CN107363809B - 一种四自由度并联式微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四自由度并联式微创手术机器人，包括固定支架、第一分支、第二分支、第一动平台、第二动平台、驱动螺杆和手术装置；第一分支包括第一可驱动伸缩机构，第一可驱动伸缩机构一端通过第一运动副与固定支架连接，另一端通过第二运动副与第一动平台连接；第一运动副和第二运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；第二分支包括第二可驱动伸缩机构，第二可驱动伸缩机构一端通过第三运动副与固定支架连接，另一端通过第四运动副与第二动平台连接；第三运动副和第四运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；驱动螺杆一端与手术装置固定连接，另一端与第一动平台通过转动副连接，第二动平台通过螺旋副与驱动螺杆连接。

Description

一种四自由度并联式微创手术机器人

技术领域

本发明涉及一种四自由度并联式微创手术机器人，属于医疗器械领域。

背景技术

微创是外科的重要发展趋势，是对传统外科的一场深刻技术革命。微创外科通过微小创伤或自然通道将特殊器械、物理能量或化学药剂送入人体内部，完成对人体内病变、畸形、创伤的灭活、切除、修复或重建等外科手术操作而达到治疗目的的医学科学分支。其突出特点是创伤小，可以减少术后并发症和后遗症，有利于机体内环境稳定与功能恢复。

手术机器人是实现外科手术伤口微创化、器械微型化、设备智能化和信息数字化的重要手段。手术机器人的使用突破了传统微创手术的局限，将微创手术的精度和水平提升到了新的高度，大大降低了病人的痛苦和手术创伤，缩短了康复时间。同时手术机器人具有自动纠错功能，可以克服医生在操纵手术工具时的手臂抖动，避免操作失误的出现，减轻了医生的疲劳强度。美国Computer Motion公司于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；1999年美国Intuitive Surgical公司研制出DaVinci系统，并于2001年通过美国联邦视频及药物管理局(FDA)认证，成为第一个合法的商品化手术机器人，在临床应用中取得了很好的效果。国内研究虽然起步较晚，但也于2010年研制出MircoHandA系统，并成功进行了动物实验。

上述手术机器人均为串联构型，机器人安装在基座上，手术装置安装在机器人的末端，通过机器人来实现手术装置的多自由度运动。串联机器人发展时间长，运动学动力学研究方法相对成熟，但也存在许多问题：(1)各个关节的误差是叠加的，累积误差可能会降低机器人末端手术装置的精度；(2)机器人固定在基座上，随着串联机器人的自由度的增多，会降低末端执行器的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种精度更高且稳定性更好的四自由度并联式微创手术机器人。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：包括固定支架、第一分支、第二分支、第一动平台、第二动平台、第一驱动螺杆和手术装置；所述第一分支的数量为两个，所述第一分支包括第一可驱动伸缩机构，所述第一可驱动伸缩机构的一端通过第一运动副与所述固定支架连接，另一端通过第二运动副与所述第一动平台连接；所述第一运动副和第二运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；所述第二分支的数量为两个，所述第二分支包括第二可驱动伸缩机构，所述第二可驱动伸缩机构的一端通过第三运动副与所述固定支架连接，另一端通过第四运动副与所述第二动平台连接；所述第三运动副和第四运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；所述第一驱动螺杆的一端与所述手术装置固定连接，另一端与第一动平台通过转动副连接，所述第二动平台通过螺旋副与所述第一驱动螺杆连接。

进一步地，所述第一可驱动伸缩机构包括第一连杆、第二连杆、第一电机、第二驱动螺杆和第一驱动滑块；所述第一电机、第二驱动螺杆和第一驱动滑块布置在所述第一连杆的内部，所述第一电机与所述第一连杆固定连接，所述第一电机的转轴通过联轴器与所述第二驱动螺杆的一端连接，所述第二驱动螺杆通过螺旋副与所述第一驱动滑块连接，所述第二连杆的一端伸入所述第一连杆的内部且与所述第一驱动滑块固定连接。

进一步地，所述第二可驱动伸缩机构包括第三连杆、第四连杆、第二电机、第三驱动螺杆和第二驱动滑块；所述第二电机、第三驱动螺杆和第二驱动滑块布置在所述第三连杆的内部，所述第二电机与所述第三连杆固定连接，所述第二电机的转轴通过联轴器与所述第三驱动螺杆的一端连接，所述第三驱动螺杆通过螺旋副与所述第二驱动滑块连接，所述第四连杆的一端伸入所述第三连杆的内部且与所述第二驱动滑块固定连接。

进一步地，两个所述第一分支和两个所述第二分支分布在所述固定支架的同一圆周上，且第一分支与第二分支呈等间隔交替布置。

进一步地，所述两自由度转动副为虎克铰。

进一步地，所述第一连杆包括第一电机罩和与所述第一电机罩固定连接的第一连杆基座，所述第一电机位于所述第一电机罩中，所述第二驱动螺杆和第一驱动滑块位于所述第一连杆基座中。

进一步地，所述第三连杆包括第二电机罩和与所述第二电机罩固定连接的第二连杆基座，所述第二电机位于所述第二电机罩中，所述第三驱动螺杆和第二驱动滑块位于所述第二连杆基座中。

进一步地，还包括保护罩，所述保护罩的一端与所述第一动平台固定连接，另一端通过转动副与所述手术装置连接。

一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：包括固定支架、第一分支、第二分支、第一动平台、第二动平台、第一驱动螺杆和手术装置；所述第一分支的数量为两个，所述第一分支包括第一可驱动伸缩机构，所述第一可驱动伸缩机构的一端通过第一运动副与所述固定支架连接，另一端通过第二运动副与所述第一动平台连接；所述第一运动副和第二运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；所述第二分支的数量为两个，所述第二分支包括第二可驱动伸缩机构，所述第二可驱动伸缩机构的一端通过第三运动副与所述固定支架连接，另一端通过第四运动副与所述第二动平台连接；所述第三运动副和第四运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；所述第一驱动螺杆的一端与所述手术装置固定连接，另一端与第一动平台通过螺旋副连接，所述第二动平台通过转动副与所述第一驱动螺杆连接。

进一步地，还包括保护罩，所述保护罩的一端与所述第二动平台固定连接，另一端通过转动副与所述手术装置连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明基于并联机构提出了一种微创手术机器人，其可以实现三个转动自由度和一个平动自由度的空间运动，从而在运动模式上满足微创手术的应用要求，并且由于并联机构具有刚度高、稳定性好、误差不累积等特点，因此，该微创手术机器人具有较高的精度和较好的系统稳定性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明第一分支的结构示意图；

图3是本发明第二分支的结构示意图；

图4是本发明第一分支中的第一电机罩和第一连杆基座拆开后的结构示意图；

图5是本发明第二分支中的第二电机罩和第二连杆基座拆开后的结构示意图；

图6是本发明在第一动平台和手术装置之间安装保护罩的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

如图1～3所示，本实施例包括固定支架1、第一分支2、第二分支3、第一动平台4、第二动平台5、驱动螺杆6和手术装置7。其中，第一分支2的数量为两个，第一分支2包括第一可驱动伸缩机构21，第一可驱动伸缩机构21的一端通过第一运动副22与固定支架1连接，另一端通过第二运动副23与第一动平台4连接。第一运动副22和第二运动副23中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副。第二分支3的数量为两个，第二分支3包括第二可驱动伸缩机构31，第二可驱动伸缩机构31的一端通过第三运动副32与固定支架1连接，另一端通过第四运动副33与第二动平台5连接。第三运动副32和第四运动副32中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副。驱动螺杆6的一端与手术装置7固定连接，另一端与第一动平台4通过转动副连接，第二动平台5通过螺旋副与驱动螺杆6连接。优选地，第一分支2和第二分支3中的两自由度转动副为虎克铰。

进一步地，当第一运动副22为虎克铰、第二运动副23为转动副时，位于两第一分支2上的两虎克铰与固定支架1相连的轴线须保持共线，两虎克铰与第一可驱动伸缩机构21相连的轴线须保持平行，两转动副的旋转轴须保持平行。当第一运动副22为转动副、第二运动副为虎克铰时，位于两第一分支2上的两转动副的旋转轴须保持平行，两虎克铰与第一动平台4相连的轴线须保持共线，虎克铰与第一可驱动伸缩机构21相连的轴线须保持平行。

进一步地，当第三运动副32为转动副、第四运动副33为虎克铰时，位于两第二分支3上的两转动副的旋转轴须保持平行，两虎克铰与第二动平台5相连的轴线须保持共线，虎克铰与第二可驱动伸缩机构31相连的轴线须保持平行。当第三运动副32为虎克铰、第四运动副33为转动副时，虎克铰与固定支架1相连的轴线须保持共线，虎克铰与第二可驱动伸缩机构31相连的轴线须保持平行，转动副的旋转轴须保持平行。

进一步地，如图4所示，第一可驱动伸缩机构21包括第一连杆211、第二连杆212、第一电机213、第二驱动螺杆214和第一驱动滑块215。其中，第一电机213、第二驱动螺杆214和第一驱动滑块215均布置在第一连杆211的内部，第一电机213与第一连杆211固定连接，第一电机213的转轴通过联轴器216与第二驱动螺杆214的一端连接，第二驱动螺杆214通过螺旋副与第一驱动滑块215连接，第二连杆212的一端伸入第一连杆211的内部且与第一驱动滑块215固定连接。第一连杆211包括第一电机罩2111和与第一电机罩2111固定连接的第一连杆基座2112，第一电机213位于第一电机罩2111中，第二驱动螺杆214和第一驱动滑块215位于第一连杆基座2112中。

进一步地，如图5所示，第二可驱动伸缩机构31包括第三连杆311、第四连杆312、第二电机313、第三驱动螺杆314和第二驱动滑块315。其中，第二电机313、第三驱动螺杆314和第二驱动滑块315均布置在第三连杆311的内部，第二电机313与第三连杆311固定连接，第二电机313的转轴通过联轴器316与第三驱动螺杆314的一端连接，第三驱动螺杆314通过螺旋副与第二驱动滑块315连接，第四连杆312的一端伸入第三连杆311的内部且与第二驱动滑块315固定连接。第三连杆311包括第二电机罩3111和与第二电机罩3111固定连接的第二连杆基座3112，第二电机313位于第二电机罩3111中，第三驱动螺杆314和第二驱动滑块315位于第二连杆基座3112中。

进一步地，两个第一分支2和两个第二分支3分布在固定支架1的同一圆周上，且第一分支2与第二分支3呈等间隔交替布置。

进一步地，如图6所示，本发明还包括保护罩8，保护罩8的一端与第一动平台4固定连接，另一端通过转动副与手术装置7连接。

本发明的工作原理如下：本发明能够驱动手术装置完成具有三个转动自由度和一个平动自由度的空间运动。具体地，本发明的两第一分支2用于驱动第一动平台4运动，使得第一动平台4可以实现平动和一个转动自由度；本发明的两第二分支3用于驱动第二动平台5运动，使得第二动平台5可以实现平动和一个转动自由度；第一动平台4和第二动平台5之间的相对运动通过驱动螺杆6将转换为手术装置7的旋转运动。通过驱动第一动平台4和第二动平台5的不同运动模式，可以使手术装置7完成具有三个转动自由度和一个平动自由度的空间运动。

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于：驱动螺杆6与第一动平台4通过螺旋副连接，第二动平台5与驱动螺杆6通过转动副连接。此外，当设置保护罩8时，保护罩8的一端与第二动平台5固定连接，另一端通过转动副与手术装置7连接。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：包括固定支架、第一分支、第二分支、第一动平台、第二动平台、驱动螺杆和手术装置；

所述第一分支的数量为两个，所述第一分支包括第一可驱动伸缩机构，所述第一可驱动伸缩机构的一端通过第一运动副与所述固定支架连接，另一端通过第二运动副与所述第一动平台连接；所述第一运动副和第二运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；

所述第二分支的数量为两个，所述第二分支包括第二可驱动伸缩机构，所述第二可驱动伸缩机构的一端通过第三运动副与所述固定支架连接，另一端通过第四运动副与所述第二动平台连接；所述第三运动副和第四运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；

所述驱动螺杆的一端与所述手术装置固定连接，另一端与第一动平台通过转动副连接，所述第二动平台通过螺旋副与所述驱动螺杆连接。

2.一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：包括固定支架、第一分支、第二分支、第一动平台、第二动平台、驱动螺杆和手术装置；

所述第一分支的数量为两个，所述第一分支包括第一可驱动伸缩机构，所述第一可驱动伸缩机构的一端通过第一运动副与所述固定支架连接，另一端通过第二运动副与所述第一动平台连接；所述第一运动副和第二运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；

所述第二分支的数量为两个，所述第二分支包括第二可驱动伸缩机构，所述第二可驱动伸缩机构的一端通过第三运动副与所述固定支架连接，另一端通过第四运动副与所述第二动平台连接；所述第三运动副和第四运动副中的一个为两自由度转动副，另一个为转动副；

所述驱动螺杆的一端与所述手术装置固定连接，另一端与第一动平台通过螺旋副连接，所述第二动平台通过转动副与所述驱动螺杆连接。

3.如权利要求1或2所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：所述第一可驱动伸缩机构包括第一连杆、第二连杆、第一电机、第二驱动螺杆和第一驱动滑块；所述第一电机、第二驱动螺杆和第一驱动滑块布置在所述第一连杆的内部，所述第一电机与所述第一连杆固定连接，所述第一电机的转轴通过联轴器与所述第二驱动螺杆的一端连接，所述第二驱动螺杆通过螺旋副与所述第一驱动滑块连接，所述第二连杆的一端伸入所述第一连杆的内部且与所述第一驱动滑块固定连接。

4.如权利要求1或2所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：所述第二可驱动伸缩机构包括第三连杆、第四连杆、第二电机、第三驱动螺杆和第二驱动滑块；所述第二电机、第三驱动螺杆和第二驱动滑块布置在所述第三连杆的内部，所述第二电机与所述第三连杆固定连接，所述第二电机的转轴通过联轴器与所述第三驱动螺杆的一端连接，所述第三驱动螺杆通过螺旋副与所述第二驱动滑块连接，所述第四连杆的一端伸入所述第三连杆的内部且与所述第二驱动滑块固定连接。

5.如权利要求1或2所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：两个所述第一分支和两个所述第二分支分布在所述固定支架的同一圆周上，且第一分支与第二分支呈等间隔交替布置。

6.如权利要求1或2所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：所述两自由度转动副为虎克铰。

7.如权利要求3所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：所述第一连杆包括第一电机罩和与所述第一电机罩固定连接的第一连杆基座，所述第一电机位于所述第一电机罩中，所述第二驱动螺杆和第一驱动滑块位于所述第一连杆基座中。

8.如权利要求4所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：所述第三连杆包括第二电机罩和与所述第二电机罩固定连接的第二连杆基座，所述第二电机位于所述第二电机罩中，所述第三驱动螺杆和第二驱动滑块位于所述第二连杆基座中。

9.如权利要求1所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：还包括保护罩，所述保护罩的一端与所述第一动平台固定连接，另一端通过转动副与所述手术装置连接。

10.如权利要求2所述的一种四自由度并联式微创手术机器人，其特征在于：还包括保护罩，所述保护罩的一端与所述第二动平台固定连接，另一端通过转动副与所述手术装置连接。

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