一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，主要由平行四桿機(jī)構(gòu)、伸縮體和四桿支撐桿單元組成。平行四桿機(jī)構(gòu)與伸縮體和四桿支撐桿共同組成三個(gè)平行四邊形，是雙平行四邊形構(gòu)型中的一種變形，提供雙平行四邊形具有的不變的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心，此本體結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)中的四桿形狀合理設(shè)計(jì)，使其提供的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心為手術(shù)器械軸線和四桿支撐桿的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)，因此能為手術(shù)器械的安裝留有足夠的空間，避免傳統(tǒng)雙平行四邊形機(jī)構(gòu)由于手術(shù)器械的安裝使遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)發(fā)生改變，此外還能為手術(shù)器械提供兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度。
【專利說(shuō)明】一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)療機(jī)器人設(shè)備，特別是涉及一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)外科手術(shù)與傳統(tǒng)開口手術(shù)相比具有切口小、出血少、疤痕小和恢復(fù)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。但也有很多不足，由于體表切口約束，操作空間小、手術(shù)難度大，操作過(guò)程中醫(yī)生手部運(yùn)動(dòng)與手術(shù)器械末端運(yùn)動(dòng)相反，造成眼手不協(xié)調(diào)，大大降低了手術(shù)靈活性。此外，醫(yī)生手部抖動(dòng)會(huì)被細(xì)長(zhǎng)的手術(shù)器械放大，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
[0003]機(jī)器人輔助的外科手術(shù)系統(tǒng)能夠有效地利用手術(shù)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)發(fā)揮機(jī)器人定位精確和運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。能夠幫助醫(yī)生完成復(fù)雜的外科手術(shù)動(dòng)作，減少手術(shù)中因醫(yī)生疲勞或手部抖動(dòng)導(dǎo)致的誤操作和損傷，提高了手術(shù)安全性，縮短了治愈時(shí)間和降低了醫(yī)療成本。
[0004]現(xiàn)有的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)大多數(shù)具有遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)，通常遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)可有雙平行四邊形結(jié)構(gòu)、弧形導(dǎo)軌和控制算法等實(shí)現(xiàn)，ZL200810153717.4 一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人主動(dòng)支架中提供了一種由絲傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)。
[0005]雙平行四邊形由連桿構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心，然而由于微創(chuàng)外科手術(shù)器械的安裝，通常會(huì)導(dǎo)致此遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生改變。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是在于提供一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，該本體結(jié)構(gòu)不但能夠提供傳統(tǒng)雙平行四邊結(jié)構(gòu)所具有的不動(dòng)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心，而且不會(huì)因?yàn)槲?chuàng)手術(shù)器械的安裝而使遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生改變，同時(shí)能夠?yàn)槲?chuàng)手術(shù)器械提供三個(gè)定位自由度，滿足微創(chuàng)外科手術(shù)對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。
[0007]本發(fā)明解決其問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:，
[0008]一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)中的雙平行四桿型遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變桿件的形狀合理地安排虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置，為微創(chuàng)外科手術(shù)器械的安裝留出空間，解決因安裝而使遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生改變問(wèn)題。
[0009]為有效減小伸縮機(jī)構(gòu)的外形尺寸，本發(fā)明的本體結(jié)構(gòu)中的伸縮機(jī)構(gòu)使用絲傳動(dòng)方式，在絲的布局上進(jìn)行了規(guī)劃，使得伸縮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)后置，病人上方驅(qū)動(dòng)電機(jī)所占據(jù)的較大空間被大大減小。在伸縮機(jī)構(gòu)上安裝有適合不同手術(shù)類型所需手術(shù)器械的快換接口。
[0010]用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要由平行四桿機(jī)構(gòu)、伸縮體和四桿支撐桿單元組成。平行四桿機(jī)構(gòu)由水平桿、水平驅(qū)動(dòng)桿、豎直驅(qū)動(dòng)桿、豎直驅(qū)動(dòng)從桿和相應(yīng)的聯(lián)接軸及軸承組成；伸縮體由伸縮支撐桿、伸縮驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)軌、滑塊、花鍵單元、花鍵套筒、鋼絲繩、軸承、相應(yīng)導(dǎo)向輪、導(dǎo)向軸和快換接口座組成；四桿支撐桿單元由四桿支撐桿、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)軸和軸承組成。平行四桿機(jī)構(gòu)與伸縮體和四桿支撐桿共同組成三個(gè)平行四邊形，是雙平行四邊形構(gòu)型中的一種變形，提供雙平行四邊形具有的不變的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心，此本體結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)四桿的形狀合理設(shè)計(jì)，使其提供的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心為手術(shù)器械軸線和四桿支撐桿的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)，因此能為手術(shù)器械的安裝留有足夠的空間，避免了傳統(tǒng)雙平行四邊形機(jī)構(gòu)由于手術(shù)器械的安裝使遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)發(fā)生改變。此外還能提供兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度。
[0011]本發(fā)明一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)在與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0012]1、本發(fā)明的用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)可靠、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)因?yàn)槲?chuàng)手術(shù)器械的安裝而使遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心改變；
[0013]2、本發(fā)明的用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域可以是任何方面的微創(chuàng)外科手術(shù)；
[0014]3、本發(fā)明的用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)可以組裝多種其他配套的手術(shù)器械，能夠充分滿足微創(chuàng)手術(shù)操作過(guò)程中使用不同器械的要求；
[0015]4、本發(fā)明的用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，所占空間很小，避免了手術(shù)器械之間的干涉，從而使得機(jī)器人操作起來(lái)更加靈活；
[0016]5、本發(fā)明的用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的實(shí)現(xiàn)是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)所決定，與控制算法所實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心相比具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)整體示意圖；
[0018]圖2為四桿支撐桿單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為支撐桿單元的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元分解示意圖；
[0020]圖4為平行四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為連接軸單元的分解結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6為伸縮體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖7為伸縮體傳動(dòng)部分分解示意圖；
[0024]圖8為伸縮體部分絲傳動(dòng)路線示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]如圖1所示為用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)整體示意圖，該整體結(jié)構(gòu)包括平行四桿機(jī)構(gòu)2、伸縮體3、四桿支撐桿單元I和微創(chuàng)外科手術(shù)器械4。通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)的合理布局，使四桿支撐桿單元I的旋轉(zhuǎn)中心與微創(chuàng)外科手術(shù)器械4的旋轉(zhuǎn)中心的交點(diǎn)P為遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心，為手術(shù)器械4的安裝留有安裝空間，避免了遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生改變，同時(shí)機(jī)構(gòu)能夠提供三個(gè)自由度--繞X軸的旋轉(zhuǎn)自由度R1、繞Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度R2和沿Z向進(jìn)行伸縮的移動(dòng)自由度T。
[0027]如圖2所示為四桿支撐桿單元結(jié)構(gòu)示意圖，四桿支撐桿單元包含旋轉(zhuǎn)自由度R1的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-1、支座1-2、四桿支撐桿1-3和圖1中所示的旋轉(zhuǎn)自由度R2的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單兀1_4和聯(lián)接軸單兀1-5。c_l、c_2、c-3是二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，水平驅(qū)動(dòng)桿1-3在旋轉(zhuǎn)自由度R1的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-1的帶動(dòng)下繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心c-3實(shí)現(xiàn)X軸的旋轉(zhuǎn)自由度札。旋轉(zhuǎn)自由度R2的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-4與旋轉(zhuǎn)自由度R1的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-1結(jié)構(gòu)相同，下面只針對(duì)旋轉(zhuǎn)自由度R1的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-1做詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]如圖3所示為支撐桿單元的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元分解示意圖，伺服電動(dòng)機(jī)1-1-1與減速器1-1-2聯(lián)接在一起，聯(lián)軸器1-1-4將減速器1-1-2的輸出軸與驅(qū)動(dòng)軸1-1-7聯(lián)接在一起，減速器1-1-2固定在中間件1-1-3上，中間件1-1-3固定在減速器基座1-1-5上，減速器基座1-1-5與支座1-2聯(lián)接在一起，然后通過(guò)支座1-2固定在基座上，軸承1-1-6安裝在支座1-2中與驅(qū)動(dòng)軸1-1-7配合，驅(qū)動(dòng)軸1-1-7與水平驅(qū)動(dòng)桿1-3固定。
[0029]如圖4所示為平行四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，此部分由水平從桿2-1、水平桿2-2、豎直驅(qū)動(dòng)桿2-3和豎直驅(qū)動(dòng)從桿2-4和四個(gè)隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)c-4、c-5、C-6、C-7組成。與連接軸單元2-5結(jié)構(gòu)相同的四個(gè)連接軸將桿2-1、2-2、2-3和2_4聯(lián)接在一起。旋轉(zhuǎn)自由度R2的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-4與豎直驅(qū)動(dòng)桿2-3聯(lián)接，在旋轉(zhuǎn)自由度R2的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-4驅(qū)動(dòng)下豎直驅(qū)動(dòng)桿2-3和豎直驅(qū)動(dòng)從桿2-4分別繞轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)c-2和c-Ι轉(zhuǎn)動(dòng)，水平從桿2-1繞隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)c-5和c-7轉(zhuǎn)動(dòng)，水平桿2-2繞隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)c-4和c-6轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮體3繞隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)c-8和c-9轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械4中桿的軸線繞Y軸的旋轉(zhuǎn)的自由度R2,此外四桿機(jī)構(gòu)2通過(guò)旋轉(zhuǎn)自由度R2的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1-4、與連接軸單元2-5結(jié)構(gòu)相同的連接軸1-5和四桿支撐桿單元I聯(lián)接。
[0030]如圖5所示為連接軸單元的分解結(jié)構(gòu)示意圖，所有連接軸均與連接軸單元2-5結(jié)構(gòu)相同，其作用是將兩桿件連接起來(lái)。此處以連接軸單元2-5聯(lián)接水平從桿2-1和豎直驅(qū)動(dòng)從桿2-4為例加以說(shuō)明，連接軸2-5-6 —端位于隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)c-5內(nèi)，通過(guò)螺釘2-5-8和軸端擋圈2-5-7實(shí)現(xiàn)連接軸2-5-6與水平從桿2-1聯(lián)接。連接軸2_5_6另一端與軸承2_5_5配合,軸承2-5-5內(nèi)圈一側(cè)由連接軸2-5-6軸肩定位,另一側(cè)由軸用擋圈2-5-4定位,通過(guò)螺釘2-5-3將軸承2-5-5固定在連接軸2-5-6上，軸承2_5_5外圈一側(cè)由豎直驅(qū)動(dòng)從桿2_4定位，另一側(cè)由軸承端蓋2-5-2定位，軸承端蓋2-5-2通過(guò)螺釘組2-5-1固定在豎直驅(qū)動(dòng)從桿2-4上。
[0031]如圖6所示為伸縮體結(jié)構(gòu)示意圖,伸縮體3由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分3-1、絲傳動(dòng)單元3-2、導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)3-3、伸縮支撐桿3-4、快換座3-5、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3_6、導(dǎo)向套3-7構(gòu)成和固絲裝置3-8組成。導(dǎo)軌3-3上有滑塊，快換座3-5與滑塊相固定。導(dǎo)向套3-7位于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3-6的導(dǎo)向孔內(nèi)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3-6聯(lián)接在伸縮支撐桿3-4上，手術(shù)器械4通過(guò)快換座3_5與伸縮體3聯(lián)接，手術(shù)器械4桿穿過(guò)導(dǎo)向套3-7的內(nèi)孔，導(dǎo)向套3-7起到導(dǎo)向的作用。
[0032]圖7所示為伸縮體傳動(dòng)部分分解示意圖，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分3-1的減速器3-1-2將伺服電機(jī)3-1-1的速度降低到需求速度后，通過(guò)聯(lián)軸器3-1-4與花鍵動(dòng)力軸3-2-1聯(lián)接，減速器3-1-2固定在減速器基座3-1-3上，減速器基座3-1-3與軸承壓蓋3_1_5、連接件3-1-6依次連接后固定在伸縮支撐桿3-4上。絲傳動(dòng)單元3-2主要由花鍵動(dòng)力軸3-2-1、花鍵筒3-2-2、換向軸支座3-2-3、絲筒3-2-4、換向軸單元3_2_5、導(dǎo)向輪單元3_2_6和轉(zhuǎn)向輪3-2-7組成。導(dǎo)軌3-3安裝在伸縮支撐桿3-4上。
[0033]如圖8所示為伸縮體部分絲傳動(dòng)路線示意圖，絲筒3-2-4上纏著左旋的鋼絲繩，鋼絲繩一端s-1從絲筒3-2-4的左上側(cè)伸出，鋼絲繩s-1經(jīng)由導(dǎo)向軸3-2-5-1和3_2_5_2、導(dǎo)向輪3-2-6-1、3-2-6-2、3-2-6-3和轉(zhuǎn)向輪3_2_7和經(jīng)由導(dǎo)向軸3-2_5_2、導(dǎo)向輪3-2_6_4和3-2-6-5鋼絲繩另一端s-2在快換座3-5內(nèi)相交，張緊后由固絲裝置3_8固定于快換座3_5中，整個(gè)鋼絲繩的傳動(dòng)以一個(gè)閉合回路的形式存在，當(dāng)伺服電機(jī)3-1-1做正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在絲傳動(dòng)單元3-2的作用下使快換座3-5帶動(dòng)手術(shù)器械4沿導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)3-3中的導(dǎo)軌移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械4沿Z向的移動(dòng)自由度。
【權(quán)利要求】
1.一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于該本體結(jié)構(gòu)主要由平行四桿機(jī)構(gòu)、伸縮體和四桿支撐桿單元組成；平行四桿機(jī)構(gòu)與伸縮體和四桿支撐桿共同組成三個(gè)平行四邊形，是雙平行四邊形構(gòu)型中的一種變形，使其提供的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心為手術(shù)器械軸線和四桿支撐桿的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)，因此能為手術(shù)器械的安裝留有足夠的空間，避免傳統(tǒng)雙平行四邊形機(jī)構(gòu)由于手術(shù)器械的安裝使遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)發(fā)生改變，此外還能為手術(shù)器械提供兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于本發(fā)明的本體結(jié)構(gòu)所提供的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心可以應(yīng)用于任何方面的微創(chuàng)外科手術(shù)。
3.按照權(quán)利要求1所述一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于采用本發(fā)明的機(jī)構(gòu)可以安裝多種配套的手術(shù)器械，能夠充分滿足微創(chuàng)手術(shù)操作過(guò)程中使用不同器械的要求。
4.按照權(quán)利要求1所述一種用于支撐微創(chuàng)外科手術(shù)器械的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于本發(fā)明的伸縮體采用鋼絲繩傳動(dòng)方式，將伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元后置，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于微創(chuàng)手術(shù)多操作臂協(xié)調(diào)操作，減少了操作時(shí)多操作臂間的運(yùn)動(dòng)干涉。
【文檔編號(hào)】A61B19/02GK104224328SQ201410535760
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】桑宏強(qiáng), 陳發(fā), 許麗萍, 楊鋮浩, 贠今天, 張克, 丁北乘 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)