用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，包括依次连接的动力驱动部分(3)、主体连杆部分(2)和末端执行器部分(1)；所述的末端执行器部分(1)包括手指开合关节和手腕俯仰关节；所述的动力驱动部分(3)通过钢丝绳驱动结构穿过主体连杆部分(2)后分别与末端执行器部分(1)的手指开合关节与手腕俯仰关节连接，实现末端执行器手指开合与手腕俯仰运动。与现有技术相比，本发明具有实现末端关节运动解耦，驱动器结构简单，有效减少手术器械本体惯量，降低驱动器摩擦力并实现可逆向驱动等优点。
【专利说明】用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种医疗器械设备，尤其是涉及一种用于微创手术机器人的低摩擦小 惯量手术器械。
【背景技术】
[0002] 微创外科手术机器人系统可以显著的提高外科医生提高手术操作的灵活性。此类 的微创手术过程通常是采用将细长的腹腔镜和微创手术器具通过在患者体表微小切口而 进入患者病灶区。在此过程中，利用灵巧的手术器具来对患者病灶组织进行切割、缝合等操 作，这种灵巧的手术器具方便了内窥镜式手术操作过程。这种手术操作器械可以有效的降 低患者的手术风险并缩短手术操作时间。
[0003] 由于当前普遍使用的微创手术器械存在以下缺点，使得微创手术效果难以得到进 一步提高。当前大多数手术器械采用具有较高转速的直流电动机驱动方式。为了降低速度、 提高输入力矩，设计者通常在电机输出轴安装齿轮减速器来实现上述功能。这种直流电机 和减速器的组合机构一般具有大惯量，高摩擦力，难以逆向驱动等缺点。另外，许多机器人 器械都是将驱动电机或驱动器放置在驱动关节上，当这些关节是可活动关节时，这些驱动 器的惯量将影响手术器械的操作性能。除此之外，一些驱动器的所占用的空间较大，有的甚 至会侵占末端执行器的操作空间，从而影响手术器具所能达到的操作界限。由于采用细长 杆式结构和高摩擦力的驱动器，当前微创手术器械的另一个重要缺点是外科医生对患者病 灶组织接触力的感知能力被大大削弱了。
[0004] 为了确保微创手术操作的安全性和有效性，需要微创手术器械的设计需要对如下 问题进行考虑。首先，期望手术器械的末端关节及其驱动器具有小惯量、低摩擦、可逆向驱 动等优点，从而可以帮助外科医生准确获取手术器械末端执行器与患者组织接触力信息， 提高手术安全性。其次，手术器械具有足够的灵活性，可以显著提高外科医生在手术执行过 程中的操作效率。这就期望微创手术器械的末端至少具有两个关节。目前研究主要是通过 驱动电机和齿轮减速器的组合方式来实现对手术器械末端关节的驱动，很少对微创手术器 械的末端执行单元进行研究。因而，外科医生使用此类手术器械难以获取准确的末端接触 力信息，增加了患者手术风险。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于微创手术 机器人的低摩擦小惯量手术器械，实现末端关节运动解耦，驱动器结构简单，有效减少手术 器械本体惯量，降低驱动器摩擦力并实现可逆向驱动。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特征在于，包括依次连接 的动力驱动部分（3)、主体连杆部分（2)和末端执行器部分（1);所述的末端执行器部分 (1)包括手指开合关节和手腕俯仰关节；
[0008] 所述的动力驱动部分（3)通过钢丝绳驱动结构穿过主体连杆部分（2)后分别与末 端执行器部分（1)的手指开合关节与手腕俯仰关节连接，实现末端执行器手指开合与手腕 俯仰运动。
[0009] 所述的手指开合关节包括固定端手指（1.8a)、运动端手指（1.8b)、开合旋转轴 (1.7)和开合驱动线（1.3a、1.3b)，所述的固定端手指（1.8a)通过开合旋转轴（1.7)与运 动端手指（1.8b)连接，所述的开合驱动线（1.3a、1.3b)缠绕在运动端手指（1.8b)的旋转 轴槽内，带动运动端手指（1.8b)相对于固定端手指（1.8a)开合旋转运动；
[0010] 所述的手腕俯仰关节包括驱动轮（1. 5)、手指安装连杆（1. 6)、俯仰旋转轴（1. 9) 和俯仰驱动线（1.4a、l. 4b)，所述的手指安装连杆（1.6)通过俯仰旋转轴（1.9)驱动轮 (1.5) 连接，所述的俯仰驱动线（1.4a、l. 4b)缠绕在驱动轮（1.5)上，带动手指安装连杆 (1.6) 俯仰运动。
[0011] 所述的固定端手指（1. 8a)根部与手指安装连杆（1. 6)固定连接，所述的手指安装 连杆（1. 6)设有用于开合驱动线（1. 3a、1. 3b)穿射的旋转中心孔（1. 6a、1. 6b)，并在旋转中 心方向上设有方向保持轮（1. 2a、1. 2b)。
[0012] 所述的运动端手指（1. 8b)的旋转轴槽内设有用于开合驱动线（1. 3a、l. 3b)末端 固定的固定孔（1. 8c)。
[0013] 所述的动力驱动部分（3)包括四个伺服电机（3. 9a、3. 9b、3. 9c、3. 9d)、与伺服电 机一一对应连接的四组驱动组件、以及连杆基座（3. 1)，所述的四组驱动组件与连杆基座 (3. 1)连接，所述的连杆基座（3. 1)与主体连杆部分（2)连接。
[0014] 每组驱动组件包括连杆支架（3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d)、以及均固定在连杆支架 (3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d)上的滑轮组和轮毂（3. 4a、3. 4b、3. 4c、3. 4d)，所述的轮毂（3. 4a、 3. 4b、3. 4c、3. 4d)分别与伺服电机、滑轮组连接，所述的滑轮组与连杆基座（3. 1)连接。
[0015] 所述的滑轮组包括第一换向轮（3. 5a)、第二换向轮（3. 5b)、第三换向轮（3. 5c)和 自由轮（3. 3a)，所述的第一换向轮（3. 5a) -端与自由轮（3. 3a)连接，另一端与连杆基座 (3. 1)连接，所述的轮毂、第三换向轮（3. 5c)、自由轮（3. 3a)、第二换向轮（3. 5b)、轮毂通过 驱动钢丝绳（3.7)依次连接后，形成完整运动回路。
[0016] 所述的连杆基座（3. 1)设有四组换向轮组（3. la、3. lb、3. lc、3. ld、3. le、3. lg)， 四组换向轮组一端分别与对应驱动组件的第一换向轮（3.5a)连接，另一端通过主体连杆 部分（2)与开合驱动线（1.3a、1.3b)和俯仰驱动线（1.4a、1.4b)连接。
[0017] 所述的动力驱动部分（3)还包括与与伺服电机一一对应连接的四个旋转编码器 (3. 10a、3. 10b、3. 10c、3. 10d)。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0019] 1)本发明具有末端指关节与腕关节运动解藕功能，消除了传统关节设计运动干涉 问题。
[0020] 2)本发明采用细钢丝绳驱动方式，利用自由轮和换向轮实现对高速电动机调速功 能，避免使用笨重的齿轮减速器，使得手术器械整体结构紧凑，惯量小，保证了微创手术条 件下的手术器械运动的准确性和可靠性。
[0021] 3)本发明实现了末端执行器关节运动到驱动器旋转轴可逆向驱动功能，采用了低 摩擦的钢丝绳与换向轮组合结构，有利于采用基于动力学模型的无力传感器条件下末端操 作力反馈。
[0022] 4)本发明的基本应用领域是基于腹腔镜的微创外科手术，同时具有向其他外科手 术器械和相关紧凑型机械手臂应用领域扩展的潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是低摩擦小惯量手术器械总体结构示意图。
[0024] 图2是手术器械末端手指开合关节与俯仰关节自由度示意图。
[0025] 图3是手术器械末端手指开合关节自由度斜视图。
[0026] 图4是手术器械末端手指关节驱动钢丝绳固定示意图。
[0027] 图5是手术器械动力驱动部分示意图。
[0028] 图6是手术器械连杆基座换向轮结构示意图。
[0029] 图7是手术器械连杆基座正视图。
[0030] 图8是手术器械动力驱动部分电机调速机构示意图。
[0031] 图9是手术器械末端手指开合关节钢丝绳传动示意图。
[0032] 其中1为末端执行器部分，1. 1为壳体，1. 2a、1. 2b为方向保持轮，1. 3a、1. 3b为开 合驱动线，1. 4a、1. 4b为俯仰驱动线，1. 5为驱动轮，1. 6为手指安装连杆，1. 7为开合旋转 轴，1. 8a为固定端手指，1. 8b为运动端手指，1. 8c为固定孔，1. 9为俯仰旋转轴；
[0033] 2为主体连杆部分；
[0034] 3 为动力驱动部分，3. 1 为连杆基座，3. la、3. lb、3. lc、3. ld、3. le、3. lf、3. lg 为四 组换向轮组，3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d为连杆支架，3. 3a为自由轮，3. 4a、3. 4b、3. 4c、3. 4d为 轮毂，3. 5a为第一换向轮，3. 5b为第二换向轮，3. 5c为第三换向轮，3. 6、3. 7为驱动钢丝绳， 3. 8 为电机基座，3. 9a、3. 9b、3. 9c、3. 9d 为四个伺服电机，3. 10a、3. 10b、3. 10c、3. 10d 为四 个旋转编码器。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0036] 实施例
[0037] 如图1所示，用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，包括依次连接的动 力驱动部分3、主体连杆部分2和末端执行器部分1 ;所述的末端执行器部分1包括手指开 合关节和手腕俯仰关节；
[0038] 所述的动力驱动部分3通过钢丝绳驱动结构穿过主体连杆部分2后分别与末端执 行器部分1的手指开合关节与手腕俯仰关节连接，实现末端执行器手指开合与手腕俯仰运 动。动力驱动部分采用被动轮与主动轮结合的方式，实现对伺服电机的减速功能，并由此提 高电机输出轴的驱动力矩。
[0039] 图2和图3所示为手术器械末端执行器手指开合关节和手腕俯仰关节示意图。末 端执行器具有两个手指，分别为1. 8a和1. 8b。1. 8a手指的根部与手指安装连杆1. 6固连， 1. 8b可实现相对于1. 8a的旋转运动，旋转轴为1. 7。如图4所示，该旋转运动通过缠绕在 1. 8b旋转轴槽中的钢丝绳驱动线1. 3a和1. 3b实现旋转运动。驱动线1. 3a和1. 3b的末 端都固定于孔1. 8c。驱动线1. 3a和1. 3b的另一端分别通过手指安装连杆1. 6的旋转中 心并穿过孔1. 6a和1. 6b，该旋转中心方向分别由两个方向保持轮组合1. 2a和1. 2b组成。 此时，即使手指安装连杆1. 6进行俯仰运动，由于驱动线1. 4a和1. 4b分别通过该件的旋转 中心，不会对末端手指开合运动产生干涉，从而实现运动解藕功能。
[0040] 俯仰关节的旋转轴为1. 9,该关节运动通过钢丝绳驱动线1. 4a和1. 4b的运动来实 现，如图3所示，钢丝绳1. 4a和1. 4b分别从两面绕过驱动轮1. 5的轮槽，并最终实现与驱 动轮1. 5实现固连。
[0041] 上述手指开合关节的旋转轴1. 7和俯仰关节的旋转轴1. 9分别由两对驱动钢丝绳 1. 3a、1. 3b和1. 4a、1. 4b实现。该两对驱动钢丝绳分别对应末端驱动器的两对伺服电动机。
[0042] 图5为本发明手术器械的驱动部分示意图。由图2、图3可知，本发明手术器械 具有两个自由度，四个伺服电机3. 9a-3. 9d分别对应两个驱动关节旋转轴1. 7和1. 9。四 个直流伺服电机分别按照在电机基座3. 8上，所有直流电机末端都安装有旋转编码器 3. 10a-3. 10d。四个电机轴端安装有台阶式轮毂3. 4a-3. 4d，轮毂上开有螺纹槽。
[0043] 图6为本发明连杆基座换向轮结构示意图。图7为该机构的正视图。本发明共有 两个驱动关节1. 7和1. 9,每一个关节由两根驱动钢丝绳驱动（如手指开合关节的旋转轴 1. 7对应驱动钢丝绳1. 3a和1. 3b，俯仰关节的旋转轴1. 9对应驱动钢丝绳1. 4a和1. 4b)， 而每一根驱动钢丝绳对应末端驱动单元上的一个伺服电机（如图9所示）。从伺服电机输 出的每一根驱动钢丝绳要分别通过连杆基座3. 1上的换向轮才能与关节相固连。
[0044] 本发明驱动部分共有4组电机调速机构（如图9所示）绕着圆周均匀排列，为了 便于说明，现取出其中一组机构（图8)加以说明，其他机构的组成结构类似。换向轮3. 5a、 3. 5b、3. 5c的轴心都固定于连杆支架3. 2b上。驱动钢丝绳3. 7 -端固定于电机轴上的轮毂 较小直径端3. 4a，并绕过换向轮3. 5c与自由轮3. 3a连接，此驱动线最终通过换向轮3. 5b 与驱动轮毂3. 4a固连，形成完整运动回路。
[0045] 如图9所示，自由轮3. 3a的轴心与另一驱动钢丝绳3. 6固连，驱动线3. 6绕过换向 轮3. 5a，穿过连杆基座3. 1上的换向轮组3. la和3. lb的中心，通过中空的主体连杆2,并 最终与末端执行器手指开合关节驱动线1. 3b相固连。手指开合关节的反方向运动由驱动 钢丝绳1. 3a来实现。驱动钢丝绳1. 3a穿过安装于1. 1上的方向保持轮组合1. 3a和1. 3d 的中心，与驱动减速机构相固连，该方向的旋转运动由驱动电机3. 9c实现。
[0046] 由于电机轴端台阶式轮毂有不同的直径，伺服电机输出轴高速旋转运动通过此差 动机构实现自由轮低速直线运动，实现小惯量、低摩擦、可逆向驱动功能。
[0047] 以上示意性对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中的所 示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，采用台阶式轮毂与换向轮、自由轮组合式传 动结构实现高速电机减速并由此实现旋转运动变换成直线运动的手术器械或与该技术方 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. 一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特征在于，包括依次连接的 动力驱动部分（3)、主体连杆部分（2)和末端执行器部分（1);所述的末端执行器部分（1) 包括手指开合关节和手腕俯仰关节； 所述的动力驱动部分（3)通过钢丝绳驱动结构穿过主体连杆部分（2)后分别与末端执 行器部分（1)的手指开合关节与手腕俯仰关节连接，实现末端执行器手指开合与手腕俯仰 运动。
2. 根据权利要求1所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特征 在于，所述的手指开合关节包括固定端手指（1.8a)、运动端手指（1.8b)、开合旋转轴（1.7) 和开合驱动线（1.3a、1.3b)，所述的固定端手指（1.8a)通过开合旋转轴（1.7)与运动端手 指（1. 8b)连接，所述的开合驱动线（1. 3a、1. 3b)缠绕在运动端手指（1. 8b)的旋转轴槽内， 带动运动端手指（1. 8b)相对于固定端手指（1. 8a)开合旋转运动； 所述的手腕俯仰关节包括驱动轮（1.5)、手指安装连杆（1.6)、俯仰旋转轴（1.9)和俯 仰驱动线（1. 4a、1. 4b)，所述的手指安装连杆（1. 6)通过俯仰旋转轴（1. 9)驱动轮（1. 5)连 接，所述的俯仰驱动线（1. 4a、1. 4b)缠绕在驱动轮（1. 5)上，带动手指安装连杆（1. 6)俯仰 运动。
3. 根据权利要求2所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特征 在于，所述的固定端手指（1.8a)根部与手指安装连杆（1.6)固定连接，所述的手指安装连 杆（1. 6)设有用于开合驱动线（1. 3a、1. 3b)穿射的旋转中心孔（1. 6a、1. 6b)，并在旋转中心 方向上设有方向保持轮（1. 2a、1. 2b)。
4. 根据权利要求2所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特征 在于，所述的运动端手指（1. 8b)的旋转轴槽内设有用于开合驱动线（1. 3a、1. 3b)末端固定 的固定孔（1. 8c)。
5. 根据权利要求2所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特 征在于，所述的动力驱动部分（3)包括四个伺服电机（3.9a、3.9b、3.9c、3.9d)、与伺服电 机一一对应连接的四组驱动组件、以及连杆基座（3. 1)，所述的四组驱动组件与连杆基座 (3. 1)连接，所述的连杆基座（3. 1)与主体连杆部分（2)连接。
6. 根据权利要求5所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其 特征在于，每组驱动组件包括连杆支架（3. 2a、3. 2b、3. 2c、3. 2d)、以及均固定在连杆支架 (3.2a、3.2b、3.2c、3.2d)上的滑轮组和轮毂（3.4a、3.4b、3.4c、3.4d)，所述的轮毂（3.4a、 3. 4b、3. 4c、3. 4d)分别与伺服电机、滑轮组连接，所述的滑轮组与连杆基座（3. 1)连接。
7. 根据权利要求6所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特 征在于，所述的滑轮组包括第一换向轮（3. 5a)、第二换向轮（3. 5b)、第三换向轮（3.5c)和 自由轮（3. 3a)，所述的第一换向轮（3. 5a) -端与自由轮（3. 3a)连接，另一端与连杆基座 (3. 1)连接，所述的轮毂、第三换向轮（3. 5c)、自由轮（3. 3a)、第二换向轮（3. 5b)、轮毂通过 驱动钢丝绳（3.7)依次连接后，形成完整运动回路。
8. 根据权利要求7所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特征 在于，所述的连杆基座（3. 1)设有四组换向轮组（3. la、3. lb、3. lc、3. ld、3. le、3. lg)，四组 换向轮组一端分别与对应驱动组件的第一换向轮（3.5a)连接，另一端通过主体连杆部分 ⑵与开合驱动线（1.3a、1.3b)和俯仰驱动线（1.4a、1.4b)连接。
9.根据权利要求5所述的一种用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械，其特 征在于，所述的动力驱动部分（3)还包括与与伺服电机一一对应连接的四个旋转编码器 (3. 10a、3. 10b、3. 10c、3. 10d)。
【文档编号】A61B17/29GK104116547SQ201410359514
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】李红兵, 沈柏用, 赵辉 申请人:上海交通大学