CN109620363A - 手术器械机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种手术器械机构，属于医疗器械技术领域。它解决了现有的手术器械结构设计不合理、抗冲击性差及无法进行反驱操作的问题。它包括基座、设于基座上的器械组件、位于基座前端的穿刺器以及用于将穿刺器固定在基座上的固定结构，器械组件的前部设有沿基座的长度方向延伸的刀杆，穿刺器与刀杆同轴，基座的一侧具有沿基座长度方向延伸的直线导轨，直线导轨上配合设有滑座，器械组件固定在滑座上，基座的另一侧设有与直线导轨平行的同步带一，器械组件通过连接座与同步带一固连，基座上设有用于驱动同步带一动作的驱动结构。本发明具有结构布置合理、传动效率高、反驱灵敏度高、抗冲击力强且安装与维护便捷等优点。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种手术器械机构，特别是一种手术机器人的手术器械机构。
背景技术
微创手术机器人可以减轻医生在手术过程中的体力劳动，同时达到精准手术目的，使患者微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快。微创手术机器人系统通常使用主从式控制模式：操作者在对主手进行操作时，手部运动会带动主手随之运动，主手关节处传感器可以测量运动信息，通过主从控制算法将主手的运动映射到从手主动臂，从手主动臂各关节被动运动，带动手术器械实现相应运动。微创手术机器人的关键组成部分主要包括远程运动中心机构和手术器械，其机械结构的设计优劣直接影响了微创手术机器人的性能，也制约着系统中其他部件的研发与设计。
现有的手术器械设于滑动臂上，通常采用电机、减速机、滚柱丝杠及旋转螺母，或者采用电机、减速机、钢丝绳及钢丝绳滑轮的动力传动方式使手术器械沿滑动臂直线运动，由于设有减速机，成本高，而且还存在结构布置不合理、抗冲击性能差、传动效率低及噪音大的问题，易造成手术机器人各臂之间的干涉；由于减速器存在较大的摩擦力，不允许用户进行反驱操作。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种结构布置合理、运动精度高的手术器械机构。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
手术器械机构，包括基座、设于基座上的器械组件、位于基座前端的穿刺器以及用于将穿刺器固定在基座上的固定结构，所述器械组件的前部设有沿基座的长度方向延伸的刀杆，所述的穿刺器与刀杆同轴，其特征在于，所述基座的一侧具有沿基座长度方向延伸的直线导轨，所述的直线导轨上配合设有滑座，所述的器械组件固定在滑座上，所述基座的另一侧设有与直线导轨平行的同步带一/钢丝一，器械组件通过连接座与同步带一/钢丝一固连，所述的基座上设有用于驱动同步带一/钢丝一动作的驱动结构。
在上述的手术器械机构中，所述基座另一侧的前端通过支座一安装有传动轮一，其后端通过支座二安装有传动轮二，所述的同步带一/钢丝一通过传动轮一与传动轮二张紧，所述的驱动结构包括设于基座上的驱动电机以及与传动轮二同轴固连的传动轮三，所述驱动电机的输出轴沿基座的长度方向延伸，所述的输出轴与传动轮三之间通过变向传动组件传动连接。
在上述的手术器械机构中，所述基座的另一侧固定有安装座，所述安装座的后侧固定有支座三和支座四，所述的驱动电机固定在安装座的前侧，所述的变向传动组件包括设于输出轴上的输入轮、安装于支座三上的与传动轮二平行的传动轴、同轴固连在传动轴上的传动轮四与输出轮、套设于传动轴上的中间轮一、安装于支座四上的与输出轴平行的中间轮二以及同步带二/钢丝二，所述输入轮的中轴线与传动轴的中轴线异面垂直，所述的同步带二/钢丝二由输入轮引出后依次绕传动轮四、中间轮二与中间轮一后绕回输入轮，所述的输出轮通过同步带三/钢丝三与传动轮三传动连接。
在上述的手术器械机构中，所述传动轮四的外径大于输入轮的外径，所述中间轮一的外径等于中间轮二的外径。传动轮四的外径大于输入轮的外径，在变向传动过程中实现了减速，同时增大了输出扭矩。
在上述的手术器械机构中，所述的驱动电机远离安装座的一端设有制动器，所述制动器的转子与驱动电机的输出轴同轴固连，所述的制动器上设有编码器，所述编码器的转子与制动器的转子同轴固连。
在上述的手术器械机构中，所述驱动电机的表面贴设有呈半环状的导热层，所述导热层的外表面贴设有呈半环状的导热环，所述的导热环通过支架固连在基座上。在支架上还设有PCB板。
作为另一种方案，驱动电机的表面仅贴设有呈半环状的导热层。
作为又一种方案，驱动电机的表面仅贴设有呈半环状的导热环。
其中，导热层由导热性能较好的材料制成，优选硅胶；导热环由金属材料制成，支架由金属材料制成，优选铜，具有更好的散热效果。
在上述的手术器械机构中，所述的固定结构包括设于基座上的左半固定环以及与左半固定环对称设置的右半固定环，所述的左半固定环与右半固定环之间形成有用于夹持穿刺器的夹持口，所述的左半固定环通过销轴一铰接于基座上，所述的右半固定环通过销轴二铰接在基座上，所述的左半固定环上通过销轴三铰接有手柄一，所述的销轴三与销轴一平行，所述的手柄一与基座之间设有锁紧结构一，所述的右半固定环上通过销轴四铰接有手柄二，所述的销轴四与销轴二平行，所述的手柄二与基座之间设有锁紧结构二。
在上述的手术器械机构中，所述的锁紧结构一包括通过销轴五铰接在手柄一上的连杆一，所述的销轴五与销轴一平行，所述连杆一的另一端通过销轴七铰接在基座上，所述的销轴七与销轴一平行，所述销轴一至销轴三的距离与销轴一至销轴七的距离之和大于销轴三至销轴五的距离与销轴五至销轴七的距离之和，所述的基座与销轴五之间设有扭簧一。其中连杆一为两个且分别位于销轴五的两端处，两个连杆一的另一端分别位于销轴七的两端处，手柄一位于两连杆一之间。
在上述的手术器械机构中，所述的锁紧结构二包括通过销轴六铰接在手柄二上的连杆二，所述的销轴六与销轴二平行，所述连杆二的另一端通过销轴八铰接在基座上，所述的销轴八与销轴二平行，所述销轴二至销轴四的距离与销轴二至销轴八的距离之和大于销轴四至销轴六的距离与销轴六至销轴八的距离之和，所述的基座与销轴六之间设有扭簧二。销轴一与销轴二对称设置，销轴三与销轴四对称设置，销轴五与销轴六对称设置，销轴七与销轴八对称设置。连杆二为两个且分别位于销轴六的两端处，两个连杆二的另一端分别位于销轴八的两端处，手柄二位于两连杆二之间，销轴三至销轴四的距离大于销轴一至销轴二的距离。
销轴一与销轴三的连线、销轴三与销轴五的连线、销轴五与销轴七的连线以及销轴七与销轴一的连线构成四连杆机构一，销轴二与销轴四的连线、销轴四与销轴六的连线、销轴六与销轴八的连线以及销轴八与销轴二的连线构成四连杆机构二。装夹时，将医用穿刺器的头端放入夹持口内，扳动手柄一与手柄二使两者的自由操纵端相对运动，手柄一绕销轴三摆动从而带动销轴五向靠近销轴一的方向运动，同时左半固定环绕销轴一摆动，销轴三与销轴七之间的距离逐渐增大，当销轴三与销轴七的距离大于销轴三至销轴五的距离与销轴五至销轴七的距离之和时，销轴五由销轴三与销轴七连线的一侧进入销轴三与销轴七连线的另一侧，随后销轴三与销轴七之间的距离逐渐变小，当左半固定环与右半固定环抱紧医用穿刺器的头端时，扭簧一作用在销轴五上的弹力为左半固定环提供抱紧辅助力，防止左半固定环退回。此时，四连杆机构二与四连杆机构一同步且相反运动。
需要松开时，扳动手柄一与手柄二使两者的自由操纵端相向运动，手柄一绕销轴三摆动从而带动销轴五向远离销轴一的方向运动，同时左半固定环绕销轴一摆动，销轴三与销轴七之间的距离逐渐增大，当销轴三与销轴七的距离大于销轴三至销轴五的距离与销轴五至销轴七的距离之和时，销轴五由销轴三与销轴七连线的一侧进入销轴三与销轴七连线的另一侧，随后销轴三与销轴七之间的距离逐渐变小，直至左半固定环脱离医用穿刺器的头端，扭簧一的弹力使销轴五保持在当前位置。此时，四连杆机构二与四连杆机构一同步且相反运动。
在上述的手术器械机构中，所述的连接座滑动设于基座的另一侧上，所述的基座上具有与直线导轨平行的导槽，所述导槽的宽度小于连接座的宽度，所述的同步带一/钢丝一与连接座固连，所述的器械组件通过伸入导槽内的连接部与连接座固连。
驱动电机的输出轴工作时，带动输入轮转动，通过中间轮一、中间轮二、传动轮四和同步带二/钢丝二实现了动力的交叉变向传动，输出轮通过同步带三/钢丝三带动传动轮三和传动轮二转动，从而带动同步带一/钢丝一动作，最终驱动器械组件沿直线导轨运动。控制驱动电机的正反转可实现器械组件的来回移动。
与现有技术相比，本手术器械机构具有以下优点：通过合理的结构设计，降低了摩擦力、提升了传动效率、降低了减速比、提升了反驱灵敏度，使整个手术器械具备力觉感知功能，便于医生在操作端获得力反馈信息，使医生手术操作更安全、直观；而且其结构简单、传动效率高、噪音低、抗冲击力强、成本低廉，安装及维护便捷；通过设置的固定结构可轻松实现对穿刺器的锁紧，操作简单。
附图说明
图1是本发明提供的实施例一的结构示意图。
图2是本发明提供的实施例一的正视图。
图3是本发明提供的实施例一的部分结构示意图。
图4是本发明提供的实施例一的另一部分结构示意图。
图5是本发明提供的实施例一中变向传动组件的结构示意图。
图6是本发明提供的实施例一中驱动电机的安装示意图。
图7是本发明提供的实施例一中固定结构的结构示意图。
图8是本发明提供的实施例一中固定结构的内部结构示意图。
图中，1、基座；2、器械组件；3、穿刺器；4、直线导轨；5、同步带一；6、连接座；7、传动轮一；8、传动轮二；9、驱动电机；10、传动轮三；11、安装座；12、支座三；13、支座四；14、输入轮；15、传动轮四；16、输出轮；17、中间轮一；18、中间轮二；19、同步带二；20、同步带三；21、制动器；22、编码器；23、导热层；24、导热环；25、支架；26、左半固定环；27、右半固定环；28、销轴一；29、销轴二；30、销轴三；31、手柄一；32、销轴四；33、手柄二；34、连杆一；35、销轴五；36、销轴七；37、扭簧一；38、销轴六；39、连杆二；40、销轴八；41、导槽。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1和图2所示的手术器械机构，包括基座1、设于基座1上的器械组件2、位于基座1前端的穿刺器3以及用于将穿刺器3固定在基座1上的固定结构，器械组件2的前部设有沿基座1的长度方向延伸的刀杆，穿刺器3与刀杆同轴。如图1所示，基座1的一侧具有沿基座1长度方向延伸的直线导轨4，直线导轨4上配合设有滑座，器械组件2固定在滑座上，基座1的另一侧设有与直线导轨4平行的同步带一5，器械组件2通过连接座6与同步带一5固连，基座1上设有用于驱动同步带一5动作的驱动结构。
如图3所示，连接座6滑动设于基座1的另一侧上，基座1上具有与直线导轨4平行的导槽41，导槽41的宽度小于连接座6的宽度，同步带一5与连接座6固连，器械组件2通过伸入导槽41内的连接部与连接座6固连。驱动电机9的输出轴工作时，带动输入轮14转动，通过中间轮一17、中间轮二18、传动轮四15和同步带二19实现了动力的交叉变向传动，输出轮16通过同步带三20带动传动轮三10和传动轮二8转动，从而带动同步带一5动作，最终驱动器械组件2沿直线导轨4运动。控制驱动电机9的正反转可实现器械组件2的来回移动。
如图2和图3所示，基座1另一侧的前端通过支座一安装有传动轮一7，其后端通过支座二安装有传动轮二8，同步带一5通过传动轮一7与传动轮二8张紧。如图4所示，驱动结构包括设于基座1上的驱动电机9以及与传动轮二8同轴固连的传动轮三10，驱动电机9的输出轴沿基座1的长度方向延伸，输出轴与传动轮三10之间通过变向传动组件传动连接。
如图1所示，基座1的另一侧固定有安装座11，安装座11的后侧固定有支座三12和支座四13，驱动电机9固定在安装座11的前侧，如图5所示，变向传动组件包括设于输出轴上的输入轮14、安装于支座三12上的与传动轮二8平行的传动轴、同轴固连在传动轴上的传动轮四15与输出轮16、套设于传动轴上的中间轮一17、安装于支座四13上的与输出轴平行的中间轮二18以及同步带二19，输入轮14的中轴线与传动轴的中轴线异面垂直，同步带二19由输入轮14引出后依次绕传动轮四15、中间轮二18与中间轮一17后绕回输入轮14，输出轮16通过同步带三20与传动轮三10传动连接。
本实施例中，传动轮四15的外径大于输入轮14的外径，中间轮一17的外径等于中间轮二18的外径。传动轮四15的外径大于输入轮14的外径，在变向传动过程中实现了减速，同时增大了输出扭矩。
如图6所示，驱动电机9远离安装座11的一端设有制动器21，制动器21的转子与驱动电机9的输出轴同轴固连，制动器21上设有编码器22，编码器22的转子与制动器21的转子同轴固连。
如图6所示，驱动电机9的表面贴设有呈半环状的导热层23，导热层23的外表面贴设有呈半环状的导热环24，导热环24通过支架25固连在基座1上，在支架25上还设有PCB板，PCB板产生的热量由支架25传递给基座1。
其中，导热层23由硅胶制成；导热环24由铜制成，支架25由铜制成。
如图7所示，固定结构包括设于基座1上的左半固定环26以及与左半固定环26对称设置的右半固定环27，左半固定环26与右半固定环27之间形成有用于夹持穿刺器3的夹持口，左半固定环26通过销轴一28铰接于基座1上，右半固定环27通过销轴二29铰接在基座1上，左半固定环26上通过销轴三30铰接有手柄一31，销轴三30与销轴一28平行，手柄一31与基座1之间设有锁紧结构一，右半固定环27上通过销轴四32铰接有手柄二33，销轴四32与销轴二29平行，手柄二33与基座1之间设有锁紧结构二。
如图7和图8所示，锁紧结构一包括通过销轴五35铰接在手柄一31上的连杆一34，销轴五35与销轴一28平行，连杆一34的另一端通过销轴七36铰接在基座1上，销轴七36与销轴一28平行，销轴一28至销轴三30的距离与销轴一28至销轴七36的距离之和大于销轴三30至销轴五35的距离与销轴五35至销轴七36的距离之和，基座1与销轴五35之间设有扭簧一37。其中连杆一34为两个且分别位于销轴五35的两端处，两个连杆一34的另一端分别位于销轴七36的两端处，手柄一31位于两连杆一34之间。
如图7和图8所示，锁紧结构二包括通过销轴六38铰接在手柄二33上的连杆二39，销轴六38与销轴二29平行，连杆二39的另一端通过销轴八40铰接在基座1上，销轴八40与销轴二29平行，销轴二29至销轴四32的距离与销轴二29至销轴八40的距离之和大于销轴四32至销轴六38的距离与销轴六38至销轴八40的距离之和，基座1与销轴六38之间设有扭簧二。销轴一28与销轴二29对称设置，销轴三30与销轴四32对称设置，销轴五35与销轴六38对称设置，销轴七36与销轴八40对称设置。连杆二39为两个且分别位于销轴六38的两端处，两个连杆二39的另一端分别位于销轴八40的两端处，手柄二33位于两连杆二39之间，销轴三30至销轴四32的距离大于销轴一28至销轴二29的距离。
销轴一28与销轴三30的连线、销轴三30与销轴五35的连线、销轴五35与销轴七36的连线以及销轴七36与销轴一28的连线构成四连杆机构一，销轴二29与销轴四32的连线、销轴四32与销轴六38的连线、销轴六38与销轴八40的连线以及销轴八40与销轴二29的连线构成四连杆机构二。装夹时，将医用穿刺器3的头端放入夹持口内，扳动手柄一31与手柄二33使两者的自由操纵端相对运动，手柄一31绕销轴三30摆动从而带动销轴五35向靠近销轴一28的方向运动，同时左半固定环26绕销轴一28摆动，销轴三30与销轴七36之间的距离逐渐增大，当销轴三30与销轴七36的距离大于销轴三30至销轴五35的距离与销轴五35至销轴七36的距离之和时，销轴五35由销轴三30与销轴七36连线的一侧进入销轴三30与销轴七36连线的另一侧，随后销轴三30与销轴七36之间的距离逐渐变小，当左半固定环26与右半固定环27抱紧医用穿刺器3的头端时，扭簧一37作用在销轴五35上的弹力为左半固定环26提供抱紧辅助力，防止左半固定环26退回。此时，四连杆机构二与四连杆机构一同步且相反运动。
需要松开时，扳动手柄一31与手柄二33使两者的自由操纵端相向运动，手柄一31绕销轴三30摆动从而带动销轴五35向远离销轴一28的方向运动，同时左半固定环26绕销轴一28摆动，销轴三30与销轴七36之间的距离逐渐增大，当销轴三30与销轴七36的距离大于销轴三30至销轴五35的距离与销轴五35至销轴七36的距离之和时，销轴五35由销轴三30与销轴七36连线的一侧进入销轴三30与销轴七36连线的另一侧，随后销轴三30与销轴七36之间的距离逐渐变小，直至左半固定环26脱离医用穿刺器3的头端，扭簧一37的弹力使销轴五35保持在当前位置。此时，四连杆机构二与四连杆机构一同步且相反运动。
实施例二
本实施例的结构原理同实施例一的结构原理基本相同，不同的地方在于，采用钢丝一替换同步带一5，采用钢丝二替换同步带二19，采用钢丝三替换同步带三20。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种手术器械机构，包括基座(1)、设于基座(1)上的器械组件(2)、位于基座(1)前端的穿刺器(3)以及用于将穿刺器(3)固定在基座(1)上的固定结构，所述器械组件(2)的前部设有沿基座(1)的长度方向延伸的刀杆，所述的穿刺器(3)与刀杆同轴，其特征在于，所述基座(1)的一侧具有沿基座(1)长度方向延伸的直线导轨(4)，所述的直线导轨(4)上配合设有滑座，所述的器械组件(2)固定在滑座上，所述基座(1)的另一侧设有与直线导轨(4)平行的同步带一(5)/钢丝一，器械组件(2)通过连接座(6)与同步带一(5)/钢丝一固连，所述的基座(1)上设有用于驱动同步带一(5)/钢丝一动作的驱动结构。
2.根据权利要求1所述的手术器械机构，其特征在于，所述基座(1)另一侧的前端通过支座一安装有传动轮一(7)，其后端通过支座二安装有传动轮二(8)，所述的同步带一(5)/钢丝一通过传动轮一(7)与传动轮二(8)张紧，所述的驱动结构包括设于基座(1)上的驱动电机(9)以及与传动轮二(8)同轴固连的传动轮三(10)，所述驱动电机(9)的输出轴沿基座(1)的长度方向延伸，所述的输出轴与传动轮三(10)之间通过变向传动组件传动连接。
3.根据权利要求2所述的手术器械机构，其特征在于，所述基座(1)的另一侧固定有安装座(11)，所述安装座(11)的后侧固定有支座三(12)和支座四(13)，所述的驱动电机(9)固定在安装座(11)的前侧，所述的变向传动组件包括设于输出轴上的输入轮(14)、安装于支座三(12)上的与传动轮二(8)平行的传动轴、同轴固连在传动轴上的传动轮四(15)与输出轮(16)、套设于传动轴上的中间轮一(17)、安装于支座四(13)上的与输出轴平行的中间轮二(18)以及同步带二(19)/钢丝二，所述输入轮(14)的中轴线与传动轴的中轴线异面垂直，所述的同步带二(19)/钢丝二由输入轮(14)引出后依次绕传动轮四(15)、中间轮二(18)与中间轮一(17)后绕回输入轮(14)，所述的输出轮(16)通过同步带三(20)/钢丝三与传动轮三(10)传动连接。
4.根据权利要求3所述的手术器械机构，其特征在于，所述传动轮四(15)的外径大于输入轮(14)的外径，所述中间轮一(17)的外径等于中间轮二(18)的外径。
5.根据权利要求3或4所述的手术器械机构，其特征在于，所述的驱动电机(9)远离安装座(11)的一端设有制动器(21)，所述制动器(21)的转子与驱动电机(9)的输出轴同轴固连，所述的制动器(21)上设有编码器(22)，所述编码器(22)的转子与制动器(21)的转子同轴固连。
6.根据权利要求3或4所述的手术器械机构，其特征在于，所述驱动电机(9)的表面贴设有呈半环状的导热层(23)，所述导热层(23)的外表面贴设有呈半环状的导热环(24)，所述的导热环(24)通过支架(25)固连在基座(1)上。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的手术器械机构，其特征在于，所述的固定结构包括设于基座(1)上的左半固定环(26)以及与左半固定环(26)对称设置的右半固定环(27)，所述的左半固定环(26)与右半固定环(27)之间形成有用于夹持穿刺器(3)的夹持口，所述的左半固定环(26)通过销轴一(28)铰接于基座(1)上，所述的右半固定环(27)通过销轴二(29)铰接在基座(1)上，所述的左半固定环(26)上通过销轴三(30)铰接有手柄一(31)，所述的销轴三(30)与销轴一(28)平行，所述的手柄一(31)与基座(1)之间设有锁紧结构一，所述的右半固定环(27)上通过销轴四(32)铰接有手柄二(33)，所述的销轴四(32)与销轴二(29)平行，所述的手柄二(33)与基座(1)之间设有锁紧结构二。
8.根据权利要求7所述的手术器械机构，其特征在于，所述的锁紧结构一包括通过销轴五(35)铰接在手柄一(31)上的连杆一(34)，所述的销轴五(35)与销轴一(28)平行，所述连杆一(34)的另一端通过销轴七(36)铰接在基座(1)上，所述的销轴七(36)与销轴一(28)平行，所述销轴一(28)至销轴三(30)的距离与销轴一(28)至销轴七(36)的距离之和大于销轴三(30)至销轴五(35)的距离与销轴五(35)至销轴七(36)的距离之和，所述的基座(1)与销轴五(35)之间设有扭簧一(37)。
9.根据权利要求8所述的手术器械机构，其特征在于，所述的锁紧结构二包括通过销轴六(38)铰接在手柄二(33)上的连杆二(39)，所述的销轴六(38)与销轴二(29)平行，所述连杆二(39)的另一端通过销轴八(40)铰接在基座(1)上，所述的销轴八(40)与销轴二(29)平行，所述销轴二(29)至销轴四(32)的距离与销轴二(29)至销轴八(40)的距离之和大于销轴四(32)至销轴六(38)的距离与销轴六(38)至销轴八(40)的距离之和，所述的基座(1)与销轴六(38)之间设有扭簧二。
10.根据权利要求1或2或3或4所述的手术器械机构，其特征在于，所述的连接座(6)滑动设于基座(1)的另一侧上，所述的基座(1)上具有与直线导轨(4)平行的导槽(41)，所述导槽(41)的宽度小于连接座(6)的宽度，所述的同步带一(5)/钢丝一与连接座(6)固连，所述的器械组件(2)通过伸入导槽(41)内的连接部与连接座(6)固连。
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