CN107260307A - 一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置包括驱动组件(1)、运动控制组件(2)、末端执行器组件(3)。驱动组件包括驱动杆、手柄、线缆、换向滚珠、橡胶软管；运动控制组件手环、中环、外环壳体、手柄、铰链链接、驱动滑轮、换向滑轮、线缆、骨架、工具杆、十字万向节；末端执行器组件包括固定抓手、活动抓手、扭转弹簧、滑轮、线缆。末端执行器具有六个自由度，且使用线缆驱动，能使医生动作得到实时的响应。本发明能灵活的实现手臂、手腕控制，且能实现人体内任意角度的转动，并且结构简单独特、成本低、实用性强、安全性高，能满足手术医生对微创手术器械的要求。

Description

一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置

技术领域

本发明属于微创手术辅助设备的技术领域，特别涉及一种新型微创手术机器人夹持装置。

背景技术

微创手术，顾名思义就是微小创伤的手术。由于这种手术治疗方式具有出血少、创伤小、并发症少、安全可靠和术后恢复快等优点，极大的降低了传统手术对人体的伤害，减少了疾病给患者给来的不便和痛苦，已使得其成为有关疾病的首选治疗方案。

出于手术质量以及病人安全考虑，微创手术器械就要满足很高的要求。但是，目前的微创手术器械体积较大、操作复杂，而且成本较高。就知名度较高的达芬奇医疗手术机器人系统而言，操作起来十分麻烦，手术时间较长，直接影响了手术效率，而且整个手术辅助系统价格以百万计，十分昂贵，使得其在医院的普及程度大大降低。其次，价格便宜一些的器械往往手术的可靠性很难得到保障，对病人的生命安全构成了严重威胁。因此，目前的微创医疗手术器械还有很多问题急需得到改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，开发一种低成本的微创外科手术器械，它能灵巧和直观的实现手臂、腕状控制，并且通过手柄能够对器械的末端执行器实现灵活控制，有效的帮助医生实现手术过程中抓取、夹持、缝合功能。以此为手术医生提供一种结构精巧、操作简单、实用性强、工作效率高、可靠性高的六自由度微创手术机器人系统。

为达到上述目的，本发明所提供的微创手术机器人系统采用下述技术方案：

一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，包括：

运动控制组件，其包括手环、中环、外环壳体、手柄、铰链链接、驱动滑轮、换向滑轮、线缆、骨架、工具杆、十字万向节。所述手环用于将整个装置和手臂固结在一起，所述中环与所述手环连接在一起，所述外环壳体又与所述中环连接在一起，环环相扣。所述手柄握于医生手中，跟随医生手的动作一起运动，实现医生手动作的模拟，并往装置的下一个构件传递，以此为控制组件提供动力。所述铰链链接用于将手柄和该装置手臂固定组件的外环壳体连接起来。所述驱动滑轮有两个，分别安装在外环壳体的底部和右侧，并与前面所述铰链连接在一起，所述换向滑轮安装在外环壳体上部，所述线缆有四根，它们一端缠绕并固结在驱动滑轮上，沿外环壳体表面绕过换向滑轮，将驱动力往后传。所述骨架与外环壳体连接在一起，中间设有线缆通道，所述工具杆与骨架末端连接在一起，且内部中空。所述十字万向节设有四个线缆通孔，并在最后一节还设有四个用于固结线缆末端的凸起圆柱体。

再进一步的，还包括驱动组件，其包括驱动杆、手柄、线缆、换向滚珠、橡胶软管。所述驱动杆安装在所述手柄内部，为机器人末端执行器提供动力。所述线缆与驱动杆相连接，使得驱动杆提供的动力能够传输到末端执行器。所述换向滚珠安装与所述手柄内部，能够改变所述线缆方向。所述橡胶软管内部中空，可弯曲摆动但不可压缩。

更进一步的，还包括末端执行器组件，其包括固定抓手、活动抓手、扭转弹簧、滑轮、线缆。所述固定抓手与十字万向节最后一节通过螺纹连接。所述活动抓手与所述固定抓手相配合，以抓取物体。所述扭转弹簧位于所述固定抓手与所述活动抓手之间，使二者保持一定的张开角度。所述滑轮与所述活动抓手配合在一起。所述线缆与活动抓手固结在一起，使其与所述滑轮一起运动。

特别的，所述外环壳体内部设有环形沟槽，可以绕中环360°旋转。

本发明与现有技术相比较，具有以下实质性特点和优点：

(1)本发明所提供的由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的末端执行器能实时灵活的实现手臂和腕状控制，围绕外科医生的手腕几何地投影出一个由手柄、铰链链接和滑轮传动三者组成的“虚拟旋转中心”，依靠“虚拟中心”机制，将医生的手腕动作传递到末端执行器。

(2)本发明所提供的由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置末端执行器能够实现空间6个自由度的运动。其中四个自由度是机器人系统将外科医生前臂X轴方向、Y轴方向、Z轴方向以及绕X轴旋转方向直接传递到末端执行器。特别的，旋转手柄，可以通过外环壳体带动骨架、工具杆及末端执行器实现绕X轴360°旋转，有效的弥补了角度受到限制这个缺点。

除了这四个自由度外，外科医生的手腕左右和上下倾斜的两个自由度由“虚拟中心”系统捕获并且经由铰链链接，滑轮和缆线传输到末端执行器。以上下倾斜为例，手腕上下倾斜，手柄也会同步运动，将通过铰链带动外环壳体右侧的驱动滑轮转动，此时，外环壳体底部的滑轮不转动，以此带动控制末端执行器上下倾斜的两根线缆绕驱动滑轮转动并产生位移变化，最终实现末端执行器上下倾斜。同理，左右倾斜通过底部驱动滑轮带动线缆转动来实现。

(3)本发明所提供的由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置末端执行器原始状态就存在一定的角度，可以根据手柄提供驱动力的大小改变其角度大小，驱动力越大，二者角度越小，直至两个抓手平面完全接触重合，客观上是提高了机器人系统的功能可靠性，同时也使病人的安全得到了保障。

(4)本发明所提供的由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置所有零部件都可以通过3D打印的方法来制造，有效的降低了成本，并且整体的结构功能是通过纯粹的传统机械传动来实现的，并能将医生手臂的动作直接反映到末端执行器上，说明本发明成本低、结构紧凑、操作简单、实用性强。

(5)本发明所提供的由线驱动的六自由度微创手术机器人控制装置，可以平稳、快速、准确地将医生手臂动作传递到末端执行器，有效节省了手术所需的时间，提高手术的效率，增加了接受治疗的病人人数。

附图说明

图1为本发明实施例中由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的示意图；

图2为本发明实施例中由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的控制组件示意图；

图3为本发明实施例中由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的末端执行器组件示意图；

图4为本发明实施例中由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的驱动组件示意图；

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实例提供了一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，包括驱动组件(1)、控制组件(2)、末端执行器组件(3)。

参见图2，提供了本发明实例一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的控制组件(2)，包括：

手柄(4)、铰链(5)、驱动滑轮(6)、手环(7)、中环(8)、外环壳体(9)、骨架(10)、直杆(11)、十字万向节(12)。所述手柄(4)握在医生手中，通过铰链(5)与驱动滑轮(6)连接在一起，所述驱动滑轮(6)上面固结有线缆，又连接在外环壳体(9)上。手环(7)用于将整个装置和手臂固结在一起，所述中环(8)与所述手环(5)连接在一起，所述外环壳体(9)又与所述中环(8)连接在一起，并且由于外环壳体内存在环形沟槽，可以使外环壳体(9)实现绕手环(7)360°旋转。所述骨架(10)与所述外环壳体(9)连接在一起，内部设有线缆通道，所述直杆(11)与所述骨架(10)相连，内部中空。所述十字万向节(12)与所述直杆(11)相连，带动夹持组件(3)做相应运动。

参见图3，提供了本发明实例一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的末端执行器组件(2)，包括：固定抓手(13)、线缆(14)、滑轮(15)、活动抓手(16)、扭转弹簧(17)，所述固定抓手(13)与所述十字万向节(12)连接，所述滑轮(15)与所述活动抓手(16)相配合，并与所述固定抓手(13)相连接，所述线缆(14)与所述活动抓手(16)固结，以带动所述活动抓手(16)做夹持动作。所述扭转弹簧(17)与所述固定抓手(13)以及所述活动抓手(16)相配合，是其二者在原始状态下始终保持一定角度。

参见图4，提供了本发明实例一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置的驱动组件(1)，包括：手柄(4)、驱动杆(18)、线缆(19)、换向滚轮(20、21)、橡胶软管(22)、档杆(23)、槽(24)。所述驱动杆(18)安装在所述手柄(4)的内部，为末端执行器提供夹持力，所述线缆(19)与所述驱动杆(18)固结，将驱动力传递给末端执行器，所述换向滚轮(20、21)改变线缆的传递方向，所述橡胶软管(22)连接在所述手柄(4)与所述控制组件(2)之间，内部中空，方便线缆通过。所述档杆(23)是为了确定所述驱动杆(18)的原始位置，所述槽(24)则是方便驱动杆(18)运动。

本发明实施例结构简单、体积小，操作灵活，能使手臂的动作直观准确的反映在末端执行器上，有效提高手术的效率和成功率，减轻医护人员的工作强度，减少手术所需的时间，减轻了病人痛楚，增加了接受治疗的病人人数。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，其特征在于，包括：运动控制组件，其包括手环、中环、外环壳体、手柄、铰链链接、驱动滑轮、换向滑轮、线缆、骨架、工具杆、十字万向节。手环、中环、外环壳体这三者环环相扣能将机器人装置固定连接在医生手臂上，所述手柄握于医生手中，把医生动作经由所述铰链以及所述驱动滑轮带动所述线缆产生位移变化，将施加的力往后传到所述十字万向节。

2.如权利要求1所述的一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，其特征在于：包括：末端执行器组件，其包括固定抓手、活动抓手、扭转弹簧、滑轮、线缆，所述固定抓手和所述活动抓手之间安装一个所述扭转弹簧，能使两个抓手之间保持一个固定的原始角度，再由所述线缆的位移变化使角度缩小，进而实现末端执行器的夹持功能。

3.如权利要求1所述的一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，其特征在于：包括：驱动组件，其包括驱动杆、手柄、线缆、换向滚珠、橡胶软管，其驱动方式是驱动杆带动线缆经由所述换向滚珠和所述橡胶软管产生位移变化，进而使末端执行器产生相应的动作。

4.如权利要求3所述的一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，其特征在于：驱动组件中在手柄和运动控制组件之间安装有橡胶软管，这样既不影响手柄的正常运动，也不会影响驱动线缆的位移数值变化。

5.如权利要求1所述的一种由线驱动的六自由度微创手术机器人夹持装置，其特征在于：所述运动控制组件不仅能使医生手臂的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向以及绕X轴旋转方向的动作直接传递到末端执行器，还会捕捉到手腕的另外两个方向上的旋转动作，进而会实现机器人系统末端执行器具有六个自由度。