CN114483808A - 连接适配器、机械臂组件和手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种连接适配器，机械臂组件和手术机器人系统。连接适配器包括：适配件、连接板、联轴器。适配件呈筒状。连接板沿径向设置于适配件内部，连接板有至少一个贯通的连接通道。联轴器呈柱状，设置于连接板的连接通道中，且可相对于连接板旋转。提供一种机械臂组件，包括：手术工具，机械臂，连接适配器。手术工具包括手术执行器和手术工具耦合器。机械臂包括驱动装置和机械臂耦合器。手术工具和机械臂分别连接至连接适配器两端，机械臂耦成能与联轴器配合，手术工具耦合器能与联轴器配合。

Description

连接适配器、机械臂组件和手术机器人系统

技术领域

本公开涉及机械和医疗领域，尤其涉及用于连接适配器、机械臂组件和手术机器人系统。

背景技术

腔镜手术是近年来逐渐发展、被广泛运用的手术形式，具有创口小等优势，大大减小了患者的康复时间，不适体验和愈后副作用。近两年来尤以美国达芬奇公司为首的一批手术机器人产品，通过计算机远程操控技术优化手术形式，通过机器人运动臂实现更高稳定性和精确性的外科手术。手术时将手术工具通过戳卡深入人体内，并通过控制手术工具关节和手术器械实现不同部位的外科手术。手术机器人产品利用精度更高、体积更小、灵活度大大提高的手术工具代替了常规的腔镜手术器械，同时通过医生的远程操作代替了原有的直接操作腔镜手术器械的方式，具有更好的操作精度和操作体验，尤其一方面缩短了手术时间一方面也降低了医生的体力负担。

作为手术机器人系统的一个重要的组成部分，至少部分伸入人体的手术工具在手术操作期间尤其要求有较高的稳定性、安全性和精确性。在手术机器人系统中，通常手术工具被设置于定位臂末端，定位臂又被设置于手术机器人基座上。手术工具与定位臂的连接设置方式会直接影响手术工具的控制效果进而影响手术操作效果。

在应用手术机器人的外科手术中，一般包括位于主动端的至少一个主操作手，用于被医生操作获得主动命令，还包括位于从动端的至少一个从动的手术工具，其被配置成根据医生在主操作手端的操作命令，从动地运动以基于操作者的期待实施手术操作。手术工具的运动需要基于输入的扭矩和载荷进行控制，而提供输入扭矩和载荷的伺服电机会被设置于与手术工具连接的定位臂上。由于手术工具可拆卸地设置在定位臂上，因此，用于将手术工具与定位臂可拆卸地连接，且可以实时精确传动力矩和载荷的连接适配筒就成为手术机器人系统一个重要的装置。

作为手术机器人系统的重要组成部分，适配器的稳定性、可靠性直接影响手术操作者的使用体验和手术的术前、术中、术后的流畅性和安全性。针对手术工具设置及传动的必要装置，连接适配器的结构和性能具有很多进一步改良和升级的需要。

发明内容

本公开提供一种连接适配器，包括：适配件、连接板、联轴器。适配件呈筒状。连接板沿径向设置于适配件内部，连接板有至少一个贯通的连接通道。联轴器呈柱状，设置于连接板的连接通道中，且可相对于连接板旋转。

本公开还公开一种机械臂组件，机械臂组件包括：手术工具、机械臂、前述的连接适配器。手术工具包括手术执行器和手术工具耦合器。机械臂包括驱动装置和机械臂耦合器。机械臂可拆卸地连接至连接适配器的后端部，机械臂耦合器设置成能与联轴器配合。手术工具可拆卸地连接至连接适配器的前端部，手术工具耦合器设置成能与联轴器配合。

本公开还提供一种手术机器人系统，包括前述的机械臂组件；用于设置机械臂的基座；用于控制机械臂和/或手术工具运动的控制系统。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的立体图。

图2示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的轴向前端视图。

图3示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的轴向后端视图。

图4示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的适配件和连接板的立体图。

图5示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的适配件和连接板的另一个角度的立体图。

图6示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的联轴器的立体图。

图7示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的联轴器的另一个角度的立体图。

图8示出根据本公开的一些实施例的另一连接适配器的立体图。

图9示出根据本公开的一些实施例的另一连接适配器的轴向前端视图。

图10示出根据本公开的一些实施例的连接适配器的基座板的立体图。

图11示出根据本公开的一些实施例的机械臂组件的手术工具的示意图。

图12示出了本公开的一些实施例的机械臂组件的手术工具和连接适配器连接的示意图。

图13示出了本公开的一些实施例的机械臂组件的示意图。

图14示出了本公开的一些实施例的机械臂组件的机械臂和连接适配器连接的示意图。

图15示出了本公开的一些实施例的手术机器人系统的示意图。

附图标记列表：

100、200-连接适配器；1-适配件；11-后端连接部；12-前端连接部；2-基座板；3-联轴器；4-贯通口；41-传动贯通口；42-锁紧贯通口；5-后端卡合结构；6-前端卡合结构；71-后端凹槽结构；72-前端凹槽结构；8-卡接部；9-卡槽；10-连接板；13-连接通道；131-传动连接通道；132-锁紧连接通道；14-触点通道；16-螺钉固定通道；17-卡槽；18-锁紧部件；19-定位片；30-机械臂；31-机械臂耦合器；40-衬垫；50-手术工具；51-手术工具耦合器；120-机械臂组件；130-手术机器人系统；140-基座

具体实施方式

为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作在一些实施例中详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

下文参照附图描述根据本公开的连接适配器。本领域技术人员可以理解，连接适配器可以用于手术工具，但并不限于手术工具的连接，也可以用于其他非手术装置。

首先参见图1，示出了根据本公开的连接适配器100的立体图。连接适配器100包括：适配件1、连接板10和联轴器3。

适配件1呈筒状，截面可以呈圆形、矩形、多边形、椭圆形等等。

连接板10设置在适配件1内部。例如，连接板10可以通过粘合、热塑或连接件连接到适配件1上，或者也可以与适配件1一体成型。适配件1和连接板10可以采用医用级塑料。连接板10的两侧可以分别用于连接外部装置，例如主动端装置和从动端装置。如图2所示，连接板10包括一个或多个连接通道13，连接通道13贯通连接板10。至少一个联轴器3穿过至少一个连接通道13并可以在连接通道13中沿联轴器3的轴向转动。在下文中的轴向、径向、周向在未特别说明的情况下分别指筒状适配件1的轴向、径向和周向。文中前端指如图2视图中正对的一端。相应地，后端指与前端相对的另一端，也即如图3视图中正对的一端。

图4示出了根据一些实施例的筒状适配件1的示意图。筒状适配件1的两端分别包括后端连接部11和前端连接部12。后端连接部11和前端连接部12分别在连接板10两侧并向两端延伸。后端连接部11和前端连接部12可以具有不同的截面尺寸。如图4所示，后端连接部11的直径可以大于前端连接部12。后端连接部11和前端连接部12可以分别与主动端装置和从动端装置连接。例如，后端连接部11用于可拆卸地连接主动端装置，而前端连接部12用于可拆卸地连接从动端装置。主动端装置可以是用于向从动端装置传动(例如传递力矩)的装置，例如包括设置在机械臂上的驱动装置。从动端装置可以是由主动端装置传来的动力来驱动的装置，如手术工具。本领域技术人员可以理解，后端连接部11也可以与从动端装置连接，而前端连接部12也可以与主动端装置连接。为了便于连接，后端连接部11和前端连接部12上分别设置有与主动端装置和从动端装置配合的连接结构，包括但不限于锁扣(例如，如图1、图2所示的锁紧部件18)、卡槽(例如，如图4所示的卡槽17)、轨道、定位片(例如，如图3所示的定位片19)等。

在一些实施例中，如图4所示，连接板10可以包括一个或多个连接通道13。一个或多个连接通道13可以包括传动连接通道131，用于从主动端装置传递动力至从动端装置。在一些实施例中，一个或多个连接通道13还可以包括锁紧连接通道132，锁紧连接通道132内设置用于锁紧适配器100与外部装置(如主动端装置或从动端装置)的锁紧部件，如附图1和附图2中的锁紧部件18。

在一些实施例中，至少一个传动连接通道131中设有联轴器3，联轴器3的至少一部分设置在连接板10的传动连接通道131中且可相对于连接板10旋转，旋转轴线垂直于连接板10的延伸平面。主动端装置通过向联轴器3施加使之沿轴线旋转的力实现扭矩的传递。联轴器3的数量与传动连接通道131相同或在一些实施例中也可以少于传动连接通道131的数量。

图6、图7示出了一些实施例中的联轴器3的结构图，联轴器3呈圆柱状。每个联轴器3的直径小于与其对应的连接通道13。

在一些实施例中，如图6、图7所示，联轴器3的前端或后端具有至少一个卡合结构。前端和后端的卡合结构可以是相同或类似的，也可以是有区别的。卡合结构用以从主动端装置接受力矩并将主动端装置(例如驱动装置)的力矩传递至从动端装置(例如手术工具)。卡合结构可以是设置在联轴器3端面也可以是设置在联轴器3周面，当然也可以兼而有之。

在一些实施例中，卡合结构包括后端卡合结构5，设置在联轴器3的后端，能与后端装置配合连接。前端卡合结构6，设置在联轴器3的前端，能与前端装置配合连接。

在一些实施例中，如图6所示，联轴器3的后端卡合结构5为设置在联轴器3的后端面上的后端凹槽结构71。如图7，前端卡合结构6为设置在联轴器3的前端面上的前端凹槽结构72。后端凹槽结构71用于与主动端装置配合以传递主动端扭矩，例如可以与连接电机的连杆耦合来传递扭矩。前端凹槽结构72用于与从动端装置配合以向从动端装置传递主动端装置传来的扭矩。后端凹槽结构71或前端凹槽结构72可以是矩形凹槽、楔形凹槽或十字形凹槽等。在另一些实施例中，卡合结构(如后端卡合结构5和前端卡合结构6)也可以包括凸起，凸起的形状可以是一个或多个棱柱，或其他可以实现沿联轴器3轴向传动功能的形状。

如图6、图7所示，联轴器3可以包括卡接部8。卡接部8可以是周向延伸的凸棱。凸棱可以是连续围绕联轴器3一整周，也可以是多段式间隔周向围绕联轴器3外周面。凸棱的横截面可以具有各种适当的形状，例如矩形、梯形等等。

在一些实施例中，连接板10的至少部分连接通道13的内周侧具有周向延伸的卡槽，联轴器3的卡接部8与卡槽卡接并可以相对卡槽滑动。例如，凸棱配合卡入卡槽，用于将联轴器3活动卡合于连接板10。凸棱的横截面形状可以与卡槽横截面形状配合。例如，卡槽横截面呈矩形，则凸棱横截面形状对应也是矩形，如卡槽横截面形状呈梯形则凸棱横截面形状也是与之对应的梯形。

在一些实施例中，如图8、图9所示的连接适配器200，适配件1的后端连接部11和前端连接部12之间还设置有基座板2。基座板2位于连接板10的前端。基座板2设置有与连接板10的连接通道13配合(例如同轴同直径且位置对应)的至少一个贯通口4。基座板2与连接板10之间具有容置空间(例如基座板2与连接板10之间的间隔、基座板2或连接板10上的凹陷等等)，联轴器3的卡接部8置于容置空间，从而实现联轴器3在连接通道13和贯通口4中相对于连接板10和基座板2旋转，旋转轴垂直于连接板平面。

在一些实施例中，图10示出根据本公开的一些实施例的连接适配器200的基座板2的立体图。

基座板2可以包括一个或多个贯通口4。基座板2上的贯通口4的位置及尺寸对应于连接部10的连接通道13。一个或多个贯通口4可以包括传动贯通口41，用于从主动端装置传递动力至从动端装置。在一些实施例中，对应于锁紧连接通道132，一个或多个贯通口4还可以包括锁紧贯通口42，用于通过锁紧部件18。如图10所示，基座板2可以设有6个贯通口4，其中包括位于中间位置的锁紧贯通口42以及位于周边位置的5个传动贯通口41。贯通口4可以呈圆形，直径根据需要可以在0.5厘米到3厘米之间。多个贯通口4的直径可以不同。例如，如图10所示，锁紧贯通口42的直径可以大于传动贯通口41的直径。多个传动贯通口41的直径也可以不同，以便对连接适配器200两端的装置匹配角度进行限制，或者针对不同的传动轴的尺寸要求设置不同直径的传动贯通口41。多个贯通口4可以采用任何适当的排布方式。例如，传动贯通口41可以相对于基座板2的中心轴向对称地或非对称地分布。如图10所示，两个传动贯通口41可以位于锁紧贯通口42的一侧，而另三个传动贯通口41可以位于锁紧贯通口42另一侧。针对不同的传动功能和卡合功能要求，传动贯通口41和锁紧贯通口42也可以具有不同的布置和数量，在一些实施例中，基座板2可以不具有锁紧贯通口42，适配器200可以通过锁紧贯通口42之外的机构与前端装置或后端装置实现卡合。在另一些实施例中，传动贯通口41也可以只有1个。应可以理解，基于实际使用需要，贯通口4的数量可以与连接通道13不同，如在本实施例中，贯通口4的总数少于连接通道13的总数。

在一些实施例中，基座板2还具有至少一个螺钉固定通道16，如图10所示，用于通过螺钉将基座板2固定在连接板10上。

在一些实施例中，连接通道13从连接板10的后端平面沿适配件1的轴向延伸出，形成纵深大于连接板10的厚度的连接通道13，如图5所示。联轴器3至少部分穿过连接通道13。通过延长的连接通道13，一方面可以防止连接通道13中的联轴器3晃动，另一方面也可以辅助对准和固定与联轴器3的凹槽(如后端凹槽结构71或前端凹槽结构72)卡合的主动端装置或从动端装置。需要说明的是，多个连接通道13的纵深长度可以是一致的，也可以是不一致的。

在一些实施例中，如图8、图9中示出的，连接适配器200还包括衬垫40。衬垫40呈环状，贴近设置在基座板2与连接板10相对的另一侧(图中显示为靠近前端的一侧)。衬垫40可以由弹性材料制成，例如橡胶等。衬垫40的外周侧贴合适配件1的内周侧。衬垫40可以用于在安装连接主动端装置和/或从动端装置时起到缓冲保护作用，尤其是保护连接部位的例如PIN针触点这类结构。衬垫40还具有优化连接固定和密封的效果。

在一些实施例中，为了使连接适配器200的连接情况可检测，基座板2和连接板10还具有位置对应的通孔，形成触点通道14(如图5、图8、图10所示)。触点通道14内部可以穿过导体、通信线路、光纤等装置，以用于指示主动端装置和/或从动端装置的连接状态或传递通信数据。

在一些实施例中，为了固定基座板2和连接板10，基座板2上还设置有用于通过螺钉的螺钉固定通道16，如图8、图10所示。

根据一些实施例的连接适配器能够有效地将主动端的力矩传递至从动端，结构简单，性能良好，而且可以方便地与主动端装置和从动端装置连接和拆卸。

本公开一些实施例还公开一种机械臂组件，如图13所示，机械臂组件120包括：手术工具50、机械臂30、连接适配器100(或200)。手术工具50通过连接适配器100连接至机械臂30。

如图11所示，手术工具50包括设置在后端的一个或多个手术工具耦合器51以及安装在前端的手术执行器或内窥镜(未示出)。手术工具耦合器51传递扭矩以驱动并控制手术执行器或内窥镜的姿态和操作。例如，图12中示出的手术工具50具有5个手术工具耦合器51，分别对应适配器100上的5个联轴器3。

如图14所示，机械臂30包括驱动模组32(例如包括电机)以及机械臂耦合器31。电机通过机械臂耦合器31传递扭矩，并通过连接适配器100(或200)上的连接通道13将扭矩传递至从动端的手术工具50。

连接适配器200的后端连接部11可拆卸地连接机械臂30。连接适配器100的前端连接部12可拆卸地连接手术工具50。

手术工具耦合器51与前端卡合结构6配合连接，机械臂耦合器31与后端卡合结构5配合连接，并传动联轴器3，以使其转动，再带动手术工具耦合器51以控制手术执行器的运动。

具体的，如图12所示，手术工具耦合器51可以至少部分配合插入前端卡合结构6的凹槽。类似的，机械臂耦合器31可以至少部分插入后端卡合结构5的凹槽，当机械臂耦合器31被电机带动旋转，联轴器3以及与联轴器3卡接的手术工具耦合器51被驱动旋转。手术工具耦合器51将来自电机的扭矩传递至手术工具50并控制手术工具50的手术执行器或内窥镜运动。机械臂耦合器31可以具有多种形式，如刚性连杆。

本公开的另一个实施例还提供一种手术机器人系统130，包括前述的机械臂组件、基座140以及控制系统(未示出)。机械臂组件的机械臂30具有至少一个关节，机械臂30的后端连接设置于基座140，前端可以相对于基座140运动；控制系统控制机械臂30和/或手术工具50的运动。手术工具50通过连接适配器100(或200)连接在机械臂30上，例如，连接在机械臂30前端或靠近前端的位置。

在一些实施例中，连接适配器200的基座板2和连接板10还具有触点通道14。如图8所示，触点通道14内部可以穿过导体，用于检测主动端装置和/或从动端装置的连接状态。例如，控制系统可以通过检测导体中的电流，检测主动端装置和手术工具50的连接情况。

可选的，触点通道14中也可以设置通信线路，机械臂30远端和手术工具50近端均有能与之连接的通信线路。在手术工具50与机械臂30连接正常的情况下，通信线路可正常向控制系统传递通信数据。

注意，上述仅为本公开的示例性实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本公开不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本公开的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本公开进行了较为详细的说明，但是本公开不仅仅限于以上实施例，在不脱离本公开构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本公开的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (15)

1.一种连接适配器，包括：

适配件(1)，所述适配件(1)呈筒状；

连接板(10)，所述连接板(10)沿径向设置于所述适配件(1)内部，所述连接板(10)有至少一个贯通的连接通道(13)；

联轴器(3)，所述联轴器(3)呈柱状，设置于所述连接板(10)的所述连接通道(13)中且可相对于所述连接板(10)旋转。

2.根据权利要求1所述的连接适配器，其特征在于，还包括基座板(2)，所述基座板(2)沿径向设置在所述适配件(1)内部，位于所述连接板(10)前端，并设置有至少一个与所述连接板(10)的所述连接通道(13)对应的贯通口(4)。

3.根据权利要求1所述的连接适配器，其特征在于，所述连接板(10)的所述连接通道(13)从所述连接板(10)的后端表面沿所述适配件(1)的径向延伸出。

4.根据权利要求1所述的连接适配器，其特征在于，所述适配件(1)包括：

后端连接部(11)，所述后端连接部(11)用于可拆卸地连接后端装置；

前端连接部(12)，所述前端连接部(12)用于可拆卸地连接前端装置，

其中所述后端连接部(11)与所述前端连接部(12)的直径不同。

5.根据权利要求1所述的连接适配器，其特征在于，所述联轴器(3)包括：

后端卡合结构(5)，设置在所述联轴器(3)的后端，能与后端装置耦合；

前端卡合结构(6)，设置在所述联轴器(3)的前端，能与从前端装置耦合。

6.根据权利要求5所述的连接适配器，其特征在于，所述后端卡合结构(5)包括设置在所述连轴器(3)的后端面上的后端凹槽结构(71)，以及所述前端卡合结构(6)包括设置在所述连轴器(3)的前端面上的前端凹槽结构(72)。

7.根据权利要求2所述的连接适配器，其特征在于，所述联轴器(3)包括设置在外周面的卡接部(8)，所述卡接部为周向延伸的凸棱。

8.根据权利要求7所述的连接适配器，其特征在于，所述基座板(2)与所述连接板(10)之间形成容置空间，所述联轴器(3)的所述卡接部(8)位于所述容置空间内。

9.根据权利要求8所述的连接适配器，其特征在于，所述容置空间包括所述基座板(2)与所述连接板(10)之间的缝隙或凹陷。

10.根据权利要求2所述的连接适配器，其特征在于，包括

衬垫(40)，所述衬垫(40)呈环状，设置在所述基座板(2)的前端。

11.根据权利要求2所述的连接适配器，其特征在于，所述基座板(2)和所述连接板(10)还包括触点通道(14)，所述触点通道(14)内部穿过导体或通信线路。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的连接适配器，其特征在于，所述连接板(10)和所述适配件(1)是一体成型的。

13.一种机械臂组件，所述机械臂组件包括：

手术工具(50)，所述手术工具(50)包括手术工具耦合器(51)和手术执行器或内窥镜；

机械臂(30)，所述机械臂(30)包括驱动装置和机械臂耦合器(31)；

如权利要求1-12中任一项所述的连接适配器(100)；

所述机械臂(30)可拆卸地连接至所述连接适配器(100)的后端部，所述机械臂耦合器(31)设置成能与联轴器(3)的后端配合；

所述手术工具(50)可拆卸地连接至所述连接适配器(100)的前端部，所述手术工具耦合器(51)设置成能与联轴器(3)的前端配合。

14.根据权利要求13所述的机械臂组件，其特征在于，

所述机械臂(30)的驱动装置与所述机械臂耦合器(31)耦合，并通过所述机械臂耦合器(31)、所述联轴器(3)、所述手术工具耦合器(51)驱动所述手术执行器或内窥镜。

15.一种手术机器人系统，其特征在于，包括

权利要求13-14中任一项所述的机械臂组件；

基座，所述机械臂(30)设置于所述基座(140)上；

控制系统，用于控制机械臂(30)和/或手术工具(50)的运动。

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