CN113855251A - 一种多自由度微创手术器械 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械领域。技术方案是:一种多自由度微创手术器械,其特征在于:包括驱动箱组件以及由驱动箱组件驱使动作的从操作臂组件;所述驱动箱组件包括依次布置的电机壳、隔离板、绕线壳和底座、固定在隔离板上并将电机壳和绕线壳可拆卸地连接为一体的至少两组快速更换接口组件、安装在电机壳内且相互平行的三个电机以及安装在绕线壳内且分别与三个电机一一对应的三组绕线组;所述从操作臂组件包括连接在底座上且轴向贯通的钢丝绳导向管、作为末端执行器的小爪以及安装在钢丝绳导向管与小爪之间的活动关节。该器械应能解决现有微创手术操作过程中手术器械灵活性低,定位准确性较差,医生操作时手眼运动不协调的技术问题,提高手术质量。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域,具体是一种多自由度微创手术器械。
背景技术
相比于传统开放性手术,微创手术凭借其创口小、疼痛轻、恢复好等优势得到广泛应用。而用于微创手术的传统手动医疗器械在患者体内的灵活性有限,手术切口处存在的“杠杆效应”,使医生很难完成手眼协调的一致性操作,无法对手术位置进行准确定位,难以完成复杂的手术操作;另外,医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大,对手术造成不良影响。
随着机器人技术的应用和发展,特别是计算技术的发展,医用手术机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。微创手术机器人可以减轻医生在手术过程中的体力劳动,同时达到精准手术目的,使患者微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快。因此,设计一种能够自动进行定位和操作的的微创手术器械具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足,提供一种多自由度微创手术器械,该手术器械可自动进行定位及手术操作,以解决现有微创手术操作过程中手术器械灵活性低,定位准确性较差,医生操作时手眼运动不协调,手部抖动会影响手术质量的技术问题,缓解医生疲劳,提高手术质量。
本发明提供的技术方案是:
一种多自由度微创手术器械,其特征在于:包括驱动箱组件以及由驱动箱组件驱使动作的从操作臂组件;
所述驱动箱组件包括依次布置的电机壳、隔离板、绕线壳和底座、固定在隔离板上并将电机壳和绕线壳可拆卸地连接为一体的至少两组快速更换接口组件、安装在电机壳内且相互平行的三个电机以及安装在绕线壳内且分别与三个电机一一对应的三组绕线组;三个电机分别为第一电机、第二电机和第三电机;
所述从操作臂组件包括固定连接在底座上且轴向贯通的钢丝绳导向管、作为末端执行器的小爪以及安装在钢丝绳导向管与小爪之间的活动关节;所述活动关节包括依次铰接的第一关节、第二关节、第三关节和第四关节;所述第一关节与钢丝绳导向管相铰接;所述第四关节与小爪固定连接;四个关节以及小爪分别通过钢丝绳与一组绕线组相连接。
每组绕线组均包括一端可转动地定位在底座上且另一端与对应电机的电机轴固定连接的绕线轮以及可转动地定位在底座上的导向轮;所述导向轮位于绕线轮靠近底座中心的一侧。
所述快速更换接口组件包括固定在隔离板上且两端分别与电机壳和绕线壳卡扣连接的卡扣杆、穿过电机壳侧壁并与卡扣杆抵顶连接的第一按钮以及穿过绕线壳侧壁并与卡扣杆抵顶连接的第二按钮;所述电机壳和绕线壳侧壁均开设有便于第一按钮和第二按钮伸入的孔眼。
四个关节中,每个关节的两端均连接有一根钢丝绳,并且两根钢丝绳反向固定绕设在同一根绕线轮上,使得绕线轮在转动时,带动相应关节作倾斜运动。
所述第一关节和第三关节通过钢丝绳连接在与第一电机相对应的绕线轮上,以便由第一电机带动第一关节和第三关节同时运动;所述第二关节和第四关节通过钢丝绳连接在与第二电机相对应的绕线轮上,以便由第二电机带动第二关节和第四关节同时运动。
所述钢丝绳导向管与第一关节的铰接轴平行于第二关节与第三关节的铰接轴;所述第一关节与第二关节的铰接轴平行于第三关节与第四关节的铰接轴;所述第一关节与第二关节的铰接轴垂直于第二关节与第三关节的铰接轴。
所述小爪包括固定在第四关节上的中间轴、与中间轴固定连接的上钳以及与中间轴转动连接并与上钳相互配合的下钳;所述下钳通过钢丝绳与第三电机相对应的绕线轮连接。
本发明的有益效果是:
本发明通过三个电机来自动控制小爪的位置和开闭,能够有效解决人工操作手术器械时不灵活、准确性差、无法完成复杂手术操作的问题,缓解医生疲劳,提高手术质量,并且整体结构简单,控制方便,成本低,适合推广应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明驱动箱组件的结构示意图(省略电机壳和绕线壳)。
图3是本发明从操作臂组件的结构示意图。
附图标号:
1、从操作臂组件;1-1、钢丝绳导向管;1-2、活动关节;1-2-1、第一关节;1-2-2、第二关节;1-2-3、第三关节;1-2-4、第四关节;1-3、末端执行器;1-3-1、下钳;1-3-2、上钳;1-3-3、中间轴;1-4、钢丝绳;
2、驱动箱组件;2-1、电机壳;2-2、隔离板;2-3、绕线壳;2-4、底座;2-5、快速更换接口组件;2-5-1、卡扣杆;2-5-2、第一按钮;2-5-3、第二按钮;2-5-4、卡钩;2-6、第一电机;2-7、第二电机;2-8、第三电机;2-9、中间板;2-10绕线轮;2-11、导向轮;2-12、支架;2-13、联轴器。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
如图1所示的多自由度微创手术器械,包括驱动箱组件2以及由驱动箱组件驱使动作的从操作臂组件1。
如图2所示,所述驱动箱组件包括电机壳2-1、隔离板2-2、绕线壳2-3、底座2-4、至少两组(本实施例为三组)快速更换接口组件2-5、三个电机(分别为第一电机2-6、第二电机2-7和第三电机2-8)和三组绕线组。所述电机壳、隔离板、绕线壳和底座依次布置;其中,底座与从操作臂组件固定连接。
所述快速更换接口组件固定在隔离板上,用于将电机壳和绕线壳可拆卸地连接为一体。所述快速更换接口组件包括卡扣杆2-5-1、第一按钮2-5-2和第二按钮2-5-3;所述卡扣杆固定在隔离板上且两端分别与电机壳和绕线壳卡扣连接(卡扣杆两端设置有卡钩2-5-4)。所述第一按钮穿过电机壳侧壁并与卡扣杆抵顶连接;所述第二按钮穿过绕线壳并与卡扣杆抵顶连接;作为优选,第一按钮和第二按钮分别抵顶在卡扣杆的两个卡钩处。对应地,所述电机壳和绕线壳侧壁均开设有便于第一按钮和第二按钮伸入的孔眼。当电机壳和绕线壳在连接状态时,卡扣杆的两端分别通过卡钩与电机壳和绕线壳卡扣连接;当需要拆卸时,先按下第一按钮,使卡扣杆与电机壳脱离,即可取下电机壳,然后按下第二按钮,使卡扣杆与绕线壳脱离,即可取下绕线壳,方便医生对驱动箱组件内的部件进行消毒和更换。卡扣杆采用具有弹性的材料制成,例如塑料。作为优选,第一按钮和第二按钮关于驱动箱组件的中心轴对称设置,以方便医生单手拆卸。
三个电机相互平行且均安装在电机壳内,其中电机的外壳通过螺钉与电机壳固定连接。三组绕线组均安装在绕线壳内且分别与三个电机一一对应;每组绕线组均包括绕线轮2-10和导向轮2-11。所述绕线轮一端通过轴承可转动地定位在底座上,另一端穿过隔离板后通过联轴器2-13与对应电机的电机轴固定连接;所述导向轮通过支架2-12可转动地定位在底座上。作为优选,所述导向轮位于绕线轮靠近底座中心的一侧,以方便钢丝绳的走线。
如图3所示,所述从操作臂组件包括依次连接的钢丝绳导向管1-1、活动关节1-2和小爪1-3,其中小爪作为末端执行器。所述钢丝绳导向管固定连接在底座上且轴向贯通(底座中心开设有便于钢丝绳穿过的穿孔,钢丝绳导向管连接在穿孔处);所述活动关节安装在钢丝绳导向管与小爪之间。工作时,驱动箱通过钢丝绳带动活动关节运动,进而调节小爪的位置。
所述活动关节采用模块化结构实现手腕动作,包括依次铰接的第一关节1-2-1、第二关节1-2-2、第三关节1-2-3和第四关节1-2-4;其中,第一关节与钢丝绳导向管相铰接,第四关节与小爪固定连接。四个关节分别通过钢丝绳与其中一组绕线组相连接。具体地,每个关节两端均连接有一根钢丝绳,两端的两根钢丝绳穿过钢丝绳导向管后,经过导向轮,最后反向固定绕设在同一根绕线轮上,使得绕线轮在转动时,其中一根钢丝绳伸长,而另一根钢丝绳缩短,从而带动相应的关节倾斜运动。
本实施例中,所述第一关节和第三关节通过钢丝绳连接在与第一电机相对应的绕线轮上,以便由第一电机带动第一关节和第三关节同时运动;所述第二关节和第四关节通过钢丝绳连接在与第二电机相对应的绕线轮上,以便由第二电机带动第二关节和第四关节同时运动。其中,钢丝绳导向管与第一关节的铰接轴以及第二关节与第三关节的铰接轴相互平行;第一关节与第二关节的铰接轴以及第三关节与第四关节的铰接轴相互平行;第一关节与第二关节的铰接轴以及第二关节与第三关节的铰接轴相互垂直。工作时,可通过第一电机来控制第一关节和第三关节的俯仰角度,通过第二电机来控制第二关节和第四关节的偏航角度,从而通过四个关节准确定位小爪的位置,保证手术操作的准确性。
所述小爪包括下钳1-3-1、上钳1-3-2和中间轴1-3-3。所述中间轴固定在第四关节上;所述上钳与中间轴固定连接;所述下钳与中间轴转动连接并与上钳相互配合;所述下钳通过钢丝绳与第三电机相对应的绕线轮连接。本实施例中,下钳连接有两根钢丝绳,并且两根钢丝绳依次穿过四个关节的铰接轴中心后反向绕设在绕线轮上,当第三电机转动时,其中一根钢丝绳伸长而另一根钢丝绳缩短,从而实现上钳与下钳的开合动作。
本发明中还设置有控制器(采用单片机或PLC控制器,图中未显示),控制器分别与各电机连接,以实现整体的工作配合。
本发明的工作原理如下:
本发明应用于腹腔微创手术治疗,手术开始时,医生将从操作臂通过人体表面的一个小孔(即该器械运动过程中的不动点)插入充满气体的腹腔内。然后医生通过控制器控制第一电机和第二电机转动特定角度,通过联轴器传输到对应的绕线轮,使对应的绕线轮转动特定角度,进而带动与绕线轮固连的钢丝绳运动,钢丝绳收缩或伸长,带动与其连接的四个关节运动,对小爪的俯仰、偏航位置进行自动调节,实现小爪的准确定位,避免了人工操作手术器械时不灵活、准确性差的问题。
从操作臂绕轴向的转动通过医生转动手术器械转动实现。
小爪的开合由第三电机进行自动控制。医生通过控制器控制第三电机转动特定角度,第三电机的运动通过联轴器传输到对应的绕线轮,绕线轮转动特定角度,带动连接下钳的钢丝绳运动,通过钢丝绳收缩或伸长,带动下钳绕中间轴转动,从而实现上钳与下钳的开合,避免了医生因手部抖动而影响手术质量的问题,缓解医生疲劳,提高手术质量。
Claims (7)
1.一种多自由度微创手术器械,其特征在于:包括驱动箱组件(2)以及由驱动箱组件驱使动作的从操作臂组件(1);
所述驱动箱组件包括依次布置的电机壳(2-1)、隔离板(2-2)、绕线壳(2-3)和底座(2-4)、固定在隔离板上并将电机壳和绕线壳可拆卸地连接为一体的至少两组快速更换接口组件(2-5)、安装在电机壳内且相互平行的三个电机以及安装在绕线壳内且分别与三个电机一一对应的三组绕线组;三个电机分别为第一电机(2-6)、第二电机(2-7)和第三电机(2-8);
所述从操作臂组件包括固定连接在底座上且轴向贯通的钢丝绳导向管(1-1)、作为末端执行器的小爪(1-3)以及安装在钢丝绳导向管与小爪之间的活动关节(1-2);所述活动关节包括依次铰接的第一关节(1-2-1)、第二关节(1-2-2)、第三关节(1-2-3)和第四关节(1-2-4);所述第一关节与钢丝绳导向管相铰接;所述第四关节与小爪固定连接;四个关节以及小爪分别通过钢丝绳(1-4)与一组绕线组相连接。
2.根据权利要求1所述的多自由度微创手术器械,其特征在于:每组绕线组均包括一端可转动地定位在底座上且另一端与对应电机的电机轴固定连接的绕线轮(2-10)以及可转动地定位在底座上的导向轮(2-11);所述导向轮位于绕线轮靠近底座中心的一侧。
3.根据权利要求2所述的多自由度微创手术器械,其特征在于:所述快速更换接口组件包括固定在隔离板上且两端分别与电机壳和绕线壳卡扣连接的卡扣杆(2-5-1)、穿过电机壳侧壁并与卡扣杆抵顶连接的第一按钮(2-5-2)以及穿过绕线壳侧壁并与卡扣杆抵顶连接的第二按钮(2-5-3);所述电机壳和绕线壳侧壁均开设有便于第一按钮和第二按钮伸入的孔眼。
4.根据权利要3所述的多自由度微创手术器械,其特征在于:四个关节中,每个关节的两端均连接有一根钢丝绳,并且两根钢丝绳反向固定绕设在同一根绕线轮上,使得绕线轮在转动时,带动相应关节作倾斜运动。
5.根据权利要求4所述的多自由度微创手术器械,其特征在于:所述第一关节和第三关节通过钢丝绳连接在与第一电机相对应的绕线轮上,以便由第一电机带动第一关节和第三关节同时运动;所述第二关节和第四关节通过钢丝绳连接在与第二电机相对应的绕线轮上,以便由第二电机带动第二关节和第四关节同时运动。
6.根据权利要求5所述的多自由度微创手术器械,其特征在于:所述钢丝绳导向管与第一关节的铰接轴平行于第二关节与第三关节的铰接轴;所述第一关节与第二关节的铰接轴平行于第三关节与第四关节的铰接轴;所述第一关节与第二关节的铰接轴垂直于第二关节与第三关节的铰接轴。
7.根据权利要求6所述的多自由度微创手术器械,其特征在于:所述小爪包括固定在第四关节上的中间轴(1-3-3)、与中间轴固定连接的上钳(1-3-2)以及与中间轴转动连接并与上钳相互配合的下钳(1-3-1);所述下钳通过钢丝绳与第三电机相对应的绕线轮连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211231 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |