專利名稱：輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微創(chuàng)外科手術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備，它可以輔助外科醫(yī)生實(shí)施微創(chuàng)手術(shù)操 作，尤其涉及一種適合于胸腔和腹腔的微創(chuàng)手術(shù)操作的輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以腹腔鏡為代表的微創(chuàng)外科被譽(yù)為20世紀(jì)醫(yī)學(xué)科學(xué)對人類文明的重要貢獻(xiàn)之一，微創(chuàng) 手術(shù)操作是指醫(yī)生利用細(xì)長的手術(shù)工具通過人體表面的微小切口探入到體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)操作 的。它與傳統(tǒng)的開口手術(shù)相比具有手術(shù)切口小、出血量少、術(shù)后疤痕小、恢復(fù)時間快等優(yōu)點(diǎn)， 這使得病人遭受的痛苦大大減少；因此微創(chuàng)外科被廣泛的應(yīng)用于臨床手術(shù)。然而，微創(chuàng)手術(shù) 為病人帶來了諸多利益的同時，卻對醫(yī)生的操作帶來了一系列困難，.如1)由于體表小孔 的限制，工具的自由度減少至四個，靈活性大大降低；2)醫(yī)生操作方向與所期望的方向相 反，協(xié)調(diào)性差；3)醫(yī)生只能通過監(jiān)視器上的二維圖像獲得手術(shù)場景信息，缺乏深度方向上 的感覺；4)醫(yī)生手部的抖動可能會被細(xì)長的手術(shù)工具放大，對手術(shù)造成不良影響；5)缺乏 力感覺。因此，醫(yī)生必須經(jīng)過長期訓(xùn)練才能夠進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)操作，即使如此，目前微創(chuàng)手術(shù) 也僅僅應(yīng)用在操作相對比較簡單的手術(shù)過程之中。因此，在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域中迫切需要一種機(jī) 器人系統(tǒng)來延伸醫(yī)生的能力，以便克服上述缺點(diǎn)，使醫(yī)生能夠更容易的完成微創(chuàng)手術(shù)操作。 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Da Vinci系統(tǒng)和Zeus系統(tǒng)，但它 們都有體積龐大、價格昂貴等方面的缺點(diǎn)。國際上如美國、法國、德國、英國、波蘭、日本、 韓國等地都相繼開展了微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的研究，并產(chǎn)生了一系列樣機(jī)，但這些樣機(jī)大都 與己經(jīng)存在的機(jī)構(gòu)相同或類似，缺乏創(chuàng)新性。我國在機(jī)器人輔助手術(shù)方面尚處于起步階段， 已經(jīng)存在的機(jī)器人系統(tǒng)只能在手術(shù)過程中起輔助定位的作用，并不能應(yīng)用于臨床手術(shù)。因此 開發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對填補(bǔ)我國在該領(lǐng)域的空白有
著非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系 統(tǒng)，它能夠夾持手術(shù)工具輔助醫(yī)生實(shí)施微創(chuàng)手術(shù)操作，該系統(tǒng)通過機(jī)構(gòu)自身的物理約束，實(shí) 現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)操作的要求,使一些采用傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)方式無法完成的手術(shù)實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)化。
本發(fā)明的一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，它包括基座部分、橫梁部分、 調(diào)整架部分、支撐板部分、伸縮體部分，所述的基座部分包括機(jī)架、安裝在所述的機(jī)架上并 且與之轉(zhuǎn)動配合相連的立柱，所述的立柱的一端與由電機(jī)和減速器組成的第一驅(qū)動裝置相 連；所述的橫梁部分包括橫梁、所述的橫梁的側(cè)壁上設(shè)置有第一滑動軌道，所述的立柱與所 述的橫梁底部固定相連；所述的調(diào)整架部分包括與所述的橫梁頂部固定相連的固定點(diǎn)座，在 所述的固定點(diǎn)座上部開有孔，在所述的孔內(nèi)裝有軸承，所述的軸承兩側(cè)分別設(shè)置有軸承壓蓋， 所述的軸承的內(nèi)圈與其上裝有第二滑動導(dǎo)軌的導(dǎo)軌座固定相連，所述的第二滑動導(dǎo)軌上裝有 第二滑塊，所述的第二滑塊與一個輸入輪調(diào)整架固定相連；所述的支撐板部分包括支撐板、 在所述的支撐板左右兩側(cè)分別裝有輸入軸、輸出軸，在位于所述的支撐板一側(cè)側(cè)壁處的輸入 軸、輸出軸上分別裝有輸入輪、通過第一傳動機(jī)構(gòu)與所述的輸入輪相轉(zhuǎn)動配合的輸出輪，在 位于所述的支撐板另一側(cè)的側(cè)壁上設(shè)置有通過第一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠與所述的第一滑動導(dǎo) 軌相滑動配合的第一滑塊，所述的輸入輪調(diào)整架的下部與所述的輸入輪固定相連；所述的伸 縮體部分包括伸縮座，所述的伸縮座底部與所述的輸出輪固定相連，在所述的伸縮座上裝有 其上設(shè)置有第三滑塊的第三滑動導(dǎo)軌，所述的第三滑塊與一個其上裝有手術(shù)工具的手術(shù)工具 座固定相連，所述的第三滑塊與第三滑動導(dǎo)軌通過第二驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠相滑動配合。 本發(fā)明用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人本體系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果
1. 本發(fā)明裝置通過機(jī)構(gòu)自身的約束實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)過程中切入點(diǎn)約束的要求，沒有引入 冗余自由度，保證了使用上的安全性；
2. 本發(fā)明裝置通過采用絲傳動的形式使機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)；
3. 本發(fā)明裝置應(yīng)用領(lǐng)域是面向胸腹腔領(lǐng)域的微創(chuàng)手術(shù)，有向其它領(lǐng)域如耳鼻喉等領(lǐng)域 的手術(shù)拓展的潛力；
4. 本發(fā)明裝置通過一個較長的梁狀結(jié)構(gòu)攜帶手術(shù)工具從遠(yuǎn)處探入到病人身體上方進(jìn)行 微創(chuàng)手術(shù)操作，這種結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省機(jī)器人占用病人身體上方的空間，為醫(yī)生能夠快速接 近病人提供了便利；
5. 本發(fā)明裝置可以更夠快速更換多種配套的手術(shù)工具，能夠充分滿足微創(chuàng)手術(shù)操作多 樣性的要求。
6. 本發(fā)明裝置可以夾持內(nèi)窺鏡輔助微創(chuàng)手術(shù)操作，可以將持鏡醫(yī)生從單調(diào)、疲勞的持 鏡工作中解放出來。


圖1是本發(fā)明用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1所示的裝置各組成部分的分解示意圖3是本發(fā)明裝置滿足微創(chuàng)手術(shù)操作需求的原理示意圖4是圖1所示的裝置的基座部分的結(jié)構(gòu)示意圖5——圖5. 2是圖1所示的裝置的橫梁部分的結(jié)構(gòu)示意圖6是圖1所示的裝置的調(diào)整架部分的結(jié)構(gòu)示意圖7——圖7. 3是圖1所示的裝置的支撐板部分的結(jié)構(gòu)示意圖8——圖8. 1是圖1所示的裝置的伸縮體部分的結(jié)構(gòu)示意圖9是本發(fā)明涉及的手術(shù)工具座的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作以詳細(xì)描述。
圖l、圖2、圖3所示為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖示的R、 Pl、 P2描述的是本發(fā)明 的三個主動關(guān)節(jié)，其中R為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，Pl、 P2為移動關(guān)節(jié)。圖示的Rsl、 Rs2、 Rs3、 Ps描述 的是本發(fā)明的隨動關(guān)節(jié)，其中Rsl、 Rs2、 Rs3為隨動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，Ps為隨動移動關(guān)節(jié)；各主動 關(guān)節(jié)、隨動關(guān)節(jié)將在后面的內(nèi)容中詳細(xì)介紹。標(biāo)號1、 2、 3、 4分別指的是本機(jī)構(gòu)用到的電 機(jī)、減速機(jī)、減速機(jī)座和電位器。圖2描述的是本發(fā)明的各組成部分，包括基座部分6、橫 梁部分7、調(diào)整架部分8、支撐板部分9、伸縮體部分10;圖3所示為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù) 操作需求的原理。容易看出，在自身結(jié)構(gòu)的物理約束下，機(jī)器人在運(yùn)動過程中伸縮體的軸線 即手術(shù)工具的軸線始終通過一固定點(diǎn)p，實(shí)際手術(shù)過程中應(yīng)將此點(diǎn)布置于病人的體表切口處，
qp線為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)R的旋轉(zhuǎn)軸線。P點(diǎn)位置不發(fā)生變化的條件是隨動關(guān)節(jié)Rsl的軸線和隨動關(guān) 節(jié)Rs2的軸線沿圖1所示坐標(biāo)系的z軸方向上的距離與隨動關(guān)節(jié)Rs3的軸線與主動關(guān)節(jié)R的 軸線間的公垂線的長度相等，輸入輪與輸出輪之間交叉絲傳動的傳動比為1，且機(jī)構(gòu)處于初 始位置時Ps、 P2的滑動方向均與Pl的滑動方向垂直。
本發(fā)明的一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，它包括基座部分6、橫梁部分 7、調(diào)整架部分8、支撐板部分9、伸縮體部分IO，所述的基座部分6包括機(jī)架6-l、安裝在 所述的機(jī)架6-1上并且與之轉(zhuǎn)動配合相連的立柱6-2，所述的立柱6-2的一端與由電機(jī)1和 減速器2組成的第一驅(qū)動裝置相連；所述的橫梁部分包括橫梁7-l、所述的橫梁的側(cè)壁上設(shè) 置有第一滑動軌道7-L，所述的立柱6-2與所述的橫梁7-1底部固定相連；所述的調(diào)整架部 分8包括與所述的橫梁7-1頂部固定相連的固定點(diǎn)座8-5，在所述的固定點(diǎn)座8-5上部開有 孔，在所述的孔內(nèi)裝有軸承8-6，所述的軸承兩側(cè)分別設(shè)置有軸承壓蓋，所述的軸承內(nèi)圈與 其上裝有第二滑動導(dǎo)軌8-L的導(dǎo)軌座固定相連，所述的第二滑動導(dǎo)軌8-L上裝有第二滑塊 8-Z，所述的第二滑塊8-Z與一個輸入輪調(diào)整架8-3固定相連；所述的支撐板部分包括支撐 板9-l、在所述的支撐板左右兩側(cè)分別裝有輸入軸、輸出軸，在位于所述的支撐板9-1 一側(cè) 側(cè)壁處的輸入軸、輸出軸上分別裝有輸入輪9-2、通過第一傳動機(jī)構(gòu)與所述的輸入輪相轉(zhuǎn)動 配合的輸出輪9-3，在位于所述的支撐板9-1另一側(cè)的側(cè)壁上設(shè)置有通過第一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動 能夠與所述的第一滑動導(dǎo)軌7-L相滑動配合的第一滑塊9-Z，所述的輸入輪調(diào)整架8-3的下 部與所述的輸入輪9-2固定相連；所述的伸縮體部分10包括伸縮座10-1，所述的伸縮座底 部與所述的輸出輪9-3固定相連，在所述的伸縮座上裝有其上設(shè)置有第三滑塊10-Z的第三 滑動導(dǎo)軌IO-L，所述的第三滑塊與一個其上裝有手術(shù)工具的手術(shù)工具座11-1固定相連，所 述的第三滑塊與第三滑動導(dǎo)軌通過第二驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠相滑動配合。
所述的第一傳動機(jī)構(gòu)包括第一、二傳動絲9-6、 9-7，所述的第一、二傳動絲9-6、 9-7通過設(shè)置在所述的支撐板9-1上的支撐板導(dǎo)向輪9-4和張緊輪系9-5女叉的連接在所述的輸 入輪9-2、輸出輪9-3上，所述的第一、二傳動絲9-6、 9-7的末端通過壓絲塊固定在所述的 輸入輪9-2、輸出輪9-3上。所述的第一傳動機(jī)構(gòu)還可以在所述的輸入輪和輸出輪間采用齒 輪傳動。所述的第一傳動機(jī)構(gòu)還可以在所述的輸入輪和輸出輪間采用交叉桿傳動。
通過驅(qū)動主動副Pl可使隨動關(guān)節(jié)Rsl、 Rs2、 Rs3、 Ps隨動，其第一驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以
為
所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)可以包括有第三傳動絲7-4、通過軸承安裝在所述的橫梁7-1上的 第一滾珠花鍵副，在所述的第一滾珠花鍵副的外筒上固定有絲筒7-8，所述的第一滾珠花鍵 副的花鍵軸的一側(cè)軸端通過聯(lián)軸器與由電機(jī)、減速器組成的第二驅(qū)動裝置相連，在所述的橫 梁上安裝有換向軸和導(dǎo)向輪，在所述的支撐板上位于安裝所述的第一滑塊的一側(cè)裝有張緊偏 心輪和絲端壓塊，所述的第三傳動絲通過所述的絲筒、換向軸、導(dǎo)向輪、張緊偏心輪并且其 末端通過所述的絲端壓塊固定在所述的支撐板上。
采用通過驅(qū)動隨動關(guān)節(jié)Rsl、 Rs2、 Rs3、 Ps，而將P1改為隨動副。其結(jié)構(gòu)可以為
所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)包括依次相連的電機(jī)、減速器，所述的輸入軸或輸出軸通過軸承安 裝在所述的支撐板9-l上，所述的減速器通過聯(lián)軸器與所述的輸入軸或輸出軸相連以驅(qū)動所 述的輸入輪或輸出輪轉(zhuǎn)動；或者所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)包括依次相連的電機(jī)、減速器，所述的 導(dǎo)軌座具有軸端，所述的軸端設(shè)置在所述的固定點(diǎn)座的軸承內(nèi)，所述的導(dǎo)軌座的軸端通過聯(lián)
軸器與所述的減速器相連以驅(qū)動所述導(dǎo)軌座轉(zhuǎn)動。
所述的第二驅(qū)動系統(tǒng)包括有第四傳動絲10-4、分別通過軸承安裝在所述的伸縮座10-1 頂部、底部的第二、三滾珠花鍵副，在所述的第二、三滾珠花鍵副的外筒上分別固定有驅(qū)動 絲筒10-15、隨動絲筒10-8，所述的第二滾珠花鍵副的花鍵軸的一側(cè)軸端通過聯(lián)軸器與由電 機(jī)、減速器組成的第三驅(qū)動裝置相連，在所述的手術(shù)工具座11上安裝有偏心輪和絲壓塊， 所述的第四傳動絲通過所述的驅(qū)動絲筒、隨動絲筒、偏心輪并且其末端通過所述的絲壓塊固 定在所述的手術(shù)工具座上。
所述的第一、二驅(qū)動系統(tǒng)還可以為伺服電機(jī)一絲杠一導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)電機(jī)一絲杠一導(dǎo)軌結(jié)
構(gòu)，液壓缸結(jié)構(gòu)，氣缸結(jié)構(gòu)。
在所述的調(diào)整架部分、基座部分分別可以設(shè)置有電位器以獲得各關(guān)節(jié)的絕對位置信息， 所述的調(diào)整架部分的電位器的扭柄與導(dǎo)軌座相連，基座部分的電位器的扭柄與立柱的一端相 連。伸縮體部分設(shè)置有電位器并且其扭柄與設(shè)置在第二滾珠花鍵副的花鍵軸的另一側(cè)軸端的 聯(lián)軸器相連。當(dāng)然所述的電位器也可以由零位開關(guān)代替。
下面結(jié)合圖4一9對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式加以詳細(xì)說明。
基座部分的結(jié)構(gòu)示意圖由圖4所示，立柱6-2在電機(jī)1和減速機(jī)2的驅(qū)動下，繞軸線qp 旋轉(zhuǎn)，這部分為本機(jī)構(gòu)的一個主動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)R。電位器4的扭柄與立柱的另一端固定，電位 器4的本體則通過電位器座6-3固定于機(jī)架6-1上。銷孔6-X通過定位銷與橫梁7-1上的銷 孔7-XI相連，螺孔6-M通過螺釘與橫梁7-1上的螺紋孔7-Ml相連。機(jī)架6-1將于手術(shù)機(jī)器 人的被動調(diào)整臂相連，使用時被動調(diào)整臂可以采用專利(申請?zhí)?00610129845.6)的結(jié)構(gòu)， 或者采用其它已有結(jié)構(gòu)，該部分內(nèi)容不屬于本發(fā)明的范疇。
橫梁部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示、BP面示意圖如圖5. l所示，在橫梁7-l的BP面上 分布有與立柱6-2相連所需的螺紋孔7-Ml和銷孔7-X1;在橫梁的另一側(cè)分布有螺紋孔7-M2 和銷孔7-X2,分別通過螺釘和定位銷與固定點(diǎn)座8-1上的螺孔8-M和銷孔8-X相連。在橫梁 7-1上分布有絲傳動所需的兩組絲換向軸7-2及五組導(dǎo)向輪7-3。第三傳動絲7-4繞過絲筒 7-8、換向軸7-2、導(dǎo)向輪7-3后，其兩端7-el和7-e2將由絲端壓塊9-8和9-9固定于支撐 板9-1上。在橫梁7-1上還安裝有滑動導(dǎo)軌7-L。橫梁部分7的驅(qū)動環(huán)節(jié)如圖5. 2A、 B所示， 滾珠花鍵軸7-6經(jīng)過聯(lián)軸器7-5與減速機(jī)2的輸出端相連，滾珠花鍵軸7-6經(jīng)軸承支撐于橫 梁7-l上，與滾珠花鍵軸7-6配套的花鍵外筒7-7通過鍵7-9與絲筒7-8相連。當(dāng)滾珠花鍵 軸7-6在驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，絲筒7-8便在花鍵外筒7-7和鍵7-9的帶動下旋轉(zhuǎn)；由于滾珠花鍵 軸7-6和花鍵外筒7-7沿軸向無約束，因此在運(yùn)動過程中第三傳動絲7-4可以在換向軸7-2 和導(dǎo)向輪7-3的約束下自動調(diào)整本身所需的軸向位置。
調(diào)整架部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，在固定點(diǎn)座8-1上分布有與橫梁7-1相連所需的 螺孔8-M和銷孔8-X;導(dǎo)軌座8-2通過軸承8-6和軸承壓蓋8_4、8-5安裝于固定點(diǎn)座8-1上；
電位器4的扭柄與導(dǎo)軌座8-2的軸端相連，其本體則固定于軸承壓蓋8-4上。第二滑動導(dǎo)軌
8- L安裝于導(dǎo)軌座8-2的另一側(cè)，與第二滑動導(dǎo)軌8-L配套的第二滑塊8-Z上安裝有輸入輪 調(diào)整架8-3;輸入輪調(diào)整架8-3上分布有與輸入輪9-2安裝所需的定位銷孔8-3X和螺孔8-3M。 在調(diào)整架部分8上集成了本機(jī)構(gòu)的兩個隨動關(guān)節(jié)，分別為由導(dǎo)軌座8-2、支撐軸承8-6及 軸承壓蓋8-4、 8-5等構(gòu)成的隨動轉(zhuǎn)動副Rsl，及由導(dǎo)軌座8-2、第二滑動導(dǎo)軌8-L、滑座8-Z、 輸入輪調(diào)整架8-3等構(gòu)成的隨動移動副Ps。
支撐板部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7、圖7. l-7.3所示；輸入輪9-2通過輸入軸9-21、調(diào)心 球軸承9-22、軸承壓蓋9-23及軸端擋圈9-24等零件安裝于支撐板9-1上。在輸入輪9_2上 分布有與輸入輪調(diào)整架8-3安裝所需的定位銷孔9-2X和螺紋孔9-2M。輸入輪9-2在支撐板
9- 1上的轉(zhuǎn)動為本機(jī)構(gòu)的另一隨動轉(zhuǎn)動副Rs2。輸出輪9-3通過輸出軸9-31、成對安裝的角 接觸軸承9-32、軸承壓蓋9-33以及鎖緊螺母9-34等零件安裝于支撐板9-1上。在輸出輪 9-3上分布有與伸縮座10-1連接所需的定位銷孔9-3X和螺紋孔9-3M。輸出輪9-3在支撐板 9-1上的轉(zhuǎn)動為本機(jī)構(gòu)的第三個隨動轉(zhuǎn)動副Rs3。 Rs2與Rs3通過傳動比為1的交叉絲傳動相 連，見后續(xù)介紹。如圖7. l所示，在支撐板9-1的背面安裝有兩組與滑動導(dǎo)軌7-L配套的第 一滑塊9-Z，傳動絲7-4的兩端7-el和7-e2分別經(jīng)過偏心輪9-10、 9-11變向后，由絲端壓 塊9-9和9-8固定于支撐板9-1上；通過旋轉(zhuǎn)偏心輪9-10和9-11可以對第三傳動絲7-4進(jìn) 行張緊，張緊后利用頂絲9-S將偏心輪9-10和9-ll頂死固定，該張緊機(jī)構(gòu)為一定期張緊機(jī) 構(gòu)。第一滑動導(dǎo)軌7-L、第一滑塊9-Z、支撐板9-1以及第三傳動絲7-4在橫梁驅(qū)動環(huán)節(jié)的 帶動下，構(gòu)成了本機(jī)構(gòu)的一個主動移動關(guān)節(jié)Pl。經(jīng)過導(dǎo)向輪9-4導(dǎo)向和張緊輪系9-5張緊后， 第一、二兩根絲9-6和9-7交叉地連接著輸入輪9-2和輸出輪9-3，第一、二傳動絲9-6和 9-7在輸入輪9-2以及輸出輪9-3上的固定方式與第三傳動絲7-4在支撐板9_1上的固定方 式類似，比如傳動絲9-7在輸出輪上的一端經(jīng)輸出輪9-7絲槽變向后由絲壓塊9-35壓緊固 定。該交叉絲傳動的傳動比為1，其作用與一組齒輪傳動類似；采用絲傳動的形式可以減小 機(jī)構(gòu)的重量，并在一定程度上縮小機(jī)構(gòu)的體積。
伸縮體部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8A、 B所示；伸縮座10-1，在伸縮座10-1上分布有銷孔
10-X和螺紋孔10-M，分別通過定位銷和螺釘與輸出輪9-3相連。在伸縮座10-1上安裝有第 三滑動導(dǎo)軌IO-L，其上裝有配套的第三滑塊IO-Z，在第三滑塊10-Z上安裝有用于夾持手術(shù) 工具的手術(shù)工具座11。在伸縮座10-1頂部安裝有隨動絲筒組合，該組合由滾珠花鍵軸10-5、 與滾珠花鍵軸10-5配套的花鍵外筒10-6、通過鍵10-7與花鍵外筒10-6相連的絲筒10-8等 零件組成；該隨動絲筒組合通過軸承支撐于伸縮座10-1上；在伸縮座底部安裝有驅(qū)動絲筒 組合，該組合與隨動絲筒原理大體相同；如圖8. l所示，電機(jī)1和減速機(jī)2組合通過聯(lián)軸器 10-9與滾珠花鍵軸10-12的一端相連，滾珠花鍵軸10-12的另一端通過聯(lián)軸器10-11與電位 器4的扭柄相連，電位器4的本體則通過電位器座10-10固定于伸縮座10-1上；驅(qū)動絲筒 10-15通過鍵10-14與跟滾珠花鍵軸10-12配套的花鍵外筒10-13相連。在隨動絲筒組合和 驅(qū)動絲筒組合的絲筒10-8和10-15上裝有第四傳動絲10-4，其兩端10-el和10-e2將與手 術(shù)工具座ll相連，由于滾珠花鍵沿軸向無約束，因此在運(yùn)動過程中，傳動絲10-4可以自動 調(diào)整使其到達(dá)合適的軸向位置。驅(qū)動絲筒組合、隨動絲筒組合、傳動絲及手術(shù)工具座構(gòu)成了 本機(jī)構(gòu)的另一個主動移動關(guān)節(jié)P2。在伸縮座10-1的末端還安裝有輔助支撐10-2，用于支撐 細(xì)長的手術(shù)工具，使其在運(yùn)動過程中運(yùn)動更平穩(wěn)、精確。
圖9描述的是手術(shù)工具座的簡單示意圖，手術(shù)工具座11-1固定在滑塊10-Z上，傳動絲 10-4的兩端10-el和10-e2分別繞過偏心輪11-3和11-5后由絲壓塊11_4和11-6固定于手 術(shù)工具座ll-l上，通過旋轉(zhuǎn)偏心輪11-3和11-5可以對傳動絲10-4進(jìn)行張緊。手術(shù)工具11-2 安裝在手術(shù)工具座11-1上，手術(shù)工具座11-1及手術(shù)工具的詳細(xì)設(shè)計不屬于本發(fā)明的范疇。 以上示意性的對本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，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，采用其它形式的傳動、驅(qū)動裝置以及連接方式不 經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計與該技術(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。 下面將說明本發(fā)明用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)的動作實(shí)施過程。 l.三自由度運(yùn)動
本發(fā)明的輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人本體系統(tǒng)通過各關(guān)節(jié)之間的相互傳動，實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具
的三個運(yùn)動，如圖l、圖3所示，分別為繞點(diǎn)p在空間兩個方向上的擺動以及手術(shù)工具在 伸縮體上的移動。
手術(shù)工具沿qp軸線的擺動在機(jī)器人的基座部分上實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)、減速機(jī)帶動立柱旋 轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動整個機(jī)器人繞qp軸線的旋轉(zhuǎn)。手術(shù)工具的另一偏轉(zhuǎn)的軸線為通過點(diǎn)p且與紙 面方向垂直的直線，手術(shù)工具繞該軸線的旋轉(zhuǎn)是由橫梁部分的驅(qū)動環(huán)節(jié)帶動橫梁部分的傳動 絲使支撐板部分作直線運(yùn)動，支撐板上的輸入輪在調(diào)整架的約束下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后通過支撐 板部分的交叉絲傳動使輸出輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動伸縮體部分沿與輸入輪的旋轉(zhuǎn)方向相反的 方向偏轉(zhuǎn)，該運(yùn)動與支撐板的直線運(yùn)動結(jié)合使手術(shù)工具在運(yùn)動時始終通過點(diǎn)p。手術(shù)工具這 一運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的條件是隨動關(guān)節(jié)Rsl的軸線與隨動關(guān)節(jié)Rs2的軸線沿z軸方向的距離與隨動關(guān) 節(jié)Rs3的軸線和主動關(guān)節(jié)R的軸線之間的公垂線長度相等，輸入輪與輸出輪之間絲傳動的傳 動比為1，且機(jī)構(gòu)處于初始位置時Ps、 P2的滑動方向均與Pl的滑動方向垂直。手術(shù)工具在 伸縮體上的運(yùn)動是由電機(jī)、減速機(jī)帶動伸縮體傳動絲，牽引著安裝在伸縮體滑塊上的手術(shù)工 具座沿著滑動導(dǎo)軌作往復(fù)運(yùn)動，該運(yùn)動也通過固定點(diǎn)p。
2. 傳動絲的張緊
橫梁部分的傳動絲和伸縮體部分的傳動絲是通過定期旋轉(zhuǎn)偏心輪機(jī)構(gòu)來對絲進(jìn)行張緊 的，而支撐板部分的交叉絲則是通過定期旋轉(zhuǎn)張緊輪系來完成傳動絲的張緊。
3. 機(jī)構(gòu)的自動排絲
機(jī)構(gòu)的兩個主動移動副Pl、 P2都是由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)絲筒來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部分的直線運(yùn)動； 在運(yùn)動過程中絲筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于1，為了防止傳動絲相互疊加在一起導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡死以及為了 保證絲的傳動精度，我們采用滾珠花鍵設(shè)計了自動排絲機(jī)構(gòu)，由于滾珠花鍵沿著軸向無約 束，因此運(yùn)動過程中絲在導(dǎo)向輪或安裝位置的約束下會自動調(diào)整，使其在花鍵軸上達(dá)到所需 的軸向位置。
權(quán)利要求
1. 一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于它包括基座部分、橫梁部分、調(diào)整架部分、支撐板部分、伸縮體部分，所述的基座部分包括機(jī)架、安裝在所述的機(jī)架上并且與之轉(zhuǎn)動配合相連的立柱，所述的立柱的一端與由電機(jī)和減速器組成的第一驅(qū)動裝置相連；所述的橫梁部分包括橫梁、所述的橫梁的側(cè)壁上設(shè)置有第一滑動軌道，所述的立柱與所述的橫梁底部固定相連；所述的調(diào)整架部分包括與所述的橫梁頂部固定相連的固定點(diǎn)座，在所述的固定點(diǎn)座上部開有孔，在所述的孔內(nèi)裝有軸承，所述的軸承兩側(cè)分別設(shè)置有軸承壓蓋，所述的軸承內(nèi)圈一側(cè)軸承壓蓋與其上裝有第二滑動導(dǎo)軌的導(dǎo)軌座固定相連，所述的第二滑動導(dǎo)軌上裝有第二一滑塊，所述的第二滑塊與一個輸入輪調(diào)整架固定相連；所述的支撐板部分包括支撐板、在所述的支撐板左右兩側(cè)分別裝有輸入軸、輸出軸，在位于所述的支撐板一側(cè)側(cè)壁處的輸入軸、輸出軸上分別裝有輸入輪、通過第一傳動機(jī)構(gòu)與所述的輸入輪相轉(zhuǎn)動配合的輸出輪，在位于所述的支撐板另一側(cè)的側(cè)壁上設(shè)置有通過第一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠與所述的第一滑動導(dǎo)軌相滑動配合的第一滑塊，所述的輸入輪調(diào)整架的下部與所述的輸入輪固定相連；所述的伸縮體部分包括伸縮座，所述的伸縮座底部與所述的輸出輪固定相連，在所述的伸縮座上裝有其上設(shè)置有第三滑塊的第三滑動導(dǎo)軌，所述的第三滑塊與一個其上裝有手術(shù)工具的手術(shù)工具座固定相連，所述的第三滑塊與第三滑動導(dǎo)軌通過第二驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動能夠相滑動配合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所 述的第一傳動機(jī)構(gòu)包括第一、二傳動絲，所述的第一、二傳動絲通過設(shè)置在所述的支撐板 上的支撐板導(dǎo)向輪和張緊輪系交叉的連接在所述的輸入輪、輸出輪上，所述的第一、二傳 動絲的末端通過壓絲塊固定在所述的輸入輪、輸出輪上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所 述的第一傳動機(jī)構(gòu)包括齒輪，所述的輸入輪和輸出輪間采用齒輪傳動或者所述的第一傳動 機(jī)構(gòu)包括交叉桿，所述的輸入輪和輸出輪間采用交叉桿傳動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所述的 第一驅(qū)動系統(tǒng)包括有第三傳動絲、通過軸承安裝在所述的橫梁上的第一滾珠花鍵副，在所 述的第一滾珠花鍵副的外筒上固定有絲筒，所述的第一滾珠花鍵副的花鍵軸的一側(cè)軸端通 過聯(lián)軸器與由電機(jī)、減速器組成的第二驅(qū)動裝置相連，在所述的橫梁上安裝有換向軸和導(dǎo) 向輪，在所述的支撐板上位于安裝所述的第一滑塊的一側(cè)裝有張緊偏心輪和絲端壓塊，所述的第三傳動絲通過所述的絲筒、換向軸、導(dǎo)向輪、張緊偏心輪并且其末端通過所述的絲 端壓塊固定在所述的支撐板上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所 述的第一驅(qū)動系統(tǒng)包括依次相連的電機(jī)、減速器，所述的輸入軸或輸出軸通過軸承安裝在 所述的支撐板上，所述的減速器通過聯(lián)軸器與所述的輸入軸或輸出軸相連以驅(qū)動所述的輸 入輪或輸出輪轉(zhuǎn)動或者所述的第一驅(qū)動系統(tǒng)包括依次相連的電機(jī)、減速器，所述的導(dǎo)軌座 具有軸端，所述的軸端設(shè)置在所述的固定點(diǎn)座的軸承內(nèi)，所述的導(dǎo)軌座的軸端通過聯(lián)軸器 與所述的減速器相連以驅(qū)動所述導(dǎo)軌座轉(zhuǎn)動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所述的 第二驅(qū)動系統(tǒng)包括有第四傳動絲、分別通過軸承安裝在所述的伸縮座頂部、底部的第二、 三滾珠花鍵副，在所述的第二、三滾珠花鍵副的外筒上分別固定有主動絲筒、隨動絲筒， 所述的第二滾珠花鍵副的花鍵軸的一側(cè)軸端通過聯(lián)軸器與由電機(jī)、減速器組成的第三驅(qū)動 裝置相連，在所述的手術(shù)工具座上安裝有偏心輪和絲壓塊，所述的第四傳動絲通過所述的 主動絲筒、隨動絲筒、偏心輪并且其末端通過所述的絲壓塊固定在所述的手術(shù)工具座上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所述的 第一、二驅(qū)動系統(tǒng)為伺服電機(jī)一絲杠一導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或者為扭轉(zhuǎn)電機(jī)一絲杠一導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于所述的 第一、二驅(qū)動系統(tǒng)為液壓缸結(jié)構(gòu)或者為氣缸結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于在 所述的調(diào)整架部分、基座部分分別設(shè)置有電位器，所述的調(diào)整架部分的電位器的扭柄與導(dǎo) 軌座相連，基座部分的電位器的扭柄與立柱的一端相連。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，其特征在于 伸縮體部分設(shè)置有電位器，所述的電位器的扭柄與設(shè)置在第二滾珠花鍵副的花鍵軸的另一 側(cè)軸端的聯(lián)軸器相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體系統(tǒng)，基座部分包括機(jī)架、立柱；橫梁部分包括橫梁、橫梁上裝有第一滑動軌道，立柱與橫梁相連；調(diào)整架部分包括與橫梁相連的固定點(diǎn)座，在固定點(diǎn)座上裝有裝有其上裝有第二滑塊第二滑動導(dǎo)軌的導(dǎo)軌座相連，第二滑塊與一個輸入輪調(diào)整架相連；支撐板部分包括支撐板、在支撐板左右兩側(cè)分別裝有輸入輪、輸出輪，第一滑塊，輸入輪調(diào)整架與輸入輪相連；伸縮體部分包括伸縮座，伸縮座與輸出輪相連，在伸縮座上裝有其上設(shè)置有第三滑塊的第三滑動導(dǎo)軌，第三滑塊與一個其上裝有手術(shù)工具的手術(shù)工具座相連。本發(fā)明裝置可以保證使用上的安全性、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、并且為醫(yī)生能夠快速接近病人提供了便利。
文檔編號A61B17/00GK101390763SQ20081015276
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者超 何, 張林安, 李建民, 桑宏強(qiáng), 王樹新 申請人:天津大學(xué)