CN113303912A - 一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，该蛇形臂由驱动轴芯和多个相互铰接的子节段构成，每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分。本发明末端可连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构，组成一种灵巧的微器械，安装在微创外科手术机器人系统的末端，辅助开展微创外科手术。本发明将蛇形臂关节模块化，并将每个关节的驱动独立出来，提高了蛇形臂的灵活性，可以实现将末端执行机构灵巧地送达病灶附近开展手术。

Description

一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其是微创外科手术机器人系统中的微器械，具体地，涉及一种面向微创外科手术的多自由度蛇形臂。
背景技术
目前微创手术已经深得人心，成为许多手术的主流方案，并且日益依赖于灵巧操作的微器械实现极限的手术操作。以da Vinci(达芬奇)系统为代表的手术机器人系统在微创外科手术中取得了广泛应用，其采用单个或多个毫米级的体表创口建立手术通道，由末端执行器和蛇形臂组成的微器械通过通道进入手术部位。微创外科手术创伤小的特点要求手术机器人系统末端的微器械尺寸足够小，同时满足运动空间和若干个自由度灵巧操作的要求。
由于空间受限，目前机器人系统末端的微器械大部分采用电机后置，由绳索传递运动的方式牵引各自由度运动。多自由度的运动需要灵巧的传动布置，需要巧妙地运用有限空间布置灵巧的传动结构，带来了以下问题：1、多个自由度都需要绳索单独驱动，导致绳索数量增多，布线困难；2、各个自由度之间耦合严重，导致控制复杂，传动精度低；3、自由度的多少严重依赖传动机构需要的空间大小，整个蛇形臂的自由度受限。
发明内容
为了满足微创手术对器械的尺寸与灵活性的要求，解决传动困难的问题，在不丢失末端执行器自由度的前提下，使蛇形臂能灵巧地到达病灶附近，并自由地开展手术工作，本发明提供一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，以提高微创外科手术机器人手术操作的灵巧性。
本发明针对现有技术的不足所采用的技术方案是：一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，包括N段完全相同的子节段和驱动轴芯，每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分；
所述外部套筒为薄壁套筒结构，其内部设有一段内螺纹，其两端分别设有两个耳部，一端的两个耳部设有互相对称的凸台，另一端的两个耳部设有互相对称的通孔，所述外部套筒通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒相连，相邻两节段间凸台与通孔相互配合；
所述内部传动组件包括螺纹套管、滑动套管、齿轮组、定滑轮组和传动带；
所述螺纹套管为空心套管结构，其内部设有内花键，其一端设有卡扣结构，其外壁通过外螺纹与所述外部套筒的内螺纹相连，螺纹套管通过螺纹副可以在外部套筒内运动；
所述滑动套管为空心套管结构，其前后两侧设有滑台，可在所述外部套筒内沿轴向滑动，其左右两侧开有槽口，槽口内铣有与齿轮配合的齿条，其一端与所述螺纹套管通过卡扣结构相连，滑动套管与螺纹套管可以相互转动；
所述齿轮组由两个对称的齿轮组成，分别固定在所述外部套筒侧壁的定位孔中，齿轮轴线方向与滑动套管的槽口中心线垂直；
所述定滑轮组由两个对称的定滑轮组成，分别固定在所述外部套筒侧壁的定位孔中，每个定滑轮有两个滑槽，用于布置所述传动带；
所述外部套筒一端的通孔侧壁上设有滑槽，用于布置下一节段的传动带；
所述传动带是由四条带组成的二级传动，可以实现将齿轮组的转动传递给所述外部套筒；
所述驱动轴芯为头部铣有外花键的空心软轴，头部外花键可与不同节段的螺纹套管内花键接触，从而实现对不同节段的分时驱动。
进一步地，所述外部套筒两端耳部的凸台轴线方向与通孔轴线方向相互垂直。
进一步地，所述外部套筒侧壁开有定位孔，用于固定齿轮组和定滑轮组。
进一步地，所述外部套筒内壁铣有滑道，所述滑动套管的滑台可在所述外部套筒内沿轴向滑动。
进一步地，所述驱动轴芯可以自由弯曲但具有良好的抗扭转性能。
本发明的有益效果是：本发明提出的蛇形臂具有模块化关节，且各关节的驱动相互独立。各个关节的内部传动组件通过分时切换地与驱动轴芯相连，可以实现各个关节的独立转动。由于各个关节的转动都来源于驱动轴芯的转动和内部传动组件的传递，不需要为每一个自由度单独设置动力源和传动部件，所以传动布线简单。由于各个关节的弯曲是分时独立的，因此各关节自由度相互间没有耦合，控制简单，传动精度高。由于各个关节的弯曲都是由内部传动组件分时切换地与驱动轴芯相连实现的，因此整个蛇形臂的自由度可以通过关节模块数量实现灵活增减。本发明通过巧妙设计蛇形臂的传动结构，满足了微创手术对蛇形臂尺寸和灵巧性的要求，通过末端连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构，可以实现精准地将末端执行机构送到工作区域，辅助外科医生完成微创外科手术。
附图说明
图1外观效果图；
图2为子节段爆炸图；
图3为子节段剖视图；
图4为滑动套管外观图；
图5为两个子节段相连处的局部视图；
图中：1.外部套筒，2.驱动轴芯，3.螺纹套管，4.滑动套管，5.齿轮组，6.定滑轮组，7.传动带。
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详细说明。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，包括N段完全相同的子节段和驱动轴芯，每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分；
所述外部套筒1为薄壁套筒结构，其内部设有一段内螺纹，其两端分别设有两个耳部，一端的两个耳部设有互相对称的凸台，另一端的两个耳部设有互相对称的通孔，所述外部套筒1通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒1相连，相邻两节段间凸台与通孔相互配合；
所述内部传动组件包括螺纹套管3、滑动套管4、齿轮组5、定滑轮组6和传动带7；
所述螺纹套管3为空心套管结构，其内部设有内花键，其一端设有卡扣结构，其外壁通过外螺纹与所述外部套筒1的内螺纹相连，螺纹套管3通过螺纹副可以在外部套筒1内运动；
如图4所示，所述滑动套管4为空心套管结构，其前后两侧设有滑台，可在所述外部套筒1内沿轴向滑动，其左右两侧开有槽口，槽口内铣有与齿轮配合的齿条，其一端与所述螺纹套管3通过卡扣结构相连，滑动套管4与螺纹套管3可以相互转动；
所述齿轮组5由两个对称的齿轮组成，分别固定在所述外部套筒1侧壁的定位孔中，齿轮轴线方向与滑动套管4的槽口中心线垂直；
如图5所示，所述定滑轮组6由两个对称的定滑轮组成，分别固定在所述外部套筒1侧壁的定位孔中，每个定滑轮有两个滑槽，用于布置所述传动带7；所述外部套筒1一端的通孔侧壁上设有滑槽，用于布置下一节段的传动带7；
所述传动带7是由四条带组成的二级传动，可以实现将齿轮组5的转动传递给所述外部套筒1；
所述驱动轴芯2为头部铣有外花键的空心软轴，头部外花键可与不同节段的螺纹套管3内花键接触，从而实现对不同节段的分时驱动。
【实施例1】
蛇形臂末端通过连接爪钳、镊子、剪刀等执行机构，组成一种微器械安装在微创外科手术机器人系统上，可以实现精准地将末端执行机构送到工作区域，辅助外科医生完成手术。
如图1所示，整个蛇形臂由N段完全相同的子节段和驱动轴芯构成，各个子节段间通过铰接关节可以相互转动，组合完成整个蛇形臂的弯曲。如图2所示，手术机器人系统通过电机带动驱动轴芯2转动，通过控制驱动轴芯2的长度，可以实现驱动轴芯2在不同时刻与不同节段的螺纹套管3相连，并通过花键将驱动轴芯2的转动传递给螺纹套管3。由于螺纹套管3外壁通过螺纹副与外部套筒1内壁相连，所以螺纹套管3的转动会产生沿外部套筒1轴线方向的移动。由于螺纹套管3与滑动套管4通过卡扣结构相连且二者可以相互转动，因此螺纹套管3会带动滑动套管4沿外部套筒1轴线方向移动。滑动套管4通过齿轮齿条将运动传递为齿轮组5的转动。齿轮组5通过定滑轮组6和传动带7构成的二级传动，带动下一节段的外部套筒1转动，从而实现相邻两节段间的转动。
【实施例2】
如图3所示，整个蛇形臂由N个相同的子节段构成，蛇形臂的末端可以连接爪钳、镊子、剪刀等简单的末端执行机构，由于驱动轴芯2为空心轴结构，因此末端执行机构的动作可以通过驱动轴芯2的内部通道进行传动。机器人系统通过合理控制驱动轴芯2与不同子节段的螺纹套管3相连，并利用螺纹自锁的特性，可以实现灵巧地变换蛇形臂的位姿。尤其是当不可避免地需要绕开一些关键的人体组织时，本发明提供的蛇形臂可以更好地实现灵巧自如地将末端执行机构送到病灶附近，辅助完成一些外科微创手术，如超声消融、组织取出、缝合、注射药物等。
【实施例3】
如图3所示，每个子节段都包括外部套筒和内部传动组件两部分，各个子节段在功能和结构上都是相同的，因此可以通过增加子节段数量增加整个蛇形臂的自由度，进一步提高整个蛇形臂的灵活性。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，其特征在于，包括N段完全相同的子节段和驱动轴芯，每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分；
所述外部套筒(1)为薄壁套筒结构，其内部设有一段内螺纹，其两端分别设有两个耳部，一端的两个耳部设有互相对称的凸台，另一端的两个耳部设有互相对称的通孔，所述外部套筒(1)通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒(1)相连，相邻两节段间凸台与通孔相互配合；
所述内部传动组件包括螺纹套管(3)、滑动套管(4)、齿轮组(5)、定滑轮组(6)和传动带(7)；
所述螺纹套管(3)为空心套管结构，其内部设有内花键，其一端设有卡扣结构，其外壁通过外螺纹与所述外部套筒(1)的内螺纹相连，螺纹套管(3)通过螺纹副可以在外部套筒(1)内运动；
所述滑动套管(4)为空心套管结构，其前后两侧设有滑台，可在所述外部套筒(1)内沿轴向滑动，其左右两侧开有槽口，槽口内铣有与齿轮配合的齿条，其一端与所述螺纹套管(3)通过卡扣结构相连，滑动套管(4)与螺纹套管(3)可以相互转动；
所述齿轮组(5)由两个对称的齿轮组成，分别固定在所述外部套筒(1)侧壁的定位孔中，齿轮轴线方向与滑动套管(4)的槽口中心线垂直；
所述定滑轮组(6)由两个对称的定滑轮组成，分别固定在所述外部套筒(1)侧壁的定位孔中，每个定滑轮有两个滑槽，用于布置所述传动带(7)；
所述外部套筒(1)一端的通孔侧壁上设有滑槽，用于布置下一节段的传动带(7)；
所述传动带(7)是由四条带组成的二级传动，可以实现将齿轮组(5)的转动传递给所述外部套筒(1)；
所述驱动轴芯(2)为头部铣有外花键的空心软轴，头部外花键可与不同节段的螺纹套管(3)内花键接触，从而实现对不同节段的分时驱动。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，其特征在于，所述外部套筒(1)两端耳部的凸台轴线方向与通孔轴线方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，其特征在于，所述外部套筒(1)侧壁开有定位孔，用于固定齿轮组(5)和定滑轮组(6)。
4.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，其特征在于，所述外部套筒(1)内壁铣有滑道，所述滑动套管(4)的滑台可在所述外部套筒(1)内沿轴向滑动。
5.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，其特征在于，所述驱动轴芯(2)可以自由弯曲但具有良好的抗扭转性能。
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