CN112057171A

CN112057171A - 机械臂与手术执行器连接件

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Publication number: CN112057171A
Application number: CN202010923580.7A
Authority: CN
Inventors: 李汉忠; 张学斌
Original assignee: Beijing Kemai Qiyuan Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Kemai Qiyuan Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2040-09-04
Also published as: CN112057171B

Abstract

一种连接件，所述连接件配置为连接手术执行器和机械臂，在从所述手术执行器到所述机械臂的方向上，所述连接件顺次包括连接板、调整板、固定盘和螺纹盘；其中，所述连接板与所述手术执行器固定连接；所述调整板与所述固定盘固定连接在所述连接板上；所述螺纹盘与所述机械臂固定连接；所述固定盘与所述螺纹盘具有能够相互榫合的定位结构。

Description

机械臂与手术执行器连接件

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域。具体涉及一种用于快速、稳固地连接机械臂与手术执行器的连接件。

背景技术

自20世纪90年代开始，机器人辅助微创外科手术获得了突飞猛进的发展。多种外科手术机器人系统在临床上得到了成功的应用，这引起了世界范围内医学界和科技界极大的关注。手术机器人系统融合诸多新兴学科，实现了外科手术微创化、智能化和数字化，近年来，手术机器人已在全世界范围内得到了广泛的应用，手术种类涵盖泌尿科、妇产科、心脏外科、胸外科、肝胆外科、胃肠外科、耳鼻喉科等学科。

手术机器人一般主要由三部分组成：1.医生控制系统；2.三维成像视频影像平台；3.机械臂。医生通过三维成像视频影像平台获得病人手术部位相关信息，然后通过控制系统输出操作指令，最后由机械臂实施手术动作。但是，一般情况下机械臂只提供大的手术动作(有点类似人类的手臂)，而细致、具体的手术动作还要由连接于机械臂末端的手术执行器来完成(手术执行器的功能类似于人类的手掌和手指)。那么，手术执行器与机械臂之间就需要一个连接部件，来保证手术执行器与机械臂之间的坚固而灵活的连接。但当前市面上缺少坚固、耐用、易拆卸、通用性强的连接件。

发明内容

本发明的实施例提供一种连接件，所述连接件配置为连接手术执行器和机械臂，在从所述手术执行器到所述机械臂的方向上，所述连接件顺次包括连接板、调整板、固定盘和螺纹盘；

其中，所述连接板与所述手术执行器固定连接；所述调整板与所述固定盘固定连接在所述连接板上；所述螺纹盘与所述机械臂固定连接；所述固定盘与所述螺纹盘具有能够相互榫合的定位结构。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述定位结构包括：所述螺纹盘上设置的定位销和所述固定盘上设置的定位孔，所述定位孔的形状及尺寸与所述定位销相适应，使得所述定位销能够插入所述定位孔；

优选的，所述定位结构进一步包括：所述螺纹盘上设置的定位凸块和所述固定盘上设置的缺口，所述缺口的形状和尺寸与所述定位凸块相适应，使得当所述螺纹盘与所述固定盘相接时，所述定位凸块能够与所述缺口相卡合。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述连接件进一步包括位于所述调整板和所述固定盘之间的螺纹套；所述螺纹盘外圈为正圆形，外侧圆周上设置螺纹，所述螺纹套内圈为正圆形，内侧设置有与所述螺纹盘外侧圆周上的螺纹相适配的螺纹，从而所述螺纹套与所述螺纹盘能够通过上述相适配的螺纹旋合为一个整体。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述螺纹套的一端设置有螺纹套凸沿；所述固定盘具有中空的圆柱状本体，在所述圆柱状本体外侧设置有固定盘凸沿；所述螺纹套凸沿的内径大于所述固定盘圆柱状本体的外径，但小于所述固定盘凸沿的外径；

优选的，所述缺口设置在所述固定盘凸沿上。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述螺纹盘的盘面上设置若干个螺孔，用螺钉通过上述螺孔紧固在机械臂末端；

优选的，螺纹盘为正圆形；

优选的，所述连接件进一步包括线缆盖，所述线缆盖固定在所述连接板朝向所述手术执行器的一侧。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述连接板下方具有凸出的支承结构，手术执行器固定在上述支承结构上，所述调整板、所述固定盘和所述螺纹盘则顺次直接或者间接地固定于所述连接板之上。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述连接板采用高强度的金属材料制备；优选的，所述连接板采用铝合金整体切削制成。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述连接板中心具有规则的正方形孔洞，供电缆等从其中穿过。

根据本发明的一种实施方式，例如，在所述连接件的上半部分竖直方向的两侧，设置若干个长条形孔，由于螺钉的位置在上述长条形孔内可以上下微调，由此可以对固定于连接板之上的调整板的位置进行上下微调，从而进一步对调整板直到机械臂的各部件的位置进行微调。优选的，所述长条形孔长边的尺寸是短边尺寸的2-6倍，优选3-5倍。

根据本发明的一种实施方式，例如，在所述固定盘的中心位置开有一个矩形孔，所述矩形孔用于穿过电路插针块的导线，所述电路插针块集中连接机械臂与手术执行器之间的所有连接导线。

附图说明

图1是本领域常见的机械臂示意图。

图2是包括机械臂、手术执行器和连接件的手术机器人装置结构示意图。

图3是本发明一实施例提供的连接件整体结构示意图。

图4是本发明一实施例提供的连接件整体结构爆炸图。

图5是本发明一实施例提供的连接件整体结构另一个方向的爆炸图。

图6是本发明一实施例提供的连接件的部件连接板2的正视图(左)和立体图(右)。

图7是本发明一实施例提供的连接件的部件螺纹盘6的正视图。

图8是本发明一实施例提供的连接件的部件固定盘5的从手术执行器一侧观察的正视图(左)和从机械臂一侧观察的正视图(右)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

在发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。

参照图1，图1展示了本领域常见的机械臂的基本结构。从图1可见，机械臂外观看起来像是一个缺少了手掌和手指的人体手臂。具体的手术动作需要由连接在机械臂末端的手术执行器来完成。

图2展示了包括机械臂、手术执行器和连接件的手术机器人装置的结构。由图2可见，机械臂0011末端连接了手术执行器0012，手术执行器0012一般包括电路以及与电路连接的机械动力机构和传动机构，手术执行器0012中的电路结构与机械臂0011中的电路连接，通过上述电路连接，手术执行器0012获得动作指令以及驱动其机械运动的电能，从而完成手术动作。如图2所示，手术执行器0012与机械臂0011之间需要通过连接件0013连接成为一体。

当前市场上的情况是：机械臂0011和手术执行器0012都存在成熟的、优秀的商品化产品，而将两者连接起来的连接件0013似乎被忽略了。然而，连接件0013的重要性丝毫不低。

首先，一般来说，当前的手术执行器0012主要由金属材料制成，包括大量的零件，重量一般在3千克以上，尺寸也较大，长度一般在50厘米以上，宽度在10厘米以上。那么要将尺寸、重量都较大的手术执行器0012牢固地连接在机械臂0011上，使其不晃动，就对连接件0013的结构设计和材料强度都有较高的要求。

其次，手术执行器0012存在多种类型，以适应不同的外科手术。而机械臂0011一般都是通用的。这样，在进行不同外科手术的时候，就需要更换连接在机械臂0011末端的手术执行器0012，如果急诊病人需要立即实施手术，而连接在机械臂0011末端的手术执行器0012又刚好不合适，就需要能够快速更换手术执行器0012。

再次，如前所述，手术执行器0012中的电路结构与机械臂0011中的电路连接，通过上述电路连接，手术执行器0012获得动作指令以及驱动其机械运动的电能，从而完成手术动作。由于手术执行器0012需要完成较复杂的手术动作，上述电路连接都比较复杂，通常含有十几根、甚至几十根连接导线。如果连接件0013不能将上述连接导线布置好，这些数量众多的连接导线散乱分布，会对机械臂0011和手术执行器0012的手术动作造成较大干扰。

据本发明的发明人了解，当前商品化的连接件很难同时满足上述三方面的要求。正是基于这一现状，本发明的发明人提出了一种能够同时满足上述三方面要求的连接件：其具有足够的强度，能够给与手术执行器0012足够稳固的支持，将手术执行器0012牢固地连接在机械臂0011末端；同时，连接件的结构设计便于快速将手术执行器0012从机械臂0011末端拆卸下来以及连接上去；最后，连接件能够将数量众多的连接导线恰当地安排好(即合理、巧妙地布线)，避免连接导线对机械臂0011和手术执行器0012的手术动作造成干扰。

如图3所示，本发明的实施例提供一种连接件0013，在从手术执行器0012到机械臂0011的方向上，其顺次包括线缆盖1、连接板2、调整板3、螺纹套4、固定盘5和螺纹盘6。

图4、图5是本发明实施例提供的连接件整体结构爆炸图(不同方向的视角)。由图4、5可见，连接板2是连接件0013的主要受力结构。在手术执行器0012的一端(即图4的左端)，手术执行器0012通过若干个螺孔固定在连接板2下方凸出的支承结构上。而调整板3、螺纹套4、固定盘5和螺纹盘6则顺次直接或者间接地固定于连接板2之上。因此，在连接件0013的各部件中，连接板2的机械强度要求是最高的。连接板2可以采用高强度的金属材料制备。例如，为了兼顾强度与重量，连接板2可以采用铝合金整体切削制成。螺纹盘6盘面上设置若干个螺孔，用螺钉通过上述螺孔紧固在机械臂0011末端。螺纹盘6一般为正圆形，其外侧圆周上设置螺纹，螺纹套4内侧设置有与螺纹盘6外侧圆周上的螺纹相适配的螺纹，从而螺纹套4与螺纹盘6可以通过上述相适配的螺纹旋合为一个整体。螺纹套4的一端设置有螺纹套凸沿。

固定盘5位于螺纹套4与螺纹盘6之间，用长螺钉穿过固定盘5以及调整板3之上的螺孔，将固定盘5及调整板3固定于连接板2上。固定盘5具有中空的圆柱状本体，在所述圆柱状本体上设置有固定盘凸沿。所述螺纹套凸沿的内径大于所述固定盘5圆柱状本体的外径，但小于所述固定盘凸沿的外径。

调整板3位于连接板2与螺纹套4之间。线缆盖1上设置螺孔，通过螺钉固定在连接板2靠近手术执行器0012的一侧，主要起到遮挡线缆的作用。

图6是本发明实施例提供的一种连接板2的正视图(左)和立体图(右)。连接板2也可以有其他结构，当前图6所示的是其中一种。如图6所示，从左侧的正视图来看，连接板2中心具有一个开孔，开孔的形状和大小可以根据要穿越所述开孔的对象来确定，在图6中，所述开孔为一正方形开孔，供电缆等从其中穿过。。在连接板2的上半部分设置若干个螺孔21，其作用是用于固定线缆盖1。在连接板2的上半部分竖直方向的两侧，设置若干个长条形孔22，由于螺钉的位置在上述长条形孔22内可以上下微调，由此可以对固定于连接板2之上的调整板3的位置进行上下微调(参见图4和图5)，从而进一步对调整板3直到机械臂0011的各部件的位置进行微调。在连接板2的下半部分设置朝向手术执行器0012一侧凸出的支承结构23，在所述支承结构23上进一步设置若干个安装螺孔231，所述安装螺孔231用于固定安装手术执行器0012。支承结构23的尺寸和形状可以根据承重的要求灵活设计。为了保证强度，包括支承结构23在内的连接板2一般是由一整块铝合金切削成型。

图7是本发明实施例提供的连接件的部件螺纹盘6的正视图。上述正视图是从手术执行器0012一侧观察得到的(对照图5)。如图7所示，螺纹盘6的正视图展示了一个圆环的形状。在圆环上左右对称地设置了偶数个螺纹盘螺孔62(图7展示了6个)。在适当位置设置定位销7，同时在固定盘5的对应位置设置与定位销7适配的定位孔(参照图4)，安装时，定位销7插入到固定盘5的定位孔内。定位销7可以设置在任何适当的位置，图7中，定位销7设置在6个螺纹盘螺孔62镜像对称的竖直平面内。进一步在适当位置设置定位凸块61，同时在固定盘5的对应位置设置与上述定位凸块61相适配的缺口(参照图4、图5，例如，可以在固定盘5的固定盘凸沿上设置缺口)，安装时，螺纹盘6上的定位凸块61与固定盘5上的缺口相卡合。这样，螺纹盘6上的定位销7和定位凸块61，与固定盘5上的定位孔和缺口相互配合，可以保证螺纹盘和固定盘的安装方式正确。在图7中，定位凸块61共有两个，其中一个安装在临近定位销7的位置，另一个安装在圆环上相对的一侧的对称位置。可以理解，上述定位结构还可以有别的设置方式，只要其起到定位的作用即可。

图8是本发明实施例提供的连接件的部件固定盘5的结构图，其中，左图是从手术执行器一侧观察的正视图，右图是从机械臂一侧观察的正视图。图中可见用于与螺纹盘6相互定位的定位孔和缺口。在固定盘5的中心位置开有一个矩形孔，该矩形孔用于电路插针块的导线穿过，矩形孔周围4个螺纹孔是与电路插针块固定孔对应的，用于固定电路插针块。所述电路插针块是集中连接机械臂与手术执行器之间的所有连接导线，由此，上述若干条导线便不会散乱分布，避免了数量众多的导线对机械臂和手术执行器执行手术动作造成的干扰。

基于上述描述可知，连接板2作为连接件0013的主要受力结构，其结构和材料都进行了优化设计，能够对手术执行器提供坚固的支撑，连接件的其他部件材料也都采用具有高的机械强度的材料制成(例如合金)，其结构设计也都考虑到了力学因素，最终使得本发明实施例提供的连接件0013具有很好的机械强度，能够适应几乎所有手术机器人的应用场景。

此外，上述连接件具有快速拆卸结构。在安装时，预先将螺纹盘6与机械臂0011紧固安装，预先将固定盘5、调整板3紧固安装在连接板2之上。由图5可以看出，螺纹套4的一侧设置有螺纹套凸沿，所述螺纹套凸沿的内径大于固定盘5的圆柱状本体的外径，但所述螺纹套凸沿的内径小于固定盘5的固定盘凸沿的外径，因此，将固定盘5、调整板3紧固安装在连接板2上之后，螺纹套4可以在调整板3与固定盘凸沿之间活动。将螺纹盘6上的定位销7对准固定盘5上的定位孔、同时将螺纹盘6上的凸块61对准固定盘5上的缺口，调整角度将螺纹盘6与固定盘5插接，然后转动螺纹套4，将螺纹套4旋接紧固于螺纹盘6之上，安装便完成。需要说明的是，连接件的连接和紧固，是在螺纹盘6与固定盘5之间的定位、插接结构相互榫合之后，再通过螺纹套4与螺纹盘6之间的旋合共同完成的。因此，螺纹套4与螺纹盘6之间的旋合并不需要使用很大的力量，通常医生徒手将螺纹套4与螺纹盘6拧紧即可。

如果需要更换手术执行器，则从螺纹盘6上将螺纹套4旋松并取下，将固定盘5从螺纹盘6上抽离，更换一个合适的手术执行器(预先安装好了连接板2、调整板3、固定盘5)，调整角度，将螺纹盘6与固定盘5插接，然后转动螺纹套4，将螺纹套4旋接紧固于螺纹盘6之上，便完成了更换。在实际操作时，外科手术大夫可能只需要5—10秒就可以更换一个适当的手术执行器，这对于急需进行手术的病人有重大的意义。

最后，固定盘5的中心位置开有一个矩形孔，该矩形孔用于穿过电路插针块的导线，所述电路插针块集中连接机械臂与手术执行器之间的所有连接导线，由此，上述若干条导线便不会散乱分布，避免了数量众多的导线对机械臂和手术执行器执行手术动作造成的干扰。

Claims

1.一种连接件，其特征在于，所述连接件配置为连接手术执行器和机械臂，在从所述手术执行器到所述机械臂的方向上，所述连接件顺次包括连接板、调整板、固定盘和螺纹盘；

2.根据权利要求1所述的连接件，其特征在于，所述定位结构包括：所述螺纹盘上设置的定位销和所述固定盘上设置的定位孔，所述定位孔的形状及尺寸与所述定位销相适应，使得所述定位销能够插入所述定位孔；

3.根据权利要求2所述的连接件，其特征在于，所述连接件进一步包括位于所述调整板和所述固定盘之间的螺纹套；所述螺纹盘外圈为正圆形，外侧圆周上设置螺纹，所述螺纹套内圈为正圆形，内侧设置有与所述螺纹盘外侧圆周上的螺纹相适配的螺纹，从而所述螺纹套与所述螺纹盘能够通过上述相适配的螺纹旋合为一个整体。

4.根据权利要求3所述的连接件，其特征在于，所述螺纹套的一端设置有螺纹套凸沿；所述固定盘具有中空的圆柱状本体，在所述圆柱状本体外侧设置有固定盘凸沿；所述螺纹套凸沿的内径大于所述固定盘圆柱状本体的外径，但小于所述固定盘凸沿的外径；

优选的，所述缺口设置在所述固定盘凸沿上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的连接件，其特征在于，所述螺纹盘的盘面上设置若干个螺孔，用螺钉通过上述螺孔紧固在机械臂末端；

优选的，螺纹盘为正圆形；

6.根据权利要求1-5任一项所述的连接件，其特征在于，所述连接板下方具有凸出的支承结构，手术执行器固定在上述支承结构上，所述调整板、所述固定盘和所述螺纹盘则顺次直接或者间接地固定于所述连接板之上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的连接件，其特征在于，所述连接板采用高强度的金属材料制备；优选的，所述连接板采用铝合金整体切削制成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的连接件，其特征在于，所述连接板中心具有规则的正方形孔洞，供电缆等从其中穿过。

9.根据权利要求8所述的连接件，其特征在于，在所述连接件的上半部分竖直方向的两侧，设置若干个长条形孔，由于螺钉的位置在上述长条形孔内可以上下微调，由此可以对固定于连接板之上的调整板的位置进行上下微调，从而进一步对调整板直到机械臂的各部件的位置进行微调；

优选的，所述长条形孔长边的尺寸是短边尺寸的2-6倍，进一步优选3-5倍。

10.根据权利要求1-9任一项所述的连接件，其特征在于，在所述固定盘的中心位置开有一个矩形孔，所述矩形孔用于穿过电路插针块的导线，所述电路插针块集中连接机械臂与手术执行器之间的所有连接导线。