CN107536642A - 一种多自由度多功能手术机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度多功能手术机械手，包括三个末端安装前端工具关节的七自由度的机械手臂，所述七自由度的机械手臂中的七个自由度从下往上依次为绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度以及工具自由度，从下端起第二个自由度后，其余五个自由度均在机械臂安装件内部完成。本发明设计合理，能实现切割、拉扯、缝线等手术操作，从而改进手术的可操作性和精确度。适用于神经外科和大部分类型的外科以及胸腔腹腔手术；除更换手术器械外，其余均可采用计算机进行控制，精确度更高，避免手术中由于医生过于疲劳而导致的误操作的出现。

Description

一种多自由度多功能手术机械手

技术领域

本发明涉及一种医疗手术器械，具体是一种多自由度多功能手术机械手。

背景技术

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。

机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门.

在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械人手臂与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。也就是机械手的最大优势可以重复的做同一动作在机械正常情况下永远也不会觉得累。机械手臂的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。

机械手在医疗中具有非常高的实用价值，很多人力无法精准完成的手术都可以通过机械手来操作。但是现有的医疗用机械手仍然存在以下缺点：目前只有用于腹腔或胸腔内部的手术机械手，并没有适用于神经外科的机械手；其次机械手的活动自由度有限，无法实现神经外科所要求的在颅脑中操作的精准度。神经外科（Neurosurgery）是外科学中的一个分支，是在外科学以手术为主要治疗手段的基础上，应用独特的神经外科学手术策略，研究治疗人体神经系统，如脑、脊髓和周围神经系统，以及与之相关的附属结构，如颅骨、头皮、脑血管脑膜等结构的损伤、炎症、肿瘤、畸形和某些遗传代谢障碍或功能紊乱疾病，如：癫痫、帕金森病、神经痛等疾病的病因及发病机制，并探索新的诊断、治疗、预防技术的一门高、精、尖学科。

由于神经系统，主要是大脑、脊髓和神经，功能非常重要、精细且复杂，所以神经外科的手术非常精细、精准、精确，对手术中操作的要求非常高。一台神经外科手术一般都是几个小时，甚至十几个小时。医生在手术未完成之前就会非常疲劳，会影响手术的进行。目前虽然有胸腹腔手术的机械手，但其操作灵活度、功能性和精准度离神经外科手术的要求还有一段距离，更关键的是目前尚没有用于神经外科的机械手。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度多功能手术机械手，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多自由度多功能手术机械手，包括三个末端安装前端工具关节的七自由度的机械手臂，所述七自由度的机械手臂中的七个自由度从下往上依次为绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度以及工具自由度，从下端起第二个自由度后，其余五个自由度均在机械臂安装件内部完成；每个自由度都由一根钢丝负责传动操控，所述钢丝通过电机驱动，每个电机对应驱动一根钢丝；机械手臂在机械臂安装件内部有五个自由度，整条机械手臂处于伸直状态时，由靠近机械臂安装件处算起，分别为绕轴旋转自由度关节、伸缩自由度关节、摆动自由度关节A、摆动自由度关节B、摆动自由度关节C、摆动自由度关节和前端工具关节，任意相邻的两个自由度关节间形成的自由度方向空间垂直，摆动自由度关节A、摆动自由度关节B、摆动自由度关节C、摆动自由度关节的最大摆角均为180°；三条机械手臂包含的每个关节结构相同，主要由根部零件和摆动零件组成，根部零件与摆动零件之间通过刚性轴连接，传动钢丝从根部零件中穿入带动摆动零件中的滑轮，钢丝拉紧后，摆动零件绕刚性轴摆动，两零件之间相互摆动形成摆动自由度。

作为本发明进一步的方案：所述其中一个前端工具关节上安装有止血钳。

作为本发明再进一步的方案：所述其中一个前端工具关节上安装有剪刀。

作为本发明再进一步的方案：所述其中一个前端工具关节上安装有吸引器。

作为本发明再进一步的方案：所述机械臂安装件的直径为12mm。

作为本发明再进一步的方案：所述器械孔的直径为5mm。

作为本发明再进一步的方案：所述绕轴旋转自由度关节、伸缩自由度关节、摆动自由度关节A、摆动自由度关节B、摆动自由度关节C、摆动自由度关节的长度分别为8mm、8mm、15mm、8mm、13mm和8mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计合理，能实现切割、拉扯、缝线等手术操作，从而改进手术的可操作性和精确度。具有三条机械手臂，可以安装不同的手术器械，适用于神经外科和大部分类型的外科以及胸腔腹腔手术；除更换手术器械外，其余采用均可采用计算机进行控制，精确度更高，避免手术中由于医生过于疲劳而导致的误操作的出现。

附图说明

图1为本发明中前端机械臂工具手臂部分自由度分配示意图。

图2为本发明中前端机械臂装配总成图。

图3为本发明中机械臂安装件的结构示意图。

图4为本发明中止血钳的结构示意图。

图5为本发明中剪刀的结构示意图。

图6为本发明中吸引器的结构示意图。

图中：1-绕轴旋转自由度关节，2-伸缩自由度关节，3-摆动自由度关节A，4-摆动自由度关节B，5-摆动自由度关节C，6-摆动自由度关节D，7-前端工具关节，8-机械臂安装件，9-器械孔，10-止血钳铰链，11-止血钳，12-剪刀，13-吸引器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～6，一种多自由度多功能手术机械手，包括三个末端安装前端工具关节的七自由度的机械手臂，所述七自由度的机械手臂中的七个自由度从下往上依次为绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度以及工具自由度，从下端起第二个自由度后，其余五个自由度均在机械臂安装件8内部完成；每个自由度都由一根钢丝负责传动操控，所述钢丝通过电机驱动，每个电机对应驱动一根钢丝；机械手臂在机械臂安装件8内部有五个自由度，整条机械手臂处于伸直状态时，由靠近机械臂安装件8处算起，分别为绕轴旋转自由度关节1、伸缩自由度关节2、摆动自由度关节A3、摆动自由度关节B4、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节6和前端工具关节7，任意相邻的两个自由度关节间形成的自由度方向空间垂直，摆动自由度关节A3、摆动自由度关节B4、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节D6的最大摆角均为180°。加上整条机械手臂在机械臂安装件8外部的旋转和伸缩自由度，机械手臂的工作空间可以满足手术要求。三条机械手臂包含的每个关节结构相同，主要由根部零件和摆动零件组成，根部零件与摆动零件之间通过刚性轴连接，传动钢丝从根部零件中穿入带动摆动零件中的滑轮，钢丝拉紧后，摆动零件绕刚性轴摆动，两零件之间相互摆动形成摆动自由度。

进一步的，本发明所述其中一个前端工具关节7上安装有止血钳。

进一步的，本发明所述其中一个前端工具关节7上安装有剪刀。

进一步的，本发明所述其中一个前端工具关节7上安装有吸引器。

进一步的，本发明所述机械臂安装件8的直径为12mm，不仅适用于神经外科手术，也适用于腹腔手术，在使用时向机械臂安装件8内充气，使人体腹腔内形成合适的手术空间，即作为腹腔开口器使用。

进一步的，本发明所述器械孔9的直径为5mm。

进一步的，本发明所述绕轴旋转自由度关节1、伸缩自由度关节2、摆动自由度关节A3、摆动自由度关节B4、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节6的长度分别为8mm、8mm、15mm、8mm、13mm和8mm。机械手臂完全伸直时长度为70mm，能够满足绝大部分手术需要。

本发明中机械臂安装件8内部每个机械手臂的四个摆动自由度通过滑轮组实现。

本发明的工作原理是：

在进行神经外科手术时，三条机械手臂全部处于伸平状态，将机械手臂末端安装在前端控制机构上；准备工作完毕后，调整手术台的位置和高度，然后调整三条机械手臂的角度；然后通过绕轴旋转自由度关节1、伸缩自由度关节2、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节6来调整机械手臂的位置，使其位于手术部位附近；然后从绕轴旋转自由度关节1、伸缩自由度关节2、摆动自由度关节A3、摆动自由度关节B4、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节6和前端工具关节7按顺序逐一调节各自由度关节，使三条机械手臂精准到达手术点，进行手术。

在进行腹腔手术时，三条机械手臂全部处于伸平状态，将机械手臂末端安装在前端控制机构上；准备工作完毕后，调整手术台的位置和高度，然后调整三条机械手臂的角度，对准在肚脐位置安装的机械臂安装件8，手动操作将三条机械手臂通过器械孔9伸入机械臂安装件8内部，从而伸入患者体内；然后通过绕轴旋转自由度关节1、伸缩自由度关节2、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节6来调整机械手臂的位置，使其位于手术部位附近；然后从绕轴旋转自由度关节1、伸缩自由度关节2、摆动自由度关节A3、摆动自由度关节B4、摆动自由度关节C5、摆动自由度关节6和前端工具关节7按顺序逐一调节各自由度关节，使三条机械手臂精准到达手术点，进行手术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种多自由度多功能手术机械手，包括三个末端安装前端工具关节的七自由度的机械手臂，其特征在于：所述七自由度的机械手臂中的七个自由度从下往上依次为绕手臂中心轴旋转自由度、手臂前后伸缩自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度、水平摆动自由度、竖直摆动自由度以及工具自由度，从下端起第二个自由度后，其余五个自由度均在机械臂安装件内部完成；每个自由度都由一根钢丝负责传动操控，所述钢丝通过电机驱动，每个电机对应驱动一根钢丝；机械手臂在机械臂安装件内部有五个自由度，整条机械手臂处于伸直状态时，由靠近机械臂安装件处算起，分别为绕轴旋转自由度关节、伸缩自由度关节、摆动自由度关节A、摆动自由度关节B、摆动自由度关节C、摆动自由度关节和前端工具关节，任意相邻的两个自由度关节间形成的自由度方向空间垂直，摆动自由度关节A、摆动自由度关节B、摆动自由度关节C、摆动自由度关节的最大摆角均为180°；三条机械手臂包含的每个关节结构相同，主要由根部零件和摆动零件组成，根部零件与摆动零件之间通过刚性轴连接，传动钢丝从根部零件中穿入带动摆动零件中的滑轮，钢丝拉紧后，摆动零件绕刚性轴摆动，两零件之间相互摆动形成摆动自由度。

2.根据权利要求1所述的多自由度多功能手术机械手，其特征在于：所述其中一个前端工具关节上安装有止血钳。

3.根据权利要求1所述的多自由度多功能手术机械手，其特征在于：所述其中一个前端工具关节上安装有剪刀。

4.根据权利要求1所述的多自由度多功能手术机械手，其特征在于：所述其中一个前端工具关节上安装有吸引器。

5.根据权利要求1所述的多自由度多功能手术机械手，其特征在于：所述机械臂安装件的直径为12mm。

6.根据权利要求1所述的多自由度多功能手术机械手，其特征在于：所述器械孔的直径为5mm。

7.根据权利要求1所述的多自由度多功能手术机械手，其特征在于：所述绕轴旋转自由度关节、伸缩自由度关节、摆动自由度关节A、摆动自由度关节B、摆动自由度关节C、摆动自由度关节的长度分别为8mm、8mm、15mm、8mm、13mm和8mm。