CN113081280B - 一种用于单孔微创手术的多臂机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于单孔微创手术的多臂机器人，包括柔性臂组件、柔性臂驱动组件、变向器组件和机器人支架组件，所述柔性臂驱动组件、变向器组件分别安装在所述机器人支架组件上，所述柔性臂驱动组件与所述柔性臂组件连接，所述柔性臂驱动组件驱动所述柔性臂组件进行前后运动和旋转运动，所述柔性臂组件穿过所述变向器组件后变向为相互平行。本发明的有益效果是：柔性臂组件的变向可缩小臂与臂的间距，减小做手术时给患者带来的创口伤害。

Description

一种用于单孔微创手术的多臂机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械，尤其涉及一种用于单孔微创手术的多臂机器人。
背景技术
微创、无创，是现代外科手术的总体发展趋势，与传统开放手术相比,微创手术具有出血少、疼痛轻、恢复快、疤痕细微或无痕等优点。传统开放手术使用的大型、刚性器械显然不能适应微创手术的需求，手术器械正在往小型化、柔性化方向发展。目前的柔性手术机器人的典型代表有同心管机器人和线驱机器人，其中同心管机器人是由一组预弯曲的高弹性同心管相互嵌套而成，每一根同心管具有平移和旋转两个自由度。相互嵌套的同心管由于平移量和旋转量的不同，可以形成不同曲率的线段，非常适用于进行微创手术，因为微创手术的工具所需要到达的病灶区域通常是狭长弯曲的。
按照进行微创手术时所开的创口的数量可简单的将微创手术划分为多孔微创手术和单孔微创手术两大类。目前的微创手术机器人较多为多孔微创手术机器人，相比于单孔微创手术，多孔微创手术对患者的伤害要大一些，而单孔微创手术机器人的难点在于如何缩小多个柔性臂之间的间距来减小手术器械的直径。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于单孔微创手术的多臂机器人。
本发明提供了一种用于单孔微创手术的多臂机器人，包括柔性臂组件、柔性臂驱动组件、变向器组件和机器人支架组件，所述柔性臂驱动组件、变向器组件分别安装在所述机器人支架组件上，所述柔性臂驱动组件与所述柔性臂组件连接，所述柔性臂驱动组件驱动所述柔性臂组件进行前后运动和旋转运动，所述柔性臂组件穿过所述变向器组件后变向为相互平行。
作为本发明的进一步改进，所述柔性臂组件有三个，所述柔性臂驱动组件与所述柔性臂组件一一对应，三个所述柔性臂驱动组件呈“金字塔”状安装在所述机器人支架组件上。
作为本发明的进一步改进，三个所述柔性臂组件与中心轴倾斜10°安装。
作为本发明的进一步改进，所述柔性臂组件包括两根相互嵌套的高弹性同心管，每根所述高弹性同心管固定安装在所述柔性臂驱动组件上。
作为本发明的进一步改进，每根所述高弹性同心管均采用镍钛合金材料制成，且前端部分均采用加热预成型，具有设定的曲率，每根所述高弹性同心管的刚度相同，所述柔性臂组件的前端安装有手术工具。
作为本发明的进一步改进，包括臂前端架、臂后端架、丝杠机构、导向机构和移载车机构，所述臂前端架、臂后端架前后布置，所述丝杠机构架设在所述臂前端架、臂后端架上，所述导向机构架设在所述臂前端架、臂后端架上，所述丝杠机构、导向机构平行设置，所述移载车机构与所述导向机构构成移动副，所述丝杠机构与所述移载车机构连接，所述丝杠机构驱动所述移载车机构进行前后运动。
作为本发明的进一步改进，所述移载车机构有两个，每个所述移载车机构对应一个所述丝杠机构，所述丝杠机构包括前后运动电机、联轴器、丝杠和丝杆螺帽，所述前后运动电机通过所述联轴器与所述丝杠连接，所述丝杆螺帽安装在所述丝杠上，所述移载车机构安装在所述丝杆螺帽上，所述臂前端架、臂后端架上均设有臂端架芯，所述丝杠的前后两端分别安装在所述臂前端架、臂后端架上的臂端架芯上，所述导向机构包括导向轴和直线轴承，所述导向轴的前后两端分别安装在所述臂前端架、臂后端架上的臂端架芯上，所述移载车机构通过所述直线轴承与所述导向轴前后滑动配合。
作为本发明的进一步改进，所述移载车机构包括旋转运动电机、离合器和蜗轮蜗杆机构，所述旋转运动电机通过所述离合器与所述蜗轮蜗杆机构中的蜗杆连接，所述蜗轮蜗杆机构中的蜗轮与所述高弹性同心管连接，所述旋转运动电机通过所述蜗轮蜗杆机构驱动所述高弹性同心管进行旋转运动。
作为本发明的进一步改进，所述机器人支架组件包括前支撑架和后支撑架，所述柔性臂驱动组件的两端分别与所述前支撑架和后支撑架固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述变向器组件包括变向器外壳、水平面变向体、竖直面变向体、变向补充体和集合管，所述水平面变向体、竖直面变向体均设有圆柱销，用以引导柔性臂组件进行变向，所述水平面变向体、竖直面变向体、变向补充体均安装在所述变向器外壳中，所述集合管安装在所述变向器外壳的前端，所述每个柔性臂组件均从所述变向器组件的内槽通过，并通过所述的变向器组件的圆柱销进行引导扭曲成圆弧状后实现变向功能。
本发明的有益效果是：柔性臂组件的变向可缩小臂与臂的间距，减小做手术时给患者带来的创口伤害。
附图说明
图1是一种用于单孔微创手术的多臂机器人的整体结构示意图。
图2是一种用于单孔微创手术的多臂机器人的柔性臂组件示意图。
图3是一种用于单孔微创手术的多臂机器人的柔性臂驱动组件示意图。
图4是一种用于单孔微创手术的多臂机器人的柔性臂驱动组件的移载车结构示意图。
图5是一种用于单孔微创手术的多臂机器人的变向器组件示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，一种用于单孔微创手术的多臂机器人，包括三个柔性臂组件4、三个柔性臂驱动组件3、变向器组件1和机器人支架组件2。三个柔性臂驱动组件3呈“金字塔”状安装在机器人支架组件2上；变向器组件1安装在机器人支架组件2上；三个柔性臂组件4均包括两根相互嵌套的高弹性同心管5，每根高弹性同心管5固定安装在柔性臂驱动组件3上，柔性臂驱动组件3驱动每根高弹性同心管5前后运动和旋转运动；三个柔性臂组件4穿过变向器组件1后变向为相互平行。
如图2所示，三个柔性臂组件4与中心轴倾斜10°安装，每根高弹性同心管5均采用镍钛合金材料，且前端部分均加热预成型，具有一定的曲率，每根高弹性同心管5的刚度相同，每个柔性臂组件4的前端安装有手术工具。
如图3所示，机器人支架组件2包括前支撑架19和后支撑架18，三个柔性臂驱动组件3的两端分别与前支撑架19和后支撑架18固定连接。
如图3所示，三个柔性臂驱动组件3均包括两根丝杆8、四个丝杠轴承9、两根导向轴6、四个直线轴承12、两个丝杠螺帽7、两个臂端架芯10、臂前端架13、臂后端架11、电机座16、两个前后运动电机17、两个联轴器15和两个移载车机构14，两根导向轴6固定在两个臂端架芯10的侧边两个孔中，两根丝杠8通过所述四个丝杠轴承9过盈配合在两个臂端架芯10的中间两个孔中，两个臂端架芯10分别安装在臂前端架13和臂后端架11中，电机固定座16安装在机器人支架组件2的后支撑架18上，两个前后运动电机17分别安装在电机座16上，两个前后运动电机17分别与丝杠8后端通过联轴器15配合，两个移载车机构14分别通过四个直线轴承12与两根导向轴6配合，两个移载车机构14通过两个丝杆螺帽7分别与两根丝杆8进行配合连接；前后运动电机17通过驱动丝杠8进行转动，从而驱动移载车机构14进行前后运动。
如图4所示，两个移载车机构14均包括移载车底座21、两个旋转运动电机20、两个离合器下半部分27、两个离合器上半部分31、两个蜗轮24、两个蜗杆23、轴承25、磁铁30、移动架子28和移动架子盖26，两个旋转运动电机20安装在移载车底座21上，两个离合器下半部分27分别与一个旋转运动电机20输出轴连接，两个离合器上半部分31通过轴承25与所述移动架子28配合，两个蜗杆23下端与离合器上半部分31内孔配合，上端通过轴承25与移动架子盖26配合，移动架子盖26安装在移动架子28上，两个蜗轮24分别与两个蜗杆23进行配合并通过轴承25安装在移动架子28上，磁铁30分别安装在移动架子28和移载车底座21的通孔中，移动架子28与移载车底座21通过磁铁31和移载车底座21的定位孔进行吸附并固定，可以快速对准并通过离合器的配合进行传动。
如图1、3、4所示，高弹性同心管5均固定在蜗轮24的内孔中，跟随蜗轮24转动实现高弹性同心管5的旋转运动。
如图1、4所示，移动架子28与移动车底座21的配合为磁力吸附，便于拆装或更换整个柔性臂组件4。
如图5所示，变向器组件1包括变向器外壳36、水平面变向体34、竖直面变向体33、变向补充体37和集合管32，水平面变向体34、竖直面变向体33均设有圆柱销，用以引导柔性臂组件4进行变向，水平面变向体34、竖直面变向体33、变向补充体37均安装在变向器外壳36中，集合管32安装在变向器外壳36前端，每个柔性臂组件4均从变向器组件1的内槽通过，并通过变向器组件1的圆柱销进行引导扭曲成圆弧状后实现变向功能。
下面结合图1-5说明该种用于单孔微创手术的多臂机器人的工作原理。机器人的三个柔性臂组件可以分别安装不同的手术工具，如镊子、剪刀或内窥镜。每个柔性臂驱动组件的两个前后运动电机分别通过联轴器驱动对应的丝杠进行旋转，通过丝杠与丝杠螺帽的配合将旋转运动转化为移载车机构的直线运动，移载车机构中的旋转电机通过离合器与驱动对应蜗杆进行转动，蜗杆将动力传给蜗轮，因为每根高弹性同心管均与一个移载车机构的蜗轮固定在一起，这样便可以实现每根高弹性同心管的独立前后运动和旋转运动，以获得不同的平移量和旋转量，使柔性臂组件形成不同的恒曲率曲线段。本发明的三个柔性臂组件的安装组合方式是“金字塔”形状的，三个柔性臂组件最终需要汇集到一个平行的集合管中。三个柔性臂的变向原理是类似的，变向的原理是利用变向器组件中的三个圆柱销和集合管的入口将柔性臂组件进行引导，形成一条圆弧，最终在集合管的入口处完成整个柔性臂组件的变向。
本发明的有益效果如下：
1）本发明采用模块化设计，利于更换手术工具；
2）柔性臂的变向可缩小臂与臂的间距，减小做手术时给患者带来的创口伤害。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：包括柔性臂组件、柔性臂驱动组件、变向器组件和机器人支架组件，所述柔性臂驱动组件、变向器组件分别安装在所述机器人支架组件上，所述柔性臂驱动组件与所述柔性臂组件连接，所述柔性臂驱动组件驱动所述柔性臂组件进行前后运动和旋转运动，所述柔性臂组件至少有两个并且穿过所述变向器组件后变向为相互平行，所述变向器组件包括变向器外壳、水平面变向体、竖直面变向体、变向补充体和集合管，所述水平面变向体、竖直面变向体均设有圆柱销，用以引导柔性臂组件进行变向，所述水平面变向体、竖直面变向体、变向补充体均安装在所述变向器外壳中，所述集合管安装在所述变向器外壳的前端，每个所述柔性臂组件均从所述变向器组件的内槽通过，并通过所述的变向器组件的圆柱销进行引导扭曲成圆弧状后实现变向功能。
2.根据权利要求1所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：所述柔性臂组件有三个，所述柔性臂驱动组件与所述柔性臂组件一一对应，三个所述柔性臂驱动组件呈“金字塔”状安装在所述机器人支架组件上。
3.根据权利要求2所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：三个所述柔性臂组件与中心轴倾斜10°安装。
4.根据权利要求1所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：所述柔性臂组件包括两根相互嵌套的高弹性同心管，每根所述高弹性同心管固定安装在所述柔性臂驱动组件上。
5.根据权利要求4所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：每根所述高弹性同心管均采用镍钛合金材料制成，且前端部分均采用加热预成型，具有设定的曲率，每根所述高弹性同心管的刚度相同，所述柔性臂组件的前端安装有手术工具。
6.根据权利要求4所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：所述柔性臂驱动组件包括臂前端架、臂后端架、丝杠机构、导向机构和移载车机构，所述臂前端架、臂后端架前后布置，所述丝杠机构架设在所述臂前端架、臂后端架上，所述导向机构架设在所述臂前端架、臂后端架上，所述丝杠机构、导向机构平行设置，所述移载车机构与所述导向机构构成移动副，所述丝杠机构与所述移载车机构连接，所述丝杠机构驱动所述移载车机构进行前后运动。
7.根据权利要求6所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：所述移载车机构有两个，每个所述移载车机构对应一个所述丝杠机构，所述丝杠机构包括前后运动电机、联轴器、丝杠和丝杆螺帽，所述前后运动电机通过所述联轴器与所述丝杠连接，所述丝杆螺帽安装在所述丝杠上，所述移载车机构安装在所述丝杆螺帽上，所述臂前端架、臂后端架上均设有臂端架芯，所述丝杠的前后两端分别安装在所述臂前端架、臂后端架上的臂端架芯上，所述导向机构包括导向轴和直线轴承，所述导向轴的前后两端分别安装在所述臂前端架、臂后端架上的臂端架芯上，所述移载车机构通过所述直线轴承与所述导向轴前后滑动配合。
8.根据权利要求6所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：所述移载车机构包括旋转运动电机、离合器和蜗轮蜗杆机构，所述旋转运动电机通过所述离合器与所述蜗轮蜗杆机构中的蜗杆连接，所述蜗轮蜗杆机构中的蜗轮与所述高弹性同心管连接，所述旋转运动电机通过所述蜗轮蜗杆机构驱动所述高弹性同心管进行旋转运动。
9.根据权利要求1所述的用于单孔微创手术的多臂机器人，其特征在于：所述机器人支架组件包括前支撑架和后支撑架，所述柔性臂驱动组件的两端分别与所述前支撑架和后支撑架固定连接。
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