用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，包括依次連接的動力驅動部分(3)、主體連桿部分(2)和末端執(zhí)行器部分(1)；所述的末端執(zhí)行器部分(1)包括手指開合關節(jié)和手腕俯仰關節(jié)；所述的動力驅動部分(3)通過鋼絲繩驅動結構穿過主體連桿部分(2)后分別與末端執(zhí)行器部分(1)的手指開合關節(jié)與手腕俯仰關節(jié)連接，實現(xiàn)末端執(zhí)行器手指開合與手腕俯仰運動。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有實現(xiàn)末端關節(jié)運動解耦，驅動器結構簡單，有效減少手術器械本體慣量，降低驅動器摩擦力并實現(xiàn)可逆向驅動等優(yōu)點。
【專利說明】用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械設備，尤其是涉及一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小 慣量手術器械。

【背景技術】
[0002] 微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)可以顯著的提高外科醫(yī)生提高手術操作的靈活性。此類 的微創(chuàng)手術過程通常是采用將細長的腹腔鏡和微創(chuàng)手術器具通過在患者體表微小切口而 進入患者病灶區(qū)。在此過程中，利用靈巧的手術器具來對患者病灶組織進行切割、縫合等操 作，這種靈巧的手術器具方便了內窺鏡式手術操作過程。這種手術操作器械可以有效的降 低患者的手術風險并縮短手術操作時間。
[0003] 由于當前普遍使用的微創(chuàng)手術器械存在以下缺點，使得微創(chuàng)手術效果難以得到進 一步提高。當前大多數(shù)手術器械采用具有較高轉速的直流電動機驅動方式。為了降低速度、 提高輸入力矩，設計者通常在電機輸出軸安裝齒輪減速器來實現(xiàn)上述功能。這種直流電機 和減速器的組合機構一般具有大慣量，高摩擦力，難以逆向驅動等缺點。另外，許多機器人 器械都是將驅動電機或驅動器放置在驅動關節(jié)上，當這些關節(jié)是可活動關節(jié)時，這些驅動 器的慣量將影響手術器械的操作性能。除此之外，一些驅動器的所占用的空間較大，有的甚 至會侵占末端執(zhí)行器的操作空間，從而影響手術器具所能達到的操作界限。由于采用細長 桿式結構和高摩擦力的驅動器，當前微創(chuàng)手術器械的另一個重要缺點是外科醫(yī)生對患者病 灶組織接觸力的感知能力被大大削弱了。
[0004] 為了確保微創(chuàng)手術操作的安全性和有效性，需要微創(chuàng)手術器械的設計需要對如下 問題進行考慮。首先，期望手術器械的末端關節(jié)及其驅動器具有小慣量、低摩擦、可逆向驅 動等優(yōu)點，從而可以幫助外科醫(yī)生準確獲取手術器械末端執(zhí)行器與患者組織接觸力信息， 提高手術安全性。其次，手術器械具有足夠的靈活性，可以顯著提高外科醫(yī)生在手術執(zhí)行過 程中的操作效率。這就期望微創(chuàng)手術器械的末端至少具有兩個關節(jié)。目前研究主要是通過 驅動電機和齒輪減速器的組合方式來實現(xiàn)對手術器械末端關節(jié)的驅動，很少對微創(chuàng)手術器 械的末端執(zhí)行單元進行研究。因而，外科醫(yī)生使用此類手術器械難以獲取準確的末端接觸 力信息，增加了患者手術風險。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種用于微創(chuàng)手術 機器人的低摩擦小慣量手術器械，實現(xiàn)末端關節(jié)運動解耦，驅動器結構簡單，有效減少手術 器械本體慣量，降低驅動器摩擦力并實現(xiàn)可逆向驅動。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0007] -種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特征在于，包括依次連接 的動力驅動部分（3)、主體連桿部分（2)和末端執(zhí)行器部分（1);所述的末端執(zhí)行器部分 (1)包括手指開合關節(jié)和手腕俯仰關節(jié)；
[0008] 所述的動力驅動部分（3)通過鋼絲繩驅動結構穿過主體連桿部分（2)后分別與末 端執(zhí)行器部分（1)的手指開合關節(jié)與手腕俯仰關節(jié)連接，實現(xiàn)末端執(zhí)行器手指開合與手腕 俯仰運動。
[0009] 所述的手指開合關節(jié)包括固定端手指（1.8a)、運動端手指（1.8b)、開合旋轉軸 (1.7)和開合驅動線（1.3a、1.3b)，所述的固定端手指（1.8a)通過開合旋轉軸（1.7)與運 動端手指（1.8b)連接，所述的開合驅動線（1.3a、1.3b)纏繞在運動端手指（1.8b)的旋轉 軸槽內，帶動運動端手指（1.8b)相對于固定端手指（1.8a)開合旋轉運動；
[0010] 所述的手腕俯仰關節(jié)包括驅動輪（1. 5)、手指安裝連桿（1. 6)、俯仰旋轉軸（1. 9) 和俯仰驅動線（1.4a、l. 4b)，所述的手指安裝連桿（1.6)通過俯仰旋轉軸（1.9)驅動輪 (1.5) 連接，所述的俯仰驅動線（1.4a、l. 4b)纏繞在驅動輪（1.5)上，帶動手指安裝連桿 (1.6) 俯仰運動。
[0011] 所述的固定端手指（1. 8a)根部與手指安裝連桿（1. 6)固定連接，所述的手指安裝 連桿（1. 6)設有用于開合驅動線（1. 3a、1. 3b)穿射的旋轉中心孔（1. 6a、1. 6b)，并在旋轉中 心方向上設有方向保持輪（1. 2a、1. 2b)。
[0012] 所述的運動端手指（1. 8b)的旋轉軸槽內設有用于開合驅動線（1. 3a、l. 3b)末端 固定的固定孔（1. 8c)。
[0013] 所述的動力驅動部分（3)包括四個伺服電機（3. 9a、3. 9b、3. 9c、3. 9d)、與伺服電 機一一對應連接的四組驅動組件、以及連桿基座（3. 1)，所述的四組驅動組件與連桿基座 (3. 1)連接，所述的連桿基座（3. 1)與主體連桿部分（2)連接。
[0014] 每組驅動組件包括連桿支架（3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d)、以及均固定在連桿支架 (3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d)上的滑輪組和輪轂（3. 4a、3. 4b、3. 4c、3. 4d)，所述的輪轂（3. 4a、 3. 4b、3. 4c、3. 4d)分別與伺服電機、滑輪組連接，所述的滑輪組與連桿基座（3. 1)連接。
[0015] 所述的滑輪組包括第一換向輪（3. 5a)、第二換向輪（3. 5b)、第三換向輪（3. 5c)和 自由輪（3. 3a)，所述的第一換向輪（3. 5a) -端與自由輪（3. 3a)連接，另一端與連桿基座 (3. 1)連接，所述的輪轂、第三換向輪（3. 5c)、自由輪（3. 3a)、第二換向輪（3. 5b)、輪轂通過 驅動鋼絲繩（3.7)依次連接后，形成完整運動回路。
[0016] 所述的連桿基座（3. 1)設有四組換向輪組（3. la、3. lb、3. lc、3. ld、3. le、3. lg)， 四組換向輪組一端分別與對應驅動組件的第一換向輪（3.5a)連接，另一端通過主體連桿 部分（2)與開合驅動線（1.3a、1.3b)和俯仰驅動線（1.4a、1.4b)連接。
[0017] 所述的動力驅動部分（3)還包括與與伺服電機一一對應連接的四個旋轉編碼器 (3. 10a、3. 10b、3. 10c、3. 10d)。
[0018] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0019] 1)本發(fā)明具有末端指關節(jié)與腕關節(jié)運動解藕功能，消除了傳統(tǒng)關節(jié)設計運動干涉 問題。
[0020] 2)本發(fā)明采用細鋼絲繩驅動方式，利用自由輪和換向輪實現(xiàn)對高速電動機調速功 能，避免使用笨重的齒輪減速器，使得手術器械整體結構緊湊，慣量小，保證了微創(chuàng)手術條 件下的手術器械運動的準確性和可靠性。
[0021] 3)本發(fā)明實現(xiàn)了末端執(zhí)行器關節(jié)運動到驅動器旋轉軸可逆向驅動功能，采用了低 摩擦的鋼絲繩與換向輪組合結構，有利于采用基于動力學模型的無力傳感器條件下末端操 作力反饋。
[0022] 4)本發(fā)明的基本應用領域是基于腹腔鏡的微創(chuàng)外科手術，同時具有向其他外科手 術器械和相關緊湊型機械手臂應用領域擴展的潛力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是低摩擦小慣量手術器械總體結構示意圖。
[0024] 圖2是手術器械末端手指開合關節(jié)與俯仰關節(jié)自由度示意圖。
[0025] 圖3是手術器械末端手指開合關節(jié)自由度斜視圖。
[0026] 圖4是手術器械末端手指關節(jié)驅動鋼絲繩固定示意圖。
[0027] 圖5是手術器械動力驅動部分示意圖。
[0028] 圖6是手術器械連桿基座換向輪結構示意圖。
[0029] 圖7是手術器械連桿基座正視圖。
[0030] 圖8是手術器械動力驅動部分電機調速機構示意圖。
[0031] 圖9是手術器械末端手指開合關節(jié)鋼絲繩傳動示意圖。
[0032] 其中1為末端執(zhí)行器部分，1. 1為殼體，1. 2a、1. 2b為方向保持輪，1. 3a、1. 3b為開 合驅動線，1. 4a、1. 4b為俯仰驅動線，1. 5為驅動輪，1. 6為手指安裝連桿，1. 7為開合旋轉 軸，1. 8a為固定端手指，1. 8b為運動端手指，1. 8c為固定孔，1. 9為俯仰旋轉軸；
[0033] 2為主體連桿部分；
[0034] 3 為動力驅動部分，3. 1 為連桿基座，3. la、3. lb、3. lc、3. ld、3. le、3. lf、3. lg 為四 組換向輪組，3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d為連桿支架，3. 3a為自由輪，3. 4a、3. 4b、3. 4c、3. 4d為 輪轂，3. 5a為第一換向輪，3. 5b為第二換向輪，3. 5c為第三換向輪，3. 6、3. 7為驅動鋼絲繩， 3. 8 為電機基座，3. 9a、3. 9b、3. 9c、3. 9d 為四個伺服電機，3. 10a、3. 10b、3. 10c、3. 10d 為四 個旋轉編碼器。

【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0036] 實施例
[0037] 如圖1所示，用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，包括依次連接的動 力驅動部分3、主體連桿部分2和末端執(zhí)行器部分1 ;所述的末端執(zhí)行器部分1包括手指開 合關節(jié)和手腕俯仰關節(jié)；
[0038] 所述的動力驅動部分3通過鋼絲繩驅動結構穿過主體連桿部分2后分別與末端執(zhí) 行器部分1的手指開合關節(jié)與手腕俯仰關節(jié)連接，實現(xiàn)末端執(zhí)行器手指開合與手腕俯仰運 動。動力驅動部分采用被動輪與主動輪結合的方式，實現(xiàn)對伺服電機的減速功能，并由此提 高電機輸出軸的驅動力矩。
[0039] 圖2和圖3所示為手術器械末端執(zhí)行器手指開合關節(jié)和手腕俯仰關節(jié)示意圖。末 端執(zhí)行器具有兩個手指，分別為1. 8a和1. 8b。1. 8a手指的根部與手指安裝連桿1. 6固連， 1. 8b可實現(xiàn)相對于1. 8a的旋轉運動，旋轉軸為1. 7。如圖4所示，該旋轉運動通過纏繞在 1. 8b旋轉軸槽中的鋼絲繩驅動線1. 3a和1. 3b實現(xiàn)旋轉運動。驅動線1. 3a和1. 3b的末 端都固定于孔1. 8c。驅動線1. 3a和1. 3b的另一端分別通過手指安裝連桿1. 6的旋轉中 心并穿過孔1. 6a和1. 6b，該旋轉中心方向分別由兩個方向保持輪組合1. 2a和1. 2b組成。 此時，即使手指安裝連桿1. 6進行俯仰運動，由于驅動線1. 4a和1. 4b分別通過該件的旋轉 中心，不會對末端手指開合運動產生干涉，從而實現(xiàn)運動解藕功能。
[0040] 俯仰關節(jié)的旋轉軸為1. 9,該關節(jié)運動通過鋼絲繩驅動線1. 4a和1. 4b的運動來實 現(xiàn)，如圖3所示，鋼絲繩1. 4a和1. 4b分別從兩面繞過驅動輪1. 5的輪槽，并最終實現(xiàn)與驅 動輪1. 5實現(xiàn)固連。
[0041] 上述手指開合關節(jié)的旋轉軸1. 7和俯仰關節(jié)的旋轉軸1. 9分別由兩對驅動鋼絲繩 1. 3a、1. 3b和1. 4a、1. 4b實現(xiàn)。該兩對驅動鋼絲繩分別對應末端驅動器的兩對伺服電動機。
[0042] 圖5為本發(fā)明手術器械的驅動部分示意圖。由圖2、圖3可知，本發(fā)明手術器械 具有兩個自由度，四個伺服電機3. 9a-3. 9d分別對應兩個驅動關節(jié)旋轉軸1. 7和1. 9。四 個直流伺服電機分別按照在電機基座3. 8上，所有直流電機末端都安裝有旋轉編碼器 3. 10a-3. 10d。四個電機軸端安裝有臺階式輪轂3. 4a-3. 4d，輪轂上開有螺紋槽。
[0043] 圖6為本發(fā)明連桿基座換向輪結構示意圖。圖7為該機構的正視圖。本發(fā)明共有 兩個驅動關節(jié)1. 7和1. 9,每一個關節(jié)由兩根驅動鋼絲繩驅動（如手指開合關節(jié)的旋轉軸 1. 7對應驅動鋼絲繩1. 3a和1. 3b，俯仰關節(jié)的旋轉軸1. 9對應驅動鋼絲繩1. 4a和1. 4b)， 而每一根驅動鋼絲繩對應末端驅動單元上的一個伺服電機（如圖9所示）。從伺服電機輸 出的每一根驅動鋼絲繩要分別通過連桿基座3. 1上的換向輪才能與關節(jié)相固連。
[0044] 本發(fā)明驅動部分共有4組電機調速機構（如圖9所示）繞著圓周均勻排列，為了 便于說明，現(xiàn)取出其中一組機構（圖8)加以說明，其他機構的組成結構類似。換向輪3. 5a、 3. 5b、3. 5c的軸心都固定于連桿支架3. 2b上。驅動鋼絲繩3. 7 -端固定于電機軸上的輪轂 較小直徑端3. 4a，并繞過換向輪3. 5c與自由輪3. 3a連接，此驅動線最終通過換向輪3. 5b 與驅動輪轂3. 4a固連，形成完整運動回路。
[0045] 如圖9所示，自由輪3. 3a的軸心與另一驅動鋼絲繩3. 6固連，驅動線3. 6繞過換向 輪3. 5a，穿過連桿基座3. 1上的換向輪組3. la和3. lb的中心，通過中空的主體連桿2,并 最終與末端執(zhí)行器手指開合關節(jié)驅動線1. 3b相固連。手指開合關節(jié)的反方向運動由驅動 鋼絲繩1. 3a來實現(xiàn)。驅動鋼絲繩1. 3a穿過安裝于1. 1上的方向保持輪組合1. 3a和1. 3d 的中心，與驅動減速機構相固連，該方向的旋轉運動由驅動電機3. 9c實現(xiàn)。
[0046] 由于電機軸端臺階式輪轂有不同的直徑，伺服電機輸出軸高速旋轉運動通過此差 動機構實現(xiàn)自由輪低速直線運動，實現(xiàn)小慣量、低摩擦、可逆向驅動功能。
[0047] 以上示意性對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中的所 示也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的技術人員 受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用臺階式輪轂與換向輪、自由輪組合式傳 動結構實現(xiàn)高速電機減速并由此實現(xiàn)旋轉運動變換成直線運動的手術器械或與該技術方 案相似的結構方式及實施例，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特征在于，包括依次連接的 動力驅動部分（3)、主體連桿部分（2)和末端執(zhí)行器部分（1);所述的末端執(zhí)行器部分（1) 包括手指開合關節(jié)和手腕俯仰關節(jié)； 所述的動力驅動部分（3)通過鋼絲繩驅動結構穿過主體連桿部分（2)后分別與末端執(zhí) 行器部分（1)的手指開合關節(jié)與手腕俯仰關節(jié)連接，實現(xiàn)末端執(zhí)行器手指開合與手腕俯仰 運動。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特征 在于，所述的手指開合關節(jié)包括固定端手指（1.8a)、運動端手指（1.8b)、開合旋轉軸（1.7) 和開合驅動線（1.3a、1.3b)，所述的固定端手指（1.8a)通過開合旋轉軸（1.7)與運動端手 指（1. 8b)連接，所述的開合驅動線（1. 3a、1. 3b)纏繞在運動端手指（1. 8b)的旋轉軸槽內， 帶動運動端手指（1. 8b)相對于固定端手指（1. 8a)開合旋轉運動； 所述的手腕俯仰關節(jié)包括驅動輪（1.5)、手指安裝連桿（1.6)、俯仰旋轉軸（1.9)和俯 仰驅動線（1. 4a、1. 4b)，所述的手指安裝連桿（1. 6)通過俯仰旋轉軸（1. 9)驅動輪（1. 5)連 接，所述的俯仰驅動線（1. 4a、1. 4b)纏繞在驅動輪（1. 5)上，帶動手指安裝連桿（1. 6)俯仰 運動。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特征 在于，所述的固定端手指（1.8a)根部與手指安裝連桿（1.6)固定連接，所述的手指安裝連 桿（1. 6)設有用于開合驅動線（1. 3a、1. 3b)穿射的旋轉中心孔（1. 6a、1. 6b)，并在旋轉中心 方向上設有方向保持輪（1. 2a、1. 2b)。
4. 根據(jù)權利要求2所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特征 在于，所述的運動端手指（1. 8b)的旋轉軸槽內設有用于開合驅動線（1. 3a、1. 3b)末端固定 的固定孔（1. 8c)。
5. 根據(jù)權利要求2所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特 征在于，所述的動力驅動部分（3)包括四個伺服電機（3.9a、3.9b、3.9c、3.9d)、與伺服電 機一一對應連接的四組驅動組件、以及連桿基座（3. 1)，所述的四組驅動組件與連桿基座 (3. 1)連接，所述的連桿基座（3. 1)與主體連桿部分（2)連接。
6. 根據(jù)權利要求5所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其 特征在于，每組驅動組件包括連桿支架（3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d)、以及均固定在連桿支架 (3.2a、3.2b、3.2c、3.2d)上的滑輪組和輪轂（3.4a、3.4b、3.4c、3.4d)，所述的輪轂（3.4a、 3. 4b、3. 4c、3. 4d)分別與伺服電機、滑輪組連接，所述的滑輪組與連桿基座（3. 1)連接。
7. 根據(jù)權利要求6所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特 征在于，所述的滑輪組包括第一換向輪（3. 5a)、第二換向輪（3. 5b)、第三換向輪（3.5c)和 自由輪（3. 3a)，所述的第一換向輪（3. 5a) -端與自由輪（3. 3a)連接，另一端與連桿基座 (3. 1)連接，所述的輪轂、第三換向輪（3. 5c)、自由輪（3. 3a)、第二換向輪（3. 5b)、輪轂通過 驅動鋼絲繩（3.7)依次連接后，形成完整運動回路。
8. 根據(jù)權利要求7所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特征 在于，所述的連桿基座（3. 1)設有四組換向輪組（3. la、3. lb、3. lc、3. ld、3. le、3. lg)，四組 換向輪組一端分別與對應驅動組件的第一換向輪（3.5a)連接，另一端通過主體連桿部分 ⑵與開合驅動線（1.3a、1.3b)和俯仰驅動線（1.4a、1.4b)連接。
9.根據(jù)權利要求5所述的一種用于微創(chuàng)手術機器人的低摩擦小慣量手術器械，其特 征在于，所述的動力驅動部分（3)還包括與與伺服電機一一對應連接的四個旋轉編碼器 (3. 10a、3. 10b、3. 10c、3. 10d)。
【文檔編號】A61B17/29GK104116547SQ201410359514
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權日:2014年7月25日
【發(fā)明者】李紅兵, 沈柏用, 趙輝 申請人:上海交通大學