专利名称：一种显微外科用微机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗设备，尤其涉及一种显微外科手术中所用医疗设备的零部件。
背景技术：
目前，国外已有的显微外科用微机械手主要是采用压电驱动和记忆合金驱动的方式。采用压电驱动方式的微机械手的手指张开的距离较小，而且产生的夹持力也较小，若要求在使用时产生相对较大的夹持力时，则该机械手的体积和重量将会很大；采用记忆合金驱动的微机械手的反应速度较慢，而且夹持力和运动范围也难以控制。迄今为止，国内只有应用于工业中的机械手，还没有用于显微外科中的微机械手。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是提供了一种显微外科用微机械手，是通过采用双微型机步进电机来驱动微机械手手指的闭合和旋转，同时使用压电晶体作为力传感器，从而可精确地控制微机械手的夹持力，满足了对微机械手在尺寸、重量、速度、运动范围和夹持力等方面的要求。
为了解决上述技术问题，本发明一种显微外科用微机械手的技术方案是它包括本体、指端器械机构、器械卸换机构、器械旋转机构、器械开合机构和器械限位机构；所述本体采用套筒结构；所述指端器械机构包括指端部件和支撑管；所述指端器械机构的一端设置在所述本体套筒前端的孔内；所述器械卸换机构采用钢球卡头结构，其包括多个钢球、操作环、传动套和弹簧，所述本体前端面上设置有多个孔，所述多个孔的直径与所述钢球的直径吻合，所述多个钢球分别设置在所述多个孔内；所述器械旋转机构包括步进电机、法兰、连接套、传动套；所述器械开合机构包括设置在本体内的步进电机、驱动套、筒形螺母、螺杆、双弹簧、驱动销、压电晶体和销钉；所述器械限位机构包括设置在本体上的限位螺钉和设置在上述法兰上的挡块；所述本体的尾端依靠法兰连接部件与所述器械旋转机构中步进电机连接，所述器械限位机构依靠限位螺钉和挡块与器械旋转机构连接，所述本体的前端依靠轴承部件与所述器械卸换机构连接；所述器械卸换机构依靠钢球卡头结构与指端器械机构连接；所述器械旋转机构依靠双弹簧和螺纹副结构与所述器械开合机构连接，从而使器械旋转机构中步进电机的旋转运动转换为所述器械开合机构中螺杆的直线运动，所述器械开合机构依靠销连接与指端器械连接，完成指端器械的开合。
在本发明一种显微外科用微机械手中，所述器械卸换机构中传动套前端面上设置有三个均匀分布的直径与所述钢球直径一致的盲孔，所述指端器械机构中的支撑管尾部设置有沟槽，所述钢球设置在所述沟槽中，所述操作环有以下两种位置状态所述操作环从所述传动套的端面将钢球封住，由于所述钢球对所述支撑管上沟槽的限制，使所述支撑管不能移动，从而固定住所述指端器械机构；或推动所述操作环压缩所述弹簧移动使所述钢球脱出，此时所述支撑管不再受限制，可拆卸所述指端器械机构。在所述器械限位机构中，所述法兰在器械旋转机构的步进电机驱动下旋转，带动所述挡块一同旋转，由于所述本体上螺钉与所述法兰上挡块的相互位置，所述法兰旋转不超过360度，从而限制指端器械旋转的角度不超过360度。所述指端部件是剪刀部件、或手术钳、或缝合器。所述步进电机采用1524系列，其驱动电路采用与所述步进电机配套的驱动器。所述驱动电路采用AD-VL-M或AD-VM-M或AD-CM-M。所述器械开合机构中的压电晶体和双弹簧结构测力范围是0～100g，其测量精度是100±5％g。
本发明一种显微外科用微机械手与现有技术相比具有以下有益效果1.由于本发明一种显微外科用微机械手采用了双步进电机结构，从而可使微机械手的指端在夹持手术器械的同时也可在300°范围内灵活地旋转，以及实现手术器械的夹持、旋转和开启。
2.本发明一种显微外科用微机械手中所述力传感器均采用压电晶体力传感器，可以检测手术夹持力的大小，并实时调节；所述器械开合机构中由于采用双弹簧结构，可以保证夹持力的精密调节；本发明一种显微外科用微机械手中的测力范围是0～100g，其测量精度是100±5％g3.本发明一种显微外科用微机械手中所述器械卸换机构中采用钢球卡头结构，可以保证手术器械的快速更换。
图1是本发明一种显微外科用微机械手的结构剖视图；图2和图3是本发明一种显微外科用微机械手使用状态图。下面是本发明说明书附图中主要附图标记的说明1——左卡爪 2——右卡爪 3、4——销钉5——驱动座 6、11、67——弹簧 9、61、62——挡圈12——螺杆 13、25——支撑管 14——止传销16——操作 18——圆螺帽 19——密封套20——止推轴承 21——压盖22——筒形螺母23、24——销 26——驱动套 27、33——端面键28——过渡套 29——传动套 30——本体31——连接套 32——螺尾销 34——挡块35、36——法兰 46、48、49、50、54、55、56——螺钉44、53——步进电机 57——铁丝60、64——轴承65——O型环 66、69——压电晶体68——钢球具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明一种显微外科用微机械手作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明一种显微外科用微机械手包括本体30、指端器械机构、器械卸换机构、器械旋转机构、器械开合机构和器械限位机构；所述本体30采用套筒结构；所述指端器械机构包括指端部件和支撑管13；所述指端器械机构的一端设置在所述本体30套筒前端的孔内；所述器械卸换机构采用钢球卡头结构，其包括多个钢球68、操作环16、传动套29和弹簧67，所述本体30前端面上设置有多个孔，所述多个孔的直径与所述钢球68的直径吻合，所述多个钢球68分别设置在所述多个孔内；所述器械旋转机构包括步进电机44、法兰35、连接套31、传动套29，所述步进电机44通过螺钉48与法兰35连接，所述法兰35通过端面键33与连接套31连接，所述连接套31通过其端面的方槽与传动套29连接，所述器械开合机构包括设置在本体30内的步进电机53、驱动套26、筒形螺母22、螺杆12、双弹簧11和6、驱动座5、压电晶体66和销钉4，所述步进电机53通过螺钉55和铁丝57与驱动套26连接，所述驱动套依靠销子23和24与筒形螺母22连接，所述筒形螺母22与螺杆12螺纹连接；所述器械限位机构包括设置在本体30上的限位螺钉50和设置在上述法兰35上的挡块34，所述本体30的尾端依靠法兰36连接部件与所述器械旋转机构中步进电机44连接，所述器械限位机构依靠限位螺钉50和挡块34与器械旋转机构连接，所述本体30的前端依靠本体孔内的轴肩和轴承部件与所述器械卸换机构中的传动套29连接，所述轴承部件包括分布在支撑管25两侧的轴承64、O型环65、压盖21密封套19和圆螺帽18等；所述器械卸换机构依靠钢球卡头结构与指端器械机构连接；所述器械旋转机构依靠传动部件与所述器械连接，所述传动部件包括连接套31、传动套29、止传销14、支撑管13和销钉3；所述器械开合机构依靠螺纹结构与所述指端器械连接，从而使器械开合机构中步进电机的旋转运动转换为所述螺杆12的直线运动；所述器械旋转机构中传动套29与所述器械开合机构中的驱动套26之间的支撑部件包括过渡套28、螺钉55、轴承60和挡圈61和62；所述螺钉54和铁丝57固定步进电机53，所述器械开合机构依靠销连接与指端器械连接，完成指端器械的开合，所述指端器械包括卡爪1和2、驱动销等。
现在以指端部件是手术钳为实施例进一步说明本发明一种显微外科用微机械手的结构。如图1所示，左卡爪1和右卡爪2合在一起通过销钉3铆接在支撑管13上，同时在两卡爪1和2的槽中装有一个圆柱销作为驱动销4，所述驱动销与驱动座5相连。驱动座5中有螺杆12的头部，驱动座5压住弹簧6，弹簧6的另一边压在压电晶体69上，然后再通过挡圈9将力传递给驱动座5，而弹簧11则提供一个相反的力在驱动座5上，弹簧6和弹簧11上的两力之差使驱动座5在支撑管13中可左右滑动。螺杆12与筒形螺母22通过螺纹副连在一起，筒型螺母22从左边由止推轴承20来支撑，止推轴承20又可以将力传递给压电晶体66，筒型螺母22的右端插入了一个驱动销23，所述驱动销23与筒型螺母22通过圆柱销24连接。支撑管13有一部分插入驱动套29中，三个钢球68被操作环16封闭在驱动套29的孔和支撑管13的槽中，以限制支撑管13相对于驱动套29的运动，当向右推操作环16使钢球脱出，则可将支撑管13及筒型螺母22、驱动销23等指端器械卸下，然后快速地换上别的器械，如剪刀等，这样可实现指端器械的快换。驱动销23的六角头装在驱动套26的十二角孔中，驱动套26由装在步进电机53的轴头上端面键27拨动旋转，驱动套26要旋转所以需要两轴承60支撑。两轴承60装在过渡套28里，过渡套28又与传动套29配合，通过紧固螺钉56固定。步进电机53与传动套29配合，通过紧固螺钉54固定。传动套29的左端开有两槽拨动固定在支撑管13止传销14，带动支撑管13旋转，右端的齿槽与连接套31的齿啮合，实现传动。传动套29的外表面与两轴承64配合，两轴承64装在本体30的孔中，由圆螺冒18、密封套19、压盖21、O型环65和支撑管25实现固定和密封。连接套31由装在驱动法兰35上的端面键33拨动旋转。驱动法兰35由紧固螺钉48装在步进电机44的轴头上，步进电机44旋转带动其旋转，在驱动法兰35上装有一挡块34与装在本体30上的螺钉50相作用，限制指端旋转的角度不超过360度。步进电机44与过渡法兰36装在一起再通过螺钉46装在本体30上实现步进电机44的固定。
下面说明本发明一种显微外科用微机械手的动作实现的过程。
本发明一种显微外科用微机械手本身的动作主要指端部件绕自身轴线的旋转和手术器械的开合以符合手术中对指端器械的要求。
微机械手指端部件围绕自身轴线的旋转是由步进电机44通过紧固螺钉48带动驱动法兰35，驱动法兰35上有由螺尾销32固定的端面键33随着法兰35运动，从而带动连接套31，连接套31通过方齿驱动传动套29，传动套29又拨动固定在支撑管13上的止转销14驱动支撑管13运动，支撑管13的前端伸出的拨叉上穿过的销轴3又带动两手指实现旋转。
另外，指端器械的开合由步进电机53驱动，步进电机53通过紧固螺钉55带动端面键26，端面键26拨动驱动套25，驱动套25由其十二角的内孔驱动一六角头驱动销22，六角头驱动销22通过圆柱销23带动筒型螺母22旋转，筒型螺母22与螺杆12装在一起，螺母22的旋转运动通过螺纹变成螺杆12的直线运动，螺杆12直线运动使弹簧6与弹簧11伸长或压缩，两弹簧6和11的弹力差推动驱动座5，驱动座5上装有圆柱销4推动手术钳两手指卡爪1和2绕圆柱销3旋转从而实现指端的张开与闭合。当螺杆12处于右极限位置时，两卡爪1和2可张到最大极限，约为2.5mm，另外，指端部件卡爪的最大张开角度可达20°。步进电机53旋转，使螺杆12向左移动，弹簧11逐渐伸展弹簧力也逐渐减小，卡爪1和2逐渐闭合。当弹簧11的力减小到与弹簧6的力相等时卡爪1和2闭合，此时卡爪1和2处的夹紧力为零。螺杆12继续向左移动，弹簧13不再伸长，弹簧6开始伸展，卡爪处的夹紧力逐渐增大。当螺杆移动到左边的极限位置时，弹簧6伸到最长，此时卡爪1和2处的夹紧力增到最大。从而实现了卡爪夹紧力的可调，同时卡爪最大夹紧力可通过设计两个弹簧的参数来实现，从而可得到较大的夹紧力。
下面分别说明本发明一种显微外科用微机械手中各有关机构或有关部件的工作原理首先，本发明中压电晶体69实现实时调节手术夹持力，即检测和调整及开启角度等的工作原理压电晶体69在受到弹簧6施加的压力时，表面产生电荷，通过电荷放大电路检测出电压值，通过与标定值，即对压电晶体69施加已知大小的力检测出电压，得到施加的力与输出电压之间的关系，通过比较计算即可得出此时指端的夹持力。压电晶体和双弹簧结构测力的范围是0-100g，精度可达到100±5％g。
再有，所述器械快换机构中钢球卡头部件的结构和优选尺寸。在传动套29的前端钻出三个均匀分布的，且直径与钢球68一致的孔，但孔不能钻透，做到钢球68能露出一部分卡到支撑管13尾部的沟槽中，但钢球68放在其中不会掉落，这样当用操作环16将钢球68封住时，由于钢球68对沟槽的限制，使支撑管13不能移动。当要更换手术器械时，推动操作环16压缩弹簧67移动至钢球68脱出，此时支撑管13不再受限制，从而可轻易地拉出原有的器械机构，换上新的手术器械再放开操作环16封住钢球68，这样就可根据需要完成手术器械的快速更换。
另外，所述限制指端器械旋转的角度不超过360度。在驱动法兰35上用螺钉49安装一个挡块34，在本体30上安装一个长螺钉50，当驱动法兰35在步进电机44的驱动下旋转时，挡块34要碰到螺钉50，这样驱动法兰35的旋转就不会超过360度，从而限制指端旋转的角度不超过360度。
在本发明一种显微外科用微机械手中采用双电机结构来实现指端的转动和手术器械的开合；当然，也不排除只用一个电机配合利用离合器来使一个电机完成上述转动和开合动作的功能，即离合器合时，电机驱动指端转动；离合器开时，电机驱动手术器械开合。另外，所述器械开合机构中的电机驱动是利用螺纹副使螺杆直线运动，但也不排除采用电磁体直接驱动杆移动。还有压电晶体传感器检测力，也可以利用应变片。
如图2和图3所示，本发明一种显微外科用微机械手主要应用于主从式显微外科手术机器人的末端，在显微外科手术中进行血管缝合等工作；图2示出了本发明一种显微外科用微机械手中的指端部件70夹持血管壁的工作状态；图3示出了本发明一种显微外科用微机械手中的指端部件70夹持缝合针缝合的工作状态。
本发明中所采用的两个步进电机可以采用瑞士ARSAPE公司的产品，型号是1524系列，驱动电路采用与所述步进电机配套的驱动器，可用的型号分别是AD-VL-M、AD-VM-M、AD-CM-M。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种显微外科用微机械手，其特征在于，包括本体、指端器械机构、器械卸换机构、器械旋转机构、器械开合机构和器械限位机构；所述本体采用套筒结构；所述指端器械机构包括指端部件和支撑管；所述指端器械机构的一端设置在所述本体套筒前端的孔内；所述器械卸换机构采用钢球卡头结构，其包括多个钢球、操作环、传动套和弹簧，所述本体前端面上设置有多个孔，所述多个孔的直径与所述钢球的直径吻合，所述多个钢球分别设置在所述多个孔内；所述器械旋转机构包括步进电机、法兰、连接套、传动套；所述器械开合机构包括设置在本体内的步进电机、驱动套、筒形螺母、螺杆、双弹簧、驱动销、压电晶体和销钉；所述器械限位机构包括设置在本体上的限位螺钉和设置在上述法兰上的挡块；所述本体的尾端依靠法兰连接部件与所述器械旋转机构中步进电机连接，所述器械限位机构依靠限位螺钉和挡块与器械旋转机构连接，所述本体的前端依靠轴承部件与所述器械卸换机构连接；所述器械卸换机构依靠钢球卡头结构与指端器械机构连接；所述器械旋转机构依靠双弹簧和螺纹副结构与所述器械开合机构连接，从而使器械旋转机构中步进电机的旋转运动转换为所述器械开合机构中螺杆的直线运动，所述器械开合机构依靠销连接与指端器械连接，完成指端器械的开合。
2.根据权利要求1所述的一种显微外科用微机械手，其特征在于，所述器械卸换机构中传动套前端面上设置有三个均匀分布的直径与所述钢球直径一致的盲孔，所述指端器械机构中的支撑管尾部设置有沟槽，所述钢球设置在所述沟槽中，所述操作环有以下两种位置状态所述操作环从所述传动套的端面将钢球封住，由于所述钢球对所述支撑管上沟槽的限制，使所述支撑管不能移动，从而固定住所述指端器械机构；或推动所述操作环压缩所述弹簧移动使所述钢球脱出，此时所述支撑管不再受限制，可拆卸所述指端器械机构。
3.根据权利要求1所述的一种显微外科用微机械手，其特征在于，在所述器械限位机构中，所述法兰在器械旋转机构的步进电机驱动下旋转，带动所述挡块一同旋转，由于所述本体上螺钉与所述法兰上挡块的相互位置，所述法兰旋转不超过360度，从而限制指端器械旋转的角度不超过360度。
4.根据权利要求1所述的一种显微外科用微机械手，其特征在于，所述指端部件是剪刀部件、或手术钳、或缝合器。
5.根据权利要求1所述的一种显微外科用微机械手，其特征在于，所述步进电机采用1524系列，其驱动电路采用与所述电机配套的驱动器。
6.根据权利要求5所述的一种显微外科用微机械手，其特征在于，所述驱动电路采用AD-VL-M或AD-VM-M或AD-CM-M。
7.根据权利要求1所述的一种显微外科用微机械手，其特征在于，所述器械开合机构中的压电晶体和双弹簧结构测力范围是0～100g，其测量精度是100±5％g。
全文摘要
本发明公开了一种显微外科用微机械手，包括本体、指端器械机构、器械卸换机构、器械旋转机构、器械开合机构和器械限位机构；所述器械限位机构包括设置在本体上的限位螺钉和设置在上述法兰上的挡块；所述本体的尾端依靠法兰连接部件与所述器械旋转机构中步进电机连接，所述器械限位机构依靠限位螺钉和挡块与器械旋转机构连接，所述本体的前端依靠轴承部件与所述器械卸换机构连接；所述器械卸换机构依靠钢球卡头结构与指端器械机构连接；所述器械旋转机构依靠双弹簧和螺纹副结构与所述器械开合机构连接，从而使器械旋转机构中步进电机的旋转运动转换为器械开合机构中螺杆的直线运动，器械开合机构依靠销连接与指端器械连接，完成指端器械的开合。
文档编号B25J11/00GK1438097SQ03100038
公开日2003年8月27日 申请日期2003年1月7日 优先权日2003年1月7日
发明者王树新, 刘丹, 张培信, 姜世杰, 刘治平 申请人:天津大学