CN116077196A - 用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，包括依次连接的器械驱动盒、器械杆和器械腕部，所述器械腕部包括支撑基座、腕部轴座、执行钳和驱动齿轮，所述腕部轴座为位于支撑架之间的立体结构，腕部轴座在朝向安装孔的两个圆孔外部设置有安装环，安装环中部的通孔与圆孔相重叠，安装环由顶部沿着环边设置有线形的安装槽；所述安装槽内嵌设有俯仰驱动绳缆；所述驱动齿轮由两对互不发生干涉的齿轮副组成，驱动齿轮包括一对驱动主齿轮和一对驱动副齿轮，驱动主齿轮和驱动副齿轮插入圆孔内并各自与驱动主齿轮相啮合。本发明旨在提供一种能够使俯仰、偏摆和横滚三种动作的轴线相交，便于操作控制的机器人手术器械。

Description

用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械。

背景技术

腹腔镜手术机器人控制的手术器械一般都是通过一个管状结构由机器人本体延伸至患者需要手术操作治疗的体内病灶处，由位于手术器械管状结构远端的腕部结构上安装的执行器，对病灶的进行切割，消融，夹持，提拉等操作。现有腹腔镜手术机器人的手术器械远端腕部结构是通过两个空间垂直分布的铰接轴构成，铰接轴再通过绳缆驱动的方式由后端自动驱动装置进行控制其旋转运动，俯仰铰接轴位于近端，偏摆铰接轴位于远端，两个铰接轴由独立的两组绳缆驱动动作，这两个铰接轴共同实现执行器的偏摆和开合加持功能。该设计导致俯仰和偏摆铰接轴空间垂直但不相交，因此其俯仰轴线，偏摆轴线和横滚轴线并不能相交于一点，在俯仰轴运动过程中不仅改变了执行器的姿态，同时也会改变偏摆轴和执行器开合中轴线的位置。导致其有如下问题：(1)机器人系统在控制手术器械执行器的姿态和位置过程中，需要将俯仰轴和偏摆轴与其他运动轴进行耦合控制以实现姿态和位置运动的独立运动控制；(2)机器人系统整个机械臂关节构型不满足其具有封闭解析解的条件，无法获得精确解析解；(3)主操作臂的姿态控制轴线相较于一点，而手术器械姿态运动轴线不相交于一点，对主从直观控制效果具有运动不一致的视觉影响。因此，现亟需一种能够使俯仰、偏摆和横滚三种动作的轴线相交，便于操作控制的机器人手术器械。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种能够使俯仰、偏摆和横滚三种动作的轴线相交，便于操作控制的机器人手术器械。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：

用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，包括依次连接的器械驱动盒、器械杆和器械腕部，所述器械腕部包括支撑基座、腕部轴座、执行钳和驱动齿轮，所述支撑基座的底部设置有用于与器械杆插接的插槽，支撑基座的顶端对称的设置有竖向的支撑架，支撑架上设置有安装孔，支撑基座的顶面在各支撑架的两侧均设置有第一穿孔和第二穿孔，第一穿孔对称的设置在支撑架的两侧，第二穿孔对应各支撑架设置一个且相对于支撑架交错设置；

所述腕部轴座为位于支撑架之间的立体结构，腕部轴座的中部镂空，腕部轴座的顶面设置有顶孔，腕部轴座的侧面设置有相互垂直相交的圆孔，腕部轴座在朝向安装孔的两个圆孔外部设置有安装环，安装环中部的通孔与圆孔相重叠，安装环由顶部沿着环边设置有线形的安装槽，安装环在安装槽的顶侧开设有与安装槽相通的插孔，两个安装环上的安装槽和插孔相互反向交错；所述安装槽内嵌设有俯仰驱动绳缆，俯仰驱动绳缆的前端插入插孔内，其余部分沿着安装槽插入同侧的第二穿孔内；

所述驱动齿轮由两对在运动范围内互不发生干涉的齿轮副组成，驱动齿轮包括一对驱动主齿轮和一对驱动副齿轮，驱动主齿轮插入安装孔和对应的圆孔内，驱动副齿轮插入其余的两个圆孔内并各自与驱动主齿轮相啮合；所述驱动副齿轮伸出腕部轴座的部分连接有第一执行钳和第二执行钳；所述驱动主齿轮上连接有环状的驱动导轮，驱动导轮的环边设置有内凹的环槽，环槽内嵌设有倒U型的偏摆驱动绳缆，偏摆驱动绳缆的两端插入同侧的第一穿孔内；所述偏摆驱动绳缆和所述俯仰驱动绳缆均穿过器械杆与器械驱动盒相连接。

进一步的，所述支撑基座的顶面设置有位于第一穿孔之间的分隔台，所述支撑架设置在分隔台的端部。

进一步的，所述驱动导轮的环槽顶部设置有断开的缺口，偏摆驱动绳缆的顶端具有与缺口相配合的嵌块。

进一步的，所述驱动主齿轮和驱动副齿轮的齿轮下侧具有圆环形的台阶，各驱动主齿轮和驱动副齿轮的台阶上均套设有止动环，止动环与腕部轴座的各圆孔内表面相抵。

进一步的，所述驱动主齿轮和驱动副齿轮组成的两对啮合齿轮副均由小于一圈的锥形齿轮或大小不一样的锥形齿轮副构成。

进一步的，所述安装孔上设置有能够让驱动主齿轮上平键穿过的凹槽。

进一步的，所述腕部轴座在顶孔上均设置有盖板。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的机器人手术器械腕部结构通过采用双垂直锥形齿轮驱动的方式实现了器械腕部俯仰和偏摆姿态运动轴线垂直相交，实现了横滚、俯仰和偏摆三个腕部相邻姿态轴线相交于一点。该方式具有以下效果：使得手术机器人器械控制机械臂的逆运动学具有解析解，提高了机械臂的逆运动学计算精度；使得手术器械腕部偏摆姿态运动控制与器械腕部的位置控制实现机械结构上的解耦，在运动控制过程中可以实现独立计算控制，简化了机械臂的运动控制算法；手术器械控制执行器的腕部运动轴线布局与主控制臂的姿态腕部控制轴线布局实现一致，提高了机器人手术过程中直观主从控制效果；器械末端驱动绳缆结构简单，只有一级导轮传递，级数少，结构简单，零部件少，保证了器械控制精度高，力传递效率高的效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中器械腕部的结构示意图；

图3为本发明中器械腕部的爆炸图；

图4为本发明中器械腕部的侧视图；

图5为图4中A-A方向上的剖视图；

图6为图4中B-B方向上的剖视图；

图7为本发明中驱动齿轮、腕部轴座和驱动缆绳的连接示意图；

图8为本发明中驱动齿轮和腕部轴座的连接示意图；

图9为本发明中驱动主齿轮和驱动副齿轮的连接示意图；

图10为本发明中驱动主齿轮和驱动副齿轮的结构示意图；

图11为本发明中腕部轴座的结构示意图；

图12为本发明中支撑基座的结构示意图；

图13为本发明中驱动导轮的结构示意图；

图14为本发明执行偏摆姿态的示意图；

图15为本发明执行俯仰姿态的示意图。

附图标记：

1-器械驱动盒，2-器械杆，3-器械腕部，4-支撑基座，5-第一执行钳，6-第二执行钳，7-驱动主齿轮，8-驱动副齿轮，9-腕部轴座，10-盖板，11-偏摆驱动绳缆，12-驱动导轮，13-俯仰驱动绳缆，14-止动环，41-第一穿孔，42-第二穿孔，43-支撑架，44-安装孔，45-分隔台，46-插槽，91-顶孔，92-圆孔，93-安装环，94-插孔，95-安装槽。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图13所示，用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，包括依次连接的器械驱动盒1、器械杆2和器械腕部3，所述器械腕部3包括支撑基座4、腕部轴座9、执行钳和驱动齿轮，所述支撑基座4的底部设置有用于与器械杆2插接的插槽46，支撑基座4的顶端对称的设置有竖向的支撑架43，支撑架43上设置有安装孔44，支撑基座4的顶面在各支撑架43的两侧均设置有第一穿孔41和第二穿孔42，第一穿孔41对称的设置在支撑架43的两侧，第二穿孔42对应各支撑架43设置一个且相对于支撑架43交错设置；

所述腕部轴座9为位于支撑架43之间的立体结构，腕部轴座9的中部镂空，腕部轴座9的顶面设置有顶孔91，腕部轴座9的侧面设置有相互垂直相交的圆孔92，腕部轴座9在朝向安装孔93的两个圆孔92外部设置有安装环93，安装环93中部的通孔与圆孔92相重叠，安装环93由顶部沿着环边设置有线形的安装槽95，安装环93在安装槽95的顶侧开设有与安装槽95相通的插孔94，两个安装环93上的安装槽95和插孔94相互反向交错；所述安装槽95内嵌设有俯仰驱动绳缆13，俯仰驱动绳缆13的前端插入插孔94内，其余部分沿着安装槽95插入同侧的第二穿孔42内；

所述驱动齿轮由两对在运动范围内互不发生干涉的齿轮副组成，驱动齿轮包括一对驱动主齿轮7和一对驱动副齿轮8，驱动主齿轮7插入安装孔44和对应的圆孔92内，所述安装孔44上设置有能够让驱动主齿轮7上平键穿过的凹槽，驱动副齿轮8插入其余的两个圆孔92内并各自与驱动主齿轮7相啮合；所述驱动副齿轮8伸出腕部轴座9的部分键连接有第一执行钳5和第二执行钳6；所述驱动主齿轮7上键连接有环状的驱动导轮12，驱动导轮12的环边设置有内凹的环槽，环槽内嵌设有倒U型的偏摆驱动绳缆11，偏摆驱动绳缆11的两端插入同侧的第一穿孔41内；所述偏摆驱动绳缆11和所述俯仰驱动绳缆13均穿过器械杆2与器械驱动盒1相连接。

如图12所示，所述支撑基座4的顶面设置有位于第一穿孔41之间的分隔台45，所述支撑架43设置在分隔台45的端部。分隔台45可用于分开偏摆驱动绳缆11的两个绳段。

如图13所示，所述驱动导轮12的环槽顶部设置有断开的缺口，偏摆驱动绳缆11的顶端具有与缺口相配合的嵌块。偏摆驱动绳缆11的嵌块嵌入缺口，能够使环槽对偏摆驱动绳缆11的顶端形成夹持力，便于偏摆驱动绳缆11带动驱动导轮12转动，进而使驱动主齿轮7随偏摆驱动绳缆11转动。

其中，所述驱动主齿轮7和驱动副齿轮8的齿轮下侧具有圆环形的台阶，各驱动主齿轮7和驱动副齿轮8的台阶上均套设有止动环14，止动环14与腕部轴座9的各圆孔92内表面相抵，止动环14具有防止驱动主齿轮7和驱动副齿轮8窜动的效果。所述驱动主齿轮7和驱动副齿轮8组成的两对啮合齿轮副均由小于一圈的锥形齿轮或大小不一样的锥形齿轮副构成，小于一圈的锥形齿轮能够保证驱动主齿轮7和驱动副齿轮8之间的啮合不与另一对齿轮的啮合相干涉。驱动主齿轮7和驱动副齿轮8组成的两对齿轮副还可采用一对大齿轮和一对小齿轮。

其中，所述腕部轴座9在顶孔91上均设置有盖板10，用于保护腕部轴座9内的驱动齿轮，避免人体组织进入腕部轴座被齿轮啮合损伤。

本发明的偏摆姿态和俯仰姿态的运动，通过执行器和运动控制算法预先计算来执行。如图4至图9所示，其中驱动主齿轮7和驱动副齿轮8各设置有一对，安装于腕部轴座9上相交垂直的圆孔92内，而且一个驱动主齿轮7和一个驱动副齿轮8相啮合，两对齿轮各自独立啮合，且两对齿轮副的传动比相等。驱动主齿轮7和驱动副齿轮8的齿轮部分均具有小于一圈的齿数，以此来避免非啮合的锥齿轮间发生干涉。驱动主齿轮7和驱动导轮12，其中一个驱动副齿轮8和第一执行钳5，驱动副齿轮8和第二执行钳6，均分别通过键槽连接的方式实现运动传递，从而实现将驱动导轮12的旋转运动实时的传递给第一执行钳5和第二执行钳6。

如图14所示，各偏摆驱动绳缆11和俯仰驱动绳缆13均穿过器械杆2连入器械驱动盒1内，由器械驱动盒1拉动偏摆驱动绳缆11和俯仰驱动绳缆13运动。申请号为2009801343862的中国发明专利双极烧灼器械中记载有能够传动驱动绳缆的器械驱动盒，如该专利中记载的图6所示，故器械驱动盒1传动驱动绳缆的方式为现有技术对此不再赘述。

各驱动主齿轮7上的驱动导轮12分别由各自的偏摆驱动绳缆11控制进行顺时针和逆时针两个转动方向的旋转运动，且两个驱动主齿轮7的旋转运动是各自独立的，两个独立的旋转运动可以通过控制各自不同的转动角度和方向实现器械执行器的腕部偏摆运动和开合动作。两个驱动主齿轮7分别安装于腕部轴座9的两个共轴线的圆孔92内，实现了驱动主齿轮7的轴线共线。两个驱动副齿轮8分别安装于腕部轴座9的另外两个圆孔92内，实现了驱动副齿轮8的轴线共线，且驱动主齿轮7轴线与驱动副齿轮8轴线实现垂直相交。

如图15所示，腕部轴座9上分布有两个与驱动主齿轮7轴孔同心的安装环93，安装环93由顶部沿着环边设置有线形的安装槽95，安装环93在安装槽95的顶侧开设有与安装槽95相通的插孔94，两个安装环93上的安装槽95和插孔94相互反向交错。其中安装槽95用来嵌入俯仰驱动绳缆13，并通过插孔94固定住俯仰驱动绳缆13的顶端，阻挡俯仰驱动绳缆13的滑动和脱落。而且安装槽95和插孔94相互反向交错形成一定角度，从而实现由两个俯仰驱动绳缆13驱动腕部轴座9的双向转动，即器械腕部3的俯仰轴运动。此种结构的俯仰轴运动会带动驱动副齿轮8的转动，为避免由于驱动副齿轮8的转动造成执行器非预期的偏摆或开合运动，需要同时控制驱动主齿轮7将执行钳转动相同角度的等价角度。腕部轴座9和驱动副齿轮8通过驱动主齿轮7在支撑基座4上实现旋转支撑，且腕部轴座9与驱动主齿轮7和驱动副齿轮8间可以自由相对绕轴线转动，轴线位置则通过平面、齿轮端面铆压面及止动环实现限制。同时也可以在驱动主齿轮7和腕部轴座9，及驱动主齿轮7和支撑基座4间的增加减磨轴承的方式来来减小轴与孔间的摩擦力。

横滚周向运动则通过器械驱动盒1内的驱动轴带动器械杆2旋转实现横滚运动。

本发明中的器械腕部三个动作的相邻轴线相交于一点，满足了六自由度机器人逆解具有解析解的条件，即Pieper原则：机器人三个相邻关节轴线相交于一点或三轴线平行。使得手术机器人器械控制机械臂的逆运动学具有解析解，提高了机械臂的逆运动学计算精度。

器械腕部俯仰姿态轴线和偏摆姿态轴线相交于一点，俯仰姿态的运动将不会对腕部偏摆轴线的位置产生变化。使得手术器械腕部偏摆姿态运动控制与器械末端执行器的位置控制实现机械结构上的解耦，在运动控制过程中可以实现独立计算控制，简化了机械臂的运动控制算法。

器械腕部三种姿态的三个轴线相交于一点，机器人器械主端操控杆控制部分的轴线也相交于一点，两者轴线结构布局一致。使得手术器械控制执行器的腕部运动轴线布局与主控制臂的姿态腕部控制轴线布局实现一致，提高了机器人手术过程中直观主从控制效果。

而且本发明中的偏摆驱动绳缆11和俯仰驱动绳缆13结构简单，只有一级导轮传递，级数少，结构简单，零部件少，保证了器械控制精度高，力传递效率高的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，包括依次连接的器械驱动盒(1)、器械杆(2)和器械腕部(3)，其特征在于：所述器械腕部(3)包括支撑基座(4)、腕部轴座(9)、执行钳和驱动齿轮，所述支撑基座(4)的底部设置有用于与器械杆(2)插接的插槽(46)，支撑基座(4)的顶端对称的设置有竖向的支撑架(43)，支撑架(43)上设置有安装孔(44)，支撑基座(4)的顶面在各支撑架(43)的两侧均设置有第一穿孔(41)和第二穿孔(42)，第一穿孔(41)对称的设置在支撑架(43)的两侧，第二穿孔(42)对应各支撑架(43)设置一个且相对于支撑架(43)交错设置；

所述腕部轴座(9)为位于支撑架(43)之间的立体结构，腕部轴座(9)的中部镂空，腕部轴座(9)的顶面设置有顶孔(91)，腕部轴座(9)的侧面设置有相互垂直相交的圆孔(92)，腕部轴座(9)在朝向安装孔(93)的两个圆孔(92)外部设置有安装环(93)，安装环(93)中部的通孔与圆孔(92)相重叠，安装环(93)由顶部沿着环边设置有线形的安装槽(95)，安装环(93)在安装槽(95)的顶侧开设有与安装槽(95)相通的插孔(94)，两个安装环(93)上的安装槽(95)和插孔(94)相互反向交错；所述安装槽(95)内嵌设有俯仰驱动绳缆(13)，俯仰驱动绳缆(13)的前端插入插孔(94)内，其余部分沿着安装槽(95)插入同侧的第二穿孔(42)内；

所述驱动齿轮由两对在运动范围内互不发生干涉的齿轮副组成，驱动齿轮包括一对驱动主齿轮(7)和一对驱动副齿轮(8)，驱动主齿轮(7)插入安装孔(44)和对应的圆孔(92)内，驱动副齿轮(8)插入其余的两个圆孔(92)内并各自与驱动主齿轮(7)相啮合；所述驱动副齿轮(8)伸出腕部轴座(9)的部分连接有第一执行钳(5)和第二执行钳(6)；所述驱动主齿轮(7)上连接有环状的驱动导轮(12)，驱动导轮(12)的环边设置有内凹的环槽，环槽内嵌设有倒U型的偏摆驱动绳缆(11)，偏摆驱动绳缆(11)的两端插入同侧的第一穿孔(41)内；所述偏摆驱动绳缆(11)和所述俯仰驱动绳缆(13)均穿过器械杆(2)与器械驱动盒(1)相连接。

2.根据权利要求1所述的用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，其特征在于：所述支撑基座(4)的顶面设置有位于第一穿孔(41)之间的分隔台(45)，所述支撑架(43)设置在分隔台(45)的端部。

3.根据权利要求1所述的用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，其特征在于：所述驱动导轮(12)的环槽顶部设置有断开的缺口，偏摆驱动绳缆(11)的顶端具有与缺口相配合的嵌块。

4.根据权利要求1所述的用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，其特征在于：所述驱动主齿轮(7)和驱动副齿轮(8)的齿轮下侧具有圆环形的台阶，各驱动主齿轮(7)和驱动副齿轮(8)的台阶上均套设有止动环(14)，止动环(14)与腕部轴座(9)的各圆孔(92)内表面相抵。

5.根据权利要求4所述的用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，其特征在于：所述驱动主齿轮(7)和驱动副齿轮(8)组成的两对啮合齿轮副均由小于一圈的锥形齿轮或大小不一样的锥形齿轮副构成。

6.根据权利要求1所述的用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，其特征在于：所述安装孔(44)上设置有能够让驱动主齿轮(7)上平键穿过的凹槽。

7.根据权利要求1所述的用于机器人手术具有腕部姿态运动轴线相交的手术器械，其特征在于：所述腕部轴座(9)在顶孔(91)上均设置有盖板(10)。

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