一種用於輔助微創外科手術機器人的快換接口的製作方法

2023-11-07 01:20:07 1

專利名稱：一種用於輔助微創外科手術機器人的快換接口的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微創外科手術領域內的醫療設備，它可以在輔助微創外科手術機器人手 術過程中能夠快速更換不同的手術器械和為手術器械提供多個自由度的運動，尤其涉及一種 適合於胸腔和腹腔的微創手術操作的輔助微創外科手術機器人的快換接口 。
背景技術：
以腹腔鏡為代表的微創外科被譽為20世紀醫學科學對人類文明的重要貢獻之一，微創手 術操作是指醫生藉助細長的手術器械通過人體表面的微小切口探入到體內進行手術操作的。 它與傳統的開口手術相比具有手術切口小、出血量少、術後疤痕小、恢復時間快等優點，達 到與傳統開口手術相同的療效。手工操作的微創手術器械是被動操作形式， 一般末端只具有 一個運動自由度。手術過程中醫生通過手指施加驅動實現末端器械動作，並依靠醫生手臂與 腕部的運動靈活性順利完成包括縫合、打結在內的各種複雜操作。但是，對於輔助微創手術 機器人系統而言，由於手術器械的操作是通過機器人來完成的，而機器人系統本身不具備人 操作的靈活性。因此，對微創手術機器人專用手術器械的設計提出了更高的要求。為適應微 創手術的要求，手術器械的設計應滿足體積小、操作靈活、形式多樣、便於與機器人手臂安 裝、有足夠的剛度和強度、適於醫療環境要求(如多次消毒)等。特別是手術器械應具有較 多的自由度以滿足靈活性要求，才能適應縫合打結等複雜手術操作。
目前，在臨床上廣泛應用的DaVinci系統手術器械EndoWrist，它有價格高和使用壽命短 和結構相對複雜等缺點。
專利號為US2007/0119274A1的美國專利公開了一種用於機器人外科手術的手術器械的快 換接口。該結構的缺點為結構複雜，電機到驅動軸之間引入一級絲傳動、增加了傳動系統的 摩擦，手術器械自轉旋轉處的支撐軸承布局相當於懸臂梁，按鈕處容易損壞，使用壽命短等 。在美國專利6394998B1中也公開了用於機器人外科手術的手術器械的接口，該接口也存在 上述問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠實現手術過程中快速更換不同的手術器械和為手術器械 傳遞驅動力的的輔助微創外科手術機器人的快換接口 。
為了達到上述目的，本發明的一種用於輔助微創外科手術機器人的快換接口，它包括快 換盒部分、具有接口固定座的快換座部分，所述的快換盒部分包括盒蓋、與所述的盒蓋相連 的底座、設置在所述的盒蓋和底座之間的並且與所述的底座相連的支撐板，在所述的底座和 支撐板之間通過軸承連接有多個分上下布置的旋轉軸，在所述的快換座體上與所述的每一旋 轉軸同軸線位置安裝有與電動機輸出軸相連的減速器的轉軸，在所述的底座兩側設置有滑塊 ，在所述的接口固定座兩側開有滑槽並且在其底部設置有限位塊，所述的滑塊能夠與所述的 滑槽上下滑動配合，在所述的底座中間沿水平方向開有導向槽，在所述的導向槽的兩端分別 插有左、右分離栓，在所述的左、右分離栓之間的導向槽內裝有壓縮彈簧，在所述的左、右 分離栓的上側分別連接有左右按鈕，在所述的接口固定座的左右兩側分別開有左右定位孔， 所述的左、右分離栓與所述的壓縮彈簧相對的兩側能夠分別插入所述的左右定位孔；在所述 的每一旋轉軸的端部設置有凸臺，在所述的每一減速器的轉軸上連接有其一側端面開有配合 槽的套筒，所述的每一旋轉軸的凸臺能夠與相對應設置的套筒上的配合槽相插合配合，所述 的每一套筒具有其上開有開口的套筒凸臺，在所述的接口固定座上對應每一套筒凸臺的位置 安裝有光電傳感器，所述的光電傳感器與所述的接口固定座通過光電傳感器支座相連，所述 的光電傳感器向電動機的控制器發出檢測到的初始位置信號。
本發明用於輔助微創外科手術機器人的快換接口具有以下有益效果
1、本發明的快換接口具有結構簡單、體積小、重量輕、傳動可靠、快換效率高的優點 2 、本發明快換接口應用領域可以是任何方面的微創外科手術；
3、採用本發明的快換接口可以快速更換多種配套的手術器械，能夠充分滿足微創手術 操作過程中使用不同器械的要求。


圖l是本發明的用於輔助微創外科手術機器人的快換接口整體結構示意圖;
圖2是圖1所示的快換接口各組成部分的分解示意圖3是圖1所示的快換盒部分中去掉盒蓋後的示意圖4是圖1所示的快換接口的快換盒部分的結構示意圖5是圖4所示的快換盒部分中旋轉軸部分剖視示意圖6是圖4所示的快換盒部分中定位分離部分結構示意圖7是圖4所示的快換盒部分中的手術器械自轉軸結構示意圖8是圖1所示的快換座部分的結構示意圖9是本發明快換座部分中的伺服電機傳動結構和傳感器安裝結構示意圖。
具體實施例方式
下面首先結合附圖對現有結構進行描述。
圖l、圖2所示為本發明的總體結構示意圖，圖l為整體快換接口示意圖，圖2中所示為本 發明的結構的分解示意圖。圖中的l為快換盒部分、2為快換座部分。快換盒部分1可以沿P方 向沿著快換座部分2中的導向槽滑動。Rl-R4是快換接口中伺服電機的旋轉方向。
快換盒部分的結構示意圖如圖3至圖7所示。本發明快換盒部分安裝的旋轉軸按常規設置 ，即包括左指尖旋轉軸部分l-3、右指尖旋轉軸部分l-5、俯仰旋轉軸部分l-7、自轉旋轉軸 部分l-8，上述四個旋轉軸部分的旋轉軸分別通過導向輪支撐部分l-4、手術器械自轉旋轉軸 部分l-9提供動力輸出帶動設置在手術器械部分的驅動輪轉動，從而為手術器械提供自轉自 由度、俯仰自由度和偏轉自由度三個自由度(不計開合自由度)，實現手術器械的三個運動 。左、右指尖旋轉軸部分、俯仰旋轉軸部分、自轉旋轉軸部分它們的結構基本相同。現以右 指尖旋轉軸部分l-5和自轉旋轉軸部分l-8為例加以說明。右指尖旋轉軸部分l-5中的右指尖 旋轉軸l-5-4—端通過右指尖第一軸承l-5-l和底座l-2相連，兩個相同的小固定絲輪l-5-2與 右指尖旋轉軸l-5-4之間間隙配合，每個小固定絲輪l-5-2分別固定絲的一端，當絲張緊後， 緊固絲輪上的螺釘，使得小固定絲輪l-5-2緊緊的連接在右指尖旋轉軸l-5-4上。右指尖旋轉 軸l-5-4另一端通過右指尖第二軸承l-5-3與支撐板l-l相連，支撐板l-l通過螺釘和彈性圓柱 銷與底座l-2定位連接。自轉旋轉軸部分l-8同右指尖旋轉軸部分l-5，不同之處為自轉旋轉 軸l-8-l與大固定絲輪l-8-3配合處的直徑比右指尖旋轉軸l-5-4與小固定絲輪l-5-2配合處的 直徑大。所述的每一旋轉軸的轉動通常是由電動機經減速器傳遞。
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。如附圖所示，手術器械自轉旋轉軸部分l-9中的手術器械自轉旋轉軸l-9-l通過軸承 1-9-3、 l-9-6和底座l-2相連，軸承l-9-3外圈通過軸承端蓋l-9-2、 l-9-4定位，內圈通過手 術器械自轉旋轉軸l-9-l的軸肩和彈性擋圈l-9-5定位，軸承端蓋l-9-2、 l-9-4通過螺釘與底 座l-2相連。導向輪支撐部分l-4中的導向輪軸l-4-l通過過渡配合與底座l-2相連，導向輪
1- 4-2與導向輪軸l-4-l間隙配合，導向輪l-4-2可以任意轉動。隔離套l-4-3隔離阻止導向輪 脫離導向輪軸l-4-l，在導向輪軸l-4-l末端彈性擋圈l-4-4卡在導向輪軸的彈性擋圈槽中， 防止導向輪l-4-2和隔離套l-4-3脫落導向輪軸l-4-l。現有結構為懸臂梁支撐結構，本結構 比現有結構傳動更加平穩。
固定絲塊2-10通過螺釘與接口固定座2-9相連，可以壓緊通過接口固定座2-9孔中的絲。 在底座1-2兩側設置有滑塊1-10，在接口固定座2-9兩側開有滑槽並且在其底部設置有限 位塊，所述的滑塊1-10滑塊能夠與所述的滑槽上下滑動配合，並且當底座l-2滑到限位塊時 停止下滑。如圖6所示的本發明的定位分離部分l-6中的左右按鈕l-6-l、 l-6-7通過螺紋分別 與左右分離栓l-6-2、 l-6-6連接，左右分離栓l-6-2、 l-6-6和壓縮彈簧l-6-3放在底座l-2的 導向槽中，左右壓板l-6-4、 l-6-5通過螺釘與底座l-2連接，防止在壓縮彈簧作用下，左右 分離栓l-6-2、 l-6-6脫離底座l-2的導向槽。所述的左、右分離栓與所述的壓縮彈簧相對的 兩側能夠分別插入接口固定座2-9兩側的左右定位孔。
快換座部分的結構示意圖如圖8至圖9所示，快換座部分主要由接口固定座2-9、左指尖 旋轉軸驅動部分2-l、右指尖旋轉軸驅動部分2-4、俯仰旋轉軸驅動部分2-8、自轉旋轉軸驅 動部分2-5、和與所述的旋轉軸對應的驅動部分的初始位置檢測部分2-2、 2-3、 2-6、 2-7組 成。初始位置檢測部分2-2、 2-3、 2-6、 2-7結構一樣，現以其中的2-2為例加以說明，光電 傳感器2-3-l與光電傳感器支座2-3-2通過膠相連，光電傳感器支座2-3-2通過螺栓與接口固 定座2-9相連。左右指尖旋轉軸驅動部分2-l、 2-4和俯仰旋轉軸驅動部分2-8、自轉旋轉軸驅 動部分2-5結構基本相同，不同之處為左右指尖旋轉軸驅動部分2-l、 2-4中寬槽套筒2-4-4中 的凹槽比俯仰旋轉軸驅動部分2-8和自轉旋轉軸驅動部分2-5中的窄槽套筒2-5-3中的凹槽寬 。現以其中右指尖旋轉軸驅動部分2-4為例加以說明。伺服電機2-4-l通過螺釘與諧波減速器
2- 4-2相連，諧波減速器2-4-2通過螺釘與電機座2-4-3相連，電機座2-4-3通過螺釘和彈性圓 柱銷定位固定在接口固定座2-9上，寬槽套筒2-4-4通過緊定螺釘和諧波減速器2-4-2的輸出 軸相連。在所述的左、右指尖旋轉軸的端部設置有寬凸臺l-5-5，在自轉旋轉軸、自軸旋轉 軸的端部設置有窄凸臺l-8-5，在所述的每一減速器的轉軸的套筒的一側端面分別開有寬配
6合槽2-4-5和窄配合槽2-5-4，所述的每一旋轉軸的凸臺能夠與相對應設置的套筒上的配合槽 相插合配合。所述的每一套筒具有其上開有開口的套筒凸臺，所述的光電傳感器安裝在所述 的接口固定座上對應每一套筒凸臺的位置，所述的光電傳感器與所述的光電傳感器支座相連 ，當套筒轉到開口位置(即初始位置)時，光電傳感器向電動機的控制器發出檢測到初始位置 信號，在控制器控制下電機停止轉動，此時配合槽的位置處於垂直位置。
本發明的快換接口根據現有的旋轉軸的設置不同可以提供手術器械末端多自由度的運動 ，以本發明的附圖為例可以提供三自由度的運動，如手術器械自由度少於三個時可以使相應 的驅動伺服電機不工作。伺服電機的安裝位置不同，快換盒安裝方式不同，只要與本發明類 似，均屬於本發明保護範疇。
下面將說明本發明輔助微創外科手術機器人的快換接口動作實施過程。
1.三自由度運動和快速安裝與更換
本發明的輔助微創外科手術機器人的快換接口為手術器械提供自轉自由度、俯仰自由度 和偏轉自由度三個自由度(不計開合自由度)，實現手術器械的三個運動。
快換座固定在機器人本體系統的伸縮體上圖中未示意，快換盒中的手術器械旋轉軸連接 的手術器械圖中未示意。起初手術器械處於初始位置，當安裝手術器械時，手術醫生手持快 換盒，同時手指按壓兩側的按鈕，在按鈕的帶動下，分離栓克服壓縮彈簧彈力回退到手術盒 內部，快換盒沿著快換座中的接口固定座的導向槽移動，在移動過程中，俯仰旋轉軸和自轉 旋轉軸底端的凸臺首先通過快換座中兩個寬槽套筒中的凹槽，當快換盒移動到最下端時，左 右指尖旋轉軸底部的凸臺l-5-5與寬槽套筒中的凹槽2-4-5間隙配合，俯仰旋轉軸和自轉旋轉 軸中底部的凸臺l-8-5與窄槽套筒中的凹槽2-5-4間隙配合，並且相應的軸線重合。此時，手 術醫生鬆開按鈕，分離栓在壓縮彈簧的作用下，滑入接口固定座中的定位孔2-9-l中，從而 實現了快換盒的快速定位和固定，在伺服電機的旋轉下可以可靠的傳遞動力，從而實現手術 器械末端的三自由度運動。當更換手術器械時，在控制器的控制下，光電傳感器開始檢測初 始位置，檢測信號接收後，控制器控制伺服電機停止轉動，手術醫生按壓兩側的按鈕，使分 離栓脫離快換接口固定座，在向上的分離力的作用下，快換盒沿著導向槽移動，在移動的過 程中，相應的旋轉軸依次脫離相應的套筒，從而實現了手術器械的快速分離。
權利要求
1.一種用於輔助微創外科手術機器人的快換接口，它包括快換盒部分、包括接口固定座的快換座部分，所述的快換盒部分包括盒蓋、與所述的盒蓋相連的底座、設置在所述的盒蓋和底座之間與所述的底座相連的支撐板，在所述的底座和支撐板之間通過軸承連接有多個分上下布置的旋轉軸，一個手術器械自轉旋轉軸通過軸承和底座相連，在所述的快換座體上與所述的每一旋轉軸同軸線位置安裝有與電動機輸出軸相連的減速器的轉軸，其特徵在於在所述的底座兩側設置有滑塊，在所述的接口固定座兩側開有滑槽並且在其底部設置有限位塊，所述的滑塊能夠與所述的滑槽上下滑動配合，在所述的底座中間沿水平方向開有導向槽，在所述的導向槽的兩端分別插有左、右分離栓，在所述的左、右分離栓之間的導向槽內裝有壓縮彈簧，在所述的左、右分離栓的上側分別連接有左右按鈕，在所述的接口固定座的左右兩側分別開有左右定位孔，所述的左、右分離栓與所述的壓縮彈簧相對的兩側能夠分別插入所述的左右定位孔；在所述的每一旋轉軸的端部設置有凸臺，在所述的每一減速器的轉軸上連接有其一側端面開有配合槽的套筒，所述的每一旋轉軸的凸臺能夠與相對應設置的套筒上。
2.根據權利要求l所述的一種用於輔助微創外科手術機器人的快換 接口，其特徵在於在所述的底座的導向槽中裝有左右壓板壓在所述的壓縮彈簧上。
3.根據權利要求l所述的一種用於輔助微創外科手術機器人的快換 接口，其特徵在於所述的手術器械自轉旋轉軸通過設置在其軸兩端的軸承和底座相連。
全文摘要
本發明公開了一種用於輔助微創外科手術機器人的快換接口，它包括快換盒部分、具有接口固定座的快換座部分，快換盒部分包括盒蓋、與盒蓋相連的底座、設置在盒蓋和底座之間的並且與底座相連的支撐板，在底座和支撐板之間連接有多個分上下布置的旋轉軸，在快換座體上與每一旋轉軸同軸線位置安裝有與電動機輸出軸相連的減速器的轉軸，在底座兩側設置有滑塊，在接口固定座兩側開有滑槽並且在其底部設置有限位塊，滑塊能夠與滑槽上下滑動配合，在底座中間沿水平方向設置有快換座與快換盒的定位裝置；在每一旋轉軸的端部設置有與減速器轉軸上的套筒的配合槽相連的凸臺，光電傳感器向電動機的控制器發出檢測到的初始位置信號。本接口體積小、快換效率高。
文檔編號A61B17/00GK101627921SQ20091030520
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月5日 優先權日2009年8月5日
發明者超 何, 張林安, 李建民, 桑宏強, 王樹新 申請人:天津大學