CN109091230B - 一种微创手术主操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微创手术主操作臂，其解决了现有微创手术操作过程中手术工具操作复杂、灵活性低，医生操作时眼手运动不协调，医生手部抖动会影响手术质量的技术问题，其包括主端连杆、偏转连杆、第一耦合连杆、第二耦合连杆和主手手腕，偏转连杆与主端连杆旋转连接，第一耦合连杆与偏转连杆的下部旋转连接，第二耦合连杆与第一耦合连杆的下端旋转连接，主手手腕与第二耦合连杆固定连接。本发明广泛用于医疗器械技术领域。

Description

一种微创手术主操作臂

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域中的医疗设备，具体而言，涉及一种可以辅助医生实施微创手术操作的微创手术主操作臂。

背景技术

以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。然而，微创手术为病人带来了诸多利益的同时，却对医生的操作带来了一系列困难，如：1)由于体表小孔的限制，工具的自由度减少至四个，灵活性大大降低；2)医生操作方向与所期望的方向相反，眼手运动不协调，容易疲劳；3)医生只能通过监视器上的二维图像获得手术场景信息，缺乏深度方向上的感觉；4)医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大，对手术造成不良影响；5)缺乏力感觉。因此，医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操作，即使如此，目前微创手术也仅仅应用在操作相对比较简单的手术过程之中。

因此，在微创手术领域中迫切需要辅助设备来延伸医生的能力，以便克服上述缺点，使医生能够更容易的完成微创手术操作。

发明内容

本发明就是为了解决现有微创手术操作过程中手术工具操作复杂、灵活性低，医生操作时眼手运动不协调，医生手部抖动会影响手术质量的技术问题，提供了一种操作简单，灵活度高，不容易造成医生疲劳的微创手术主操作臂。

本发明提供一种微创手术主操作臂，包括主端连杆、偏转连杆、第一耦合连杆、第二耦合连杆和主手手腕，偏转连杆与主端连杆旋转连接，第一耦合连杆与偏转连杆的下部旋转连接，第二耦合连杆与第一耦合连杆的下端旋转连接，主手手腕与第二耦合连杆固定连接。

进一步优选地技术方案是，包括主手第二电机、主手升降助力电机、上耦合轮和下耦合轮；主手第二电机连接于主端连杆上，主手第二电机的输出轴通过传动机构与偏转连杆和主端连杆之间的旋转部连接；主手升降助力电机连接于偏转连杆上，主手升降助力电机的输出轴与第一耦合连杆和偏转连杆之间的旋转部连接；上耦合轮固定地连接在偏转连杆的下部；下耦合轮固定地连接在第二耦合连杆上，并与第二耦合连杆一同通过轴承旋转地连接于第一耦合连杆的下端，上耦合轮与下耦合轮之间通过耦合同步装置相连。

进一步优选地技术方案是，上耦合轮为大耦合带轮，下耦合轮为小耦合带轮，大耦合带轮与小耦合带轮之间通过耦合同步带相连；

大耦合带轮与小耦合带轮之间的传动比为2，第一耦合连杆及第二耦合连杆的长度相等。

进一步优选地技术方案是，还包括被动连杆II，主端连杆与被动连杆II旋转连接，被动连杆II连接有主手第一电机，主手第一电机的输出轴与主端连杆连接。

进一步优选地技术方案是，主手第一电机、主手第二电机和主手升降助力电机分别连接有编码器。

进一步优选地技术方案是，主手手腕包括L型手腕固定连杆、L型手腕连杆I、L型手腕连杆II，L型手腕连杆I通过轴承与L型手腕固定连杆的底部连接，L型手腕连杆II通过轴承与L型手腕连杆I连接；L型手腕连杆II的一端连接有操作手柄，另一端通过轴承连接有开合座；L型手腕固定连杆的底部连接有手腕第一电机，L型手腕连杆I的侧面连接有手腕第二电机，L型手腕连杆II的底部连接有手腕第三电机；手腕第一电机的输出轴通过锥齿轮与L型手腕连杆I连接，手腕第二电机通过锥齿轮与L型手腕连杆II连接，手腕第三电机通过锥齿轮与开合座连接；L型手腕固定连杆与手腕座固定连接。

进一步优选地技术方案是，手腕第一电机、手腕第二电机和手腕第三电机分别连接有编码器。

进一步优选地技术方案是，被动连杆II连接有平移装置。

进一步优选地技术方案是，平移装置包括四边形固定座、四边形中间座、四边形末端座、第一被动连杆、第二被动连杆、第三被动连杆和第四被动连杆，第一被动连杆和第二被动连杆长度相等，第三被动连杆和第四被动连杆长度相等；第一被动连杆和第二被动连杆的一端分别旋转地连接于四边形固定座上，另一端分别旋转地连接于四边形中间座上；所述第三被动连杆和第四被动连杆的一端分别旋转地连接于四边形中间座上，另一端分别旋转地连接于四边形末端座；四边形固定座上连接有四边形第一抱闸，四边形中间座上连接有四边形第二抱闸；四边形末端座与被动连杆II固定连接。

进一步优选地技术方案是，平移装置连接有升降装置，升降装置包括升降座、滑杆、滚珠丝杠和助力电机，滚珠丝杠连接于升降座上，滚珠丝杠上连接有滚珠丝杠螺母，滑杆与滚珠丝杠螺母固定连接，助力电机的输出轴与滚珠丝杠连接，四边形固定座与滑杆固定连接。

进一步优选地技术方案是，平移装置连接有升降装置，升降装置包括升降座、滑杆和垂直放置的同步带传动机构，垂直放置的同步带传动机构连接于升降座上，滑杆通过中间连接件与垂直放置的同步带传动机构上的同步带固定连接；四边形固定座与滑杆固定连接。

进一步优选地技术方案是，平移装置连接有升降装置，升降装置包括升降座、滑杆、链轮、链条和配重，链轮连接于升降座上，链条的一端通过连接件与滑杆的顶部相连，另一端经与链轮导向后与配重顶部固定相连，滑杆及其对应末端负载的重力与配重等同；四边形固定座与滑杆固定连接。

进一步优选地技术方案是，平移装置包括主端滑杆端、被动连杆I、第一固定带轮、第二固定带轮、第一旋转带轮、第二旋转带轮、第一同步齿形带和第二同步齿形带；被动连杆I的一端通过轴承与主端滑杆端连接，另一端连接有空心轴；空心轴内部通过轴承连接有连接轴，被动连杆II的一端与连接轴固定连接；第一固定带轮与主端滑杆端连接，第二固定带轮与空心轴的顶部连接，第一旋转带轮与空心轴的底部连接，第二旋转带轮通过轴承与被动连杆II的另一端连接，第一同步齿形带连接于第一旋转带轮与第一固定带轮之间，第二同步齿形带连接于第二旋转带轮与第二固定带轮之间；连接轴连接有第二抱闸，被动连杆I连接有第一抱闸。

进一步优选地技术方案是，平移装置连接有升降装置，升降装置包括升降座、滑杆、滚珠丝杠和助力电机，滚珠丝杠连接于升降座上，滚珠丝杠上连接有滚珠丝杠螺母，滑杆与滚珠丝杠螺母固定连接，助力电机的输出轴与滚珠丝杠连接，主端滑杆端与滑杆固定连接。

进一步优选地技术方案是，平移装置连接有升降装置，升降装置包括升降座、滑杆和垂直放置的同步带传动机构，垂直放置的同步带传动机构连接于升降座上，滑杆通过中间连接件与垂直放置的同步带传动机构上的同步带固定连接；所述主端滑杆端与滑杆固定连接。

进一步优选地技术方案是，平移装置连接有升降装置，升降装置包括升降座、滑杆、链轮、链条和配重，链轮连接于升降座上，链条的一端通过连接件与滑杆的顶部相连，另一端经与链轮导向后与配重顶部固定相连，滑杆及其对应末端负载的重力与配重等同；主端滑杆端与滑杆固定连接。

本发明微创手术主操作臂与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)作为输入控制端，用于控制夹持微创手术器械的装置动作，具有操作简单、灵活性高、能够克服现有微创技术中的眼手运动不协调问题，进而可降低医生手术疲劳，并保证手术质量。

(2)不会发生医生手部的抖动被细长的手术工具放大的情况，保证手术过程的稳定性。

(3)与微创手术机器人技术相比，本发明具有体积小、重量轻、易于使用等优点，且能够与常规微创手术器械/设备联用，降低手术成本。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明的微创手术器械辅助系统总体示意图；

图2是微创手术器械辅助系统中横梁旋转运动的锁定结构示意图；

图3是微创手术器械辅助系统中横梁和伸缩杆之间的连接结构示意图；

图4是微创手术器械辅助系统中主端滑杆或从端滑杆与升降座的连接结构示意图；

图5是微创手术器械辅助系统末端升降结构的可替代方案结构示意图，(a)表示皮带传动机构提供动力的结构，(b)表示采用配重方式实现升降的结构；

图6是微创手术器械辅助系统医生操作端与器械操作端布局示意图；

图7是微创手术器械辅助系统基于同步带传动的纯平移被动臂实施方案示意图；

图8是基于同步带传动的纯平移被动臂的被动连杆II的锁定机构示意图；

图9是微创手术器械辅助系统中主端连杆和手腕滑座的连接结构示意图；

图10是主手手腕部分的结构示意图，(a)表示正视角度的图，(b)表示后视角度的图；

图11是微创手术器械辅助系统纯平动被动臂连杆形式的结构示意图；

图12是图11所示结构满足平移运动的示意图；

图13是微创手术器械辅助系统医生操作臂耦合连杆形式的结构示意图；

图14是图13中两转动连杆实现纯直线运动的约束条件示意图；

图15是图13所示结构的运动分解示意图。

图16是微创手术器械辅助系统器械操作臂总体旋转结构示意图；

图17是微创手术器械辅助系统器械操作臂的结构示意图；

图18是器械操作端满足微创手术操作要求的示意图；

图19是器械操作臂折叠状态下的示意图；

图20是器械操作臂采用的基于连杆传动的实施方式的结构示意图；

图21是微创手术器械辅助系统所采用的多自由度手术器械的示意图；

图22是微创手术器械辅助系统与已有微创器械联合辅助手术布局示意图；

图23是医生利用微创手术器械辅助系统实施手术过程的示意图。

图中符号说明：

1.基座，2.立柱，3.横梁，4.伸缩杆，5.升降座，6.主端滑杆，7.从端滑杆，100.医生操作端，200.器械操作端，21.横梁抱闸，30.导轨，31.导轨滑块，32.齿条，33.齿轮，51.助力电机座，52.助力电机，53.抱闸，54.滚珠丝杠座，55.滚珠丝杠，56.滚珠丝杠螺母，57.花键座，501.助力电机，502.同步带轮，503.同步带轮，504.抱闸，505.同步带，506.连接件，507.链条，508.链轮，509.配重，101.被动连杆I，102.被动连杆II，103.主端连杆，104.手腕滑座，105.主手手腕，201.从端基座，202.连杆座，203.从端连杆I，204.从端连杆II，205.器械座，206.器械升降座，207.手术器械，208.长轴，1010.主端滑杆端，1011.第一抱闸，1012.第一同步齿形带，1013.第一固定带轮，1014.第一旋转带轮，1015.空心轴，1016.连接轴，1021.第二抱闸，1022.第二同步齿形带，1023.第二固定带轮，1024.第二旋转带轮，90.主手第一电机，91.主手连杆法兰，1031.主手同步带，1032.主手第二电机，1041.主手丝杠，1042.主手导轨，1043.手腕座，1051.手腕固定连杆，1052.手腕连杆I，1053.手腕连杆II，1054.开合座，1055.操作手柄，1056.手腕第一电机，1057.手腕第二电机，1058.手腕第三电机，1059.锥齿轮，1060.锥齿轮，1061.锥齿轮，1062.槽形连接面，80.新主端滑杆端，81.四边形固定座，82.四边形中间座，83.四边形末端座，84.第一被动连杆，85.第二被动连杆，86.第三被动连杆，87.第四被动连杆，88.四边形第一抱闸，89.四边形第二抱闸，140.偏转连杆，141.第一耦合连杆，142.第二耦合连杆，143.主手升降助力电机，144.旋转轴线，145.直线，146.直线，147.大耦合带轮，148.小耦合带轮，149.耦合同步带，2011.从手第一电机，2012.小锥齿轮，2013.旋转连接轴，2014.大锥齿轮，2020.从手驱动带轮，2021.2021.连杆驱动电机，2022.连杆驱动带轮，2023.从手驱动同步带，2024.连杆带轮，2025.第一连杆，2026.第二连杆，2027.第三连杆，2028.第四连杆，2029.从手第一旋转带轮，2030.从手第一固定轴，2031.从手第一同步带，2032.从手第二旋转带轮，2033.从手第二固定轴，2034.从手第一固定带轮，2041.从手第二同步带，2042.从手第二固定带轮，2043.从手第三旋转带轮，2044.中间转接件，2060.线性模组，2061.器械驱动丝杠，2062.器械驱动座，2063.器械升降花键，2064.器械升降电机，280.固定点，290.边界，11.手术床，12.病人，13.内窥镜，14.内窥镜穿刺点，15.普通腔镜器械，16.腔镜器械穿刺点，17.辅助系统穿刺点，18.医生，19.监视器。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，微创手术器械辅助系统包括基座1，可在基座1上升降的立柱2，与立柱2旋转相连的横梁3，可在横梁3上水平移动的伸缩杆4，通过旋转关节旋转地安装于伸缩杆4末端的升降座5，以及可在升降座5上实现升降运动的主端滑杆6和从端滑杆7，在主端滑杆6末端固定连接有医生操作端100，在从端滑杆7末端固定连接有本发明的器械操作端200。

立柱2在基座1上的升降运动为主动运动，可采用液压或电机驱动下的丝杠-导轨、丝杠-花键、齿轮-齿条等实施方式。横梁3相对于立柱2的旋转运动为可手动反向驱动的被动运动，其中一种具体结构如图2所示，安装于立柱2内的横梁抱闸21可实现对横梁3相对于立柱2的旋转运动的锁止，使用过程中医生通过按钮等方式触发，使横梁抱闸21得电松开，进而便可手动自由地旋转横梁3相对于立柱2的运动。伸缩杆4在横梁3上的水平移动为可手动反向驱动的被动运动，其一种具体结构如图3所示，齿条32固定连接于横梁3内部底侧，导轨30固定连接于横梁3内部顶侧，伸缩杆4固定连接于可在导轨30上滑动的导轨滑块31上，齿轮33旋转地安装于伸缩杆4的一端并与齿条32相啮合，齿轮33的转动可受固定于伸缩杆内的抱闸锁定，使用过程中医生通过按钮等方式触发，使用于锁定齿轮33的抱闸松开，进而伸缩杆4便可在导轨30的约束下做直线移动；除图3所示的实施方式，伸缩杆4在横梁3上的水平移动还可采用液压或电机驱动下的丝杠-导轨、丝杠-花键、齿轮-齿条等实施方式；升降座5相对于伸缩杆4的旋转运动亦为可手动反向驱动的被动运动，其实施方式可采用与横梁3相对于立柱2的旋转运动类似的方式。

主端滑杆6或从端滑杆7相对于升降座5的升降运动也是可手动反向驱动的被动运动，其实现方式如图4所示(图4中的标记6(7)所指的部件是主端滑杆6或从端滑杆7)，主端滑杆6与从端滑杆7均采用花键结构，花键座57固定安装于升降座5之上，主端滑杆6或从端滑杆7顶部与滚珠丝杠螺母56通过连接件固定相连，滚珠丝杠座54固定连接于升降座5上部，滚珠丝杠55顶部通过轴承旋转地安装于滚珠丝杠座54的中心孔内，固定安装于滚珠丝杠座54端面上的抱闸53能够锁定滚珠丝杠55的旋转。助力电机52通过助力电机座51安装在升降座5上部，滚珠丝杠55的顶端通过联轴器与助力电机52的输出轴相连；使用时，医生通过外部激励，使抱闸53得电松开，滚珠丝杠55便可转动，同时助力电机52得电输出恒定扭矩，该扭矩通过滚珠丝杠55转换为由滚珠丝杠螺母56的向上的升力；对医生操作端而言，滚珠丝杠螺母56提供的升力与主端滑杆6及医生操作端100组成的整体的重力相等，对器械操作端而言，滚珠丝杠螺母56提供的升力与从端滑杆7及器械操作端200组成的重力相等；这样医生在对医生操作端100或器械操作端200进行手动操作时，便不会感受到重力的影响，进而保证了手动操作的轻巧性。

除图4所示的丝杠-花键结构外，主端滑杆6或从端滑杆7相对于升降座5的升降运动也可通过图5所示的两种实施方式实现，如图5(a)所示(图5中的标记6(7)所指的部件是主端滑杆6或从端滑杆7)，同步带轮502与同步带轮503旋转地安装在升降座5上，同步带轮502可受助力电机501驱动，同步带轮503可被抱闸504锁定，主端滑杆6与从端滑杆7均采用花键结构，花键座57固定安装于升降座5之上，主端滑杆6或从端滑杆7顶部通过中间连接件与同步带505直线运动部分固定相连；这样，使用时，医生通过外部激励，使抱闸504得电松开，同时助力电机502得电输出恒定扭矩，该扭矩通过同步带轮502转化为主端滑杆6或从端滑杆7及其对应末端负载重力等同的升力。如图5(b)所示，主端滑杆6与从端滑杆7均采用花键结构，花键座57固定安装于升降座5之上，链轮508旋转地安装在升降座5顶部，链条507的一端通过连接件506与主端滑杆6或从端滑杆7的顶部相连，另一端经与链轮508导向后与配重509顶部固定相连，链轮508可由抱闸锁定；这样，使用时医生通过外部激励，使用于锁定链轮508的抱闸得电松开，配重509与主端滑杆6或从端滑杆7及其对应末端负载的重力等同，这样医生在对医生操作端100或器械操作端200进行手动操作时，便不会感受到重力的影响，进而保证了手动操作的轻巧性。除图4、图5所示具体结构外，本发明末端升降还可采用齿轮-齿条或液压等结构，其详细结构在此不再赘述。

图6所示为微创手术器械辅助系统医生操作端与器械操作端的布局，医生操作端100整体固定地安装在主端滑杆6的底部，被动连杆I101的一端旋转地安装在主端滑杆6底端，其旋转轴线与重力方向一致；被动连杆II102的一端旋转地安装在被动连杆I101的另一端，其旋转轴线与重力方向一致；主端连杆103旋转地安装在被动连杆II102的另一端，其旋转轴线与重力方向一致；手腕滑座104旋转地安装在主端连杆103的下部，其旋转轴线与重力方向垂直；主手手腕105滑动地安装在手腕滑座104上。器械操作端200通过从端基座201的一端固定地安装在从端滑杆7底部，连杆座202旋转地安装在从端基座201的另一端，其旋转轴线与重力方向一致；从端连杆I203的一端旋转地安装在连杆座202的底部，从端连杆II204的一端安装在从端连杆I203的另一端，器械升降座206安装在从端连杆II204的另一端，器械座205滑动地安装在器械升降座206上，手术器械207可安装在器械座205的顶部。辅助手术时，医生右手可握住主手手腕105的相关结构向医生操作端100输入运动，同时器械操作端200可在外部控制器的控制下实时跟踪医生操作端100的运动；本发明的特点包括，可由医生操作的主手手腕105在手腕滑座104上的滑动方向与器械座205在器械升降座206上的滑动方向在运动过程中始终保持平行。实现本发明特征的具体实施方式如下。

图7所示为本发明的微创手术器械辅助系统基于同步带传动的纯平移被动臂实施方案，主端滑杆端1010固定地连接在主端滑杆6的底部，在主端滑杆端1010下部套有轴承，然后主端滑杆端1010底部与第一固定带轮1013固定连接；被动连杆I101的一端旋转地安装在在主端滑杆端1010下部的轴承上，第一抱闸1011能够锁定被动连杆I101与主端滑杆端1010的相对转动。在被动连杆I101的另一端有通过轴承旋转地安装在被动连杆I101上的空心轴1015，如图8所示，在空心轴1015顶部固定安装有第二固定带轮1023，底部固定安装有第一旋转带轮1014，第一旋转带轮1014与第一固定带轮1013通过第一同步齿形带1012相连，如图7所示，这样空心轴1015相对于主端滑杆端1010的运动为纯平动。在空心轴1015内部有通过轴承旋转安装的连接轴1016，被动连杆II102的一端通过螺钉固定地连接在连接轴1016的顶部，连接轴1016相对于空心轴1015的旋转运动可通过安装在被动连杆I101上的第二抱闸1021锁定；第二旋转带轮1024通过轴承安装在被动连杆II102的另一端，第二旋转带轮1024与第二固定带轮1023通过第二同步齿形带1022相连，这样第二旋转带轮1024相对于第二固定带轮1023的运动为纯平动，进而可以得出：第二旋转带轮1024相对于主端滑杆1010的运动为纯平动。在第二旋转带轮1024上固定安装有主手第一电机90，主手第一电机90的输出轴通过联轴器与通过轴承旋转地安装在第二旋转带轮1024内的驱动轴相连，该驱动轴底部通过主手连杆法兰91与主端连杆103固定相连。这样，当主手第一电机90维持某一位置时，则有：1)当第一抱闸1011与第二抱闸1021锁定时，主端连杆I101、主端连杆II102、第一旋转带轮1014、第二旋转带轮1024均被锁定，主端连杆103将无法运动；2)当第一抱闸1011与第二抱闸1021松开时，主端连杆I101、主端连杆II102、第一旋转带轮1014、第二旋转带轮1024均松开，随着主端连杆I101与主端连杆II102的运动，主端连杆103将相对于主端滑杆端1010将做纯平动；当第一抱闸1011与第二抱闸1021锁定，且主手第一电机90旋转时，主端连杆103将相对于第二旋转带轮1024沿垂直于大地的方向转动。当操作者握住主手手腕105使主端连杆103相对于被动连杆II102转动时，主手第一电机90就会产生运动信号。

图9所示为本发明医生操作臂的实施方式，手腕滑座104旋转地安装在主端连杆103的下部，手腕滑座104可通过主手同步带1031被安装在主端连杆103上部的主手第二电机1032驱动。在手腕滑座104内部平行安装有主手丝杠1041和主手导轨1042，手腕座1043与主手导轨1042的滑块固定相连，并与主手丝杠1041的螺母固定相连；这样，当主手丝杠1041在主手第三电机的输出轴驱动下运动时，手腕座1043将在主手导轨1042的约束下作直线滑动，则固定安装在手腕座1043上的主手手腕105也将作直线滑动。当操作者握住主手手腕105使手腕座1043做直线运动时，主手第三电机就会产生运动信号。当操作者握住主手手腕105使手腕滑座104相对于主端连杆103的下部转动时，主手第二电机1032就会产生运动信号。

图10(a)、(b)所示为本发明所述的主手手腕105的实施方式，具有L形状的手腕固定连杆1051通过其上部的槽形连接面1062与手腕座1043固定相连，具有L形状的手腕连杆I1052的一端通过轴承旋转地安装在手腕固定连杆1051的底部，手腕连杆I1052可通过安装于手腕固定连杆1051底面的手腕第一电机1056通过锥齿轮1060驱动；具有L形状的手腕连杆II1053的一端通过轴承旋转地安装在手腕连杆I1052的上部，手腕连杆II1053可通过安装于手腕连杆I1052侧面的手腕第二电机1057通过锥齿轮1059驱动；开合座1054通过轴承旋转地安装在手腕连杆II1053的另一端，开合座1054可通过安装于手腕连杆II1053底面的手腕第三电机1058通过锥齿轮1061驱动；开合座1054的开合角度可通过安装在其内部的传感器测量获得。在手腕连杆II1053的被驱动端固定安装有操作手柄1055，操作者可通过握住操作手柄1055对整个医生操作端100进行操作，医生握住操作手柄1055使手腕连杆I1052转动，手腕第一电机1056就会产生运动信号；医生握住操作手柄1055使手腕连杆II1053转动，手腕第二电机1057就会产生运动信号；医生握住操作手柄1055用手指转动开合座1054，手腕第三电机1058就会产生运动信号。L形状的手腕固定连杆1051上设有用于与图13中的第二耦合连杆142固定连接的安装槽1063。

安装在医生操作端100的主手第一电机90、主手第二电机1032、连接在主手丝杠1041上的主手第三电机、手腕第一电机1056、手腕第二电机1057、手腕第三电机1058均配有编码器，用于反馈各电机的运动角度；医生操作端100为运动输入装置，医生可通过握住操作手柄1055进行操作，各电机编码器记录医生手部的运动信息，外部控制器根据运动信息实现对器械操作端200的运动控制。

除图7所示的基于同步带传动的实施方式，所述的医生操作端100的纯平移被动臂还可采用如图11所示的实施方式，新主端滑杆端80可固定地安装在主端滑杆6上，四边形固定座81固定地连接在新主端滑杆端80上，长度相等的第一被动连杆84和第二被动连杆85的分别旋转地安装在四边形固定座81上，第一被动连杆84和第二被动连杆85的另一端分别旋转地安装在四边形中间座82上，四边形固定座81、第一被动连杆84、第二被动连杆85、四边形中间座82构成平行四边形。在四边形固定座81上安装可锁定第二被动连杆85的四边形第一抱闸88，当四边形第一抱闸88锁定时，第二被动连杆85与四边形固定座81无相对运动，四边形中间座82的位置也将固定；当四边形第一抱闸88松开时，第二被动连杆85可相对于四边形固定座81转动，在所形成的四边形的约束下四边形中间座82将相对于四边形固定座81作纯平动。在四边形中间座82的另一端分别旋转地安装有长度相等的第三被动连杆86和第四被动连杆87，第三被动连杆86和第四被动连杆87的另一端分别旋转地与四边形末端座83相连，四边形中间座82、第三被动连杆86、第四被动连杆87、四边形末端座83构成平行四边形。在四边形中间座82上安装可锁定第三被动连杆86的四边形第二抱闸89，当四边形第二抱闸89锁定时，第三被动连杆86与四边形中间座82无相对运动，四边形末端座83的位置也将固定；当四边形第二抱闸89松开时，第三被动连杆86可相对于四边形中间座82转动，在所形成的四边形的约束下四边形末端座83将相对于四边形中间座82作纯平动；当四边形第一抱闸88和第二抱闸89同时锁定时，四边形末端座83的位置将不可移动；当四边形第一抱闸88和第二抱闸89同时松开时，四边形末端座83可相对于四边形固定座81作纯平动，如图12所示，当四边形末端座83从m位置移动到n位置时，由于平行四边形的约束，使得四边形末端座83相对于四边形固定座81没有任何旋转运动，仅有平移运动。在四边形末端座83上可固定安装主手第一电机90，该电机可通过主手连杆法兰91对主端连杆103进行驱动。

除图9所示的医生操作臂的实施方案外，医生操作臂还可以采用如图13所示的形式，偏转连杆140通过轴承旋转地安装在主端连杆103的下部(144表示偏转连杆140相对于主端连杆103旋转的轴线)，并可通过固定于其上的带轮被主手第二电机1032及主手同步带1031驱动；第一耦合连杆141的一端旋转地安装在偏转连杆140下部，并可被安装在偏转连杆140上的主手升降助力电机143驱动，在第一耦合连杆141的下端通过轴承与第二耦合连杆142的一端旋转相连，在第二耦合连杆142的另一端固定安装有主手手腕105；第一耦合连杆141与第二耦合连杆142通过特定的约束条件使得当第一耦合连杆141及第二耦合连杆142运动时，主手手腕105作出直线运动，该约束条件如图14所示，大耦合带轮147固定地安装在偏转连杆140的下部，小耦合带轮148固定地连接在第二耦合连杆142上，并与第二耦合连杆142一同通过轴承旋转的安装于第一耦合连杆141的一端，大耦合带轮147与小耦合带轮148通过耦合同步带149相连，大耦合带轮147与小耦合带轮148之间的传动比为2，第一耦合连杆141及第二耦合连杆142的长度相等；在这样的约束条件下，医生操作臂可实现的运动如图15所示，当主手升降助力电机143维持不动而主手第二电机1032可运动时，第一耦合连杆141无法相对于偏转连杆140旋转，第二耦合连杆142也无法相对于第一耦合连杆141旋转，此时，主手手腕105仅随偏转连杆140摆动，如图15(a)所示；当主手升降助力电机143可以运动而主手第二电机1032维持不动时，偏转连杆140将维持不动，而第一耦合连杆141可相对于偏转连杆140旋转，第二耦合连杆142也可相对于第一耦合连杆141旋转，由于大耦合带轮147、小耦合带轮148及耦合同步带149的约束作用，此时主手手腕105仅能够沿图15(b)所示的直线146作往复直线运动。这一特征使得图13所示的机构与图9所示的机构具有等同的作用与性能。也就是说，主手升降助力电机143产生的运动信号反应了主手手腕105直线运动，与图9中主手第三电机产生运动信号等同。

主手升降助力电机143配有用于反馈电机的运动角度的编码器。

图16所示为本发明器械操作臂总体旋转的一种实施方案，从端基座201固定地安装在从端滑杆7的下端，旋转连接轴2013通过轴承竖直旋转地安装在从端基座201上，从手第一电机2011可驱动小锥齿轮2012旋转，与旋转连接轴2013固定连接的大锥齿轮2014与小锥齿轮2012啮合，进而从手第一电机2011可驱动旋转连接轴2013旋转。

图17所示为本发明器械操作臂基于同步带传动的一种实施方案，器械操作臂呈竖直方向布置，即：连杆座202顶端与旋转连接轴2013固定相连，从手第一电机2011转动时，便可驱动器械操作臂沿垂直于大地的旋转轴线旋转；连杆座202结构呈倒L型，在其顶部安装有连杆驱动电机2021，连杆驱动电机2021可驱动旋转地安装在连杆座202上的从手驱动带轮2020，在连杆座202底部固定安装有从手第一固定轴2030，从手第一旋转带轮2029通过轴承旋转地安装在从手第一固定轴2030上，从手驱动带轮2020与从手第一旋转带轮2029之间通过从手驱动同步带2023相连，两者之间的传动比为1：1；从端连杆I203的一端固定地安装在从手第一旋转带轮2029上，进而从端连杆I203便可随着从手第一旋转带轮2029在连杆驱动电机2021的驱动下旋转；从手第一固定轴2030穿过从端连杆I203且不与其相接触；在从端连杆I203的内侧，从手第一固定带轮2034通过方轴-方孔配合固定地安装在从手第一固定轴2030上，在从端连杆I203的另一端内侧固定安装有从手第二固定轴2033，从手第二旋转带轮2032通过轴承旋转地安装在从手第二固定轴2033上，从手第一固定带轮2034与从手第二旋转带轮2032通过从手第一同步带2031相连，两者之间的传动比为1：1；从端连杆II204的一端固定地安装在从手第二旋转带轮2032上，从手第二固定轴2033穿过从端连杆II204且不与其相接触；在从端连杆II204的内侧，从手第二固定带轮2042通过方轴-方孔配合固定地安装在从手第二固定轴2033上，从手第三旋转带轮2043通过轴承旋转地安装在从端连杆II204的内侧另一端，从手第二固定带轮2042与从手第三旋转带轮2043通过从手第二同步带2041相连，两者之间的传动比位1：1；器械升降座206通过中间转接件2044固定地安装在从手第三旋转带轮2043上；器械驱动丝杠2061两端通过轴承旋转地安装在器械升降座206上，与器械驱动丝杠2061轴线平行的器械升降花键2063两端固定地安装在器械升降座206上，器械驱动座2062与器械升降花键2063的滑块固定相连，并与器械驱动丝杠2061的螺母固定相连，器械座205固定地安装在器械驱动座2062上；这样，器械驱动丝杠2061在安装于器械升降座206底部的器械升降电机2064的驱动下运动时，器械驱动座2062将与器械座205一同在器械升降花键2063的约束下做直线滑动，进一步安装于器械座205上的手术器械207也将随之一同作直线滑动。

初始装配时，应确保手术器械207长度方向的轴线与旋转连接轴2013的旋转轴线相交，并使从端连杆II204与连杆座202的旋转轴线方向平行，器械升降座206与从端连杆I203互相平行；这样，由于从手第一固定带轮2034与连杆座202相对固定，当从端连杆I203在驱动下旋转时，在从手第一同步带2031的约束下，从手第二旋转带轮2032将与与之固定的从端连杆II204一同相对于连杆座202作纯平动运动；进一步由于从手第二固定带轮2042与从端连杆I203相对固定，则从端连杆II204在运动时，由于从手第二同步带2041的约束，器械升降座206将始终与从端连杆I203平行；这种约束条件使得器械操作臂在运动过程中器械杆始终通过空间一个固定点，如图18所示的固定点280，即当连杆驱动电机2021旋转时，在器械操作臂内部各同步带的约束下，从端连杆I203、从端连杆II204、器械升降座206也将随之在本发明机构的约束下运动，而无论器械升降座206运动至边界a处或边界c处或任意中间位置b处，器械杆始终通过固定点280；该固定点280在设计及初始装配时还应布局在旋转连接轴2013上，这样当从手第一电机2011驱动旋转连接轴2013旋转，进而带动整个器械操作臂沿旋转连接轴2013在垂直于纸面方向运动时，器械杆的轴线方向仍然始终通过固定点280；最后，器械座205的升降运动的布置方式，也需使其在器械升降电机2064的驱动下做升降运动时，器械杆仍然始终通过固定点280。本发明器械操作臂采用垂直布局方式，即旋转连接轴2013的轴线与大地垂直，这种布局方式能够使器械操作臂的外展空间最小，外展空间的边界即为如图18所示的边界290，该边界的半径尺寸即为固定点280至器械升将座206顶部的距离；本发明还具有一个优势即为器械操作臂具备可折叠的特征，如图19所示，折叠后体积小巧，便于运输。

除以上所述的基于同步带传动的器械操作臂的实施方式外，器械操作臂还可以采用如图20所示的基于连杆传动的实施方式，第一连杆2025的一端通过轴承旋转地安装在连杆座202中部靠下位置，并与连杆带轮2024相连，连杆带轮2024可通过从手驱动同步带2023及连杆驱动带轮2022被连杆驱动电机2021驱动，进而可带动第一连杆2025旋转；第二连杆2026的一端通过轴承旋转地安装在连杆座202的下部，另一端通过轴承与第三连杆2027的中部靠上位置旋转相连，第三连杆2027的顶部通过轴承与第一连杆2025的中部靠右位置旋转相连，连杆座202、第一连杆2025、第二连杆2026、第三连杆2027通过互相连接的旋转关节构成第一个平行四边形A，如图20所示；第一连杆2025的右端与第四连杆2028的顶端旋转相连，第三连杆2027的底端通过旋转关节与新器械升降座209突起结构的一端旋转相连，第四连杆2028的底端通过旋转关节与新器械升降座209突起结构的另一端旋转相连，第一连杆2025、第三连杆2027、第四连杆2028、新器械升降座209(在图20上增加了标记209)通过互相连接的旋转关节构成第二个平行四边形B，如图20所示；这种约束条件下，固定点280的位置位于连杆座202上两旋转关节连线的延长线与新器械升降座209上两旋转关节连线的延长线的交点上，器械座205在新器械升降座209上的滑动已有布局使得器械杆的轴线通过该固定点280。安装在新器械升降座209上的线性模组2060能够使器械座205线性移动。

图21所示为本发明采用的多自由度手术器械，其具体实施方式可采用已公开专利(申请号：201510669801.1)的形式，其详细结构不属于本发明的范畴，在此不再赘述。

图22、23所示为利用微创手术器械辅助系统开展腔镜手术的示意，手术前病人12固定于手术床11之上，医生18根据手术需求，在病人12体表选定器械穿刺点，分别为内窥镜13的内窥镜穿刺点14、普通腔镜器械15的腔镜器械穿刺点16以及本发明系统所用的辅助系统穿刺点17；由于病人12位置固定，则这些穿刺点的空间位置也随之固定，考虑到普通腔镜器械15与内窥镜13由人工直接操作，因此可直接通过两个穿刺点14、16；手术器械207安装在本发明的器械操作端200上，且器械操作端200的机械臂上存在一个可使手术器械207在运动过程中始终通过的一个固定点280，则术前应使器械操作端200上的固定点280与病人12体表的固定的辅助系统穿刺点17相互重合，以避免手术过程中由于手术器械207的运动导致病人12的额外损伤；使固定点280与辅助系统穿刺点17相互重合的流程为：本发明微创手术器械辅助系统移动至手术床11旁边后位置锁定，单独快速调整立柱2相对于基座1的移动量，使横梁3到达一定的高度；之后，医生通过外部激励，同步释放锁定横梁3的抱闸、锁定齿轮33的抱闸、锁定升降座5的抱闸及锁定从端滑杆7的抱闸，之后医生可握住从端基座201，小心缓慢地移动器械操作端200，使器械操作端200上的固定点280与病人12上的辅助系统穿刺点17相重合，然后锁定前述各个抱闸，使横梁3、伸缩杆4、升降座5、从端滑杆7不可再被移动；器械操作端就位后，医生通过另一外部激励，释放锁定主端滑杆6的抱闸、锁定被动连杆I101的抱闸及锁定被动连杆II102的抱闸，进而手动调整主手手腕105至舒适位置，然后锁定前述各个抱闸，使主端滑杆6、被动连杆I101、被动连杆II102不可再被移动。之后医生18便可观察显示内窥镜13所采集病灶图像的监视器19，用左手操作普通腔镜器械15、右手操作主手手腕105实施手术操作，内窥镜13由另一持镜医生把持。手术过程中，手腕滑座104始终与器械升降座206保持平行，手术器械207在器械升降座206上的运动量与主手手腕105在手腕滑座104上的运动量相等；该过程的实现方式为，医生操作主手手腕105运动时，主端连杆103将相对于被动连杆II102发生转动、手腕滑座104相对于主端连杆103发生转动、主手手腕105相对于手腕滑座104发生移动，同步地器械操作端内的电机将驱动连杆座202相对于从端基座201转动与主端连杆103相等的转动量、从端连杆I203相对于连杆座202转动与手腕滑座104相等的运动量、器械座205相对于器械升降座206移动与主手手腕105相等的移动量；按相同的方式，医生利用主手手腕105内的各个关节完成对手术器械207内各个关节的控制。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种微创手术主操作臂，其特征在于，包括主端连杆、偏转连杆、第一耦合连杆、第二耦合连杆和主手手腕，所述偏转连杆与主端连杆旋转连接，第一耦合连杆与偏转连杆的下部旋转连接，第二耦合连杆与第一耦合连杆的下端旋转连接，主手手腕与第二耦合连杆固定连接；

所述微创手术主操作臂包括主手第二电机、主手升降助力电机、上耦合轮和下耦合轮；所述主手第二电机连接于主端连杆上，所述主手第二电机的输出轴通过传动机构与偏转连杆和主端连杆之间的旋转部连接；所述主手升降助力电机连接于偏转连杆上，所述主手升降助力电机的输出轴与第一耦合连杆和偏转连杆之间的旋转部连接；所述上耦合轮固定地连接在偏转连杆的下部；所述下耦合轮固定地连接在第二耦合连杆上，并与第二耦合连杆一同通过轴承旋转地连接于第一耦合连杆的下端，所述上耦合轮与下耦合轮之间通过耦合同步装置相连；

所述上耦合轮为大耦合带轮，所述下耦合轮为小耦合带轮，所述大耦合带轮与小耦合带轮之间通过耦合同步带相连；

所述大耦合带轮与小耦合带轮之间的传动比为2，所述第一耦合连杆及第二耦合连杆的长度相等；

所述主手第二电机和主手升降助力电机分别连接有编码器。

2.根据权利要求1所述的微创手术主操作臂，其特征在于，还包括被动连杆II，所述主端连杆与所述被动连杆II旋转连接，所述被动连杆II连接有主手第一电机，所述主手第一电机的输出轴与主端连杆连接。

3.根据权利要求2所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述主手第一电机连接有编码器。

4.根据权利要求3所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述主手手腕包括L型手腕固定连杆、L型手腕连杆I、L型手腕连杆II，L型手腕连杆I通过轴承与L型手腕固定连杆的底部连接，L型手腕连杆II通过轴承与L型手腕连杆I连接；所述L型手腕连杆II的一端连接有操作手柄，另一端通过轴承连接有开合座；所述L型手腕固定连杆的底部连接有手腕第一电机，所述L型手腕连杆I的侧面连接有手腕第二电机，所述L型手腕连杆II的底部连接有手腕第三电机；所述手腕第一电机的输出轴通过锥齿轮与L型手腕连杆I连接，所述手腕第二电机通过锥齿轮与L型手腕连杆II连接，所述手腕第三电机通过锥齿轮与开合座连接；所述L型手腕固定连杆与手腕座固定连接。

5.根据权利要求4所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述手腕第一电机、手腕第二电机和手腕第三电机分别连接有编码器。

6.根据权利要求3所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述被动连杆II连接有平移装置。

7.根据权利要求6所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置包括四边形固定座、四边形中间座、四边形末端座、第一被动连杆、第二被动连杆、第三被动连杆和第四被动连杆，所述第一被动连杆和第二被动连杆长度相等，第三被动连杆和第四被动连杆长度相等；所述第一被动连杆和第二被动连杆的一端分别旋转地连接于四边形固定座上，另一端分别旋转地连接于四边形中间座上；所述第三被动连杆和第四被动连杆的一端分别旋转地连接于四边形中间座上，另一端分别旋转地连接于四边形末端座；所述四边形固定座上连接有四边形第一抱闸，所述四边形中间座上连接有四边形第二抱闸；所述四边形末端座与被动连杆II固定连接。

8.根据权利要求7所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置连接有升降装置，所述升降装置包括升降座、滑杆、滚珠丝杠和助力电机，所述滚珠丝杠连接于升降座上，滚珠丝杠上连接有滚珠丝杠螺母，所述滑杆与滚珠丝杠螺母固定连接，所述助力电机的输出轴与滚珠丝杠连接，所述四边形固定座与滑杆固定连接。

9.根据权利要求7所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置连接有升降装置，所述升降装置包括升降座、滑杆和垂直放置的同步带传动机构，所述垂直放置的同步带传动机构连接于升降座上，所述滑杆通过中间连接件与垂直放置的同步带传动机构上的同步带固定连接；所述四边形固定座与滑杆固定连接。

10.根据权利要求7所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置连接有升降装置，所述升降装置包括升降座、滑杆、链轮、链条和配重，所述链轮连接于升降座上，所述链条的一端通过连接件与滑杆的顶部相连，另一端经与链轮导向后与配重顶部固定相连，滑杆及其对应末端负载的重力与配重等同；所述四边形固定座与滑杆固定连接。

11.根据权利要求6所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置包括主端滑杆端、被动连杆I、第一固定带轮、第二固定带轮、第一旋转带轮、第二旋转带轮、第一同步齿形带和第二同步齿形带；所述被动连杆I的一端通过轴承与主端滑杆端连接，另一端连接有空心轴；所述空心轴内部通过轴承连接有连接轴，所述被动连杆II的一端与连接轴固定连接；所述第一固定带轮与主端滑杆端连接，第二固定带轮与空心轴的顶部连接，第一旋转带轮与空心轴的底部连接，所述第二旋转带轮通过轴承与被动连杆II的另一端连接，所述第一同步齿形带连接于第一旋转带轮与第一固定带轮之间，所述第二同步齿形带连接于第二旋转带轮与第二固定带轮之间；所述连接轴连接有第二抱闸，所述被动连杆I连接有第一抱闸。

12.根据权利要求11所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置连接有升降装置，所述升降装置包括升降座、滑杆、滚珠丝杠和助力电机，所述滚珠丝杠连接于升降座上，滚珠丝杠上连接有滚珠丝杠螺母，所述滑杆与滚珠丝杠螺母固定连接，所述助力电机的输出轴与滚珠丝杠连接，所述主端滑杆端与滑杆固定连接。

13.根据权利要求11所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置连接有升降装置，所述升降装置包括升降座、滑杆和垂直放置的同步带传动机构，所述垂直放置的同步带传动机构连接于升降座上，所述滑杆通过中间连接件与垂直放置的同步带传动机构上的同步带固定连接；所述主端滑杆端与滑杆固定连接。

14.根据权利要求11所述的微创手术主操作臂，其特征在于，所述平移装置连接有升降装置，所述升降装置包括升降座、滑杆、链轮、链条和配重，所述链轮连接于升降座上，所述链条的一端通过连接件与滑杆的顶部相连，另一端经与链轮导向后与配重顶部固定相连，滑杆及其对应末端负载的重力与配重等同；所述主端滑杆端与滑杆固定连接。

Images