TWI840134B

TWI840134B - 手術器械扶持機械手臂

Info

Publication number: TWI840134B
Application number: TW112106815A
Authority: TW
Inventors: 郭子維
Original assignee: 上銀科技股份有限公司
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2024-04-21

Abstract

本發明之手術器械扶持機械手臂包含一第一傳動模組、一第二傳動模組和一第三傳動模組。第一傳動模組以一第一從動齒輪連接第二傳動模組並以一第一固定齒輪嚙接第二傳動模組之一第一行星齒輪，當第二傳動模組受第一從動齒輪的帶動而旋轉時會帶動第一行星齒輪繞著第一固定齒輪公轉和自轉，第二傳動模組以一第二從動齒輪連接第三傳動模組，第三連動模組再和一手術器械連接，當第三傳動模組受第二從動齒輪的帶動而旋轉時即可帶動手術器械作動。藉此，本發明之手術器械扶持機械手臂僅需配置一組致動器即可達到多臂連動的效果。

Description

手術器械扶持機械手臂

本發明與機械手臂有關，特別是指一種具有多臂連動效果之手術器械扶持機械手臂。

JP 6970780 B2所揭露的醫療用觀察裝置主要是在手臂單元當中使用致動器將動力傳遞至驅動軸，再由驅動軸經過第一錐齒輪和第二錐齒輪的嚙合將動力傳動至關節單元，使關節單元產生相對應的作動。然而在前述專利案中，若要達到多臂連動的效果，在每一個手臂單元當中都需要配置一組致動器，如此會導致成本的增加。

US 11,173,003 B2所揭露的機器人醫療系統主要是利用輸入斜齒輪驅動輸入小齒輪，使輸入小齒輪自轉之外並同時繞著輸入斜齒輪公轉，在輸入小齒輪公轉的過程中透過連動機構驅動輸出小齒輪，使輸出小齒輪自轉之外並同時繞著輸出斜齒輪公轉，如此一來，輸出斜齒輪即可被輸出小齒輪所驅動而帶動末端支撐部同步旋轉。然而在前述專利案中，僅能達到單一關節的連動效果，另外，輸入斜齒輪和輸出斜齒輪設置在連動機構的二相對側，導致整體結構的材積較大而容易影響線路的配置。

本發明之主要目的在於提供一種手術器械扶持機械手臂，其僅需配置單一驅動源即可達到多臂連動的效果。

為了達成上述主要目的，本發明之手術器械扶持機械手臂用以將一手術器械保持於一遠端運動中心作動，其包含一固定基座、一第一傳動模組、一第二傳動模組，以及一第三傳動模組。該第一傳動模組具有一第一臂、一第一致動器、一第一驅動齒輪、一第一從動齒輪、一第一固定軸和一第一固定齒輪，該第一臂具有一前端和一後端，該第一臂之該後端可轉動地連接該固定基座，該第一致動器設於該第一臂內，該第一驅動齒輪設於該第一臂內且連接該第一致動器，使得該第一驅動齒輪能受該第一致動器的驅動而旋轉，該第一從動齒輪可轉動地設於該第一臂之該前端且嚙接該第一驅動齒輪，使得該第一從動齒輪能受該第一驅動齒輪之驅動而旋轉，該第一固定軸穿設於該第一臂之該前端和該第一從動齒輪，該第一固定軸之一端固定於該第一臂，該第一固定軸之另一端凸出於該第一臂外且連接該第一固定齒輪；該第二傳動模組具有一第二臂、一第一行星齒輪、一第一傳動軸、一第二驅動齒輪和一第二從動齒輪，該第二臂之一底端容納該第一固定齒輪且連接該第一從動齒輪，使得該第二臂能受該第一從動齒輪之驅動而旋轉，該第一行星齒輪可轉動地設於該第二臂之該底端且嚙接該第一固定齒輪，使得該第一行星齒輪能受該第二臂之驅動而繞著該第一固定齒輪公轉和自轉，該第一傳動軸設於該第二臂內且以其二端分別連接該第一行星齒輪和該第二驅動齒輪，使得該第一傳動軸能受該第一行星齒輪之驅動而帶動該第二驅動齒輪旋轉，該第二從動齒輪可轉動地設於該第二臂之一頂端且嚙接該第二驅動齒輪，使得該第二從動齒輪能受該第二驅動齒輪之驅動而旋轉；該第三傳動模組連接該第二傳動模組之該第二從動齒輪和該手術器械，使得該第三傳動模組能受該第二傳動模組之該第二從動齒輪的驅動而將該手術器械保持於一遠端運動中心作動。

由上述可知，當該第一致動器啟動時，該第二傳動模組會受該第一從動齒輪的帶動而相對該第一傳動模組旋轉並在旋轉過程中同時帶動該第一行星齒輪繞著該第一固定齒輪公轉和自轉，另外，該第三傳動模組會受該第二從動齒輪的帶動而帶動該手術器械作動。藉此，本發明之手術器械扶持機械手臂所提供的該第一致動器僅需配置一組即可達到多臂連動的效果。

較佳地，該第二傳動模組更具有一第二固定軸和一第二固定齒輪，該第二固定軸穿設於該第二臂之該頂端和該第二從動齒輪，該第二固定軸之一端固定於該第二臂，該第二固定軸之另一端凸出於該第二臂外且連接該第二固定齒輪；該第三傳動模組具有一第三臂、一第二行星齒輪、一第二傳動軸、一第三驅動齒輪和一第三從動齒輪，該第三臂之一後端容納該第二固定齒輪且連接該第二從動齒輪，使得該第三臂能受該第二從動齒輪之驅動而旋轉，該第二行星齒輪可轉動地設於該第三臂之該後端且嚙接該第二固定齒輪，使得該第二行星齒輪能受該第三臂之驅動而繞著該第二固定齒輪公轉和自轉，該第二傳動軸設於該第三臂內且以其二端分別連接該第二行星齒輪和該第三驅動齒輪，使得該第二傳動軸能受該第二行星齒輪之驅動而帶動該第三驅動齒輪旋轉，該第三從動齒輪可轉動地設於該第三臂之一前端且連接該手術器械，並與該第三驅動齒輪嚙接，使得該第三從動齒輪能受該第三驅動齒輪之驅動而帶動該手術器械旋轉。

較佳地，本發明更提供一雷射元件，該雷射元件設於該第一臂內，用以對該遠端運動中心發射一雷射光束，用以幫助該手術器械在架設時能快速定位。

較佳地，該第一傳動模組能繞著一第一軸向相對該固定基座旋轉，該雷射光束同軸對應於該第一軸向。

較佳地，該第一傳動模組和第三傳動模組之間的角度介於4-8度之間，該手術器械和該第二傳動模組之間的角度介於62-66度之間，若超出上述角度範圍時將無法滿足臨床使用的條件。

較佳地，該第一固定齒輪、該第一行星齒輪的齒數比與該第二驅動齒輪、該第二從動齒輪的齒數比相同；該第二固定齒輪、該第二行星齒輪的齒數比與該第三驅動齒輪、該第三從動齒輪的齒數比相同。如此，可使該第二臂和該第三臂達到同步、等角度的擺動，以讓該手術器械保持於該遠端運動中心作動。

較佳地，該第一傳動模組與該第三傳動模組位於該第二傳動模組之同一側，以減少整體材積。

較佳地，該第一固定軸具有一第一走線槽，該第一固定齒輪具有一第一走線孔，該第一走線槽和第一走線孔同軸相通。另外，該第二固定軸具有一第二走線槽，該第二固定齒輪具有一第二走線孔，該第二走線槽和第二走線孔同軸相通。如此，可以達到方便走線的效果。

較佳地，該第一臂之該前端具有一第一承靠部和一設於該第一承靠部之第一螺孔，該第一固定軸具有一徑向連通該第一走線槽之第一下定位孔，該第一傳動模組更具有一第一定位板和一第一螺栓，該第一定位板抵壓該第一臂之該第一承靠部和該第一固定軸，且該第一定位板具有一第一上定位孔，該第一螺栓穿設於該第一上定位孔和該第一下定位孔且螺設於該第一螺孔，用以將該第一固定軸和該第一臂固定在一起；該第二臂之該頂端具有一第二承靠部和一設於該第二承靠部之第二螺孔，該第二固定軸具有一徑向連通該第二走線槽之第二下定位孔，該第二傳動模組更具有一第二定位板和一第二螺栓，該第二定位板抵壓該第二臂之該第二承靠部和該第二固定軸，且該第二定位板具有一第二上定位孔，該第二螺栓穿設於該第二上定位孔和該第二下定位孔且螺設於該第二螺孔，用以將該第二固定軸和該第二臂固定在一起。

較佳地，該第二傳動模組繞著一第二軸向相對該第一傳動模組旋轉，該第二軸向相對於該第一軸向往上偏移一段距離，使該第一傳動模組的下方可以提供更多空間避免在操作時和病患腹部或其他手術器械碰撞。

有關本發明所提供對於手術器械扶持機械手臂的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

申請人首先在此說明，於整篇說明書中，包括以下介紹的實施例以及申請專利範圍的請求項中，有關方向性的名詞皆以圖式中的方向為基準。其次，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之元件標號，代表相同或近似之元件或其結構特徵。

請參閱圖1，本發明之手術器械扶持機械手臂10包含有一固定基座20、一第一傳動模組30、一第二傳動模組40、一第三傳動模組50，以及一第四傳動模組60。

如圖2所示，第一傳動模組30具有一第一臂31、一第一致動器32、一第二致動器33、一第一驅動齒輪34、一第一從動齒輪35、一第一固定軸36、一第一固定齒輪37、一第一定位板38和一第一螺栓39，其中，第一臂31具有一第一殼體311和一第一側蓋312，第一側蓋312利用多根螺絲S1（數量不限）鎖設於第一殼體311，此外，第一殼體311之前端具有一第一承靠部313，第一承靠部313具有一第一承靠槽314和一連通第一承靠槽314之第一螺孔315，第一臂31之後端透過一關節件316以可轉動的方式連接固定基座20；第一致動器32和第二致動器33設於第一臂31內並以上下並排且前後相反的方式設置，其中的第二致動器33連接關節件316，使得第二致動器33能驅動關節件316旋轉，進而使第一傳動模組30繞著一第一軸向A1相對固定基座20旋轉（如圖11所示）；第一驅動齒輪34設於第一臂31內且透過一減速器342連接第一致動器32，使得第一驅動齒輪34能受第一致動器32之驅動而旋轉；第一從動齒輪35可轉動地設於第一殼體311之前端且嚙接第一驅動齒輪34，使得第一從動齒輪35能受第一驅動齒輪34之驅動而旋轉；如圖2、圖4及圖5所示，第一固定軸36穿設於第一殼體311之前端和第一從動齒輪35，第一固定軸36之一端承靠於第一承靠部313之第一承靠槽314內，第一固定軸36之另一端凸出於第一殼體311外且利用多根螺絲S2（數量不限）連接第一固定齒輪37，第一固定軸36具有一貫穿左右二端之第一走線槽362和一連通第一走線槽362之第一下定位孔364；第一固定齒輪37具有一同軸連通第一走線槽362之第一走線孔372（如圖5所示），藉由第一走線槽362和第一走線孔372供相關的電子線路穿設來達到方便走線的效果；第一定位板38以一第一定位凸部382定位於第一固定軸36之第一走線槽362內，第一定位板38具有一軸向連通第一下定位孔364之第一上定位孔384；第一螺栓39穿設於第一上定位孔384和第一下定位孔364且螺設於第一螺孔315，用以將第一固定軸36和第一臂31固定在一起。

如圖3及圖4所示，第二傳動模組40具有一第二臂41、一第一行星齒輪42、一第一傳動軸43、一第二驅動齒輪44、一第二從動齒輪45、一第二固定軸46、一第二固定齒輪47、一第二定位板48和一第二螺栓49，其中，第二臂41具有一第二殼體411和一第二側蓋412，第二殼體411之頂端具有一第二承靠部413，第二承靠部413具有一第二承靠槽414和一連通第二承靠槽414之第二螺孔415，第二殼體411之底端容納第一固定齒輪37，第二側蓋412一方面利用多根螺絲S1（數量不限）鎖設於第二殼體411，另一方面利用多根螺絲S3連接第一從動齒輪35，使得第二臂41能受第一從動齒輪35之驅動而繞著一第二軸向A2相對第一傳動模組30旋轉（如圖5及圖11所示）；第一行星齒輪42可轉動地設於第二臂41之底端且嚙接第一固定齒輪37，使得第一行星齒輪42能受第二臂41之驅動而繞著第一固定齒輪37公轉和自轉；第一傳動軸43設於第二臂41內且以其二端分別連接第一行星齒輪42和第二驅動齒輪44，使得第一傳動軸43能受第一行星齒輪42之驅動而帶動第二驅動齒輪44旋轉；第二從動齒輪45可轉動地設於第二臂41之頂端且嚙接該第二驅動齒輪44，第二固定軸46穿設於第二臂41之頂端和第二從動齒輪45，第二固定軸46之一端承靠於第二臂41之第二承靠部413的第二承靠槽414內，第二固定軸46之另一端凸出於第二臂41外且利用多根螺絲S2（數量不限）連接第二固定齒輪47，第二固定軸46具有一貫穿左右二端之第二走線槽462和一連通第二走線槽462之第二下定位孔464；第二固定齒輪47具有一同軸連通第二走線槽462之第二走線孔472，藉由第二走線槽462和第二走線孔472供相關的電子線路穿設來達到方便走線的效果；第二定位板48以一第二定位凸部482定位於第二固定軸46之第二走線槽462內，第二定位板48具有一軸向連通第二下定位孔464之第二上定位孔484；第二螺栓49穿設於第二上定位孔484和第二下定位孔464且螺設於第二螺孔415，用以將第二固定軸46和第二臂41固定在一起。

如圖6至圖8所示，第三傳動模組50具有一第三臂51、一第二行星齒輪52、一第二傳動軸53、一第三驅動齒輪54和一第三從動齒輪55，其中，第三臂51具有一第三殼體512和一第三側蓋514，第三殼體512之後端利用多根螺絲S3連接第二從動齒輪45，且第三殼體512之後端容納該第二固定齒輪47（如圖7所示），第三側蓋514利用多根螺絲S1鎖設於第三殼體512，使得第三臂51能受第二從動齒輪45之驅動而繞著一第三軸向A3相對第二傳動模組40旋轉（如圖8及圖11所示）；第二行星齒輪52可轉動地設於第三殼體512之後端且嚙接第二固定齒輪47，使得第二行星齒輪52能受第三臂51之驅動而繞著第二固定齒輪47公轉和自轉；第二傳動軸53設於第三殼體512內且以其二端分別連接第二行星齒輪52和第三驅動齒輪54，使得第二傳動軸53能受第二行星齒輪52之驅動而帶動第三驅動齒輪54旋轉；第三從動齒輪55可轉動地設於第三殼體512之前端且嚙接第三驅動齒輪54，使得第三從動齒輪55能受第三驅動齒輪54之驅動而旋轉。

如圖9所示，第四傳動模組60具有一第四臂61、一滑軌座62、一滑軌63、一滑塊64、一前支撐座65和一後支撐座66，其中，滑軌座62固設於第四臂61內；滑軌63安裝於滑軌座62之後側面；滑塊64可上下滑移地設於滑軌63；前支撐座65之後端連接於滑軌座62之前側面，前支撐座65之前端連接一手術器械70（在此以內視鏡為例，但不此其為限）；後支撐座66之頂端連接滑塊64，後支撐座66之底端連接第三從動齒輪55（如圖10所示）。藉此，如圖11所示，第四傳動模組60能受第三從動齒輪55之驅動而帶動手術器械70一起繞著一第四軸向A4相對第三傳動模組50旋轉，另外，手術器械70還能利用透過滑塊64跟著第四臂61一起沿著一第五軸向A5上下位移來調整位置。

值得一提的是，第一固定齒輪37和第一行星齒輪42的齒數比（r1）與第二驅動齒輪44和第二從動齒輪45的齒數比（r2）相同，即r1 = r2；第二固定齒輪47和第二行星齒輪52的齒數比（r3）與第三驅動齒輪54和第三從動齒輪55的齒數比（r4）相同，即r3 = r4。如此，可使第二臂41、第三臂51及第四臂61達到同步、等角度的擺動。

由上述可知，當第一致動器32啟動時，第二傳動模組40會受到第一從動齒輪35的帶動而繞著第二軸向A2相對第一傳動模組30旋轉，並在旋轉過程中同時帶動第一行星齒輪42繞著第一固定齒輪37公轉和自轉，在同一時間內，第三傳動模組50會受到第二從動齒輪45的帶動而繞著第三軸向A3相對第二傳動模組40旋轉，並在旋轉過程中同時帶動第二行星齒輪52繞著第二固定齒輪47公轉和自轉。此外，第四傳動模組60還會受到第三從動齒輪55的帶動而繞著第四軸向A4相對第三傳動模組50旋轉，並在旋轉過程中同時帶動手術器械70一起旋轉。然而，不論第一、第二、第三和第四傳動模組30, 40, 50, 60如何作動，如圖11及圖12所示，手術器械70始終都能保持於一遠端運動中心C（Remote Center of Motion，RCM）作動。

另一方面，本發明之手術器械扶持機械手臂10更包含一雷射元件72，如圖2及圖11所示，雷射元件72設於第一臂31內，用以對遠端運動中心C發射一同軸對應於第一軸向A1之雷射光束，如此一來，手術器械70在架設時可以藉由雷射元件72快速完成定位，以提升效率。另外，如圖6所示，本發明之手術器械扶持機械手臂10更提供一控制單元12與一操作介面14（在此以多個按鍵為例，但不以其為限），控制單元12設於第三臂51內且電性連接第一致動器32、第二致動器33和雷射元件72，操作介面14設於第三臂51之頂面，用以控致第一致動器32、第二致動器33和雷射元件72的開啟和關閉。

在此還需要補充說明的是，不論第一、第二、第三和第四傳動模組30, 40, 50, 60如何作動，例如在圖11當中，本發明之手術器械扶持機械手臂10位於初始狀態，另外在圖12當中，本發明之手術器械扶持機械手臂10位於極限伸展狀態，第一傳動模組30和第三傳動模組50之間的角度θ1都會保持在4-8度之間，且手術器械70和第二傳動模組40之間的角度θ2都保持在62-66度之間，若超出上述角度範圍時將無法滿足臨床使用的條件，亦即，本發明之手術器械扶持機械手臂10能有效地符合臨床使用的俯仰角需求。再者，如圖1所示，由於第一傳動模組30與第三傳動模組50位於第二傳動模組40之同一側，這樣的結構配置可以有效縮減材積，並且方便零組件的拆裝以利於維修保養。此外，如圖11所示，第二軸向A2相對於第一軸向A1往上偏移一段距離D，使第一傳動模組30的下方可以提供更多空間S避免在操作時和病患腹部或其他手術器械碰撞。

綜上所陳，本發明之手術器械扶持機械手臂10所提供的第一致動器32僅需配置一組即可達到多臂連動的效果，在連動過程中透過第一行星齒輪42和第一固定齒輪37的搭配及第二行星齒輪52和第二固定齒輪47的搭配來達到增加移動範圍並提升作動穩定度的效果，另外將第一傳動模組30與第三傳動模組50設置在第二傳動模組40之同一側來達到縮減材積的效果。

10:手術器械扶持機械手臂

12:控制單元

14:操作介面

20:固定基座

30:第一傳動模組

A1:第一軸向

31:第一臂

311:第一殼體

312:第一側蓋

313:第一承靠部

314:第一承靠槽

315:第一螺孔

316:關節件

32:第一致動器

33:第二致動器

34:第一驅動齒輪

342:減速器

35:第一從動齒輪

36:第一固定軸

362:第一走線槽

364:第一下定位孔

37:第一固定齒輪

372:第一走線孔

38:第一定位板

382:第一定位凸部

384:第一上定位孔

39:第一螺栓

40:第二傳動模組

A2:第二軸向

41:第二臂

411:第二殼體

412:第二側蓋

413:第二承靠部

414:第二承靠槽

415:第二螺孔

42:第一行星齒輪

43:第一傳動軸

44:第二驅動齒輪

45:第二從動齒輪

46:第二固定軸

462:第二走線槽

464:第二下定位孔

47:第二固定齒輪

472:第二走線孔

48:第二定位板

482:第二定位凸部

484:第二上定位孔

49:第二螺栓

50:第三傳動模組

A3:第三軸向

51:第三臂

512:第三殼體

514:第三側蓋

52:第二行星齒輪

53:第二傳動軸

54:第三驅動齒輪

55:第三從動齒輪

60:第四傳動模組

A4:第四軸向

61:第四臂

612:第四殼體

614:第四側蓋

62:滑軌座

63:滑軌

64:滑塊

65:前支撐座

66:後支撐座

70:手術器械

A5:第五軸向

C:遠端運動中心

72:雷射元件

θ1:第一傳動模組和第三傳動模組之間的角度

θ2:手術器械和第二傳動模組之間的角度

D:距離

S:空間

S1:螺絲

S2:螺絲

S3:螺絲

圖1為本發明之手術器械扶持機械手臂的立體圖。圖2為本發明之手術器械扶持機械手臂所提供之第一傳動模組的局部立體分解圖。圖3為本發明之手術器械扶持機械手臂所提供之第二傳動模組的局部立體分解圖。圖4為本發明之手術器械扶持機械手臂的局部立體剖視圖，主要顯示第一驅動齒輪、第一從動齒輪、第一固定齒輪和第一行星齒輪之間的咬合關係。圖5為本發明之手術器械扶持機械手臂的局部剖視圖，主要顯示第一驅動齒輪、第一從動齒輪、第一固定齒輪和第一行星齒輪之間的咬合關係。圖6為本發明之手術器械扶持機械手臂所提供之第三傳動模組的局部立體分解圖。圖7為本發明之手術器械扶持機械手臂的局部立體剖視圖，主要顯示第二驅動齒輪、第二從動齒輪、第二固定齒輪和第二行星齒輪之間的咬合關係。圖8為本發明之手術器械扶持機械手臂的局部剖視圖，主要顯示第二驅動齒輪、第二從動齒輪、第二固定齒輪和第二行星齒輪之間的咬合關係。圖9為本發明之手術器械扶持機械手臂所提供之第四傳動模組省略一部分第四殼體的側視圖。圖10為本發明之手術器械扶持機械手臂的局部立體剖視圖，主要顯示第三傳動模組和第四傳動模組之間的結構關係。圖11為本發明之手術器械扶持機械手臂位於初始狀態的側視圖。圖12為本發明之手術器械扶持機械手臂位於極限伸展狀態的側視圖。