CN113974843A - 一种主动式三自由度手术器械 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械领域。目的是提供一种具有腕部解耦功能，采用钢丝绳传动，操作手柄符合人体工学要求的主动式三自由度手术器械，以解决传统手动医疗器械手眼协调不一致和手术机器人系统治疗成本高昂等问题。技术方案是：一种主动式三自由度手术器械，其特征在于：包括依次连接的操作手柄组件、驱动箱组件以及末端设置有小爪的从操作臂组件；所述操作手柄组件包括壳体、用于调节小爪俯仰角度的第一拨轮组件、用于调节小爪偏航角度的第二拨轮组件以及用于控制小爪开合的按钮组件；所述第一拨轮组件、第二拨轮组件和按钮组件均安装在壳体上；所述第一拨轮组件和第二拨轮组件结构相同。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，属于一种主动式三自由度手术器械，医生手持器械插入患者腹腔等区域通过从操作臂完成手术。
背景技术
微创手术是近数十年来医疗发展的重点。传统微创手术的医疗器械存在许多问题，最大的两点问题即传统器械在腹腔内自由度较小和存在支点效应，难以完成一些复杂精细的操作。针对于上述问题，现阶段大致有两种发展方向，一是将机器人技术完整地引入微创手术器械的开发，类似于Da Vinci机器人，以一个大型的手术平台为机器人主体，但相应的成本太高，多数医院及患者无法负担，尤其是考虑到我国目前医疗机构的技术和资金水平，类似的大型医疗机器人无法得到较好的推广应用，故出现在传统器械上增加自由度的方式，但以往此类设计多为被动式控制，即直接通过纯机械传动的形式实现操作，此种操作形式并不简便，同时操作精度较低，无法实现多种功能并存。因此，研发一款主动式三自由度手术器械具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种具有腕部解耦功能，采用钢丝绳传动，操作手柄符合人体工学要求的主动式三自由度手术器械，以解决传统手动医疗器械手眼协调不一致和手术机器人系统治疗成本高昂等问题。
本发明提供的技术方案是：
一种主动式三自由度手术器械，其特征在于：包括依次连接的操作手柄组件、驱动箱组件以及末端设置有小爪的从操作臂组件；
所述操作手柄组件包括壳体、用于调节小爪俯仰角度的第一拨轮组件、用于调节小爪偏航角度的第二拨轮组件以及用于控制小爪开合的按钮组件；所述第一拨轮组件、第二拨轮组件和按钮组件均安装在壳体上；所述第一拨轮组件和第二拨轮组件结构相同；
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、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；所述电机壳与壳体固定连接；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固定连接的第一腕部单元、第二腕部单元、第三腕部单元和第四腕部单元；所述第一腕部单元与钢丝绳导向管固定连接；所述第四腕部单元与小爪固定连接；四个腕部单元以及小爪分别通过钢丝绳与一组绕线组相连接。
所述第一拨轮组件和第二拨轮组件均包括固定在壳体内部的拨轮箱体、可转动地定位在拨轮箱体上的第一旋转轴、固定在第一旋转轴中部的拨轮、固定在第一旋转轴一端的第一磁性单元以及固定在拨轮箱体上且间隔距离与第一磁性元件位置相对应的第一读数传输单元。
所述按钮组件包括可转动地定位在壳体上的第二旋转轴、固定在第二旋转轴上且沿第二旋转轴径向方向伸展的延伸段、可滑动地定位在壳体上且一端通过复位弹簧与延伸段固定连接以驱动第二旋转轴转动的开合按钮、固定在第二旋转轴一端的第二磁性单元以及固定在壳体上且间隔距离与磁性元件位置相对应的第二读数传输单元。
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转动轴、固定在转动轴上以便钢丝绳缠绕的绕线轮、固定在转动轴上以预紧钢丝绳的摩擦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、可沿电机壳径向方向活动且一端伸入至电机壳内部的推杆、设置在电机壳外部并与推杆固定连接的复位按钮以及设置在电机壳内部且一端与推杆固定连接而另一端与卡扣杆抵顶连接的杠杆构件；杠杆构件的中部抵顶在电机壳内部的支撑板上，以作为杠杆构件活动的支点。
活动关节中的四个腕部单元结构相同，每个腕部单元均包括通过连接件相互铰接的主动连接座和从动连接座；相邻两腕部单元的主动连接座与从动连接座固定连接。
第一腕部单元中连接件的轴线方向与第三腕部单元中连接件的轴线方向相互平行；第二腕部单元中连接件的轴线方向与第四腕部单元中连接件的轴线方向相互平行；第一腕部单元中连接件的轴线方向与第二腕部单元中连接件的轴线方向相互垂直。
四个腕部单元中，每个主动连接座两端均连接有一根钢丝绳，并且两根钢丝绳反向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。
所述第一腕部单元和第三腕部单元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腕部单元和第三腕部单元同时运动；所述第二腕部单元和第四腕部单元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腕部单元和第四腕部单元同时运动。
所述小爪包括与第四腕部单元的从动连接座固定连接的支撑架、固定在支撑架上的中间轴、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：
本发明能够有效解决传统手术器械不灵活，不能完成复杂手术操作和手术机器人系统治疗成本高昂的问题，同时模块化结构设计提高了微创手术机器人的利用率，降低了微创手术机器人应用成本。
附图说明
图1是本发明整体示意图。
图2是本发明操作手柄组件的部分剖视图和整体结构示意图。
图3是图2的A部放大图。
图4是本发明驱动箱组件的剖视图之一。
图5是本发明驱动箱组件的剖视图之二。
图6是本发明从操作臂组件的结构示意图。
图7是本发明各腕部单元的结构示意图。
附图标号：
1、操作手柄组件；1-1、壳体；1-2、第一拨轮组件；1-2-1、拨轮箱体；1-2-2、第一旋转轴；1-2-3、拨轮；1-2-4、第一磁性单元；1-2-5、第一读数传输带单元；1-2-6、轴承；1-3、第二拨轮组件；1-4、按钮组件；
2、驱动箱组件；2-1、电机壳；2-1-1、支撑板；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、推杆；2-5-3、复位按钮；2-5-4、杠杆构件；2-5-5、卡钩；2-6、第一电机；2-7、第二电机；2-8、第三电机；2-9、绕线轮；2-10、摩擦轮；2-11、导向轮；2-12、支架；2-13、联轴器；2-14、转动轴；
3、从操作臂组件；3-1、钢丝绳导向管；3-2、活动关节；3-2-1、第一外部单元；3-2-2、第二腕部单元；3-2-3、第三腕部单元；3-2-4、第四腕部单元；3-2-5、螺纹孔；3-2-6、圆形凸块；3-2-7、弧形槽；3-2-8、限位螺钉；3-2-9、小孔；3-2-10、主动连接座；3-2-11、从动连接座；3-2-12、连接件；3-3、小爪；3-3-1、支撑架；3-3-2、中间轴；3-3-3、上钳；3-3-4、下钳。
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所示的主动式三自由度手术器械，包括依次连接的操作手柄组件1、驱动箱组件2以及末端设置有小爪的从操作臂组件3。该器械的操作手柄组件由医生手持进行操作，驱动箱组件接收操作手柄组件的动作信号后，通过钢丝绳(图中未显示)控制从操作臂组件运动，从而调节小爪的位置以及小爪的开闭状况。
如图2所示，所述操作手柄组件包括壳体1-1、第一拨轮组件1-2、第二拨轮组件1-3和按钮组件1-4；所述第一拨轮组件、第二拨轮组件和按钮组件均安装在壳体上，其中第一拨轮组件用于调节小爪的俯仰角度，第二拨轮组件用于调节小爪的偏航角度，按钮组件用于控制小爪开合。
如图3所示，所述第一拨轮组件和第二拨轮组件结构相同，均包括拨轮箱体1-2-1、第一旋转轴1-2-2、拨轮1-2-3、第一磁性单元1-2-4和第一读数传输单元1-2-5。所述拨轮箱体固定在壳体上；所述第一旋转轴通过轴承1-2-6可转动地定位在拨轮箱体上；所述拨轮固定在第一旋转轴的中部；所述第一磁性单元嵌入式固定安装在第一旋转轴的一端；所述第一读数传输单元固定在拨轮箱体上，并且第一读数传输单元与第一磁性元件之间间隔距离对应设置，以检测第一旋转轴的转动角度。
所述按钮组件包括第二旋转轴、延伸段、开合按钮、第二磁性单元和第二读数传输单元。所述第二旋转轴可转动地定位在壳体上；所述延伸段固定在第二旋转轴上且沿第二旋转轴的径向方向伸展；所述开合按钮可滑动地定位在壳体上，并且开合按钮与延伸段之间通过复位弹簧固定连接；当医生按压开合按钮后，在复位弹簧的弹力作用下开合按钮可自动复位。所述第二磁性单元固定在第二旋转轴一端；所述第二读数传输单元固定在壳体上，并且第二读数传输单元与磁性元件间隔距离对应设置，以检测第二旋转轴的转动角度。
工作时，医生根据手术需要，拨动第一拨轮组件和第二拨轮组件中的拨轮，以调节小爪的俯仰角度和偏航角度，拨轮旋转后带动与之相连的第一旋转轴同步旋转，同时第一读数传输单元以及第二读数传输单元对相应的第一旋转轴的转动角度进行检测，进而通过驱动箱组件将医生腕部动作映射至从动臂组件，实现小爪的位置调节。
如图4、图5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(本实施例为两组)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，电机壳与壳体固定连接，底座与从操作臂组件固定连接。
如图5所示，所述快速更换接口组件可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、推杆2-5-2、复位按钮2-5-3和杠杆构件2-5-4。所述卡扣杆固定在隔离板上，并且卡扣杆的两端分别设置有卡钩2-5-5，两个卡钩分别与电机壳和绕线壳卡扣连接，从而将电机壳和绕线壳连接为一体。所述推杆可沿电机壳径向方向活动，推杆的一端伸入至电机壳内部，另一端露出电机壳外部并与所述复位按钮固定连接。所述杠杆构件位于电机壳内部且设置成L型，杠杆构件的中部抵顶在电机壳内部的支撑板2-1-1上，以作为杠杆构件活动的支点；杠杆构件一端与推杆固定连接，另一端与卡扣杆抵顶连接(作为优选，杠杆构件两端分别抵顶在卡扣杆的卡钩位置)。当需要拆卸时，先按下复位按钮，杠杆构件绕支点摆动，杠杆构件另一端施力于卡扣杆，使卡扣杆上的卡钩与电机壳脱离，即可取下电机壳；然后按压卡扣杆，使卡扣杆另一端的卡钩与绕线壳脱离，即可取下绕线壳，从而方便医生对驱动箱组件内的各部件进行消毒和更换。作为优选，两组快速更换接口组件关于驱动箱组件的中心轴对称设置，以方便医生单手拆卸。
如图4所示，三个电机分别为第一电机、第二电机和第三电机；三个电机相互平行且均安装在电机壳内，其中电机的壳体通过螺钉与电机壳内部的支撑板2-1-1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；每组绕线组均包括转动轴2-14、绕线轮2-9、摩擦轮2-10和导向轮2-11。所述转动轴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。所述绕线轮和摩擦轮均固定在转动轴上，随转动轴一体转动，其中绕线轮表面设置有用于规则排列钢丝绳的定位槽，以便对钢丝绳在绕线轮上的位置进行定位，摩擦轮则用于固定和预紧钢丝绳；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6所示，所述从操作臂组件包括依次连接的钢丝绳导向管3-1、活动关节3-2和小爪3-3，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，可根据医生拨动拨轮的转动角度，由驱动箱组件进行驱动，以调节小爪的位置。
所述活动关节采用模块化结构实现手腕动作，包括通过螺钉依次固定连接的第一腕部单元3-2-1、第二腕部单元3-2-2、第三腕部单元3-2-3和第四腕部单元3-2-4。如图7所示，四个腕部单元结构相同，每个腕部单元均包括通过连接件3-2-12相互铰接的主动连接座3-2-10和从动连接座3-2-11；相邻两腕部单元的主动连接座与从动连接座固定连接(主动连接座与从动连接座分别开设有螺纹孔3-2-5)；所述第一腕部单元的主动连接座与钢丝绳导向管固定连接；所述第四腕部单元的从动连接座与小爪固定连接。本实施例中，连接件的两端分别设置有圆形凸块3-2-6，主动连接座和从动连接座上均设置有与圆形凸块相配合的弧形槽3-2-7，弧形槽的弧度数大于180°(本实施例中弧形槽的弧度数为200°)，以防止主动连接座和从动连接座在相对运动时脱开；另外，为了防止连接件轴向移动，主动连接座和从动连接座上两侧均设置有限位螺钉3-2-8，限位螺钉抵顶在连接件两端，从而保证整体活动关节的连接可靠。
四个腕部单元以及小爪分别通过钢丝绳与一组绕线组相连接；具体地，四个腕部单元中，每个主动连接座两端均连接有一根钢丝绳，并且两根钢丝绳反向绕设在同一根绕线轮上，并由摩擦轮进行预紧，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，从而带动相应腕部单元作倾斜运动。本实施例中，每个主动连接座和从动连接座的四周均开设有八个0.5mm的小孔3-2-9，以方便连接四个腕部单元的钢丝绳通过；每个主动连接座、从动连接座以及连接件的中部均开设有中心孔，以方便连接小爪的钢丝绳通过。
本实施例中，所述第一腕部单元和第三腕部单元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腕部单元和第三腕部单元同时运动；所述第二腕部单元和第四腕部单元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腕部单元和第四腕部单元同时运动。其中，第一腕部单元中连接件的轴线方向与第三腕部单元中连接件的轴线方向相互平行；第二腕部单元中连接件的轴线方向与第四腕部单元中连接件的轴线方向相互平行；第一腕部单元中连接件的轴线方向与第二腕部单元中连接件的轴线方向相互垂直。工作时，可通过第一电机来控制第一腕部单元和第三腕部单元的俯仰角度，通过第二电机来控制第二腕部单元和第四腕部单元的偏航角度，实现小爪位置的调节。
如图6所示，所述小爪包括支撑架3-3-1、中间轴3-3-2、上钳3-3-3和下钳3-3-4；所述支撑架与第四关节的从动连接座固定连接；所述中间轴固定在支撑架上；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腕部单元的中心后反向绕设在相应绕线轮上，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)，控制器分别与各读数传输单元以及各电机连接，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，医生手持该器械的操作手柄组件部分，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。到达合适位置后，医生拨动第一拨轮组件和第二拨轮组件中的拨轮，以调节小爪的偏航俯仰角度和偏航角度，使小爪到达手术需要的位姿。拨轮旋转后带动与之相连的第一旋转轴同步转动，并由两个第一读数传输单元控制第一电机和第二电机转动特定角度，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时带动固连于自身的钢丝绳运动，钢丝绳收缩或伸长，通过导向轮后带动与其连接的腕部单元运动，实现小爪的俯仰、偏航。
从操作臂绕轴向的转动通过医生转动手柄带动手术器械转动实现。
小爪的开合通过操作手柄组件中的开合按钮实现，开合按钮的弹起与按下分别对应小爪的开合。当医生按下开合按钮时，开合按钮压动第二旋转轴上的延伸段，使第二旋转轴转动，对应的第二读数传输单元读取第二旋转轴的转动信息后，传输到第三电机，第三电机便会转动特定角度，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。
Claims (10)
1.一种主动式三自由度手术器械，其特征在于：包括依次连接的操作手柄组件(1)、驱动箱组件(2)以及末端设置有小爪的从操作臂组件(3)；
所述操作手柄组件包括壳体(1-1)、用于调节小爪俯仰角度的第一拨轮组件(1-2)、用于调节小爪偏航角度的第二拨轮组件(1-3)以及用于控制小爪开合的按钮组件(1-4)；所述第一拨轮组件、第二拨轮组件和按钮组件均安装在壳体上；所述第一拨轮组件和第二拨轮组件结构相同；
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)、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；所述电机壳与壳体固定连接；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(3-1)、作为末端执行器的小爪(3-3)以及安装在钢丝绳导向管与小爪之间的活动关节(3-2)；所述活动关节包括依次固定连接的第一腕部单元(3-2-1)、第二腕部单元(3-2-2)、第三腕部单元(3-2-3)和第四腕部单元(3-2-4)；所述第一腕部单元与钢丝绳导向管固定连接；所述第四腕部单元与小爪固定连接；四个腕部单元以及小爪分别通过钢丝绳与一组绕线组相连接。
2.根据权利要求1所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：所述第一拨轮组件和第二拨轮组件均包括固定在壳体内部的拨轮箱体(1-2-1)、可转动地定位在拨轮箱体上的第一旋转轴(1-2-2)、固定在第一旋转轴中部的拨轮(1-2-3)、固定在第一旋转轴一端的第一磁性单元(1-2-4)以及固定在拨轮箱体上且间隔距离与第一磁性元件位置相对应的第一读数传输单元(1-2-5)。
3.根据权利要求2所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：所述按钮组件包括可转动地定位在壳体上的第二旋转轴、固定在第二旋转轴上且沿第二旋转轴径向方向伸展的延伸段、可滑动地定位在壳体上且一端通过复位弹簧与延伸段固定连接以驱动第二旋转轴转动的开合按钮、固定在第二旋转轴一端的第二磁性单元以及固定在壳体上且间隔距离与磁性元件位置相对应的第二读数传输单元。
4.根据权利要求3所述的主动式三自由度手术器械，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转动轴(2-14)、固定在转动轴上以便钢丝绳缠绕的绕线轮(2-9)、固定在转动轴上以预紧钢丝绳的摩擦轮(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。
5.根据权利要求4所述的主动式三自由度手术器械，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)、可沿电机壳径向方向活动且一端伸入至电机壳内部的推杆92-5-2、设置在电机壳外部并与推杆固定连接的复位按钮(2-5-3)以及设置在电机壳内部且一端与推杆固定连接而另一端与卡扣杆抵顶连接的杠杆构件(2-5-4)；杠杆构件的中部抵顶在电机壳内部的支撑板(2-1-1)上，以作为杠杆构件活动的支点。
6.根据权利要求5所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：活动关节中的四个腕部单元结构相同，每个腕部单元均包括通过连接件(3-2-12)相互铰接的主动连接座(3-2-10)和从动连接座(3-2-11)；相邻两腕部单元的主动连接座与从动连接座固定连接。
7.根据权利要求6所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：第一腕部单元中连接件的轴线方向与第三腕部单元中连接件的轴线方向相互平行；第二腕部单元中连接件的轴线方向与第四腕部单元中连接件的轴线方向相互平行；第一腕部单元中连接件的轴线方向与第二腕部单元中连接件的轴线方向相互垂直。
8.根据权利要求7所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：四个腕部单元中，每个主动连接座两端均连接有一根钢丝绳，并且两根钢丝绳反向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。
9.根据权利要求8所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：所述第一腕部单元和第三腕部单元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腕部单元和第三腕部单元同时运动；所述第二腕部单元和第四腕部单元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腕部单元和第四腕部单元同时运动。
10.根据权利要求9所述的主动式三自由度手术器械，其特征在于：所述小爪包括与第四腕部单元的从动连接座固定连接的支撑架(3-3-1)、固定在支撑架上的中间轴(3-3-2)、与中间轴固定连接的上钳(3-3-3)以及与中间轴转动连接并与上钳相互配合的下钳(3-3-4)；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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