CN113069211B - 一种微创手术机器人末端执行机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微创手术机器人末端执行机械臂，包括驱动盒、连杆、丝传动型万向关节、末端手术夹；所述驱动盒为末端执行机械臂的驱动模块，与电机相链接；所述连杆连接驱动盒与万向关节，连杆为中空的，供钢丝绳穿过；所述丝传动型万向关节包括十字万向节，可使关节到达任意位置，实现万向运动；所述末端手术夹为整个机械臂的最末端。通过对十字万向节的运用，以及合理的结构配合，可实现一个关节，多个自由度，大大增加手术机器人末端机械臂的灵活性，且可根据需求，增加多个万向关节，可使微创手术机器人满足不同手术类型，使手术机器人的运用更加的广泛。

Description

一种微创手术机器人末端执行机械臂

技术领域

本发明涉及微创外科手术机器人技术领域，具体涉及一种具有丝传动型万球关节的微创手术机器人末端执行机械臂。

背景技术

微创手术具有创伤小、疼痛轻、康复快、住院时间短和术后并发症少等优点，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，这使得病人遭受的痛苦大大减少，但传统的微创手术对医生对微创手术器械操作熟练性要求较高，医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操作，且长时间手术容易导致医生手部疲劳颤动，进而影响手术的安全性。随着机器人技术再微创手术中得到了广泛应用，很好的解决了传统微创手术存在的问题，同时大大改善医生进行微创手术的操作方式。

微创手术机器人属于高新技术密集的高端精密医疗设备，其组成主要由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统所组成，其中床旁机械臂系统中的末端执行机械臂需伸入病人体内，完成手术动作，因此在设计时需满足结构简单紧凑、尺寸较小、多自由度、灵活性较大等优点，

目前，多自由度机械臂通常采用多关节通过不同的组合方式串联来实现，此方法不可避免的会增加结构尺寸，进而增加机械臂占用空间和重量，而在一些特殊应用场合，比如腹腔镜手术机器人需要在肚皮内的有限工作空间内完成手术动作，此种结构类型将受到一定的限制。

另外当前多数带有机械臂的机器人在机械臂设计完成后无法便捷的增加或减少其自由度，以完成一些特定的动作，以此不可避免的要设计多款机械臂，从而增加了设计成本。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种设有丝传动型万向关节的机械臂，此关节通过简单紧凑的结构，实现了机械臂的自转、俯仰、偏转等运动，增加了机械臂运动自由度，缩短机械臂的设计尺寸。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本实施例提供了一种微创手术机器人末端执行机械臂，其包括驱动盒、连杆、丝传动型万向关节、末端手术夹；所述驱动盒为末端执行机械臂的驱动模块，与电机相链接；所述连杆为驱动盒到万向关节之间的桥梁，此连杆为中空的，驱动盒内的钢丝由此到达各万向关节，且连杆内设有使钢丝按照预期规划的路线孔，防止钢丝在运动过程中缠绕在一起；所述丝传动型万向关节通过对十字万向节的应用，可使关节到达任意位置，实现万向运动；所述末端手术夹为整个机械臂的最末端，通过万向关节的运动，使其到达手术所需的位置，以此完成手术动作。

进一步的，其中丝传动型万向关节由支架、滑杆、偏转杆、十字万向节、定向球、偏转半球、自转轴承、自转驱动杆、定向轨道、前连接件、后连接件等部件组成；所述支架为整个万向关节的总支撑部分，万向关节内的所有部件均以此为支撑安装；所述十字万向节固定于支架的顶端，且每根轴两端均装有对应的轴承，可围绕各自的轴线转动，所述偏转半球与所述的十字万向节相连且以此为支撑偏转点；所述自转驱动杆可实现万向关节的自转运动，其一端刚性连接于第一连接件上，另一端串过一沿其轴线方向放置在驱动盒内部的轴承，通过齿轮外啮合与电机相连接；所述第一连接件内部与所述自转轴承过盈配合于支架底部，当给自转电机通电时，电机的动力通过自转驱动杆传递到万向关节，进而实现机械臂末端自转运动；所述滑杆置于支架的中间位置，主要起到导向的作用；所述偏转拉杆一端与偏转半球以转动副的方式连接，另一端与所述滑杆以移动副的方式连接，其作用是代替钢丝对所述偏转半球的直接驱动，减少钢丝的整体长度，降低弹性模量，使控制精度增加，另外减少钢丝在直接驱动偏转半球时由于打弯所增加的摩擦力，以此减少由于摩擦而损失的动力；所述的定向球作用是防止偏转半球发生偏转发生扭转，避免产生不必要的扭转力；所述前连接件与后连接件起衔接作用，可随意增加长度，以满足机械臂的整体结构需求；

进一步的，所述十字万向节固定于十字万向节固定架上，所述十字万向节是由两根相互交叉的轴一、轴二组成，其中轴一两端与固定架以转动副形式链接，可沿其所在轴线自由转动，另所述轴二穿过在轴一中部设的轴承，且此轴承的中点为轴线进行转动；当所述十字万向节中轴一绕所在轴线转动时，所述轴二将跟随轴一绕其所在的轴线转动，而此时的轴二亦可同时绕其自身轴线转动，所述十字万向节轴二两端与U型偏转件刚性连接，此U型偏转件中心点处通过一刚性连接轴与偏转半球相接，偏转半球与前连接件相连，前连接件与下一个关节的后连接件相连，进而将动力传递到下一关节；所述十字万向节置于所述偏转半球的内部，偏转半球以十字万向节为支撑点进行偏转。

进一步的，所述滑杆，偏转拉杆，每个万向关节均设有四根，其中，所述的四根滑杆与中点的连线间互为九十度；所述的偏转拉杆中每根的一端通过同时带有移动副和转动副的滑块与滑杆链接，所述滑块可沿所述滑杆上下移动，另一端通过一带转动副固定块与偏转半球固定链接，当所述滑块被相连钢丝拖动时，滑块带动偏转拉杆移动，进而偏转拉杆带动偏转半球移动。

进一步的，所述定向球与所述定向轨道相对应，其中每个万向关节中，定向球设有四个，定向轨道同样对应设有四条，其中每个定向球均卡入对应的凹槽内，可在凹槽内自由转动，凹槽的一端刚性链接在所述定向固定杆上，此时定向球露出的部分放置在所述定位轨道内，所述定位轨道设于偏转半球的内侧，与所述定向球以高副的形式对应接触，定位球可在定位轨道内自由滑动，当所述偏转半球转动时，所述的定向球与定向轨道给偏转半球偏转定位。

进一步的，所述前连接件与后连接件内设有通过钢丝的钢丝孔，钢丝孔是分开布置的，可防止万向关节在偏转的过程中钢丝互相缠绕，以此产生较大的摩擦力。

进一步的，所述机械臂末端手术夹可根据手术的不同更换不同的手术夹，以满足手术的需求。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种微创手术机器人末端执行机械臂，通过对十字万向节的运用，以及合理的结构配合，可实现一个关节，多个自由度，大大增加手术机器人末端机械臂的灵活性，且可根据需求，增加多个万向关节，可使微创手术机器人满足不同手术类型，使手术机器人的运用更加的广泛；本发明提供了一种高适用性、高灵活性和高稳定性的设有丝传动型万向关节的微创手术机器人末端执行机械臂，此机械臂可达到平常手术器械无法到达的位置，增加手术的安全性以及降低了手术难度。

附图说明

以下附图说明为了更清楚地介绍本发明实施例或现有技术中的技术方案，增强对本申请的进一步理解，本申请的示意性实例及其说明，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明设有丝传动型万向关节的微创手术机器人末端执行机械臂结构轴测图；

图2为本发明丝传动型万向关节轴测图；

图3为本发明丝传动型万向关节内部结构主视图；

图4为本发明丝传动型万向关节内部支架轴测图；

图5为本发明丝传动型万向关节顶部偏转半球内部示意图；

其中，A.末端手术夹，B-1.丝传动型万向关节一，B-2.丝传动型万向关节二，C.连杆，D.驱动盒，1.前连接件，2.偏转半球，3.支架，4.定向轨道5.后连接件，6.内圆盘，7.支架低钢丝通孔，8.自转驱动杆，9.偏转拉杆，10.带转动副固定块，11.刚性链接轴，12.U型偏转件，13.十字万向节，14.十字万向节轴一，15.定向固定杆，16.定向球，17.固定架，18.滑杆，19.自转轴承，20.外圆盘，21.滑块，22.支架顶钢丝通孔二，23.十字万向节轴二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，需要指出，所做附图及描述说明均是例示性的，所使用的术语也仅是为了描述具体的实施方式，而非意图限制依据本申请的示例性实施方式。

本实施例公开了一种微创手术机器人末端执行机械臂，如图1所示，所述机械臂包括驱动盒D、连杆C、丝传动型万向关节B-1、丝传动型万向关节B-2、末端手术夹A；所述驱动盒D为末端执行机械臂的驱动模块，与电机相链接；所述连杆C为驱动盒到万向关节之间的桥梁，此连杆C为中空的，驱动盒D内的钢丝穿过该连杆，由此到达各万向关节；且连杆C内设有使钢丝顺利穿过的钢丝通孔7、钢丝通孔23，且可防止钢丝在运动过程中缠绕在一起；所述丝传动型万向关节B-1、丝传动型万向关节B-2通过对十字万向节的应用，可使关节到达任意位置，进而实现万向运动；所述末端手术夹A为整个机械臂的最末端，通过各关节的配合运动，使其到达所需位置，完成手术动作。

进一步的，其中丝传动型万向关节B-1、丝传动型万向关节B-2的结构相同，每个丝传动型万向关节由支架3、滑杆18、偏转杆9、十字万向节13、定向球16、偏转半球4、自转轴承19、自转驱动杆8、定向轨道4、前连接件1、后连接件5等部件组成；

如图2、图3所示，所述支架3为整个万向关节的总支撑部分，万向关节内的所有部件均以此为支撑安装；本实施例中，支架3包括一个圆盘和固定在圆盘表面的十字万向节固定架17，在所述圆盘上设有支架顶钢丝通孔二22，圆盘的底部中心与自转驱动杆8相连，圆盘下方是后连接件5，后连接件5包括外圆盘20和内圆盘6，在内圆盘6上设有钢丝绳通孔7；内圆盘6的中心穿过自转驱动杆8，所述内圆盘6与外圆盘之间通过自转轴承19相连，内圆盘6与自转轴承19过盈配合；当给自转电机通电时，电机的动力通过自转驱动杆8传递到万向关节，进而实现机械臂末端自转运动。

进一步的，上述的十字万向节固定架17，包括两根十字交叉连接在一起的连杆，每根连杆包括一个水平杆和连接在水平杆两端且与其垂直的竖直杆，四个竖直杆的顶部各连接一个定向固定杆15，在每个定向固定杆15的外端固定有一个定向球16。

进一步的，所述十字万向节13固定于十字万向节固定架17上，所述十字万向节13是由两根相互交叉的轴一14、轴二23组成，其中轴一14两端与固定架17以转动副形式链接，可沿其所在轴线自由转动，另所述轴二23穿过在轴一14中部设的轴承，且此轴承的中点为轴线进行转动；当所述十字万向节13中轴一14绕所在轴线转动时，所述轴二23将跟随轴一14绕其所在的轴线转动，而此时的轴二23亦可同时绕其自身轴线转动，所述十字万向节轴二23两端与U型偏转件12刚性连接，此U型偏转件12中心点处通过一刚性连接轴11与偏转半球2相接，偏转半球2与前连接件1相连，前连接件1与下一个关节的后连接件5相连，进而将动力传递到下一关节；所述十字万向节13置于所述偏转半球2的内部，偏转半球2以十字万向节13为支撑点进行偏转。

上述的偏转半球2与所述的十字万向节13相连且以此为支撑偏转点；所述自转驱动杆8可实现万向关节的自转运动，其一端刚性连接于内圆盘6上，另一端串过一沿其轴线方向放置在驱动盒D内部的轴承，通过齿轮外啮合与电机相连接；所述内圆盘6与所述自转轴承19过盈配合于支架底部，当给自转电机通电时，电机的动力通过自转驱动杆8传递到万向关节，进而实现机械臂末端自转运动；所述滑杆18置于支架3的中间位置，主要起到导向的作用；所述偏转拉杆9一端与偏转半球2以转动副的方式连接，另一端与所述滑杆18以移动副的方式连接，其作用是代替钢丝对所述偏转半球2的直接驱动，减少钢丝的整体长度，降低弹性模量，使控制精度增加，另外减少钢丝在直接驱动偏转半球时由于打弯所增加的摩擦力，以此减少由于摩擦而损失的动力；所述的定向球16作用是防止偏转半球2发生偏转发生扭转，避免产生不必要的扭转力；

进一步的，由于在本实施例中，包括两个丝传动型万向关节，因此两个丝传动型万向关节需要通过连接件相连，其中连接件包括前连接件1与后连接件5，靠近连杆C的丝传动型万向关节B-2的前连接件1与另一个丝传动型万向关节B-1的后连接件5相连；且丝传动型万向关节B-2的后连接件5与连杆C相连，丝传动型万向关节B-1的前连接件1与末端手术夹A的连接件相连；不难理解的，在其他实施例中，丝传动型万向关节的数量还可是3个、1个或者4个等。前连接件1与后连接件5起衔接作用，可随意增加长度，以满足机械臂的整体结构需求。

更进一步的，所述后连接件5内设有多个通过钢丝的钢丝孔7、前连接件1内设有多个通过钢丝的钢丝孔22，且后连接件5和前连接件1上的钢丝孔前后对应，同轴设置，且各个钢丝孔是分开布置的，可防止万向关节在偏转的过程中钢丝互相缠绕，以此产生较大的摩擦力。

如图3所示，在本实施例中，每个万向关节中均设有四根相互平行的滑杆18，四根滑杆18的一端与支架低外圆盘20相连，另一端与支架3相连，其中，所述的四根滑杆18的轴线与自动驱动杆8的轴线平行；每个滑块21上连接一个偏转拉杆9，即偏转拉杆9设置四个，所述的偏转拉杆9中每根的一端通过同时带有移动副和转动副的滑块21与滑杆18链接，所述滑块22可沿所述滑杆18上下移动，另一端通过一带转动副固定块10与偏转半球2固定链接，当所述滑块22被相连钢丝拖动时，滑块22带动偏转拉杆9移动，进而偏转拉杆9带动偏转半球2移动。

进一步需要说明的是，在其他实施例中，滑杆18还可以设置5根，6根三根等，具体根据实际需要进行设置，但是优选的，滑杆18均匀设置。

进一步的，上述的定向球16与定向轨道4相对应，其中每个万向关节中，定向球16设有四个，定向轨道4同样对应设有四条，其中每个定向球16均卡入对应的凹槽内，可在凹槽内自由转动，凹槽的一端刚性链接在所述定向固定杆15上，此时定向球露出的部分放置在所述定位轨道4内，所述定位轨道4设于偏转半球的内侧，与所述定向球16以高副的形式对应接触，定位球16可在定位轨道4内自由滑动，当所述偏转半球2转动时，所述的定向球16与定向轨道4给偏转半球2偏转定位。

所述机械臂末端手术夹A可根据手术的不同更换不同的手术夹，以满足手术的需求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，其包括驱动盒、连杆、丝传动型万向关节、末端手术夹；

所述驱动盒为末端执行机械臂的驱动模块，与电机相连接；

所述连杆连接驱动盒与万向关节，连杆为中空的，供钢丝绳穿过；

所述的丝传动型万向关节包括支架、滑杆、偏转拉杆、十字万向节、偏转半球、自转轴承、自转驱动杆；

所述支架为整个万向关节的总支撑部分；所述十字万向节是由两根相互交叉的轴一、轴二组成，所述十字万向节固定于支架的顶端，且十字万向节每根轴两端均装有对应的轴承，能够围绕各自的轴线转动；所述自转驱动杆一端刚性连接于支架上，另一端与驱动装置相连；所述滑杆位于支架底部，连接支架与第一连接件，所述偏转拉杆一端与偏转半球以转动副的方式连接，另一端与所述滑杆以移动副的方式连接；

所述十字万向节能够使关节到达任意位置，实现万向运动,每个万向关节设有四根滑杆，其中，所述的四根滑杆的轴线与自转驱动杆平行，在每个滑杆上连接有一个偏转拉杆；

所述末端手术夹为整个机械臂的最末端。

2.如权利要求1所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，所述十字万向节轴一的中部设有双向对称轴承，轴二穿过此对称轴承以此为中心转动；所述十字万向节轴二两端与U型偏转件刚性连接，U型偏转件的中心点处通过一刚性连接轴与偏转半球相接，所述轴一的两端与支架以转动副形式连接，可沿其所在轴线自由转动。

3.如权利要求1所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，所述十字万向节置于所述偏转半球的内部，偏转半球以十字万向节为支撑点进行偏转。

4.如权利要求1所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，在所述的支架上还固定有定向球，所述定向球与设于偏转半球的内侧的定向轨道相配合。

5.如权利要求4所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，在每个万向关节中，所述定向球设有四个，定向轨道对应设有四条，其中定向球固定在定向固定杆上，所述定向固定杆安装在支架上。

6.如权利要求5所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，在所述的定向固定杆上设有凹槽，定向球能够在凹槽内自由转动，定向球露出的部分放置在所述定向轨道内。

7.如权利要求1所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，还包括第二连接件，第二连接件与偏转半球外侧相连，在第一连接件上设有钢丝绳孔。

8.如权利要求1所述的微创手术机器人末端执行机械臂，其特征在于，所述的支架包括一个圆盘和固定在圆盘表面的十字万向节固定架。

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