手術機器人機械臂連接裝置及其手術機器人的製作方法

2023-10-09 22:13:39 1

本發明屬於醫療器械技術領域，具體涉及一種能夠獲得更大手術空間的手術機器人機械臂的連接裝置及其具有機械臂連接結構的手術機器人。

背景技術：

在眾多的醫療器械中，各種用途的手術機器人正在醫學領域中得到越來越廣泛的應用。手術機器人作為醫療器械領域的重要組成部分，它已經廣泛的應用於世界各地的許多手術室中，例如心胸外科、泌尿外科、婦科和腹部外科等。同時伴隨著計算機和微電子技術以及醫學科學的迅猛發展，大量的醫療器械得到推廣和應用。這些機器人在計算機和微電子技術的支持下為手術提供了強有力的幫助。此外，這些機器也需要手術醫生來操作它們，在提高手術效果和精度的同時，也不斷向其它領域擴展。

現有的手術機器人，大多數用於腹腔等高精度的外科手術，它們都是在內窺鏡或者顯微鏡等高精度設備的引導下，由外科醫生控制手術機器人完成各種手術操作。

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，微創手術操作過程中，醫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進行手術操作。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，這使得病人遭受的痛苦大大減少；因此微創外科被廣泛的應用於臨床手術。然而，微創手術為病人帶來了諸多利益的同時，卻對醫生的操作帶來了一系列困難，如：由於體表小孔的限制，工具的自由度減少至四個，靈活性大大降低；醫生操作方向與所期望的方向相反，協調性差；醫生只能通過監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；醫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；缺乏力感覺。因此，醫生必須經過長期訓練才能夠進行微創手術操作，即使如此，目前微創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，在微創手術領域中迫切需要一種手術機器人來延伸醫生手術的能力，以便獲得更大的手術空間，使醫生能夠更容易的完成微創手術操作。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種手術機器人機械臂的連接裝置及其手術機器人，能夠擴大手術機器人機械臂的活動範圍和空間，獲得更大的手術空間。

根據本發明提供了一種手術機器人機械臂連接裝置，包括：內部中空的第一管段和第二管段，第一管段的一端設有第一法蘭盤，第一管段的另一端連接第二管段的一端，第二管段的另一端設有第二法蘭盤；其中，所述第一法蘭盤連接手術機器人的立柱，所述第二法蘭盤連接手術機器人的機械臂。

在一個實施例中，第一管段的中心軸線和第二管段的中心軸線垂直。

在一個實施例中，第一法蘭盤包括上法蘭盤和下法蘭盤，上法蘭盤和下法蘭盤上下對稱，上法蘭盤的兩端和下法蘭盤相對應的兩端各形成一個豁口，第一管段分別在兩個豁口處各設有一個進線孔。

在一個實施例中，第二法蘭盤的上下處各設有一個平臺，每一平臺的中部設有一個凹槽，每一平臺上設有兩個螺紋孔並分布在凹槽的兩側，凹槽最低端形成的圓環直徑大於第二管段的外徑的直徑。

在一個實施例中，所述第一法蘭盤上設有用於安裝螺絲的至少一個安裝槽，每一安裝槽內具有一個螺栓孔，所述第二法蘭盤上也設有至少一個螺栓孔。

在一個實施例中，第一管段、第二管段、第一法蘭盤以及第二法蘭盤為一體結構。

在一個實施例中，所述第一管段和第二管段的外徑的橫切面均呈八邊形。

提供一種手術機器人，包括所述的手術機器人機械臂連接裝置，還包括底座、立柱和機械臂，所述底座上端固定安裝所述立柱，所述立柱的側壁上安裝所述機械臂；所述立柱和機械臂之間設有所述機械臂連接裝置。

在一個實施例中，所述立柱為橫截面呈正方形的柱狀結構，立柱的四個側壁上各設有一個能夠上下移動的法蘭盤，至少一個法蘭盤上安裝機械臂連接裝置，所述機械臂依靠所述機械臂連接裝置能相對立柱上下往復運動。

在一個實施例中，所述立柱相對的兩個側壁上的法蘭盤安裝有機械臂連接裝置。

由以上結構可知，本發明的優點在於：(1)立柱與機械臂之間設有的機械臂連接裝置，可以擴大手術機器人的機械臂活動範圍的結構形式，此外，機械臂連接裝置呈「l」形，兩端均帶有法蘭盤，一端能夠連接立柱，一端能夠連接機械臂，從而在保證機械臂與立柱連接強度的同時，還能帶動機械臂在立柱上上下移動，不僅使機械臂能在向前及左右兩側獲得更大的活動範圍和空間，而且還方便手術前的機械臂擺位，獲得更大的手術空間；(2)立柱為橫截面呈正方形的柱狀結構，其四面均可以安裝機械臂，既可以單獨使用一個機械臂，也可以使用兩個、三個或者四個同時使用，不同位置以及多種組合的機械臂，滿足了不同的安裝要求的手術需求。

附圖說明

在下文中將基於實施例並參考附圖來對本發明進行更詳細的描述。其中：

圖1為本發明手術機器人的一視角立體結構示意圖；

圖2為本發明手術機器人的另一視角立體結構示意圖；

圖3為本發明手術機器人內部結構示意圖；

圖4為本發明手術機器人內部結構另一角度示意圖；

圖5為本發明機械臂連接裝置的一視角立體結構示意圖；

圖6為本發明機械臂連接裝置的另一視角立體結構示意圖。

圖7為本發明手術機器人驅動離合系統的正面剖視圖；

圖8為圖7中圓圈處的放大圖；

圖9為本發明立柱上垂直升降系統的結構示意圖；

圖10為本發明滑動輪系統結構示意圖；

圖11為圖9中圓圈處的放大圖。

在附圖中相同的部件使用相同的附圖標記。附圖並未按照實際的比例繪製。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步說明。

在本申請中需要說明的是，本申請所用的術語「前部」是指手術機器人靠近病人的部位，同時術語「後部」是指手術機器人遠離病人的部位；本申請所用的術語「上端」為手術機器人遠離地面的一端，同時術語「下端」為靠近地面的一端。

圖1和圖2為本發明手術機器人的整體立體圖。包括底座1、立柱2、機械臂3以及推手4。立柱2位於底座1上端的中部，推手4位於底座1上端的後部，機械臂3設於立柱1的側壁上。

圖3和圖4為本發明手術機器人的內部結構示意圖，由圖3和圖4可知，立柱2與機械臂3之間設有機械臂連接裝置7，其中，再由圖5和圖6所示，機械臂連接裝置7包括第一管段71和第二管段72，第一管段71和第二管段72的外壁可以是圓形、方形或多邊形，在本實施例中，第一管段71和第二管段72外徑的橫切面均呈八邊形。但第一管段71和第二管段72內部貫通且呈圓形中空狀，第一管段71垂直於第二管段72，即，第一管段71的中心軸線和第二管段72的中心軸線垂直，在第一管段71的一端設有第一法蘭盤711，第一管段71的另一端則垂直連接第二管段72的一端，在第二管段72的另一端設有第二法蘭盤721。第一法蘭盤711和第二法蘭盤721可以與第一管段71和第二管段72分體設計，也可以為一體設計，第一管段71和第二管段72也可以為一體設計或分體設計，在一個優選的實施例中，第一法蘭盤711、第一管段71、第二法蘭盤721以及第二管段72為一體設計。

第一法蘭盤711連接手術機器人的立柱2，換而言之，第一法蘭盤711通過螺栓固定安裝在法蘭板68上(如圖8和圖9所示)，第二法蘭盤721連接手術機器人的機械臂3。

其中，第一法蘭盤711包括上法蘭盤7111和下法蘭盤7112，上法蘭盤7111和下法蘭盤7112以第一管段71的水平軸截面上下對稱，上法蘭盤7111的兩端和下法蘭盤7112相對應的兩端各形成一個豁口7113，第一管段71分別在兩個豁口7113處各設有一個進線孔7114。進線孔7114在於用於控制機械臂3的控制線穿過進線孔7114然後進入第一管段71和第二管段72的內部並連接在機械臂3上。

此外，所述第一法蘭盤711上設有用於安裝螺絲的若干安裝槽7115，每一安裝槽7115內具有一個螺栓孔7116，在本實施例中，第一法蘭盤711具有四個安裝槽7115，上法蘭盤7111和下法蘭盤7112各兩個且對稱，相應的在法蘭板68上設有一個法蘭盤安裝凹槽682(如圖8和圖9所示)，法蘭盤安裝凹槽682呈圓形且大小與第一法蘭盤711的大小尺寸相對應，法蘭盤安裝凹槽682內也設有螺栓孔並與第一法蘭盤711上的安裝槽7115位置相對應，從而使得機械臂連接裝置7利用第一法蘭盤711和法蘭板68通過螺栓連接固定在立柱2側面的滑塊67上，從而機械臂3能夠在立柱的2側面是實現上下移動。

第二法蘭盤721的上下處各設有一個平臺7211，每一平臺7211的中部均設有凹槽7212，每一平臺7211上設有兩個螺紋孔7213並分布在凹槽7212的兩側，凹槽7212最低端形成的圓環直徑大於第二管段72的外徑的直徑。所述第二法蘭盤721上也設有若干螺栓孔7214。

其中，底座1為由焊接材料構成的主體結構，底座1是可移動的，底座1既可以通過電機驅動也可以通過人力推動，由圖3可知，底座1下端的後部設有兩個單獨的驅動輪系統5，由圖4所示，底座1下端的前部設有兩個被動的萬向輪54，其中，由圖3、圖10和圖11所示，每一驅動輪系統5各設有一個驅動電機51，驅動電機51通過離合器52的離合可以與驅動輪53的輪軸分開或相連；通過兩個驅動輪系統5驅動電機51的差速控制，從而控制驅動輪53的方向和轉速差，使底座1能夠完成前行、後退或轉向動作。當需要電機驅動底座1時，驅動電機51通過離合器52的與驅動輪軸連為一體，從而為驅動輪53提供動力；當需要人力對設備進行移動時，驅動電機51與離合器52脫開，使得驅動電機51與驅動輪軸分離，從而人力便能夠推動設備。另外，在一個優選的實施例中，驅動電機51可以選擇具有反向制動功能的電動機，底座在運行移動的過程中，若需要緊急制動時，對驅動電機51通入反向制動電流，使驅動電機51輸出零轉速信號，底座1停止運動。

本發明為了能夠靈活應用於不同支撐需求的場合，在底座1前端設有支撐腿安裝結構55(如圖3和圖4所示)，在一個優選的實施例中，本發明具有兩個支撐腿安裝結構55，即底座1前端萬向輪54處各設有一個支撐腿安裝結構55，支撐腿安裝結構55用於安裝可活動的支撐腿(圖中未顯示)，每一支撐腿的一端設有一個萬向輪(圖中未顯示)，支撐腿的另一端與支撐腿安裝結構55通過軸孔過盈配合，從而保證支撐腿與底座1足夠的連接強度，由於支撐腿通過支撐腿安裝結構55能夠固定安裝在底座1的前端，且每一支撐腿也的前端也設有萬象輪，因此底座1通過可加長的活動支撐腿結構，增加了底座1在長度方向的支撐距離，使得本發明能夠靈活應用於不同支撐需求的場合。

此外，如圖4和圖10所示，在底座1的底部還設有三個支撐腳56，三個支撐腳56用於穩定底座1，每一個支撐腳56與底面接觸的接觸面處設有橡膠墊(圖中未顯示)，用於增加底座1與接觸面的摩擦力，其中，三個支撐腳56的其中兩個位於底座下端前部的萬向輪54處(如圖4所示)，其中一個支撐腳56位於底座1下端後部的兩個驅動輪53之間(如圖10所示)，在驅動輪53之間的支撐腳處設有一個制動板57(如圖1、圖和圖3所示)，制動板57用於控制每一個支撐腳56的上下伸縮；當底座移1動到指定位置後，踩下制動板57，三個支撐腳56向下伸出並與地面接觸，手術機器人通過自身的重量和橡膠墊與地面產生較大的摩擦力，從而防止手術機器人駐停後受其他外力而移動。

底座1的上端固定安裝有立柱2，立柱2可以是圓形、正方形、長方形或多邊形等柱狀結構，在一個優選的實施例中，立柱2為橫截面呈正方形的柱狀結構，立柱2的四個側面均可以用於安裝機械臂3(如圖1和圖2所示)。同時，根據手術中實際的要求，可以只選擇安裝一個機械臂3，也可以選擇兩個、三個或者四個機械臂3同時安裝。此外，機械臂3能夠通過垂直升降系統6在立柱2上實現上下移動。

在一個優選的實施例中，垂直升降系統6包括滑動輪系統、機械臂導軌以及配重導軌。

其中，由圖3、圖4和圖7所示，滑動輪系統具有四組且分別設置在立柱2上端的四個方向，每一組滑動輪系統都具有一個定滑輪61、兩個動滑輪62和兩條鋼絲繩63，定滑輪61固定在立柱2的上端面上且定滑輪61的軸線與立柱2上端面的稜邊平行，兩個動滑輪62位於立柱2的側面上，定滑輪61的軸線與兩個動滑輪62的軸線異面垂直且定滑輪61位於兩個動滑輪62中間，兩個鋼絲繩63的一端共同連接立柱2的內部設有配重64，另一端則繞過定滑輪61(兩條鋼絲繩63在定滑輪61上相互平行)，再分別繞過相對應的動滑輪62，最後固定在立柱2相對應的繩頭座65上。繩頭座65固定在立柱2的上端，並分別設置在相對應的動滑輪62的外側邊。

如圖3、圖4以及圖7、圖8和圖9所示，立柱2四個側面上各設有一個機械臂導軌66，導軌上設有可以滑動的滑塊67，滑塊67的外側面固定設有法蘭板68，法蘭板68用於連接機械臂3，法蘭板68的上端設有連接板681，連接板681分別通過兩個螺栓固定在兩個動滑輪62的輪軸上，因此機械臂3依靠法蘭板68和滑塊67能夠在機械臂導軌66上上下移動。此外，本發明還設有失電式電磁剎車69，失電式電磁剎車69與定滑輪61同軸設置，此結構可以在發生意外斷電、失電剎車耦合時，通過手動方式向上移走機械臂3，同時保證不會向下滑移。保證手術過程中若出現意外斷電時，可移開機械臂3從而轉移病人。

立柱2為空心狀的柱狀結構，在立柱2的內側設有配重導軌，配重導軌用於立柱2中心處配重8的上下移動(如圖7所示)，配重8的增減用於配合機械臂3的在機械臂導軌上上下移動。當動滑輪62帶動法蘭板68上的機械臂3向下移動時，減少配重8；當動滑輪62帶動法蘭板68上的機械臂3向上移動時，增加配重8。

在一個優選的實施例中，本發明手術機器人的後部設有推手4，推手4位於底座1上端的後部，推手4通過固定在底座1上端後部的一個支架41固定，在一個優選的實施例中，推手4採用底部鑄鋁結構和頂部注塑件相結合的設計，且推手4的力接觸點處為弧形設計，以上推手4結構設計不僅使得推手4底部能夠承受足夠的推力，同時推手4頂部還能滿足一定的造型設計要求。

再由圖1和圖2所示，本發明實施例中的立柱2為橫截面呈正方形的柱狀結構，在立柱2的四面均設有機械臂3，四個側壁上的機械臂3均能依靠滑動輪系統在立柱2上上下移動，其中，在一個優選的實施例中，立柱2的相對的左側壁和右側壁的法蘭板68上安裝機械臂連接裝置7，而靠近病人和遠離病人相對的兩個側壁不安裝機械臂連接裝置7，此種結構，使立柱2的左右兩個側壁上的機械臂3能在向前及左右兩側具有更大的活動範圍和空間。

因此，由以上內容可知，本發明的優點在於：(1)立柱2與機械臂3之間設有的機械臂連接裝置7，可以擴大手術機器人的機械臂3活動範圍的結構形式，此外，機械臂連接裝置7呈「l」形，兩端均帶有法蘭盤，一端能夠連接立柱2，一端能夠連接機械臂3，從而在保證機械臂3與立柱2連接強度的同時，還能帶動機械臂3在立柱2上上下移動，不僅使機械臂3能在向前及左右兩側獲得更大的活動範圍和空間，而且還方便手術前的機械臂3擺位，獲得更大的手術空間；(2)立柱2為橫截面呈正方形的柱狀結構，其四面均可以安裝機械臂3，既可以單獨使用一個機械臂3，也可以使用兩個、三個或者四個同時使用，不同位置以及多種組合的機械臂3，滿足了不同的安裝要求的手術需求。

雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不分離本發明的範圍的情況下，可以對其進行各種改進並且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結構衝突，各個實施例中所提到的各項技術特徵均可以任意方式組合起來。本發明並不局限於文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的範圍內的所有技術方案。