專利名稱：微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種快換機構，具體涉及一種微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構。
背景技術：
微創(chuàng)手術是指醫(yī)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 行手術操作的，是傳統(tǒng)外科手術與高科技手術器械以及電子顯示系統(tǒng)相結合的前沿技術。微創(chuàng)外科手術所用的內窺鏡可深達手術部位，使得實施手術的醫(yī)生的手無需進入 體內，大大減少了對病患臟器的損傷和對臟器功能的干擾，也使術后恢復時間縮短。然而， 微創(chuàng)手術為病人帶來諸多利益的同時，也使醫(yī)療器械的操作難度大為提高，如(1)由于體 表切口限制了工具自由度個數(shù)，靈活性大為降低；( 醫(yī)生只能通過內窺設備顯示器上的 二維圖像獲得手術場景信息，缺乏深度感覺；C3)醫(yī)生手部的抖動可能會被細長的手術工 具放大；(4)缺乏力感覺等。因此，醫(yī)生必須經(jīng)過長期訓練才能夠進行微創(chuàng)手術操作。即使 如此，目前微創(chuàng)手術也僅僅應用在操作相對比較簡單的手術過程之中。在微創(chuàng)手術機器人手術過程當中，手術工具是唯一與人體病變組織相接觸的部 分，也是直接執(zhí)行手術操作的機器人部分，因此，手術工具的性能是微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)綜 合性能的關鍵所在。為適應現(xiàn)代化微創(chuàng)手術的要求，手術工具的設計應滿足結構精巧、操作 靈活、形式多樣、易于更換、適合醫(yī)療環(huán)境等要求，特別是手術工具應有較多的自由度以滿 足靈活性要求，且要易于更換才能實現(xiàn)復雜的手術操作。因此，與手術工具相配套的快換機 構的性能也是微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)綜合性能的重要組成部分，其性能指標不僅影響著手術 工具的使用，還直接決定了本體系統(tǒng)的設計指標與布局方式?？傊?，手術工具與快換裝置的 性能是體現(xiàn)手術機器人系統(tǒng)整體性能水平的關鍵因素。在國際上，微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)研究領域已有多套套樣機達到了商業(yè)臨床應用水 平，包括da Vinci、Zeus、LAPR0TEK系統(tǒng)等。通過研究手術機器人系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，手術工 具系統(tǒng)主要由工具部分和快換裝置組成。工具部分的發(fā)展趨勢是由桿傳動、低自由度向絲 傳動、多自由度發(fā)展，其結構雖越來越簡化，功能卻變得越來越強大；快換裝置則是逐漸向 緊湊型、集成型發(fā)展，性能也變的越來越高效、穩(wěn)定?，F(xiàn)存的兩套商業(yè)化微創(chuàng)手術機器人都 是采用絲傳動的四自由度手術工具系統(tǒng)，但這些手術工具系統(tǒng)仍存在結構布局分散，外形 尺寸較大等缺點，所以手術工具系統(tǒng)仍有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖覈?，微?chuàng)外科手術機器人的研發(fā)還處于起步階段，尤其對手術工具系統(tǒng)的研 究，與國外技術相比還有較大的差距，因此，開發(fā)絲傳動、多自由度手術工具及相配套的性 能更為穩(wěn)定高效的快換裝置對填補國內空白，推進相關領域技術進步具有重要意義。研究 開發(fā)與現(xiàn)有系統(tǒng)擁有不同的絲傳動形式和快換方式的多自由度手術工具系統(tǒng)對于提升我 國在該科研領域的學術、技術地位具有深遠意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可以實現(xiàn)手術工具系統(tǒng)與機器人本體系統(tǒng)的快速安裝與分離并可以有效縮小整個手術工具系統(tǒng)的外形尺寸，使得絲傳動 更加平穩(wěn)、精確的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構。微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，它包括由上接口末端右瓣傳動組件、上接 口末端左瓣傳動組件、上接口腕部俯仰傳動組件和上接口自轉傳動組件組成的上接口傳動 系統(tǒng)，由下接口末端右瓣傳動組件、下接口末端左瓣傳動組件、下接口腕部俯仰傳動組件和 下接口自轉傳動組件組成的下接口傳動系統(tǒng)以及由末端右瓣驅動組件、末端左瓣驅動組 件、腕部俯仰驅動組件和自轉傳動驅動組件組成的手術工具驅動系統(tǒng)，所述的上接口傳動 系統(tǒng)中的每一傳動組件垂直設置在快換盒基座和與快換盒基座固定相連的盒蓋板之間，其 軸線沿與上接口傳動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線垂直設置的自轉連接軸通過軸承 與快換盒基座前端的軸承座孔相連，在所述的自轉連接軸的一端設置有絲槽并且其絲槽端 設置在上接口腕部俯仰傳動組件和上接口自轉傳動組件之間，經(jīng)上接口自轉傳動組件固絲 纏繞后的傳動鋼絲繩與自轉連接軸的絲槽端旋繞相連，分別旋繞在上接口末端右瓣傳動組 件、上接口末端左瓣傳動組件和上接口腕部俯仰傳動組件上的傳動鋼絲繩先各自通過一個 與其對應設置的快換盒傳動導向輪機構導向，然后穿過自轉連接軸的中心孔再分別與工具 腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣轉動相連，每一個快換盒傳動導向輪機構連接在所述 的快換盒基座和盒蓋板之間，所述的手術工具驅動系統(tǒng)中的每一驅動組件均包括驅動源， 驅動源的輸出軸與下接口傳動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線垂直設置，固絲輪結構抱 緊在驅動源的輸出軸上。所述的下接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件均連接在基座基架上，所述的下接口傳 動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線均沿與所述的上接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件相 平行的方向設置，分別旋繞在所述的下接口傳動系統(tǒng)中的每一個傳動組件上的傳動鋼絲繩 各自通過與其對應設置的一組下接口傳動導向輪機構導向后再分別與相應驅動源輸出軸 上的固絲輪結構旋繞以使兩者轉動相連，下接口傳動導向輪機構均連接在基座基架上。所述的上接口傳動系統(tǒng)中的四個傳動組件的底部能夠與下接口傳動組件中的四 個傳動組件的頂部一一對應以使上、下接口傳動系統(tǒng)中的組件兩兩滑動相連，在所述的基 座基架和快換盒基座之間設置有限位鎖緊機構。采用本發(fā)明裝置的有益效果是1、本發(fā)明具有結構緊湊、重量輕、傳動可靠、快換 效率高等優(yōu)點。2、本發(fā)明應用領域可以是任何方面的微創(chuàng)外科手術，具有向其它手術領域 拓展的潛力。3.本發(fā)明機構保證了鋼絲閉環(huán)傳動總長度保持不變。從而保證了各機構運動 過程中傳動鋼絲不會被拉長或縮短，保證了傳動的穩(wěn)定可靠與傳動精度。4、本發(fā)明各自由 度的傳動方式均為絲傳動，保證了在狹小的空間中傳動方向的任意更改，實現(xiàn)多自由度快 換機構的緊湊設計。5、本發(fā)明絲固定與張緊機構實現(xiàn)通過一個固絲輪鎖緊件鎖緊同一根鋼 絲兩端兩個自由度的運動，實現(xiàn)了鋼絲傳動的絲固定鎖緊機構的緊湊設計。6、本發(fā)明限位 鎖緊機構具有兩個極限位置，能夠在兩個極限位置間快速切換，從而實現(xiàn)手術工具的快速 裝拆，能夠充分滿足微創(chuàng)外科手術操作過程中使用不同工具的要求。7、本發(fā)明提供穩(wěn)定的 大輸出力值，可勝任膽囊、心臟手術等大操作力手術。


圖1是本發(fā)明的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構的總裝示意圖2是本體系統(tǒng)與圖1所示的快換機構連接示意圖；圖3是圖1所示的快換機構與直線副結構相連接自由度示意圖；圖4-1和4-2是圖1所示的快換機構的限位裝置結構與原理示意圖；圖5是圖1所示的快換機構的分離示意圖；圖6是圖1所示的快換機構的快換盒部分結構與自由度示意圖；圖7是圖6所示的快換盒部分內部結構示意圖；圖8是圖6所示的快換盒部分傳動結構示意圖；圖9是圖6所示的快換盒中上接口傳動組件分解示意圖；圖10是圖1所示的快換機構的基座傳動結構示意圖；圖11是圖10所示的基座中下接口傳動組件分解示意圖；圖12是本發(fā)明快換機構的絲傳動原理示意具體實施例方式下面結合具體的實施例，并參照附圖，對本發(fā)明做進一步的說明如附圖所示的本發(fā)明的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，它包括由上接口末 端右瓣傳動組件7-4、上接口末端左瓣傳動組件7-3、上接口腕部俯仰傳動組件7-2和上接 口自轉傳動組件7-1組成的上接口傳動系統(tǒng)，由下接口末端右瓣傳動組件10-8、下接口末 端左瓣傳動組件10-7、下接口腕部俯仰傳動組件10-6和下接口自轉傳動組件10-5組成的 下接口傳動系統(tǒng)以及由末端右瓣驅動組件10-4、末端左瓣驅動組件10-3、腕部俯仰驅動組 件10-2和自轉傳動驅動組件10-1組成的驅動系統(tǒng)。所述的上接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動 組件均垂直安裝在快換盒基座6-5和與快換盒基座固定相連的盒蓋板6-4之間。自轉連接 軸8-6的旋轉軸線與上接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件的旋轉軸線垂直設置并且自轉連 接軸8-6通過軸承與快換盒基座前端的軸承座孔相連。自轉連接軸的一端設置有絲槽并且 絲槽端設置在上接口腕部俯仰傳動組件和上接口自轉傳動組件之間，經(jīng)上接口自轉傳動組 件固絲纏繞后的傳動鋼絲繩與自轉連接軸的絲槽端旋繞相連，分別旋繞在上接口末端右瓣 傳動組件、上接口末端左瓣傳動組件和上接口腕部俯仰傳動組件上的傳動鋼絲繩先各自通 過一個與其對應設置的快換盒傳動導向輪機構7-5導向，然后穿過自轉連接軸的中心孔再 分別與工具腕部12-1、工具末端右瓣12-3和工具末端左瓣12-2轉動相連，每一個快換盒傳 動導向輪機構連接在所述的快換盒基座和盒蓋板之間，所述的手術工具驅動系統(tǒng)中的每一 驅動組件均包括驅動源，驅動源的輸出軸與下接口傳動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線 垂直設置，固絲輪結構抱緊在驅動源的輸出軸上。所述的下接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組 件均連接在基座基架3-6上，所述的下接口傳動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線均沿與 所述的上接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件相平行的方向設置，分別旋繞在所述的下接口傳 動系統(tǒng)中的每一個傳動組件上的傳動鋼絲繩各自通過與其對應設置的一組下接口傳動導 向輪機構導向后再分別與相應驅動源輸出軸上的固絲輪結構旋繞以使兩者轉動相連，下接 口傳動導向輪機構均連接在基座基架上；所述的上接口傳動系統(tǒng)中的四個傳動組件的底部 能夠與下接口傳動組件中的四個傳動組件的頂部一一對應插合以使上、下接口傳動系統(tǒng)中 的組件兩兩滑動相連，在所述的基座基架和快換盒基座之間設置有限位鎖緊機構。在所述 的基座機架上沿與上、下接口傳動系統(tǒng)中的組件兩兩插合滑動相平行的方向開有兩個導向
6換盒基座底部的兩個導向滑塊能夠與所述的兩個導向滑槽相對應插合滑動 配合，這樣可以使基座機架和快換盒進行左右側的側向定位。所述的限位鎖緊機構3-7用以對裝入快換基座的快換盒進行定位與鎖緊，其限位 基座4-2固定在基座基架3-6后端的定位槽內，限位塊4-1通過連接在限位基座上的限位 塊銷軸4-7轉動連接在限位基座4-2的開口槽內，裝于限位塊兩側并對稱布置的兩個折型 吊鉤4-3通過連接在限位基座上的吊鉤銷軸4-4也轉動連接在限位基座的開口槽內，對稱 布置的兩個拉伸彈簧4-6的上端分別勾掛在兩個折型吊鉤4-3下端的銷孔內并且其下端勾 掛在位于限位塊4-1底端的彈簧銷軸4-5上，當裝入快換盒并向上扳起限位塊時，限位塊的 上部能夠卡在開在快換盒后端的卡槽內，當向下按壓限位塊時，限位塊的下端最終?？吭?所述的基座基架上。限位塊銷軸的軸線與吊鉤銷軸的軸線相平行設置。限位塊具有兩個極 限位置當裝入快換盒5-1時，向上扳起限位塊4-1至拉伸彈簧4-6越過位置Q-Q，則限位 塊在彈簧的作用下能夠卡在裝入快換基座的快換盒后部的卡槽內以實現(xiàn)對快換盒的定位 鎖緊；當需更換手術工具時，向下按壓限位塊使彈簧反向越過Q-Q位置，限位塊則在彈簧拉 動下?？吭谒龅幕苌?，此時限位塊松開快換盒，讓出快換盒行進通道以實施工具 快速裝拆?？鞊Q盒左右方向上由導向滑槽定位，前后方向上由限位塊定位并鎖緊，實現(xiàn)了工 具的快速安裝固定。本限位鎖緊機構的兩個極限位置能夠在彈簧作用下自動保留，不需要 在使用中持續(xù)按壓，簡化了工具快換操作程序，增加了可操作性。所述的上接口傳動系統(tǒng)的每一傳動組件均包括凸塊傳動軸9-5，在所述的凸塊傳 動軸的底部設置有凸塊，在所述的凸塊傳動軸上依次套裝有第一下軸承9-4、其上開有軸孔 的外固絲輪9-3、其上開有軸孔并且其底部為光滑軸段的內固絲輪9-2和第一上軸承9-1， 在所述的內固絲輪光滑軸段的側壁上沿其軸向設置有開口長槽，所述的內固絲輪9-2的光 滑軸段與所述的外固絲輪9-3軸孔間隙配合并且能夠通過固絲輪鎖緊塊9-6抱緊在所述的 凸塊傳動軸上，固絲輪鎖緊塊與外固絲輪下部通過連接螺釘相連，所述的內、外固絲輪上均 設置有絲槽，所述的第一上軸承9-1固定在盒蓋板上的軸承座孔內，所述的第一下軸承9-4 固定在快換盒基座的軸承座孔內，上接口自轉傳動組件的內外固絲輪與自轉連接軸的絲槽 端通過傳動鋼絲繩轉動相連，上接口末端右瓣傳動組件、上接口末端左瓣傳動組件和上接 口腕部俯仰傳動組件上的內外固絲輪分別通過在其內、外固絲輪的絲槽中按相反方向旋繞 并張緊的傳動鋼絲繩與工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣轉動相連；所述的下接口 傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件均包括凹槽傳動軸11-1，在所述的凹槽傳動軸11-1的頂部設 置有與所述的凸塊傳動軸底部能夠插合以實現(xiàn)滑動配合的導向滑槽，在所述的凹槽傳動軸 11-1上依次套有第二上軸承11-2、下接口固絲傳動輪11-3和第二下軸承11-4，所述的下接 口固絲傳動輪的下部通過連接螺釘與固絲傳動輪鎖緊塊11-5相連，所述的下接口固絲傳 動輪上設置有絲槽，所述的下接口固絲傳動輪能夠通過固絲傳動輪鎖緊塊抱緊在所述的凹 槽傳動軸上，所述的第二上、下軸承11-2、11-4分別固定在基座基架3-6的軸承座孔內；驅 動源輸出軸上的固絲輪結構包括其上開有軸孔的的驅動源外固絲輪、其上開有軸孔并且其 底部為光滑軸段的驅動源內固絲輪，在所述的驅動源內固絲輪光滑軸段的側壁上沿軸向設 置有開口長槽，在驅動源內、外固絲輪上均開有絲槽，驅動源固絲輪鎖緊塊與驅動源外固絲 輪下部通過連接螺釘相連，所述的驅動源內固絲輪的光滑軸段與所述的驅動源外固絲輪軸 孔間隙配合并且能夠通過驅動源固絲輪鎖緊塊抱緊在所述的驅動源輸出軸上，驅動源內、外固絲輪分別通過在其內、外固絲輪的絲槽中按相反方向旋繞并張緊的傳動鋼絲繩與相對 應的下接口傳動系統(tǒng)中的每一個傳動組件上的下接口固絲傳動輪轉動相連。作為本發(fā)明的 一種實施方式，固絲輪鎖緊塊與外固絲輪下部為分體設置，所述的固絲輪鎖緊塊與外固絲 輪下部通過兩個連接螺釘相連。本發(fā)明的另外一種實施方式，所述的各固絲輪鎖緊塊的一 側側壁與外固絲輪底部的一側側壁為一體設置，固絲輪鎖緊塊的另一側側壁與外固絲輪下 部的另一側側壁相對間隔設置并且相對間隔設置的兩側壁通過一個連接螺釘相連。同理， 下接口固絲傳動輪與固絲傳動輪鎖緊塊之間以及驅動源固絲輪鎖緊塊與驅動源外固絲輪 之間也可以采用上述實施方式連接。所述的快換盒傳動導向輪機構的每個導向輪組件均包括導向輪轉軸8-3，墊圈 8-4，快換盒導向輪8-5?？鞊Q盒導向輪套裝在所述的導向輪軸上，在位于所述的快換盒導向 輪的兩側分別加裝有墊圈8-4，所述的導向輪軸的頂端和底端分別固定在盒蓋板和快換盒
基座上。下接口傳動導向輪機構共分兩組，第一組導向輪機構10-9靠近下接口傳動系統(tǒng) 并呈垂直布置，第二組導向輪機構10-10、10-11靠近驅動系統(tǒng)并呈橫向布置。兩組導向輪 機構均包含兩個導向輪組件且與快換盒傳動導向輪機構可以具有相同的結構組成?；?-6的底部形狀可以根據(jù)其需連接的部件確定，如果與導軌滑動相連則 可以在其上設置凹槽以與導軌上的滑塊相配合并且還可以在基座基架的前后端設置卡絲 機構以便于對直線副用傳動鋼絲繩兩端進行固定。下面再具體結合每一附圖對本發(fā)明作以詳細說明圖1、圖2所示為本發(fā)明的總體結構與連接示意圖。圖1所示為本發(fā)明裝置的總 裝示意圖，圖2所示為本發(fā)明裝置在機器人系統(tǒng)中所處的位置以及與本體系統(tǒng)的連接結 構。本發(fā)明裝置上安裝有手術工具，本發(fā)明裝置安裝在本體系統(tǒng)從動臂的滑動導軌基座2-2 上，在微創(chuàng)機器人手術過程中，手術工具大范圍的運動調整正是通過從動臂機構的運動實 現(xiàn)的，如手術工具的左右搖擺自由度W2是通過支撐臂2-3的轉動實現(xiàn)的，前后搖擺自由度 Wl是通過導軌2-2的定點轉動實現(xiàn)的，而直線伸縮自由度Pl是通過導軌直線副實現(xiàn)的。固 連在導軌末端的導向密封機構2-1對手術工具能夠進行導向和定位，在進行微創(chuàng)手術時， 手術工具穿過導向密封機構2-1的密封環(huán)伸入人體內部進行手術操作，而導向密封機構 2-1則堵裝在體表的微小切口處以對工具起到密封作用。圖3所示為本發(fā)明裝置與本體系統(tǒng)連接部分的直線伸縮自由度P1，還有快換基座 部分旋轉自由度，包括下接口傳動旋轉自由度R1-R4以及驅動系統(tǒng)旋轉自由度R5、R6。Rl 是自轉傳動旋轉自由度，R2是腕部俯仰傳動旋轉自由度，R3是末端左瓣傳動旋轉自由度， R4是末端右瓣傳動旋轉自由度。滑動導軌3-9安裝在滑動導軌基座2-2中，其前端是直線 副的驅動系統(tǒng)，由伺服電機組件3-1、電位器3-2以及傳動絲輪組成，傳動絲輪鎖緊在電機 的輸出軸上，鋼絲3-3前端由位于基座基架3-6前端的卡絲機構3-4固定，經(jīng)驅動系統(tǒng)的傳 動絲輪旋繞后，再沿滑動導軌基座2-2背面的絲槽里穿過，旋繞在繞絲輪3-10上，鋼絲3-3 末端最終固定在基座基架3-6后端的卡槽里，這樣使得鋼絲傳動機構呈封閉環(huán)形，電機可 以通過驅動絲輪帶動快換機構沿滑動導軌3-9直線運動。如圖示，限位鎖緊機構3-7安裝 在基座基架3-6后端，手術工具驅動系統(tǒng)3-8則通過電機座3-11與基座基架3-6的電機座 孔相連。R7為繞線輪旋轉自由度，R8為伺服電機組件3-1的旋轉自由度。
圖4-1和圖4-2所示為限位鎖緊機構3-7的結構與功能原理。限位基座4_2固定 在快換基座基架3-6后端，限位塊4-1通過限位塊銷軸4-7安裝在限位基座4-2上，折型吊 鉤4-3則通過吊鉤銷軸4-4安裝在限位基座上，拉伸彈簧4-6的上端勾掛在折型吊鉤4-3的 銷孔內，下端勾掛在位于限位塊4-1底端的彈簧銷軸4-5上。在扳動限位塊4-1的過程中， 彈簧銷軸4-5的的運行軌跡是以02為圓心的圓弧B，折型吊鉤的運行軌跡是以01為圓心 的圓弧A，由幾何原理可知，當彈簧運動到圓心連線0102的延長線Q-Q時，吊鉤銷孔圓心點 Sl與彈簧銷軸4-5圓心點S2的連線最長，即彈簧的拉伸量達到最大，當限位塊進一步向上 /下越過Q-Q線，彈簧4-6就會有縮拉的趨勢，限位塊就會在彈簧4-6作用下向上/下運動 直到限位位置。限位塊4-1向上運動的限位位置是上部的卡頭正好鎖住裝入快換基座的快 換盒，而限位塊向下運動的限位位置則是下部碰觸到基座基架，同時讓出快換盒行進通道， 實現(xiàn)手術工具的快速裝拆。圖5所示為本發(fā)明的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構的兩大組成部分的整 體結構以及連接方式。其中，5-1為快換盒部分整體結構示意圖，5-2為快換基座部分整體 結構示意圖。如圖所示，當按下限位鎖緊機構3-7的限位塊4-1，快換盒5-1可以沿方向P 從快換基座5-2的導向滑槽滑入，隨后扳動限位塊4-1向上運動，限位塊上部的卡頭卡在快 換盒后壁的卡槽中以鎖住快換盒，此時，快換盒左右方向上由滑槽定位，前后方向上由限位 鎖緊機構定位并鎖緊，實現(xiàn)了工具的快速安裝固定。相反，當按動限位塊向下運動到限位位 置，限位塊上部松開快換盒，快換盒可快速的從快換基座中取出。圖6、圖7所示為快換盒5-1的內部結構與四個傳動旋轉自由度。快換盒部分的 傳動結構稱為上接口傳動系統(tǒng)，rl_r4是指上接口傳動系統(tǒng)四個傳動組件的旋轉自由度，其 中，rl是上接口自轉傳動組件7-1的旋轉自由度；r2是上接口腕部俯仰傳動組件7_2的旋 轉自由度；r3是上接口末端左瓣傳動組件7-3的旋轉自由度；r4是上接口末端右瓣傳動組 件7-4的旋轉自由度。四個上接口傳動組件分別通過軸承支撐在快換盒中，下側軸承裝在 快換盒基座6-5的軸承座內，上側軸承則裝在蓋板6-4的軸承座內。如圖6所示，快換盒基 座6-5前端的軸承座兩側裝有軸承端蓋6-3，用以對支撐自轉連接部分6-2的軸承進行定 位。工具末端6-1通過細長的自轉軸6-6與自轉連接部分相連。如圖7所示，3組結構相同 的快換盒傳動導向輪機構7-5對傳動鋼絲繩進行導向。圖8所示為快換盒部分的上接口傳動系統(tǒng)組成。鋼絲繩經(jīng)上接口自轉傳動組件 7-1固絲纏繞后直接旋繞在自轉連接軸上，通過鋼絲傳動，rl自由度將轉化為自轉自由度 r5。經(jīng)其它三個傳動組件7-2、7-3、7-4固絲纏繞后的鋼絲繩由3組快換盒傳動導向輪機構 7-5導向后分別與工具腕部、工具末端相連，用以實現(xiàn)手術工具的其它的三個自由度?？鞊Q 盒傳動導向輪機構7-5由導向輪轉軸8-3、銅墊圈8-4、快換盒導向輪8-5組成。自轉連接 軸8-6兩側裝有軸承8-2，自轉連接軸的一端設置有絲槽。軸承外側由軸承端蓋6-3進行定 位，內側則由止動套筒8-1定位，止動套筒8-1通過銷釘固定在自轉連接軸8-6上。圖9所示為上接口傳動組件的結構組成。第一下軸承9-4、固絲輪結構、第一上軸 承9-1依次裝入凸塊傳動軸9-5中，然后分別在內、外固絲輪的絲槽中按相反方向旋繞并張 緊傳動鋼絲，最后擰緊外固絲輪鎖緊塊9-6，使傳動組件抱緊在凸塊傳動軸上。其中，固絲輪 結構由內固絲輪9-2、外固絲輪9-3套合而成。內固絲輪9-2光軸部分加工有4個開口長 槽，與外固絲輪9-3內孔呈間隙配合。外固絲輪9-3與固絲輪鎖緊塊9-6兩部分通過螺釘相連。由于加工有開口長槽，當旋緊固絲輪鎖緊塊螺釘時，內固絲輪光軸段可在鎖緊塊與外 固絲輪的擠迫下抱緊傳動軸，實現(xiàn)絲傳動系統(tǒng)的固絲與張緊，在此，一個鎖緊塊鎖緊同一根 鋼絲兩端兩個自由度的運動。機構鎖緊前，內固絲輪與外固絲輪的同步轉動可實現(xiàn)絲傳動 系統(tǒng)的整體調整，內固絲輪與外固絲輪的相對轉動可實現(xiàn)傳動鋼絲的松緊調整。同一個鎖 緊塊的鎖緊即可實現(xiàn)整個機構的調整和張緊，不但利于縮小機構整體尺寸，還能夠可靠實 現(xiàn)閉環(huán)鋼絲繩傳動的張緊，保證絲傳動系統(tǒng)在工作中始終處于張緊狀態(tài)，同時能夠方便地 進行閉環(huán)鋼絲繩傳動的調整，進而實現(xiàn)絲傳動系統(tǒng)在工作中的調整和校準，保證傳動精度。圖10所示為快換基座內部傳動結構示意圖。手術工具驅動系統(tǒng)3-8的驅動源包 括伺服驅動電機10-13和與伺服驅動電機相連的諧波減速器10-12，固絲輪結構抱緊在諧 波減速器的輸出軸上，輸出軸前端支撐在固絲輪支撐座3-5上。驅動系統(tǒng)由自轉驅動組件 10-1、腕部俯仰驅動組件10-2、末端左瓣驅動組件10-3、末端右瓣驅動組件10-4組成。纏 繞在自轉驅動組件10-1的固絲輪結構上的傳動鋼絲繩先經(jīng)下接口傳動導向輪10-10導向， 然后旋繞在下接口自轉傳動組件10-5的傳動絲輪上，最后通過調整固絲輪結構把鋼絲張 緊，這樣就實現(xiàn)了自轉運動的驅動力由驅動系統(tǒng)向下接口傳動組件的傳遞。按同樣的方法， 可分別實現(xiàn)腕部俯仰運動的驅動力由腕部俯仰驅動組件10-2向下接口腕部俯仰傳動組件 10-6的傳遞，工具末端運動的驅動力由末端左、右瓣驅動組件10-3、10-4向下接口末端左、 右瓣傳動組件10-7、10-8的傳遞。圖11所示為快換基座中的下接口傳動組件的結構組成。將第二上軸承11-2、下接 口固絲傳動輪11-3、第二下軸承11-4依次裝入凹槽傳動軸11-1中，經(jīng)驅動組件纏繞并由 導向輪導向后的鋼絲按相反方向旋繞在下接口固絲傳動輪11-3上、下兩側的絲槽中，最后 通過擰緊固絲傳動輪鎖緊塊11-5將下接口傳動組件抱緊在凹槽傳動軸11-1上。當快換盒 快速滑入快換基座后，快換盒上接口凸塊傳動軸9-5的凸塊恰好滑入快換基座下接口凹槽 傳動軸11-1的導向滑槽中并間隙配合，這樣就實現(xiàn)了上、下動力接口的穩(wěn)定對接和動力傳 遞。圖12所示為手術工具系統(tǒng)的絲傳動原理。自轉自由度的傳動過程手術工具驅動 系統(tǒng)3-8輸出驅動力，纏繞在自轉驅動組件10-1上的鋼絲繩經(jīng)下接口傳動導向輪10-10導 向后旋繞在下接口自轉傳動組件10-5的下接口固絲傳動輪11-3上并帶動整個傳動組件旋 轉，通過凹槽傳動軸11-1與凸塊傳動軸9-5的對接將動力傳遞到上接口自轉傳動組件7-1， 再通過絲傳動將上接口自轉傳動組件7-1的旋轉轉化為自轉連接軸8-6的旋轉運動。同 理，腕部俯仰自由度的傳動過程驅動系統(tǒng)3-8輸出驅動力，其腕部俯仰驅動組件10-2利用 鋼絲傳動并經(jīng)下接口傳動導向輪10-11導向后將旋轉動力傳遞給下接口腕部俯仰傳動組 件10-6，然后通過對接將動力傳遞給上接口腕部俯仰傳動組件7-2，再利用鋼絲12-4傳動 并經(jīng)快換盒導向機構7-5導向，最終實現(xiàn)腕部12-1的俯仰自由度。末端左瓣的傳動過程 驅動系統(tǒng)3-8輸出驅動力，其末端左瓣驅動組件10-3利用鋼絲傳動并經(jīng)下接口傳動導向輪 10-9的導向，帶動下接口末端左瓣傳動組件10-7旋轉，通過對接將動力傳遞給上接口末端 左瓣傳動組件7-3，再利用鋼絲傳動并經(jīng)快換盒傳動導向輪機構7-5導向，最終實現(xiàn)末端左 瓣12-2的旋轉自由度。末端右瓣與末端左瓣的傳動原理相同。
權利要求
1.微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，其特征在于它包括由上接口末端右瓣傳動 組件、上接口末端左瓣傳動組件、上接口腕部俯仰傳動組件和上接口自轉傳動組件組成的 上接口傳動系統(tǒng)，由下接口末端右瓣傳動組件、下接口末端左瓣傳動組件、下接口腕部俯仰 傳動組件和下接口自轉傳動組件組成的下接口傳動系統(tǒng)以及由末端右瓣驅動組件、末端左 瓣驅動組件、腕部俯仰驅動組件和自轉傳動驅動組件組成的手術工具驅動系統(tǒng)，所述的上 接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件垂直設置在快換盒基座和與快換盒基座固定相連的盒蓋 板之間，其軸線沿與上接口傳動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線垂直設置的自轉連接軸 通過軸承與快換盒基座前端的軸承座孔相連，在所述的自轉連接軸的一端設置有絲槽并且 其絲槽端設置在上接口腕部俯仰傳動組件和上接口自轉傳動組件之間，經(jīng)上接口自轉傳動 組件固絲纏繞后的傳動鋼絲繩與自轉連接軸的絲槽端旋繞相連，分別旋繞在上接口末端右 瓣傳動組件、上接口末端左瓣傳動組件和上接口腕部俯仰傳動組件上的傳動鋼絲繩先各自 通過一個與其對應設置的快換盒傳動導向輪機構導向，然后穿過自轉連接軸的中心孔再分 別與工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣轉動相連，每一個快換盒傳動導向輪機構連 接在所述的快換盒基座和盒蓋板之間，所述的手術工具驅動系統(tǒng)中的每一驅動組件均包括 驅動源，驅動源的輸出軸與下接口傳動組件中的每一傳動組件的旋轉軸線垂直設置，固絲 輪結構抱緊在驅動源的輸出軸上；所述的下接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件均連接在基座基架上，所述的下接口傳動組 件中的每一傳動組件的旋轉軸線均沿與所述的上接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件相平行 的方向設置，旋繞在所述的下接口傳動系統(tǒng)中的每一個傳動組件上的傳動鋼絲繩各自通過 與其對應設置的一組下接口傳動導向輪機構導向后再分別旋繞在相應驅動源輸出軸上的 固絲輪結構上以使兩者轉動相連，下接口傳動導向輪機構均連接在基座基架上；所述的上接口傳動系統(tǒng)中的四個傳動組件的底部能夠與下接口傳動組件中的四個傳 動組件的頂部一一對應插合以使上、下接口傳動系統(tǒng)中的組件兩兩滑動相連，在所述的基 座基架和快換盒基座之間設置有限位鎖緊機構。
2.根據(jù)權利要求1所述的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，其特征在于在所述 的基座機架上沿著與上、下接口傳動系統(tǒng)中的組件兩兩插合滑動相平行的方向開有兩個導 向滑槽，設置在快換盒基座底部兩側的兩個導向滑塊能夠與所述的兩個導向滑槽相對應插 合滑動配合。
3.根據(jù)權利要求1所述的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，其特征在于所述的 限位鎖緊機構(3-7)包括限位基座0-2)，限位基座G-2)固定在基座基架(3-6)后端的 定位槽中，限位塊(4-1)通過連接在限位基座上的限位塊銷軸(4-7)轉動連接在限位基 座G-2)的開口槽內，裝于限位塊兩側并對稱布置的兩個折型吊鉤(4- 通過連接在限位 基座上的吊鉤銷軸(4-4)轉動連接在限位基座的開口槽內并且對稱布置的兩個拉伸彈簧 (4-6)的上端分別勾掛在兩個折型吊鉤(4-3)下端的銷孔內，兩個拉伸彈簧下端各自勾掛 在位于限位塊(4-1)底端的彈簧銷軸G-5)，限位塊上部的卡頭能夠與設置在快換盒基座 后端的卡槽相壓緊或松開配合，限位塊銷軸的軸線與吊鉤銷軸的軸線相平行設置。
4.根據(jù)權利要求1所述的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，其特征在于所述的 上接口傳動系統(tǒng)的每一傳動組件均包括凸塊傳動軸(9-5)，在所述的凸塊傳動軸的底部設 置有凸塊，在所述的凸塊傳動軸上依次套裝有第一下軸承(9-4)、其上開有軸孔的外固絲輪(9-3)、其上開有軸孔并且其底部為光滑軸段的的內固絲輪(9- 和第一上軸承(9-1)， 在所述的內固絲輪光滑軸段的側壁上沿其軸向設置有開口長槽，固絲輪鎖緊塊與外固絲輪 下部通過連接螺釘相連，所述的內固絲輪(9-2)的光滑軸段與所述的外固絲輪(9- 軸孔 間隙配合并且能夠通過固絲輪鎖緊塊(9-6)抱緊在所述的凸塊傳動軸上，所述的內、外固 絲輪上均設置有絲槽，所述的第一上軸承(9-1)固定在盒蓋板上的軸承座孔內，所述的第 一下軸承(9-4)固定在快換盒基座的軸承座孔內，上接口自轉傳動組件的內、外固絲輪與 自轉連接軸的絲槽端通過傳動鋼絲繩轉動相連，上接口末端右瓣傳動組件、上接口末端左 瓣傳動組件和上接口腕部俯仰傳動組件上的內、外固絲輪分別通過在其內、外固絲輪的絲 槽中按相反方向旋繞并張緊的傳動鋼絲繩與工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣轉動 相連；所述的下接口傳動系統(tǒng)中的每一傳動組件均包括凹槽傳動軸(11-1)，在所述的凹槽 傳動軸(11-1)的頂部設置有與所述的凸塊傳動軸底部能夠插合以實現(xiàn)滑動配合的導向滑 槽，在所述的凹槽傳動軸(11-1)上依次套有第二上軸承(11-2)、下接口固絲傳動輪(11-3) 和第二下軸承(11-4)，所述的下接口固絲傳動輪的下部通過連接螺釘與固絲傳動輪鎖緊塊 (11-5)相連，所述的下接口固絲傳動輪上設置有絲槽，所述的下接口固絲傳動輪能夠通過 固絲傳動輪鎖緊塊抱緊在所述的凹槽傳動軸上，所述的第二上、下軸承(11-2、11-4)分別 固定在基座基架(3-6)的軸承座孔內；驅動源輸出軸上的固絲輪結構包括其上開有軸孔的 驅動源外固絲輪、其上開有軸孔并且其底部為光滑軸段的驅動源內固絲輪，在所述的驅動 源內固絲輪光滑軸段的側壁上沿軸向設置有開口長槽，在驅動源內、外固絲輪上均開有絲 槽，驅動源固絲輪鎖緊塊與驅動源外固絲輪下部通過連接螺釘相連，所述的驅動源內固絲 輪的光滑軸段與所述的驅動源外固絲輪軸孔間隙配合并且能夠通過驅動源固絲輪鎖緊塊 抱緊在所述的驅動源輸出軸上，驅動源內、外固絲輪分別通過在其內、外固絲輪的絲槽中按 相反方向旋繞并張緊的傳動鋼絲繩與相對應的下接口傳動系統(tǒng)中的每一個傳動組件上的 下接口固絲傳動輪轉動相連。
5.根據(jù)權利要求1所述的微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，其特征在于所述的 每一個快換盒傳動導向輪機構均包括導向輪軸，快換盒傳動導向輪套裝在所述的導向輪軸 上，在所述的快換盒傳動導向輪的頂面和底面分別加裝有墊圈，所述的導向輪軸的頂端和 底端分別固定在所述的盒蓋板和快換盒基座上。
全文摘要
本發(fā)明公開了微創(chuàng)外科手術機器人緊湊型快換機構，由快換盒與快換基座兩部分組成，主要包括傳動機構、限位鎖緊機構、驅動系統(tǒng)等，快換盒連接部分通過自轉軸與具有腕部功能的工具末端相連，快換盒可沿快換基座的凹型滑槽快速滑動，從而實現(xiàn)手術工具的更換。安裝在快換基座尾端的限位鎖緊機構對滑入快換基座的快換盒進行限位和固定。傳動機構共分為四組，這四組傳動機構結構相似，分別通過伺服電機，以絲傳動的形式最終實現(xiàn)工具末端的四個自由度，傳動機構中的固絲輪組件可實現(xiàn)傳動鋼絲的固定與張緊。驅動系統(tǒng)由伺服電機與諧波減速器組成，通過螺紋連接固定在快換基座的基架上。本發(fā)明裝置具有結構緊湊、重量輕、傳動可靠、快換效率高等優(yōu)點。
文檔編號A61B19/00GK102119872SQ201110026010
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權日2011年1月10日
發(fā)明者何超, 孔康, 桑宏強, 王樹新 申請人:天津大學