CN113116529A

CN113116529A - 手术机器人用前端执行装置

Info

Publication number: CN113116529A
Application number: CN202110416826.6A
Authority: CN
Inventors: 孙月海
Original assignee: Institute Of Medical Robot And Intelligent System Tianjin University
Current assignee: Shandong Weigao Surgical Robot Co Ltd
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2041-04-16
Also published as: CN113116529B

Abstract

本公开提供了一种手术机器人用前端执行装置，包括：连接座、十字轴、俯仰驱动部、开合钳和开合驱动部；连接座第一端与手术器械导管前端连接；十字轴的第一轴线方向与十字轴的第二轴线方向垂直相交；十字轴第一轴端和第二轴端一并与连接座第二端枢转连接；俯仰驱动部与十字轴的第一轴端枢转连接；开合钳与十字轴的第三轴端枢转连接；开合驱动部与十字轴的第二轴端枢转连接，且与开合钳啮合相连；开合驱动部驱动开合钳绕十字轴的第二轴线方向转动。本公开结构布置方式具有解耦特性，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性。

Description

手术机器人用前端执行装置

技术领域

本公开涉及医疗机器人领域，尤其涉及一种手术机器人用前端执行装置。

背景技术

在机器人辅助微创手术实施过程中，手术器械通过戳卡到达病灶部位后，手术器械前端执行装置的初始位置为一个向某方向偏转的位姿，以便实现手术操作动作。手术过程中前端执行装置的运动大多在上述方向范围内完成。为使前端执行装置在手术过程中保持具有偏转角度的位姿，目前大部分已公开的前端执行装置中都会有一过渡关节结构。过渡关节结构会增加钳页做夹持动作时的驱动力臂，使前端执行装置负载能力降低，影响驱动力的传递效率和传动精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种手术机器人用前端执行装置，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种手术机器人用前端执行装置，包括：

连接座，所述连接座第一端与手术器械导管前端连接；

十字轴，所述十字轴的第一轴线方向与所述十字轴的第二轴线方向垂直相交；所述十字轴的第一轴线方向的两侧分别布置有第一轴端和第二轴端，所述十字轴的第二轴线方向的一侧布置有第三轴端；所述第一轴端和所述第二轴端一并与连接座第二端枢转连接；

俯仰驱动部，所述俯仰驱动部与所述十字轴的第一轴端枢转连接；

开合钳，所述开合钳与所述十字轴的第三轴端枢转连接；

开合驱动部，所述开合驱动部与所述十字轴的第二轴端枢转连接，且与所述开合钳啮合相连，所述开合驱动部驱动所述开合钳绕所述十字轴的第二轴线方向转动。

在本公开的一些实施例中，所述俯仰驱动部包括：

俯仰驱动轮，与所述十字轴的第一轴端枢转连接；

第一驱动丝，绕设在所述俯仰驱动轮上，且所述第一驱动丝穿过所述手术器械导管与器械驱动装置连接；所述器械驱动装置通过所述第一驱动丝驱动所述俯仰驱动轮转动。

在本公开的一些实施例中，所述开合驱动部包括：

第一锥齿轮，与所述十字轴的第二轴端枢转连接；

第一开合驱动轮，与所述第一锥齿轮的齿背端连接；所述第一开合驱动轮转动带动所述第一锥齿轮转动；

第二驱动丝，绕设在所述第一开合驱动轮上，且所述第二驱动丝穿过手术器械导管与器械驱动装置连接；所述器械驱动装置通过所述第二驱动丝驱动所述第一开合驱动轮转动；

第二锥齿轮，与所述十字轴的第二轴端枢转连接；

第二开合驱动轮，与所述第二锥齿轮的齿背端连接；所述第二开合驱动轮转动带动所述第二锥齿轮转动；

第三驱动丝，绕设在所述第二开合驱动轮上，且所述第三驱动丝穿过手术器械导管与器械驱动装置连接；所述器械驱动装置通过所述第三驱动丝驱动所述第二开合驱动轮转动。

在本公开的一些实施例中，所述开合钳包括：

第一开合钳页，所述第一开合钳页与所述十字轴的第三轴端枢转连接；

第一开合锥齿轮，所述第一开合钳页的转动端与所述第一开合锥齿轮固定连接；所述第一开合锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合连接；

第二开合钳页，所述第二开合钳页与所述十字轴的第三轴端枢转连接；

第二开合锥齿轮，所述第二开合钳页的转动端与所述第二开合锥齿轮固定连接；所述第二开合锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合连接。

在本公开的一些实施例中，所述俯仰驱动轮的转动轴线与所述十字轴的第一轴线方向相重合。

在本公开的一些实施例中，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮的转动轴线与所述十字轴的第一轴线方向相重合；所述第一开合驱动轮和所述第二开合驱动轮的转动轴线与所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮的转动轴线相重合。

在本公开的一些实施例中，所述开合钳的转动轴线与所述十字轴的第二轴线方向相重合。

在本公开的一些实施例中，所述俯仰驱动轮上设置有丝槽，所述第一驱动丝绕设在所述俯仰驱动轮的所述丝槽上；所述第一驱动丝包角为π。

在本公开的一些实施例中，所述第一开合驱动轮和所述第二开合驱动轮上均设置有丝槽，所述第二驱动丝绕设在所述第一开合驱动轮的所述丝槽上，所述第三驱动丝绕设在所述第二开合驱动轮的所述丝槽上；所述第二驱动丝和所述第三驱动丝包角均为π。

在本公开的一些实施例中，所述连接座上还设置穿丝孔。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开手术机器人用前端执行装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开结构布置方式具有解耦特性，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性。

(2)本公开缩短轴向尺寸，在相同驱动丝拉力的驱动下，能够获得更大的夹持力和偏转弯矩，有助于提高手术器械的负载能力。

(3)本公开采用锥齿轮传动，减小驱动丝包角，提高驱动力的传递效率和传动精度。

附图说明

图1为本公开实施例手术机器人用前端执行装置运动示意图。

图2为本公开实施例手术机器人用前端执行装置结构爆炸示意图。

图3为本公开实施例手术机器人用前端执行装置驱动丝一角度示意图。

图4为本公开实施例手术机器人用前端执行装置驱动丝另一角度示意图。

图5为本公开实施例手术机器人用前端执行装置初始位姿示意图。

图6为本公开实施例手术机器人用前端执行装置通过戳卡时位姿示意图。

图7为本公开另一实施例手术机器人用前端执行装置运动示意图。

具体实施方式

关于十字轴的轴端设置，具体为：十字轴的第一轴线方向的两侧分别布置有第一轴端和第二轴端，十字轴的第二轴线方向的一侧布置有第三轴端。

以下分别对本实施例手术机器人用前端执行装置的各个组成部分进行详细描述。

俯仰驱动部，包括：俯仰驱动轮和第一驱动丝。俯仰驱动轮与十字轴的第一轴端枢转连接。第一驱动丝绕设在俯仰驱动轮上，且第一驱动丝穿过手术器械导管与器械驱动装置连接。器械驱动装置通过第一驱动丝驱动俯仰驱动轮转动。

开合驱动部，包括：第一锥齿轮、第一开合驱动轮、第二驱动丝、第二锥齿轮、第二开合驱动轮和第三驱动丝。第一锥齿轮与十字轴的第二轴端枢转连接。第一开合驱动轮与第一锥齿轮的齿背端连接；第一开合驱动轮转动带动第一锥齿轮转动。第二驱动丝绕设在第一开合驱动轮上，且第二驱动丝穿过手术器械导管与器械驱动装置连接；器械驱动装置通过第二驱动丝驱动第一开合驱动轮转动。第二锥齿轮与十字轴的第二轴端枢转连接。第二开合驱动轮与第二锥齿轮的齿背端连接；第二开合驱动轮转动带动第二锥齿轮转动。第三驱动丝绕设在第二开合驱动轮上，且第三驱动丝穿过手术器械导管与器械驱动装置连接；器械驱动装置通过第三驱动丝驱动第二开合驱动轮转动。

开合钳，包括：第一开合钳页、第一开合锥齿轮、第二开合钳页和第二开合锥齿轮。第一开合钳页与十字轴的第三轴端枢转连接。第一开合钳页的转动端与第一开合锥齿轮固定连接；第一开合锥齿轮与第一锥齿轮啮合连接。第二开合钳页与十字轴的第三轴端枢转连接。第二开合钳页的转动端与第二开合锥齿轮固定连接；第二开合锥齿轮与第二锥齿轮啮合连接。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种手术机器人用前端执行装置。图1为本公开实施例手术机器人用前端执行装置运动示意图。如图1所示，手术机器人用前端执行装置包括连接座101，用于连接手术器械导管和手术机器人用前端执行装置，连接座101固定安装在手术器械导管前端，连接座101回转轴线与手术器械导管轴线重合，手术器械导管绕自身轴线的转动可带动手术机器人用前端执行装置同步转动，实现手术机器人用前端执行装置的自转运动。手术机器人用前端执行装置还包括：十字轴102，两个用于完成手术操作动作的开合钳页安装在十字轴的第三轴端同侧，即十字轴上方。两个开合钳页分别为第一开合钳页和第二开合钳页。开合钳页开合运动的转动轴线与偏转运动第二轴线R2重合设置。

图2为本公开实施例手术机器人用前端执行装置结构爆炸示意图。结合图2所示，连接座101包括底座和支撑座103。底座的一端连接手术器械导管前端，底座的另一端连接支撑座103。十字轴102的第一轴端和第二轴端安装在连接座101上设置的支撑座103上，十字轴102可绕第一轴线R1转动，十字轴102的第一轴端与俯仰驱动部枢转连接。

关于俯仰驱动部具体包括：俯仰驱动轮104和第一驱动丝111。十字轴102的第一轴端固定安装有俯仰驱动轮104，俯仰驱动轮104转动轴线与十字轴102的第一轴线R1重合设置，俯仰驱动轮104的转动可带动十字轴102绕第一轴线R1转动，第一轴线R1与第二轴线R2垂直相交。

十字轴102第二轴端安装有第一锥齿轮105和第二锥齿轮106。两个锥齿轮可在十字轴102上做绕第一轴线R1的转动运动。第一锥齿轮105的齿背端固定安装有第一开合驱动轮107，第一开合驱动轮107回转轴线与第一锥齿轮105回转轴线重合设置，第一开合驱动轮107的转动可带动第一锥齿轮105转动。第二锥齿轮106的齿背端固定安装有第二开合驱动轮108，第二开合驱动轮108的回转轴线与第二锥齿轮106回转轴线重合设置，第二开合驱动轮108的转动可带动第二锥齿轮106转动。

十字轴102上方，即第三轴端安装有第一开合钳页109、第二开合钳页110，两个开合钳页转动端分别固定安装有开合锥齿轮，用于驱动两个开合钳页的独立转动，两个开合钳页可在十字轴102上做绕第二轴线R2的转动运动，即实现偏转运动和开合运动。固设于第一开合钳页109上的第一开合锥齿轮与第一锥齿轮105啮合，第一开合锥齿轮与第一锥齿轮105啮合后，第一开合驱动轮107的转动可带动第一开合钳页109绕第二轴线R2转动。固设于第二开合钳页110上的第二开合锥齿轮与第二锥齿轮106啮合后，第二开合驱动轮108的转动可带动第二开合钳页110绕第二轴线R2转动。

图3为本公开实施例手术机器人用前端执行装置驱动丝一角度示意图。图4为本公开实施例手术机器人用前端执行装置驱动丝另一角度示意图。结合图3、图4所示，俯仰驱动轮104、第一开合驱动轮107、第二开合驱动轮108上均设置有丝槽。对于俯仰运动对应的第一轴线R1，第一驱动丝111两端绕过俯仰驱动轮104，穿过连接座101上设置的穿丝孔，后通过手术器械导管内部进入器械驱动装置内。第一驱动丝111张紧后，拉动第一驱动丝111两端可带动俯仰驱动轮104转动，实现俯仰运动。

对于偏转运动对应的第二轴线R2和开合运动方向K，第二驱动丝112两端绕过第一开合驱动轮107，穿过连接座101上设置的穿丝孔，后通过手术器械导管内部进入器械驱动装置内。第二驱动丝112张紧后，拉动第二驱动丝112两端可带动第一开合驱动轮转动，实现第一开合钳页109绕第二轴线R2的转动。第三驱动丝113两端绕过第二开合驱动轮108，穿过连接座101上设置的穿丝孔，后通过手术器械导管内部进入器械驱动装置内。第三驱动丝113张紧后，拉动第三驱动丝113两端可带动第二开合驱动轮108转动，实现第二开合钳页110绕第二轴线R2的转动。第一开合钳页109和第二开合钳页110绕第二轴线R2的转动实现了偏转运动和开合运动。

图5为本公开实施例手术机器人用前端执行装置初始位姿示意图。如图5所示，本身实施例中手术机器人用前端执行装置中的驱动丝包角仅为π。手术机器人用前端执行装置中的驱动丝包括：第一驱动丝、第二驱动丝和第三驱动丝。

图6为本公开实施例手术机器人用前端执行装置通过戳卡时位姿示意图。如图6所示，在手术实施过程中，将手术机器人用前端执行装置调整至如图6所示的位姿，则手术器械可插入戳卡进入患者体内，当手术器械前端到达病灶部位后，将手术机器人用前端执行装置姿态调整至如图5所示的初始位姿，则可进行手术操作动作。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种手术机器人用前端执行装置。图7为本公开另一实施例手术机器人用前端执行装置运动示意图。如图7所示，与第一个示例性实施例的手术机器人用前端执行装置相比，本实施例手术机器人用前端执行装置区别在于：十字轴102上的第一轴线R1的方向与第二轴线R2的方向相交于一点且非垂直设置，第一轴线R1的方向和第二轴线R2的方向间夹角可设置为不同角度以适应不同的手术术式。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开手术机器人用前端执行装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种具有解耦特性，便于运动学模型建立的手术机器人用前端执行装置，本公开前端执行装置在轴向尺寸更短，在相同驱动丝拉力的驱动下，可获得更大的夹持力和偏转弯矩，有助于提高手术器械的负载能力，同时提高驱动力的传递效率和传动精度，可以广泛应用于医疗机器人领域。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种手术机器人用前端执行装置，包括：

连接座，所述连接座第一端与手术器械导管前端连接；

开合钳，所述开合钳与所述十字轴的第三轴端枢转连接；

2.根据权利要求1所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述俯仰驱动部包括：

俯仰驱动轮，与所述十字轴的第一轴端枢转连接；

3.根据权利要求1所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述开合驱动部包括：

第一锥齿轮，与所述十字轴的第二轴端枢转连接；

第二锥齿轮，与所述十字轴的第二轴端枢转连接；

4.根据权利要求3所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述开合钳包括：

5.根据权利要求2所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述俯仰驱动轮的转动轴线与所述十字轴的第一轴线方向相重合。

6.根据权利要求3所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮的转动轴线与所述十字轴的第一轴线方向相重合；所述第一开合驱动轮和所述第二开合驱动轮的转动轴线与所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮的转动轴线相重合。

7.根据权利要求1所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述开合钳的转动轴线与所述十字轴的第二轴线方向相重合。

8.根据权利要求2所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述俯仰驱动轮上设置有丝槽，所述第一驱动丝绕设在所述俯仰驱动轮的所述丝槽上；所述第一驱动丝包角为π。

9.根据权利要求3所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述第一开合驱动轮和所述第二开合驱动轮上均设置有丝槽，所述第二驱动丝绕设在所述第一开合驱动轮的所述丝槽上，所述第三驱动丝绕设在所述第二开合驱动轮的所述丝槽上；所述第二驱动丝和所述第三驱动丝包角均为π。

10.根据权利要求1所述的手术机器人用前端执行装置，其中，所述连接座上还设置穿丝孔。