專利名稱：一種用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微創(chuàng)外科手術領域內(nèi)的醫(yī)療設備，它可以輔助外科醫(yī)生實施微創(chuàng)手術操 作，尤其涉及一種適合于胸腔和腹腔的微創(chuàng)手術操作的輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支 架。
背景技術：
以腹腔鏡為代表的微創(chuàng)外科被譽為20世紀醫(yī)學科學對人類文明的重要貢獻之一，微創(chuàng) 手術操作是指醫(yī)生利用細長的手術工具通過人體表面的微小切口探入到體內(nèi)進行手術操作 的。它與傳統(tǒng)的開口手術相比具有手術切口小、出血量少、術后疤痕小、恢復時間快等優(yōu)點， 這使得病人遭受的痛苦大大減少；因此微創(chuàng)外科被廣泛的應用于臨床手術。然而，微創(chuàng)手術 為病人帶來了諸多利益的同時，卻對醫(yī)生的操作帶來了一系列困難，如1)由于體表小孔 的限制，工具的自由度減少至四個，靈活性大大降低；2)醫(yī)生操作方向與所期望的方向相 反，協(xié)調(diào)性差；3)醫(yī)生只能通過監(jiān)視器上的二維圖像獲得手術場景信息，缺乏深度方向上 的感覺；4)醫(yī)生手部的抖動可能會被細長的手術工具放大，對手術造成不良影響；5)缺乏 力感覺。因此，醫(yī)生必須經(jīng)過長期訓練才能夠進行微創(chuàng)手術操作，即使如此，目前微創(chuàng)手術 也僅僅應用在操作相對比較簡單的手術過程之中。因此，在微創(chuàng)手術領域中迫切需要一種機 器人系統(tǒng)來延伸醫(yī)生的能力，以便克服上述缺點，使醫(yī)生能夠更容易的完成微創(chuàng)手術操作。 目前，能夠在臨床上使用的微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)只有Da Vinci系統(tǒng)和Zeus系統(tǒng)，但它 們都有體積龐大、價格昂貴等方面的缺點。國際上如美國、法國、德國、英國、波蘭、曰本、 韓國等地都相繼開展了微創(chuàng)外科手術機器人的研究，并產(chǎn)生了一系列樣機，但這些樣機大都 與已經(jīng)存在的機構相同或類似，缺乏創(chuàng)新性。我國在機器人輔助手術方面尚處于起步階段， 己經(jīng)存在的機器人系統(tǒng)只能在手術過程中起輔助定位的作用，并不能應用于臨床手術。因此 開發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權的新型微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)對填補我國在該領域的空白有著非常重要的意義。
目前，機器人用于夾持手術工具的主動支架部分實現(xiàn)微創(chuàng)手術操作要求的方式主要有三 禾中1)控制關節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)，該方式通過對傳統(tǒng)的工業(yè)機器人進行相關改進后，安裝手術工 具進行微創(chuàng)手術操作，可以縮短機器人的開發(fā)周期。然而，這種方式的安全性較差，目前只 運用在實驗室中驗證某些原理的可行性。2)添加被動關節(jié)，這種方式的優(yōu)點是細長的手術 工具可以自動適應切入點的位置變化，被認為是最安全的一種方式。然而，手術過程中體表 切口周圍的組織會受到手術工具傳遞的作用力，控制精度也較差。3)機構本身的約束，這 種方式是通過開發(fā)一些能夠夾持手術工具繞體表切口運動的特殊機器人機構實現(xiàn)的，常用的 主要有弧形導軌和雙平行四邊形機構。采用弧形導軌的方法開發(fā)的機器人系統(tǒng)有占用體積 大，運動耦合等方面的缺陷；雙平行四邊形機構具有結(jié)構精簡、體積小、童量輕等方面的優(yōu) 點，是目前應用最為廣泛的一種方式，在臨床上廣泛應用的DaVinci系統(tǒng)便是采用這種方式 實現(xiàn)的。然而它卻對系統(tǒng)的加工和裝配過程提出了很高的要求，由于平行四邊形的各連桿在 長度方向上的精度難以保證，因此極大的影響了機器人的運動精度和剛度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可以保證機器人的運動精度和系統(tǒng)剛 度、安全性、結(jié)構簡單、體積小、重量輕的一種用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架。
一種用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，它包括基座部分、調(diào)^架部分、橫梁部 分、伸縮體部分，所述的基座部分包括機架、與所述的機架通過軸承轉(zhuǎn)動相連的立柱，所述 的立柱的一端通過聯(lián)軸器、減速器與第一伺服電機相連，在所述的立柱的一側(cè)設置有其上開 有孔的連接面，所述的孔的軸線與所述的立柱的轉(zhuǎn)軸的軸線在水平面內(nèi)垂直相交，所述的立 柱的頂面與一個直線運動模組的底面相連，在所述的直線運動模組上連接有絲杠、滑座結(jié)構， 所述的絲杠的一端與第二伺服電機相連；所述的調(diào)整架部分包括其一端內(nèi)開有階梯孔，另一 端上套有法蘭結(jié)構的調(diào)整架、導軌座、連接在所述的導軌座上的第一滑動導軌、第一滑塊結(jié) 構，所述的導軌座的下部設置有一個三階梯凸臺，在所述的階梯凸臺的頂部凸臺上設置有外 螺紋，并且在所述的階梯凸臺的中部凸臺上套有與之過盈配合的軸承結(jié)構，鎖緊螺母套在所 述的外螺紋上，所述的軸承結(jié)構的一側(cè)外圈、內(nèi)圈端面分別與孔用彈簧擋圈、所述的階梯凸臺的第一階梯端面相壓緊配合并且其另一側(cè)外圈、內(nèi)圈端面分別與所述的鎖緊螺母、所述的 階梯孔的階梯端面相壓緊配合，所述的調(diào)整架的階梯孔套在所述的軸承結(jié)構上并與其呈過盈 配合，所述的彈簧擋圈內(nèi)嵌在所述的調(diào)整架的孔內(nèi)，所述的調(diào)整架的另一端插在所述的連接 面的開孔內(nèi)并通過所述的法蘭結(jié)構與其固定相連；所述的橫梁部分包括橫梁、所述的橫梁的 一側(cè)與所述的滑座相連并且在其另一個側(cè)面上安裝有其上開有槽的輸入輪、其上具有圓柱凸 臺的輸出輪，所述的輸入輪和輸出輪之間通過第一傳動機構轉(zhuǎn)動配合，所述的第一滑塊與所 述的輸入輪上的槽相卡緊固定連接；所述的伸縮體部分包括伸縮座，在所述的伸縮座上裝有 其上設置有第二滑塊的第二滑動導軌，所述的第二滑塊與一個其上裝有手術工具的手術工具 座固定相連，所述的第二滑塊與第二滑動導軌通過第一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠相滑動配合，在所 述的伸縮座底部開有孔，所述的圓柱凸臺插在所述的伸縮座底部的開孔內(nèi)并與其固定相連， 在所述的伸縮座下部裝有用于支撐手術工具的輔助支撐，所述的手術工具通過該輔助支撐的 通孔，并與之呈滑動配合。
本發(fā)明用于輔助微創(chuàng)外科手術機器人主動支架與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果
1. 本發(fā)明具有已得到應用的雙平行四邊形機構的優(yōu)點，但克服了雙平行四邊形機構對 加工裝配要求苛刻這一缺點，從而有利于保證機器人的運動精度和系統(tǒng)剛度。
2. 本發(fā)明通過機構自身的約束實現(xiàn)微創(chuàng)手術過程中切入點約束的要求，沒有引入冗余 自由度，保證了使用上的安全性。
3. 本發(fā)明通過采用絲傳動的形式使機構具有結(jié)構簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點。
4. 本發(fā)明應用領域是面向胸腹腔領域的微創(chuàng)手術，有向其它領域如耳鼻喉等領域的手 術拓展的潛力。 '
5. 本發(fā)明通過一個較長的梁狀結(jié)構攜帶手術工具從遠處探入到病人身體上方進行微創(chuàng) 手術操作，這種結(jié)構可以大大節(jié)省機器人占用病人身體上方的空間，為醫(yī)生能夠快速接近病 人提供了便利。
6. 本發(fā)明可以更夠快速更換多種配套的手術工具，能夠充分滿足微創(chuàng)手術操作多樣性 的要求。
7. 本發(fā)明可以夾持內(nèi)窺鏡輔助微創(chuàng)手術操作，可以將持鏡醫(yī)生從單調(diào)、疲勞的持鏡工 作中解放出來。


圖1是本發(fā)明用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架整體結(jié)構示意圖2是圖1所示的裝置的各組成部分的分解示意圖3是本發(fā)明裝置滿足微創(chuàng)手術操作需求的原理示意圖4是本發(fā)明圖1所示的裝置的基座部分的結(jié)構示意圖5-1是本發(fā)明圖1所示的裝置的調(diào)整架部分的總體圖5-2是圖5_1所示的裝置的導軌座與調(diào)整架的安裝原理圖6是圖1所示的裝置的橫梁部分的結(jié)構示意圖7是圖1所示的裝置的伸縮體部分的結(jié)構示意圖7—1是圖7所示的裝置的隨動絲筒組合結(jié)構示意'圖7 — 2是圖7所示的裝置的主動絲筒組合結(jié)構示意圖； 圖8是本發(fā)明采用的可夾持手術工具的手術工具座的一種實施方式的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作以詳細描述。
下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明的輔助微創(chuàng)外科手術機器人主動支架做出詳細說明。 圖1、圖2、圖3所示為本發(fā)明的總體結(jié)構示意圖，圖示的R、 Pl、 P2描述的是本發(fā)明 的三個主動關節(jié)，其中R為轉(zhuǎn)動關節(jié)，Pl、 P2為移動關節(jié)。圖示的Rsl、 Rs2、 Rs3、 Ps描述 的是本發(fā)明的隨動關節(jié)，其中Rsl、 Rs2、 Rs3為隨動轉(zhuǎn)動關節(jié)，Ps為隨動移動關節(jié)；各主動 關節(jié)、隨動關節(jié)將在后面的內(nèi)容中詳細介紹。圖2描述的是本發(fā)明的各組成部分，包括基座 部分l、調(diào)整架部分2、橫梁部分3、伸縮體部分4;圖3所示為本發(fā)明實現(xiàn)微創(chuàng)手術操作需 求的原理。容易看出，在自身結(jié)構的物理約束下，機器人在運動過程中伸縮體的軸線即手術 工具的軸線始終通過一固定點P，實際手術過程中應將此點布置于病人的體表切口處，NP線 為轉(zhuǎn)動關節(jié)R的旋轉(zhuǎn)軸線。P點位置不發(fā)生變化的條件是隨動關節(jié)Rsl的軸線和隨動關節(jié)Rs2 的軸線沿圖1所示z軸方向上的距離與隨動關節(jié)Rs3的軸線與主動關節(jié)R的軸線間的公垂線的長度相等，輸入輪與輸出輪之間絲傳動的比率為1，機構處于初始位置時，轉(zhuǎn)動關節(jié)R的 軸線與Pl的運動方向平行，且與P2垂直。
一種用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，它包括基座部分1、調(diào)整架部分2、橫 梁部分3、伸縮體部分4，所述的基座部分1包括機架1-3、與所述的機架1-3通過軸承轉(zhuǎn)動 相連的立柱1-2，所述的立柱1-2的一端通過聯(lián)軸器、減速器與第一伺服電機l-4相連，在 所述的立柱1-2的一側(cè)設置有其上開有孔的連接面1-21，所述的孔的軸線與所述的立柱的轉(zhuǎn) 軸的軸線在水平面內(nèi)垂直相交，所述的立柱1-2的頂面與一個直線運動模組1-1的底面相連， 在所述的直線運動模組1-1上連接有絲杠、滑座1-12結(jié)構，所述的絲杠的一端與第二伺服 電機l-5相連；所述的調(diào)整架部分2包括其一端內(nèi)開有階梯孔，另一端上套有法蘭結(jié)構的調(diào) 整架2-8、導軌座2-1、連接在所述的導軌座2-1上的第一滑動導軌2-2、第一滑塊2-3結(jié)構， 所述的導軌座2-1的下部設置有一個三階梯凸臺，在所述的階梯凸臺的頂部凸臺上設置有外 螺紋，并且在所述的階梯凸臺的中部凸臺上套有與之過盈配合的軸承結(jié)構，鎖緊螺母2-7套 在所述的螺紋上，所述的軸承結(jié)構的一側(cè)外圈、內(nèi)圈端面分別與孔用彈簧擋圈、所述的階梯 凸臺的第一階梯端面相壓緊配合并且其另一側(cè)外圈、內(nèi)圈端面分別與所述的鎖緊螺母、所述 的階梯孔的階梯端面相壓緊配合，所述的調(diào)整架的孔套在所述的軸承結(jié)構上并與其呈過盈配 合，所述的彈簧擋圈2-4內(nèi)嵌在所述的調(diào)整架的孔內(nèi)，所述的調(diào)整架2-8另一端插在所述的 連接面卜21的開孔內(nèi)并通過所述的法蘭結(jié)構與其固定相連。所述的橫梁部分3包括橫梁3-1、 所述的橫梁3-1的一側(cè)與所述的滑座1-12相連，其上開有槽的輸入輪3-2和其上具有圓柱 凸臺的輸出輪3-6通過軸承安裝于橫梁3-1的另一側(cè)的兩端,所述的輸入輪3-2和輸出輪3-6 之間通過第一傳動機構轉(zhuǎn)動配合，所述的第一滑塊2-3與所述的輸入輪3-2上的槽相卡緊固 定連接；所述的伸縮體部分4包括伸縮座4-1,在所述的伸縮座4-1上裝有其上設置有第二 滑塊4-4的第二滑動導軌4-3，所述的第二滑塊4-4與一個其上裝有手術工具5-2的手術工 具座5-1固定相連，所述的第二滑塊4-4與第二滑動導軌4-3通過第一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠相 滑動配合，在所述的伸縮座4-1底部開有孔，所述的第二圓柱凸臺插在所述的伸縮座底部的 開孔內(nèi)并與其固定相連，在所述的伸縮座4-1下部裝有用于支撐手術工具的輔助支撐4-6，細長狀的手術工具5-2穿過該輔助支撐的通孔，并與之呈滑動配合，使所述的手術工具5-2
的運動更加平穩(wěn)。
所述的第一傳動機構可以包括安裝在位于所述的輸入輪和輸出輪之間的橫梁上的張緊
輪3-3，所述的輸入輪和輸出輪上分別設置有凹槽， 一個第一、二傳動絲3-4、 3-5分別通過 所述的張緊輪、輸入、輸出輪上的凹槽并且其絲端分別通過設置在所述的輸入、輸出輪上的 絲端壓塊3-7固定在所述的輸入、輸出輪上。絲傳動的傳動比為l，輸入輪和輸出輪在傳動 絲的作用下，會同向同步運動。
所述的第一傳動機構還可以包括設置在所述的輸入、輸出輪之間的中間齒輪，所述的輸 入、輸出輪為齒輪，所述的輸入輪、輸出輪和中間齒輪采用齒輪傳動或者所述的第一傳動機 構包括平行桿，所述的輸入輪和輸出輪與所述的第一傳動機構構成平行四邊形機構。
所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)可以包括分別通過軸承安裝在所述的伸縮座4-1頂部、底部的隨動、 主動滾珠花鍵軸4-8、 4-11，在所述的隨動、主動滾珠花鍵軸4-8、 4-11上套有隨動、主動 花鍵外筒4-9、 4-14，所述的隨動、主動花鍵外筒4-9、 4-14分別通過鍵4-10、 4_13與隨動、 主動絲筒4-7、 4-12固定相連，所述的主動花鍵軸4-11的一側(cè)軸端通過聯(lián)軸器、減速器與 第三伺服電機4-2相連，在所述的手術工具座5-1上安裝有兩個偏心輪5-4、 5-5和絲壓塊 5-3、 5-6， 一個第三傳動絲4-5通過所述的每一絲筒、偏心輪并且其末端4-5el、 4-5e2通 過所述的絲壓塊固定在所述的手術工具座5-1上。
所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)還可以為伺服電機—絲杠一導軌結(jié)構或者為扭轉(zhuǎn)電機一絲杠一導 軌結(jié)構。所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)也可以為液壓缸結(jié)構或者為氣缸結(jié)構。
所述的軸承結(jié)構包括依次套在所述的三階梯凸臺的中部凸臺上的第一軸承2-5、墊片 2-6、第二軸承2-5，所述的彈簧擋圈2-4壓緊第一軸承2-5的外圈，并內(nèi)嵌固定在調(diào)整架 2-8的孔內(nèi)，所述的第二軸承2-5的一個側(cè)面壓在所述的鎖緊螺母的一個側(cè)面上。 下面結(jié)合附圖4一9對本發(fā)明的優(yōu)選實施過程加以說明
基座部分的結(jié)構示意圖由圖4所示，立柱1-2通過軸承支撐在機架1-3上，第一伺服電 機1-4通過減速機座固定于機架1-3上，立柱1-2可以在伺服電機卜4的驅(qū)動下繞軸線NP旋轉(zhuǎn)，這部分為本機構的一個主動轉(zhuǎn)動關節(jié)R。直線運動模組1-1固定連接于立柱1-2的上 部，直線運動模組卜l內(nèi)的絲杠可在安裝于直線運動模組1-1 一端的第二伺服電機1-5的驅(qū) 動下旋轉(zhuǎn)，進而帶動滑座1-12沿直線運動模組1-1的滑軌滑動，這一部分為本機構的一個 主動移動關節(jié)Pl。在立柱1-2的一側(cè)設置有與調(diào)整架部分2中的調(diào)整架-2-8相配合的連接面 1-21，連接面1-21由圓周方向上的孔和端面方向上的兩個配合面組成，在端面配合面上分 布有螺紋孔，將與安裝于調(diào)整架2-8上的螺釘相連；圓周方向上孔的軸線與轉(zhuǎn)動關節(jié)R的旋 轉(zhuǎn)軸線在平面內(nèi)垂直相交。機架l-3將與手術機器人的被動調(diào)整臂相連，使用時被動調(diào)整臂 可以采用專利(申請?zhí)?00610129845.6)的結(jié)構，或者采用其他已有的結(jié)構，該部分內(nèi)容 不屬于本發(fā)明的范疇。
調(diào)整架部分的結(jié)構示意圖如圖5-1和5-2所示，其中圖5-1為調(diào)整架部分2的總體圖， 圖5-2為導軌座2-1與調(diào)整架2-8的安裝原理圖。在調(diào)整架2-8的一側(cè)設置有與立柱1-2上 的連接面1-21相連所需的第一圓柱凸臺和端面配合面，在調(diào)整架2-8的法蘭上裝有與連接 面1-21上的螺孔相連所需的螺釘。安裝有第一滑動導軌2-2的導軌座2-1的底部設置有三 階梯凸臺，階梯凸臺的頂部凸臺上加工有外螺紋，并通過孔用彈簧擋圈2-4、軸承2-5、墊 片2-6和鎖緊圓螺母2-7等與調(diào)整架2-8的另一側(cè)相連。與第一滑動導軌2-2配套的第一滑 塊2-3將與橫梁部分3的輸入輪3-2相連。本部分集成了本發(fā)明的兩個隨動關節(jié)，分別為導 軌座2-1繞調(diào)整架2-8的旋轉(zhuǎn)運動，即圖1中的Rs2;滑塊2-3在滑動導軌2-2的直線運動， 即圖l中的Ps。
橫梁部分的結(jié)構示意圖如圖6所示，橫梁3-1通過螺釘與基座部分1中的滑座1-12相 連。輸入輪3-2和輸出輪3-6分別通過軸承安裝于橫梁3-1的兩端；兩根傳動絲3-4、 3-5 平行的連接著輸入輪3-2和輸出輪3-6，絲兩端通過絲端壓塊3-7分別固定于輸入輪3-2和 輸出輪3-6上，絲傳動的傳動比為l。通過定期旋轉(zhuǎn)張緊輪3-3可以對傳動絲3-4、 3-5進行 張緊，以保證絲傳動的精度。在輸入輪3-2上設置有與調(diào)整架部分2中的第一滑塊2-3固定 連接所需的配合槽和過孔。在輸出輪3-6上設有與伸縮體部分4中的伸縮座4-1相連所需的 圓柱凸臺和螺紋孔。本部分集成了本發(fā)明的另兩個隨動關節(jié)，分別為輸入輪3-2和輸出輪3-6在橫梁3-1上的轉(zhuǎn)動，即圖1中的Rsl和Rs3。輸入輪3-2和輸出輪3-6之間所采用的絲傳 動的作用與平行四邊形結(jié)構類似；與平行四邊形結(jié)構相比，降低了加工制造的難度，且有利 于增加機構的剛度，并在一定程度上可以減小機構的體積。
伸縮體部分的結(jié)構示意圖如圖7、圖7-l、 7-2所示；伸縮座4-1可通過螺釘與橫梁部分 3中的輸出輪3-6固定相連。在伸縮座4-1上安裝有第二滑動導軌4-3，其上裝有配套的第 二滑塊4-4，在第二滑塊4-4上安裝有用于夾持手術工具的手術工具座5-1。在伸縮座4-1 頂部安裝有隨動絲筒組合，該組合由隨動滾珠花鍵軸4-8、與隨動滾珠花鍵軸4-8配套的隨 動花鍵外筒4-9、通過隨動鍵4-10與隨動花鍵外筒4-9相連的隨動絲筒4-7組成；該隨動絲 筒組合通過軸承支撐于伸縮座4-l上；在伸縮座底部安裝有驅(qū)動絲筒組合，該組合與隨動絲 筒原理相同；如圖7 — 1所示，第三伺服電機4-2依次通過減速器、聯(lián)軸器驅(qū)動主動滾珠花 鍵軸4-11旋轉(zhuǎn)，主動絲筒4-12通過鍵4-13與跟主動滾珠花鍵軸4-11配套的主動花鍵外筒
4- 14相連。在隨動絲筒組合和驅(qū)動絲筒組合的絲筒4-7和4-12上裝有第三傳動絲4-5，其 兩端4-5el和4-5e2將與手術工具座5-l相連。由于滾珠花鍵沿軸向無約束，因此在運動過 程中，第三傳動絲4-5可以自動調(diào)整使其到達合適的軸向位置。驅(qū)動絲筒組合、隨動絲筒組 合、第三傳動絲及手術工具座構成了本機構的另一個主動移動關節(jié)P2。在伸縮座4-l的末端 還安裝有輔助支撐4-6,細長的手術工具5-2與輔助支撐4-6的通孔呈滑動配合，使其在運 動過程中運動更平穩(wěn)、精確。
圖8描述的是手術工具座的簡單示意圖，手術工具座5-1固定在第二滑塊4-4上，第三 傳動絲4-5的兩端4-5el和4-5e2分別繞過兩個偏心輪5-5和5-4后，由兩個絲壓塊5-6和
5- 3分別固定于手術工具座5-1上，通過旋轉(zhuǎn)偏心輪5-5和5-4可以對傳動絲4-5進行張緊。 手術工具5-2安裝在手術工具座5-1上，手術工具座5-1及手術工具的詳細設計可以參考專 利(申請?zhí)?200710056701.7)，不屬于本發(fā)明的范疇。
下面將說明本發(fā)明微創(chuàng)外科手術用多自由度微機械手的動作實施過程。 l.三自由度運動
本發(fā)明的輔助微創(chuàng)外科手術機器人主動支架通過各關節(jié)之間的相互傳動，實現(xiàn)手術工具的三個運動，如圖l、圖3所示，分別為繞點P點在空間兩個方向上的擺動以及手術工具 在伸縮體上的移動。
手術工具沿NP軸線的擺動在機器人的基座部分上實現(xiàn)，通過電機驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)，進而 帶動整個機器人繞NP軸線的旋轉(zhuǎn)。手術工具的另一偏轉(zhuǎn)的軸線為通過點P且與紙面方向垂 直的直線，手術工具繞該軸線的旋轉(zhuǎn)是由安裝在直線運動模組上的電機驅(qū)動模組內(nèi)的絲杠旋 轉(zhuǎn)，并通過滑座帶動橫梁部分作直線運動；橫梁部分的輸入輪在調(diào)整架部分的約束下發(fā)生偏 轉(zhuǎn)，并通過絲傳動將該偏轉(zhuǎn)傳遞至輸出輪，進而帶動伸縮體部分偏轉(zhuǎn)，該運動與橫梁部分的 直線運動結(jié)合使手術工具在運動過程中始終通過點P。手術工具這一運動實現(xiàn)的條件是隨動 關節(jié)Rsl的軸線與隨動關節(jié)Rs2的軸線沿z軸方向的距離與隨動關節(jié)Rs3的軸線和主動關節(jié) R的軸線之間的公垂線長度相等，且輸入輪與輸出輪之間絲傳動的傳動比為1。手術工具在 伸縮體上的運動是由電機牽引著傳動絲，帶動安裝在伸縮體滑塊上的手術工具座沿著滑動導 軌作往復運動，該運動也通過固定點p。
以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也 只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)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，采用其它形式的傳動、驅(qū)動裝置以及連接方式不 經(jīng)創(chuàng)造性的設計與該技術方案相似的結(jié)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. 一種用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于它包括基座部分、調(diào)整架部分、橫梁部分、伸縮體部分，所述的基座部分包括機架、與所述的機架通過軸承轉(zhuǎn)動相連的立柱，所述的立柱的一端通過聯(lián)軸器、減速器與第一伺服電機相連，在所述的立柱的一側(cè)設置有其上開有孔的連接面，所述的孔的軸線與所述的立柱的轉(zhuǎn)軸的軸線在水平面內(nèi)垂直相交，所述的立柱的頂面與一個直線運動模組的底面相連，在所述的直線運動模組上連接有絲杠、滑座結(jié)構，所述的絲杠的一端與第二伺服電機相連；所述的調(diào)整架部分包括其一端內(nèi)開有階梯孔，另一端上套有法蘭結(jié)構的調(diào)整架、導軌座、連接在所述的導軌座上的第一滑動導軌、第一滑塊結(jié)構，所述的導軌座的下部設置有一個三階梯凸臺，在所述的階梯凸臺的頂部凸臺上設置有外螺紋，并且在所述的階梯凸臺的中部凸臺上套有與之過盈配合的軸承結(jié)構，鎖緊螺母套在所述的外螺紋上，所述的軸承結(jié)構的一側(cè)外圈、內(nèi)圈端面分別與孔用彈簧擋圈、所述的階梯凸臺的第一階梯端面相壓緊配合并且其另一側(cè)外圈、內(nèi)圈端面分別與所述的鎖緊螺母、所述的階梯孔的階梯端面相壓緊配合，所述的調(diào)整架的階梯孔套在所述的軸承結(jié)構上并與其呈過盈配合，所述的彈簧擋圈內(nèi)嵌在所述的調(diào)整架的孔內(nèi)，所述的調(diào)整架的另一端插在所述的連接面的開孔內(nèi)并通過所述的法蘭結(jié)構與其固定相連；所述的橫梁部分包括橫梁、所述的橫梁的一側(cè)與所述的滑座相連并且在其另一個側(cè)面上安裝有其上開有槽的輸入輪、其上具有圓柱凸臺的輸出輪，所述的輸入輪和輸出輪之間通過第一傳動機構轉(zhuǎn)動配合，所述的第一滑塊與所述的輸入輪上的槽相卡緊固定連接；所述的伸縮體部分包括伸縮座，在所述的伸縮座上裝有其上設置有第二滑塊的第二滑動導軌，所述的第二滑塊與一個其上裝有手術工具的手術工具座固定相連，所述的第二滑塊與第二滑動導軌通過第一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠相滑動配合，在所述的伸縮座底部開有孔，所述的圓柱凸臺插在所述的伸縮座底部的開孔內(nèi)并與其固定相連，在所述的伸縮座下部裝有用于支撐手術工具的輔助支撐，所述的手術工具通過該輔助支撐的通孔，并與之呈滑動配合。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于所述的第一傳動機構包括安裝在位于所述的輸入輪和輸出輪之間的橫梁上的張緊輪，所述的 輸入輪和輸出輪上分別設置有凹槽， 一個第一、二傳動絲分別通過所述的張緊輪、輸入、 輸出輪上的凹槽并且其絲端分別通過設置在所述的輸入、輸出輪上的絲端壓塊固定在所述 的輸入、輸出輪上，所述的絲傳動的傳動比為1。 '
3. 根據(jù)權利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于所 述的第一傳動機構包括設置在所述的輸入、輸出輪之間的中間齒輪，所述的輸入、輸出輪 為齒輪，所述的輸入輪、輸出輪和中間齒輪采用齒輪傳動或者所述的第一傳動機構包括平 行桿，所述的輸入輪和輸出輪與所述的第一傳動機構構成平行四邊形機構。
4. 根據(jù)權利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于所 述的第一驅(qū)動系統(tǒng)包括分別通過軸承安裝在所述的伸縮座頂部、底部的隨動、主動滾珠花 鍵軸，在所述的隨動、主動滾珠花鍵軸上套有隨動、主動花鍵外筒，所述的隨動、主動花 鍵外筒分別通過鍵與隨動、主動絲筒固定相連，所述的一個花鍵軸的一側(cè)軸端通過聯(lián)軸器、 減速器與第三伺服電機相連，在所述的手術工具座上安裝有兩個偏心輪和絲壓塊， 一個第 三傳動絲分別通過所述的每一絲筒、偏心輪并且其末端通過所述的絲壓塊固定在所述的手 術工具座上。
5. 根據(jù)權利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于所 述的第一驅(qū)動系統(tǒng)為伺服電機一絲杠一導軌結(jié)構或者為扭轉(zhuǎn)電機一絲杠一導軌結(jié)構。
6. 根據(jù)權利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于所 述的第一驅(qū)動系統(tǒng)為液壓缸結(jié)構或者為氣缸結(jié)構。
7. 根據(jù)權利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，其特征在于所 述的軸承結(jié)構包括依次套在所述的三階梯凸臺的中部凸臺上的第一軸承、墊片、第二軸承， 所述的彈簧擋圈壓緊所述的第一軸承的外圈端面，并內(nèi)嵌在調(diào)整架的孔內(nèi)，所述的第二軸 承的一個側(cè)面壓在所述的鎖緊螺母的一個側(cè)面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于輔助微創(chuàng)外科手術的機器人主動支架，基座部分包括機架、立柱，在立柱的一側(cè)設置有其上開有孔的連接面，立柱與直線運動模組相連，在直線運動模組上連接有絲杠、滑座；調(diào)整架部分包括調(diào)整架、導軌座、連接在導軌座上的第一滑動導軌、滑塊，導軌座的下部設置有一個三階梯凸臺，在中部凸臺上依次套有軸承結(jié)構、調(diào)整架，調(diào)整架的一端插在連接面的開孔內(nèi)；橫梁部分包括橫梁、橫梁的一側(cè)與滑座相連并且在其另一個側(cè)面上安裝有輸入輪、其上具有圓柱凸臺的輸出輪，第一滑塊與輸入輪相卡緊固定連接；伸縮體部分包括伸縮座，在伸縮座底部開有孔，圓柱凸臺插在伸縮座底部的開孔內(nèi)。本主動支架保證了機器人的運動精度、系統(tǒng)剛度、安全性。
文檔編號B25J7/00GK101411632SQ20081015371
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權日2008年12月3日
發(fā)明者超 何, 張林安, 李建民, 桑宏強, 王樹新 申請人:天津大學