CN111839734B - 具有手动快换机构的手术机器人末端器 - Google Patents

具有手动快换机构的手术机器人末端器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有手动快换机构的手术机器人末端器，能实现所夹持的手术器械(4)的自转和沿轴线直线移动，包括用于夹持手术器械(4)的器械快换夹持部(3)，用于通过电机齿轮机构驱动所述器械快换夹持部(3)旋转的自转部(2)以及用于驱动自转部(2)直线运动的直线运动部(1)；自转部(2)装在直线运动部(1)的丝杆机构螺母(1‑9)上；电机齿轮机构轴线与器械快换夹持部(3)轴线平行，并与驱动丝杆机构的电机齿轮单元轴线平行；电机齿轮单元轴线与丝杆机构丝杆(1‑6)轴线平行。本发明具有沿器械轴自转和沿器械轴向移动两个方向的自由度，且可实现通过对快换旋钮的小幅度转动完成手术器械的快换和夹持，更换器械方便。

Description

具有手动快换机构的手术机器人末端器
技术领域
本发明涉及手术器械技术领域，尤其涉及一种具有手动快换机构的手术机器人末端器。
背景技术
微创手术因其创口小、出血少和恢复快等优点，被广泛地应用到临床手术中，但微创手术对医生的操作精度以及稳定性提出了极高要求，手部的生理震颤或过大的操作力都会增加手术风险。
随着机器人技术的应用范围不断扩大，机器人辅助手术因其能够提高器械运动精度和稳定性、显著过滤抖动等优点，逐渐成为未来发展趋势。
然而目前的手术机器人大多是将手术注射器、微型手术镊、穿刺针等器械固定安装在机器人末端，安装过程较为繁琐，不适合频繁更换器械的使用场景。
发明内容
针对现有技术存在的不足，而提供一种可以在手术过程中手动快速更换手术器械的手术机器人末端器。
为实现本发明的目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有手动快换机构的手术机器人末端器，能实现所夹持的手术器械(4)的自转和沿轴线的直线移动，包括用于夹持手术器械(4) 的器械快换夹持部(3)，用于通过电机齿轮机构驱动所述器械快换夹持部(3)旋转的自转部(2)、以及用于驱动所述自转部(2)直线运动的直线运动部(1)；所述自转部(2)安装在直线运动部(1)的丝杆机构的能沿滑杆(1-10)直线移动的螺母(1-9)上；所述电机齿轮机构的轴线与所述器械快换夹持部(3)的轴线平行布置，并与所述直线运动部(1)驱动所述丝杆机构的电机齿轮单元的轴线平行布置；电机齿轮单元的轴线与丝杆机构的丝杆(1-6)的轴线平行。
优选的，所述直线运动部(1)包括末端器安装架(1-1)，末端器安装架(1-1)两侧预留安装孔，用于与手术机器人连接。
优选的，驱动所述丝杆机构的电机齿轮单元包括电机Ⅰ(1-2)、减速箱Ⅰ(1-3)、电机安装座Ⅰ(1-4)，并通过直线驱动齿轮组(1-5) 与丝杆(1-6)连接；电机Ⅰ(1-2)与减速箱Ⅰ(1-3)通过电机安装座Ⅰ(1-4)固定于末端器安装架(1-1)上；直线驱动齿轮组(1-5) 包括相互啮合的直线驱动小齿轮(1-51)与直线驱动大齿轮(1-52)；减速箱Ⅰ(1-3)输出轴与直线驱动小齿轮(1-51)相连，丝杆(1-6) 顶端与直线驱动大齿轮(1-52)相连。
优选的，所述自转部(2)包括电机Ⅱ(2-1)、减速箱Ⅱ(2-2)、电机安装座Ⅱ(2-3)、自转驱动齿轮组(2-4)、深沟球轴承(2-5)、受电机Ⅱ(2-1)驱动自转的器械轴套(2-6)；
所述电机安装座Ⅱ(2-3)安装在螺母(1-9)上，电机Ⅱ(2-1) 及减速箱Ⅱ(2-2)固定在电机安装座Ⅱ(2-3)上，减速箱Ⅱ(2-2) 输出轴与自转驱动小齿轮(2-41)连接，器械轴套(2-6)通过深沟球轴承(2-5)安装在电机安装座Ⅱ(2-3)上，所述自转驱动大齿轮 (2-42)安装在器械轴套(2-6)上。
优选的，所述器械快换夹持部(3)包括快换旋钮(3-1)、滑动销(3-2)、夹持外管(3-3)以及夹持内管(3-4)；所述快换旋钮(3-1) 与器械轴套(2-6)同轴安装；所述滑动销(3-2)安装于快换旋钮(3-1) 两侧；所述夹持内管(3-4)同轴固定于器械轴套下方且两者内径相同；所述夹持外管(3-3)与快换旋钮(3-1)同轴固定连接。
优选的，所述器械轴套(2-6)管壁上有两个中心对称的S型槽，两个所述滑动销(3-2)直径与S型槽的宽度相同，所述滑动销(3-2) 固定在快换旋钮(3-1)上且可在S型槽中自由移动。
优选的，所述夹持外管(3-3)的管下端内孔呈锥形且内径逐渐减小。
优选的，所述夹持内管(3-4)的下端加工有四个轴向布置并间隔开的通槽，使所述夹持内管(3-4)的下端被分割为四个部分，当受到径向力时，可径向移动，且具有一定刚度，非受力状态下能回复原位。
优选的，所述器械轴套(2-6)的下端安装有器械定位销(3-5)，手术器械(4)外壁上加工底部略宽顶部宽度与器械定位销(3-5)直径相同的槽(4-1)，以实现安装时所述的手术器械(4)相对于末端器初始位置的快速定位。
本发明所提出的末端器具有沿器械轴自转和沿器械轴向移动两个方向的自由度，且所述末端器采用两个电机实现手术器械的直线移动和自转，结构紧凑，总体质量小。
本发明通过齿轮传动将驱动器置于手术器械侧边，为手术器械上方预留充足的工作通道以适应多种器械。
本发明采用手动快换机构，顺时针旋转快换旋钮时，由于滑动销沿器械轴套管壁上的S型槽上升，夹持外管向上运动，由于其下端内孔呈锥形，因此会使夹持内管下端向内夹紧手术器械。逆时针旋转快换旋钮，夹持外管向下运动，夹持内管下端四个部分回复到原位，可将手术器械取出。仅需将快换旋钮旋转20°即可完成手术器械的夹紧/脱开，适用于具有一定外径的一系列手术器械，可适应频繁更换器械的手术使用场景，且手动更换方式也更加符合医生操作习惯。
附图说明
图1为本发明具有手动快换机构的手术机器人末端器的结构图。
图2为本发明直线运动部的结构示意图。
图3为本发明器械快换夹持部的爆炸示意图。
图4为部件夹持外管3-3的剖视图。
图5为手术器械在末端器上的初始位置定位原理示意图。
【标记说明】
1-直线运动部；
1-1-末端器安装架；1-2-电机Ⅰ；1-3-减速箱Ⅰ；1-4-电机安装座Ⅰ；1-5-直线驱动齿轮组；1-6-丝杆；1-7-丝杆上座；1-8-丝杆下座； 1-9-螺母；1-10-滑杆；1-51直线驱动小齿轮，1-52直线驱动大齿轮；
2-自转部；
2-1-电机Ⅱ；2-2-减速箱Ⅱ；2-3-电机安装座Ⅱ；2-4-自转驱动齿轮组；2-5-深沟球轴承；2-6-器械轴套；2-41-自转驱动小齿轮；2-42 自转驱动大齿轮；
3-器械快换夹持部；
3-1-快换旋钮；3-2-滑动销；3-3-夹持外管；3-4-夹持内管；3-5- 器械定位销；
4-手术器械；
4-1-定位槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一个优选实例进行详细说明。
如图1-2所示，具有手动快换机构的手术机器人末端器，包括：
直线运动部1、自转部2、器械快换夹持部3以及手术器械(多种)4。直线运动部包括末端器安装架1-1、电机Ⅰ1-2、减速箱Ⅰ1-3、电机安装座Ⅰ1-4、直线驱动齿轮组1-5、丝杆1-6、丝杆上座1-7、丝杆下座1-8、螺母1-9和滑杆1-10，电机Ⅰ1-2与减速箱Ⅰ1-3通过电机安装座Ⅰ1-4固定于末端器安装架1-1上；末端器安装架1-1两侧预留安装孔与手术机器人连接；减速箱Ⅰ1-3输出轴与直线驱动小齿轮1-51相连，丝杆1-6通过丝杆上座1-7与丝杆下座1-8固定，其顶端与直线驱动大齿轮1-52相连。直线驱动小齿轮1-51与直线驱动大齿轮1-52啮合，对扭矩进行放大，可驱动丝杆1-6带动螺母1-9直线运动，滑杆1-10用于引导螺母运动。这种布置方式使电机与丝杆平行放置，减小了末端器的轴向长度使其结构紧凑。
如图2所示，自转部2包括电机Ⅱ2-1、减速箱Ⅱ2-2、电机安装座Ⅱ2-3、自转驱动齿轮组2-4、深沟球轴承2-5、器械轴套2-6，所述电机安装座Ⅱ2-3安装在螺母1-9上可与其直线运动，电机Ⅱ2-1、减速箱Ⅱ2-2固定在电机安装座Ⅱ2-3上，减速箱Ⅱ2-2输出轴与自转驱动小齿轮2-41连接，器械轴套2-6通过深沟球轴承2-5安装在电机安装座Ⅱ2-3上，所述自转驱动大齿轮2-42安装在器械轴套2-6上，电机Ⅱ2-1可驱动器械轴套2-6自转。电机与手术器械非同轴布置，为手术器械上方预留充足的工作通道以适应不同用途的器械。
图3为本发明手术机器人末端器的器械快换夹持部3爆炸示意图，器械快换夹持部包括快换旋钮3-1、滑动销3-2、夹持外管3-3、夹持内管3-4，器械定位销3-5；图4为夹持外管3-3剖视图。如图3所示，快换旋钮3-1与所述器械轴套2-6同轴安装，器械轴套2-6管壁上加工有两个中心对称的“S”型槽，所述的两个滑动销3-2直径与“S”型槽的宽度相同，滑动销3-2固定在所述快换旋钮3-1上并且可在“S”型槽中自由移动。如图4所示所述夹持外管3-3与快换旋钮3-1同轴固定连接，管下端内孔呈锥形且内径逐渐减小；所述夹持内管3-4同轴固定于器械轴套下方，且两者内径相同，夹持内管3-4下端加工有四个通槽，其被分割为四个部分，当受到径向力时，可在径向产生移动并且具有一定刚度，非受力状态下可回复原位。
本发明的手术器械夹持/快换过程如下，顺时针旋转快换旋钮3-1 时，滑动销3-2沿器械轴套2-6管壁上的“S”型槽上升，夹持外管 3-3向上运动，由于其下端内孔呈锥形，因此会使夹持内管3-4下端向内夹紧手术器械。
需要更换手术器械时，逆时针旋转快换旋钮3-1，夹持外管3-3 向下运动，夹持内管3-4下端四个部分回复到原位，可将手术器械取出。可实现对具有一定外径的一系列手术器械的快速更换和夹持，夹持/快换过程仅需将快换旋钮3-1旋转20°，不影响手术过程进行。
图5展示了手术器械4在自转和直线运动两个自由度上的初始位置定位的原理，所述器械轴套2-6下端安装有器械定位销3-5，在手术器械4外壁上加工相应定位槽4-1，即可在器械安装时实现手术器械4相对于末端器初始位置的快速定位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有手动快换机构的手术机器人末端器，其特征在于，能实现所夹持的手术器械(4)的自转和沿轴线的直线移动，包括用于夹持手术器械(4)的器械快换夹持部(3)，用于通过电机齿轮机构驱动所述器械快换夹持部(3)旋转的自转部(2)、以及用于驱动所述自转部(2)直线运动的直线运动部(1)；所述自转部(2)安装在直线运动部(1)的丝杆机构的能沿滑杆(1-10)直线移动的螺母(1-9)上；所述电机齿轮机构的轴线与所述器械快换夹持部(3)的轴线平行布置，并与所述直线运动部(1)驱动所述丝杆机构的电机齿轮单元的轴线平行布置；电机齿轮单元的轴线与丝杆机构的丝杆(1-6)的轴线平行；
所述自转部(2)包括电机Ⅱ(2-1)、减速箱Ⅱ(2-2)、电机安装座Ⅱ(2-3)、自转驱动齿轮组(2-4)、深沟球轴承(2-5)、受电机Ⅱ(2-1)驱动自转的器械轴套(2-6)；
所述电机安装座Ⅱ(2-3)安装在螺母(1-9)上，电机Ⅱ(2-1)及减速箱Ⅱ(2-2)固定在电机安装座Ⅱ(2-3)上，减速箱Ⅱ(2-2)输出轴与自转驱动小齿轮(2-41)连接，器械轴套(2-6)通过深沟球轴承(2-5)安装在电机安装座Ⅱ(2-3)上，所述自转驱动大齿轮(2-42)安装在器械轴套(2-6)上；
所述器械快换夹持部(3)包括快换旋钮(3-1)、滑动销(3-2)、夹持外管(3-3)以及夹持内管(3-4)；所述快换旋钮(3-1)与器械轴套(2-6)同轴安装；所述滑动销(3-2)安装于快换旋钮(3-1)两侧；所述夹持内管(3-4)同轴固定于器械轴套下方且两者内径相同；所述夹持外管(3-3)与快换旋钮(3-1)同轴固定连接；
所述器械轴套(2-6)管壁上有两个中心对称的S型槽，两个所述滑动销(3-2)直径与S型槽的宽度相同，所述滑动销(3-2)固定在快换旋钮(3-1)上且可在S型槽中自由移动；
所述夹持外管(3-3)的管下端内孔呈锥形且内径逐渐减小；
所述夹持内管(3-4)的下端加工有四个轴向布置并间隔开的通槽，使所述夹持内管(3-4)的下端被分割为四个部分，当受到径向力时，可径向移动，且具有一定刚度，非受力状态下能回复原位。
2.根据权利要求1所述的具有手动快换机构的手术机器人末端器，其特征在于，所述直线运动部(1)包括末端器安装架(1-1)，末端器安装架(1-1)两侧预留安装孔，用于与手术机器人连接。
3.根据权利要求2所述的具有手动快换机构的手术机器人末端器，其特征在于，驱动所述丝杆机构的电机齿轮单元包括电机Ⅰ(1-2)、减速箱Ⅰ(1-3)、电机安装座Ⅰ(1-4)，并通过直线驱动齿轮组(1-5)与丝杆(1-6)连接；电机Ⅰ(1-2)与减速箱Ⅰ(1-3)通过电机安装座Ⅰ(1-4)固定于末端器安装架(1-1)上；直线驱动齿轮组(1-5)包括相互啮合的直线驱动小齿轮(1-51)与直线驱动大齿轮(1-52)；减速箱Ⅰ(1-3)输出轴与直线驱动小齿轮(1-51)相连，丝杆(1-6)顶端与直线驱动大齿轮(1-52)相连。
4.根据权利要求1所述的具有手动快换机构的手术机器人末端器，其特征在于，所述器械轴套(2-6)的下端安装有器械定位销(3-5)，手术器械(4)外壁上加工底部略宽顶部宽度与器械定位销(3-5)直径相同的槽(4-1)，以实现安装时所述的手术器械(4)相对于末端器初始位置的快速定位。
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