CN106994045A

CN106994045A - 一种用于微创手术的远程运动中心机构

Info

Publication number: CN106994045A
Application number: CN201710216671.5A
Authority: CN
Inventors: 张伟中; 黄鹏成
Original assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2017-08-01

Abstract

本发明公开了一种用于微创手术的远程运动中心机构，属于微创手术设备技术领域。现有技术的微创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，需要进一步改进。本发明机构包括安装三个分支的底座、动平台、手术器械安装件和三个分支机构，所述的分支机构上端与动平台相连，下端通过运动副活动连接在圆环形底座上；所述的每个分支机构中相邻的连杆通过运动副相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座通过万向节相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座通过球副相连接。本发明采用球副、万向节结构使得整个机构体积小，结构紧凑，控制简单，成本低。

Description

一种用于微创手术的远程运动中心机构

技术领域

本发明涉及一种用于微创手术的远程运动中心机构，属于微创手术设备技术领域。

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。

但由于现有的微创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，需要进一步改进。针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研发，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种体积小，结构紧凑，控制简单，成本低的一种用于微创手术的远程运动中心机构。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于微创手术的远程运动中心机构，包括圆环形底座、动平台、手术器械安装件和三个分支机构，所述的分支机构上端与动平台相连，下端通过运动副活动连接在圆环形底座上；所述的每个分支机构中相邻的连杆通过运动副相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座通过万向节相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座通过球副相连接。三个分支机构中两个分支与圆环形底座相连的是万向节。一个分支机构与圆环形底座相连的是球副，有效增加本发明的活动范围，采用球副、万向节等结构使得整个机构体积小，结构紧凑，控制简单，成本低。

进一步地，所述的动平台上设有用于使得手术器械安装件旋转的电机和用于微创手术的手术器械安装件。

进一步地，所述三个分支机构等间距的分布在圆环形底座上并分别与动平台相连接，控制动平台运动。

进一步地，所述的三个分支机构中的至少两个分支机构包括由上往下依次连接于动平台与底座之间的第一转动副、第一连杆、第二转动副、作为滑动副滑杆的第二连杆、作为滑动副滑套的第三连杆、与底座相连的万向节。本发明所用连杆更加少，分支机构更加紧凑，机构的运动学求解更为简单，控制更为简单有效，所需加工零件更加少，便于节省成本。

进一步地，第二转动副轴线与万向节远离圆环形底座的转动副轴线互相平行并且垂直于第一转动副轴线与滑动副移动方向。

进一步地，万向节包括U型件、固定于底座上的销座以及与U型件、销座相插接的销。

进一步地，所述的三个分支机构中的一个分支机构包括由上往下依次连接于动平台与底座之间的第三转动副、第四连杆、第四转动副、第五连杆、球副。本发明三个分支机构均有5个自由度，其中两个分支结构相同，三个分支机构分别对动平台施加一个约束力，三个约束力约束了动平台的2个移动自由度和一个转动自由度，所以该机构并联部分的自由度为2个转动1个移动自由度。能够有效增加本发明的灵活度，完成更复杂的手术操作。

进一步地，选用滑动副作为驱动副，驱动副设置相应的驱动源进行驱动，滑动副距离动平台较近设置，这样机构的力传递性能更高，在选择同样的驱动源时，本发明可以承载更大的负载，机构的性能更加优异。

所述驱动源可以为伺服电机、步进电机，优选地是伺服电机，伺服电机控制程序简单，能够准确控制其旋转量，进而能够有效提高本发明的运动精度。

进一步地，手术器械安装件的下端连接手术工具，通过圆环形底座的中部空腔伸入圆环形底座下方；手术器械安装件的转动轴线与第一转动副的圆环形槽的轴线共轴且通过O点。

进一步地，人体的切口位置放有穿刺套管，手术工具穿过穿刺套管后伸入人体内；所述三个分支机构控制手术工具的运动，包括以切口位置作为原点的摆动、沿着手术器械安装件轴线方向的伸缩，以及在电机驱动下的旋转。本发明不仅满足微创手术的要求，而且减小对切口的伤害，安全性较高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明为混连机构，每个分支机构均为五自由度，分支机构的转动及转向更加灵活，达到转动无死角的要求；三个分支机构共同驱动手术工具进行运动不仅保证较高的刚度，而且运动累计误差小于串联机构，提高手术精度。

2.本发明不仅满足微创手术的要求，而且减小对切口的伤害，安全性较高。

3.本发明采用球副结构使得整个机构体积小，结构紧凑，控制简单，成本低。

4.本发明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。

5.本发明所用连杆更加少，分支机构更加紧凑，机构的运动学求解更为简单，控制更为简单有效，所需加工零件更加少，便于节省成本。机构的奇异点一般发生在分支连杆轴线重合的情形，连杆较少，故机构的奇异点比之前的少，方便机构控制，提高了手术的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明一种分支机构示意图；

图3为本发明另一种分支机构示意图；

图4为本发明的滑动副结构示意图；

图5为本发明另一种实施例的结构示意图；

图6为本发明工作状态示意图。

附图标记说明：

图中：11-第一连杆；12-第二连杆；13-第三连杆；21-第一转动副；22-第二转动副；23-滑动副；24-万向节；31-第四连杆；32-第五连杆；41-第三转动副；42-第四转动副；43-球副；5-圆环形底座；51-中部空腔；6-动平台；7-手术工具；8-电机；9-切口位置；10-穿刺套管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1-4所示，一种用于微创手术的远程运动中心机构，包括圆环形底座5、动平台6、手术器械安装件和三个分支机构，所述的分支机构上端与动平台6相连，下端通过运动副活动连接在圆环形底座5上；所述的每个分支机构中相邻的连杆通过运动副相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座5通过万向节24相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座5通过球副43相连接。

所述的动平台6上设有用于使得手术器械安装件旋转的电机8和用于微创手术的手术器械安装件。所述三个分支机构等间距的分布在圆环形底座5上并分别与动平台6相连接，控制动平台6运动。

所述的三个分支机构中的一个分支机构包括由上往下依次连接于动平台6与底座之间的第三转动副41、第四连杆31、第四转动副42、第五连杆32、球副43。所述的三个分支机构中的两个分支机构包括由上往下依次连接于动平台6与底座之间的第一转动副21、第一连杆11、第二转动副22、作为滑动副23滑杆的第二连杆12、作为滑动副23滑套的第三连杆13、与底座相连的万向节24。

如图5所示，本发明的另一种具体实施例，所述的三个分支机构包括由上往下依次连接于动平台6与底座之间的第一转动副21、第一连杆11、第二转动副22、作为滑动副23滑杆的第二连杆12、作为滑动副23滑套的第三连杆13、与底座相连的万向节24。第二转动副22轴线与万向节24远离圆环形底座5的转动副轴线互相平行并且垂直于第一转动副21轴线与滑动副移动方向。万向节24包括U型件、固定于底座上的销座以及与U型件、销座相插接的销。

手术器械安装件的下端连接手术工具7，通过圆环形底座5的中部空腔51伸入圆环形底座5下方；手术器械安装件的转动轴线与第一转动副21的圆环形槽的轴线共轴且通过O点。

如图6所示，人体的切口位置9放有穿刺套管10，手术工具7穿过穿刺套管10后伸入人体内；所述三个分支机构控制手术工具7的运动，包括以切口位置9作为原点的摆动、沿着手术器械安装件轴线方向的伸缩，以及在电机8驱动下的旋转。

选用滑动副作为驱动副，驱动副设置相应的驱动源进行驱动，所述驱动源可以为伺服电机、步进电机，优选地是伺服电机，伺服电机控制程序简单，能够准确控制其旋转量，进而能够有效提高本发明的运动精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于微创手术的远程运动中心机构，包括圆环形底座(5)、动平台(6)、手术器械安装件和三个分支机构，其特征在于，所述的分支机构上端与动平台(6)相连，下端通过运动副活动连接在圆环形底座(5)上；所述的每个分支机构中相邻的连杆通过运动副相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座(5)通过万向节(24)相连接，至少有一个分支机构与圆环形底座(5)通过球副(43)相连接。

2.如权利要求1所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，所述的动平台(6)上设有用于使得手术器械安装件旋转的电机(8)和用于微创手术的手术器械安装件。

3.如权利要求1所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，所述三个分支机构等间距的分布在圆环形底座(5)上并分别与动平台(6)相连接，控制动平台(6)运动。

4.如权利要求1所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，所述的三个分支机构中的至少两个分支机构包括由上往下依次连接于动平台(6)与底座之间的第一转动副(21)、第一连杆(11)、第二转动副(22)、作为滑动副(23)滑杆的第二连杆(12)、作为滑动副(23)滑套的第三连杆(13)、与底座相连的万向节(24)。

5.如权利要求4所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，第二转动副(22)轴线与万向节(24)远离圆环形底座(5)的转动副轴线互相平行并且垂直于第一转动副(21)轴线与滑动副移动方向。

6.如权利要求5所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，万向节(24)包括U型件、固定于底座上的销座以及与U型件、销座相插接的销。

7.如权利要求1-6任一所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，所述的三个分支机构中的一个分支机构包括由上往下依次连接于动平台(6)与底座之间的第三转动副(41)、第四连杆(31)、第四转动副(42)、第五连杆(32)、球副(43)。

8.如权利要求7所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，选用滑动副作为驱动副，驱动副设置相应的驱动源进行驱动。

9.如权利要求8所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，手术器械安装件的下端连接手术工具(7)，通过圆环形底座(5)的中部空腔(51)伸入圆环形底座(5)下方；手术器械安装件的转动轴线与第一转动副(21)的圆环形槽的轴线共轴且通过O点。

10.如权利要求9所述的一种用于微创手术的远程运动中心机构，其特征在于，人体的切口位置(9)放有穿刺套管(10)，手术工具(7)穿过穿刺套管(10)后伸入人体内；所述三个分支机构控制手术工具(7)的运动，包括以切口位置(9)作为原点的摆动、沿着手术器械安装件轴线方向的伸缩，以及在电机(8)驱动下的旋转。