專利名稱：一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人醫(yī)療設(shè)備，尤其涉及一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人手術(shù) 工具。
背景技術(shù)：
隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，微創(chuàng)外科手術(shù)誕生并迅速地推廣開來。它是指借助先進(jìn)的手術(shù)器 械與設(shè)備，醫(yī)生利用細(xì)長的手術(shù)工具通過體表微小切口探入到體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)操作。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(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，這使得病人 遭受的痛苦大大減少，手術(shù)過程中承受的風(fēng)險(xiǎn)得以降低；因此微創(chuàng)外科被廣泛地應(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(shí)，卻對(duì)醫(yī)生的操作帶來了一系列困難， 如靈活性大大降低；操作方向與所期望的方向相反，協(xié)調(diào)性差；工具前端自由度少從而不 能完成復(fù)雜的縫合打結(jié)等手術(shù)動(dòng)作；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；缺乏力感覺等。這些問題造成醫(yī)生訓(xùn)練的復(fù)雜性和長期性，這限制了微 創(chuàng)手術(shù)在諸如心臟手術(shù)、泌尿手術(shù)等一系列復(fù)雜手術(shù)中的運(yùn)用。
在這樣的背景下結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和微創(chuàng)外科技術(shù)的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人孕育而生，他是 指代替醫(yī)生抓持手術(shù)工具完成微創(chuàng)手術(shù)操作的機(jī)器人系統(tǒng)。在手術(shù)中，醫(yī)生通過控制裝置操 作、控制安裝有手術(shù)工具的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)從而間接地完成手術(shù)操作。微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人將醫(yī) 生的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)及機(jī)器人操作的靈敏度高、定位準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、靈活性高、有機(jī)的結(jié)合起來 ，克服了微創(chuàng)手術(shù)操作中存在的大部分問題，如工具靈活性，操作舒適性等問題，并且具 有逐步解決其他問題的潛力。微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)提高了手術(shù)操作的舒適度，縮短了醫(yī)生訓(xùn) 練的時(shí)間，手術(shù)工具更加靈活而能夠勝任于復(fù)雜的手術(shù)操作。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)與進(jìn)步，微創(chuàng) 手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)用被韻為外科手術(shù)新的革命。
同普通微創(chuàng)手術(shù)一樣，在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)過程當(dāng)中，機(jī)器人手術(shù)工具作為唯一進(jìn)入 人體內(nèi)部的部分，也是直接進(jìn)行手術(shù)操作的機(jī)器人部分，因此手術(shù)工具的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接決定了手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的成敗與否，同時(shí)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具的實(shí)際特征與性能指標(biāo)也直接指導(dǎo) 著手術(shù)機(jī)器人其他部分，比如本體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響被動(dòng)部分與支撐定位部分的設(shè)計(jì)， 而且前端手術(shù)工具的技術(shù)指標(biāo)直接決定了主手操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)與布局方式要求?？梢?手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具影響和決定了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，手術(shù)工具性能是一套手術(shù)機(jī) 器人系統(tǒng)性能水平的關(guān)鍵因素。
手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，也伴隨著手術(shù)工具的不斷發(fā)展和進(jìn)步。微創(chuàng)手 術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具是由微創(chuàng)手術(shù)工具發(fā)展而來的，典型的微創(chuàng)手術(shù)工具采用桿傳動(dòng)的傳動(dòng)方 式，前端具有一個(gè)自由度，但是傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)工具僅一個(gè)自由度的設(shè)計(jì)決定了其不能完成 復(fù)雜的手術(shù)操作，限制了微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，也正是對(duì)微創(chuàng)手術(shù)工具的功能，性能上的不 斷完善和改進(jìn)體現(xiàn)了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具的不斷發(fā)展和進(jìn)步。在國際上，美國、法國、 德國、英國、波蘭、日本、韓國等國家政府和學(xué)術(shù)界都給予了極大關(guān)注，并投入了大量的資 金和資源開展微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的研究，研制了多種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具。而在這些 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中僅有三套樣機(jī)達(dá)到了商業(yè)臨床運(yùn)用水平，他們分別是ZEUS、 DA VINCI 、LAPROTEK系統(tǒng)?？v觀這些手術(shù)機(jī)器人末端工具，可以發(fā)現(xiàn)，手術(shù)機(jī)器人末端工具發(fā)展趨勢 是從傳統(tǒng)桿傳動(dòng)、少自由度工具向絲傳動(dòng)、多自由度手術(shù)工具發(fā)展。大量的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng) 未能達(dá)到臨床運(yùn)用水平的一個(gè)重要原因是它們是桿傳動(dòng)、少自由度手術(shù)工具。ZEUS系統(tǒng)也因 此而被DA VINCI系統(tǒng)收購，現(xiàn)存的兩套商業(yè)化微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)都是采用絲傳動(dòng)的四自由 度手術(shù)工具。絲傳動(dòng)、多自由度手術(shù)工具的研究也吸引了學(xué)術(shù)界越來越多的力量。而在我國 ，手術(shù)機(jī)器人的自主開發(fā)處于起步階段，對(duì)手術(shù)工具的研究也處于桿傳動(dòng)、少自由度的水平 ，在多自由度手術(shù)工具方面處于空白狀態(tài)。因此，開發(fā)絲傳動(dòng)，多自由度手術(shù)工具對(duì)填補(bǔ)國 內(nèi)空白，推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。研究具有與國外系統(tǒng)不同的絲傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式 的多自由度手術(shù)工具對(duì)提升我國在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)、技術(shù)地位意義深遠(yuǎn)。
專利號(hào)為6394998的美國專利公開了一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，該手術(shù) 工具結(jié)構(gòu)為四自由度布置，采用鋼絲繩進(jìn)行各自由度運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)。該手術(shù)工具鉗體鋼絲繩從鉗 體中軸線開始向后延伸布置，延伸出的兩段鋼絲繩分別經(jīng)過一次布置于主體側(cè)邊的傳動(dòng)輪實(shí) 現(xiàn)變向，變向后的兩段鋼絲繩分別從安裝于工具后端軸銷上的傳動(dòng)輪兩側(cè)通過，兩段鋼絲繩 在運(yùn)動(dòng)時(shí)互相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)鋼絲傳動(dòng)系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為鉗體傳動(dòng)鋼絲繩不能垂直于 鉗體軸線，因此傳動(dòng)時(shí)鉗體受額外的軸向力，惡化了工具受力情況，增加了絲傳動(dòng)摩擦；布 置于主體側(cè)邊的變向傳動(dòng)輪增大了工具總體外周尺寸，不利于手術(shù)工具尺寸的縮?。煌蟛孔?由度相互交錯(cuò)的驅(qū)動(dòng)鋼絲繩設(shè)計(jì)使傳動(dòng)時(shí)腕部自由度受a角影 ，增加了絲傳動(dòng)摩擦。專利號(hào)為6969385的美國專利公開了一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，該手術(shù) 工具結(jié)構(gòu)同樣為四自由度布置，采用鋼絲繩進(jìn)行各自由度運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)。該手術(shù)工具鉗體鋼絲繩 從鉗體中軸線開始向后延伸布置，在工具主體不經(jīng)過傳動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)變向，未變向的兩段鋼絲繩 從對(duì)稱安裝于工具后端連接桿上的兩個(gè)傳動(dòng)輪中間相切位置通過，即鋼絲繩從腕部自由度中 軸線通過，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)鋼絲傳動(dòng)系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為鉗體傳動(dòng)鋼絲繩不能垂直于鉗體軸線 ，因此傳動(dòng)時(shí)鉗體受額外的軸向力，惡化了工具受力情況，增加了絲傳動(dòng)摩擦；從中間線通 過的鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)在對(duì)稱布置的兩個(gè)傳動(dòng)輪上相互切換，影響絲傳動(dòng)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在醫(yī)生的操作下可實(shí)現(xiàn)多手配合操作，鋼絲繩傳動(dòng)賦予大的 輸出力值和各自由度大的偏轉(zhuǎn)角度，能勝任縫合打結(jié)等復(fù)雜手術(shù)操作的一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng) 、四自由度手術(shù)工具。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，它包括工具連 接桿，所述的工具連接桿一端與動(dòng)力接口部分相連，另一端與工具末端相連，所述的工具末 端包括工具主體，在所述的工具主體的后端固定地連接有主體驅(qū)動(dòng)輪，所述的工具連接桿前 端安裝有后部軸銷，在所述的后部軸銷兩側(cè)分別轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝有兩個(gè)其上設(shè)置有整圈的絲槽的 后部傳動(dòng)輪并且在其中間通過所述的主體驅(qū)動(dòng)輪與工具末端的工具主體轉(zhuǎn)動(dòng)相連，在所述的 工具主體的中部安裝有兩個(gè)中間傳動(dòng)輪軸，靠近所述的主體驅(qū)動(dòng)輪的中間傳動(dòng)輪軸的兩側(cè)分 別安裝有兩個(gè)與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的并且其上設(shè)置有整圈的絲槽的第一中間傳動(dòng)輪，遠(yuǎn)離所述的主 體驅(qū)動(dòng)輪的第二中間傳動(dòng)輪軸兩側(cè)分別安裝有一個(gè)與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的并且其上設(shè)置有整圈的絲 槽的第二中間傳動(dòng)輪，在所述的工具主體的前端安裝有前部軸銷，所述的前部軸銷通過對(duì)稱 安裝在其上的兩個(gè)鉗體驅(qū)動(dòng)輪與工具鉗體相連，所述的鉗體驅(qū)動(dòng)輪與鉗體固定相連，所述的 鉗體驅(qū)動(dòng)輪能夠圍繞所述的前部軸銷轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的每一鉗體驅(qū)動(dòng)輪通過插在所述的鉗體驅(qū)動(dòng) 輪上的固絲結(jié)與一個(gè)前端鋼絲繩的一端固定相連并將所述的前端鋼絲繩分為兩部分，所述的 一部分前端鋼絲繩經(jīng)過第一中間輪一次變向通過所述的后部傳動(dòng)輪與第一電機(jī)軸纏繞相連， 所述的另一部分前端鋼絲繩經(jīng)過第二中間輪、第一中間輪兩次變向通過后部傳動(dòng)輪與第二電 機(jī)軸纏繞相連；所述的本體驅(qū)動(dòng)輪通過插在所述的本體驅(qū)動(dòng)輪上的固絲結(jié)與一個(gè)腕部鋼絲繩 的一端固定相連，所述的腕部鋼絲繩的另一端纏繞在第三電機(jī)軸， 一個(gè)工具自轉(zhuǎn)傳動(dòng)絲一端 纏繞在所述的工具連接桿上，另一端與第四電機(jī)軸纏繞相連。本發(fā)明的微創(chuàng)外科手術(shù)絲傳動(dòng) 、四自由度手術(shù)工具，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果本發(fā)明的工具在機(jī)器人本體系統(tǒng)的輔助下通過細(xì)長桿探入到腹腔內(nèi)部進(jìn)行手術(shù)操作。能 夠在大范圍內(nèi)完成操作。
本發(fā)明的工具是具有四個(gè)自由度的全功能微操作手，能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)完成位置和姿 態(tài)調(diào)整，完成復(fù)雜手術(shù)。
本發(fā)明的工具全部采用鋼絲繩傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，消除回差、保證傳動(dòng)可靠、高效
本發(fā)明的工具鋼絲繩纏繞方法保證各運(yùn)動(dòng)部件不受額外軸向力與a角影響，保證絲傳動(dòng) 系統(tǒng)受力情況最優(yōu)，減小工具摩擦力，有利于后期力感覺功能的擴(kuò)展。
本發(fā)明用于變向的傳動(dòng)輪布置于主體中軸線上，傳動(dòng)輪尺寸不影響總體外周尺寸，有利 于手術(shù)工具尺寸的縮小，從而減小手術(shù)工具探入點(diǎn)的創(chuàng)傷。
本發(fā)明鋼絲繩絲傳動(dòng)系統(tǒng)保證了鋼絲繩閉環(huán)傳動(dòng)總長度保持不變。從而保證了運(yùn)動(dòng)過程 中傳動(dòng)鋼絲不被拉長與縮短，鋼絲繩不在傳動(dòng)輪上相互切換，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)可靠與高精度 地驅(qū)動(dòng)鉗體。
本發(fā)明絲固定方法能提供大輸出力值，能夠勝任膽囊、心臟手術(shù)等大手術(shù)力操作力手術(shù)
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)，具有向其他手動(dòng)外科手術(shù)器械和其 他相關(guān)機(jī)械手領(lǐng)域拓展的潛力。


圖l是本發(fā)明的微創(chuàng)外科手術(shù)絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具在微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人本體 系輔助下手術(shù)操作圖2是本發(fā)明微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具整體圖3是圖2所示的手術(shù)工具的腕部俯仰動(dòng)作圖4是圖2所示的手術(shù)工具的前端偏轉(zhuǎn)動(dòng)作圖5是圖2所示的手術(shù)工具的前端開合動(dòng)作圖6是圖2所示的手術(shù)工具的手術(shù)工具前端各部分分解圖7是圖6所示的主體部分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分解圖； 圖8是圖6所示的鉗體部分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分解圖；圖9是本發(fā)明的手術(shù)工具的絲傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖； 圖10是本發(fā)明的手術(shù)工具的俯仰自由度絲驅(qū)動(dòng)示意圖； 圖ll是本發(fā)明的手術(shù)工具的偏轉(zhuǎn)、開合自由度絲驅(qū)動(dòng)示意圖； 圖12是本發(fā)明的手術(shù)工具的左邊鉗體傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖13是本發(fā)明的手術(shù)工具的左邊鉗體驅(qū)動(dòng)鋼絲繩閉環(huán)總長度不變演示圖; 圖14是本發(fā)明的手術(shù)工具的絲固定示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具做出詳細(xì)說明。
如圖l所示手術(shù)工具在微創(chuàng)手術(shù)本體系統(tǒng)l的輔助下執(zhí)行手術(shù)操作，本體系統(tǒng)具有三個(gè) 運(yùn)動(dòng)自由度，分別是兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)R1， R2和一個(gè)移動(dòng)自由度P1，并且三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的軸線交于 點(diǎn)l-3，對(duì)于本體系統(tǒng)的所有運(yùn)動(dòng)方式，這個(gè)點(diǎn)相對(duì)于本體系統(tǒng)基座是固定不變的。在實(shí)際
手術(shù)操作時(shí)，這個(gè)固定點(diǎn)就是人體表皮l-l上的手術(shù)工具探入點(diǎn)l-3。本體系統(tǒng)具有的圍繞工
具探入點(diǎn)的這兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)負(fù)責(zé)完成安裝于本體系統(tǒng)上的手術(shù)工具桿在大范圍內(nèi)
的位置調(diào)整操作；手術(shù)工具的四個(gè)自由度R4， R5， R6， C7完成手術(shù)工具末端的末端執(zhí)行器的小 范圍位置調(diào)整、姿態(tài)調(diào)整和開合操作。以上所有的自由度能夠靈活地調(diào)整末端工具2相對(duì)于 人體內(nèi)部器官l-2的相對(duì)位置，完成手術(shù)操作各項(xiàng)動(dòng)作。
如圖2所示本發(fā)明微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具具有三部分，分別是工具動(dòng)力 接口部分3，工具連接桿4和工具末端2。工具動(dòng)力接口部分3具有與安裝在本體系統(tǒng)1上的電 機(jī)動(dòng)力的接口元件，并通過傳動(dòng)鋼絲牽拉工具末端3個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)各自由度運(yùn)動(dòng)的傳遞。 本體系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)可以采用中國專利CN101390763公開的機(jī)構(gòu)，也可以采用其他能提供圍繞人 體表皮工具探入點(diǎn)三自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。工具連接桿4提供工具動(dòng)力接口部分3和工具 末端2的剛性連接，內(nèi)部通過驅(qū)動(dòng)前端各自由度的6根傳動(dòng)鋼絲繩，工具連接桿4內(nèi)部兩側(cè)的 位置分別安裝了一個(gè)絲導(dǎo)向塊4-l，絲導(dǎo)向塊4-l上分別有6個(gè)孔，用于對(duì)通過手術(shù)工具連接 桿內(nèi)部的鋼絲繩進(jìn)行導(dǎo)向，防止手術(shù)工具運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼絲繩互相纏繞。所述的工具連接桿內(nèi)部前 后端也可以不安裝絲導(dǎo)向塊，而是在機(jī)械裝配時(shí)嚴(yán)格防止六根傳動(dòng)鋼絲間的相互纏繞。
如圖3，圖4，圖5所示工具末端2具有三個(gè)自由度，分別是末端工具的腕部俯仰自由度 R5，末端工具的前端偏轉(zhuǎn)自由度R6，末端工具的開合自由度C7。腕部俯仰自由度R5軸線垂直 于工具自轉(zhuǎn)自由度R4，提供工具主體部分2-1繞R5軸線的角度偏轉(zhuǎn)；前端偏轉(zhuǎn)自由度R6軸線同時(shí)垂直于工具自轉(zhuǎn)自由度R4和腕部俯仰自由度R5軸線，提供工具鉗體部分2-2繞R6軸線的 角度偏轉(zhuǎn)；末端工具的開合自由度C7軸線重合于前端偏轉(zhuǎn)自由度R6軸線，提供兩個(gè)工具鉗體 2-ll之間的相對(duì)張開與閉合。
如圖6所示工具末端2由工具末端連接桿部分2-3，工具主體部分2-l，鉗體部分2-2三 部分組成，工具末端連接桿部分剛性連接在連接桿4上，其前端布置了后部軸銷2-4，后部軸 銷上安裝了后部傳動(dòng)輪2-6作為末端工具絲傳動(dòng)系統(tǒng)的絲導(dǎo)向元件。
工具主體部分2-l安裝于后部軸銷2-4上，在腕部鋼絲繩2-12的牽拉下能夠圍繞后部軸銷 2-4轉(zhuǎn)動(dòng)。在所述的工具主體的后端固定的連接有主體驅(qū)動(dòng)輪并且在其中部安裝有兩個(gè)中間 傳動(dòng)輪軸，靠近所述的主體驅(qū)動(dòng)輪的中間傳動(dòng)輪軸的兩側(cè)分別安裝有兩個(gè)與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的并 且其上設(shè)置有整圈的絲槽的第一中間傳動(dòng)輪2-7，遠(yuǎn)離所述的主體驅(qū)動(dòng)輪的第二中間傳動(dòng)輪 軸兩側(cè)分別安裝有一個(gè)與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的并且其上設(shè)置有整圈的絲槽的第二中間傳動(dòng)輪2-7， 工具主體部分布置了中間傳動(dòng)輪作為末端工具絲傳動(dòng)系統(tǒng)的絲導(dǎo)向元件。主體部分絲牽拉原 理如圖7所示，主體驅(qū)動(dòng)輪2-8 — 2通過銷釘2-9與工具主體2-10鉚接在一起。所述的主體驅(qū)動(dòng) 輪與工具主體也可以通過焊接或膠接連接為一體。如圖10所示，主體驅(qū)動(dòng)輪2-8-2與腕部鋼 絲繩2-12通過固絲結(jié)2-15與主體驅(qū)動(dòng)輪焊接或膠接在一起，或者所述的腕部鋼絲繩與主體驅(qū) 動(dòng)輪固定方法為通過固定于工具主體上的壓絲塊壓緊鋼絲繩或鋼絲繩上的固絲結(jié)。因此后端 電機(jī)帶動(dòng)腕部鋼絲繩2-12牽拉運(yùn)動(dòng)的時(shí)候能夠帶動(dòng)主體驅(qū)動(dòng)輪2-8 — 2圍繞后部軸銷2-4轉(zhuǎn)動(dòng) ，繼而帶動(dòng)主體部分2-l圍繞后部軸銷2-4轉(zhuǎn)動(dòng)，完成腕部俯仰自由度R5。
兩個(gè)完全相同的鉗體部分2-2對(duì)稱安裝于前部軸銷2-5上，在前端鋼絲繩2-13的牽拉下能 夠圍繞前部軸銷2-5轉(zhuǎn)動(dòng)。兩鉗體部分的咬合面加工了適合手術(shù)操作的齒形，以利于手術(shù)過 程中有效地夾持組織或手術(shù)縫合針等手術(shù)器械。兩鉗體的絲牽拉方式完全相同且對(duì)稱布置， 單個(gè)部分絲牽拉原理如圖12所示，鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l通過銷釘2-9與工具鉗體2-ll通過焊接或 膠接連接一體。如圖10所示，鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l與前端鋼絲繩2-13通過固絲結(jié)2-15焊接或膠 接在一起，或者所述的前端鋼絲繩與鉗體驅(qū)動(dòng)輪固定方法為通過固定于鉗體上的壓絲塊壓緊 鋼絲繩或鋼絲繩上的固絲結(jié)。因此后端電機(jī)帶動(dòng)前端鋼絲繩2-13牽拉運(yùn)動(dòng)的時(shí)候能夠帶動(dòng)鉗 體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l圍繞前部軸銷2-5轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)鉗體部分2-ll圍繞前部軸銷2-5轉(zhuǎn)動(dòng)。
電機(jī)通過傳動(dòng)前端鋼絲繩帶動(dòng)兩結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱布置的鉗體2-ll圍繞前部軸銷2-5轉(zhuǎn)動(dòng) 。兩鉗體2-11同向轉(zhuǎn)動(dòng)提供末端工具的前端偏轉(zhuǎn)自由度R6，兩鉗體2-ll反向轉(zhuǎn)動(dòng)提供末端工 具的開合自由度C7。
如圖9所示本發(fā)明微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具四個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)完全采用鋼絲繩傳動(dòng)，且都是閉環(huán)鋼絲繩傳動(dòng)。其中工具自轉(zhuǎn)自由度R4傳動(dòng)鋼絲一端纏繞于工具連接桿4 上，鋼絲繩另一端纏繞于電機(jī)軸2-61上，從而整個(gè)自轉(zhuǎn)鋼絲繩2-14組成一個(gè)閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 帶動(dòng)自轉(zhuǎn)鋼絲繩2-14牽拉運(yùn)動(dòng)繼而帶動(dòng)連接桿4與固定于其上的工具末端2相對(duì)于工具動(dòng)力接 口部分3轉(zhuǎn)動(dòng)，完成工具自轉(zhuǎn)自由度R4;腕部俯仰自由度R5腕部鋼絲繩2-12—端與主體驅(qū)動(dòng) 輪固定連接在一起，另一端纏繞于電機(jī)軸上，從而整個(gè)鋼絲繩組成一個(gè)閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng) 腕部鋼絲繩2-12牽拉運(yùn)動(dòng)繼而帶動(dòng)主體驅(qū)動(dòng)輪2-8 — 2與固定其上的工具主體部分2-l圍繞后 部軸銷2-4轉(zhuǎn)動(dòng)，完成腕部俯仰自由度R5;工具前端兩鉗體2-ll采用相同且對(duì)稱安裝的傳動(dòng) 系統(tǒng)，對(duì)于其中一個(gè)鉗體的傳動(dòng)鋼絲繩，該前端鋼絲繩2-13—端與鉗體驅(qū)動(dòng)輪固定連接在一 起，另一端經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)的中間傳動(dòng)輪2-7、后部傳動(dòng)輪2-6最終纏繞于電機(jī)軸上，從而整個(gè) 鋼絲繩組成一個(gè)閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲繩牽拉運(yùn)動(dòng)繼而帶動(dòng)鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l與固定其上 的工具鉗體2-ll圍繞前部軸銷2-5轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一個(gè)鉗體自由度控制。兩工具鉗體2-ll同向轉(zhuǎn) 動(dòng)提供末端工具的前端偏轉(zhuǎn)自由度R6，兩工具鉗體2-ll反向轉(zhuǎn)動(dòng)提供末端工具的開合自由度 C7。
兩工具鉗體2-ll的傳動(dòng)系統(tǒng)為該微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具核心部分，其采用 閉環(huán)鋼絲繩傳動(dòng)，閉環(huán)鋼絲繩傳動(dòng)特性要求傳動(dòng)鋼絲總長度不變。其中左邊鉗體傳動(dòng)系統(tǒng)如 圖12所示該鉗體安裝于相對(duì)于工具主體軸線2-17的左半部分，與工具鉗體2-ll固定的鉗體 驅(qū)動(dòng)輪2-8-l上的固絲點(diǎn)2-15將前端鋼絲繩2-13分為兩部分，其中鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l引出的處 于主體軸線2-17的左上位置的鋼絲繩部分，其沿工具主體軸線2-17向后延伸，經(jīng)過第二中間 傳動(dòng)輪2-7進(jìn)行一次轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向相對(duì)于工具主體軸線2-17的右上位置，該傳動(dòng)鋼絲部分從相 對(duì)于工具主體軸線2-17的右上位置穿過后部傳動(dòng)輪2-6并由其導(dǎo)向從右上位置延伸到電機(jī)軸 上；鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l引出的處于工具主體軸線2-17的左下位置的鋼絲繩部分，其沿工具主 體軸線2-17向后延伸，先經(jīng)過第二中間傳動(dòng)輪2-7進(jìn)行一次轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向相對(duì)于工具主體軸線 2-17的右下位置，后再次經(jīng)過第一中間傳動(dòng)輪2-7進(jìn)行一次轉(zhuǎn)向，從而轉(zhuǎn)向相對(duì)于工具主體 軸線2-17的左下位置，該傳動(dòng)鋼絲部分從相對(duì)于工具主體軸線2-17的左下位置穿過后部傳動(dòng) 輪2-6并由其導(dǎo)向從左下位置延伸到電機(jī)軸上。如上所述的前端鋼絲繩2-13分別從后部驅(qū)動(dòng) 輪2-6輪系的左側(cè)與右側(cè)通過。
在滿足前端鋼絲繩2-13分別從后部驅(qū)動(dòng)輪2-6輪系的左側(cè)與右側(cè)通過的情況下，當(dāng)腕部 俯仰自由度R5運(yùn)動(dòng)時(shí)即如圖13左圖所示，當(dāng)手術(shù)工具主體2-10相對(duì)于連接桿2-3逆時(shí)針轉(zhuǎn) 過一定角度時(shí)，纏繞于后部傳動(dòng)輪2-6上的前端鋼絲繩2-13增加了2-18段；如圖13左圖所示 ，同樣當(dāng)手術(shù)工具主體2-10相對(duì)于連接桿2-3逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，纏繞于后部傳動(dòng)輪2-6上的前端鋼絲繩2-13縮短了2-19段，因?yàn)楹蟛總鲃?dòng)輪2-6的半徑相同，因此2-18段與2-19段 的弧長相等，兩者相互抵消即腕部俯仰自由度R5運(yùn)動(dòng)時(shí)該前端鋼絲繩2-13閉環(huán)傳動(dòng)總長度保 持不變。從而保證了運(yùn)動(dòng)過程中傳動(dòng)鋼絲不被拉長與縮短，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)可靠與高精度地 驅(qū)動(dòng)鉗體2-11。
傳動(dòng)鋼絲繩采用如圖14所示的方式與各驅(qū)動(dòng)輪固定，驅(qū)動(dòng)輪上加工有固絲凹槽2-20，用 于固定固絲結(jié)2-15，鋼絲繩進(jìn)行打結(jié)2-16以后由釬焊熔液或高強(qiáng)度膠水包覆固化，后修整形 狀加工成固絲結(jié)2-15，固絲結(jié)2-15與固絲凹槽2-20焊接或膠接于一體，完成鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪 2-8上的固定。
所述的腕部、前端鉗體傳動(dòng)鋼絲繩也可以采用分別與主體、鉗體驅(qū)動(dòng)輪通過一圈以上纏 繞方式固定。但是采用一圈以上纏繞的絲固定方式會(huì)產(chǎn)生a問題，即鋼絲繩傳動(dòng)工程中會(huì)對(duì) 驅(qū)動(dòng)輪軸上產(chǎn)生一個(gè)額外的彎矩，從而惡化驅(qū)動(dòng)輪及傳動(dòng)元件的受力情況。
以上示意性地對(duì)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，如果相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員受 其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)情況下，采用其它具體結(jié)構(gòu)形式，絲固定方 式以及將本發(fā)明絲固定方式用于絲傳動(dòng)機(jī)器人、手術(shù)器械相關(guān)領(lǐng)域，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
下面說明本發(fā)明微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具的動(dòng)作實(shí)施過程。 1.四自由度運(yùn)動(dòng)
手術(shù)工具具有四個(gè)自由度以完成手術(shù)工具末端的末端執(zhí)行器的小范圍位置調(diào)整、姿態(tài)調(diào) 整和開合操作。上述自由度分別是工具自轉(zhuǎn)自由度R4;末端工具腕部俯仰自由度R5;末端 工具前端偏轉(zhuǎn)自由度R6;末端工具開合自由度C7。
工具自轉(zhuǎn)自由度M自轉(zhuǎn)鋼絲繩2-14—端纏繞于工具連接桿4上，另一端纏繞于電機(jī)軸 2-62上，從而整個(gè)自轉(zhuǎn)鋼絲繩組成一個(gè)閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)自轉(zhuǎn)鋼絲繩牽拉運(yùn)動(dòng)繼而帶動(dòng)工 具連接桿4與固定于其上的工具末端2相對(duì)于工具動(dòng)力接口部分3轉(zhuǎn)動(dòng)，完成工具自轉(zhuǎn)自由度
R4;
腕部俯仰自由度R5腕部鋼絲繩2-12—端與本體驅(qū)動(dòng)輪2-8 — 1固定連接在一起，鋼絲繩另 一端纏繞于電機(jī)軸上，從而整個(gè)鋼絲繩組成一個(gè)閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲繩牽拉運(yùn)動(dòng)繼而帶 動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪與固定其上的工具主體部分圍繞后部軸銷2-4轉(zhuǎn)動(dòng)，完成腕部俯仰自由度R5;
工具前端兩鉗體2-ll采用相同且對(duì)稱安裝的傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于其中一個(gè)鉗體的傳動(dòng)鋼絲繩抓前端鋼絲繩2-13—端與鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-l固定連接在一起，前端鋼絲繩另一端經(jīng)過傳動(dòng)系 統(tǒng)的中間、后部傳動(dòng)輪2-7、 2-6最終纏繞于電機(jī)軸2-60或2-61上，從而整個(gè)鋼絲繩組成一個(gè) 閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲繩牽拉運(yùn)動(dòng)繼而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪與固定其上的工具主體部分圍繞前部軸 銷2-5轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一個(gè)鉗體自由度控制。兩工具鉗體2-ll同向轉(zhuǎn)動(dòng)提供末端工具的前端偏轉(zhuǎn) 自由度R6，兩鉗體2-ll反向轉(zhuǎn)動(dòng)提供末端工具的開合自由度C7。
2. 工具鉗體絲傳動(dòng)系統(tǒng)
工具鉗體絲傳動(dòng)系統(tǒng)采用閉環(huán)鋼絲繩傳動(dòng)，閉環(huán)鋼絲繩傳動(dòng)特性要求傳動(dòng)鋼絲總長度不 變。兩個(gè)工具鉗體的絲傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱安裝。單個(gè)工具鉗體鋼絲繩分別從鉗體驅(qū)動(dòng) 輪靠外的兩側(cè)軸線開始向后延伸布置，單個(gè)鉗體傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪固絲點(diǎn)2-15將前端鋼絲繩 2-13分成上下兩部分，上部分前端鋼絲繩經(jīng)過一次變向通過后部傳動(dòng)輪，下部分前端鋼絲繩 經(jīng)過兩次變向通過后部傳動(dòng)輪，即工具鉗體前端鋼絲繩分別從后部驅(qū)動(dòng)輪2-6輪系的左側(cè)與 右側(cè)通過。如圖13所示，當(dāng)腕部俯仰自由度R5運(yùn)動(dòng)時(shí)纏繞于后部傳動(dòng)輪2-6上的上部分鋼 絲繩增加了2-18段；纏繞于后部傳動(dòng)輪2-6上的下部分鋼絲繩縮短了2-19段，2-18段與2-19 段的弧長相等，兩者相互抵消即腕部俯仰自由度R5運(yùn)動(dòng)時(shí)該鉗體鋼絲繩閉環(huán)傳動(dòng)總長度保持 不變。從而保證了運(yùn)動(dòng)過程中傳動(dòng)鋼絲不被拉長與縮短，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)可靠與高精度地驅(qū) 動(dòng)鉗體。
前端鋼絲繩分別從鉗體驅(qū)動(dòng)輪靠外的兩側(cè)軸線開始向后延伸布置，決定設(shè)計(jì)過程中通過 調(diào)整中間傳動(dòng)輪大小以保證中間傳動(dòng)輪的大小正好與兩對(duì)稱安裝的前端鋼絲繩間的距離相等 從而保證鉗體驅(qū)動(dòng)輪2-8-1引出的兩部分鋼絲繩平行于主體軸線2-17，即垂直于鉗體驅(qū)動(dòng)輪 2-8-l軸線，因此在鋼絲繩牽拉過程中承力的情況下，驅(qū)動(dòng)輪不產(chǎn)生沿軸向的分力，即不受 額外軸向力影響，驅(qū)動(dòng)輪非多圈纏繞保證了不受a角影響，以上兩方面保證絲傳動(dòng)系統(tǒng)受力 情況最優(yōu)，有利于減小絲傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦受力。
本設(shè)計(jì)中也可以通過調(diào)整所述的鉗體驅(qū)動(dòng)輪和中間傳動(dòng)輪的半徑，從而所述的前端鋼絲 繩在鉗體驅(qū)動(dòng)輪引出至所述的第一或第二中間傳動(dòng)輪的部分的鋼絲繩不平行于所述的工具主 體的軸線。但是鋼絲繩不平行于主體軸線時(shí)，在傳動(dòng)過程中能會(huì)產(chǎn)生如美國專利6394998， 6969385類似產(chǎn)生對(duì)前端鉗體額外的軸向力，從而增大傳動(dòng)摩擦，惡化了前端鉗體受力情況
3. 驅(qū)動(dòng)輪絲固定方式
驅(qū)動(dòng)輪上加工有固絲凹槽2-20，用于固定固絲結(jié)2-15，鋼絲繩進(jìn)行打結(jié)成2-16以后由釬
12焊熔液或高強(qiáng)度膠水包覆固化，后修整形狀加工成固絲結(jié)2-15，固絲結(jié)2-15與固絲凹槽2-20 焊接或膠接于一體，完成鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪2 — 8上的固定。鋼絲繩通過絲打結(jié)后包覆的方式制 作固絲結(jié)，從而驅(qū)動(dòng)鋼絲繩通過固絲結(jié)牽拉驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，鋼絲繩以打結(jié)處兩端的絲軸向拉伸力 提供驅(qū)動(dòng)力，比現(xiàn)有手術(shù)工具通過絲與固絲結(jié)摩擦力提供驅(qū)動(dòng)力的方式能提供更大的負(fù)載能 力，保證手術(shù)工具大輸出力值。
權(quán)利要求
1.一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，它包括工具連接桿，所述的工具連接桿一端與動(dòng)力接口部分相連，另一端與工具末端相連，所述的工具末端包括工具主體，在所述的工具主體的后端固定地連接有主體驅(qū)動(dòng)輪，所述的工具連接桿前端安裝有后部軸銷，在所述的后部軸銷兩側(cè)分別轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝有兩個(gè)其上設(shè)置有整圈的絲槽的后部傳動(dòng)輪并且在其中間通過所述的主體驅(qū)動(dòng)輪與工具末端的工具主體轉(zhuǎn)動(dòng)相連，其特征在于在所述的工具主體的中部安裝有兩個(gè)中間傳動(dòng)輪軸，靠近所述的主體驅(qū)動(dòng)輪的中間傳動(dòng)輪軸的兩側(cè)分別安裝有兩個(gè)與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的并且其上設(shè)置有整圈的絲槽的第一中間傳動(dòng)輪，遠(yuǎn)離所述的主體驅(qū)動(dòng)輪的第二中間傳動(dòng)輪軸兩側(cè)分別安裝有一個(gè)與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的并且其上設(shè)置有整圈的絲槽的第二中間傳動(dòng)輪，在所述的工具主體的前端安裝有前部軸銷，所述的前部軸銷通過對(duì)稱安裝在其上的兩個(gè)鉗體驅(qū)動(dòng)輪與工具鉗體相連，所述的鉗體驅(qū)動(dòng)輪與鉗體固定相連，所述的鉗體驅(qū)動(dòng)輪能夠圍繞所述的前部軸銷轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的每一鉗體驅(qū)動(dòng)輪通過插在所述的鉗體驅(qū)動(dòng)輪上的固絲結(jié)與一個(gè)前端鋼絲繩的一端固定相連并將所述的前端鋼絲繩分為兩部分，所述的一部分前端鋼絲繩經(jīng)過第一中間輪一次變向通過所述的后部傳動(dòng)輪與第一電機(jī)軸纏繞相連，所述的另一部分前端鋼絲繩經(jīng)過第二中間輪、第一中間輪兩次變向通過后部傳動(dòng)輪與第二電機(jī)軸纏繞相連；所述的本體驅(qū)動(dòng)輪通過插在所述的本體驅(qū)動(dòng)輪上的固絲結(jié)與一個(gè)腕部鋼絲繩的一端固定相連，所述的腕部鋼絲繩的另一端纏繞在第三電機(jī)軸，一個(gè)工具自轉(zhuǎn)傳動(dòng)絲一端纏繞在所述的工具連接桿上，另一端與第四電機(jī)軸纏繞相連。
2 根據(jù)權(quán)利l要求所述的微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，其特征在于在所述的工具連接桿內(nèi)前后端分別安裝有其上開有六個(gè)孔的絲導(dǎo)向塊，所述的一部分前端鋼絲繩經(jīng)過第一中間輪一次變向通過所述的后部傳動(dòng)輪以及絲導(dǎo)向塊與第一電機(jī)軸纏繞相連，所述的另一部分前端鋼絲繩經(jīng)過第二中間輪、第一中間輪兩次變向通過后部傳動(dòng)輪以及絲導(dǎo)向塊與第二電機(jī)軸纏繞相連；所述的腕部鋼絲繩的另一端通過所述的絲導(dǎo)向塊后纏繞在第三電機(jī)軸上。
3.根據(jù)權(quán)利l要求所述的微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，其特征在于所述的前端鋼絲繩分別從鉗體驅(qū)動(dòng)輪靠外的兩側(cè)軸線開始向后延伸布置，所述的鉗體驅(qū)動(dòng)輪引出的兩部分前端鋼絲繩垂直于鉗體驅(qū)動(dòng)輪軸線。
4.根據(jù)權(quán)利l要求所述的微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，其特征在于所述的腕部和前端鋼絲繩通過固絲結(jié)分別卡入所述的主體、鉗體驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)輪固絲凹槽實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪上的固定。
5.根據(jù)權(quán)利l要求所述的微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，其特征在于所述鋼絲繩固絲結(jié)內(nèi)部為絲纏繞打結(jié)，外部由釬焊熔液或高強(qiáng)度膠水包覆固化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微創(chuàng)外科絲傳動(dòng)、四自由度手術(shù)工具，它包括工具連接桿，工具連接桿一端與工具末端相連，工具末端包括工具主體，在工具主體的后端連接有主體驅(qū)動(dòng)輪，工具連接桿前端安裝有后部軸銷，在后部軸銷兩側(cè)分別安裝有兩個(gè)后部傳動(dòng)輪并且在其中間通過主體驅(qū)動(dòng)輪與工具末端的工具主體相連，在工具主體的中部安裝有兩個(gè)其上裝有中間傳動(dòng)輪的中間傳動(dòng)輪軸，在工具主體前端安裝有前部軸銷，前部軸銷通過安裝在其上的兩個(gè)鉗體驅(qū)動(dòng)輪與工具鉗體相連；每一鉗體驅(qū)動(dòng)輪與一個(gè)前端鋼絲繩的一端固定相連并將前端鋼絲繩分為兩部分，一部分經(jīng)過一次變向，另一部分經(jīng)過中間輪兩次變向。本發(fā)明的工具采用鋼絲繩實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，消除回差、保證傳動(dòng)可靠。
文檔編號(hào)A61B17/94GK101637402SQ20091030605
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者超 何, 李建民, 桑宏強(qiáng), 王曉菲, 王樹新 申請(qǐng)人:天津大學(xué)