TWI504492B

TWI504492B - Spherical Linkage Surgical Arm

Info

Publication number: TWI504492B
Application number: TW102121198A
Authority: TW
Original assignee: Hiwin Tech Corp
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2015-10-21
Also published as: TW201440979A; CN104127237A; CN104127237B

Description

球狀連桿式手術機械手臂

本發明係與機械人有關，特別是關於一種球狀連桿式手術機械手臂結構。

隨著醫學技術的進步，新的手術技術不斷的推陳出新。讓患者獲得快速、風險小又復原時間短的手術技術一直是醫學界追求的目標，近幾年來風行的微創手術(Minimally Invasive Surgery)即為其中之一，例如腹腔鏡手術，其利用內視鏡影像技術和微形手術器械，使患者無需先形成巨大傷口即可施行手術，不但使患者失血量大幅減少，也因為傷口小而可以快速地痊癒。

然而，醫師進行腹腔鏡手術時，係需同時運用內視鏡影像模組和手術器械模組伸入患者體內，並藉由內視鏡觀看進行手術，如此一來，必需要機械手臂協助醫師握持或操作相關器械才能進行手術。

習知的機械手臂係結構複雜需經過繁複的程式計算並透過精準的控制才能精確地定位，如美國公開第2007/0173976號專利所揭露之機械手臂技術，其每一支連桿長度都不同(如第7圖A和第7圖B所示)就需要透過大量的程式計算才能精準的將其外側軸(outboard axis)移動到所需位置。

此外，習知的機械手臂，如美國公開第2012/0184968號專利所揭露之機械手臂技術，其係使用五連桿機構設計，當中的手術器械係固設在其中一連桿的延伸段上(如第15圖所示)，雖然手術器械仍可通過球形旋轉中心(center of spherical rotation)但中心以外的部分卻會隨著連桿以該球形旋轉中心轉動，在連桿的運動過程中將因為手術器械轉動角度過大而減低在手術器械表面顯示資訊來供醫師判讀的可能性。

有鑑於上述問題，本發明之主要目的在於提供一種球狀連桿式手術機械手臂，藉由連桿長度的一致化減少程式運算的負擔，能較習知機械手臂容易控制及定位。

本發明之另一目的在於提供一種球形連桿式手術機械手臂，藉由增設一與連桿之間存有轉動比例關係的器械桿，讓裝設其上的手術器械轉動角度減小，較習知機械手臂增加在手術器械表面顯示資訊來供醫師判讀的可能性。

為達成上述目的，本發明提供一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第一軸心和一第二軸心；一第二彎桿，與該第一彎桿等長，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第三軸心和一第四軸心，該第三軸心與該第一軸心重合；一第三彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第五軸心和一第六軸心，該第三彎桿樞接該第二彎桿且該第五軸心與該第四軸心重合；以及一第四彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第七軸心和一第八軸心，該第四彎桿分別樞接該第三彎桿和該第一彎桿，該第七軸心與該第六軸心重合，該第八軸心與該第二軸心重合。

由於第一彎桿與第二彎桿等長而簡化運算條件，所以能夠減少程式運算的負擔，較習知機械手臂容易控制及定位。

另外，本發明也提供一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第一軸心和一第二軸心；一第二彎桿，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第三軸心和一第四軸心，該第三軸心與該第一軸心重合；一第三彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第五軸心和一第六軸心，該第三彎桿樞接該第二彎桿且該第五軸心與該第四軸心重合；一第四彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第七軸心和一第八軸心，該第四彎桿分別樞接該第三彎桿和該第一彎桿，該第七軸心與該第六軸心重合，該第八軸心與該第二軸心重合；一器械桿，具有通過該球形旋轉中心的一運轉軸心，該器械桿樞接該第三彎桿或該第四彎桿，且該運轉軸心重合該第六軸心或該第七軸心；一第一比例輪，係固接該第一彎桿，並讓該第二軸心通過該第一比例輪之輪軸心；一第二比例輪，其直徑大於該第一比例輪之直徑，該第二比例輪係固接該器械桿，並讓該運轉軸心通過該第二比例輪之輪軸心；以及一撓性元件，係繞設於該第一比例輪和該第二比例輪上。

藉由該器械桿供手術器械設置其上以及該第一比例輪和第二比例輪，使得器械桿與其他彎桿的運動產生比例關係進而讓裝設在器械桿的手術器械轉動角度減小，較習知機械手臂增加在手術器械表面顯示資訊來供醫師判讀的可能性。

同樣的發明精神，本發明還提供一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第一軸心和一第二軸心；一第二彎桿，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第三軸心和一第四軸心；一第三彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第五軸心和一第六軸心，該第三彎桿樞接該第二彎桿且該第五軸心與該第四軸心重合；一第四彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第七軸心和一第八軸心，該第四彎桿分別樞接該第三彎桿和該第一彎桿，該第七軸心與該第六軸心重合，該第八軸心與該第二軸心重合；一地桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第九軸心和一第十軸心，該第九軸心與該第一軸心重合，該第十軸心與該第三軸心重合；一器械桿，具有通過該球形旋轉中心的一運轉軸心，該器械桿樞接該第三彎桿或該第四彎桿，且該運轉軸心重合該第六軸心或該第七軸心；一第一比例輪，係固接該第一彎桿，並讓該第二軸心通過該第一比例輪之輪軸心；一第二比例輪，其直徑大於該第一比例輪之直徑，該第二比例輪係固接該器械桿，並讓該運轉軸心通過該第二比例輪之輪軸心；以及一撓性元件，係繞設於該第一比例輪和該第二比例輪上。

11、31‧‧‧第一彎桿

11a、31a‧‧‧第一軸心

11b、31b‧‧‧第二軸心

12、32‧‧‧第二彎桿

12a、32a‧‧‧第三軸心

12b、32b‧‧‧第四軸心

13、33‧‧‧第三彎桿

13a、33a‧‧‧第五軸心

13b、33b‧‧‧第六軸心

14、34‧‧‧第四彎桿

14a、34a‧‧‧第七軸心

14b、34b‧‧‧第八軸心

15‧‧‧第一驅動裝置

151‧‧‧第一驅動軸

16‧‧‧第二驅動裝置

161‧‧‧第二驅動軸

17、36‧‧‧器械桿

17a、36a‧‧‧運轉軸心

18、37‧‧‧第一比例輪

19、38‧‧‧第二比例輪

21、39‧‧‧撓性元件

35‧‧‧地桿

35a‧‧‧第九軸心

35b‧‧‧第十軸心

C‧‧‧球形旋轉中心

第一圖係第一較佳實施例之立體圖；第二圖係第一較佳實施例之立體圖；第三圖係第一較佳實施例之側視圖；第四圖係第二較佳實施例之立體圖；第五圖係第二較佳實施例之側視圖；第六圖係第二較佳實施例之仰視圖；以及第七圖係的三較佳實施例之立體示意圖。

以下將藉由所列舉之實施例配合圖式詳細說明本發明之技術內容及特徵。

如第一圖~第三圖所示，本發明第一較佳實施例所提供之一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心C(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿11、一第二彎桿12、一第三彎桿13和一第四彎桿14。需先說明的是，在此所說明的軸心，係一虛擬軸線供物體繞其轉動。

其中，該第一彎桿11，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第一軸心11a和一第二軸心11b。

該第二彎桿12，與該第一彎桿11等長，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第三軸心12a和一第四軸心12b，該第三軸心12a與該第一軸心11a重合。

該第三彎桿13，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第五軸心13a和一第六軸心13b，該第三彎桿13樞接該第二彎桿12且該第五軸心13a與該第四軸心12b重合。

該第四彎桿14，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第七軸心14a和一第八軸心14b，該第四彎桿14分別樞接該第三彎桿13和該第一彎桿11，該第七軸心14a與該第六軸心13b重合，該第八軸心14b與該第二軸心11b重合。

除前述該第一彎桿11與該第二彎12桿等長之外，也可以讓該第三彎桿13和該第四彎桿14等長，進一步簡化本較佳實施例中控制各彎桿運動的程式運算。更甚者，還可讓該第二彎桿12和該第三彎桿13等長，如本較佳實施例所示第一彎桿11、第二彎桿12、第三彎桿13和第四彎桿14皆等長，進一步減少程式運算負擔，縮短程式計算時間。

此外，本較佳實施例中設有一第一驅動裝置15，該第一驅動裝置15為馬達和減速機的組合用來驅動物體旋轉，其具有一第一驅動軸151，該第一驅動軸151連接該第一彎桿11且與該第一軸心11a重合。一第二驅動裝置16，具有一第二驅動軸161，該第二驅動軸161連接該第二彎桿12且與該第三軸心12a重合。由於該第一驅動軸151和該第二驅動軸161係直接連結該第一彎桿11和該第二彎桿12，故能減少構件數量進而減低製作成本及組裝時間，具有經濟效益，並且，透過該第一驅動裝置15和該第二驅動裝置16控制該第一彎桿11和該第二彎桿12相對轉動，即可控制球狀連桿式手術機械手臂運動。

另需特別說明的是，在此所指的彎桿長度係在一以該球形旋轉中心C為球心的公共球面(各軸心皆穿過該公共球面)上，各彎桿軸心之間於公共球面上的最短距離。

如第四圖~第五圖所示，本發明第二較佳實施例所提供之一種球狀連桿式手術機械手臂，其與第一較佳實施例不同處在於更設有一器械桿17、一第一比例輪18、一第二比例輪19和一撓性元件21。

該器械桿17，具有通過該球形旋轉中心C的一運轉軸心 17a，該器械桿17樞接該第三彎桿13或該第四彎桿14，且該運轉軸心17a重合該第六軸心13b或該第七軸心14a。

該第一比例輪18，係固接該第一彎桿11而隨著該第一彎桿 11轉動，並讓該第二軸心11b通過該第一比例輪18之輪軸心。

該第二比例輪19，其直徑大於該第一比例輪18之直徑，該第二比例輪19係固接該器械桿17而隨著該器械桿17轉動，並讓該運轉軸心17a通過該第二比例輪19之輪軸心。

該撓性元件21，係繞設於該第一比例輪18和該第二比例輪 19上，在本較佳實施例中撓性元件21係以鋼索為例，但不以此為限，也可以是繩、皮帶等。

在本實施例中，當設置該第一比例輪18、第二比例輪19和該撓性元件21即具有使該器械桿17轉動角度小於該第四彎桿14轉動角度的效果，不必需該第一彎桿11與該第二彎桿12等長。然而，當該第一彎桿11和該第二彎桿12等長時，會產生減少程式運算負擔，縮短程式計算時間的效果，更甚者，還能讓該第二彎桿12和該第三彎桿13等長，來加強效果。

在該第一彎桿11、第二彎桿12、第三彎桿13和該第四彎桿 14等長的情況下，當該第二比例輪19直徑係2倍於該第一比例輪18直徑將能保持該器械桿17與該第三桿13和該第四桿14之間的夾角相等。

本發明第二較佳實施例於運作時，因為該第一比例輪18和該第二比例輪19的設置，使得器械桿17與該第一彎桿11之間存有轉動比例關係，如此將讓裝設於該器械桿的手術器械轉動角度減小，較習知機械手臂增加在手術器械表面顯示資訊來供醫師判讀的可能性。

如第七圖所示，本發明第三較佳實施例所提供之一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿31、一第二彎桿32、一第三彎桿33、一第四彎桿34、一地桿35、一器械桿36、一第一比例輪37、一第二比例輪38和一撓性元件39。

該第一彎桿31，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第一軸心31a和一第二軸心31b。

該第二彎桿32，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第三軸心32a和一第四軸心32b。

該第三彎桿33，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第五軸心33a和一第六軸心33b，該第三彎桿33樞接該第二彎桿32且該第五軸心33a與該第四軸心32b重合。

該第四彎桿34，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第七軸心34a和一第八軸心34b，該第四彎桿34分別樞接該第三彎桿33和該第一彎桿31，該第七軸心34a與該第六軸心33b重合，該第八軸心34b與該第二軸心31b重合。

該地桿35，兩端分別具有通過該球形旋轉中心C的一第九軸心35a和一第十軸心35b，該第九軸心35a與該第一軸心31a重合，該第十35b軸心與該第三軸心32a重合。

該器械桿36，具有通過該球形旋轉中心C的一運轉軸心 36a，該器械桿36樞接該第三彎桿33或該第四彎桿34，且該運轉軸心36a重合該第六軸心33b或該第七軸心34a。

該第一比例輪37，係固接該第一彎桿31而隨著該第一彎桿 31轉動，並讓該第二軸心31b通過該第一比例輪37之輪軸心。

該第二比例輪38，其直徑大於該第一比例輪37之直徑，該第二比例輪38係固接該器械桿36而隨著該器械桿36轉動，並讓該運轉軸心36a通過該第二比例輪38之輪軸心。

該撓性元件39，係繞設於該第一比例輪37和該第二比例輪 38上，在本較佳實施例中，撓性元件39係以鋼索為例，但不以此為限，也可以是繩、皮帶等。

在本較佳實施例中，除讓該第一彎桿31與該第二彎桿32等長之外，也可以讓該第三彎桿33和該第四彎桿34等長，用來簡化控制各彎桿運動的程式運算。更甚者，還可讓該第二彎桿32和該第三彎桿33等長，如本較佳實施例所示第一彎桿31、第二彎桿32、第三彎桿33和第四彎桿34皆等長，進一步減少程式運算負擔，縮短程式計算時間。此外，該第一比例輪37和該第二比例輪38的設置使得器械桿36與連桿之間存有轉動比例關係，如此將讓裝設於該器械桿36的手術器械轉動角度減小，較習知機械手臂增加在手術器械表面顯示資訊來供醫師判讀的可能性。

11‧‧‧第一彎桿

11a‧‧‧第一軸心

11b‧‧‧第二軸心

12‧‧‧第二彎桿

12a‧‧‧第三軸心

12b‧‧‧第四軸心

13‧‧‧第三彎桿

13a‧‧‧第五軸心

13b‧‧‧第六軸心

14‧‧‧第四彎桿

14a‧‧‧第七軸心

14b‧‧‧第八軸心

15‧‧‧第一驅動裝置

16‧‧‧第二驅動裝置

C‧‧‧球形旋轉中心

Claims

一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第一軸心和一第二軸心；一第二彎桿，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第三軸心和一第四軸心，該第三軸心與該第一軸心重合；一第三彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第五軸心和一第六軸心，該第三彎桿樞接該第二彎桿且該第五軸心與該第四軸心重合；一第四彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第七軸心和一第八軸心，該第四彎桿分別樞接該第三彎桿和該第一彎桿，該第七軸心與該第六軸心重合，該第八軸心與該第二軸心重合；一器械桿，具有通過該球形旋轉中心的一運轉軸心，該器械桿樞接該第三彎桿或該第四彎桿，且該運轉軸心重合該第六軸心或該第七軸心；一第一比例輪，係固接該第一彎桿，並讓該第二軸心通過該第一比例輪之輪軸心；一第二比例輪，其直徑大於該第一比例輪之直徑，該第二比例輪係固接該器械桿，並讓該運轉軸心通過該第二比例輪之輪軸心；以及一撓性元件，係繞設於該第一比例輪和該第二比例輪上。
如申請專利範圍第1項所述之球狀連桿式手術機械手臂，其中：該第一彎桿和該第二彎桿等長。
如申請專利範圍第2項所述之球狀連桿式手術機械手臂，其中：該第三彎桿和該第四彎桿等長。
如申請專利範圍第3項所述之球狀連桿式手術機械手臂，其中：該第二彎桿和該第三彎桿等長。
一種球狀連桿式手術機械手臂，係繞著一球形旋轉中心(center of spherical rotation)轉動，包含：一第一彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第一軸心和一第二軸心；一第二彎桿，其兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第三軸心和一第四軸心；一第三彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第五軸心和一第六軸心，該第三彎桿樞接該第二彎桿且該第五軸心與該第四軸心重合；一第四彎桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第七軸心和一第八軸心，該第四彎桿分別樞接該第三彎桿和該第一彎桿，該第七軸心與該第六軸心重合，該第八軸心與該第二軸心重合；一地桿，兩端分別具有通過該球形旋轉中心的一第九軸心和一第十軸心，該第九軸心與該第一軸心重合，該第十軸心與該第三軸心重合；一器械桿，具有通過該球形旋轉中心的一運轉軸心，該器械桿樞接該第三彎桿或該第四彎桿，且該運轉軸心重合該第六軸心或該第七軸心；一第一比例輪，係固接該第一彎桿，並讓該第二軸心通過該第一比例輪之輪軸心；一第二比例輪，其直徑大於該第一比例輪之直徑，該第二比例輪係固接該器械桿，並讓該運轉軸心通過該第二比例輪之輪軸心；以及一撓性元件，係繞設於該第一比例輪和該第二比例輪上。
如申請專利範圍第5項所述之球狀連桿式手術機械手臂，其中：該第一彎桿和該第二彎桿等長。
如申請專利範圍第6項所述之球狀連桿式手術機械手臂，其中：該第二彎桿和該第三彎桿等長。