具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械，手術(shù)器械主要由主體連桿部分，手腕部分，快換座部分和末端執(zhí)行器部分四部分組成。該手術(shù)器械具有俯仰自由度、偏轉(zhuǎn)自由和末端執(zhí)行器開(kāi)合自由度。主體連桿一端與動(dòng)力裝置相連，一端通過(guò)關(guān)節(jié)軸與手腕連接。手腕通過(guò)快換座與手術(shù)器械末端執(zhí)行器相連。同時(shí)通過(guò)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械末端執(zhí)行器的開(kāi)合自由度并且通過(guò)限位鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的更換。本發(fā)明能夠有效降低手術(shù)器械成本、增加手術(shù)器械整體利用率。同時(shí)能夠提高末端執(zhí)行器的更換效率、保證傳動(dòng)平穩(wěn)和精確。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微創(chuàng)外科手術(shù)器械，特別涉及一種用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械。

【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)手術(shù)與傳統(tǒng)的開(kāi)口手術(shù)相比，能減少病人痛苦、減小傷口感染風(fēng)險(xiǎn)、縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間、減小疤痕和節(jié)省開(kāi)支等優(yōu)點(diǎn)。然而微創(chuàng)手術(shù)使外科醫(yī)牛操作更困難和因長(zhǎng)時(shí)間操作而身心疲憊，增加了手術(shù)中失誤的風(fēng)險(xiǎn)。一方面內(nèi)窺鏡的引入迫使醫(yī)牛通過(guò)觀察圖像而不是看自己的手來(lái)工作，由此切斷了手與眼的協(xié)調(diào)，另一方面用于插入手術(shù)器械的病人體上的切口處起支點(diǎn)作用，使插入的手術(shù)器械末端的運(yùn)動(dòng)方向與外面手術(shù)器械手柄的運(yùn)動(dòng)方向相反，體表切口的約使手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)由六個(gè)減為四個(gè)，同時(shí)細(xì)長(zhǎng)的手術(shù)器械將抖動(dòng)放大。這些使得醫(yī)牛很難進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)操作，只能進(jìn)行較簡(jiǎn)單的手術(shù)操作，從而阻礙的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0003]為了克服開(kāi)口手術(shù)和傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)存在的缺點(diǎn)，機(jī)器人輔助的微創(chuàng)外科由此誕生。在微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程當(dāng)中，末端執(zhí)行器是機(jī)器人系統(tǒng)中唯一與人體病變組織相接觸的部分。因此，末端執(zhí)行器的性能是微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)綜合性能的關(guān)鍵所在。執(zhí)行器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)精巧、操作靈活、形式多樣、適應(yīng)醫(yī)療環(huán)境等要求，特別是要易于更換。末端執(zhí)行器的快速更換性能可以縮短手術(shù)時(shí)間、節(jié)約手術(shù)成本和提高手術(shù)效率。
[0004]目前現(xiàn)有的手術(shù)器械在更換執(zhí)行器時(shí)需要將手術(shù)器械整體進(jìn)行更換，從而增加手術(shù)器械成本和降低了手術(shù)器械整體利用率。因此，開(kāi)發(fā)用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的手術(shù)器械對(duì)推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步具有重要經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以實(shí)現(xiàn)不同的末端執(zhí)行器如剪子、鑷子、刀子、鉗子等與手術(shù)器械的快速更換的微創(chuàng)外科手術(shù)器械。本發(fā)明的微創(chuàng)外科手術(shù)器械能夠有效降低手術(shù)器械成本、增加手術(shù)器械整體利用率。同時(shí)能夠提高末端執(zhí)行器的更換效率、保證傳動(dòng)平穩(wěn)和精確。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]手術(shù)器械主要由主體連桿、手腕、末端執(zhí)行器快換接口和末端執(zhí)行器四部分組成。該手術(shù)器械具有俯仰自由度、偏轉(zhuǎn)自由和末端執(zhí)行器開(kāi)合自由度。主體連桿一端與動(dòng)力裝置相連，一端通過(guò)關(guān)節(jié)軸與手腕連接。手腕通過(guò)末端執(zhí)行器快換接口與末端執(zhí)行器相連。絲經(jīng)過(guò)手腕上第一副導(dǎo)向輪和第二副導(dǎo)向輪交叉纏繞后與驅(qū)動(dòng)輪相連，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械偏轉(zhuǎn)自由度。絲經(jīng)過(guò)與手腕上驅(qū)動(dòng)輪相連，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械俯仰自由度。絲經(jīng)過(guò)手腕上的第三副導(dǎo)向輪和第四副導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)交叉纏繞后與驅(qū)動(dòng)輪相連，驅(qū)動(dòng)輪上的絲與齒輪旁的驅(qū)動(dòng)輪相連，齒輪帶動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械末端執(zhí)行器的開(kāi)合自由度。手術(shù)器械末端執(zhí)行器的快速更換通過(guò)限位鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0008]采用本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0009]1.本發(fā)明可以充分滿(mǎn)足微創(chuàng)外科手術(shù)操作過(guò)程中使用不同的手術(shù)器械要求，同時(shí)與傳統(tǒng)的手術(shù)器械相比，只需更換末端執(zhí)行器部分，降低了手術(shù)器械成本，提高了手術(shù)器械除末端執(zhí)行器外的利用率；
[0010]2.本發(fā)明應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可以滿(mǎn)足任何種類(lèi)的微創(chuàng)外科手術(shù)的要求；
[0011]3.本發(fā)明采用絲傳動(dòng)方式，可簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小傳動(dòng)系統(tǒng)體積和重量。在預(yù)緊的情況下可消除各自由度運(yùn)動(dòng)回差，進(jìn)而提高關(guān)節(jié)控制精度。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是手術(shù)器械總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是手術(shù)器械俯仰和偏轉(zhuǎn)自由度示意圖；
[0014]圖3是手術(shù)器械開(kāi)合方式示意圖；
[0015]圖4是手術(shù)器械開(kāi)合傳動(dòng)方式示意圖；
[0016]圖5是手術(shù)器械快速更換示意圖；
[0017]圖6是手術(shù)器械限位鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖7是手術(shù)器械齒條安裝示意圖；
[0019]圖8是手術(shù)器械齒輪與齒條嚙合安裝示意圖；
[0020]圖9是手術(shù)器械俯仰自由度關(guān)節(jié)連接及導(dǎo)向輪安裝示意圖；
[0021]圖10是手術(shù)器械偏轉(zhuǎn)自由度關(guān)節(jié)連接示意圖；
[0022]圖11是絲固定方式示意圖；
[0023]圖12是手術(shù)器械絲傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025]圖1所示為手術(shù)器械總體結(jié)構(gòu)示意圖，手術(shù)器械主要由主體連桿1，手腕2，末端執(zhí)行器快換接口 3和末端執(zhí)行器4四部分組成。
[0026]圖2所示為手術(shù)器械俯仰和偏轉(zhuǎn)自由度示意圖，手腕2繞軸Rl進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，末端執(zhí)行器快換接口 3繞軸R2進(jìn)行偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0027]圖3所示為手術(shù)器械開(kāi)合方式示意圖，以圖為例，圖中的末端執(zhí)行器4為剪刀，剪刀由剪切刀刃4-1Α、4-1Β和剪柄4-2A、4-2B組成，相互對(duì)稱(chēng)構(gòu)成一四邊形結(jié)構(gòu)。其中剪切刀刃4-1A與剪柄4-2B用銷(xiāo)軸4-3連接，剪切刀刃4-1B與剪柄4-2A及刀刃4-1A與4-1B的連接方式與刀刃4-1A與剪柄4-2B的連接方式相同。剪柄4-2A、4-2B的孔與快換頭4_5的孔相配合，用銷(xiāo)軸4-4連接。
[0028]圖4所示為手術(shù)器械開(kāi)合傳動(dòng)方式示意圖，齒條3-2位置在最高處時(shí)剪切刀刃為閉合狀態(tài)。從圖示方向上看去，當(dāng)齒輪3-3繞固定軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒條3-2豎直向下移動(dòng)，支撐體3-1與齒條3-2聯(lián)動(dòng)，推動(dòng)快換頭4-5使剪切刀刃4-1Α、4-1Β打開(kāi)；當(dāng)齒輪3_3繞固定軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒條3-2向上移動(dòng)，支撐體3-1與齒條3-2聯(lián)動(dòng)，拉動(dòng)快換頭4-5使剪切刀刃4-1Α、4-1Β閉合。
[0029]圖5所示為手術(shù)器械快速更換示意圖，圖6所示為手術(shù)器械限位鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。末端執(zhí)行器4為一整體進(jìn)行更換，在快換頭4-5圓弧面上有成60度弧度的L型槽，安裝時(shí)從末端執(zhí)行器快換接口 3底部推入，按壓住彈性擋片4-6后將快換頭4-5推入到末端執(zhí)行器快換接口 3內(nèi)的支撐體3-1的孔內(nèi)，然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度，支撐體3-1上安裝的銷(xiāo)釘3-4會(huì)卡住快換頭4-5，從而支撐體3-1可以帶動(dòng)快換頭4-5進(jìn)行上下移動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)快換頭4-5的同時(shí)，雙頭螺栓4-7卡在末端執(zhí)行器快換接口 3內(nèi)壁的槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)剪切刀刃4-1Α、4-1Β與剪柄4-2A、4-2B形成的四邊形結(jié)構(gòu)一端固定一端自由。當(dāng)按圖6中所示箭頭方向驅(qū)動(dòng)支撐體3-1時(shí)，剪切刀刃4-1Α、4-1Β將進(jìn)行開(kāi)合動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器4的開(kāi)合自由度。最后將手松開(kāi)使彈性擋片4-6恢復(fù)原狀，其上面的小孔會(huì)卡住末端執(zhí)行器快換接口 3底部的凸起使快換頭4-5與支撐體3-1不會(huì)發(fā)牛相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)以保證兩者不會(huì)脫離，保證手術(shù)器械的工作穩(wěn)定。當(dāng)末端執(zhí)行器需要更換時(shí)，按住彈性擋片4-6后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度，即使末端執(zhí)行器與末端執(zhí)行器快換接口 3分離，然后即可以輕易拔出。
[0030]圖7所示為手術(shù)器械齒條安裝示意圖，將齒條3-2末端的軸插入支撐體3-1上端面的孔內(nèi)，為了易于定位在孔與軸的圓柱面基礎(chǔ)上加工出一平面，用銷(xiāo)釘3-4將兩部分進(jìn)行連接固定。此時(shí)支撐體3-1與齒條3-2為一整體，安裝時(shí)支撐體3-1與齒條3-2形成的整體從末端執(zhí)行器快換接口 3底部沿z方向推入，齒條3-2被推入槽內(nèi)以保證齒條運(yùn)動(dòng)時(shí)在圖中所示的X方向上不會(huì)發(fā)牛偏移；而在y方向上，末端執(zhí)行器快換接口 3的內(nèi)壁和后序安裝上的齒輪基座3-5、齒輪3-3的夾持來(lái)保證不會(huì)發(fā)牛偏移。
[0031]圖8所示為齒輪齒條嚙合安裝示意圖，齒輪3-3兩側(cè)有輪槽。安裝時(shí)，用銷(xiāo)軸3-6將齒輪3-3與齒輪基座3-5連接，銷(xiāo)3-6軸兩側(cè)末端加工了兩個(gè)比較淺的孔，通過(guò)對(duì)其淺孔沖壓使銷(xiāo)軸3-6末端變形，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的安裝。然后將齒輪基座3-5嵌入末端執(zhí)行器快換接口 3中，使齒輪3-3與齒條3-2相嚙合。將絲安裝在齒輪3-3兩側(cè)的輪槽內(nèi)，通過(guò)螺釘3-7進(jìn)行微調(diào)使絲張緊。絲張緊后用螺釘3-8A與螺釘3-8B固定齒輪基座3_5，從而實(shí)現(xiàn)齒輪齒條嚙合的安裝及絲的安裝。
[0032]圖9所示為手術(shù)器械俯仰自由度關(guān)節(jié)連接及導(dǎo)向輪安裝示意圖，在手腕2上部中間加工出一輪槽。在手腕2的兩側(cè)有四副導(dǎo)向輪，分別為導(dǎo)向輪2-1A與導(dǎo)向輪2-1B、導(dǎo)向輪2-2A與導(dǎo)向輪2-2B、導(dǎo)向輪2-3A與導(dǎo)向輪2-3B、導(dǎo)向輪2-4A與導(dǎo)向輪2-4B。其中導(dǎo)向輪2-3A與導(dǎo)向輪2-3B，導(dǎo)向輪2-4A與導(dǎo)向輪2-4B的孔與主體連桿I的孔和手腕2輪槽軸孔相配合通過(guò)銷(xiāo)軸2-5安裝在主體連桿部分I與手腕部分2之間，銷(xiāo)軸2-5兩末端加工兩個(gè)比較淺的孔，通過(guò)對(duì)其淺孔沖壓使銷(xiāo)軸2-5末端變形，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪的安裝。導(dǎo)向輪2-1A、導(dǎo)向輪2-1B與導(dǎo)向輪2-2A、導(dǎo)向輪2-2B的孔與手腕部分2下方的孔相配合，通過(guò)銷(xiāo)軸2_6連接，銷(xiāo)軸2-6兩末端加工了兩個(gè)比較淺的孔，通過(guò)對(duì)其淺孔沖壓使銷(xiāo)軸2-6末端變形，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪的安裝。
[0033]圖10所示為手術(shù)器械偏轉(zhuǎn)自由度關(guān)節(jié)連接示意圖，驅(qū)動(dòng)輪3-9中心為一過(guò)半圓形通孔，安裝時(shí)嵌在有相同形狀凸起的末端執(zhí)行器快換接口 3的左瓣驅(qū)動(dòng)組件上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪3-9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以帶動(dòng)末端執(zhí)行器快換接口 3實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)自由度；驅(qū)動(dòng)輪3-10的作用是在上一傳動(dòng)回路結(jié)束后，可以繼續(xù)將動(dòng)力傳遞到下一個(gè)回路中。它有兩部分，分為大端驅(qū)動(dòng)輪3-10A與小端驅(qū)動(dòng)輪3-10B，當(dāng)大端驅(qū)動(dòng)輪3-10A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小端驅(qū)動(dòng)輪3-10B同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將動(dòng)力繼續(xù)傳遞。安裝時(shí)驅(qū)動(dòng)輪3-10的孔與末端執(zhí)行器快換接口 3的右瓣驅(qū)動(dòng)組件的孔相配合。用銷(xiāo)軸3-7將驅(qū)動(dòng)輪3-9，驅(qū)動(dòng)輪3-10和末端執(zhí)行器快換接口 3三部分連接，銷(xiāo)軸3-7兩末端加工了兩個(gè)比較淺的孔，通過(guò)對(duì)其淺孔沖壓使軸末端變形，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的安裝。
[0034]圖11所示為絲固定示意圖，絲上的絲結(jié)可以與絲牛產(chǎn)廠(chǎng)家定制或通過(guò)毛細(xì)鋼管擠壓在絲上形成，驅(qū)動(dòng)輪加工出與絲結(jié)尺寸相同的槽，絲結(jié)放入槽中并進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)絲與驅(qū)動(dòng)輪的固定。
[0035]圖12所示為手術(shù)器械絲傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，手術(shù)器械俯仰自由度是電機(jī)Dl帶動(dòng)絲固定裝置，通過(guò)絲SI帶動(dòng)手腕2上輪槽，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)器械俯仰自由度R2的控制；偏轉(zhuǎn)自由度是電機(jī)D2帶動(dòng)絲固定裝置，絲S3經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪2-3B和導(dǎo)向輪2-1B交叉纏繞后繞過(guò)驅(qū)動(dòng)輪3-9，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪2-1A與導(dǎo)向輪2-3A交叉纏繞返回，可帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪3_9轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪3-9帶動(dòng)末端執(zhí)行器快換接口 3的左瓣驅(qū)動(dòng)組件從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械偏轉(zhuǎn)自由度R3的控制；開(kāi)合自由度是電機(jī)D2帶動(dòng)絲固定裝置，絲S3經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪2-4A和導(dǎo)向輪2-2A交叉纏繞后繞過(guò)驅(qū)動(dòng)輪3-10大端后再經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪2-2B和導(dǎo)向輪2-4B交叉纏繞返回，可帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪3-10轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪3-3由驅(qū)動(dòng)輪3-10驅(qū)動(dòng)，絲S4繞在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上。
[0036]以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用齒輪齒條傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和限位鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行可更換末端執(zhí)行器的手術(shù)器械與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械，其特征在于:手術(shù)器械主要由主體連桿、手腕、末端執(zhí)行器快換接口和末端執(zhí)行器四部分組成；該手術(shù)器械具有俯仰自由度、偏轉(zhuǎn)自由和末端執(zhí)行器開(kāi)合自由度，主體連桿一端與動(dòng)力裝置相連，一端通過(guò)關(guān)節(jié)軸與手腕連接，手腕通過(guò)末端執(zhí)行器快換接口與末端執(zhí)行器相連，絲經(jīng)過(guò)手腕上第一副導(dǎo)向輪和第二副導(dǎo)向輪交叉纏繞后與驅(qū)動(dòng)輪相連，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械偏轉(zhuǎn)自由度，絲經(jīng)過(guò)與手腕上驅(qū)動(dòng)輪相連，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械俯仰自由度。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械，其特征在于:手術(shù)器械末端執(zhí)行器開(kāi)合運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，絲經(jīng)過(guò)手腕上的第三副導(dǎo)向輪和第四副導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)交叉纏繞后與驅(qū)動(dòng)輪相連，驅(qū)動(dòng)輪上的絲與齒輪旁的驅(qū)動(dòng)輪相連，齒輪帶動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械末端執(zhí)行器的開(kāi)合自由度。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種具有可快速更換末端執(zhí)行器功能的微創(chuàng)外科手術(shù)器械，其特征在于:手術(shù)器械末端執(zhí)行器的快速更換是通過(guò)限位鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】A61B17/00GK104490429SQ201410853427
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】張博文, 桑宏強(qiáng), 許麗萍, 陳發(fā), 楊鋮浩 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)