CN112545654A - 一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂，涉及一种微创手术机器人医疗设备的技术领域，包括：驱动部、第一导杆部、第一连接部、第二导杆部、第二连接部、第三连接部、手术工具部和绳。第一连接部包括：第一从动齿轮、第一主动齿轮、第一连杆部、第一螺丝轴和第二螺丝轴，第二连接部包括：第二从动齿轮、第二主动齿轮、第二连杆部、第三连杆部和第三从动齿轮、第三螺丝轴、第四螺丝轴、第五螺丝轴和第六螺丝轴。本发明通过增加或更换单/双模块关节能够解决目前手术器械臂柔性较低，自由度较低的问题，同时由于该手术臂模块关节可拆卸及增加，该手术臂可以满足多种不同手术器械臂功能性的需要。

Description

一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂

技术领域

本发明涉及一种微创手术机器人医疗设备的技术领域，尤其涉及一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂。

背景技术

自上世纪90年代以来，以DVinci手术机器人为代表的腹腔镜微创手术机器人得到越来越广泛的使用，其具有多自由度、高灵活性、手术创口少等核心特点。手术机器人用于微创手术，末端手术工具通过导管进入人体内部，并通过长杆机械臂到达病灶，对人体器官上的肿瘤做切除或淋巴节扫除等进行切割、缝合、打结等一系列手术操作。

而目前的临床使用的微创手术机器人也存在一些待解决的问题，现有的器械臂的柔性较低，器械操作过程中的“杠杆效应”可能导致手术过程中出现差错，伤害到患者，同时，由于手术机器人进入人体部分自由度少，必须要有体外机构提供额外的姿态和自由度来满足手术操作，因为机械臂不能直接映射医生手部动作完成手术，要在体外布置2-3条器械臂和1条影像臂，需要同时使用不同规格尺寸的器械臂以满足不同的功能。

发明内容

针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，包括：

驱动部1；

第一导杆部2，所述第一导杆部2呈圆柱状，所述第一导杆部2具有一端与所述驱动部(1)连接；

第一连接部3，所述第一导杆部2具有另一端与所述第一连接部3连接；

第二导杆部4，所述第二导杆部4呈圆柱状，所述第二导杆部4具有一端与所述第一连接部3连接，所述第一导杆部2和所述第二导杆部4通过所述第一连接部3可操作地转动连接；

第二连接部5，所述第二导杆部4具有另一端与所述第二连接部5连接；

第三连接部6，所述第三连接部6与所述第二连接部5转动连接；

手术工具部7，所述手术工具部7具有一端与所述第三连接部6转动连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第一连接部3包括：第一从动齿轮31、第一主动齿轮32和第一连杆部33，第一连杆部33的两侧分别连接有所述第一从动齿轮31和所述第一主动齿轮32，所述第一从动齿轮31与所述第一导杆部2的另一端连接，所述第一主动齿轮32与所述第二导杆部4的一端连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第一连接部3还包括：第一螺丝轴34，所述第一从动齿轮31上设有两第一槽，所述第一槽与所述第一螺丝轴34相匹配，所述第一从动齿轮31与所述第一连杆部33通过两所述第一螺丝轴34连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第一连接部3还包括：第二螺丝轴35，所述第一主动齿轮32上设有两第二槽，所述第二槽与所述第二螺丝轴35相匹配，所述第一主动齿轮32与所述第一连杆部33通过两所述第二螺丝轴35连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第二连接部5包括：第二从动齿轮51、第二主动齿轮52、第二连杆部53、第三连杆部54和第三从动齿轮55，所述第二从动齿轮51、所述第二连杆部53、所述第三从动齿轮55、所述第三连杆部54和所述第二主动齿轮52依次连接，所述第二导杆部4的另一端与所述第二从动齿轮51连接，所述第二主动齿轮52与所述第三连接部6连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第二连接部5还包括：第三螺丝轴56，所述第二从动齿轮51上设有两第三槽，所述第三槽与所述第三螺丝轴56相匹配，所述第二从动齿轮51与所述第二连杆部53通过两所述第三螺丝轴56连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第二连接部5还包括：第四螺丝轴57，所述第三从动齿轮55上设有两第四槽，所述第四槽与所述第四螺丝轴57相匹配，所述第三从动齿轮55与所述第二连杆部53通过两所述第四螺丝轴57连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第二连接部5还包括：第五螺丝轴58，所述第三从动齿轮55上设有两第五槽，所述第五槽与所述第五螺丝轴58相匹配，所述第三从动齿轮55与所述第三连杆部54通过两所述第五螺丝轴58连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，所述第二连接部5还包括：第六螺丝轴59，所述第二主动齿轮52上设有两第六槽，所述第六槽与所述第六螺丝轴59相匹配，所述第二主动齿轮52与所述第三连杆部54通过两所述第六螺丝轴59连接。

上述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，还包括：绳8，所述第一导杆部2、所述第一连接部3、所述第二导杆部4、所述第二连接部5、所述第三连接部6和所述手术工具部7通过所述绳8依次连接。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

(1)本发明采用单模块关节和双模块关节组合配置的器械臂，增加单/双模块关节的数量能够有效增加柔性，大幅度提升器械臂的自由度，提升手术器械在人体空间受限腔体内的运动灵活程度，减少患者创伤；

(2)本发明中，单模块关节和双模块关节的数量可增加或减少，方便拆卸组装，通过改变关节的数量能够实现不同的功能，满足不同种类手术器械臂的需要。

附图说明

图1是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的结构示意图。

图2是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的偏转动作图。

图3是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的偏转动作局部放大图。

图4是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第一连接部的局部放大图。

图5是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第一连接部的局部放大零件分解图。

图6是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第二连接部的局部放大图。

图7是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第二连接部的局部放大零件分解图。

图8是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第二连接部的偏转动作局部放大图。

图9是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第三连接部的局部放大图。

图10是本发明的一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂的第三连接部的局部放大零件分解图。

附图中：1、驱动部；2、第一导杆部；3、第一连接部；4、第二导杆部；5、第二连接部；6、第三连接部；7、手术工具部；8、绳；31、第一从动齿轮；32、第一主动齿轮；33、第一连杆部；34、第一螺丝轴；35、第二螺丝轴；51、第二从动齿轮；52、第二主动齿轮；53、第二连杆部；54、第三连杆部；55、第三从动齿轮；56、第三螺丝轴；57、第四螺丝轴；58、第五螺丝轴；59、第六螺丝轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

请参照图1至图10所示，示出了一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其中，包括：驱动部1、第一导杆部2、第一连接部3、第二导杆部4、第二连接部5、第三连接部6、手术工具部7和绳8。

第一导杆部2呈圆柱状，第一导杆部2具有一端与驱动部1连接，第一导杆部2具有另一端与第一连接部3连接，第二导杆部4呈圆柱状，第二导杆部4具有一端与第一连接部3连接，第一导杆部2和第二导杆部4通过第一连接部3可操作地转动连接，第二导杆部4具有另一端与第二连接部5连接，第三连接部6与第二连接部5转动连接，手术工具部7具有一端与第三连接部6转动连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第一连接部3包括：第一从动齿轮31、第一主动齿轮32和第一连杆部33，第一连杆部33的两侧分别连接有第一从动齿轮31和第一主动齿轮32，第一从动齿轮31与第一导杆部2的另一端连接，第一主动齿轮32与第二导杆部4的一端连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第一连接部3还包括：第一螺丝轴34，第一从动齿轮31上设有两第一槽，第一槽与第一螺丝轴34相匹配，第一从动齿轮31与第一连杆部33通过两第一螺丝轴34连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第一连接部3还包括：第二螺丝轴35，第一主动齿轮32上设有两第二槽，第二槽与第二螺丝轴35相匹配，第一主动齿轮32与第一连杆部33通过两第二螺丝轴35连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第二连接部5包括：第二从动齿轮51、第二主动齿轮52、第二连杆部53、第三连杆部54和第三从动齿轮55，第二从动齿轮51、第二连杆部53、第三从动齿轮55、第三连杆部54和第二主动齿轮52依次连接，第二导杆部4的另一端与第二从动齿轮51连接，第二主动齿轮52与第三连接部6连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第二连接部5还包括：第三螺丝轴56，第二从动齿轮51上设有两第三槽，第三槽与第三螺丝轴56相匹配，第二从动齿轮51与第二连杆部53通过两第三螺丝轴56连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第二连接部5还包括：第四螺丝轴57，第三从动齿轮55上设有两第四槽，第四槽与第四螺丝轴57相匹配，第三从动齿轮55与第二连杆部53通过两第四螺丝轴57连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第二连接部5还包括：第五螺丝轴58，第三从动齿轮55上设有两第五槽，第五槽与第五螺丝轴58相匹配，第三从动齿轮55与第三连杆部54通过两第五螺丝轴58连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第二连接部5还包括：第六螺丝轴59，第二主动齿轮52上设有两第六槽，第六槽与第六螺丝轴59相匹配，第二主动齿轮52与第三连杆部54通过两第六螺丝轴59连接。

进一步，在一种较佳实施例中，第一导杆部2、第一连接部3、第二导杆部4、第二连接部5、第三连接部6和手术工具部7通过绳8依次连接。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。

本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

本发明的进一步实施例中，第一连接部3为单模块关节，第二连接部5为双模块关节，第三连接部6为单模块关节。

本发明的进一步实施例中，第一导杆部2的一端与驱动部1固定连接。

本发明的进一步实施例中，第二导杆部4的一端通过第一连接部3可操作地绕第一导杆部2的另一端转动。

本发明的进一步实施例中，第三连接部6通过第二连接部5可操作地绕第二导杆部4的另一端转动。

本发明的进一步实施例中，手术工具部7通过第三连接部6可操作地转动。

本发明的进一步实施例中，单模块关节转动角度可达±85°，双模块关节转动角度可达±170°，具有较大的活动空间，以最少的零部件来实现姿态的调整。若减少单模块关节的齿轮啮合转动角度，而改为多模块关节实现转动角度，可以提高自由度，同时降低刚性，实现±180°转动。

本发明的进一步实施例中，模块化关节由齿轮啮合传动，传动精确，效率高，辅以连杆和螺丝轴组成一个关节，结构紧凑，工作安全可靠。

本发明的进一步实施例中，相邻关节的运动平面互相垂直，通过每个关节的齿轮啮合结构的约束，降低了关节间的运动耦合影响，保证系统运动柔性的同时也提高了系统刚性，实现了刚柔可控。

本发明的进一步实施例中，单模块关节、双模块关节或多模块关节采用齿轮啮合传动，转动轨迹、转动速度可控，同时双模块关节或多模块关节相邻关节间实现转动角度一致，控制系统中的丝长变化和补偿算法会相应简易，有助于控制系统的可靠和稳定。

本发明的进一步实施例中，多关节柔性机械臂采用单模块关节X方向偏转，双模块关节X方向回转，单模块关节Y方向偏转，通过2条或2条以上多关节柔性机械臂和机械臂末端的腕部结构布局能够模仿人的双臂更加灵活也更符合人体工学地完成复杂手术。

本发明的进一步实施例中，绳8为钢丝绳8。

本发明的进一步实施例中，模块化的转动关节保证了钢丝绳8闭环传动总长度不变。从而保证了运动过程中钢丝绳8不会被拉长或缩短，保证了传动系统可靠和高精度完成动作姿态的实现。

本发明的进一步实施例中，模块关节可拆卸安装，方便增加、减少模块关节以满足系统运动模型中相应姿态的调整，同时也易于保养更换，具有优异的扩展延伸和替代的能力。

本发明的进一步实施例中，转动关节是不需要导向轮进行钢丝绳8偏转，极大的提高了加工和装配的简易型和使用的可靠性。

本发明的进一步实施例中，采用新型的关节结构布置方式和新型的模块化关节，减少手术器械的复杂程度，有利于手术尺寸的缩小。

本发明的进一步实施例中，目前导杆和关节样品外径7.6mm，最外层套有壁厚0.2mm的硅胶隔离套，可以做到整体直径5-15mm，硅胶隔离套一次性使用，防止器械交叉感染。

本发明的进一步实施例中，从机械臂及微器械驱动部分穿出的一组钢丝绳8依次将从动齿轮、连杆、主动齿轮用固定头固定于主动齿轮对应槽内，实现对单模块关节驱动控制实现偏转肩部张开并留有运动的活动转动范围，钢丝绳8由1个电机带动器械转接结构。

本发明的进一步实施例中，从机械臂及微器械驱动部分穿出的一组钢丝绳8依次端从动齿轮、从动连杆、中间从动齿轮、从动连杆、主动齿轮用固定头固定于主动齿轮对应槽内，实现对双模块关节驱动控制实现偏转肘部回转并留有运动的活动转动范围，钢丝绳8由1个电机带动器械转接结构。

本发明的进一步实施例中，双模块关节的主动齿轮直接是单模块关节的从动齿轮。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，包括：驱动部(1)；

第一导杆部(2)，所述第一导杆部(2)呈圆柱状，所述第一导杆部(2)具有一端与所述驱动部(1)连接；

第一连接部(3)，所述第一导杆部(2)具有另一端与所述第一连接部(3)连接；

第二导杆部(4)，所述第二导杆部(4)呈圆柱状，所述第二导杆部(4)具有一端与所述第一连接部(3)连接，所述第一导杆部(2)和所述第二导杆部(4)通过所述第一连接部(3)可操作地转动连接；

第二连接部(5)，所述第二导杆部(4)具有另一端与所述第二连接部(5)连接；

第三连接部(6)，所述第三连接部(6)与所述第二连接部(5)转动连接；

手术工具部(7)，所述手术工具部(7)具有一端与所述第三连接部(6)转动连接。

2.根据权利要求1所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第一连接部(3)包括：第一从动齿轮(31)、第一主动齿轮(32)和第一连杆部(33)，第一连杆部(33)的两侧分别连接有所述第一从动齿轮(31)和所述第一主动齿轮(32)，所述第一从动齿轮(31)与所述第一导杆部(2)的另一端连接，所述第一主动齿轮(32)与所述第二导杆部(4)的一端连接。

3.根据权利要求2所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第一连接部(3)还包括：第一螺丝轴(34)，所述第一从动齿轮(31)上设有两第一槽，所述第一槽与所述第一螺丝轴(34)相匹配，所述第一从动齿轮(31)与所述第一连杆部(33)通过两所述第一螺丝轴(34)连接。

4.根据权利要求2所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第一连接部(3)还包括：第二螺丝轴(35)，所述第一主动齿轮(32)上设有两第二槽，所述第二槽与所述第二螺丝轴(35)相匹配，所述第一主动齿轮(32)与所述第一连杆部(33)通过两所述第二螺丝轴(35)连接。

5.根据权利要求1所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第二连接部(5)包括：第二从动齿轮(51)、第二主动齿轮(52)、第二连杆部(53)、第三连杆部(54)和第三从动齿轮(55)，所述第二从动齿轮(51)、所述第二连杆部(53)、所述第三从动齿轮(55)、所述第三连杆部(54)和所述第二主动齿轮(52)依次连接，所述第二导杆部(4)的另一端与所述第二从动齿轮(51)连接，所述第二主动齿轮(52)与所述第三连接部(6)连接。

6.根据权利要求5所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第二连接部(5)还包括：第三螺丝轴(56)，所述第二从动齿轮(51)上设有两第三槽，所述第三槽与所述第三螺丝轴(56)相匹配，所述第二从动齿轮(51)与所述第二连杆部(53)通过两所述第三螺丝轴(56)连接。

7.根据权利要求5所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第二连接部(5)还包括：第四螺丝轴(57)，所述第三从动齿轮(55)上设有两第四槽，所述第四槽与所述第四螺丝轴(57)相匹配，所述第三从动齿轮(55)与所述第二连杆部(53)通过两所述第四螺丝轴(57)连接。

8.根据权利要求7所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第二连接部(5)还包括：第五螺丝轴(58)，所述第三从动齿轮(55)上设有两第五槽，所述第五槽与所述第五螺丝轴(58)相匹配，所述第三从动齿轮(55)与所述第三连杆部(54)通过两所述第五螺丝轴(58)连接。

9.根据权利要求8所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，所述第二连接部(5)还包括：第六螺丝轴(59)，所述第二主动齿轮(52)上设有两第六槽，所述第六槽与所述第六螺丝轴(59)相匹配，所述第二主动齿轮(52)与所述第三连杆部(54)通过两所述第六螺丝轴(59)连接。

10.根据权利要求1所述的微创手术机器人用模块化柔性器械臂，其特征在于，还包括：绳(8)，所述第一导杆部(2)、所述第一连接部(3)、所述第二导杆部(4)、所述第二连接部(5)、所述第三连接部(6)和所述手术工具部(7)通过所述绳(8)依次连接。

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