CN111110352A - 一种医用外科手术用辅助机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种医用外科手术用辅助机械臂，属于医疗器械领域，本发明采用模块式的设计思路，包括有固定架、支撑臂，伸缩臂，万向球关节及控制指套等模块；固定架为环状，固定于使用者腰部；支撑臂可以调整高度；伸缩臂用来调整伸出长度来使用不同使用者的臂长；万向球关节是关键部件之一，是用来适应运动的灵活性；控制指套套在某一手指上，根据手指的动作控制整个机械臂的动作情况。本发明根据使用者的使用情况适应性的调整各处活动部件的阻尼值，从而实现对使用者手臂的辅助防抖和辅助休息。

Description

一种医用外科手术用辅助机械臂

技术领域

本发明提供一种医用外科手术用辅助机械臂，属于医疗器械领域，尤其是手术用辅助医疗器械领域。

背景技术

随着现在医疗事业的发展，越来越多的医疗器械被应用到各个医疗科室中。在外科手术中，医生有时候一台手术的时间非常长，多的能到十几个小时，如此长时间的手术中途是不允许医生放下手术器械来休息的。长时间的高强度手术操作，势必会造成医生臂膀的酸麻劳累，并有时产生不自主的抖动和抽搐，给医护工作者带来巨大的劳动负担。

现在的医疗设备中，很少有辅助医生进行手臂动作的医疗器械，或者是便捷式帮助医生手臂进行快速休息的医疗器械。而现在技术中，外骨骼机器人的研究如火如荼，其通过对使用者进行辅助助力进而实现强大的功能。但是外骨骼机器人一方面结构设计和动作控制系统非常复杂，体积庞大，另一方面造价昂贵，经济成本非常高，从这方面就限制了其在手术辅助器械上的应用，所以根据实际情况设计简单便携、控制简单、成本低廉的手术辅助机械臂尤为重要。

发明内容

针对上述现状，本发明提出一种医用外科手术用辅助机械臂，进而对使用者进而动作的辅助，减轻操作时的劳动强度。

本发明的内容为：

一种医用外科手术用辅助机械臂，包括有固定架，支撑臂，伸缩臂，万向球关节，手腕托板及控制指套，

伸缩臂为两组，对应使用在胳膊的上臂和下臂，手腕托板对应使用在手部；固定架卡装在使用者的腰部，固定架上设置有滑道，固定架的滑道上滑动安装支撑臂，支撑臂通过第一组的万向球关节与第一组的伸缩臂相连接，第一组的伸缩臂通过第二组的万向球关节与第二组的伸缩臂相连接，第二组的伸缩臂的端头上还固定连接有手腕托板。

控制指套套装在使用者的某一手指上，通常为无名指或小指，避免对手术的干扰。

第一组和第二组的伸缩臂为相同的部件，包括有固定臂，固定臂的一端上固定安装有内臂，内臂外侧套装有一活动臂，活动臂和内臂的侧面上都设置有长圆孔，活动臂上固定安装有小伺服电机，小伺服电机的输出轴上固定设置有凸轮，凸轮宽度不小于活动臂和内臂侧面壁厚之和，并确保凸轮同时卡装在活动臂和内臂的侧面上的长圆孔内，这样确保凸轮转动后可以同时卡死活动臂和内臂；在固定臂和活动臂的另一侧面上还设置有卡环支架和魔术带支架，卡环支架的两端转动安装有两个卡环，卡环和卡环支架之间设置有弹性拉杆，魔术扎带支架捆绑魔术扎带。

小伺服电机也可以设置在内部的内部，同样保证凸轮宽度不小于活动臂和内臂侧面壁厚之和。

万向球关节包括有电机安装座和半球壳，电机安装座内部固定安装有伺服电机，电机安装座的四根支柱上固定安装有盖板，滚珠丝杠一端通过轴承转动安装盖板上，另一端通过挠性联轴器与伺服电机的输出轴相连，滚珠丝杠上配合安装有丝杠螺母，丝杠螺母上固定套装有锥形柱，锥形柱的圆锥面上还均匀切出四个平面；四根滑动柱滑动安装在电机安装座的四根立柱的滑动孔中，滑动柱的一面为斜面，此斜面对应于锥形柱的圆锥面的四个平面某一个平面，并且此斜面上通过挡板卡装有若干个滚珠，滑动柱的两侧通过两片耳板固定有导向柱，导向柱穿投在电机安装座的导向孔中，在导向柱上套装有压缩弹簧，压缩弹簧压紧在靠近锥形柱一侧的耳板和电机安装座的立柱之间，确保滚珠滚切在锥形柱的圆锥面的四个平面对应平面上；滑动柱的头部还设置有顶块，顶块通过销轴滑动安装在滑动柱的滑槽中，矩形弹簧压紧在顶块和滑动柱之间；顶块顶压在两个半球壳组成的内球面上，矩形弹簧实现对顶块的预紧。

进一步的，顶块为耐磨材质，半球壳设置有某一比例的球缺，这样半球壳所组成的球体在自动转动时不会产生过多的干涉。

进一步的，活动臂和内臂的侧面上长圆孔的内侧面设置有凸起的锯齿，凸轮为橡胶材质。凸轮的卡死作用更加牢固。

进一步的，固定架包括有外卡架和内卡架，内卡架设置有锯齿，插装在外卡架内部，外卡架上对应设置有可以释放外卡架的按压扣，滑道上设置有螺纹杆，螺纹杆上旋转有螺纹帽；支撑臂包括空心方管、滑块和滑动槽，滑块滑动安装在滑道中，螺纹杆穿过滑动槽，并依靠螺纹帽锁紧滑块。

固定架可以固定于使用者的腰部，也可以配合肩带固定于使用者的肩部。

进一步的，控制指套包括指套，指套贴装有压力传感器和控制芯片，控制芯片采用无线数据传输。

进一步的，使用者胳膊上臂或下臂通过卡环卡住并通过魔术扎带支架上捆绑的魔术扎带辅助固定。

进一步的，支撑臂，伸缩臂，万向球关节，手腕托板及控制指套按照使用者需要工作的臂膀数量配套为一套或两套。

适用于前述的一种医用外科手术用辅助机械臂的控制策略，具体的为：控制指套上的压力传感器能产生具有点压和常压两种信号；常压信号时，伸缩臂和万向球关节处于松弛状态，此时使用者可以自由活动并带动伸缩臂和万向球关节自适应活动；点压信号时，伸缩臂和万向球关节根据点压信号频率，处于对应点动频率的不同程度的锁紧状态，固定力度大小使用者自主感受调整，实现对使用者臂膀的辅助防抖和辅助休息。

采取上述技术方案后，本发明具有以下有限增益：控制指套的使用和控制都简单，根据使用者自主的调节，可以很好的适应其动作要求，不会造成随动负担，并能实现带阻尼的防抖效果或者完全锁死后支撑作用，可以让使用者臂膀进行借力休息。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明爆炸结构示意图。

图3为本发明固定器1的结构示意图。

图4为本发明支撑臂2的结构示意图。

图5为本发明伸缩臂3的结构示意图。

图6为本发明万向球关节4的结构示意图。

图7为本发明万向球关节4的爆炸结构示意图。

图8为本发明控制指套6的结构示意图。

附图标号：1-固定架；2-支撑臂；3-伸缩臂；4-万向球关节；5-手腕托架；6-控制指套；101-外卡架；102-内卡架；103-按压扣；104-滑道；105-螺纹杆；106-螺纹帽；201-空心方管；202-滑块；203-滑动槽；301-固定臂；302-内臂；303-活动臂；304-小伺服电机；305-凸轮；306-卡环支架；307-卡环；308-弹性拉杆；309-魔术扎带支架；401-电机安装座；402-伺服电机；403-挠行联轴器；404-滚珠丝杠；405-丝杠螺母；406-锥型柱；407-滑动柱；408-盖板；409-半球壳；410-顶块；411-销轴；412-矩形弹簧；413-耳板；414-导向柱；415-压缩弹簧；416-滚珠；417-挡板；601-指套；602-压力传感器；603-控制芯片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1至图8所示，一种医用外科手术用辅助机械臂，包括有固定架1，支撑臂2，伸缩臂3，万向球关节4，手腕托板5及控制指套6，

伸缩臂3为两组，对应使用在胳膊的上臂和下臂，手腕托板5对应使用在手部；固定架1卡装在使用者的腰部，固定架1上设置有滑道104，固定架1的滑道104上滑动安装支撑臂2，支撑臂2通过第一组的万向球关节4与第一组的伸缩臂3相连接，第一组的伸缩臂3通过第二组的万向球关节4与第二组的伸缩臂3相连接，第二组的伸缩臂3的端头上还固定连接有手腕托板5。

控制指套6套装在使用者的某一手指上，通过手指的动作产生控制信号。

第一组和第二组的伸缩臂3为相同结构，包括有固定臂301，固定臂301的一端上固定安装有内臂302，内臂302外侧套装有一活动臂303，活动臂303和内臂302的侧面上都设置有长圆孔，活动臂303上固定安装有小伺服电机304，小伺服电机304的输出轴上固定设置有凸轮305，凸轮305宽度不小于活动臂303和内臂302侧面壁厚之和，并确保凸轮305同时卡装在活动臂303和内臂302的侧面上的长圆孔内，这样确保凸轮305转动后可以同时卡死活动臂303和内臂302；在固定臂301和活动臂303的另一侧面上还设置有卡环支架308和魔术带支架309，卡环支架308的两端转动安装有两个卡环307，卡环307和卡环支架308之间设置有弹性拉杆308，魔术扎带支架309捆绑魔术扎带。

采用上述结构后，当使用者的臂膀进行大幅度活动时，很可能需要需要伸缩臂3的伸缩调整适应，这样小伺服电机304接受到信号后，驱动凸轮305转动到，不再卡死活动臂303和内臂302，二者可以自由滑动；当需要锁紧时，小伺服电机304接受到信号，驱动凸轮305转动相应角度，进而对活动臂303和内臂302进行不同程度的锁紧。

万向球关节4包括有电机安装座401和半球壳409，电机安装座401内部固定安装有伺服电机402，电机安装座401的四根支柱上固定安装有盖板408，滚珠丝杠404一端通过轴承转动安装盖板408上，另一端通过挠性联轴器403与伺服电机402的输出轴相连，滚珠丝杠404上配合安装有丝杠螺母405，丝杠螺母405上固定套装有锥形柱406，锥形柱406的圆锥面上还均匀切出四个平面；四根滑动柱407滑动安装在电机安装座401的四根立柱的滑动孔中，滑动柱407的一面为斜面，此斜面对应于锥形柱406的圆锥面的四个平面某一个平面，并且此斜面上通过挡板417卡装有若干个滚珠416，滑动柱407的两侧通过两片耳板413固定有导向柱414，导向柱414穿投在电机安装座401的导向孔中，在导向柱414上套装有压缩弹簧415，压缩弹簧415压紧在靠近锥形柱406一侧的耳板413和电机安装座401的立柱之间，确保滚珠416滚切在锥形柱406的圆锥面的四个平面对应平面上；滑动柱407的头部还设置有顶块410，顶块410通过销轴411滑动安装在滑动柱407的滑槽中，矩形弹簧412压紧在顶块410和滑动柱407之间；顶块410顶压在两个半球壳409组成的内球面上。

采用上述结构后，需要关节自由转动时，伺服电机402驱动滚珠丝杠404带动丝杠螺母405运动，进而带动锥形柱406运动，配合压缩弹簧415实现滑动柱407的回缩，进而实现顶块410不再完全顶紧半球壳409，从而实现对半球壳409自由转动状态，此时矩形弹簧412需顶紧顶块410，保持对半球壳409的支撑作用，防止半球壳409脱出；当需要锁紧关节时，滑动柱407被反向顶出，带动顶块410对半球壳409施加顶紧力，从而使得半球壳409的转动实现阻尼感，或者直接锁死。带阻尼时可以稳定臂膀，减少抖动；直接锁死时可以托举臂膀，实现臂膀的短时休息，环节疲劳。

进一步的，顶块410为耐磨材质，半球壳409设置有某一比例的球缺，这样半球壳409所组成的球体在自动转动时不会产生过多的干涉。

进一步的，活动臂303和内臂302的侧面上长圆孔的内侧面设置有凸起的锯齿，凸轮305为橡胶材质。凸轮305的卡死作用更加牢固。

进一步的，固定架1包括有外卡架101和内卡架102，内卡架102设置有锯齿，插装在外卡架101内部，外卡架101上对应设置有可以释放外卡架102的按压扣103，滑道104上设置有螺纹杆105，螺纹杆105上旋转有螺纹帽106；支撑臂2包括空心方管201、滑块202和滑动槽203，滑块202滑动安装在滑道104中，螺纹杆105穿过滑动槽203，并依靠螺纹帽106锁紧滑块202。

根据使用者的身形自行调整，力求实现最舒适的状态。

进一步的，控制指套6包括指套601，指套601贴装有压力传感器602和控制芯片603，控制芯片603采用无线数据传输。

进一步的，使用者胳膊上臂或下臂通过卡环307卡住并通过魔术扎带支架309上捆绑的魔术扎带辅助固定。

进一步的，支撑臂2，伸缩臂3，万向球关节4，手腕托板5及控制指套6按照使用者需要工作的臂膀数量配套为一套或两套。

适用于前述的一种医用外科手术用辅助机械臂的控制策略，具体的为：控制指套6上的压力传感器602能产生具有点压和常压两种信号；常压信号时，伸缩臂3和万向球关节4处于松弛状态，此时使用者可以自由活动并带动伸缩臂3和万向球关节4自适应活动；点压信号时，伸缩臂3和万向球关节4根据点压信号频率，处于对应点动频率的不同程度的锁紧状态，固定力度大小使用者自主感受调整，实现对使用者臂膀的辅助防抖和辅助休息。

上述控制策略为被动控制，即根据使用者的指令在进行控制。

针对上述结构设置，本发明也可采用采集肌肉信号来进行动作跟随控制，即主动控制，预判使用者的动作而直接同步动作控制。

Claims (8)

1.一种医用外科手术用辅助机械臂，包括有固定架（1），支撑臂（2），伸缩臂（3），万向球关节（4），手腕托板（5）及控制指套（6），其特征在于：

伸缩臂（3）为两组，对应使用在胳膊的上臂和下臂，手腕托板（5）对应使用在手部；固定架（1）卡装在使用者的腰部，固定架（1）上设置有滑道（104），固定架（1）的滑道（104）上滑动安装支撑臂（2），支撑臂（2）通过第一组的万向球关节（4）与第一组的伸缩臂（3）相连接，第一组的伸缩臂（3）通过第二组的万向球关节（4）与第二组的伸缩臂（3）相连接，第二组的伸缩臂（3）的端头上还固定连接有手腕托板（5）；

控制指套（6）套装在使用者的某一手指上；

所述的第一组和第二组的伸缩臂（3）为相同部件，包括有固定臂（301），固定臂（301）的一端上固定安装有内臂（302），内臂（302）外侧套装有一活动臂（303），活动臂（303）和内臂（302）的侧面上都设置有长圆孔，活动臂（303）上固定安装有小伺服电机（304），小伺服电机（304）的输出轴上固定设置有凸轮（305），凸轮（305）宽度不小于活动臂（303）和内臂（302）侧面壁厚之和，并确保凸轮（305）同时卡装在活动臂（303）和内臂（302）的侧面上的长圆孔内；在固定臂（301）和活动臂（303）的另一侧面上还设置有卡环支架（308）和魔术带支架（309），卡环支架（308）的两端转动安装有两个卡环（307），卡环（307）和卡环支架（308）之间设置有弹性拉杆（308），魔术扎带支架（309）捆绑魔术扎带；

所述的万向球关节（4）包括有电机安装座（401）和半球壳（409），电机安装座（401）内部固定安装有伺服电机（402），电机安装座（401）的四根支柱上固定安装有盖板（408），滚珠丝杠（404）一端通过轴承转动安装盖板（408）上，另一端通过挠性联轴器（403）与伺服电机（402）的输出轴相连，滚珠丝杠（404）上配合安装有丝杠螺母（405），丝杠螺母（405）上固定套装有锥形柱（406），锥形柱（406）的圆锥面上还均匀切出四个平面；四根滑动柱（407）滑动安装在电机安装座（401）的四根立柱的滑动孔中，滑动柱（407）的一面为斜面，此斜面对应于锥形柱（406）的圆锥面的四个平面某一个平面，并且此斜面上通过挡板（417）卡装有若干个滚珠（416），滑动柱（407）的两侧通过两片耳板（413）固定有导向柱（414），导向柱（414）穿投在电机安装座（401）的导向孔中，在导向柱（414）上套装有压缩弹簧（415），压缩弹簧（415）压紧在靠近锥形柱（406）一侧的耳板（413）和电机安装座（401）的立柱之间，确保滚珠（416）滚切在锥形柱（406）的圆锥面的四个平面对应平面上；滑动柱（407）的头部还设置有顶块（410），顶块（410）通过销轴（411）滑动安装在滑动柱（407）的滑槽中，矩形弹簧（412）压紧在顶块（410）和滑动柱（407）之间；顶块（410）顶压在两个半球壳（409）组成的内球面上。

2.如权利要求1所述的一种医用外科手术用辅助机械臂，其特征在于：顶块（410）为耐磨材质，半球壳（409）设置有某一比例的球缺。

3.如权利要求1所述的一种医用外科手术用辅助机械臂，其特征在于：活动臂（303）和内臂（302）的侧面上长圆孔的内侧面设置有凸起的锯齿，凸轮（305）为橡胶材质。

4.如权利要求1所述的一种医用外科手术用辅助机械臂，包括固定架（1）和支撑臂（2），其特征在于：固定架（1）包括有外卡架（101）和内卡架（102），内卡架（102）设置有锯齿，插装在外卡架（101）内部，外卡架（101）上对应设置有可以释放外卡架（102）的按压扣（103），滑道（104）上设置有螺纹杆（105），螺纹杆（105）上旋转有螺纹帽（106）；支撑臂（2）包括空心方管（201）、滑块（202）和滑动槽（203），滑块（202）滑动安装在滑道（104）中，螺纹杆（105）穿过滑动槽（203），并依靠螺纹帽（106）锁紧滑块（202）。

5.如权利要求1所述的一种医用外科手术用辅助机械臂，包括控制指套（6），其特征在于：控制指套（6）包括指套（601），指套（601）贴装有压力传感器（602）和控制芯片（603），控制芯片（603）采用无线数据传输。

6.如权利要求1所述的一种医用外科手术用辅助机械臂，其特征在于：使用者胳膊上臂或下臂通过卡环（307）卡住并通过魔术扎带支架（309）上捆绑的魔术扎带辅助固定。

7.如权利要求1所述的一种医用外科手术用辅助机械臂，其特征在于：支撑臂（2），伸缩臂（3），万向球关节（4），手腕托板（5）及控制指套（6）按照使用者需要工作的臂膀数量配套为一套或两套。

8.适用于权利要求1的一种医用外科手术用辅助机械臂的控制策略，其特征在于：控制指套（6）上的压力传感器（602）能产生具有点压和常压两种信号；常压信号时，伸缩臂（3）和万向球关节（4）处于松弛状态，此时使用者可以自由活动并带动伸缩臂（3）和万向球关节（4）自适应活动；点压信号时，伸缩臂（3）和万向球关节（4）根据点压信号频率，处于对应点动频率的不同程度的锁紧状态，固定力度大小使用者自主感受调整，实现对使用者臂膀的辅助防抖和辅助休息。

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