件设在所述锁紧槽的槽口一侧，所述弹性部件相对所述止挡部件设置在所述锁紧槽的另一侧，所述弹性部件对所述锁紧槽施加弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离小于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面分别与所述第一槽壁面和所述第二槽壁面在槽长方向可互相限位；
(2)向所述锁紧槽施加外力，所述锁紧槽在外力作用下克服所述弹性部件的弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离大于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离；
(3)使所述锁紧销位于所述锁紧槽的槽口外，所述第一连接面与所述槽口相对，所述第二连接面抵靠在所述止挡部件相对；
(4)释放所述锁紧槽，在所述弹性部件的弹力作用下，所述锁紧槽将所述锁紧销压紧在所述止挡部件上。
进一步的，所述快换方法还包括定位工序，所述定位工序采用一面两孔的定位方式使所述手术工具定位在所述机器人末端。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1)本发明通过锁紧销、锁紧槽、止挡部件以及弹性部件的结合使用，锁紧槽在弹簧力作用下将锁紧销压紧在止挡部件上，以实现锁紧销相对锁紧槽沿槽深方向的限位，同时锁紧销与锁紧槽为斜面连接，以实现锁紧销相对锁紧槽在槽长方向的限位，在外力作用下克服弹簧的作用力可实现锁紧销与锁紧槽在槽深方向的解锁，进而进行槽长方向的解锁，实现锁紧销和锁紧槽的快速拆装，能够快速拆装机器人末端和手术工具，从而提高骨科手术机器人在手术室的适应性和可接受性；
2)本发明通过设置解锁按钮，锁紧销和锁紧槽处于常锁状态，通过解锁按钮进行暂时解锁以便拆装，解锁按钮操作方便；
3)本发明通过设置导向轴，弹簧更加稳固可靠，快换过程更为精确，不易出现误差。
附图说明
图1为本发明公开的用于骨科手术辅助机器人手术工具快换机构的主视图；
图2为图1中A-A截面的主视图；
图3为图1中B-B截面的侧视图；
图4为锁紧销与锁紧槽在锁紧状态的俯视图；
图5为锁紧销与锁紧槽在解锁状态的俯视图。
其中，10、机器人末端的法兰；20、锁紧销；21、第一锁紧面；22、第一连接面；23、第二锁紧面；24、第二连接面；30、手术工具的法兰；31、导向通道；40、锁紧槽；41、第一槽壁面；42、槽底面；43、第二槽壁面；50、弹簧；60、削边销；70、解锁按钮；71、直杆段；72、U形杆段；73、导向轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图5，如其中的图例所示，一种骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构，用于快速拆装安装于机器人末端的手术工具，所述快换机构包括锁紧组件，所述锁紧组件包括：
机器人末端的法兰10，机器人末端的法兰10的自由面构成第一定位面；
锁紧销20，锁紧销20设在上述第一定位面上，锁紧销20具有分别设置在其四周的第一锁紧面21、第一连接面22、第二锁紧面23以及第二连接面24，第一锁紧面21和第二锁紧面23位置相背，第一连接面22和第二连接面24位置相背，沿销长方向，第一锁紧面21和第二锁紧面23中段之间的距离大于二者两端之间的距离；
手术工具的法兰30，手术工具的法兰30设有导向通道31，手术工具的法兰30的自由面构成第二定位面，该第二定位面设有一锁紧销定位孔；
锁紧槽40，锁紧槽40可移动的设在导向通道31中，具有分别设置的第一槽壁面41、槽底面42、第二槽壁面43以及槽口，第一槽壁面41和第二槽壁面43位置相对，沿槽长方向，第一槽壁面41和第二槽壁面43中段之间的距离大于二者两端之间的距离，上述锁紧销定位孔轴向贯通导向通道30的锁紧槽的槽口一侧空间；
弹簧50，弹簧50相对锁紧销定位孔设置在锁紧槽40的另一侧，弹簧50对锁紧槽40施加弹力作用，以使锁紧槽40的槽口和与其相对的锁紧销定位孔的孔壁之间的距离小于第一连接面22和第二连接面24之间的距离，在外力作用下，锁紧槽40克服弹簧50的弹力作用，以使锁紧槽40的槽口和与其相对的锁紧销定位孔的孔壁之间的距离大于第一连接面22和第二连接面24之间的距离，第一锁紧面21和第二锁紧面23分别与第一槽壁面41和第二槽壁面43在槽长方向可互相限位；
削边销60；
其中，第一定位面和第二定位面定位连接以限制手术工具相对机器人末端的3个自由度，第一定位面和第二定位面通过台阶定位以限制手术工具相对机器人末端的2个自由度，第一定位面还通过削边销60定位以限制手术工具相对机器人末端的1个自由度。
以下为一种骨科手术辅助机器人末端工具的快换方法，用于快速拆装安装在机器人末端的手术工具，快换方法包括包括如下步骤：
(1)对锁紧槽40施加外作用力，以使锁紧槽40的槽口和与其相对的锁紧销定位孔的孔壁之间的距离大于第一连接面22和第二连接面24之间的距离；
(2)将机器人末端的法兰10的第一定位面和手术工具的法兰30的第二定位面定位连接，以限制手术工具的法兰30相对于机器人末端的法兰10的3个相对自由度，同时锁紧销20穿过锁紧销定位孔进入导向通道30中并位于锁紧槽40的槽口一侧，以限制手术工具的法兰30相对于机器人末端的法兰10的2个相对自由度，第一连接面22与槽底面42相对；
(3)释放锁紧槽40，锁紧槽在弹簧50的弹力作用下，以使锁紧槽50的槽口和与其相对的锁紧销定位孔的孔壁之间的距离小于第一连接面22和第二连接面24之间的距离，锁紧销20被锁紧槽40压紧在锁紧销定位孔的孔壁上；
(4)将削边销60定位连接第一定位面和第二定位面，与锁紧销一起限制手术工具的法兰30相对机器人末端的法兰10的1个相对自由度。
锁紧销20与锁紧槽40之间有两个位置状态，分别完成该机构的夹紧与拆卸任务。具体工作方法为：锁紧槽40不受力的情况下，锁紧销20被弹簧12压到锁紧位置，通过斜面，锁紧销20和锁紧槽40相互限位，以实现相互锁紧，锁紧槽40受到力后，锁紧槽40移动到松开位置，锁紧销20对锁紧槽40不再有限位夹紧作用，即可进行快速拆卸和安装。
为了方便进行解锁，上述锁紧组件还包括解锁按钮70，解锁按钮70包括一直杆段71和一U形杆段72，直杆段71与U形杆段72部连接，直杆段71可滑动的连接在手术工具的法兰30的导向轴套中，直杆段71的自由端延伸至手术工具的法兰30的外部以构成按压端，U形杆段72的自由端与锁紧槽40的槽口位置连接以构成大体沿凸字形笔画延伸的闭合框体，通过按压端向定位凹槽40施加克服弹簧50的弹力的外作用力。
为了使锁紧或解锁更为稳固可靠，弹簧50套设安装在一固定设置在导向通道31的端壁上的导向轴73上。
还需要增加工件套筒可以根据需求设计大小。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换机构，用于快速拆装安装于机器人末端的手术工具，其特征在于，所述快换机构包括锁紧组件，所述锁紧组件包括：
第一锁紧单元，所述第一锁紧单元包括锁紧销，所述锁紧销具有分别设置在其四周的第一锁紧面、第一连接面、第二锁紧面以及第二连接面，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面位置相背，所述第一连接面和所述第二连接面位置相背，沿销长方向，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面中段之间的距离大于二者两端之间的距离；
第二锁紧单元，所述第二锁紧单元包括锁紧槽、止挡部件以及弹性部件，所述锁紧槽具有分别设置的第一槽壁面、槽底面、第二槽壁面以及槽口，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面位置相对，沿槽长方向，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面中段之间的距离大于二者两端之间的距离，所述止挡部件位于所述锁紧槽的槽口一侧，所述弹性部件相对所述止挡部件设置在所述锁紧槽的另一侧，所述弹性部件对所述锁紧槽施加弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离小于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离，在外力作用下，所述锁紧槽克服所述弹性部件的弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离大于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离；
其中，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面分别与所述第一槽壁面和所述第二槽壁面在槽长方向可互相限位，所述第一锁紧单元和所述第二锁紧单元中，其中一个设置在所述机器人末端上，另一个设置在所述手术工具上。
2.根据权利要求1所述的快换机构，其特征在于，所述锁紧组件还包括解锁按钮，所述解锁按钮的一端与所述锁紧槽连接，所述解锁按钮的另一端构成按压端，通过所述按压端向所述活动件施加克服所述弹性部件的弹力的外作用力。
3.根据权利要求2所述的快换机构，其特征在于，所述锁紧槽可移动的连接在导向通道中，所述解锁按钮包括一直杆段和一U形杆段，所述直杆段可滑动的连接在导向轴套中，所述直杆段的一端与所述U形杆段的底部连接，所述直杆段的另一端延伸至外部以构成所述按压端，所述U形杆段的自由端与所述锁紧槽的槽口位置连接以构成大体沿凸字形笔画延伸的闭合框体，所述锁紧销沿槽长方向移动以使其移动至所述闭合框体的大框内，所述闭合框体沿槽深方向移动以使其小框体卡设在所述锁紧销的外侧。
4.根据权利要求1所述的快换机构，其特征在于，所述弹性部件采用弹簧，所述弹簧套设安装在一导向轴上。
5.根据权利要求1所述的快换机构，其特征在于，所述快换机构还包括定位组件，所述定位组件采用一面两孔定位结构，包括第一定位面和第二定位面，其中一个设在所述机器人末端，另一个设在所述手术工具，所述第一定位面和所述第二定位面定位连接以限制所述手术工具相对所述机器人末端的3个自由度，所述第一定位面和所述第二定位面通过台阶定位以限制所述手术工具相对所述机器人末端的2个自由度，所述第一定位面和所述第二定位面还通过削边销定位以限制所述手术工具相对所述机器人末端的1个自由度。
6.根据权利要求5所述的快换机构，其特征在于，所述第一定位面和所述第二定位面中，其中一个为所述机器人末端的法兰的自由面，另一个为所述手术工具的法兰的自由面，所述锁紧销设在其中一个定位面上，所述止挡部件为贯通另一个定位面和导向通道的定位孔并位于所述锁紧槽的槽口相对方向的的孔壁构成，所述定位孔设置在中心部分并且与所述锁紧销的定位连接。
7.一种用于骨科手术辅助机器人末端工具的快换方法，用于快速拆装安装在机器人末端的手术工具，其特征在于，所述快换方法包括锁紧工序，所述锁紧工序包括如下步骤：
(1)分别提供一第一锁紧单元和一第二锁紧单元，其中一个设置在机器人的末端上，另一个设置在手术工具上，所述第一锁紧单元包括锁紧销，所述锁紧销具有分别设置在其四周的第一锁紧面、第一连接面、第二锁紧面以及第二连接面，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面位置相背，所述第一连接面和所述第二连接面位置相背，沿销长方向，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面中段之间的距离大于二者两端之间的距离，所述第二锁紧单元包括锁紧槽、止挡部件以及弹性部件，所述锁紧槽具有分别设置的第一槽壁面、槽底面、第二槽壁面以及槽口，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面位置相对，沿槽长方向，所述第一槽壁面和所述第二槽壁面中段之间的距离大于二者两端之间的距离，所述止挡部件设在所述锁紧槽的槽口一侧，所述弹性部件相对所述止挡部件设置在所述锁紧槽的另一侧，所述弹性部件对所述锁紧槽施加弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离小于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离，所述第一锁紧面和所述第二锁紧面分别与所述第一槽壁面和所述第二槽壁面在槽长方向可互相限位；
(2)向所述锁紧槽施加外力，所述锁紧槽在外力作用下克服所述弹性部件的弹力作用，以使所述锁紧槽的槽口和所述止挡部件之间的距离大于所述第一连接面和所述第二连接面之间的距离；
(3)使所述锁紧销位于所述锁紧槽的槽口外，所述第一连接面与所述槽口相对，所述第二连接面抵靠在所述止挡部件相对；
(4)释放所述锁紧槽，在所述弹性部件的弹力作用下，所述锁紧槽将所述锁紧销压紧在所述止挡部件上。
8.根据权利要求7所述的快换方法，其特征在于，所述快换方法还包括定位工序，所述定位工序采用一面两孔的定位方式使所述手术工具定位在所述机器人末端。
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