CN107280768A - 一种手术辅助设备 - Google Patents

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Abstract

一种手术辅助设备，包括底座、RCM机构、驱动机构和末端执行器，底座上活动装设有转轴，RCM机构包括前支撑连杆、后支撑连杆和上水平横杆，前支撑连杆下端通过销轴与转轴前端转动连接、上端经销轴与上水平横杆转动连接，后支撑连杆下端通过销轴与转轴转动连接、上端经销轴与上水平横杆转动连接，转轴的后端装接有手动操作手柄，手动操作手柄上端向上延伸与上水平横杆转动连接，驱动机构经销轴与上水平横杆转动连接，末端执行器安装在驱动机构上，该驱动机构带动末端执行器实现绕该末端执行器轴线方向的转动，以及沿该末端执行器轴线方向的移动。本发明主要用于显微外科手术和微创手术，刚性好，操作简单，成本低廉，能显著提高手术成功率。

Description

一种手术辅助设备
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体地说是一种基于RCM机构的手术辅助设备，主要用于显微外科手术和微创手术。
背景技术
微创手术机器人技术中，一个极其重要的关键部分就是它的远端运动中心(Remote Center of Motion，简称RCM)机构。RCM机构的作用在于提供一个远端运动中心点，该远端运动中心点与微创手术切口重合，可确保在微创手术过程中末端执行器与病人的手术切口不发生拉扯，保证了手术安全。当前主流的微创手术机器人RCM机构是双平行四边形机构，这种RCM机构对于其组成部件各两杆的加工精度及装配要求都非常高，且由于杠杆作用的存在，驱动末端负载对于相应自由度驱动模块的驱动力要求较高。
Preceyces机器人是比利时埃因霍温科技大学发明的用于眼科手术的机器人系统。系统采用远程操控，实现玻璃体视网膜手术。该技术完全使用电机驱动完成操作，整体机器人系统成本很高，且在刺穿微细血管时，由于血管具有很大韧性，成功率较低。
Steady-hand眼科机器人。整个机构完全悬空，整体刚度较差。操作时，手的力直接施加在末端末端执行器上，更降低了结构的刚度和稳定性。同时，在刺穿微细血管时，也存在由于血管具有很大韧性，成功率较低的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种手术辅助设备，刚性好，操作简单，成本低廉，能显著提高手术成功率，主要应用于微创手术或者显微外科手术，例如手显微外科，眼显微外科，神经显微镜外科，整容外科等。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种手术辅助设备，包括底座、RCM机构、驱动机构和末端执行器，所述底座上活动装设有转轴，RCM机构包括前支撑连杆、后支撑连杆和上水平横杆，前支撑连杆下端通过销轴与转轴前端转动连接、上端通过销轴与上水平横杆转动连接，后支撑连杆下端通过销轴与转轴中部转动连接、上端通过销轴与上水平横杆转动连接，转轴的后端装接有手动操作手柄，该手动操作手柄上端向上延伸与上水平横杆转动连接，驱动机构通过销轴与上水平横杆转动连接，末端执行器安装在驱动机构上，该驱动机构带动末端执行器实现绕该末端执行器轴线方向的转动，以及沿该末端执行器轴线方向的移动。
所述后支撑连杆下部向下延伸至转轴下方，并且该后支撑连杆的下端装接有配重块。
所述转轴与手动操作手柄的连接区域及手动操作手柄与上水平横杆的连接区域装设有用于调节摩擦力大小的制动装置。
所述制动装置包括刹车片和制动器，刹车片和制动器上均设有轮齿，该刹车片的轮齿与制动器上的轮齿啮合连接。
所述制动器为电动制动器、气压制动器或者液压制动器。
所述驱动机构包括安装架、直线驱动电机、丝杆、齿轮组件和旋转驱动电机，直线驱动电机安装在安装架上，丝杆与直线驱动电机连接，齿轮组件通过连接块装接在丝杆上，旋转驱动电机与齿轮组件连接用于驱动该齿轮组件转动，末端执行器通过固定架与齿轮组件连接。
所述固定架包括连接板、设在连接板下端的定位机构和设在连接板上端的连接板，连接板与齿轮组件连接，定位机构包括安装在连接板上的定位块，该定位块上设有用于卡装末端执行器的定位腔，定位块上设有位于定位腔两侧的定位板和定位块，定位板通过销轴与定位块转动装接，末端执行器卡装在定位腔后定位板卡合在定位块上。
所述前支撑连杆与驱动机构之间还设有连接杆，该连接杆一端通过销轴与前支撑连杆转动连接、另一端通过销轴与驱动机构的安装架转动连接。
所述末端执行器内设有压电陶瓷。
所述上水平横杆由前段上水平横杆和后段上水平横杆构成，后段上水平横杆一端通过销轴与手动操作手柄转动连接、另一端通过销轴与后支撑连杆、前段上水平横杆一端转动连接，前段上水平横杆另一端通过销轴与驱动机构中的安装架转动连接。
本发明利用手动操作手柄及驱动机构，实现末端执行器四个方向的操作，设备稳定性好，结构紧凑，刚性好，操作简单，成本低廉，能显著提高手术成功率。主要应用于微创手术或者显微外科手术，例如手显微外科，眼显微外科，神经显微镜外科，整容外科等。
附图说明
附图1为本发明立体结构示意图；
附图2为本发明剖面结构示意图；
附图3为本发明驱动机构的立体结构示意图；
附图4为本发明中固定架的立体结构示意图；
附图5为本发明制动器的示意图；
附图6为附图5的A-A向剖面示意图；
附图7为本发明中位移放大原理示意图；
附图8为本发明中制动器制动力的原理示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如附图1-5所示，本发明揭示了一种手术辅助设备，包括底座1、RCM机构、驱动机构5和末端执行器4，所述底座1上活动装设有转轴3，RCM机构包括前支撑连杆7、后支撑连杆8和上水平横杆9，前支撑连杆7下端通过销轴与转轴3前端转动连接、上端通过销轴与上水平横杆9转动连接，后支撑连杆8下端通过销轴与转轴3中部转动连接、上端通过销轴与上水平横杆9转动连接，转轴3的后端装接有手动操作手柄10，该手动操作手柄10上端向上延伸与上水平横杆9转动连接，驱动机构通过销轴与上水平横杆9转动连接，末端执行器4安装在驱动机构5上，该驱动机构5带动末端执行器4实现绕该末端执行器轴线方向的转动，定义转动方向θ，以及沿该末端执行器轴线H方向的来回移动。
手动操作手柄10可以左右偏转带动转轴3左右转动，从而带动驱动机构5和末端执行器4左右方向的转动，形成旋转自由度α。手动操作手柄10还可以前后操作，带动末端执行器4前后方向的动作，形成旋转自由度β。需要说明的是，该两个动作，均是以RCM机构为基准。手动操作杆的长度可根据实际需要进行灵活设置，不同的长度，实现不同的放大倍数。
底座1可为底板和设在底板两侧的支撑侧板构成，转轴3穿过其中一个支撑侧板后承放在另外一个支撑侧板上，并且转轴3上还可套装轴承，减小摩擦阻力，可以根据实际需要进行灵活设置。
所述后支撑连杆8下部向下延伸至转轴3下方，并且该后支撑连杆8的下端装接有配重块2。该配重块2通常为圆柱状，当然也可以选择其他形状的配重块。通过该配重块，使的设备在运动时，设备的重心始终保持在转轴的中心轴线以上，最大程度的保证设备的重心靠近于转轴3的中心轴线OO’上，提高设备的稳定性。
另外，如附图5所示，转轴与手动操作手柄的连接区域及手动操作手柄与上水平横杆的连接区域装设有用于调节摩擦力大小的制动装置。其中转轴处的制动装置包括刹车片13和制动器14，该处的制动装置对旋转自由度α进行制动控制。上水平横杆处的制动装置包括刹车片11和制动器12，该处的制动装置对旋转自由度β进行制动控制。该两处的制动装置的结构和制动原理均一致，以上采用不同的标记是为了方便说明，并无特别限定。刹车片和制动器上均设有轮齿，该刹车片的轮齿与制动器上的轮齿啮合连接，通过齿形结构，可以更好的增大摩擦力，实现更良好的制动。制动器为电动制动器、气压制动器或者液压制动器，通过制动器对刹车片施加一定正压力，通过电动，调节夹紧力的大小达到制动效果。通过该制动装置的控制，达到制动效果。
由于两个位置的制动装置的结构及制动原理都一致，在此以转轴处安装的制动装置为例进行说明制动原理。如附图5、6和8所示，由于是轮齿结构，因此制动器上的轮齿对刹车片施加的力一分为二，原来的夹紧力N被分解两个垂直各自接触面(刹车片所在面)的分力，该分力的大小取决于两个接触面的夹角大小，本发明中此夹角为60°，则N＝N1＝N2，摩擦力F摩＝2N·μ。通过设置不同排数的轮齿，则会产生不同量级的摩擦力。如果设置两排轮齿，则摩擦力增大为4倍。
所述驱动机构5包括安装架51、直线驱动电机52、丝杆53、齿轮组件54和旋转驱动电机55，直线驱动电机52安装在安装架51上，丝杆53与直线驱动电机52连接，齿轮组件54通过连接块装接在丝杆53上，旋转驱动电机55与齿轮组件54连接用于驱动该齿轮组件54转动，末端执行器4通过固定架56与齿轮组件54连接。直线驱动电机51带动丝杆53转动，从而带动齿轮组件54上下移动，进而带动固定架56和末端执行器4上下移动，该上下移动为沿着末端执行器自身的中心轴线方向的移动自由度H，以及由旋转驱动电机55带动齿轮组件54作的圆周转动，进而带动末端执行器4绕其自身中心轴线的旋转，形成旋转自由度θ。从而配合手动操作杆，使得末端执行器具有旋转自由度α、旋转自由度β、移动自由度H和旋转自由度θ四个自由度度。
所述固定架56包括连接板561、设在连接板561下端的定位机构和设在连接板561上端的安装板562，安装板562与齿轮组件54连接，定位机构包括安装在连接板561上的定位块563，该定位块563上设有用于卡装末端执行器4的定位腔，定位块563上设有位于定位腔两侧的定位板564和定位块565，定位板564通过销轴与定位块565转动装接，末端执行器4卡装在定位腔后定位板564卡合在定位块565上。在实际手术过程中，经常需要更换不同的手术刀，如镊子、剪刀、注射针等，通过上述定位机构，，能够快速的实现末端执行器的拆卸和安装。
所述前支撑连杆7与驱动机构5之间还设有连接杆6，该连接杆6一端通过销轴与前支撑连杆7转动连接、另一端通过销轴与驱动机构5的安装架56转动连接。通过该连接杆，进一步增强连接的稳定性。
所述末端执行器4内设有压电陶瓷41。该压电陶瓷能够产生一定的位移，可以补偿消除机构或者人手颤抖而产生的300μm以内的有害位移，保证手术刀尖端运动的平稳。也能主动产生振幅微小且高频的振动，有利于血管壁的刺穿。
所述上水平横杆9由前段上水平横杆91和后段上水平横杆92构成，后段上水平横杆92一端通过销轴与手动操作手柄10转动连接、另一端通过销轴与后支撑连杆8、前段上水平横杆91一端转动连接，前段上水平横杆91另一端通过销轴与驱动机构5中的安装架56转动连接。
本发明中，先将末端执行器安装在固定架上，固定架装接有丝杆上。然后通过手动操作杆的操作，利用杠杆原理，操作杆可以放大末端执行器尖端的位移，达到精确控制的目的。
如附图7所示，本本发明中操作手动操作手柄产生的位移变化。根据杠杆原理，手动操作手柄可以放大末端执行器尖端的位移，达到精确控制的目的。同时，手动操作手柄的长度根据需要可调，实现不同放大倍数。基于附图1所示的装置示意图，其中O是转轴的轴线与末端执行器轴线的交汇点，N是指末端执行器针尖所在点，O＇是指转轴轴线与手动操作手柄交汇点，A是指上水平横杆与驱动器连接点，B是指上水平横杆与手动操作手柄连接点，M为手动操作手柄的操作点。ABOO＇构成一个平行四边形，放大比例取决于末端执行器针尖N到O的长度l与手动操作手柄上的操作点M到O＇的长度L。例如，若即当操作点M移动3mm时，则尖端N移动0.1mm，从而实现位移的变化，达到精确的控制。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手术辅助设备，包括底座、RCM机构、驱动机构和末端执行器，其特征在于，所述底座上活动装设有转轴，RCM机构包括前支撑连杆、后支撑连杆和上水平横杆，前支撑连杆下端通过销轴与转轴前端转动连接、上端通过销轴与上水平横杆转动连接，后支撑连杆下端通过销轴与转轴中部转动连接、上端通过销轴与上水平横杆转动连接，转轴的后端装接有手动操作手柄，该手动操作手柄上端向上延伸与上水平横杆转动连接，驱动机构通过销轴与上水平横杆转动连接，末端执行器安装在驱动机构上，该驱动机构带动末端执行器实现绕该末端执行器轴线方向的转动，以及沿该末端执行器轴线方向的移动。
2.根据权利要求1所述的手术辅助设备，其特征在于，所述后支撑连杆下部向下延伸至转轴下方，并且该后支撑连杆的下端装接有配重块。
3.根据权利要求2所述的手术辅助设备，其特征在于，所述转轴与手动操作手柄的连接区域及手动操作手柄与上水平横杆的连接区域装设有用于调节摩擦力大小的制动装置。
4.根据权利要求3所述的手术辅助设备，其特征在于，所述制动装置包括刹车片和制动器，刹车片和制动器上均设有轮齿，该刹车片的轮齿与制动器上的轮齿啮合连接。
5.根据权利要求4所述的手术辅助设备，其特征在于，所述制动器为电动制动器、气压制动器或者液压制动器。
6.根据权利要求5所述的手术辅助设备，其特征在于，所述驱动机构包括安装架、直线驱动电机、丝杆、齿轮组件和旋转驱动电机，直线驱动电机安装在安装架上，丝杆与直线驱动电机连接，齿轮组件通过连接块装接在丝杆上，旋转驱动电机与齿轮组件连接用于驱动该齿轮组件转动，末端执行器通过固定架与齿轮组件连接。
7.根据权利要求6所述的手术辅助设备，其特征在于，所述固定架包括连接板、设在连接板下端的定位机构和设在连接板上端的连接板，连接板与齿轮组件连接，定位机构包括安装在连接板上的定位块，该定位块上设有用于卡装末端执行器的定位腔，定位块上设有位于定位腔两侧的定位板和定位块，定位板通过销轴与定位块转动装接，末端执行器卡装在定位腔后定位板卡合在定位块上。
8.根据权利要求7所述的手术辅助设备，其特征在于，所述前支撑连杆与驱动机构之间还设有连接杆，该连接杆一端通过销轴与前支撑连杆转动连接、另一端通过销轴与驱动机构的安装架转动连接。
9.根据权利要求8所述的手术辅助设备，其特征在于，所述末端执行器内设有压电陶瓷。
10.根据权利要求9所述的手术辅助设备，其特征在于，所述上水平横杆由前段上水平横杆和后段上水平横杆构成，后段上水平横杆一端通过销轴与手动操作手柄转动连接、另一端通过销轴与后支撑连杆、前段上水平横杆一端转动连接，前段上水平横杆另一端通过销轴与驱动机构中的安装架转动连接。
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