CN109730781A - 一种多自由度台车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度台车，包括：底座，具有可切换的移动和驻停两种模式；主体支撑结构，设置在底座上且具有沿高度方向的自由度；定位臂，定位臂的第一端连接主体支撑结构的自由端，定位臂的第二端用于搭载手术工具；主体支撑结构包括：支撑立柱，固定于底座上；活动立柱，套设在支撑立柱外部并通过滑块‑导轨机构与支撑立柱连接；外围框架，套设在活动立柱外部且亦固定于底座上；升降关节，连接支撑立柱和活动立柱，用于辅助用户驱动活动立柱在滑块‑导轨机构上沿高度方向的升降；锁定机构，设置在支撑立柱和活动立柱之间。本发明解决了当前手术机器人过于庞大，操作复杂，调整困难，机动性低，手术风险大，机械臂负载能力低的问题。

Description

一种多自由度台车

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，尤其涉及一种可搭载医用外科手术机器人手术工具的多自由度台车。

背景技术

目前，利用微创手术机器人实施外科手术已广泛应用于实际临床手术中。现有的手术机器人以达芬奇手术系统为例，其具有多支臂体且每支臂体只搭载一支手术工具，不仅功能单一，而且在不同术式时不能灵活摆放。尤其在进行简单术式时，多余的臂体及主支撑体占用了太多的宝贵手术室空间。

此外，类达芬奇手术系统的台车移动困难，准备时间长，调整姿态后部分搭载手术的臂体运动范围较大，不仅极大的增加了手术风险，而且在多臂协同工作中容易产生碰撞问题。更进一步地，由于安全性的考虑，达芬奇手术系统的手术工具一般设计为轻量，活动范围小，这样可以减少对活动支撑臂体的负载要求，但手术工具功能性大大降低。

因此提供一种可灵活摆放，空间利用率高，可灵活自由组合同时能承受高负载的手术机器人成为当前手术机器人台车亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可搭载医用外科手术机器人手术工具的多自由度台车，以解决当前手术机器人过于庞大，操作复杂，调整困难，机动性低，手术风险大，机械臂负载能力低的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多自由度台车，包括：底座，具有可切换的移动和驻停两种模式；主体支撑结构，设置在所述底座上且具有沿高度方向的自由度；多关节定位臂所述，多关节定位臂的第一端连接所述主体支撑结构的自由端，所述多关节定位臂的第二端用于搭载手术工具；其中，所述主体支撑结构包括：支撑立柱，固定于所述底座上；活动立柱，套设在所述支撑立柱外部并通过滑块-导轨机构与所述支撑立柱连接；外围框架，套设在所述活动立柱外部且亦固定于所述底座上，以将所述活动立柱与外部空间相隔离；升降关节，连接所述支撑立柱和活动立柱，用于辅助用户驱动所述活动立柱在所述滑块-导轨机构上沿高度方向的升降；锁定机构，设置在所述支撑立柱和活动立柱之间，在锁止状态下，所述锁定机构将所述活动立柱锁定在所述支撑立柱上；在解锁状态下，所述锁定机构打开，所述活动立柱恢复沿高度方向的自由度。

所述的多自由度台车，优选的，所述升降关节包括：配重块，滑动设置在所述支撑立柱内部；固定块，固定在所述活动立柱的内侧面底部；滑轮，若干所述滑轮固定在所述支撑立柱上；牵引绳，所述牵引绳的第一端与所述配重块连接，所述牵引绳的第二端经所述滑轮的变向和引导后与所述固定块连接。

所述的多自由度台车，优选的，所述升降关节还包括至少一根导杆，所述导杆通过安装在所述支撑立柱上的第一安装块和第二安装块沿轴向定位在所述支撑立柱内部；同时，在所述配重块上开设有导向孔，所述导杆穿过所述配重块上的导向孔。

所述的多自由度台车，优选的，所述滑块-导轨机构包括：第一直线导轨，数个所述第一直线导轨沿轴向安装在所述支撑立柱的外侧面；滑块，数个所述滑块安装在所述活动立柱的内侧面，所述活动立柱通过所述滑块滑动连接在所述第一直线导轨上。

所述的多自由度台车，优选的，所述锁定机构为电磁锁定机构，包括：永磁电磁铁，数个所述永磁电磁铁安装在所述支撑立柱的外侧面；对吸钢条，数个所述对吸钢条安装在所述活动立柱的内侧面且与所述永磁电磁铁相对应；在断电状态下，所述永磁电磁铁利用磁性紧紧吸合所述活动立柱内侧面的所述对吸钢条，此时所述活动立柱位置锁定，不能上下移动；在通电状态下，所述永磁电磁铁的磁性消失，此时所述活动立柱可沿所述第一直线导轨上下移动。

所述的多自由度台车，优选的，所述底座为可调节间距的双层底座，所述双层底座包括：下层底座和上层底座，所述下层底座和上层底座平行间隔布置；升降机构，连接所述下层底座和上层底座，用于驱动所述上层底座远离或靠近所述下层底座；电动推杆，连接所述升降机构并为所述升降机构提供驱动力；支撑杆，若干个所述支撑杆的第一端与所述上层底座连接，第二端向下延伸形成支撑端；万向滚轮，若干个所述万向滚轮固定在所述下层底座的底部；第二直线导轨，设置在所述下层底座和上层底座之间，以保证所述下层底座和上层底座之间仅有高度方向的一个自由度。

所述的多自由度台车，优选的，所述多关节定位臂包括转接板、大臂、小臂、转接块、连接块和四个带有交叉滚子轴承的抱闸机构；其中，所述转接板连接在所述活动立柱的顶部，抱闸机构的交叉滚子轴承将所述转接板与所述大臂的第一端连接起来构成第一转动关节，抱闸机构的交叉滚子轴承将所述大臂的第二端与所述小臂的第一端连接起来构成第二转动关节，抱闸机构的交叉滚子轴承将所述小臂的第二端与所述转接块的第一端连接起来构成第三转动关节，抱闸机构的交叉滚子轴承将所述转接块的第二端与所述连接块的第一端连接起来构成第四转动关节，所述连接块的第二端用来搭载所述手术工具。

所述的多自由度台车，优选的，所述第一转动关节和第二转动关节绕垂直于水平面的轴旋转，用以调整所述手术工具的外伸展长度和水平面内的方位角；所述第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节的旋转轴沿所述小臂长度方向，用以调整所述手术工具在空间中的翻转角；所述第四转动关节的旋转轴与所述第三转动关节的旋转轴相垂直，用以调整所述手术工具在空间中的俯仰角。

所述的多自由度台车，优选的，所述抱闸机构的锁止与松开功能由永磁电磁铁的通电情况决定：断电时，所述永磁电磁铁与对吸钢块相吸合，所述抱闸机构锁紧，对应的第一至第四转动关节被锁紧；通电时，所述永磁电磁铁与对吸钢块相分离，所述抱闸机构松开，对应的第一至第四转动关节松开，可轻松改变各转动关节的方位。

所述的多自由度台车，优选的，在所述外围框架的上方安装有推动台车的扶手，所述配重块的重量与所述活动立柱、多关节定位臂和手术工具三者重量之和大致相等。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、与现有微创手术工具台车相比，本发明结构紧凑、体积小、重量轻。2、本发明采用了创新性的定位臂及抱闸机构，可搭载较重的手术工具，并且在占用相同空间情况下其刚度和可靠性大大幅领先于同类产品。3、本发明具有若干个自由度，这些自由度的实现均靠简单的机械关节实现，结构十分简单，操作十分方便，且可靠性很高。4、本发明具有驻停与移动两种模式，并且在两种模式间可方便的切换，在改善手术可靠性的同时兼顾台车移动的方便性和快速性。5、本发明定位臂的活动范围大，空间利用率高，避免了类似产品经常出现定位臂碰撞及干涉的问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明底座的结构示意图；

图3为本发明主体支撑结构的结构示意图；

图4为本发明支撑立柱的结构示意图；

图5为本发明活动立柱的结构示意图；

图6为本发明辅助配重机构的剖视图；

图7为本发明定位臂的结构示意图；

图8(a)～(d)为本发明定位臂各抱闸机构的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供的多自由度台车，包括：底座1，具有可切换的移动和驻停两种模式；主体支撑结构2，设置在底座1上且具有沿高度方向的自由度；多关节定位臂3，多关节定位臂3的第一端连接主体支撑结构2的自由端，多关节定位臂3的第二端用于搭载手术工具4。

如图3所示，主体支撑结构2包括：支撑立柱21，固定于底座1上；活动立柱22，套设在支撑立柱21外部并通过滑块-导轨机构与支撑立柱21连接；外围框架23，套设在活动立柱22外部且亦固定于底座1上，以将活动立柱22与外部空间相隔离；升降关节，连接支撑立柱21和活动立柱22，用于辅助用户驱动活动立柱22在滑块-导轨机构上沿高度方向的升降；锁定机构，设置在支撑立柱21和活动立柱22之间，在锁止状态下，锁定机构将活动立柱22锁定在支撑立柱21上；在解锁状态下，锁定机构打开，活动立柱22恢复沿高度方向的自由度。

在上述实施例中，优选的，如图4至图6所示，升降关节包括：配重块215，滑动设置在支撑立柱21内部；固定块223，固定在活动立柱22的内侧面底部；滑轮214，若干滑轮214固定在支撑立柱21上；牵引绳213，牵引绳213的第一端与配重块215连接，牵引绳213的第二端经滑轮214的变向和引导后与固定块223连接。由此，通过滑块-导轨机构与升降关节的联合作用以实现活动立柱22在支撑立柱21上的升降动作。

在上述实施例中，优选的，升降关节还包括至少一根导杆216，导杆216通过安装在支撑立柱21上的第一安装块217和第二安装块218沿轴向定位在支撑立柱21内部；同时，在配重块215上开设有导向孔，导杆216穿过配重块215上的导向孔。由此，通过导杆216的导向作用可以有效防止配重块在支撑立柱21内的大幅晃动。

在上述实例中，优选的，滑块-导轨机构包括：第一直线导轨211，数个第一直线导轨211沿轴向安装在支撑立柱21的外侧面；滑块221，数个滑块221安装在活动立柱22的内侧面，活动立柱22通过滑块221滑动连接在第一直线导轨211上。

在上述实例中，优选的，锁定机构为电磁锁定机构，包括：永磁电磁铁212，数个永磁电磁铁212安装在支撑立柱21的外侧面；对吸钢条222，数个对吸钢条222安装在活动立柱22的内侧面且与永磁电磁铁212相对应。在断电状态下，永磁电磁铁212利用磁性紧紧吸合活动立柱22内侧面的对吸钢条222，此时活动立柱22位置锁定，不能上下移动；在通电状态下，永磁电磁铁212的磁性消失，此时活动立柱22可沿第一直线导轨211上下运动。

在上述实例中，优选的，如图2所示，底座1为可调节间距的双层底座，该双层底座包括：下层底座11和上层底座12，下层底座11和上层底座12平行间隔布置；升降机构13，连接下层底座11和上层底座12，用于驱动上层底座12远离或靠近下层底座11；电动推杆14，连接升降机构13并为升降机构13提供驱动力；支撑杆15，若干个支撑杆15的第一端与上层底座12连接，第二端向下延伸形成支撑端；万向滚轮16，若干个万向滚轮16固定在下层底座11的底部；第二直线导轨17，设置在下层底座11和上层底座12之间，以保证下层底座11和上层底座12之间仅有高度方向的一个自由度。由此，通过升降机够13改变下层底座11和上层底座12的间距可方便地切换底座1为驻停模式或移动模式：当下层底座11和上层底座12的间距较小时，位于上层底座12上的支撑杆15与地面接触并承受整个台车的重量，此时位于下层底座11上的万向滚轮16与地面分离，底座1处于驻停模式，是手术过程中的状态；当升降机构13作用使得下层底座11和上层底座12的间距变大时，位于下层底座11上的万向滚轮16向下运动逐渐与地面靠近，当万向滚轮16着地后而下层底座11和上层底座12的间距继续增大时，位于上层底座12上的支撑杆15与地面分离，此时多个万向滚轮16则承受整个台车的重量，底座1切换为移动模式，从而可轻松、方便的移动台车。

在上述实例中，优选的，如图7所示，多关节定位臂3包括转接板31、大臂32、小臂33、转接块34、连接块35和四个带有交叉滚子轴承的抱闸机构36～39。其中，转接板31连接在活动立柱22的顶部，抱闸机构36的交叉滚子轴承361将转接板31与大臂32的第一端连接起来构成第一转动关节，抱闸机构37的交叉滚子轴承371将大臂32的第二端与小臂33的第一端连接起来构成第二转动关节，抱闸机构38的交叉滚子轴承381将小臂33的第二端与转接块34的第一端连接起来构成第三转动关节，抱闸机构39的交叉滚子轴承391将转接块34的第二端与连接块35的第一端连接起来构成第四转动关节，连接块35的第二端用来搭载手术工具4。

在上述实例中，优选的，第一转动关节和第二转动关节绕垂直于水平面的轴旋转，用以调整手术工具4的外伸展长度和水平面内的方位角；第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节的旋转轴沿小臂33长度方向，用以调整手术工具4在空间中的翻转角(侧翻角)；第四转动关节的旋转轴与第三转动关节的旋转轴相垂直，用以调整手术工具4在空间中的俯仰角。

在上述实例中，优选的，如图8(a)～(d)所述，抱闸机构36～39的锁止与松开性能由永磁电磁铁362、372、382、392的通电情况决定：断电时，永磁电磁铁362、372、382、392与对吸钢块363、373、383、393相吸合，抱闸机构36～39锁紧，对应的第一至第四转动关节被锁紧；通电时，永磁电磁铁362、372、382、392与对吸钢块363、373、383、393相分离，抱闸机构36～39松开，对应的第一至第四转动关节松开，可轻松改变各转动关节的方位。需要说明的是，抱闸机构36～39的结构紧凑、锁止力很强，其具体结构在申请人另做申请的中国发明专利申请中有详细记载，故不再赘述。

综上所述，本发明的多关节定位臂3具有四个转动关节，加上活动立柱22的升降关节，总共有五个关节，通过这五个关节的运动可以调整多关节定位臂3的连接块35上的手术工具4的位姿在合适的位置，此五处关节的运动与锁止仅通过控制不同位置永磁电磁铁的通断电即可，从安全角度考虑宜采用(但不限于)断电有磁，通电弱磁的永磁性电磁铁，这就使得本发明的各关节在断电情况下是锁止的，而想使其运动时必须按住通电按钮才行，大幅提高台车的可靠性与安全性。在实际应用中从方便角度考虑，可以设定一个控制按钮控制各关节同时锁止或松开，或设置多个控制按钮对各关节分别进行控制，亦可以设置若干关节同时锁止与松开，若干关节单独控制。本发明的所有关节均为机械式锁止机构，没有电机进行控制，当按动控制按钮后即可自由的变动手术工具4的位置，大幅降低了用户的操作难度。

在上述实例中，优选的，如图3所示，在外围框架23的上方安装有推动台车的扶手231，台车处于移动模式时用户的推力由扶手231经外围框架23传递到底座1上，从而使得整个台车运动，对受力比较敏感的活动立柱22并不直接承受用户的推力。

在上述实例中，优选的，配重块215的重量与活动立柱22、多关节定位臂3和手术工具4三者重量之和大致相等，此时当永磁电磁铁213通电时用户可毫不费力的移动活动立柱22上升或下降。

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)

1.一种多自由度台车，其特征在于，包括：

底座(1)，具有可切换的移动和驻停两种模式；

主体支撑结构(2)，设置在所述底座(1)上且具有沿高度方向的自由度；

多关节定位臂(3)所述，多关节定位臂(3)的第一端连接所述主体支撑结构(2)的自由端，所述多关节定位臂(3)的第二端用于搭载手术工具(4)；

其中，所述主体支撑结构(2)包括：

支撑立柱(21)，固定于所述底座(1)上；

活动立柱(22)，套设在所述支撑立柱(21)外部并通过滑块-导轨机构与所述支撑立柱(21)连接；

外围框架(23)，套设在所述活动立柱(22)外部且亦固定于所述底座(1)上，以将所述活动立柱(22)与外部空间相隔离；

升降关节，连接所述支撑立柱(21)和活动立柱(22)，用于辅助用户驱动所述活动立柱(22)在所述滑块-导轨机构上沿高度方向的升降；

锁定机构，设置在所述支撑立柱(21)和活动立柱(22)之间，在锁止状态下，所述锁定机构将所述活动立柱(22)锁定在所述支撑立柱(21)上；在解锁状态下，所述锁定机构打开，所述活动立柱(22)恢复沿高度方向的自由度。

2.根据权利要求1所述的多自由度台车，其特征在于，所述升降关节包括：

配重块(215)，滑动设置在所述支撑立柱(21)内部；

固定块(223)，固定在所述活动立柱(22)的内侧面底部；

滑轮(214)，若干所述滑轮(214)固定在所述支撑立柱(21)上；

牵引绳(213)，所述牵引绳(213)的第一端与所述配重块(215)连接，所述牵引绳(213)的第二端经所述滑轮(214)的变向和引导后与所述固定块(223)连接。

3.根据权利要求2所述的多自由度台车，其特征在于，所述升降关节还包括至少一根导杆(216)，所述导杆(216)通过安装在所述支撑立柱(21)上的第一安装块(217)和第二安装块(218)沿轴向定位在所述支撑立柱(21)内部；同时，在所述配重块(215)上开设有导向孔，所述导杆(216)穿过所述配重块(215)上的导向孔。

4.根据权利要求1所述的多自由度台车，其特征在于，所述滑块-导轨机构包括：

第一直线导轨(211)，数个所述第一直线导轨(211)沿轴向安装在所述支撑立柱(21)的外侧面；

滑块(221)，数个所述滑块(221)安装在所述活动立柱(22)的内侧面，所述活动立柱(22)通过所述滑块(221)滑动连接在所述第一直线导轨(211)上。

5.根据权利要求1所述的多自由度台车，其特征在于，所述锁定机构为电磁锁定机构，包括：

永磁电磁铁(212)，数个所述永磁电磁铁(212)安装在所述支撑立柱(21)的外侧面；

对吸钢条(222)，数个所述对吸钢条(222)安装在所述活动立柱(22)的内侧面且与所述永磁电磁铁(212)相对应；

在断电状态下，所述永磁电磁铁(212)利用磁性紧紧吸合所述活动立柱(22)内侧面的所述对吸钢条(222)，此时所述活动立柱(22)位置锁定，不能上下移动；在通电状态下，所述永磁电磁铁(212)的磁性消失，此时所述活动立柱(22)可沿所述第一直线导轨(211)上下移动。

6.根据权利要求1所述的多自由度台车，其特征在于，所述底座(1)为可调节间距的双层底座，所述双层底座包括：

下层底座(11)和上层底座(12)，所述下层底座(11)和上层底座(12)平行间隔布置；

升降机构(13)，连接所述下层底座(11)和上层底座(12)，用于驱动所述上层底座(12)远离或靠近所述下层底座(11)；

电动推杆(14)，连接所述升降机构(13)并为所述升降机构(13)提供驱动力；

支撑杆(15)，若干个所述支撑杆(15)的第一端与所述上层底座(12)连接，第二端向下延伸形成支撑端；

万向滚轮(16)，若干个所述万向滚轮(16)固定在所述下层底座(11)的底部；

第二直线导轨(17)，设置在所述下层底座(11)和上层底座(12)之间，以保证所述下层底座(11)和上层底座(12)之间仅有高度方向的一个自由度。

7.根据权利要求1所述的多自由度台车，其特征在于，所述多关节定位臂(3)包括转接板(31)、大臂(32)、小臂(33)、转接块(34)、连接块(35)和四个带有交叉滚子轴承的抱闸机构(36～39)；

其中，所述转接板(31)连接在所述活动立柱(22)的顶部，抱闸机构(36)的交叉滚子轴承(361)将所述转接板(31)与所述大臂(32)的第一端连接起来构成第一转动关节，抱闸机构(37)的交叉滚子轴承(371)将所述大臂(32)的第二端与所述小臂(33)的第一端连接起来构成第二转动关节，抱闸机构(38)的交叉滚子轴承(381)将所述小臂(33)的第二端与所述转接块(34)的第一端连接起来构成第三转动关节，抱闸机构(39)的交叉滚子轴承(391)将所述转接块(34)的第二端与所述连接块(35)的第一端连接起来构成第四转动关节，所述连接块(35)的第二端用来搭载所述手术工具(4)。

8.根据权利要求7所述的多自由度台车，其特征在于，所述第一转动关节和第二转动关节绕垂直于水平面的轴旋转，用以调整所述手术工具(4)的外伸展长度和水平面内的方位角；所述第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节的旋转轴沿所述小臂(33)长度方向，用以调整所述手术工具(4)在空间中的翻转角；所述第四转动关节的旋转轴与所述第三转动关节的旋转轴相垂直，用以调整所述手术工具(4)在空间中的俯仰角。

9.根据权利要求7所述的多自由度台车，其特征在于，所述抱闸机构(36～39)的锁止与松开功能由永磁电磁铁(362、372、382、392)的通电情况决定：断电时，所述永磁电磁铁(362、372、382、392)与对吸钢块(363、373、383、393)相吸合，所述抱闸机构(36～39)锁紧，对应的第一至第四转动关节被锁紧；通电时，所述永磁电磁铁(362、372、382、392)与对吸钢块(363、373、383、393)相分离，所述抱闸机构(36～39)松开，对应的第一至第四转动关节松开，可轻松改变各转动关节的方位。

10.根据权利要求1所述的多自由度台车，其特征在于，在所述外围框架(23)的上方安装有推动台车的扶手(231)，所述配重块(215)的重量与所述活动立柱(22)、多关节定位臂(3)和手术工具(4)三者重量之和大致相等。