CN108742733A - 新型可收缩式微创手术操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的可收缩式微创手术操作臂，包括五个模块：角度偏转机构，偏移误差补偿机构，驱动机构，关节机构，电刀机构。角度偏转机构固定在微创手术的机械臂安装台上，保证了整体机构的稳定性；偏移误差补偿机构可以通过控制单杆双作用气缸中活塞杆伸出的长度，在电刀未能通过驱动机构和关节机构到达指定手术部位，或者超过病灶部位的时候，对距离进行适当的调整，提高操作的精准度；驱动机构采用四个相同型号的电机进行驱动，通过杠杆结构来调整关节角度；关节机构采用关节串联型的机构，通过调节内部钢丝绳的松紧程度控制关节的角度；电刀机构与关节机构相连接，利用钢丝绳来调节电刀的角度。

Description

新型可收缩式微创手术操作臂

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体是一种新型可收缩式微创手术操作臂。

背景技术

现代微创手术对医疗领域来说，是一场历史性的改革，与传统手术相比，微创外科手术具有出血量少、创口小、术后并发症低、恢复快等优点，基于这些优点，微创手术越来越受欢迎。随着科学技术的快速发展，机器人技术已经不断的应用到微创手术中。手术机器人的介入使得微创手术成功率得到了更高的提升，医生控制机器人完成各种手术动作，大幅提高了手术精度，避免了因人为抖动等因素而带来不可挽回的失误；机器人拥有多个自由度，可以完成医生所完不成的极其复杂困难的操作，因此，微创手术中，微创手术机器人操作臂和末端执行器的作用尤为重要。

以前的微创手术机器人操作臂有叠加式的、被动式等，但是由于人体内部环境复杂，因此微创手术机器人必须具有足够的灵活性来避开病人体内重要的组织器官。

目前微创手术机器人已经在西方国家实现了商品化，而国内拥有微创手术医疗器械的医院仍然无法满足人们对于微创手术的需求。因此开展腹腔微创手术机器人相关研究并使之国产化，不仅能够推动微创手术机器人在国内的普及，还能够对微创手术机器人自主化起进一步的促进作用。特别是对于微创手术器械，其在手术过程中作为损耗件对于整个手术成本的控制起着尤为重要的作用。

本发明提出的新型可收缩式微创手术操作臂可以实现手术臂操作关节前后、左右、上下的移动，同时也可满足手术过程中关节的转动以及电刀摆动的要求。相比于传统的微创手术操作臂，该新型操作臂的重量更为轻便，运动更为平稳，价格较为低廉，且可以满足微创手术精密操作的要求。

发明内容

针对目前国内微创手术医疗器械的不足，本发明提出了一种新型可收缩式微创手术操作臂。

本发明采用的技术方案为：该系统由角度偏转机构、偏移误差补偿机构、驱动机构、关节机构、电刀机构组成：

所述角度偏转机构包括：电源线1、螺栓2、螺母3、电机安装架4、电动机5、法兰盘6、大绕线器7、小绕线器8、钢丝绳9、万向节连接轴1,10、圆锥销11、十字轴式万向联轴器半轴12、连接方块13、十字轴式万向联轴器中间连接件14、万向节连接轴2,15组成；电动机5通过螺栓2与电动机安装架4相连接，另一端与电动机安装架4通过螺栓2与法兰盘6相固定，大绕线器7与电动机5的旋转轴相连接，钢丝绳9一端固定在与电动机5相连接的大绕线器7上，钢丝绳9的另一端与安装在十字轴式万向联轴器半轴12上的小绕线器8相连接，法兰盘6的一端与手术操作台的转轴相连接，另一端与万向节连接轴1,10相连接，万向节连接轴1,10的一端通过圆锥销11与十字轴式万向联轴器半轴12相连接，十字轴式万向联轴器中间连接件14通过圆锥销11与十字轴式万向联轴器半轴12相连接，另一边的十字轴式万向联轴器半轴12同样通过圆锥销11与十字轴式万向联轴器中间连接件14相连，万向连接轴2,15一端同样通过圆锥销11连接在十字轴式万向联轴器中间连接件14上，另一端与气缸和联轴器的连接盘17相连；通过手术操作台与法兰盘6相连接的转轴的旋转带动法兰盘6的运动，通过法兰盘6的运动带动与之相连接的万向节连接轴1，10的运动，从而将绕x方向的旋转运动传递到操作臂的末端；利用电动机5旋转轴的运动带动大绕线器7的转动，从而调节钢丝绳9的松紧程度，利用钢丝绳9的松紧来调节十字轴式万向联轴器半轴12的偏转角度。

所述偏移误差补偿机构包括：螺母3、单杆双作用活塞气缸16、气缸和联轴器的连接盘17、锁紧螺钉18、活塞杆19、气缸连接盘20、气缸A进气口36、气缸B进气口37组成；其中的单杆双作用活塞气缸16通过螺栓与气缸和联轴器的连接盘17固定在一起；气缸中的活塞杆与气缸连接盘20连接在一起，在位于电刀位置处的传感器27检测到电刀位置未到达指定病灶位置的时候，通过活塞杆伸出的长短，来调节与之相连的气缸连接盘20的位置，从而达到位置偏移情况下的补偿功能。

所述驱动机构包括：电动机5、钢丝绳9、驱动机构安装架21、滚珠丝杠22、滚珠丝杠接头23、杠杆24、蜗杆32、涡轮33、电机上盖34、电机下盖35组成；电动机5安装在驱动机构安装架21；当调整关节偏转角度的时候，通过电动机5的正转以及反转的运动，带动旋转轴上蜗杆32的运动，通过涡轮33与蜗杆32的啮合，将运动传输至涡轮33上，之后由与涡轮33相连接的滚珠丝杠22，将涡轮33的旋转运动转换为直线运动，通过滚珠丝杠22的上下运动，带动杠杆24的上下运动，从而调节位于杠杆24两端钢丝绳9的松紧程度，以调节关节机构4的转动角度。

所述关节机构包括：钢丝绳9、手术操作臂关节25、关节转轴26、传感器27、柔性管28组成；在调控手术操作臂关节25转动角度的时候，通过驱动机构对于钢丝绳9松紧程度的控制，使得手术操作臂关节25可以围绕关节转轴26进行转动，单个关节的转动角度为+25°～-25°；安装在两关节连接处的传感器27可以对于关节偏转的角度进行测量与反馈，之后通过反馈的数据来微调钢丝绳9的松紧程度，达到精确控制的目的。

所述电刀机构包括：螺栓2、钢丝绳固定器29、电刀安装板30、电刀31组成；电刀31通过螺栓2安装在电刀安装板30上；由手术操作臂关节25引出的多股钢丝绳9通过位于电刀安装板30中不同环槽轨道，最终固定在钢丝绳固定器29上；通过控制不同钢丝绳9的松紧程度的不同，来达到调整电刀31角度，以及固定电刀31的目的。

根据权利要求1所述的新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，利用角度偏转机构来调节整个机构的旋转角度，同时利用角度偏转机构中的钢丝绳9的松紧来实现水平、竖直方向的移动。

根据权利要求1所述的新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，在位于电刀位置处的传感器检测到电刀31位置未到达指定病灶位置的时候，利用偏移误差补偿机构对电刀31位置进行位移补偿，以满足微创手术精密操作的要求。

根据权利要求1所述的新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，在利用驱动机构来调节手术操作臂关节25角度的时候，通过电动机5、涡轮32、蜗杆33、滚珠丝杠22、杠杆24之间的传动来调整钢丝绳9的松紧程度，从而对关节的偏转角度进行调整。

发明的工作原理为：在对病患进行微创手术的过程中，操作臂前端的电刀部分以及部分的关节可以进入人体，为了达到指定的手术部位且不在手术过程中对患者的内脏器官等造成损伤，利用驱动机构中的滚珠丝杠机构来从不同的方位对于钢丝绳的松紧程度进行调控，从而使操作臂可以有目的性的偏转，达到避开重要器官，到达指定手术操作部位的目的，利用角度偏转机构可以实现包括驱动机构、关节机构以及电刀机构的整体旋转，从而调整微创手术操作臂进入人体的路径，位移补偿机构可用于在电刀未到达指定位置，或者超过指定位置时的微调，以满足微创手术精密操作的要求。

本发明的有益效果为：

本发明实现了手术臂操作关节前后、左右、上下的移动，同时也可满足手术过程中关节的转动以及电刀摆动的要求，通过滚珠丝杠上连接的钢丝绳的松紧程度的调整以控制转动的角度，同时，上述偏移误差补偿机构中单杆双作用活塞气缸以及传感器的使用保证了手术操作时对于电刀与病灶部位之间的距离，有益于准确的针对病灶部位进行手术，而不会在手术过程中因为定位不准确而给患者带来二次伤害。角度偏转机构的使用使得可以针对整体机构进行角度的预调节，提高操作精度。同时，微创手术操作臂的关节部位内部为空心结构，大大降低了操作臂的质量，使得操作臂更容易控制，且制造关节所需的材料减少，降低了操作臂的制造成本。

附图说明

图1为新型可收缩式微创手术操作臂的机构主视图

图2为新型可收缩式微创手术操作臂的机构俯视图

图3为操作臂关节连接主视图

图4为操作臂关节连接图右视图

图5为操作臂的十字轴式万向联轴器主视图

图6为操作臂的十字轴式万向联轴器俯视图

图7为操作臂的驱动机构部分连接图主视图

图8为操作臂的驱动机构部分连接图侧视图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。为描述方便，首先对本发明涉及的各个结构件进行标号说明：

1-电源线

2-螺栓

3-螺母

4-电机安装架

5-电动机

6-法兰盘

7-大绕线器

8-小绕线器

9-钢丝绳

10-万向节连接轴1

11-圆锥销

12-十字轴式万向联轴器半轴

13-连接方块，

14-十字轴式万向联轴器中间连接件

15-万向节连接轴2

16-单杆双作用活塞气缸

17-气缸与联轴器的连接盘

18-锁紧螺钉

19-活塞杆

20-气缸连接盘

21-驱动机构安装架

22-滚珠丝杠

23-滚珠丝杠接头

24-杠杆

25-手术操作臂关节

26-关节转轴

27-传感器

28-柔性管

29-钢丝绳固定器

30-电刀安装板

31-电刀头

32-蜗杆

33-涡轮

34-电机上盖

35-电机下盖

36-气缸A进气口

37-气缸B进气口

所述角度偏转机构包括：电源线1、螺栓2、螺母3、电机安装架4、电动机5、法兰盘6、大绕线器7、小绕线器8、钢丝绳9、万向节连接轴1，10、圆锥销11、十字轴式万向联轴器半轴12、连接方块13、十字轴式万向联轴器中间连接件14、万向节连接轴2，15组成；电动机5通过螺栓2与电动机安装架4相连接，另一端与电动机安装架4通过螺栓2与法兰盘6相固定，大绕线器7与电动机5的旋转轴相连接，钢丝绳9一端固定在与电动机5相连接的绕线器30上，钢丝绳9的另一端与安装在十字轴式万向联轴器半轴12上的小绕线器8相连接，法兰盘6的一端与手术操作台的转轴相连接，另一端与万向节连接轴1,10相连接，万向节连接轴1,10的一端通过圆锥销11与十字轴式万向联轴器半轴12相连接，十字轴式万向联轴器中间连接件14通过圆锥销11与十字轴式万向联轴器半轴12相连接，另一边的十字轴式万向联轴器半轴12同样通过圆锥销11与十字轴式万向联轴器中间连接件14相连，万向连接轴2,15一端同样通过圆锥销11连接在十字轴式万向联轴器中间连接件14上，另一端与气缸和联轴器的连接盘17相连；通过手术操作台与法兰盘6相连接的转轴的旋转带动法兰盘6的运动，通过法兰盘6的运动带动与之相连接的万向节连接轴1，10的运动，从而将绕x方向的旋转运动传递到操作臂的末端；利用电动机5旋转轴的运动带动大绕线器7的转动，从而调节钢丝绳9的松紧程度，利用钢丝绳9的松紧来调节十字轴式万向联轴器半轴12的偏转角度。

所述偏移误差补偿机构包括：螺母3、单杆双作用活塞气缸16、气缸和联轴器的连接盘17、锁紧螺钉18、活塞杆19、气缸连接盘20组成；当传感器27检测到电刀31未到达指定部位的时候，此时通过控制单杆双作用活塞气缸16吸入气体以及排除气体的操作，来实现控制活塞杆19的伸出或缩回，通过活塞杆的伸出或缩回，来控制与活塞杆19相连接的气缸连接盘20的伸缩，从而对电刀31的位移差值进行补偿，以此来实现精准控制电刀31的操作。

所述驱动机构包括：驱动机构安装架21、电动机5、杠杆24、蜗杆32、涡轮33、滚珠丝杠22、滚珠丝杠接头23、钢丝绳9组成；电动机5固定电动机安装架上，滚珠丝杠22一端与涡轮33相连接，另一端与杠杆24相连接，钢丝绳9与杠杆24相连接；在当传感器27检测到角度未达到所需的偏转角度的时候，此时通过电动机5的转动带动蜗杆32的旋转，通过蜗杆32的转动带动涡轮33的转动，利用涡轮33的转动带动与之相连的滚珠丝杠22直线往复运动，利用滚珠丝杠22的直线运动带动与之相连的杠杆24的偏转，从而调整位于杠杆24两端的钢丝绳9的松紧程度。

所述关节机构包括：手术操作臂关节25、柔性管28、关节转轴26、传感器27组成；手术操作臂关节25之间通过关节转轴26进行连接，由驱动机构引出的钢丝绳9经由关节圆盘上的钢丝绳空穿出，柔性管28的一端连接在驱动机构安装架21上，另一端连接关节机构的末端，传感器27安装在手术操作臂关节25的一端；在传感器27检测到关节机构的角度未达到要求角度的时候，通过由驱动机构引出的不同方向钢丝绳9的松紧程度的不同来控制各关节的弯曲程度，以达到在微创手术过程中避免与重要器官直接接触的目的。

所述电刀机构包括：电刀安装板30、电刀31、小绕线器8、螺栓2组成；电刀31通过螺栓2安装在电刀安装板30上；由手术操作臂关节25引出的多股钢丝绳9通过位于电刀安装板30中不同环槽轨道，最终固定在小绕线器8上；通过控制不同钢丝绳9的松紧程度的不同，来达到固定电刀31以及调整电刀31角度的目的。

Claims (4)

1.一种新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，包括：角度偏转机构、偏移误差补偿机构、驱动机构、关节机构、电刀机构；

所述角度偏转机构包括：电源线(1)、螺栓(2)、螺母(3)、电机安装架(4)、电动机(5)、法兰盘(6)、大绕线器(7)、小绕线器(8)、钢丝绳(9)、万向节连接轴1(10)、圆锥销(11)、十字轴式万向联轴器半轴(12)、连接方块(13)、十字轴式万向联轴器中间连接件(14)、万向节连接轴2(15)组成；电动机(5)通过螺栓(2)与电机安装架(4)相连接，另一端与电机安装架(4)通过螺栓(2)与法兰盘(6)相固定，大绕线器(7)与电动机(5)的旋转轴相连接，钢丝绳(9)一端固定在与电动机(5)相连接的大绕线器(30)上，另一端与安装在十字轴式万向联轴器半轴(12)上的小绕线器(8)相连接，法兰盘(6)的一端与手术操作台的转轴相连接，另一端与万向节连接轴1，(10)相连接，万向节连接轴1，(10)的一端通过圆锥销(11)与十字轴式万向联轴器半轴(12)相连接，十字轴式万向联轴器中间连接件(14)通过圆锥销(11)与十字轴式万向联轴器半轴(12)相连接，另一边的十字轴式万向联轴器半轴(12)同样通过圆锥销(11)与十字轴式万向联轴器中间连接件(14)相连，万向节连接轴2，(15)一端同样通过圆锥销(11)连接在十字轴式万向联轴器中间连接件(14)上，另一端与气缸和联轴器的连接盘(17)相连；通过手术操作台与法兰盘(6)相连接的转轴的旋转带动法兰盘(6)的运动，通过法兰盘(6)的运动带动与之相连接的万向节连接轴1(10)的运动，从而将绕x方向的旋转运动传递到操作臂的末端；利用电动机(5)旋转轴的运动带动大绕线器(30)的转动，从而调节钢丝绳(9)的松紧程度，利用钢丝绳(9)的松紧来调节十字轴式万向联轴器半轴(12)的偏转角度，以实现对于整体结构偏转角度的预调节；

所述偏移误差补偿机构包括：单杆双作用活塞气缸(16)、气缸和联轴器的连接盘(17)、螺母(3)、锁紧螺钉(18)、气缸连接盘(19)组成；其中的单杆双作用活塞气缸(16)通过锁紧螺钉(18)与气缸和联轴器的连接盘(17)固定在一起；气缸中的活塞杆与气缸连接盘(19)连接在一起；当传感器(27)检测到电刀(31)未到达指定部位的时候，此时通过控制单杆双作用活塞气缸(16)吸入气体以及排除气体的操作，来实现控制活塞杆的伸出或缩回，通过活塞杆的伸出或缩回，来控制与活塞杆相连接的气缸连接盘(19)的伸缩，从而对电刀(31)的位移差值进行补偿，以此来实现精准控制电刀(31)的操作；

所述驱动机构包括：驱动机构安装架(21)、电动机(5)、杠杆(24)、涡轮(32)、蜗杆(33)、滚珠丝杠(22)、钢丝绳(9)组成；电动机(5)安装在驱动机构安装架(21)；杠杆(24)安装在驱动机构安装架(21)上；当调整关节偏转角度的时候，通过电动机(5)的正转以及反转的运动，带动旋转轴上蜗杆(24)的运动，通过涡轮(32)与蜗杆(33)的啮合，将运动传输至涡轮(32)上，之后由与涡轮(32)相连接的滚珠丝杠(22)，将涡轮(32)的旋转运动转换为直线运动，通过滚珠丝杠(22)的上下运动，带动杠杆(24)的上下运动，从而调节位于杠杆(24)两端钢丝绳(9)的松紧程度，以调节关节机构的转动角度；利用推杆与杠杆(24)结合的机构来调节钢丝绳(9)的松紧，能够有效的减少所需电机的数目，提高工作效率；

所述关节机构包括：钢丝绳(9)、手术操作臂关节(25)、柔性管(28)、关节转轴(26)、传感器(27)组成；手术操作臂关节(25)之间通过关节转轴(26)进行连接，由驱动机构引出的钢丝绳(9)经由关节圆盘上的钢丝绳孔穿出，柔性管(28)的一端连接在驱动机构安装架(21)上，另一端连接关节机构(4)的末端，传感器(27)安装在手术操作臂关节(25)的一端；在传感器(27)检测到关节机构的角度未达到要求角度的时候，通过由驱动机构引出的不同方向钢丝绳(9)的松紧程度的不同来控制各关节的弯曲程度，以达到在微创手术过程中避免与重要器官直接接触的目的；

所述电刀机构包括：电刀安装板(30)、电刀(31)、钢丝绳固定器(29)、螺栓(2)组成；电刀(31)通过螺栓(2)安装在电刀安装板(30)上；由手术操作臂关节(25)引出的多股钢丝绳(9)通过位于电刀安装板(30)中不同环槽轨道，最终固定在钢丝绳固定器(29)上；通过控制不同钢丝绳(9)的松紧程度的不同，来达到调整电刀(31)角度，以及固定电刀(31)的目的。

2.根据权利要求1所述的新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，利用角度偏转机构中电机(5)的转动来调节钢丝绳(9)的松紧，并利用钢丝绳(9)的松紧程度来调节与之相连的十字轴式万向联轴器半轴(12)的偏转角度，以实现对于整个系统偏转角度的预调节，同时利用法兰盘(6)的旋转来调节整个系统的旋转角度。

3.根据权利要求1所述的新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，在位于电刀位置处的传感器检测到电刀(31)位置未到达指定病灶位置的时候，利用偏移误差补偿机构对电刀(31)位置进行位移补偿，以满足微创手术精密操作的要求。

4.根据权利要求1所述的新型可收缩式微创手术操作手臂，其特征在于，在利用驱动机构来调节手术操作臂关节(25)角度的时候，通过电动机(5)、涡轮(32)、蜗杆(33)、滚珠丝杠(22)、杠杆(24)之间的传动来调整钢丝绳(9)的松紧程度，从而对关节的偏转角度进行调整，滚珠丝杠(22)与杠杆(24)和钢丝绳(9)相连的结构减少了控制钢丝绳(9)所需的电动机的数目，在一定程度上提高了工作效率。