微创手术机器人用多自由度微操作手指的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有俯仰、偏摆、夹持自由度的微创手术机器人用多自由度微操作手指。包括指尖执行机构、驱动和绕绳机构和钢丝绳，驱动和绕绳机构包括导绳轮组A、预紧轮组、导绳轮组B、电机，导绳轮组B包括三组导绳轮B和六组绕绳轮组，三个电机驱动转轴分别带动对应的绕绳轮转动进而实现钢丝绳的移动，钢丝绳的移动可以实现指尖三个自由度的运动。本发明具有夹持、俯仰、偏摆三个自由度，稳定性和灵活性好，满足了微创手术机器人对手术操作空间的需求。
【专利说明】微创手术机器人用多自由度微操作手指
【技术领域】
[0001]本发明属于微创手术用的医疗设备，特别涉及一种具有俯仰、偏摆、夹持自由度的的微创手术机器人用多自由度微操作手指。
【背景技术】
[0002]与常规开刀手术相比，微创手术在治疗效果、减轻痛苦、恢复周期、医疗成本等方面具有明显优势。它主要借助先进的医疗器械和设备以微小的创伤来进行手术，随着机器人技术和相关技术的发展微创手术机器人的手术范围逐渐涉及更复杂的手术领域，手术操作也向智能化和精确化发展。在国际上美国的Intuitive Surgical公司研制了 Da Vinci微创手术机器人系统，Computer Motion公司研制了 ZEUS系统均已成功推向临床,但手术费用昂贵。目前国内也开始了微创腹腔手术机器人的研究，天津大学研究了“妙手”系统但同国外相比还存在很大差距，目前国内腹腔手术主要使用手动的微器械来操作，自由度较少，作业空间不是很理想，常常需要操作者进行大量的辅助动作才能达到一定的工作空间，从而提高了手术操作的难度，降低了手术效率，同时也会给患者带来不必要的附加损伤。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种具有机构巧妙，稳定灵活，易于计算机控制的微创手术机器人用多自由度微操作手指。
[0004]本发明微创手术机器人用多自由度微操作手指，包括指尖执行机构1、驱动和绕绳机构2、第一钢丝绳1-2、第二钢丝绳1-3、第三钢丝绳1-4、第四钢丝绳1-18、第五钢丝绳1-19、第六钢丝绳1-20，
[0005]指尖执行机构包括医用不锈钢管1-1、指尖过度支架1-5、两个第一导绳轮组、两个第二导绳轮组、绳索内圈1-9、指尖A1-13、指尖B1-14、指尖连接架1_17，指尖A1-13和指B1-14通过第一连接轴1-15安装在指尖连接架1-17上，指尖连接架1_17通过第二连接轴
1-6安装在指尖过度支架1-5上，指尖过度支架1-5安装在医用不锈钢管1-1上，两个第一导绳轮组分别位于指尖连接架1-17的两侧，每个第一导绳轮组通过一个第三连接轴与指尖连接架1-17连接，两个第二导绳轮组分别安装在第二连接轴1-6的两侧，绳索内圈1-9安装在第二连接轴1-6上、并且位于指尖连接架1-17之间；
[0006]驱动和绕绳机构包括导绳轮组A安装面板2-1、磁环2-2、导绳轮组A2_3、预紧轮组
2-4、导绳轮组B安装面板2-5、支架2-6、绕绳轮支架2_8、导绳轮组B2-9、电机支架2_10、三个电机2-11，导绳轮组A安装面板2-1与医用不锈钢管1-1连接，磁环2-2安装在导绳轮组A安装面板2-1外围，导绳轮组A安装面板2-1开有安装槽，导绳轮组B安装面板2-5安装在磁环2-2下方，支架2-6安装在导绳轮组B安装面板2-5下方，绕绳轮支架2_8安装在支架2-6内、并且位于导绳轮组B安装面板2-5下方，电机支架2-10与支架2_6连接，三个电机2-11分别安装在电机支架2-10内侧；
[0007]导绳轮组A2-3包括三个导绳轮支架A2-3-1、三组导绳轮A，三个导绳轮支架A2-3-1环形均匀分布在导绳轮组A安装面板2-1的安装槽内，每个导绳轮支架A2-3-1通过一个第四连接轴安装有一组导绳轮A ;
[0008]预紧轮组2-4包括预紧轮组支撑架2-4-1、三个预紧轮支架2_4_2、三组预紧轮，预紧轮组支撑架2-4-1安装在导绳轮组A安装面板2-1下，预紧轮组支撑架2-4-1开有安装槽，每个预紧轮支架2-4-2通过一个第五连接轴安装有一组预紧轮，三个预紧轮支架2-4-2环形均匀分布在预紧轮组支撑架2-4-1的安装槽内；
[0009]导绳轮组B2-9包括三个导绳轮支架B2-9-1、三组导绳轮B、三个转轴2_9_8、六对绕绳轮，三个导绳轮支架B2-9-1均匀分布在导绳轮组B安装面板2-5的安装槽内，每组导绳轮B通过一个第六连接轴安装在一个导绳轮支架B2-9-1上，每个导绳轮支架B2-9-1下方安装一个转轴2-9-8，每个转轴2-9-8穿过一个绕绳轮支架2-8并与其对应的电机的输出轴连接，电机的转动带动相应的转轴转动，每个转轴上有两对旋向相同的绕绳轮，两对绕绳轮以对顶安装的方式安装在转轴上，每对绕绳轮由绕绳轮A2-9-4和绕绳轮B2-9-5组成；
[0010]第一钢丝绳1-2和第二钢丝绳1-3 —端绕过指尖连接架1-17 —侧的第二导绳轮组和第一导绳轮组后与指尖A1-13和指尖B1-14相连，第一钢丝绳1-2和第二钢丝绳1_3另一端依次绕过同一方向上的一组导绳轮A、一组预测轮和一组导绳轮B后缠绕在相应的绕绳轮上，第四钢丝绳1-18和第五钢丝绳1-19 一端绕过指尖连接架1-17另一侧的第二导绳轮组和第一导绳轮组后与指尖A1-13和指尖B1-14相连，第四钢丝绳1-18和第五钢丝绳
1-19另一端依次绕过同一方向上的一组导绳轮A、一组预测轮和一组导绳轮B后缠绕在相应的绕绳轮上，第三钢丝绳1-4和第六钢丝绳1-20 —端绕过绳索内圈1-9分别与指尖连接架1-17相连，第三钢丝绳1-4和第六钢丝绳1-20另一端依次绕过同一方向上的一组导绳轮A、一组预测轮和一组导绳轮B后缠绕在相应的绕绳轮上。
[0011]本发明微创手术机器人用多自由度微操作手指还可以包括:
[0012](I)驱动和绕绳机构还包括螺纹套A2-7，电机支架2-10与支架2_6通过螺纹套A2-7连接。
[0013](2)预紧轮组2-4的每个预紧轮支架2-4-2通过一个螺钉2_4_3与预紧轮组支撑架2-4-1连接，通过调节三个螺钉2-4-3来调节第一钢丝绳1-2、第二钢丝绳1_3、第三钢丝绳1-4、第四钢丝绳1-18、第五钢丝绳1-19、第六钢丝绳1-20的松紧。
[0014](3)第一导绳轮组包括两个第一导绳轮，第二导绳轮组包括两个第二导绳轮，每组导绳轮A包括两个导绳轮A，每组导绳轮B包括两个导绳轮B，每组预紧轮包括两个预紧轮。
[0015]本发明的有益效果:
[0016]1、本发明的俯仰、偏摆、夹持三个自由度的实现机构简单易行，便于操作及控制。
[0017]2、本发明结构紧凑，运动灵活,作业空间大。
[0018]3、本发明可以安装在手术机器人的末端可广泛应用在各类手术机器人上。
[0019]4、本发明的俯仰，偏摆，夹持自由度，通过三个电机带动绕绳轮来驱动且有预紧装置，运动精度闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的整体机构图。
[0021]图2-a是本发明的指尖执行机构整体示意图，图2-b是指尖执行机构的结构分解图。
[0022]图3是本发明的驱动和绕绳机构示意图。
[0023]图4-a是导绳轮组A的结构示意图，图4_b是导绳轮组A的钢丝绳分布图。
[0024]图5_a是预紧轮组的结构示意图，图5_b是预紧轮组的钢丝绳分布图。
[0025]图6-a是导绳轮组B的结构示意图，图6_b是驱动和绕绳机构的纵向刨面图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0027]结合图1，本发明的微创手术机器人用多自由度微操作手指主要由指尖执行机构
1、驱动和绕绳机构2组成。
[0028]结合图2-a和图2-b，指尖A1-13和指尖B1-14通过轴1_15固定在指尖连接架
1-17上面，导绳轮1-11、1-12通过连接轴1-10固定在指尖连接架1_17上，同理另外一侧也有一对导绳轮通过连接轴1-16指尖连接架1-17连接。导绳轮1-7、1-8以及另外一侧两个导绳轮和绳索内圈1-9、指尖连接架1-17通过连接轴1-6与指尖过度支架1-5连接，指尖过渡支架1-5又与医用不锈钢管1-1连接。钢丝绳1-2、1-3绕过导绳轮1-7、1-8、1-11、1-12与指尖A1-13和指尖B1-14相连。钢丝绳1-18、1-19以同样方式绕过指尖连接架1_17另一侧的导绳轮与指尖A1-13和指尖B1-14相连。钢丝绳1-4、1-20绕过绳索内圈1_9分别与指尖连接架相连。这样通过钢丝绳1-2、1-19的运动可实现两个指尖1-13和1-14绕连接轴1-15的正向偏摆运动；通过钢丝绳1-2、1-18的运动可以实现两个指尖1-13和1_14绕连接轴1-15指尖张开运动；通过钢丝绳1-3、1-18的运动可实现两个指尖1-13和1_14绕连接轴1-15的反向偏摆运动；通过钢丝绳1-3、1-19的运动可以实现两个指尖1-13和
1-14绕连接轴1-15指尖闭合运动；通过钢丝绳1-4、1-20的运动可以实现两个指尖1_13和1-14连同指尖连接架1-17—起绕连接轴1-6的俯仰运动。从而实现机械手的三自由度。
[0029]结合图3，导绳轮组A安装面板2-1与医用不锈钢管1-1连接，磁环2_2安装在导绳轮组A安装面板2-1上。导绳轮组2-3通过螺钉安装在导绳轮组A安装面板2-1的安装槽内。预紧轮组2-4处于导绳轮组A安装面板2-1与导绳轮组B安装面板2-5之间，且分别与之相连。支架2-6通过三个螺钉固定在导绳轮组B安装面板2-5上。电机支架2-10与支架2-6通过螺纹套A2-7固定连接。电机2-11固定在电机支架2_10上。电机支架2_10尾部有一个螺纹套B2-12与之连接。由此形成了驱动和绕绳机构的主体机构。
[0030]结合图3、图4-a和图4-b，三组导绳轮支架2_3_1环形均布在导绳轮组A安装面板
2-1上的安装槽内。其中每组导绳轮支架2-3-1通过两个螺钉2-3-2固定在导绳轮组A安装面板2-1上。两个导绳轮2-3-3、2-3-4通过连接轴2_3_5连接在导绳轮组A支架2_3_1上。
[0031]结合图2，图4-b，钢丝绳1-2、1-3、1-4、1-18、1-19、1-20分别绕过三组导绳轮，呈环形均布在导绳轮组A安装面板2-1上。
[0032]结合图3，图5-a和图5_b，三组预紧轮支架2_4_2通过三个内六角螺钉2_4_3连接在预紧轮组支架2-4-1的安装槽内呈环形均布。导绳轮2-4-5和导绳轮2-4-6通过连接轴2-4-4与预紧轮支架2-4-2连接。
[0033]结合图2，图5-b，钢丝绳1-2、1-3、1-4、1_18、1_19、1_20分别绕过三组导绳轮，呈环形均布在预紧轮组支架2-4-1上。通过调节三个内六角螺钉2-4-3可以调整预紧轮支架
2-4-2至预紧轮组支架2-4-1轴线的距离从而调整钢丝绳的松紧，使钢丝绳1-2、1-3、1-4、
1-18、1-19、1-20始终处于张紧状态。从而保证运动精度。
[0034]结合图6-a和图6-b，三组导绳轮支架2_9_1各自通过两根内六角螺钉2_9_2安装在导绳轮组B安装面板2-5的安装槽内，三组导绳轮呈环形均布在导绳轮组B安装面板
2-5上。各组导绳轮支架2-9-1有两个导绳轮通过连接轴2-9-12安装在导绳轮支架2_9_1上，钢丝绳1-2、1-3、1-4、1-18、1-19、1-20分别绕过三组导绳轮，呈环形均布在预紧轮组支架2-4-1上。三根转轴2-9-8呈环形均布在与导绳轮支架2-9-1同一角度的方位上。每根转轴上有两对绕绳轮，每对绕绳轮由绕绳轮A2-9-4和绕绳轮B2-9-5组成，其中绕绳轮A上有完整螺旋绕绳槽，绕绳轮B只起到安装固定绕绳轮A的作用，绕绳轮A与绕绳轮B通过两个螺钉2-9-3固定在转轴2-9-8上。这两对绕绳轮的旋向相同，只是安装方式为对顶安装，这样转轴2-9-8两对绕绳轮成为一个整体，转轴可以带动绕绳轮转动。绕绳轮支架2-8通过三个螺钉2-9-6与导绳轮组B安装面板2-5连接。绕绳轮支架2-8上环形均布有三个凹槽来安装轴承2-9-7，导绳轮支架2-9-1上也有凹槽来安装轴承2-9-10，
[0035]轴承2-9-10与轴承2-9-7、轴套2-9-11用来定位转轴2-9-8。联轴器2-9-9 —端通过型面配合与转轴2-9-8连接，另一端通过紧定螺钉2-9-13与电机2-11的输出轴固定，而电机2-11通过螺钉2-9-14安装在电机支架2-10上。钢丝绳1_4、1_20分别绕在与之对应的绕绳轮上，同理钢丝绳1-2、1-3和钢丝绳1-18、1-19也分别绕在对应的绕绳轮上。这样电机2-11的转动可以带动转轴2-9-8转动进而带动绕绳轮A2-9-4和绕绳轮B2-9-4的转动。因而钢丝绳1-2、1-3、1-4、1-18、1-19、1-20的长度可以随着电机2-11的转动而发生变化，进而驱动指尖执行机构作出相应的运动。
[0036]结合图1、图2-a、图2_b、图3、图4_a、图4_b、图5_a、图5_b、图6_a、图6_b，对本微创手术机器人用多自由度自动微操作手指的功能进行总体说明。本微操作手指主要由指尖执行机构I和驱动和绕绳机构2组成。
[0037]指尖执行机构I有俯仰、偏摆、夹持三个自由度。通过钢丝绳1-2、1-3、1-4、1-18、1-19,1-20的移动可以分别实现两个指尖绕连接轴1-15的正向偏摆运动；可以实现两个指尖绕连接轴1-15指尖张开运动；可实现两个指尖绕连接轴1-15的反向偏摆运动；可以实现两个指尖绕连接轴1_15指尖闭合运动；可以实现两个指尖连冋指尖连接架1_17 —起绕连接轴1-6的俯仰运动。从而实现微操作手指的三自由度。
[0038]驱动和绕绳机构2主要由导绳轮组A2-3、预紧轮组2_4、导绳轮组B2_9以及电机、支架组件组成。导绳轮组A2-3、预紧轮组2-4、导绳轮组B2-9由上而下依次组成微机械手的三层导绳绕绳机构。电机支架2-10、支架2-6和安装面板等通过螺钉和螺纹套连接形成微机械手的外部壳体。导绳轮组B安装面板2-5通过三个螺钉将预紧轮组支架2-4-1和导绳轮组A安装面板2-1连为一体。预紧轮支架2-4-1可以通过调整螺钉2-4-3来改变支架的位置来调整钢丝绳1-2、1-3、1-4、1-18、1-19、1-20松紧状态。是钢丝绳处于张紧状态，保证运动进度。钢丝绳1-4、1-20分别绕在与之对应的绕绳轮上，由于这两个绕绳轮旋向相同，安装方向相反，这样钢丝绳1-4和钢丝绳1-20能同时缠绕在绕绳轮上，当绕绳轮拉着钢丝绳1-4运动时，钢丝绳1-20松弛的部分能自动缠绕在绕绳轮上，同样当绕绳轮拉着钢丝绳1-20运动时，钢丝绳1-4松弛的部分能自动缠绕在绕绳轮上。钢丝绳1-2、1-3和钢丝绳1-18、1-19也分别绕在对应的绕绳轮上运动原理和钢丝绳1-4、1-20 —样。电机2_11的转动可以带动转轴2-9-8转动进而带动绕绳轮A2-9-4和绕绳轮B2-9-5的转动。因而钢丝绳1-4,1-20的长度可以随着电机2-11的转动而发生变化，进而驱动指尖执行机构I的两个指尖1-13、1-14连同指尖连接架1-17 —起绕连接轴1-6的俯仰运动。钢丝绳1_2、1_3的长度可以随着相应的电机A的转动而发生变化。钢丝绳1-18、1-19得长度也可以随着相应的电机B的转动而发生变化。电机A正转电机B反转可以带动钢丝绳1-2、1-19的运动可实现两个指尖1-13和1-14绕连接轴1-15的正向偏摆运动；电机A正转电机B正转可以带动钢丝绳1-2、1-18的运动可以实现两个指尖1-13和1-14绕连接轴1_15指尖张开运动；电机A反转电机B正转可以带动钢丝绳1-3、1-18的运动可实现两个指尖1-13和1_14绕连接轴1-15的反向偏摆运动；电机A反转电机B反转可以带动通过钢丝绳1-3、1-19的运动可以实现两个指尖1-13和1-14绕连接轴1-15指尖闭合运动。由此实现微操作手指的夹持和偏摆自由度，加上前面提到的俯仰自由度，实现微操作手指的三自由度。
【权利要求】
1.微创手术机器人用多自由度微操作手指，其特征在于:包括指尖执行机构(I)、驱动和绕绳机构(2)、第一钢丝绳(1-2)、第二钢丝绳(1-3)、第三钢丝绳(1-4)、第四钢丝绳(1-18)、第五钢丝绳(1-19)、第六钢丝绳(1-20)， 指尖执行机构包括医用不锈钢管(1-1)、指尖过度支架(1-5)、两个第一导绳轮组、两个第二导绳轮组、绳索内圈(1-9)、指尖A (1-13)、指尖B (1-14)、指尖连接架(1-17)，指尖A (1-13)和指尖B (1-14)通过第一连接轴(1-15)安装在指尖连接架(1-17)上，指尖连接架(1-17)通过第二连接轴(1-6)安装在指尖过度支架(1-5)上，指尖过度支架(1-5)安装在医用不锈钢管(1-1)上，两个第一导绳轮组分别位于指尖连接架(1-17)的两侧，每个第一导绳轮组通过一个第三连接轴与指尖连接架(1-17)连接，两个第二导绳轮组分别安装在第二连接轴(1-6)的两侧，绳索内圈(1-9)安装在第二连接轴(1-6)上、并且位于指尖连接架(1-17)之间； 驱动和绕绳机构包括导绳轮组A安装面板(2-1)、磁环(2-2)、导绳轮组A(2-3)、预紧轮组(2-4)、导绳轮组B安装面板(2-5)、支架(2-6)、绕绳轮支架(2_8)、导绳轮组B (2_9)、电机支架(2-10)、三个电机(2-11)，导绳轮组A安装面板(2-1)与医用不锈钢管(1-1)连接，磁环(2-2)安装在导绳轮组A安装面板(2-1)外围，导绳轮组A安装面板(2-1)开有安装槽，导绳轮组B安装面板(2-5 )安装在磁环(2-2 )下方，支架(2-6 )安装在导绳轮组B安装面板(2-5)下方，绕绳轮支架(2-8)安装在支架(2-6)内、并且位于导绳轮组B安装面板(2-5)下方，电机支架(2-10 )与支架(2-6 )连接，三个电机(2-11)分别安装在电机支架(2-10 )内侧； 导绳轮组A (2-3)包括三个导绳轮支架A (2-3-1)、三组导绳轮A，三个导绳轮支架A(2-3-1)环形均匀分布在导绳轮组A安装面板(2-1)的安装槽内，每个导绳轮支架A( 2-3-1)通过一个第四连接轴 安装有一组导绳轮A ; 预紧轮组(2-4)包括预紧轮组支撑架(2-4-1)、三个预紧轮支架(2-4-2)、三组预紧轮，预紧轮组支撑架(2-4-1)安装在导绳轮组A安装面板(2-1)下，预紧轮组支撑架(2-4-1)开有安装槽，每个预紧轮支架(2-4-2)通过一个第五连接轴安装有一组预紧轮，三个预紧轮支架(2-4-2)环形均匀分布在预紧轮组支撑架(2-4-1)的安装槽内； 导绳轮组B (2-9)包括三个导绳轮支架B (2-9-1)、三组导绳轮B、三个转轴(2-9-8)、六对绕绳轮，三个导绳轮支架B (2-9-1)均匀分布在导绳轮组B安装面板(2-5)的安装槽内，每组导绳轮B通过一个第六连接轴安装在一个导绳轮支架B (2-9-1)上，每个导绳轮支架B (2-9-1)下方安装一个转轴(2-9-8)，每个转轴(2-9-8)穿过一个绕绳轮支架(2_8)并与其对应的电机的输出轴连接，电机的转动带动相应的转轴转动，每个转轴上有两对旋向相同的绕绳轮，两对绕绳轮以对顶安装的方式安装在转轴上，每对绕绳轮由绕绳轮A (2-9-4)和绕绳轮B (2-9-5)组成； 第一钢丝绳(1-2)和第二钢丝绳(1-3)—端绕过指尖连接架(1-17)—侧的第二导绳轮组和第一导绳轮组后与指尖A (1-13)和指尖B (1-14)相连，第一钢丝绳(1-2)和第二钢丝绳(1-3)另一端依次绕过同一方向上的一组导绳轮A、一组预测轮和一组导绳轮B后缠绕在相应的绕绳轮上，第四钢丝绳(1-18)和第五钢丝绳(1-19) 一端绕过指尖连接架(1-17)另一侧的第二导绳轮组和第一导绳轮组后与指尖A (1-13)和指尖B (1-14)相连，第四钢丝绳(1-18)和第五钢丝绳(1-19)另一端依次绕过同一方向上的一组导绳轮A、一组预测轮和一组导绳轮B后缠绕在相应的绕绳轮上，第三钢丝绳(1-4)和第六钢丝绳(1-20) —端绕过绳索内圈(1-9)分别与指尖连接架(1-17)相连，第三钢丝绳(1-4)和第六钢丝绳(1-20)另一端依次绕过同一方向上的一组导绳轮A、一组预测轮和一组导绳轮B后缠绕在相应的绕绳轮上。
2.根据权利要求1所述的微创手术机器人用多自由度微操作手指，其特征在于:所述的驱动和绕绳机构还包括螺纹套A (2-7)，电机支架(2-10)与支架(2-6)通过螺纹套A(2_7)连接。
3.根据权利要求1或2所述的微创手术机器人用多自由度微操作手指，其特征在于:所述的预紧轮组(2-4)的每个预紧轮支架(2-4-2)通过一个螺钉(2-4-3)与预紧轮组支撑架(2-4-1)连接，通过调节三个螺钉(2-4-3)来调节第一钢丝绳(1-2)、第二钢丝绳(1-3)、第三钢丝绳(1-4)、第四钢丝绳(1-18)、第五钢丝绳(1-19)、第六钢丝绳(1-20)的松紧。
4.根据权利要求1或2所述的 微创手术机器人用多自由度微操作手指，其特征在于:所述的第一导绳轮组包括两个第一导绳轮，第二导绳轮组包括两个第二导绳轮，每组导绳轮A包括两个导绳轮A，每组导绳轮B包括两个导绳轮B，每组预紧轮包括两个预紧轮。
5.根据权利要求3所述的微创手术机器人用多自由度微操作手指，其特征在于:所述的第一导绳轮组包括两个第一导绳轮，第二导绳轮组包括两个第二导绳轮，每组导绳轮A包括两个导绳轮A，每组导绳轮B包括两个导绳轮B，每组预紧轮包括两个预紧轮。
【文档编号】B25J15/00GK103895025SQ201410125839
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】于凌涛, 王正雨, 王文杰, 孙立强, 张宝玉, 李宏伟, 李洪祥, 杨景, 庄忠平, 朱海涛 申请人:哈尔滨工程大学