專利名稱：多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人及其操作機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外科醫(yī)療設(shè)備，具體地，涉及一種多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人及其操作機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著人類科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對(duì)手術(shù)安全性，準(zhǔn)確性，微創(chuàng)性的要求也越來(lái)越高。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)則可以滿足這種需求。相比傳統(tǒng)手術(shù)方式，手術(shù)機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)在于(I)能為外科醫(yī)生提供更全面而廣泛的空間視野； (2)可以提高手術(shù)的精確性，從而減小手術(shù)創(chuàng)傷和失血量，加快恢復(fù)速度，減少手術(shù)后遺癥和并發(fā)癥；(3)能夠排除主刀醫(yī)生可能的手的顫抖對(duì)手術(shù)造成的不利影響；(4)可以在傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)法觸及的地方進(jìn)行安全準(zhǔn)確地操作；(5)能夠?yàn)橹鞯夺t(yī)生提供舒適的工作環(huán)境，減少工作強(qiáng)度；(6)可以在大部分手術(shù)中，減少手術(shù)的復(fù)雜度及工作量，節(jié)省人力資源。(7)智能化的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可以給手術(shù)過(guò)程中的醫(yī)生以更多的操作參考，提高手術(shù)的可靠性。我國(guó)目前已有多所大學(xué)、研究所在進(jìn)行手術(shù)機(jī)器人的研究。由天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院聯(lián)合研制的微創(chuàng)手術(shù)外科機(jī)器人“妙手A”系統(tǒng)于2010年通過(guò)了成果鑒定，并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平；目前新一代的“妙手II”系統(tǒng)也在研究中。預(yù)計(jì)國(guó)產(chǎn)的智能手術(shù)機(jī)器人有望在兩年內(nèi)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。國(guó)外主要的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)有達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)，ZEUS機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)和AESOP機(jī)器人系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)的手術(shù)機(jī)器人都已經(jīng)達(dá)到甚至在一些方面超越了人手的靈活性，可以完美地模仿操作醫(yī)生的手術(shù)動(dòng)作，并提供力反饋和穩(wěn)定的立體圖像。此外還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，智能糾錯(cuò)等。然而對(duì)于單創(chuàng)口微創(chuàng)手術(shù)的要求而言，目前的手術(shù)機(jī)器人尚存需要改進(jìn)之處。以達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)為例，在手術(shù)過(guò)程中一般都需要在人體腹腔上切三個(gè)孔，每個(gè)孔孔徑約為10_，其中兩個(gè)孔用于通過(guò)兩個(gè)工作臂，另一個(gè)用于通過(guò)持鏡臂。本專利設(shè)計(jì)出一種新型的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，可在工作空間不亞于達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的前提下，將兩個(gè)工作臂和一個(gè)攝像頭整合在一個(gè)10 20mm的圓柱形區(qū)域中，即在手術(shù)過(guò)程中只要在腹腔上切一個(gè)直徑10 20mm的圓孔，便可用于完成一個(gè)手術(shù)，從而進(jìn)一步滿足人們對(duì)手術(shù)微創(chuàng)性的需要。經(jīng)檢索，公開(kāi)號(hào)為102697564A的中國(guó)發(fā)明專利，該專利公開(kāi)了一種用于單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)的柔性臂機(jī)器人，該機(jī)器人為解決現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)中患者皮膚切口較多，手術(shù)機(jī)器人的體積較大問(wèn)題。相比該專利，本發(fā)明采用了分體式設(shè)計(jì)，易于組裝及拆卸、更換，使得操作和維護(hù)更方便；本發(fā)明涉及的機(jī)構(gòu)能夠在病人腹腔內(nèi)部組合，并且采用雙臂協(xié)同操作，每條手臂(含刀頭)具有3個(gè)自由度，使得手術(shù)操作更加靈活和精確。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人及其操作機(jī)構(gòu)，在保證手術(shù)精確性、靈活性、穩(wěn)定性和安全性的同時(shí)，盡量減少手術(shù)創(chuàng)口數(shù)量并減小創(chuàng)口大小，真正實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)。本發(fā)明為解決上述目標(biāo)技術(shù)問(wèn)題所采取的方案為根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，由機(jī)械臂和動(dòng)力部分組成，所述機(jī)械臂內(nèi)部通過(guò)滑輪設(shè)有多根連接鋼絲、多根驅(qū)動(dòng)鋼絲以及多根調(diào)位鋼絲，這些鋼絲連接至所述動(dòng)力部分，其中所述驅(qū)動(dòng)鋼絲用以傳遞來(lái)自所述動(dòng)力部分的驅(qū)動(dòng)力；所述連接鋼絲用以使所述機(jī)械臂與所述動(dòng)力部分緊密連接；所述調(diào)位鋼絲用于手術(shù)前后調(diào)整所述機(jī)械臂的姿態(tài)。所述機(jī)械臂包含一個(gè)連接架和結(jié)構(gòu)相同的兩條手臂；每條手臂包含一條連接臂和一個(gè)尖端機(jī)械手；所述尖端機(jī)械手末端裝有刀頭；所述尖端機(jī)械手可拆卸地安裝在所述連接臂末端，可根據(jù)手術(shù)需要，提前選擇不同功能的尖端機(jī)械手；而所述連接臂分別安裝在所述連接架的兩側(cè)。所述機(jī)械臂連接架頂部開(kāi)孔，所述連接架通過(guò)連接管與所述動(dòng)力部分可拆卸連接，所述機(jī)械臂內(nèi)部的鋼絲經(jīng)過(guò)連接管內(nèi)部連接所述動(dòng)力部分；所述連接架底部開(kāi)有攝像孔，用于安裝和引導(dǎo)攝像及照明設(shè)備。手術(shù)前，機(jī)械臂與動(dòng)力部分分離(僅通過(guò)鋼絲柔性連接)，通過(guò)臍部切口進(jìn)入人體腹腔，隨后通過(guò)調(diào)位鋼絲牽動(dòng)，進(jìn)行位姿調(diào)整，并由連接鋼絲收緊，實(shí)現(xiàn)在腹腔切口處與動(dòng)力部分緊密連接；機(jī)械臂由動(dòng)力部分通過(guò)驅(qū)動(dòng)鋼絲牽動(dòng)，進(jìn)行各種手術(shù)動(dòng)作；手術(shù)后，將機(jī)械臂再次與動(dòng)力部分脫離，通過(guò)調(diào)位鋼絲調(diào)整位姿使機(jī)械臂通過(guò)腹腔切口離開(kāi)腹腔。優(yōu)選地，整個(gè)機(jī)械臂各個(gè)自由度均由與驅(qū)動(dòng)部分相連的鋼絲進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；鋼絲通過(guò)帶動(dòng)機(jī)械臂內(nèi)部各關(guān)節(jié)處的滑輪實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。所述機(jī)械臂內(nèi)部的鋼絲一共有13根，其中3根為連接鋼絲，8根為驅(qū)動(dòng)鋼絲，2根為調(diào)位鋼絲。每條所述手臂各有4根驅(qū)動(dòng)鋼絲帶動(dòng)；具體到其中一條手臂2根驅(qū)動(dòng)鋼絲用于帶動(dòng)尖端機(jī)械手末端刀具的動(dòng)作，I根驅(qū)動(dòng)鋼絲用于帶動(dòng)尖端機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，剩余I根用于帶動(dòng)連接臂轉(zhuǎn)動(dòng)；另一條手臂情況與之相同。2根調(diào)位鋼絲經(jīng)過(guò)連接管后直接分別與2個(gè)尖端機(jī)械手上的刀頭相連，3根連接鋼絲將連接管和機(jī)械臂連接架連接在一起。優(yōu)選地，每一側(cè)的所述連接臂及其連接的所述尖端機(jī)械手都有4根驅(qū)動(dòng)鋼絲帶動(dòng)，其中2條鋼絲用于帶動(dòng)所述尖端機(jī)械手末端刀具的動(dòng)作，I根驅(qū)動(dòng)鋼絲用于帶動(dòng)所述尖端機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，另I根用于帶動(dòng)所述連接臂的轉(zhuǎn)動(dòng)；兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)鋼絲布置情況相同，也就是8根為驅(qū)動(dòng)鋼絲。優(yōu)選地，所述連接管分為兩個(gè)部分，與機(jī)械臂相連的第一部分的末端與機(jī)械臂通過(guò)連接鋼絲相連，另一端通過(guò)螺紋連接第二部分，第二部分與所述動(dòng)力部分相連，所述第一部分和所述第二部分通過(guò)螺紋聯(lián)接，通過(guò)調(diào)節(jié)所述的兩部分之間螺紋咬合的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)連接 管整體長(zhǎng)度的伸縮，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鋼絲的放松與拉緊。優(yōu)選地，所述連接管的第二部分末端帶內(nèi)螺紋，第一部分的基端帶外螺紋，所述第二部分的螺紋段有至少2個(gè)銷(xiāo)孔，且沿連接管的軸向分布；第一部分的螺紋段有一銷(xiāo)孔；將連接管的兩個(gè)部分的螺紋咬合長(zhǎng)度調(diào)小，使得兩部分的銷(xiāo)孔重合，此時(shí)連接管總體長(zhǎng)度較大，驅(qū)動(dòng)鋼絲為張緊狀態(tài)；將連接管的兩個(gè)部分的螺紋咬合長(zhǎng)度調(diào)大，兩部分的銷(xiāo)孔重合時(shí)，連接管整體長(zhǎng)度較小，驅(qū)動(dòng)鋼絲為放松狀態(tài)；在銷(xiāo)孔有重合時(shí)插入定位銷(xiāo)，可避免連接管的兩部分之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，防止連接管長(zhǎng)度產(chǎn)生人為調(diào)節(jié)以外的變化。優(yōu)選地，所述與機(jī)械臂相連的第一部分裝有手柄，所述手柄在所述連接管第一部分內(nèi)部的部分帶有絞盤(pán)，所述連接鋼絲纏在所述絞盤(pán)上并伸出所述第一部分后連在所述連接架上，該手柄用于調(diào)整連接鋼絲的松緊，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和連接管的脫開(kāi)與緊固。本發(fā)明中，所述每個(gè)尖端機(jī)械手具有兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)自由度；連接臂相對(duì)連接架具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，其方向與尖端機(jī)械手的一個(gè)自由度方向相同；本發(fā)明中，所述動(dòng)力部分為一個(gè)電機(jī)箱，內(nèi)部裝有8個(gè)電機(jī)及鋼絲盒，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)鋼絲的獨(dú)立動(dòng)作；
本發(fā)明中，滑輪和驅(qū)動(dòng)鋼絲的具體布置方式可以按照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施，只要實(shí)現(xiàn)上述的作用和目的即可。每根驅(qū)動(dòng)鋼絲在所述手臂內(nèi)部走向所形成的軌跡，在每個(gè)其經(jīng)過(guò)的滑輪處沿該滑輪軸向的投影，都能將該滑輪完全包絡(luò)在內(nèi)，即可避免鋼絲在手臂進(jìn)行動(dòng)作時(shí)發(fā)生長(zhǎng)度變化，保證驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確可靠。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，包括上述的操作機(jī)構(gòu)。所述操作機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)具有4個(gè)自由度的機(jī)器人上，每個(gè)所述尖端機(jī)械手具有兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)自由度；所述連接臂相對(duì)所述連接架具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，方向與所述尖端機(jī)械手的一個(gè)自由度方向相同，從而使每個(gè)尖端機(jī)械手總共有7個(gè)自由度，以保證其在指定工作空間范圍內(nèi)任意姿態(tài)可達(dá)且兩個(gè)尖端機(jī)械手能夠進(jìn)行一定的協(xié)同工作。本發(fā)明中，整個(gè)所述機(jī)械臂橫截面在直徑為10 20mm的正圓范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行單創(chuàng)口外科手術(shù)，并且手術(shù)創(chuàng)口尺寸在10 20mm范圍內(nèi)。其實(shí)現(xiàn)方式是在手術(shù)準(zhǔn)備階段，首先調(diào)整連接管長(zhǎng)度，放松驅(qū)動(dòng)鋼絲，并用銷(xiāo)固定連接管的兩個(gè)部分；隨后調(diào)整連接管上的手柄，將連接鋼絲放松足夠長(zhǎng)度，使機(jī)械臂與連接管從緊固狀態(tài)脫離；通過(guò)連接鋼絲與連在刀頭上的調(diào)位鋼絲調(diào)整機(jī)械臂的位姿，將機(jī)械臂通過(guò)肚臍上的切口放入人體氣腹中，然后旋轉(zhuǎn)手柄，將連接鋼絲拉緊，使得連接管與機(jī)械臂緊密連接；拔出連接管兩部分之間的定位銷(xiāo)，固定連接管第二部分(上部分)，將第一部分(下部分)降到預(yù)定高度，再用定位銷(xiāo)固接，使驅(qū)動(dòng)鋼絲張緊；攝像及照明設(shè)備可經(jīng)連接管進(jìn)入，整個(gè)準(zhǔn)備階段完成。在手術(shù)執(zhí)行階段，外科醫(yī)生可控制電機(jī)箱內(nèi)的各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，分別帶動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)鋼絲進(jìn)而牽引機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)及刀頭的開(kāi)合(各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)互不影響)，以完成所需要的手術(shù)操作。手術(shù)執(zhí)行結(jié)束后，需要將機(jī)械臂從腹腔開(kāi)口取出，具體為沿連接管提出攝像及照明設(shè)備；取出連接管上的銷(xiāo)，調(diào)整連接管放松驅(qū)動(dòng)鋼絲，并使用銷(xiāo)定位；調(diào)整連接管下部的手柄，放松連接鋼絲，使得機(jī)械臂與連接管脫離(僅通過(guò)鋼絲連接)，并通過(guò)連在刀頭上的調(diào)位鋼絲，將一條手臂提起，使整個(gè)機(jī)械臂呈豎直狀態(tài)，使得刀頭到達(dá)腹腔切口并提出，隨即取出整個(gè)機(jī)械臂，完成；之后即進(jìn)行其它后續(xù)工作。利用上述的新型結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)(比如單創(chuàng)口腹腔膽胰微創(chuàng)手術(shù))。在手術(shù)準(zhǔn)備階段，機(jī)械臂與動(dòng)力部分分離，在放入腹腔后再作緊固連接；在手術(shù)操作完成后，機(jī)械臂與動(dòng)力部分分離后再取出；與機(jī)械臂在和動(dòng)力部分固連的狀態(tài)下伸入腹腔內(nèi)部的情況相比，本發(fā)明避免了需要開(kāi)多個(gè)創(chuàng)口或者創(chuàng)口過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果本發(fā)明采用分體式設(shè)計(jì)，便于組裝及拆卸、更換；通過(guò)可以靈活調(diào)整位姿的機(jī)械臂和創(chuàng)口內(nèi)組裝及拆卸的方式，有效減少手術(shù)創(chuàng)口數(shù)量，并嚴(yán)格控制創(chuàng)口的尺寸；多自由度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與雙臂協(xié)同模式，保證了手術(shù)操作的靈活性和可靠性，真正實(shí)現(xiàn)單創(chuàng)口微創(chuàng)手術(shù)要求。



通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯圖1為本發(fā)明一實(shí)施例機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖1的各標(biāo)號(hào)如下1.四自由度機(jī)器人，2.電機(jī)箱，3.連接管，4.手柄，5.連接管，6.機(jī)械臂。圖2為本發(fā)明一實(shí)施例機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖。圖2的各標(biāo)號(hào)如下7.連接架，8.銷(xiāo)釘，9.銷(xiāo)釘，10.銷(xiāo)釘，11.連接臂，12.銷(xiāo)釘，13.尖2而機(jī)械手，14.銷(xiāo)釘，15.銷(xiāo)釘，16.刀頭，17.銷(xiāo)釘，18.銷(xiāo)釘，19.刀頭，20.尖2而機(jī)械手，21.銷(xiāo)釘，22.連接臂，23.銷(xiāo)釘，24.銷(xiāo)釘，25.銷(xiāo)釘，26.銷(xiāo)釘，27.銷(xiāo)釘，28.銷(xiāo)釘，29.銷(xiāo)釘，30.銷(xiāo)釘。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，可知該多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂和動(dòng)力部分組成，本實(shí)施例中動(dòng)力部分采用電機(jī)箱2實(shí)現(xiàn)，所述機(jī)械臂6包含一個(gè)連接架7、結(jié)構(gòu)相同的兩條連接臂11、22和結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)尖端機(jī)械手13、20，所述尖端機(jī)械手末端裝有刀頭，可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)；刀頭結(jié)構(gòu)與剪刀類似，分為兩片；所述尖端機(jī)械手13、20可拆卸地安裝在所述連接臂11、22末端，可根據(jù)手術(shù)需要，提前選擇不同功能的尖端機(jī)械手；而所述連接臂11、22分別安裝在所述連接架7的兩側(cè)。所述連接架7通過(guò)連接管3、5與所述電機(jī)箱2可拆卸連接，所述機(jī)械臂6內(nèi)部的鋼絲經(jīng)過(guò)連接管3、5內(nèi)部連接所述電機(jī)箱2 ;所述連接架7底部開(kāi)有攝像孔，用于安裝和引導(dǎo)攝像及照明設(shè)備。本實(shí)施例中，電機(jī)箱2、連接管3、5和機(jī)械臂6都安裝在一個(gè)四自由度機(jī)器人I (可以為現(xiàn)有的產(chǎn)品，如SCARA機(jī)器人)的最后一個(gè)關(guān)節(jié)上，構(gòu)成一個(gè)多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，每個(gè)尖端機(jī)械手總共有7個(gè)自由度。其中連接管3初端與電機(jī)箱2連接，末端開(kāi)有內(nèi)螺紋，并在螺紋段上開(kāi)有兩個(gè)2個(gè)銷(xiāo)孔銷(xiāo)孔a (上)和銷(xiāo)孔b (下)，且沿連接管3的軸向分布；連接管5鄰近連接管3的一端有外螺紋，可以與連接管3連接；連接管5的螺紋段開(kāi)有銷(xiāo)孔C ;調(diào)節(jié)連接管3和連接管5的螺紋咬合長(zhǎng)度(連接管3靜止)，使得銷(xiāo)孔b與銷(xiāo)孔c重合，此時(shí)連接管總體長(zhǎng)度較大，驅(qū)動(dòng)鋼絲為張緊狀態(tài)；調(diào)節(jié)到銷(xiāo)孔a與銷(xiāo)孔c重合時(shí)，連接管整體長(zhǎng)度較小，驅(qū)動(dòng)鋼絲為放松狀態(tài)；在銷(xiāo)孔有重合時(shí)插入定位銷(xiāo)，可防止連接管長(zhǎng)度產(chǎn)生人為調(diào)節(jié)以外的變化。本實(shí)施例中，連接管5上設(shè)有手柄4，手柄4在連接管5內(nèi)部的部分帶有絞盤(pán)，連接鋼絲纏在絞盤(pán)上，并伸出連接管5，連在連接架7上；沿不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)手柄4可使連接鋼絲在絞盤(pán)上收緊或放松，當(dāng)收緊時(shí)，連接管5與連接架7緊密貼合，放松時(shí)，連接管5與連接架7分離。按照一般設(shè)計(jì)，機(jī)械臂內(nèi)的滑輪按功能分3種關(guān)節(jié)滑輪，定位滑輪和導(dǎo)向滑輪。關(guān)節(jié)滑輪可由驅(qū)動(dòng)鋼絲帶動(dòng)，在機(jī)械臂內(nèi)部各關(guān)節(jié)軸線位置安裝的銷(xiāo)釘上轉(zhuǎn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；連接臂上的關(guān)節(jié)滑輪與連接臂一體，尖端機(jī)械手上的關(guān)節(jié)滑輪與尖端機(jī)械手一體，刀頭上的兩個(gè)關(guān)節(jié)滑輪并排且與刀頭的兩片分別成一體；定位滑輪用于驅(qū)動(dòng)鋼絲的限位和定向，安裝在關(guān)節(jié)軸線位置的銷(xiāo)釘上，分布在關(guān)節(jié)滑輪的兩側(cè)，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；導(dǎo)向滑輪也用于驅(qū)動(dòng)鋼絲的限位和定向，安裝在非關(guān)節(jié)位置的銷(xiāo)釘上；連接架靠近連接臂關(guān)節(jié)的 位置裝有附加的導(dǎo)向滑輪；除了附加的導(dǎo)向滑輪和關(guān)節(jié)滑輪，其余的滑輪均成對(duì)使用，分布在手臂的兩側(cè)，避免所述驅(qū)動(dòng)鋼絲互相交叉。每個(gè)滑輪只對(duì)應(yīng)一根驅(qū)動(dòng)鋼絲，每根所述驅(qū)動(dòng)鋼絲只對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)滑輪，但會(huì)經(jīng)過(guò)0-2對(duì)所述定位滑輪和多個(gè)導(dǎo)向滑輪；驅(qū)動(dòng)鋼絲在所述手臂內(nèi)部走向的關(guān)鍵在于，走向所形成的軌跡，在每個(gè)其在所述手臂內(nèi)經(jīng)過(guò)的滑輪處，都能將該滑輪完全包絡(luò)在內(nèi)；這樣可以防止驅(qū)動(dòng)鋼絲從滑輪中松脫，并避免在牽引時(shí)驅(qū)動(dòng)鋼絲長(zhǎng)度發(fā)生變化，確保驅(qū)動(dòng)動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可靠性。如圖2所示，具體的，所述機(jī)械臂6包含連接架7、連接臂11、連接臂22、尖端機(jī)械手13和尖纟而機(jī)械手20 ;銷(xiāo)釘8、銷(xiāo)釘9、銷(xiāo)釘23、銷(xiāo)釘24和銷(xiāo)釘25裝在連接臂7內(nèi)；連接臂11內(nèi)裝有銷(xiāo)釘10、銷(xiāo)釘12和銷(xiāo)釘18 ;尖端機(jī)械手13內(nèi)裝有銷(xiāo)釘14、銷(xiāo)釘17、銷(xiāo)釘15和刀頭16 ;連接臂22內(nèi)裝有銷(xiāo)釘26、銷(xiāo)釘27和銷(xiāo)釘28 ;尖端機(jī)械手20內(nèi)裝有銷(xiāo)釘21、銷(xiāo)釘29、銷(xiāo)釘30和刀頭19 ;刀頭16和刀頭19結(jié)構(gòu)相同，與剪刀類似，都分為兩片；刀頭16和刀頭19的末端有小孔，用于安裝調(diào)節(jié)鋼絲；銷(xiāo)釘8上裝有3個(gè)附加的導(dǎo)向滑輪，銷(xiāo)釘23和銷(xiāo)釘24上各有8個(gè)導(dǎo)向滑輪；銷(xiāo)釘9、12、15、25、28、30均為關(guān)節(jié)，其中銷(xiāo)釘9連接連接架7和連接臂11，銷(xiāo)釘12連接連接臂11和尖機(jī)械手13，銷(xiāo)釘15連接尖知機(jī)械手13和刀頭16，銷(xiāo)釘25連接連接架7和連接臂22，銷(xiāo)釘28連接連接臂22和尖端機(jī)械手20，銷(xiāo)釘30連接尖端機(jī)械手20和刀頭19 ;銷(xiāo)釘9處有一個(gè)關(guān)節(jié)滑輪固連連接臂11，另有6個(gè)定位滑輪均布在該關(guān)節(jié)滑輪兩側(cè)；銷(xiāo)釘12處的關(guān)節(jié)滑輪固連尖端機(jī)械手13，另有4個(gè)定位滑輪均布在該關(guān)節(jié)滑輪兩側(cè)；銷(xiāo)釘15處有兩個(gè)關(guān)節(jié)滑輪分別固連刀頭16的兩片；銷(xiāo)釘25處有一個(gè)關(guān)節(jié)滑輪固連連接臂22，另有6個(gè)定位滑輪均布在該關(guān)節(jié)滑輪兩側(cè)；銷(xiāo)釘28處有一個(gè)關(guān)節(jié)滑輪固連尖端機(jī)械手20，另有4個(gè)定位滑輪均布在此關(guān)節(jié)滑輪兩側(cè)；銷(xiāo)釘30處有兩個(gè)關(guān)節(jié)滑輪固連刀頭19的兩片；每個(gè)滑輪只對(duì)應(yīng)一根驅(qū)動(dòng)鋼絲。本實(shí)施例中由連接臂11、尖％5機(jī)械手13、刀頭16組成的手臂和由連接臂22、尖立而機(jī)械手20、刀頭19組成的手臂結(jié)構(gòu)是一樣的，滑輪的配置和驅(qū)動(dòng)鋼絲的布置也相同。以由連接臂11、尖％5機(jī)械手13、刀頭16組成的手臂為例驅(qū)動(dòng)連接臂11轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)鋼絲布置為電機(jī)箱2-連接管3-連接管5-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘23上導(dǎo)向滑輪之一-連接臂11關(guān)節(jié)滑輪-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘8上附加的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘23上的導(dǎo)向滑輪之一-連接管5-連接管3-電機(jī)箱2 ；驅(qū)動(dòng)尖端機(jī)械手13的鋼絲走向電機(jī)箱2-連接管3-連接管5-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘23上的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘9上的定位滑輪之一-連接臂11內(nèi)銷(xiāo)釘18上的導(dǎo)向滑輪之一-尖端機(jī)械手13關(guān)節(jié)滑輪-連接臂11內(nèi)銷(xiāo)釘10上的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘9上的定位滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘8上附加的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘23上的導(dǎo)向滑輪之一-連接管5-連接管3-電機(jī)箱2 ；驅(qū)動(dòng)刀頭16的其中一片的驅(qū)動(dòng)鋼絲布置為電機(jī)箱2-連接管3-連接管5-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘23上的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘9上的定位滑輪之一-連接臂11內(nèi)銷(xiāo)釘18上的導(dǎo)向滑輪之一-連接臂11內(nèi)銷(xiāo)釘12上的定位滑輪之一-尖端機(jī)械手13內(nèi)銷(xiāo)釘17上的導(dǎo)向滑輪之一-刀頭16關(guān)節(jié)滑輪之一-尖端機(jī)械手13內(nèi)銷(xiāo)釘14上的導(dǎo)向滑輪之一-連接臂11內(nèi)銷(xiāo)釘12上的定位滑輪之一-連接臂11內(nèi)銷(xiāo)釘10上的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘9上的定位滑輪之一-連接架7內(nèi)銷(xiāo)釘8上附加的導(dǎo)向滑輪之一-連接架7 內(nèi)銷(xiāo)釘23上的導(dǎo)向滑輪之一-連接管5-連接管3-電機(jī)箱2 ；驅(qū)動(dòng)刀頭16的另一片的驅(qū)動(dòng)鋼絲布置方案與前者相似。兩條手臂驅(qū)動(dòng)鋼絲的布置情況相同。在驅(qū)動(dòng)鋼絲的布置中，需要盡量避免同一側(cè)的不同驅(qū)動(dòng)鋼絲之間發(fā)生交叉，并且確保每根驅(qū)動(dòng)鋼絲布置所成的回路沿銷(xiāo)釘軸線方向的投影軌跡，在其所經(jīng)過(guò)的每一個(gè)滑輪處，都能將該處的滑輪完整包絡(luò)在內(nèi)(即包絡(luò)角度為360° )，以防止驅(qū)動(dòng)鋼絲從滑輪中松脫，并避免在牽引時(shí)驅(qū)動(dòng)鋼絲長(zhǎng)度發(fā)生變化，保證驅(qū)動(dòng)動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。在手術(shù)準(zhǔn)備階段，需要將機(jī)械臂6通過(guò)腹腔切口放入腹腔。首先調(diào)節(jié)連接管5和連接管3之間的螺紋，縮短整條連接管，放松驅(qū)動(dòng)鋼絲，隨后用銷(xiāo)固定連接管5和連接管3，防止連接管總長(zhǎng)度再發(fā)生變化；調(diào)整連接管5上的手柄4，放松3根連接鋼絲，使機(jī)械臂6內(nèi)的連接架7與連接管5分離；通過(guò)連在刀頭16 (或者刀頭19)上的調(diào)節(jié)鋼絲調(diào)整機(jī)械臂6的位姿，使之變?yōu)樨Q直狀態(tài)，并使刀頭19 (或者刀頭16)對(duì)準(zhǔn)腹腔切口，將機(jī)械臂6放入人體氣腹中；然后調(diào)整連接管5上的手柄4，拉緊連接鋼絲，使機(jī)械臂6上的連接架7與連接管5緊密連接；拔出連接管3與連接管5之間的定位銷(xiāo)，調(diào)節(jié)兩者間的螺紋咬合長(zhǎng)度，使得整根連接管長(zhǎng)度增加，將驅(qū)動(dòng)鋼絲繃緊，再插入定位銷(xiāo)，使連接管3與連接管5相對(duì)位置固定，完成手術(shù)準(zhǔn)備工作。在手術(shù)中，主要手術(shù)動(dòng)作由電機(jī)箱2通過(guò)8根驅(qū)動(dòng)鋼絲帶動(dòng)機(jī)械臂6執(zhí)行，在必要時(shí)，也需要調(diào)動(dòng)四自由度機(jī)器人I的自由度來(lái)配合；驅(qū)動(dòng)鋼絲由電機(jī)箱2中的多臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)分布在機(jī)械臂6內(nèi)的滑輪，將運(yùn)動(dòng)傳遞給機(jī)械臂6的各個(gè)關(guān)節(jié)；每一個(gè)關(guān)節(jié)都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)而不受其它關(guān)節(jié)動(dòng)作的影響；刀頭16和刀頭19即為末端執(zhí)行器，用以作夾持、剪斷等手術(shù)動(dòng)作。手術(shù)后，需要將機(jī)械臂6經(jīng)腹腔切口取出先將連接管3與連接管5中的銷(xiāo)取出，調(diào)節(jié)連接管3和連接管5之間螺紋咬合長(zhǎng)度，縮短整根連接管，放松驅(qū)動(dòng)鋼絲，再使用銷(xiāo)定位；調(diào)整連接管5上的手柄4，放松連接鋼絲，將機(jī)械臂6與連接管5分離，同時(shí)通過(guò)連接在刀頭16或19的調(diào)位鋼絲調(diào)整機(jī)械臂6的位姿，使其中一個(gè)刀頭末端對(duì)準(zhǔn)腹腔切口而整個(gè)機(jī)械臂6成豎直狀，然后沿切口取出整條機(jī)械臂6，操作結(jié)束。本發(fā)明針對(duì)腹腔手術(shù)設(shè)計(jì)，如膽胰手術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)單創(chuàng)口，且創(chuàng)口直徑為10 20_，滿足手術(shù)微創(chuàng)性要求。高自由度的雙臂協(xié)作，并可輔以微型照明及攝像設(shè)備全程監(jiān)控，使得手術(shù)操作靈活精確、直觀且安全。此外，該機(jī)器人手臂具有足夠的強(qiáng)度，保證其在手術(shù)中的可靠性。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，由機(jī)械臂和動(dòng)力部分組成，其特征是所述機(jī)械臂包含一個(gè)連接架和結(jié)構(gòu)相同的兩條手臂，每條所述手臂包含一條連接臂和一個(gè)尖端機(jī)械手，所述尖端機(jī)械手末端裝有刀頭，所述兩個(gè)尖端機(jī)械手分別可拆卸地安裝在所述兩條連接臂末端，而所述兩條連接臂分別安裝在所述連接架的兩側(cè)，所述連接架通過(guò)連接管與所述動(dòng)力部分可拆卸連接；所述機(jī)械臂內(nèi)部通過(guò)滑輪設(shè)有多根連接鋼絲、多根驅(qū)動(dòng)鋼絲以及多根調(diào)位鋼絲，這些鋼絲連接至所述動(dòng)力部分，其中所述驅(qū)動(dòng)鋼絲用以傳遞來(lái)自所述動(dòng)力部分的驅(qū)動(dòng)力，所述連接鋼絲用以使所述機(jī)械臂與所述動(dòng)力部分緊密連接，所述調(diào)位鋼絲用于手術(shù)前后調(diào)整所述機(jī)械臂的姿態(tài)；所述機(jī)械臂內(nèi)部的鋼絲經(jīng)過(guò)連接管內(nèi)部連接所述動(dòng)力部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述機(jī)械臂內(nèi)部的鋼絲一共有13根，其中3根為連接鋼絲，8根為驅(qū)動(dòng)鋼絲，2根為調(diào)位鋼絲；2根調(diào)位鋼絲經(jīng)過(guò)連接管后直接分別與2個(gè)尖端機(jī)械手上的刀頭相連，3根連接鋼絲將連接管和機(jī)械臂連接架連接在一起；整個(gè)所述機(jī)械臂各個(gè)自由度由與所述動(dòng)力部分相連的驅(qū)動(dòng)鋼絲進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各驅(qū)動(dòng)鋼絲通過(guò)帶動(dòng)所述機(jī)械臂內(nèi)部各關(guān)節(jié)處的滑輪實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述兩條手臂的驅(qū)動(dòng)鋼絲布置情況相同，每條手臂各有4根驅(qū)動(dòng)鋼絲帶動(dòng)，具體為2根驅(qū)動(dòng)鋼絲用于帶動(dòng)所述尖端機(jī)械手末端刀具的動(dòng)作，I根驅(qū)動(dòng)鋼絲用于帶動(dòng)所述尖端機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，另I根用于帶動(dòng)所述連接臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述連接管分為兩個(gè)部分，與機(jī)械臂相連的第一部分的末端與機(jī)械臂通過(guò)連接鋼絲相連，另一端通過(guò)螺紋連接第二部分，第二部分與所述動(dòng)力部分相連，所述第一部分和所述第二部分通過(guò)螺紋聯(lián)接，通過(guò)調(diào)節(jié)所述的兩部分之間螺紋咬合的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)連接管整體長(zhǎng)度的伸縮，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鋼絲的放松與拉緊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述連接管的第二部分末端帶內(nèi)螺紋，第一部分的基端帶外螺紋，第二部分的螺紋段有至少2個(gè)銷(xiāo)孔，且沿連接管的軸向分布；第一部分的螺紋段有一銷(xiāo)孔；將連接管的兩個(gè)部分的螺紋咬合長(zhǎng)度調(diào)小，使得兩部分的銷(xiāo)孔重合，此時(shí)連接管總體長(zhǎng)度較大，驅(qū)動(dòng)鋼絲為張緊狀態(tài)；將連接管的兩個(gè)部分的螺紋咬合長(zhǎng)度調(diào)大，兩部分的銷(xiāo)孔重合時(shí)，連接管整體長(zhǎng)度較小，驅(qū)動(dòng)鋼絲為放松狀態(tài)，在銷(xiāo)孔有重合時(shí)插入定位銷(xiāo)，避免連接管的兩部分之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述與機(jī)械臂相連的第一部分裝有手柄，所述手柄在所述連接管第一部分內(nèi)部的部分帶有絞盤(pán)，所述連接鋼絲纏在所述絞盤(pán)上并伸出所述第一部分后連在所述連接架上，該手柄用于調(diào)整連接鋼絲的松緊，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和連接管的脫開(kāi)與緊固。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述連接架底部開(kāi)有攝像孔，用于安裝和弓I導(dǎo)攝像及照明設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是整個(gè)所述機(jī)械臂橫截面在直徑為10 20mm的正圓范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征是所述動(dòng)カ部分為ー個(gè)電機(jī)箱，內(nèi)部裝有與驅(qū)動(dòng)鋼絲個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的電機(jī)及鋼絲盒，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)鋼絲的獨(dú)立動(dòng)作。
10.ー種包含權(quán)利要求1所述操作機(jī)構(gòu)的多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，其特征是所述機(jī)器人包括操作機(jī)構(gòu)，所述操作機(jī)構(gòu)安裝在ー個(gè)具有4個(gè)自由度的機(jī)器人上，每個(gè)所述尖端機(jī)械手具有兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)自由度；所述連接臂相對(duì)所述連接架具有ー個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，方向與所述尖端機(jī)械手的ー個(gè)自由度方向相同，從而使姆個(gè)尖端機(jī)械手總共有7個(gè)自由度，保證其在指定工作空間范圍內(nèi)任意姿態(tài)可達(dá)且兩個(gè)尖端機(jī)械手能夠進(jìn)行協(xié)同エ作。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多關(guān)節(jié)單創(chuàng)口腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人及其操作機(jī)構(gòu)，由機(jī)械臂和動(dòng)力部分組成，所述機(jī)械臂包含一個(gè)連接架和結(jié)構(gòu)相同的兩條手臂，每條所述手臂包含一條連接臂和一個(gè)尖端機(jī)械手，所述尖端機(jī)械手末端裝有刀頭，所述兩個(gè)尖端機(jī)械手分別可拆卸地安裝在所述兩條連接臂末端，而所述兩條連接臂分別安裝在所述連接架的兩側(cè)，所述連接架通過(guò)連接管與所述動(dòng)力部分可拆卸連接。所述操作機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)具有4個(gè)自由度的機(jī)器人上。本發(fā)明針對(duì)腹腔手術(shù)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)單創(chuàng)口，且創(chuàng)口直徑為10～20mm，滿足手術(shù)微創(chuàng)性要求。此外，具有足夠的強(qiáng)度，保證其在手術(shù)中的精確性、靈活性、穩(wěn)定性和安全性。
文檔編號(hào)A61B19/00GK103006329SQ20121051044
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者周航飛, 蔡雄風(fēng), 湯智誠(chéng), 翟嘉心, 付莊, 閆維新, 趙言正, 費(fèi)健 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)