具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了具有自適應(yīng)能力的機(jī)器人操作臂，它包括被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)和主動(dòng)結(jié)構(gòu)，主動(dòng)結(jié)構(gòu)包括多條主動(dòng)臂，每條主動(dòng)臂包括主動(dòng)支架，主動(dòng)支架通過(guò)均布在弧形偏轉(zhuǎn)架上的主被動(dòng)連接軸固定在弧形偏轉(zhuǎn)架下方，每條主動(dòng)臂均包括主動(dòng)關(guān)節(jié)I，主動(dòng)關(guān)節(jié)I由主動(dòng)支架與關(guān)節(jié)連接座旋轉(zhuǎn)相連組成；關(guān)節(jié)連接座與連桿I旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)II，連桿I與連桿回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)III。本操作臂可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人主動(dòng)結(jié)構(gòu)初始位姿的快速靈活調(diào)整，減少主動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)尺寸，降低運(yùn)動(dòng)慣量。
【專利說(shuō)明】
具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人操作臂，特別涉及一種可實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)、多位姿調(diào)整功能的胸腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作臂。
【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)外科被譽(yù)為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)θ祟愇拿鞯闹匾暙I(xiàn)之一，微創(chuàng)手術(shù)是指利用胸腔鏡、腹腔鏡等現(xiàn)代化的醫(yī)療設(shè)備及配套器械開(kāi)展的一類手術(shù)操作。與傳統(tǒng)開(kāi)口手術(shù)相比，微創(chuàng)手術(shù)具有手術(shù)切口小、出血量少、術(shù)后疤痕小、恢復(fù)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，這使得病人遭受的痛楚大為減少，也有助于降低病人的整體手術(shù)花費(fèi)，因此，近些年微創(chuàng)外科被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于臨床手術(shù)中。然而，微創(chuàng)手術(shù)為病人帶來(lái)諸多利益的同時(shí)，卻對(duì)醫(yī)生的操作帶來(lái)一系列的困難，如:I)體表切口約束了工具的自由度，降低了其靈活性。2)醫(yī)生操作方向與所期望的方向相反，協(xié)調(diào)性差。醫(yī)生必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練才能開(kāi)展微創(chuàng)手術(shù)操作，且長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)過(guò)程中的疲勞、顫抖等干擾動(dòng)作會(huì)被放大，這成為制約微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，能夠有效克服上述缺點(diǎn)的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。
[0003]在機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)過(guò)程中，復(fù)雜的手術(shù)環(huán)境和操作任務(wù)要求機(jī)器人具有靈活的位姿調(diào)整能力和大范圍的運(yùn)動(dòng)特性，而機(jī)器人的靈活性一方面依賴于手術(shù)工具的靈活性，另一方面則依賴于用以支撐手術(shù)工具的操作臂的運(yùn)動(dòng)性能。目前，能夠在臨床上使用的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)只有美國(guó)da Vinci系統(tǒng)和Zeus系統(tǒng)，但它們都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴等方面的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人研究方面尚處于起步階段，所研發(fā)出的機(jī)器人系統(tǒng)多因靈活性、穩(wěn)定性等問(wèn)題而不能用于臨床手術(shù)。因此，開(kāi)發(fā)一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，特別是研發(fā)出高效可靠的機(jī)器人操作臂裝置對(duì)填補(bǔ)我國(guó)在該領(lǐng)域的空白有著非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種具有多位姿調(diào)整功能、大范圍運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而可以簡(jiǎn)化被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛性的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]具有自適應(yīng)能力的機(jī)器人操作臂，它包括被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)和主動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)包括本體基座，沿水平方向設(shè)置的支撐橫梁的后端通過(guò)升降機(jī)構(gòu)與本體基座相連并且在升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下能夠沿豎直方向在本體基座上上下滑移實(shí)現(xiàn)所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的升降自由度，在所述的支撐橫梁的前端旋轉(zhuǎn)的連接有弧形偏轉(zhuǎn)架以使兩者組成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個(gè)抱閘固定安裝在支撐橫梁上，所述的抱閘的轉(zhuǎn)軸與弧形偏轉(zhuǎn)架固定相連，所述的抱閘通過(guò)控制線與電源按鈕相連，弧形偏轉(zhuǎn)架相對(duì)于支撐橫梁能夠在正、負(fù)90度范圍內(nèi)進(jìn)行任意角度偏轉(zhuǎn)并且固定在調(diào)整后的位置以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)自由度;所述的主動(dòng)結(jié)構(gòu)包括多條主動(dòng)臂，每條所述的主動(dòng)臂包括沿水平方向設(shè)置的主動(dòng)支架，所述的主動(dòng)支架通過(guò)均布在弧形偏轉(zhuǎn)架上的主被動(dòng)連接軸固定在弧形偏轉(zhuǎn)架下方，所述的主被動(dòng)連接軸與主動(dòng)支架固定相連，每條主動(dòng)臂均包括主動(dòng)關(guān)節(jié)I，所述的主動(dòng)關(guān)節(jié)I由主動(dòng)支架與關(guān)節(jié)連接座旋轉(zhuǎn)相連組成，所述的關(guān)節(jié)連接座與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I的旋轉(zhuǎn)輸出端相連并且能夠在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I的驅(qū)動(dòng)下做回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)關(guān)節(jié)I的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所述的關(guān)節(jié)連接座的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于本體基座上下滑移方向；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III固定安裝在關(guān)節(jié)連接座上，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III的旋轉(zhuǎn)輸出端的軸線平行設(shè)置，在所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
II的旋轉(zhuǎn)輸出端上固定有關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸，在所述的關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸上旋轉(zhuǎn)的套裝有導(dǎo)向輪，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III的旋轉(zhuǎn)輸出端與驅(qū)動(dòng)輸出軸固定相連，連桿I的一端與關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸的法蘭盤固定相連，所述的連桿I的另一端與關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)相連，連桿回轉(zhuǎn)座與所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸固定相連，所述的關(guān)節(jié)連接座與連桿I旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)II，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II能夠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸帶動(dòng)連桿I相對(duì)主動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的連桿I與連桿回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)III，鋼絲1、鋼絲II的一端分別纏繞并固定在所述的驅(qū)動(dòng)輸出軸上，另一端經(jīng)導(dǎo)向輪導(dǎo)向后纏繞并固定在所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸上，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III能夠通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出軸帶動(dòng)鋼絲1、鋼絲II轉(zhuǎn)動(dòng)以使關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸和連桿回轉(zhuǎn)座繞連桿回轉(zhuǎn)座的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)軸線與關(guān)節(jié)II的旋轉(zhuǎn)軸線平行設(shè)置;連桿II的首端通過(guò)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸與連桿回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)相連組成自適應(yīng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的軸線與關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸的軸線垂直，所述的連桿II末端與快換連接軸旋轉(zhuǎn)的相連組成自適應(yīng)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，快換裝置與所述的快換連接軸固定相連，所述的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)軸線與快換連接軸的旋轉(zhuǎn)軸線垂直并相交在一點(diǎn)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂有以下有益效果:
[0008]1.本發(fā)明的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂包含兩自由度的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人主動(dòng)結(jié)構(gòu)初始位姿的快速靈活調(diào)整。
[0009]2.本發(fā)明的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的多條主動(dòng)臂安裝在被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的同一支撐平臺(tái)上，有利于降低機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
[0010]3.本發(fā)明的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂末端采用雙被動(dòng)自適應(yīng)關(guān)節(jié)，可提尚手術(shù)工具對(duì)切口約束的自適應(yīng)能力，提尚機(jī)器人安全性。
[0011]4.本發(fā)明的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂引入絲傳動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的后置布局，減少主動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)尺寸，降低運(yùn)動(dòng)慣量。
[0012]5.本發(fā)明的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂面向胸腹腔鏡領(lǐng)域的微創(chuàng)手術(shù)，可滿足不同醫(yī)院醫(yī)療條件的需求，具有向其它醫(yī)療領(lǐng)域擴(kuò)展的潛力。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂關(guān)節(jié)I示意圖；
[0017]圖5為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂關(guān)節(jié)I1、III示意圖；
[0018]圖6為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂自適應(yīng)關(guān)節(jié)示意圖；
[0019]圖7-1、7-2、7-3分別為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的臨床應(yīng)用示意圖；
[0020]其中:
[0021]1-被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)2-主動(dòng)臂3-快換裝置4-手術(shù)工具5-內(nèi)窺鏡
[0022]6-主動(dòng)結(jié)構(gòu)
[0023]1-1-本體基座卜2-升降底座支撐橫梁卜4_弧形偏轉(zhuǎn)架
[0024]1-5-主被動(dòng)連接軸
[0025]2-1-主動(dòng)支架2-2-關(guān)節(jié)連接座2-3-連桿I 2_4_連桿回轉(zhuǎn)座
[0026]2-5-連桿II 2-6-快換連接軸
[0027]101-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I 102-關(guān)節(jié)I定位軸
[0028]201-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II 202-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III 203-關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸204-導(dǎo)向輪
[0029]205-驅(qū)動(dòng)輸出軸206-關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸207-鋼絲I 208-鋼絲II
[0030]209-被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸
[0031]301-病患302-手術(shù)床
[0032]rl-關(guān)節(jié)I轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r2-關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r3_關(guān)節(jié)III轉(zhuǎn)動(dòng)自由度
[0033]s4_自適應(yīng)回轉(zhuǎn)自由度s5_自適應(yīng)擺動(dòng)自由度
[0034]Rl-升降自由度R2-偏轉(zhuǎn)自由度
[0035]P-微創(chuàng)切口點(diǎn)T-自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線交叉點(diǎn)
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0037]如附圖所示的具有自適應(yīng)能力的機(jī)器人操作臂，它包括被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I和主動(dòng)結(jié)構(gòu)6，所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I包括本體基座1-1，沿水平方向設(shè)置的支撐橫梁1-3的后端通過(guò)升降機(jī)構(gòu)與本體基座1-1相連并且在升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下能夠沿豎直方向在本體基座1-1上上下滑移實(shí)現(xiàn)所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I的升降自由度Rl，在所述的支撐橫梁1-3的前端旋轉(zhuǎn)的連接有弧形偏轉(zhuǎn)架1-4以使兩者組成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個(gè)抱閘固定安裝在支撐橫梁1-3上，所述的抱閘的轉(zhuǎn)軸與弧形偏轉(zhuǎn)架固定相連。所述的抱閘通過(guò)控制線與電源按鈕相連，弧形偏轉(zhuǎn)架相對(duì)于支撐橫梁能夠在正、負(fù)90度范圍內(nèi)進(jìn)行任意角度偏轉(zhuǎn)并且固定在調(diào)整后的位置以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I的偏轉(zhuǎn)自由度R2，具體調(diào)整過(guò)程為:當(dāng)按下按鈕時(shí)，抱閘轉(zhuǎn)軸通電松開(kāi)，可手動(dòng)調(diào)整弧形偏轉(zhuǎn)架相對(duì)于支撐橫梁完成正、負(fù)90度范圍內(nèi)的任意角度偏轉(zhuǎn)，隨后松開(kāi)按鈕，抱閘轉(zhuǎn)軸斷電鎖死，弧形偏轉(zhuǎn)架固定在調(diào)整后的位置。從而實(shí)現(xiàn)所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I的偏轉(zhuǎn)自由度R2。
[0038]為便于實(shí)現(xiàn)所述的支撐橫梁1-3相對(duì)于本體基座的拆卸與組裝，所述的支撐橫梁1-3的后端固定有升降底座1-2，所述的升降底座1-2與升降機(jī)構(gòu)相連。
[0039]所述的升降機(jī)構(gòu)包括豎直安裝在本體基座1-1內(nèi)部的滾珠絲杠副，所述的滾珠絲杠副的絲杠底端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述的升降底座1-2與所述的滾珠絲杠副中的螺母固定相連。導(dǎo)向用的沿豎直方向設(shè)置的導(dǎo)桿穿過(guò)所述的螺母并且兩者間隙配合，通過(guò)控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)螺母沿絲杠的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所述的升降底座1-2的升降運(yùn)動(dòng)。
[0040]所述的主動(dòng)結(jié)構(gòu)6可以包括多條主動(dòng)臂2，每條所述的主動(dòng)臂2包括沿水平方向設(shè)置的主動(dòng)支架2-1，所述的主動(dòng)支架2-1通過(guò)均布在弧形偏轉(zhuǎn)架1-4上的主被動(dòng)連接軸1-5固定在弧形偏轉(zhuǎn)架1-4下方，從而使所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I通過(guò)弧形偏轉(zhuǎn)架1-4可同時(shí)對(duì)多條主動(dòng)臂2起到支撐與調(diào)整作用。所述的主被動(dòng)連接軸1-5與主動(dòng)支架2-1固定相連，在所述的機(jī)器人主動(dòng)結(jié)構(gòu)6的常規(guī)布局中，位于兩側(cè)的主動(dòng)臂2可以用以安裝手術(shù)工具4，中間的主動(dòng)臂2可以用以?shī)A持內(nèi)窺鏡裝置5，但所述的主動(dòng)結(jié)構(gòu)6并不局限于常規(guī)布局。
[0041]每條主動(dòng)臂2均包括主動(dòng)關(guān)節(jié)I，所述的主動(dòng)關(guān)節(jié)I由主動(dòng)支架2-1與關(guān)節(jié)連接座2-2旋轉(zhuǎn)相連組成，所述的關(guān)節(jié)連接座2-2與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IlOl的旋轉(zhuǎn)輸出端相連并且能夠在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1101的驅(qū)動(dòng)下做回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)I的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r I，所述的關(guān)節(jié)連接座2-2的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于本體基座1-1上下滑移方向。
[0042]作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IlOl為電機(jī)，所述的關(guān)節(jié)連接座2-2的上側(cè)通過(guò)關(guān)節(jié)I定位軸102與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IlOl的輸出軸固定相連，所述的關(guān)節(jié)連接座2-2下側(cè)通過(guò)軸承與所述的主動(dòng)支架2-1旋轉(zhuǎn)的相連，所述的電機(jī)直接帶動(dòng)關(guān)節(jié)連接座2-2相對(duì)主動(dòng)支架2-1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述的主動(dòng)臂2的關(guān)節(jié)I的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度rl。
[0043]驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II201和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III202固定安裝在關(guān)節(jié)連接座2-2上，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II201和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III202的旋轉(zhuǎn)輸出端的軸線平行設(shè)置，在所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II201的旋轉(zhuǎn)輸出端上固定有關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸203，在所述的關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸203上旋轉(zhuǎn)的套裝有導(dǎo)向輪204，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III202的旋轉(zhuǎn)輸出端與驅(qū)動(dòng)輸出軸205固定相連，連桿12-3的一端與關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸203的法蘭盤固定相連，所述的連桿12-3的另一端與關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206旋轉(zhuǎn)相連，連桿回轉(zhuǎn)座2-4與所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206固定相連。所述的關(guān)節(jié)連接座2-2與連桿12-3旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)II，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II201輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II201驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸203帶動(dòng)連桿12-3相對(duì)主動(dòng)支架2-1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的關(guān)節(jié)II的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r2。所述的連桿12-3與連桿回轉(zhuǎn)座2-4旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)II I，鋼絲1207、II208的一端分別纏繞并固定在所述的驅(qū)動(dòng)輸出軸205上，另一端經(jīng)導(dǎo)向輪204導(dǎo)向后纏繞并固定在所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206上。所述的鋼絲1207、11208實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)III的閉環(huán)鋼絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II120 2輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II120 2通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出軸205帶動(dòng)閉環(huán)鋼絲1207、II208轉(zhuǎn)動(dòng)以使關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206和連桿回轉(zhuǎn)座2-4繞連桿回轉(zhuǎn)座2-4的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的關(guān)節(jié)III的旋轉(zhuǎn)自由度r3。所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206的旋轉(zhuǎn)軸線與關(guān)節(jié)II的旋轉(zhuǎn)軸線平行設(shè)置。
[0044]連桿II2-5的首端通過(guò)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸209與連桿回轉(zhuǎn)座2-4旋轉(zhuǎn)相連組成自適應(yīng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的自適應(yīng)回轉(zhuǎn)自由度s4，所述的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸209的軸線與關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206的軸線垂直。所述的連桿II2-5末端與快換連接軸2-6旋轉(zhuǎn)的相連組成自適應(yīng)擺動(dòng)關(guān)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的自適應(yīng)擺動(dòng)自由度s5。如圖1和圖6所示，快換裝置3與所述的快換連接軸2-6通過(guò)螺釘固定相連，所述的快換裝置3用于與手術(shù)工具4和內(nèi)窺鏡5相連，所述的快換裝置3可以采用CN200910305201.1公開(kāi)的已有結(jié)構(gòu)，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸209的旋轉(zhuǎn)軸線與快換連接軸2-6的旋轉(zhuǎn)軸線垂直并相交在一點(diǎn)T(自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線交叉點(diǎn))即末端兩被動(dòng)自適應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線垂直并相交在點(diǎn)Τ，該點(diǎn)即為手術(shù)工具4的工具桿和內(nèi)窺鏡5的內(nèi)窺鏡桿的經(jīng)過(guò)點(diǎn)，即當(dāng)手術(shù)工具4和內(nèi)窺鏡5裝入所述的快換裝置3后，工具桿和內(nèi)窺鏡桿均正好穿過(guò)點(diǎn)Τ。
[0045]作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述的主動(dòng)臂為3條，其中位于兩側(cè)的主動(dòng)臂的快換裝置用以安裝手術(shù)工具，中間的主動(dòng)臂的快換裝置用以?shī)A持內(nèi)窺鏡裝置，手術(shù)工具的工具桿和內(nèi)窺鏡的內(nèi)窺鏡桿經(jīng)過(guò)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)軸線與快換連接軸的旋轉(zhuǎn)軸線的相交點(diǎn)。
[0046]下面再結(jié)合每一附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明:
[0047]圖1為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的整體結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)器人操作臂可以包括被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I和主動(dòng)結(jié)構(gòu)6。在術(shù)前，為快速靈活的調(diào)整機(jī)器人主動(dòng)臂2的初始位姿，所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I具有升降自由度Rl和偏轉(zhuǎn)自由度R2。主動(dòng)結(jié)構(gòu)6包括主動(dòng)臂
2、快換裝置3、手術(shù)工具4、內(nèi)窺鏡裝置5。在所述的機(jī)器人主動(dòng)結(jié)構(gòu)6的常規(guī)布局中，位于兩側(cè)的主動(dòng)臂2可以用以安裝手術(shù)工具4，中間的主動(dòng)臂2可以用以?shī)A持圖像系統(tǒng)5，但所述的主動(dòng)結(jié)構(gòu)6的主動(dòng)臂2數(shù)量與布置順序均不局限于常規(guī)布局。
[0048]圖2為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖。操作臂的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I可以包括本體基座1-1、升降機(jī)構(gòu)、支撐橫梁1-3、弧形偏轉(zhuǎn)架1-4、主被動(dòng)連接軸1-5。為便于實(shí)現(xiàn)所述的支撐橫梁1-3相對(duì)于本體基座1-1的拆卸與組裝，所述的支撐橫梁1-3的后端固定有升降底座1-2所述的升降機(jī)構(gòu)包括安裝在本體基座1-1內(nèi)部的滾珠絲杠，所述的絲杠副的絲杠底端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述的升降底座1-2與所述的滾珠絲杠副中的螺母固定相連，導(dǎo)向用的沿豎直方向設(shè)置的導(dǎo)桿穿過(guò)所述的螺母并且兩者間隙配合，通過(guò)控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)螺母沿絲杠的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所述的升降底座1-2的升降自由度R1。所述的支撐橫梁1-3的前端與弧形偏轉(zhuǎn)架1-4旋轉(zhuǎn)的相連，在所述的支撐橫梁1-3與所述的弧形偏轉(zhuǎn)架1-4之間加裝有抱閘，所述的抱閘通過(guò)控制線與電源按鈕連通，當(dāng)按下按鈕時(shí)，抱閘轉(zhuǎn)軸通電松開(kāi)，可手動(dòng)調(diào)整弧形偏轉(zhuǎn)架1-4相對(duì)于支撐橫梁1-3完成正、負(fù)90度范圍內(nèi)的任意角度偏轉(zhuǎn)，隨后松開(kāi)按鈕，抱閘轉(zhuǎn)軸斷電鎖死，弧形偏轉(zhuǎn)架固定在調(diào)整后的位置。從而實(shí)現(xiàn)所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I的偏轉(zhuǎn)自由度R2。所述的主被動(dòng)連接軸1-5分別固定安裝在弧形偏轉(zhuǎn)架1-4上均布的三個(gè)軸孔中，主被動(dòng)連接軸1-5的底端與主動(dòng)臂2固定相連，從而使所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I通過(guò)弧形偏轉(zhuǎn)架1-4可同時(shí)對(duì)多條所述的主動(dòng)臂2起到支撐與調(diào)整作用。
[0049]圖3為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂整體結(jié)構(gòu)示意圖。操作臂的主動(dòng)臂2可以包括主動(dòng)支架2-1、關(guān)節(jié)連接座2-2、連桿12-3、連桿回轉(zhuǎn)座2-4、連桿112-5、快換連接軸2-6。所述的主動(dòng)臂2包含3個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度rl、r2、r3和兩個(gè)自適應(yīng)被動(dòng)關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)自由度s4、擺動(dòng)自由度s5。主動(dòng)支架2-1與關(guān)節(jié)連接座2-2旋轉(zhuǎn)相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)I，關(guān)節(jié)連接座2-2與連桿12-3旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)II，連桿12-3與連桿回轉(zhuǎn)座2-4旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)III，連桿回轉(zhuǎn)座2-4與連桿II2-5旋轉(zhuǎn)的相連并組成自適應(yīng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，連桿II2-5末端與快換連接軸2-6旋轉(zhuǎn)的相連并組成自適應(yīng)擺動(dòng)關(guān)節(jié)。當(dāng)三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩被動(dòng)自適應(yīng)關(guān)節(jié)受到手術(shù)工具桿的作用而產(chǎn)生隨動(dòng)，從而使機(jī)器人手術(shù)工具對(duì)微創(chuàng)切口 P具有自適應(yīng)能力。
[0050]圖4、5為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖4為主動(dòng)關(guān)節(jié)I示意圖，圖5為主動(dòng)關(guān)節(jié)I1、III示意圖。關(guān)節(jié)連接座2-2的上側(cè)通過(guò)關(guān)節(jié)I定位軸102與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IlOl的輸出軸固定相連，其下側(cè)與所述的主動(dòng)支架2-1旋轉(zhuǎn)的相連，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1101直接帶動(dòng)關(guān)節(jié)連接座2-2沿垂直軸線相對(duì)主動(dòng)支架2-1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述的主動(dòng)臂2的關(guān)節(jié)I轉(zhuǎn)動(dòng)自由度rl。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II201通過(guò)關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸203帶動(dòng)連桿12-3相對(duì)主動(dòng)支架2-1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述的主動(dòng)臂2的關(guān)機(jī)II轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r2，所述的鋼絲I207、II208實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)III的閉環(huán)絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，連桿回轉(zhuǎn)座2-4與所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206固定相連，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III202輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出軸205通過(guò)閉環(huán)鋼絲1207、11208帶動(dòng)關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸206和連桿回轉(zhuǎn)座2-4轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的關(guān)節(jié)III轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r3。
[0051]圖6為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的主動(dòng)臂自適應(yīng)關(guān)節(jié)示意圖。被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸209與連桿回轉(zhuǎn)座2-4旋轉(zhuǎn)的相連，連桿II2-5與所述的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸209固定相連，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的自適應(yīng)回轉(zhuǎn)自由度s4;快換連接軸2-6旋轉(zhuǎn)的安裝在連桿II2-5末端的軸孔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂2的自適應(yīng)擺動(dòng)自由度s5。末端兩被動(dòng)自適應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直并交于T點(diǎn)，該點(diǎn)即為手術(shù)工具桿的經(jīng)過(guò)點(diǎn)。
[0052]圖7-1、7-2、7_3為本發(fā)明具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂的臨床應(yīng)用示意圖。圖中三個(gè)場(chǎng)景所示意的為機(jī)器人操作臂在臨床應(yīng)用中的三種常規(guī)的位置布局形式，其中，圖7-1為開(kāi)展上腹部手術(shù)時(shí)的機(jī)器人操作臂位形示意，圖7-2為開(kāi)展下腹部手術(shù)時(shí)的機(jī)器人操作臂位形示意，圖7-3為機(jī)器人沿腹腔側(cè)向?qū)嵤┦中g(shù)時(shí)的位形示意。在實(shí)施手術(shù)前，將手術(shù)床推到所述的操作臂主動(dòng)結(jié)構(gòu)6的下方附近，按照手術(shù)類型和實(shí)用需求，運(yùn)動(dòng)所述的操作臂被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)I的升降自由度Rl和偏轉(zhuǎn)自由度R2，使所述的主動(dòng)結(jié)構(gòu)6調(diào)整至合適的初始位形，鎖住被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)I，裝入手術(shù)工具和圖像系統(tǒng)，隨后啟動(dòng)主動(dòng)結(jié)構(gòu)6即可執(zhí)行手術(shù)操作。
[0053]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，附圖中所示的只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)也并不局限于此。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，采用其它形式的傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)裝置以及連接方式不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂，其特征在于:它包括被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)和主動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)包括本體基座，沿水平方向設(shè)置的支撐橫梁的后端通過(guò)升降機(jī)構(gòu)與本體基座相連并且在升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下能夠沿豎直方向在本體基座上上下滑移實(shí)現(xiàn)所述的被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的升降自由度，在所述的支撐橫梁的前端旋轉(zhuǎn)的連接有弧形偏轉(zhuǎn)架以使兩者組成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個(gè)抱閘固定安裝在支撐橫梁上，所述的抱閘的轉(zhuǎn)軸與弧形偏轉(zhuǎn)架固定相連，所述的抱閘通過(guò)控制線與電源按鈕相連，弧形偏轉(zhuǎn)架相對(duì)于支撐橫梁能夠在正、負(fù)90度范圍內(nèi)進(jìn)行任意角度偏轉(zhuǎn)并且固定在調(diào)整后的位置以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)自由度;所述的主動(dòng)結(jié)構(gòu)包括多條主動(dòng)臂，每條所述的主動(dòng)臂包括沿水平方向設(shè)置的主動(dòng)支架，所述的主動(dòng)支架通過(guò)均布在弧形偏轉(zhuǎn)架上的主被動(dòng)連接軸固定在弧形偏轉(zhuǎn)架下方，所述的主被動(dòng)連接軸與主動(dòng)支架固定相連，每條主動(dòng)臂均包括主動(dòng)關(guān)節(jié)I，所述的主動(dòng)關(guān)節(jié)I由主動(dòng)支架與關(guān)節(jié)連接座旋轉(zhuǎn)相連組成，所述的關(guān)節(jié)連接座與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I的旋轉(zhuǎn)輸出端相連并且能夠在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I的驅(qū)動(dòng)下做回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)關(guān)節(jié)I的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所述的關(guān)節(jié)連接座的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于本體基座上下滑移方向；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III固定安裝在關(guān)節(jié)連接座上，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III的旋轉(zhuǎn)輸出端的軸線平行設(shè)置，在所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II的旋轉(zhuǎn)輸出端上固定有關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸，在所述的關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸上旋轉(zhuǎn)的套裝有導(dǎo)向輪，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)III的旋轉(zhuǎn)輸出端與驅(qū)動(dòng)輸出軸固定相連，連桿I的一端與關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸的法蘭盤固定相連，所述的連桿I的另一端與關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)相連，連桿回轉(zhuǎn)座與所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸固定相連，所述的關(guān)節(jié)連接座與連桿I旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)II，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)II能夠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)II轉(zhuǎn)接軸帶動(dòng)連桿I相對(duì)主動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的連桿I與連桿回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)的相連并組成主動(dòng)關(guān)節(jié)III，鋼絲1、鋼絲II的一端分別纏繞并固定在所述的驅(qū)動(dòng)輸出軸上，另一端經(jīng)導(dǎo)向輪導(dǎo)向后纏繞并固定在所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸上，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)111能夠通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出軸帶動(dòng)鋼絲1、鋼絲II轉(zhuǎn)動(dòng)以使關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸和連桿回轉(zhuǎn)座繞連桿回轉(zhuǎn)座的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)軸線與關(guān)節(jié)II的旋轉(zhuǎn)軸線平行設(shè)置;連桿II的首端通過(guò)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸與連桿回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)相連組成自適應(yīng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的軸線與關(guān)節(jié)III傳動(dòng)軸的軸線垂直，所述的連桿II末端與快換連接軸旋轉(zhuǎn)的相連組成自適應(yīng)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，快換裝置與所述的快換連接軸固定相連，所述的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)軸線與快換連接軸的旋轉(zhuǎn)軸線垂直并相交在一點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂，其特征在于:所述的支撐橫梁的后端固定有升降底座，所述的升降底座與升降機(jī)構(gòu)相連。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂，其特征在于:所述的升降機(jī)構(gòu)包括豎直安裝在本體基座內(nèi)部的滾珠絲杠副，所述的滾珠絲杠副的絲杠底端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，所述的升降底座與所述的滾珠絲杠副中的螺母固定相連，導(dǎo)向用的沿豎直方向設(shè)置的導(dǎo)桿穿過(guò)所述的螺母并且兩者間隙配合。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂，其特征在于:所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I為電機(jī)，所述的關(guān)節(jié)連接座的上側(cè)通過(guò)關(guān)節(jié)I定位軸與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I的輸出軸固定相連，所述的關(guān)節(jié)連接座下側(cè)通過(guò)軸承與所述的主動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)的相連，所述的電機(jī)直接帶動(dòng)關(guān)節(jié)連接座相對(duì)主動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的具有自適應(yīng)能力的手術(shù)機(jī)器人操作臂，其特征在于:所述的主動(dòng)臂為3條，其中位于兩側(cè)的主動(dòng)臂的快換裝置用以安裝手術(shù)工具，中間的主動(dòng)臂的快換裝置用以?shī)A持內(nèi)窺鏡裝置，手術(shù)工具的工具桿和內(nèi)窺鏡的內(nèi)窺鏡桿經(jīng)過(guò)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)軸線與快換連接軸的旋轉(zhuǎn)軸線的相交點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】A61B34/37GK106037937SQ201610536548
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】王樹(shù)新, 孔康, 楊英侃, 李建民, 喻宏波, 李進(jìn)華
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)