CN110403697A - 竖直伸缩关节以及具有竖直伸缩关节的微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竖直伸缩关节以及具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其解决了现有微创手术机器人中用于调整器械机械臂位姿的手动调整装置结构复杂、体积大，成本高，精度低的技术问题，其包括基座、滚珠丝杠、抱闸、助力轴、助力电机和臂连接座，基座的顶部固定连接有花键套，花键套连接有花键轴，花键轴的下端固定连接有花键轴座，滚珠丝杠通过两个丝杠支撑座与基座连接，滚珠丝杠连接有螺母座，花键轴座与螺母座固定连接，抱闸与基座的底部固定连接，助力轴与滚珠丝杠的下端固定连接，助力轴穿过抱闸的轴孔，助力电机与基座固定连接，助力电机的输出轴通过传动机构与助力轴的下端连接，臂连接座与花键轴连接。本发明广泛用于医疗器械技术领域。

Description

竖直伸缩关节以及具有竖直伸缩关节的微创手术机器人

技术领域

本发明涉及微创外科手术机器技术领域，具体而言，涉及一种竖直伸缩关节以及具有竖直伸缩关节的微创手术机器人。

背景技术

参考申请公布号为CN109091237A、名称为微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，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。

参考申请公布号为CN109091238A、名称为分体式微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，微创外科手术机器人系统包括医生操作台，外科医生通过操作医生机械臂来精准地控制患者操作台的器械机械臂上的一个或多个手术器械执行各种手术动作。

外科手术器械是外科手术操作的必备工具，其可以执行不同功能，包括夹持、切除、切割、缝合、吻合等。外科手术器械具有不同的配置，其包括执行末端，腕节、器械杆、器械盒等，外科手术器械被插入，穿过开口，以实施远程外科手术。

手术前及手术过程中，可以对微创手术机器人的器械机械臂的位姿进行手动调整，以适应患者不同手术部位的切口位置。然而，现有的手动调整装置存在结构复杂，体积大，成本高，精度低等技术问题。

发明内容

本发明就是为了解决现有微创手术机器人中用于调整器械机械臂位姿的手动调整装置结构复杂、体积大，成本高，精度低的技术问题，提供了一种结构简单、体积小、成本低、易操作、精度高的竖直伸缩关节以及具有竖直伸缩关节的微创手术机器人。

本发明提供一种竖直伸缩关节，包括基座、花键套、花键轴、花键轴座、滚珠丝杠、上丝杠支撑座、下丝杠支撑座、螺母座、抱闸、助力轴、助力电机和臂连接座，花键套与基座的顶部固定连接，花键轴穿过花键套，花键轴座与花键轴的下端固定连接，上丝杠支撑座与基座的顶部固定连接，下丝杠支撑座与基座的底部固定连接，滚珠丝杠的上端与上丝杠支撑座连接，滚珠丝杠的下端与下丝杠支撑座连接，螺母座与滚珠丝杠连接，花键轴座与螺母座固定连接，抱闸与基座的底部固定连接，抱闸设有抱闸块和轴孔，助力轴与滚珠丝杠的下端固定连接，助力轴穿过抱闸的轴孔，抱闸的抱闸块与助力轴连接；助力电机与基座固定连接，助力电机的输出轴通过传动机构与助力轴的下端连接，臂连接座与花键轴的上端连接。

优选地，助力电机与助力轴之间的传动机构是齿轮传动机构。

优选地，齿轮传动机构包括第一齿轮、第二齿轮和中间齿轮，第二齿轮与助力轴的下端固定连接，第一齿轮与助力电机的输出轴连接，中间齿轮与基座底部端面转动连接，中间齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮与中间齿轮啮合。

优选地，助力电机为伺服电机。

优选地，花键轴是空心的。

优选地，竖直伸缩关节还包括中间齿轮座和调整螺钉，第二齿轮通过齿轮衬套与助力轴固定连接，基座设有滑槽和螺钉安装孔，中间齿轮座设于基座的滑槽内，中间齿轮与中间齿轮座转动连接，中间齿轮座的侧面设有螺纹孔，调整螺钉设于基座的螺钉安装孔中，调整螺钉与中间齿轮座侧面的螺纹孔连接。

本发明还提供一种具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，包括竖直伸缩关节和机械臂；竖直伸缩关节包括基座、花键套、花键轴、花键轴座、滚珠丝杠、上丝杠支撑座、下丝杠支撑座、螺母座、抱闸、助力轴、助力电机和臂连接座，花键套与基座的顶部固定连接，花键轴穿过花键套，花键轴座与花键轴的下端固定连接，上丝杠支撑座与基座的顶部固定连接，下丝杠支撑座与基座的底部固定连接，滚珠丝杠的上端与上丝杠支撑座连接，滚珠丝杠的下端与下丝杠支撑座连接，螺母座与滚珠丝杠连接，花键轴座与螺母座固定连接，抱闸与基座的底部固定连接，抱闸设有抱闸块和轴孔，助力轴与滚珠丝杠的下端固定连接，助力轴穿过抱闸的轴孔，抱闸的抱闸块与助力轴连接；助力电机与基座固定连接，助力电机的输出轴通过传动机构与助力轴的下端连接；臂连接座与花键轴的上端连接；

机械臂与臂连接座连接。

优选地，助力电机与助力轴之间的传动机构是齿轮传动机构。

优选地，齿轮传动机构包括第一齿轮、第二齿轮和中间齿轮，第二齿轮与助力轴的下端固定连接，第一齿轮与助力电机的输出轴连接，中间齿轮与基座底部端面转动连接，中间齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮与中间齿轮啮合。

优选地，助力电机为伺服电机。

优选地，机械臂是器械机械臂或医生机械臂。

优选地，具有竖直伸缩关节的微创手术机器人还包括中间齿轮座和调整螺钉，第二齿轮通过齿轮衬套与助力轴固定连接，基座设有滑槽和螺钉安装孔，中间齿轮座设于基座的滑槽内，中间齿轮与中间齿轮座转动连接，中间齿轮座的侧面设有螺纹孔，调整螺钉设于基座的螺钉安装孔中，调整螺钉与中间齿轮座侧面的螺纹孔连接。

本发明的有益效果是，结构简单、轻巧，体积小，成本低，能够很容易得手动调节机械臂的位置，调节精度高，并具有运动阻力小，噪音低，无回程间隙，精度高，可靠性高的特点。此外还具有锁紧功能。

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是具有竖直伸缩关节的微创手术机器人的结构示意图；

图2是第一齿轮、第二齿轮和中间齿轮之间优化的连接方式示意图；

图3是图2所示结构中，调整螺钉与中间齿轮座的连接示意图；

图4是中间齿轮与中间齿轮座的连接示意图。

图中符号说明：

1.竖直伸缩关节，101.基座，102.花键套，103.花键轴，104.花键轴座，105.滚珠丝杠，106.上丝杠支撑座，107.下丝杠支撑座，108.螺母座，109.抱闸，109-1.抱闸块，110.助力轴，111.第一齿轮，112.第二齿轮，113.中间齿轮，114.助力电机，115.臂连接座；2.机械臂；3.轴线一，4.轴线三，5.轴线四，6.齿轮衬套，7.中间齿轮座，7-1.螺纹孔，8.调整螺钉，101-1.滑槽，101-2.螺钉安装孔。

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，具有竖直伸缩关节的微创手术机器人包括竖直伸缩关节1和机械臂2，竖直伸缩关节1包括基座101、花键套102、花键轴103、花键轴座104、滚珠丝杠105、上丝杠支撑座106、下丝杠支撑座107、螺母座108、抱闸109、助力轴110、第一齿轮111、第二齿轮112、中间齿轮113、助力电机114、臂连接座115，花键套102通过螺钉与基座101的顶部固定连接，花键轴103穿过花键套102实现相连接，花键轴座104与花键轴103的下端通过螺钉固定连接，上丝杠支撑座106与基座101的顶部固定连接，下丝杠支撑座107与基座101的底部固定连接，滚珠丝杠105的上端与上丝杠支撑座106内的轴承连接，滚珠丝杠105的下端与下丝杠支撑座107内的轴承连接，螺母座108与滚珠丝杠105连接，花键轴座104与螺母座108通过螺钉固定连接，通过螺钉将抱闸109固定安装在基座101的底部，抱闸109设有抱闸块109-1和轴孔，助力轴110与滚珠丝杠105的下端固定连接，助力轴110穿过抱闸109的轴孔，抱闸109的抱闸块109-1通过平键与助力轴110连接，第二齿轮112与助力轴110的下端固定连接，助力电机114通过螺钉与基座101的下部分固定连接，第一齿轮111与助力电机114的输出轴连接，中间齿轮113与基座101底部端面转动连接，中间齿轮113与第一齿轮111啮合，第二齿轮112与中间齿轮113啮合，臂连接座115与花键轴103的上端连接(优选采用螺钉进行固定连接)。机械臂2安装在臂连接座115上，机械臂2可以采用公知结构与臂连接座115实现固定连接、滑动连接、转动连接等等。

机械臂2可以是器械机械臂，也可以是医生机械臂。

竖直伸缩关节的锁紧依靠抱闸的锁紧功能实现，抱闸109能够锁止滚珠丝杠105，断电时，抱闸109中的抱闸块109-1被抱紧，滚珠丝杠105无法转动，花键轴103不能上下运动。给抱闸109通电，抱闸块109-1被释放，滚珠丝杠105转动从而带动助力轴110转动，第二齿轮112随助力轴110一起转动，第二齿轮112通过中间齿轮113带动第一齿轮111转动。滚珠丝杠因传动效率高，摩擦小，螺母座108进行直线运动的同时，带动滚珠丝杠及助力轴110绕轴线三4转动。

竖直伸缩关节1工作时，通过外部电机控制器驱动助力电机114工作，助力电机114输出转矩经第一齿轮111、中间齿轮113、第二齿轮112传递至滚珠丝杠105，并经过螺母座108转化为沿轴线一3和轴线三4的向上推力，以克服花键轴座104、花键轴103、臂连接座115和机械臂2加在一起的重力，然后给抱闸109通电，释放抱闸块；操作者沿轴线一3方向稍微用力手动向上或向下移动臂连接座115，带动花键轴座104、花键轴103、螺母座108、臂连接座115和机械臂2整体沿轴线一3向上或向下移动；机械臂2被调整到某个位置后，给抱闸109断电(抱闸109的抱闸块被抱紧)，助力电机114停止输出转矩，滚珠丝杠105无法转动，进而约束花键轴103、臂连接座115和机械臂2不能移动，因滚珠丝杠精度高，传动无间隙，伸缩关节锁紧后无回程间隙。

滚珠丝杠精度高，传动无间隙，竖直伸缩关节运动精度高，而且运动灵活。

助力电机114优选采用伺服电机。

花键轴103优选为空心的，能够减轻重量，空心位置还可以用来穿电线。

设置中间齿轮，也就是三个齿轮传动是优选的方案，设置三个齿轮一方面可以使每个齿轮的尺寸变小，从而缩小相应结构体积，另一方面能够改善齿轮间的啮合效果。如果只设置第一齿轮111和第二齿轮112这两个齿轮结构，那么两个齿轮各自的直径会比较大，结构体积会变大，而且容易发生啮合不良。

需要说明的是，第一齿轮111、第二齿轮112和中间齿轮113之间的连接配合方式优化后的方案如图2-4所示，第二齿轮112通过齿轮衬套6与助力轴110固定连接，可随助力轴110一起转动。中间齿轮113通过轴承旋转的安装在中间齿轮座7上。中间齿轮座7安装在基座101的滑槽101-1内，并可在滑槽101-1内沿轴线四5的方向前后移动。中间齿轮113也因此可以调整与第一齿轮111、第二齿轮112的啮合关系，消除齿轮传动间隙，改善可靠性。中间齿轮座7侧面设置螺纹孔7-1，基座101设有螺钉安装孔101-2，螺钉安装孔101-2与滑槽101-1对齐，调整螺钉8设于螺钉安装孔101-2中，调整螺钉8与中间齿轮座7侧面的螺纹孔7-1连接。中间齿轮座7装入滑槽101-1后，可通过旋转调整螺钉8拉动或推动中间齿轮座7，从而调整并锁定中间齿轮113的位置。

需要说明的是，助力电机114和滚珠丝杠105之间的传动除了齿轮传动，也可以其他传动机构代替。

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 (12)

1.一种竖直伸缩关节，其特征在于，包括基座、花键套、花键轴、花键轴座、滚珠丝杠、上丝杠支撑座、下丝杠支撑座、螺母座、抱闸、助力轴、助力电机和臂连接座，所述花键套与基座的顶部固定连接，所述花键轴穿过花键套，所述花键轴座与花键轴的下端固定连接，所述上丝杠支撑座与基座的顶部固定连接，所述下丝杠支撑座与基座的底部固定连接，所述滚珠丝杠的上端与上丝杠支撑座连接，滚珠丝杠的下端与下丝杠支撑座连接，所述螺母座与滚珠丝杠连接，所述花键轴座与螺母座固定连接，所述抱闸与基座的底部固定连接，抱闸设有抱闸块和轴孔，所述助力轴与滚珠丝杠的下端固定连接，助力轴穿过抱闸的轴孔，所述抱闸的抱闸块与助力轴连接；所述助力电机与基座固定连接，助力电机的输出轴通过传动机构与助力轴的下端连接，臂连接座与花键轴的上端连接。

2.根据权利要求1所述的竖直伸缩关节，其特征在于，所述助力电机与助力轴之间的传动机构是齿轮传动机构。

3.根据权利要求2所述的竖直伸缩关节，其特征在于，所述齿轮传动机构包括第一齿轮、第二齿轮和中间齿轮，所述第二齿轮与助力轴的下端固定连接，所述第一齿轮与助力电机的输出轴连接，所述中间齿轮与基座底部端面转动连接，所述中间齿轮与第一齿轮啮合，所述第二齿轮与中间齿轮啮合。

4.根据权利要求1、2或3所述的竖直伸缩关节，其特征在于，所述助力电机为伺服电机。

5.根据权利要求1、2或3所述的竖直伸缩关节，其特征在于，所述花键轴是空心的。

6.一种具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其特征在于，包括竖直伸缩关节和机械臂；所述竖直伸缩关节包括基座、花键套、花键轴、花键轴座、滚珠丝杠、上丝杠支撑座、下丝杠支撑座、螺母座、抱闸、助力轴、助力电机和臂连接座，所述花键套与基座的顶部固定连接，所述花键轴穿过花键套，所述花键轴座与花键轴的下端固定连接，所述上丝杠支撑座与基座的顶部固定连接，所述下丝杠支撑座与基座的底部固定连接，所述滚珠丝杠的上端与上丝杠支撑座连接，滚珠丝杠的下端与下丝杠支撑座连接，所述螺母座与滚珠丝杠连接，所述花键轴座与螺母座固定连接，所述抱闸与基座的底部固定连接，抱闸设有抱闸块和轴孔，所述助力轴与滚珠丝杠的下端固定连接，助力轴穿过抱闸的轴孔，所述抱闸的抱闸块与助力轴连接；所述助力电机与基座固定连接，助力电机的输出轴通过传动机构与助力轴的下端连接；臂连接座与花键轴的上端连接；

所述机械臂与臂连接座连接。

7.根据权利要求6所述的具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其特征在于，所述助力电机与助力轴之间的传动机构是齿轮传动机构。

8.根据权利要求7所述的具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其特征在于，所述齿轮传动机构包括第一齿轮、第二齿轮和中间齿轮，所述第二齿轮与助力轴的下端固定连接，所述第一齿轮与助力电机的输出轴连接，所述中间齿轮与基座底部端面转动连接，所述中间齿轮与第一齿轮啮合，所述第二齿轮与中间齿轮啮合。

9.根据权利要求6、7或8所述的具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其特征在于，所述助力电机为伺服电机。

10.根据权利要求9所述的具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其特征在于，所述机械臂是器械机械臂或医生机械臂。

11.根据权利要求3所述的竖直伸缩关节，其特征在于，所述竖直伸缩关节还包括中间齿轮座和调整螺钉，所述第二齿轮通过齿轮衬套与助力轴固定连接，所述基座设有滑槽和螺钉安装孔，所述中间齿轮座设于基座的滑槽内，所述中间齿轮与中间齿轮座转动连接，所述中间齿轮座的侧面设有螺纹孔，所述调整螺钉设于基座的螺钉安装孔中，调整螺钉与中间齿轮座侧面的螺纹孔连接。

12.根据权利要求8所述的具有竖直伸缩关节的微创手术机器人，其特征在于，所述具有竖直伸缩关节的微创手术机器人还包括中间齿轮座和调整螺钉，所述第二齿轮通过齿轮衬套与助力轴固定连接，所述基座设有滑槽和螺钉安装孔，所述中间齿轮座设于基座的滑槽内，所述中间齿轮与中间齿轮座转动连接，所述中间齿轮座的侧面设有螺纹孔，所述调整螺钉设于基座的螺钉安装孔中，调整螺钉与中间齿轮座侧面的螺纹孔连接。