CN111700683A - 微创手术器械快换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微创手术器械快换装置，其解决了现有微创外科手术机器人系统中器械更换结构成本高，可靠性低，操作复杂的技术问题，其包括器械转接座和快换接口，器械转接座包括隔离板和连接板封环，隔离板设有阶梯孔，阶梯孔内设有中间连接轮，中间连接轮的顶面设有两个顶面腰型孔，中间连接轮的底面设有两个底面腰型孔，阶梯孔设有插槽，连接板封环上的凸起插入插槽中；隔离板的侧面连接有导电铜片；快换接口包括快换基座、外壳、驱动组件、驱动电机、触点开关和电机滑动轴连接座。本发明广泛用于医疗器械技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及微创外科手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种微创手术器械快换装置。
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机械臂上的一个或更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。
手术过程中，患者机械臂套装无菌帷帘附件，以隔离手术器械和周围区域，维持患者操作台的清洁。手术器械需通过无菌帷帘附件上的器械转接座与患者机械臂上的器械升降座连接，并接收来自机械臂的电能、机械能及其他信号。同时，为满足不同手术操作任务(夹持、缝合、打节等)的动作需求，手术器械还可随时更换并与连接至患者机械臂上的器械安装座重新连接。因此实现手术器械的快速更换是微创手术机器人的一项重要功能。现有的器械更换结构存在成本高，可靠性低，操作复杂的问题。为适应现代化微创手术的要求，与手术器械及机械臂配套的器械转接结构应具有成本低、可靠性高、操作便捷的特点。
发明内容
本发明就是为了解决现有微创外科手术机器人系统中器械更换结构成本高，可靠性低，操作复杂的技术问题，提供了一种成本低、可靠性高、操作便捷的微创手术器械快换装置。
本发明提供一种微创手术器械快换装置，包括器械转接座和快换接口，器械转接座包括隔离板和连接板封环，隔离板设有阶梯孔，阶梯孔内设有中间连接轮，中间连接轮的顶面设有第一顶面腰型孔和第二顶面腰型孔，中间连接轮的底面设有第一底面腰型孔和第二底面腰型孔；隔离板设有凸台，隔离板的侧面上设有卡钩和卡槽；阶梯孔设有插槽，连接板封环设有凸起，连接板封环的凸起插入插槽中；隔离板的侧面连接有导电铜片；
快换接口包括快换基座、外壳、驱动组件、驱动电机、触点开关和电机滑动轴连接座，外壳与快换基座连接，驱动组件与快换基座连接，触点开关与快换基座的上端面连接，快换基座的上端面连接有弹簧针；驱动组件包括顶托、顶推弹簧和电机滑动轴，电机滑动轴包括圆盘和两个相互平行的滑动轴段，相互平行的两个滑动轴段与圆盘固定连接，圆盘的中心位置设有弹簧安装孔；电机滑动轴连接座与驱动电机的输出轴固定连接，顶推弹簧放置在电机滑动轴的弹簧安装孔中，顶推弹簧的一端与顶托的下端接触，另一端与电机滑动轴连接座的上端接触；顶托设有两个相互平行的顶托轴孔，顶托的端面固定连接有两个圆形凸起，顶托轴孔中连接有直线轴承，共两个直线轴承，两个直线轴承分别套在两个滑动轴段上，滑动轴段的末端连接限位螺钉。
优选地，快换基座的侧面连接有按钮开关。
优选地，顶托的顶面的两个圆形凸起的中心到顶托顶面的圆面中心距离不同；
第一顶面腰型孔和第二顶面腰型孔两者中心到中间连接轮顶面的圆面中心距离不同；
第一底面腰型孔和第二底面腰型孔两者中心到中间连接轮底面的圆面中心距离不同；
驱动组件的两个圆形凸起的中心之间的距离和中间连接轮底面的两个底面腰型孔中心距离相同。
优选地，连接板封环设有挡块，中间连接轮设有限位块。
优选地，导电铜片呈凹形，导电铜片内侧设有凸起，隔离板的侧面设有插槽，隔离板侧面的插槽内设有凹坑；导电铜片插入隔离板侧面的插槽内，导电铜片内侧的凸起与凹坑相嵌，隔离板侧面的插槽连接有卡块；
优选地，在外壳底部安装控制按钮。
本发明的有益效果是，操作便捷，连接可靠性高，成本低。
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是微创外科手术机器人系统的手术器械安装至患者机械臂上的安装布局示意图；
图2是器械转接座的结构示意图；
图3是器械转接座的结构示意图；
图4是器械转接座中连接板封环与隔离板的连接示意图；
图5是器械转接座中导电铜片的连接示意图；
图6是快换接口的结构示意图；
图7是图6所示快换接口中驱动组件的安装示意图；
图8是图6所示快换接口中驱动组件的结构示意图；
图9是图8所示结构的剖视图；
图10是图8所示结构中电机滑动轴的结构示意图；
图11是图8所示结构中顶托的结构示意图；
图12是手术器械、器械转接座和快换接口的位置关系图；
图13是手术器械的结构示意图；
图14是手术器械通过器械转接座安装至快换接口的安装结构示意图；
图15是图14所示结构中，芯片、弹簧针和导电铜片连通的示意图；
图16是器械转接座通过卡扣装置安装至快换接口后，中间连接轮在顶推弹簧的作用下，被顶托顶面的两个圆形凸起顶起的状态示意图；
图17是中间连接轮502的限位块502-1与挡块503-2接触的状态示意图；
图18是顶托的圆形凸起嵌入中间连接轮底面的腰型孔中的示意图；
图19是手术器械安装在器械转接座上，传动轴底面的圆形凸起顶压中间连接轮的状态示意图；
图20是手术器械上限位销约束传动组件的转动角度的示意图；
图21是手术器械的传动轴底面的两个圆形凸起嵌入中间连接轮的第一顶面腰型孔和第二顶面腰型孔中的状态示意图。
图中符号说明：
1.器械升降座，2.戳卡，3.穿刺器连接座，4.快换接口，401.快换基座，402.外壳，403.驱动组件，403-1.圆形凸起，403-2.顶托，403-2-1.顶托轴孔，403-3.直线轴承，403-4.限位螺钉，403-5.顶推弹簧，403-6.电机滑动轴，403-6-1.滑动轴段，403-6-2.弹簧安装孔，403-6-3.圆盘，404.驱动电机，405.触点开关，406.弹簧针，407.按钮开关，407-1.按钮滑块，408.控制按钮，409.电机滑动轴连接座；
5.器械转接座，501.隔离板，501-1.阶梯孔，501-1-1.插槽，501-2.卡钩，501-3.卡槽，501-4.凸台，502.中间连接轮，502-1.限位块，502-2.第一顶面腰型孔，502-3.第二顶面腰型孔，502-4.第一底面腰型孔，502-5.第二底面腰型孔，503.连接板封环，503-1.凸起，503-2.挡块，504.导电铜片，504-1.凸起，505.插槽，505-1.凹坑，506.卡块；5-1.轴线；
6.手术器械，601.套管，602.末端执行器，603.器械盒基座，604.器械弹簧针，605.传动组件，605-1.传动轴，605-2.限位台阶，605-3.限位销，606.手术器械按钮，607.芯片。
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，患者机械臂包括用于安装手术器械的器械升降座1，戳卡2与器械升降座1连接，穿刺器连接座3与戳卡2连接。无菌帷帘可以与器械转接座5连接。快换接口4安装在器械升降座1上，手术过程中，可以带动手术器械沿套管运动，并控制手术器械末端执行器执行不同的手术操作任务(夹持、缝合、打节等)。器械转接座5一方面可以把手术器械与机器人本体进行隔离，手术器械因与病变组织直接接触而易受细菌感染，快换接口则不便于高频率消毒，因此将二者尽量隔开；另一方面，器械转接座主体材料采用医用工程塑料可以起到绝缘作用，防止手术器械漏电流向机器人本体传导。
如图2-5所示，器械转接座5包括隔离板501、中间连接轮502、连接板封环503、导电铜片504、卡块506，隔离板501上开有四个阶梯孔501-1，每个阶梯孔501-1内安装有一个中间连接轮502。中间连接轮502整体呈阶梯轴状，并可以在阶梯孔501-1内沿轴线5-1移动及绕轴线5-1转动。在每个中间连接轮502的顶面上开第一顶面腰型孔502-2和第二顶面腰型孔502-3，第一顶面腰型孔502-2和第二顶面腰型孔502-3两者中心到中间连接轮顶面的圆面中心距离不同，为非对称布置。在每个中间连接轮502的底面上开有第一底面腰型孔502-4和第二底面腰型孔502-5，第一底面腰型孔502-4和第二底面腰型孔502-5两者中心到中间连接轮底面的圆面中心距离不同，也同样为非对称设置。
隔离板501设有凸台501-4。隔离板501的侧面上设有两个卡钩501-2和卡槽501-3。阶梯孔501-1设有插槽501-1-1，连接板封环503设有凸起503-1和挡块503-2，凸起503-1插入插槽501-1-1中实现连接板封环503的安装。中间连接轮502设有限位块502-1，中间连接轮502转动时，挡块503-2能够限制中间连接轮502转动的角度。
隔离板501的侧面还安装有一组相互绝缘的导电铜片504，用于使手术器械上的芯片的管脚与控制系统的控制器接通。导电铜片504呈凹形，导电铜片504内侧设置凸起504-1。隔离板501的侧面位置设置插槽505，插槽505内设置凹坑505-1。安装时，导电铜片504插入插槽505内，凸起504-1与凹坑505-1相嵌，然后卡块506以过盈配合的方式嵌入插槽505内，对导电铜片进行限位。可见，导电铜片504的安装过程不使用化学粘接剂，可以保证铜片的导电性能不受影响，而且安装过程耗时短。
如图6-11所示，快换接口4包括快换基座401、外壳402、驱动组件403、驱动电机404、触点开关405、弹簧针406、按钮开关407、控制按钮408、电机滑动轴连接座409，外壳402套在快换基座401上实现连接，快换基座401上安装有四个具有自连接功能的驱动组件403，驱动组件403的端面设有两个圆形凸起403-1，每一个驱动组件403与相对应的一个驱动电机404的输出轴连接。当器械转接座5安装在快换接口4上后，驱动电机404带动驱动组件403绕各自轴线转动，并使其端面两个圆形凸起403-1对准器械转接座5内中间连接轮底面的第一底面腰型孔502-4和第二底面腰型孔502-5，从而使两者扣合在一起。在快换基座401上端面安装有触点开关405，触点开关405接入机器人控制系统的电路中；当器械转接座5安装在快换接口4后，触点开关405受到触发输出检测信号，控制系统根据读取的触点开关输出的检测信号向驱动电机404输出启动控制信号，驱动组件403进而开始执行自连接动作。快换基座401上端面还安装有一组弹簧针406，弹簧针406同样接入机器人控制系统的电路中。当手术器械6通过器械转接座5安装在快换接口4后，弹簧针406通过导电铜片504与手术器械6内的芯片连通，控制系统进而读取器械数据。快换基座401侧面安装有按钮开关407，器械转接座5安装在快换接口4后，位于隔离板底面的卡钩501-2与按钮开关407内部的按钮滑块407-1钩连，起到锁紧器械转接座的功能。在外壳402底部安装控制按钮408，控制按钮408接入机器人控制系统的电路中，当手术器械安装成功后，操作者可以通过操控控制按钮408，解除快换接口4及手术器械在器械升降座1上的锁定状态，以手动调整手术器械在器械升降座1上的位置，实现手术器械的快速收撤与定位。
驱动组件403包括圆形凸起403-1、顶托403-2、直线轴承403-3、限位螺钉403-4、顶推弹簧403-5、电机滑动轴403-6，电机滑动轴403-6包括圆盘403-6-3和两个滑动轴段403-6-1，相互平行的两个滑动轴段403-6-1与圆盘403-6-3固定连接，圆盘403-6-3的中心位置设有弹簧安装孔403-6-2。电机滑动轴连接座409与驱动电机404的输出轴固定连接，顶推弹簧403-5放置在弹簧安装孔403-6-2中，顶推弹簧403-5的一端与顶托403-2的下端接触，另一端与电机滑动轴连接座409的上端接触。顶托403-2设有两个相互平行的顶托轴孔403-2-1，两个圆形凸起403-1与顶托403-2的端面固定连接。两个直线轴承403-3分别以过盈配合的方式安装在两个顶托轴孔403-2-1中。两个直线轴承403-3分别套在两个滑动轴段403-6-1上，两个限位螺钉403-4分别与两个滑动轴段403-6-1的末端连接；直线轴承403-3能够在圆盘403-6-3和限位螺钉403-4的头部之间滑动。限位螺钉403-4对顶托403-2的移动进行限位。两个圆形凸起403-1的中心到顶托403-2顶面的圆面中心距离不同，为非对称布置，两个圆形凸起403-1的中心之间的距离和中间连接轮底面的两个底面腰型孔中心距离相同。
当电机滑动轴403-6在驱动电机404的作用下旋转时，通过滑动轴段403-6-1实现顶托403-2随驱动电机的同步转动。顶托403-2未受外力的作用时，在顶推弹簧403-5的作用下处于上限位位置。当顶托403-2受到向驱动电机404方向的作用力时，其沿滑动轴段403-6-1向驱动电机404方向滑动并压缩顶推弹簧403-5，直至到下限位位置。当器械转接座5安装在快换接口4上后，顶托403-2随驱动电机404转动的同时，顶推弹簧403-5也通过顶托顶面的圆形凸起403-1将中间连接轮502顶起(如图16所示)，当顶托的两个圆形凸起403-1与中间连接轮底面的第一底面腰型孔502-4和第二底面腰型孔502-5位置重合后，顶推弹簧403-5的弹力自动使两个圆形凸起403-1和第一底面腰型孔502-4、第二底面腰型孔502-5扣合。由于圆形凸起与底面腰型孔为非对称布置，可有效避免凸起错扣的问题，采用腰型孔结构，可有效避免凸起与腰型孔连接过程出现的错位问题，增大扣合成功概率。
如图12-13所示，手术器械6包括套管601、末端执行器602、器械盒基座603、器械弹簧针604、传动组件605、手术器械按钮606、芯片607，传动组件605包括传动轴605-1、限位台阶605-2、限位销605-3，器械弹簧针604与器械盒基座603连接。器械盒基座603上安装有多个传动组件605，传动组件605可绕各自轴线转动。传动组件605的传动轴605-1的底面上设置有与器械转接座中间连接轮的顶面腰型孔对应的圆形凸起605-1-1。传动轴605-1上端面设置限位台阶605-2。器械盒基座603上连接有限位销605-3，以约束传动组件605的转动角度，如图20所示限位销605-3阻挡限位台阶605-2。器械转接座的中间连接轮与快换接口的驱动组件连接后，中间连接轮能够在驱动电机的作用下旋转。手术器械6安装在器械转接座5上后，刚开始如图19所示传动轴底面的圆形凸起605-1-1顶压中间连接轮502，随后中间连接轮502转动至第一顶面腰型孔502-2和第二顶面腰型孔502-3分别与传动轴底面的圆形凸起605-1-1重合的位置，顶推弹簧403-5的弹力会使两个顶面腰型孔(第一顶面腰型孔502-2和第二顶面腰型孔502-3)分别与两个圆形凸起605-1-1扣合(如图21所示)，从而将动力传递至手术器械。由于圆形凸起605-1-1与顶面腰型孔为非对称布置，可有效避免凸起错扣的问题，采用腰型孔结构，可有效避免凸起与腰型孔连接过程出现的错位问题，增大扣合成功概率。
如图14所示，是器械转接座与手术器械及快换接口的锁紧结构示意图。手术器械按钮606的滑块插入隔离板的卡槽501-3中，手术器械按钮606的复位弹簧606-1提供锁紧力。隔离板的卡钩501-2与按钮开关407的按钮滑块407-1相互钩连，按钮开关407的复位弹簧407-2提供锁紧力，手术器械、器械转接座、快换接口三者牢固连接。器械盒基座603嵌入隔离板501的凸台501-4内，实现二者的锁紧定位。
如图15所示，芯片607与器械盒基座603连接，器械弹簧针604与芯片607的管脚连接，弹簧针406与导电铜片2431接触，器械弹簧针604与导电铜片2431接触，以实现机器人控制系统与手术器械之间的数据传输。
如图16所示，器械转接座5通过卡扣装置安装至快换接口4后，中间连接轮502在顶推弹簧403-5的作用下，被顶托顶面的两个圆形凸起403-1顶起。同时，位于快换基座401上端面的触点开关405被触发并向控制系统输出检测信号，控制系统进而使驱动电机404启动，驱动电机404带动顶托403-2开始转动，驱动组件403开始执行自连接动作。如图17所示，按照逆时针方向，中间连接轮502的限位块502-1与挡块503-2接触，使其相对顶托的转动被限制。当顶托的圆形凸起403-1与中间连接轮底面的腰型孔位置重合后，顶推弹簧的弹力自动使二者扣合(如图18所示)，中间连接轮底面与顶托的顶面贴合，从而实现了快换接口4与器械转接座5的自动对接。
如图20和21所示，手术器械的限位台阶605-2与器械盒基座内限位销605-3接触，使传动组件605相对中间连接轮502及顶托403-2的转动被限制。当传动轴底面的圆形凸起605-1-1与中间连接轮顶面的第一顶面腰型孔502-2、第二顶面腰型孔502-3位置重合后，顶推弹簧403-5弹力自动使二者扣合，中间连接轮502的顶面与传动轴605-1底面贴合，如图21所示，从而实现了手术器械与手术器械转接座的自动对接，进而实现了手术器械与快换接口的自动对接。
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 (6)
1.一种微创手术器械快换装置，其特征在于，包括器械转接座和快换接口，所述器械转接座包括隔离板和连接板封环，所述隔离板设有阶梯孔，所述阶梯孔内设有中间连接轮，所述中间连接轮的顶面设有第一顶面腰型孔和第二顶面腰型孔，所述中间连接轮的底面设有第一底面腰型孔和第二底面腰型孔；所述隔离板设有凸台，隔离板的侧面上设有卡钩和卡槽；所述阶梯孔设有插槽，所述连接板封环设有凸起，所述连接板封环的凸起插入插槽中；所述隔离板的侧面连接有导电铜片；
所述快换接口包括快换基座、外壳、驱动组件、驱动电机、触点开关和电机滑动轴连接座，所述外壳与快换基座连接，所述驱动组件与快换基座连接，所述触点开关与快换基座的上端面连接，所述快换基座的上端面连接有弹簧针；所述驱动组件包括顶托、顶推弹簧和电机滑动轴，所述电机滑动轴包括圆盘和两个相互平行的滑动轴段，所述相互平行的两个滑动轴段与圆盘固定连接，圆盘的中心位置设有弹簧安装孔；所述电机滑动轴连接座与驱动电机的输出轴固定连接，所述顶推弹簧放置在电机滑动轴的弹簧安装孔中，顶推弹簧的一端与顶托的下端接触，另一端与电机滑动轴连接座的上端接触；所述顶托设有两个相互平行的顶托轴孔，所述顶托的端面固定连接有两个圆形凸起，所述顶托轴孔中连接有直线轴承，共两个直线轴承，两个直线轴承分别套在两个滑动轴段上，所述滑动轴段的末端连接限位螺钉。
2.根据权利要求1所述的微创手术器械快换装置，其特征在于，所述快换基座的侧面连接有按钮开关。
3.根据权利要求1或2所述的微创手术器械快换装置，其特征在于，所述顶托的顶面的两个圆形凸起的中心到顶托顶面的圆面中心距离不同；
所述第一顶面腰型孔和第二顶面腰型孔两者中心到中间连接轮顶面的圆面中心距离不同；
所述第一底面腰型孔和第二底面腰型孔两者中心到中间连接轮底面的圆面中心距离不同；
所述驱动组件的两个圆形凸起的中心之间的距离和中间连接轮底面的两个底面腰型孔中心距离相同。
4.根据权利要求3所述的微创手术器械快换装置，其特征在于，所述连接板封环设有挡块，所述中间连接轮设有限位块。
5.根据权利要求4所述的微创手术器械快换装置，其特征在于，所述导电铜片呈凹形，导电铜片内侧设有凸起，所述隔离板的侧面设有插槽，所述隔离板侧面的插槽内设有凹坑；所述导电铜片插入隔离板侧面的插槽内，导电铜片内侧的凸起与凹坑相嵌，所述隔离板侧面的插槽连接有卡块。
6.根据权利要求5所述的微创手术器械快换装置，其特征在于，在外壳底部安装控制按钮。
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