具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械，手术器械主要由主体连杆部分，手腕部分，快换座部分和末端执行器部分四部分组成。该手术器械具有俯仰自由度、偏转自由和末端执行器开合自由度。主体连杆一端与动力装置相连，一端通过关节轴与手腕连接。手腕通过快换座与手术器械末端执行器相连。同时通过齿轮齿条实现手术器械末端执行器的开合自由度并且通过限位锁紧机构实现末端执行器的更换。本发明能够有效降低手术器械成本、增加手术器械整体利用率。同时能够提高末端执行器的更换效率、保证传动平稳和精确。
【专利说明】具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微创外科手术器械，特别涉及一种用于微创外科手术机器人的具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械。
【背景技术】
[0002]微创手术与传统的开口手术相比，能减少病人痛苦、减小伤口感染风险、缩短术后恢复时间、减小疤痕和节省开支等优点。然而微创手术使外科医牛操作更困难和因长时间操作而身心疲惫，增加了手术中失误的风险。一方面内窥镜的引入迫使医牛通过观察图像而不是看自己的手来工作，由此切断了手与眼的协调，另一方面用于插入手术器械的病人体上的切口处起支点作用，使插入的手术器械末端的运动方向与外面手术器械手柄的运动方向相反，体表切口的约使手术器械运动自由度数由六个减为四个，同时细长的手术器械将抖动放大。这些使得医牛很难进行复杂的手术操作，只能进行较简单的手术操作，从而阻碍的微创手术技术的进一步发展。
[0003]为了克服开口手术和传统微创手术存在的缺点，机器人辅助的微创外科由此诞生。在微创手术过程当中，末端执行器是机器人系统中唯一与人体病变组织相接触的部分。因此，末端执行器的性能是微创手术机器人系统综合性能的关键所在。执行器的设计应满足结构精巧、操作灵活、形式多样、适应医疗环境等要求，特别是要易于更换。末端执行器的快速更换性能可以缩短手术时间、节约手术成本和提高手术效率。
[0004]目前现有的手术器械在更换执行器时需要将手术器械整体进行更换，从而增加手术器械成本和降低了手术器械整体利用率。因此，开发用于微创外科手术机器人的具有可快速更换末端执行器功能的手术器械对推进相关领域技术的进步具有重要经济效益和实际应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以实现不同的末端执行器如剪子、镊子、刀子、钳子等与手术器械的快速更换的微创外科手术器械。本发明的微创外科手术器械能够有效降低手术器械成本、增加手术器械整体利用率。同时能够提高末端执行器的更换效率、保证传动平稳和精确。
[0006]为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
[0007]手术器械主要由主体连杆、手腕、末端执行器快换接口和末端执行器四部分组成。该手术器械具有俯仰自由度、偏转自由和末端执行器开合自由度。主体连杆一端与动力装置相连，一端通过关节轴与手腕连接。手腕通过末端执行器快换接口与末端执行器相连。丝经过手腕上第一副导向轮和第二副导向轮交叉缠绕后与驱动轮相连，实现手术器械偏转自由度。丝经过与手腕上驱动轮相连，实现手术器械俯仰自由度。丝经过手腕上的第三副导向轮和第四副导向轮实现交叉缠绕后与驱动轮相连，驱动轮上的丝与齿轮旁的驱动轮相连，齿轮带动齿条实现手术器械末端执行器的开合自由度。手术器械末端执行器的快速更换通过限位锁紧机构来实现。
[0008]采用本发明具有如下优点:
[0009]1.本发明可以充分满足微创外科手术操作过程中使用不同的手术器械要求，同时与传统的手术器械相比，只需更换末端执行器部分，降低了手术器械成本，提高了手术器械除末端执行器外的利用率；
[0010]2.本发明应用领域广泛，可以满足任何种类的微创外科手术的要求；
[0011]3.本发明采用丝传动方式，可简化传动系统结构，减小传动系统体积和重量。在预紧的情况下可消除各自由度运动回差，进而提高关节控制精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是手术器械总体结构示意图；
[0013]图2是手术器械俯仰和偏转自由度示意图；
[0014]图3是手术器械开合方式示意图；
[0015]图4是手术器械开合传动方式示意图；
[0016]图5是手术器械快速更换示意图；
[0017]图6是手术器械限位锁紧机构结构示意图；
[0018]图7是手术器械齿条安装示意图；
[0019]图8是手术器械齿轮与齿条啮合安装示意图；
[0020]图9是手术器械俯仰自由度关节连接及导向轮安装示意图；
[0021]图10是手术器械偏转自由度关节连接示意图；
[0022]图11是丝固定方式示意图；
[0023]图12是手术器械丝传动系统示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实例对本发明进行详细描述。
[0025]图1所示为手术器械总体结构示意图，手术器械主要由主体连杆1，手腕2，末端执行器快换接口 3和末端执行器4四部分组成。
[0026]图2所示为手术器械俯仰和偏转自由度示意图，手腕2绕轴Rl进行俯仰运动，末端执行器快换接口 3绕轴R2进行偏转运动。
[0027]图3所示为手术器械开合方式示意图，以图为例，图中的末端执行器4为剪刀，剪刀由剪切刀刃4-1Α、4-1Β和剪柄4-2A、4-2B组成，相互对称构成一四边形结构。其中剪切刀刃4-1A与剪柄4-2B用销轴4-3连接，剪切刀刃4-1B与剪柄4-2A及刀刃4-1A与4-1B的连接方式与刀刃4-1A与剪柄4-2B的连接方式相同。剪柄4-2A、4-2B的孔与快换头4_5的孔相配合，用销轴4-4连接。
[0028]图4所示为手术器械开合传动方式示意图，齿条3-2位置在最高处时剪切刀刃为闭合状态。从图示方向上看去，当齿轮3-3绕固定轴顺时针转动时，带动齿条3-2竖直向下移动，支撑体3-1与齿条3-2联动，推动快换头4-5使剪切刀刃4-1Α、4-1Β打开；当齿轮3_3绕固定轴逆时针转动时，带动齿条3-2向上移动，支撑体3-1与齿条3-2联动，拉动快换头4-5使剪切刀刃4-1Α、4-1Β闭合。
[0029]图5所示为手术器械快速更换示意图，图6所示为手术器械限位锁紧机构结构示意图。末端执行器4为一整体进行更换，在快换头4-5圆弧面上有成60度弧度的L型槽，安装时从末端执行器快换接口 3底部推入，按压住弹性挡片4-6后将快换头4-5推入到末端执行器快换接口 3内的支撑体3-1的孔内，然后逆时针旋转60度，支撑体3-1上安装的销钉3-4会卡住快换头4-5，从而支撑体3-1可以带动快换头4-5进行上下移动。在旋转快换头4-5的同时，双头螺栓4-7卡在末端执行器快换接口 3内壁的槽内，以实现剪切刀刃4-1Α、4-1Β与剪柄4-2A、4-2B形成的四边形结构一端固定一端自由。当按图6中所示箭头方向驱动支撑体3-1时，剪切刀刃4-1Α、4-1Β将进行开合动作。从而实现末端执行器4的开合自由度。最后将手松开使弹性挡片4-6恢复原状，其上面的小孔会卡住末端执行器快换接口 3底部的凸起使快换头4-5与支撑体3-1不会发牛相对转动以保证两者不会脱离，保证手术器械的工作稳定。当末端执行器需要更换时，按住弹性挡片4-6后顺时针旋转60度，即使末端执行器与末端执行器快换接口 3分离，然后即可以轻易拔出。
[0030]图7所示为手术器械齿条安装示意图，将齿条3-2末端的轴插入支撑体3-1上端面的孔内，为了易于定位在孔与轴的圆柱面基础上加工出一平面，用销钉3-4将两部分进行连接固定。此时支撑体3-1与齿条3-2为一整体，安装时支撑体3-1与齿条3-2形成的整体从末端执行器快换接口 3底部沿z方向推入，齿条3-2被推入槽内以保证齿条运动时在图中所示的X方向上不会发牛偏移；而在y方向上，末端执行器快换接口 3的内壁和后序安装上的齿轮基座3-5、齿轮3-3的夹持来保证不会发牛偏移。
[0031]图8所示为齿轮齿条啮合安装示意图，齿轮3-3两侧有轮槽。安装时，用销轴3-6将齿轮3-3与齿轮基座3-5连接，销3-6轴两侧末端加工了两个比较浅的孔，通过对其浅孔冲压使销轴3-6末端变形，从而实现齿轮的安装。然后将齿轮基座3-5嵌入末端执行器快换接口 3中，使齿轮3-3与齿条3-2相啮合。将丝安装在齿轮3-3两侧的轮槽内，通过螺钉3-7进行微调使丝张紧。丝张紧后用螺钉3-8A与螺钉3-8B固定齿轮基座3_5，从而实现齿轮齿条啮合的安装及丝的安装。
[0032]图9所示为手术器械俯仰自由度关节连接及导向轮安装示意图，在手腕2上部中间加工出一轮槽。在手腕2的两侧有四副导向轮，分别为导向轮2-1A与导向轮2-1B、导向轮2-2A与导向轮2-2B、导向轮2-3A与导向轮2-3B、导向轮2-4A与导向轮2-4B。其中导向轮2-3A与导向轮2-3B，导向轮2-4A与导向轮2-4B的孔与主体连杆I的孔和手腕2轮槽轴孔相配合通过销轴2-5安装在主体连杆部分I与手腕部分2之间，销轴2-5两末端加工两个比较浅的孔，通过对其浅孔冲压使销轴2-5末端变形，实现导向轮的安装。导向轮2-1A、导向轮2-1B与导向轮2-2A、导向轮2-2B的孔与手腕部分2下方的孔相配合，通过销轴2_6连接，销轴2-6两末端加工了两个比较浅的孔，通过对其浅孔冲压使销轴2-6末端变形，实现导向轮的安装。
[0033]图10所示为手术器械偏转自由度关节连接示意图，驱动轮3-9中心为一过半圆形通孔，安装时嵌在有相同形状凸起的末端执行器快换接口 3的左瓣驱动组件上，当驱动轮3-9转动时，可以带动末端执行器快换接口 3实现偏转自由度；驱动轮3-10的作用是在上一传动回路结束后，可以继续将动力传递到下一个回路中。它有两部分，分为大端驱动轮3-10A与小端驱动轮3-10B，当大端驱动轮3-10A转动时，小端驱动轮3-10B同时转动，从而将动力继续传递。安装时驱动轮3-10的孔与末端执行器快换接口 3的右瓣驱动组件的孔相配合。用销轴3-7将驱动轮3-9，驱动轮3-10和末端执行器快换接口 3三部分连接，销轴3-7两末端加工了两个比较浅的孔，通过对其浅孔冲压使轴末端变形，从而实现驱动轮的安装。
[0034]图11所示为丝固定示意图，丝上的丝结可以与丝牛产厂家定制或通过毛细钢管挤压在丝上形成，驱动轮加工出与丝结尺寸相同的槽，丝结放入槽中并进行固定，实现传动丝与驱动轮的固定。
[0035]图12所示为手术器械丝传动系统示意图，手术器械俯仰自由度是电机Dl带动丝固定装置，通过丝SI带动手腕2上轮槽，从而实现对手术器械俯仰自由度R2的控制；偏转自由度是电机D2带动丝固定装置，丝S3经过导向轮2-3B和导向轮2-1B交叉缠绕后绕过驱动轮3-9，再经过导向轮2-1A与导向轮2-3A交叉缠绕返回，可带动驱动轮3_9转动，驱动轮3-9带动末端执行器快换接口 3的左瓣驱动组件从而实现手术器械偏转自由度R3的控制；开合自由度是电机D2带动丝固定装置，丝S3经过导向轮2-4A和导向轮2-2A交叉缠绕后绕过驱动轮3-10大端后再经过导向轮2-2B和导向轮2-4B交叉缠绕返回，可带动驱动轮3-10转动，齿轮3-3由驱动轮3-10驱动，丝S4绕在两个驱动轮上。
[0036]以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用齿轮齿条传动的结构和限位锁紧机构进行可更换末端执行器的手术器械与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械，其特征在于:手术器械主要由主体连杆、手腕、末端执行器快换接口和末端执行器四部分组成；该手术器械具有俯仰自由度、偏转自由和末端执行器开合自由度，主体连杆一端与动力装置相连，一端通过关节轴与手腕连接，手腕通过末端执行器快换接口与末端执行器相连，丝经过手腕上第一副导向轮和第二副导向轮交叉缠绕后与驱动轮相连，实现手术器械偏转自由度，丝经过与手腕上驱动轮相连，实现手术器械俯仰自由度。
2.按照权利要求1所述的一种具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械，其特征在于:手术器械末端执行器开合运动的实现，丝经过手腕上的第三副导向轮和第四副导向轮实现交叉缠绕后与驱动轮相连，驱动轮上的丝与齿轮旁的驱动轮相连，齿轮带动齿条实现手术器械末端执行器的开合自由度。
3.按照权利要求1所述的一种具有可快速更换末端执行器功能的微创外科手术器械，其特征在于:手术器械末端执行器的快速更换是通过限位锁紧机构来实现。
【文档编号】A61B17/00GK104490429SQ201410853427
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】张博文, 桑宏强, 许丽萍, 陈发, 杨铖浩 申请人:天津工业大学