一种微创手术器械用快换装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种微创手术器械用快换装置，它包括用于连接器械盒的器械盒基座和快换本体的快换基座的卡扣结构以及设置在器械盒基座和快换基座之间的隔离组件，所述的快换基座与旋转连接轴的一端通过螺纹固连，所述的旋转连接轴的另一端通过轴承旋转的安装在机器人从手的末端；在所述的快换基座上安装有多个自连接驱动组件和多个器械传动组件。本装置提高了机器人的安全性，减少了机器人本体的消毒频率，降低医疗成本。
【专利说明】
一种微创手术器械用快换装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种微创手术器械用的快速更换装置，特别涉及一种胸腹腔微创外科手术机器人用手术器械的快速更换装置。
【背景技术】
[0002]微创手术是指利用胸腔镜、腹腔镜等现代化的医疗设备及配套器械开展的一类手术操作，微创手术技术出现并在医学领域得以广泛应用是最近十几年的事。与传统开口手术相比，微创手术更注重病人的心理、社会、生理(疼痛)、精神风貌、生活质量的改善与康复，最大程度体贴病人，减轻病人的痛苦，因其所具有的创口小、出血少、疼痛轻、恢复快等优点而成为医生与患者的优选手术方式。然而，微创手术中微创器械由于受到切口约束的限制，手术操作难度大为增加，且医生在长时间手术过程中的疲劳、颤抖等动作会被放大，这成为制约微创手术技术发展的关键因素。随着机器人技术的发展，一种可以克服缺点、继承优点的微创医疗领域新技术-微创手术机器人技术应运而生。
[0003]在机器人辅助微创外科手术过程中，医生借助细长的微创手术器械实施手术操作任务。手术器械的一端安放在机器人从操作手末端的快换接口装置上，另一端通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的，因此，手术器械是唯一与人体病变组织相接触的部分，也是直接执行手术操作的机器人部分。在手术实施中，为满足不同手术操作任务(夹持、缝合、打结等)的动作需求，机器人应随时更换与要求相配套的器械，所以快速高效的器械更换功能也是体现微创手术机器人系统整体性能水平的关键因素之一。
[0004]为适应现代化微创手术的要求，手术器械应满足结构精巧、操作灵活、形式多样、适合医疗环境等要求，这就要求与之配套的器械快换装置应具有尺寸小、效率高、易于操作、连接可靠等特点。目前国内外所研发的微创手术机器人系统的快换装置大多还处在功能实现层级上，仅能执行不同器械之间的更换，在可操作性、智能化水平以及可靠性等方面与现实手术需求还有较大的差距。因此，开发与多自由度、高灵活性手术器械相配套的性能更为稳定高效的快换装置对填补国内空白，推进相关领域技术进步具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种具有自连接功能的结构紧凑、快速高效、易于操作的微创外科手术机器人器械快换装置。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]—种微创手术器械用快换装置，它包括用于连接器械盒的器械盒基座和快换本体的快换基座的卡扣结构以及设置在器械盒基座和快换基座之间的隔离组件，所述的快换基座与旋转连接轴的一端通过螺纹固连，所述的旋转连接轴的另一端通过轴承旋转的安装在机器人从手的末端；
[0008]所述的卡扣结构包括左右对称的开在快换基座两侧壁上的卡槽，在器械盒基座内左右对称的开有滑槽，在两个滑槽内均安装有复力压簧，在所述的滑槽内插有按压柄的滑动段，所述的滑动段能与滑槽滑移配合，所述的复力压簧的内端顶在滑槽的槽壁上并且外端伸入到所述的按压柄的滑动段开孔内，在所述的滑动段上连接有竖直段，在所述的竖直段的左右移动方向上均设置有限位结构以约束其沿槽向的滑动量，所述的滑动段能够在复力压簧的作用下插入快换基座两侧壁上的卡槽内；
[0009]所述的隔离组件包括隔离板，在所述的隔离板上开有多个圆形孔，在每一个圆形孔内壁周向上开有凹槽，在每一个圆形孔内安装有一个中间连接轮，在所述的中间连接轮外壁上设置有大于中间连接轮轮体直径的圆周凸台，所述的圆周凸台安装在凹槽内能够在凹槽内上下移动以及转动，在每一个所述的中间连接轮的顶面和底面上分别开有两个顶面圆孔和两个底面圆孔，所述的隔离板和快换基座之间通过磁铁吸合相连；
[0010]在所述的快换基座上安装有多个自连接驱动组件，每一个自连接驱动组件包括驱动系统，在所述的驱动系统的转动输出端上固定有滑动连接轴，顶托具有顶托轴段，在所述的滑动连接轴上以及顶托轴段上均开有轴向长孔，顶托的轴段插在滑动连接轴的中间轴孔内并通过插在两者轴向长孔内的连接长销使两者固连，在所述的顶托的轴段和滑动连接轴上套有顶推弹簧，所述的顶推弹簧的上下端分别设置在顶托和滑动连接轴的底部凸台之间以限位，所述的连接长销能够在顶推弹簧的作用下沿轴向长孔内上下移动，在所述的顶托的顶面上设置有两个圆形凸起，所述的顶托上的两个圆形凸起与对应设置的中间连接轮的两个底面圆孔插紧配合；
[0011]在所述的器械盒基座上安装有多个器械传动组件，在所述的器械传动组件的传动轴的底面上设置有与中间传动轮上的顶面圆孔对应设置的圆形凸起;在所述的快换基座上安装有接近传感器，所述的接近传感器穿过隔离板上的开孔设置，所述的接近传感器与控制系统相连，所述的器械盒基座的下表面与接近传感器探测头贴合时，所述的接近传感器受到触发输出检测信号，所述的控制系统根据读取的接近传感器输出的检测信号向驱动系统输出启动控制信号，所述的中间传动轮能够在驱动系统的带动下旋转使中间传动轮上的顶面圆孔与器械传动组件的传动轴底面上的圆形凸起处于对应位置并且中间传动轮能够在顶推弹簧的作用下顶起使器械传动组件的传动轴底面上的圆形凸起插入中间传动轮上的顶面圆孔内，直至中间连接轮的顶面与器械传动组件的传动轴的底面贴合;每一个所述的中间连接轮的两个顶面圆孔的中心与中间连接轮顶面的圆面中心的距离不相等，每一个所述的器械传动组件传动轴的底面的两凸起的中心与器械传动组件传动轴的底面中心的距离不相等。
[0012]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0013]1.本发明的一种微创手术器械用快换装置具有自连接功能，可有效提高不同微创手术器械中间的快换效率，提升机器人的智能化水平。
[0014]2.本发明的一种微创手术器械用快换装置采用垂直贴合的连接方式，驱动系统在任意位置出现故障时，松开锁紧装置即可将器械轻松取出，提高了机器人的安全性。
[0015]3.本发明的一种微创手术器械用快换装置的各构成组件均采用模块化设计，降低了机构的复杂程度，减小了结构尺寸，有利于机器人系统的整体简化。
[0016]4.本发明的一种微创手术器械用快换装置引入了隔离设计，实现手术器械与机器人从手的物理隔离，减少机器人本体的消毒频率，降低医疗成本。
[0017]5.本发明的一种微创手术器械用快换装置面向胸腹腔镜领域的微创手术，可满足不同医院医疗条件的需求，具有向其它医疗领域扩展的潜力。
【附图说明】
[0018]图1为本发明一种微创手术器械用快换装置的安装布局示意图；
[0019]图2为本发明一种微创手术器械用快换装置的整体结构示意图；
[0020]图3为本发明一种微创手术器械用快换装置的锁紧机构的剖面示意图；
[0021]图4为本发明一种微创手术器械用快换装置的隔离组件结构示意图；
[0022]图5-1为本发明一种微创手术器械用快换装置的自连接驱动组件结构分解示意图；
[0023]图5-2为本发明一种微创手术器械用快换装置的自连接驱动组件结构安装示意图；
[0024]图6-1为本发明一种微创手术器械用快换装置的锁紧过程示意图；
[0025]图6-2为本发明一种微创手术器械用快换装置的自连接过程示意图；
[0026]其中:
[0027]1-机器人从手2-器械盒3-快换本体4-旋转连接轴
[0028]1-1-器械传动组件1-2-弹性卡端1-3-器械盒基座1_4_隔离组件
[0029]1-5-快换基座1-6-自连接驱动组件1-7-接近传感器
[0030]101-按压柄102-圆形按钮103-复力弹簧104-限位封片105-正极磁铁
[0031]106-负极磁铁
[0032]201-隔离板202-中间连接轮203-底端封环
[0033]301-驱动系统302-滑动连接轴303-顶托304-连接长销305-顶推弹簧
[0034]rl-自转自由度r2-上下滑动自由度r3_传动组件旋转运动
[0035]Rl-手术器械贴合运动R2-自连接组件旋转自由度R3-自连接组件顶推自由度
【具体实施方式】
[0036]下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
[0037]如附图所示的一种微创手术器械用快换装置，它包括用于连接器械盒2的器械盒基座1-3和快换本体3的快换基座1-5的卡扣结构以及设置在器械盒基座1-3和快换基座1-5之间的隔离组件1-4，所述的快换基座1-5与旋转连接轴4的一端通过螺纹固连，所述的旋转连接轴4的另一端通过轴承旋转的安装在机器人从手I的末端；
[0038]所述的卡扣结构包括左右对称的开在快换基座1-5两侧壁上的卡槽，在器械盒基座1-3内左右对称的开有滑槽，在两个滑槽内均安装有复力压簧103，在所述的滑槽内插有按压柄101的滑动段，所述的滑动段能与滑槽滑移配合，所述的复力压簧103的内端顶在滑槽的槽壁上并且外端伸入到所述的按压柄101的滑动段开孔内，在所述的滑动段上连接有竖直段，优选的，在所述的竖直段上连接有圆形按钮102以便于操作，在所述的竖直段的左右移动方向上均设置有限位结构以约束其沿槽向的滑动量，所述的滑动段能够在复力压簧103的作用下插入快换基座1-5两侧壁上的卡槽内。所述的限位结构包括限位封片104，所述的限位封片104固定安装在所述的器械盒基座1-3上并且压盖在复力压簧103以及按压柄101上，并且在所述的限位封片上开有限位孔，所述的竖直段设置在所述的限位孔内并且能够在限位孔内左右移动。限位封片一方面用以实现对复力压簧103以及按压柄101的压盖，另一方面，所述的限位封片104上开设的长方形孔可以对按压柄101进行限位以约束其沿槽向的滑动量。所述的复力压簧103未受力在自然长度时由按压柄101的滑动段和竖直段组成的弹性卡端1-2处在外伸状态，手动按压两圆形按钮102，按压柄101在力的作用下沿所述的器械盒基座1-3的矩形槽向内运动，同时压迫所述的复力压簧103收缩，当运动到限位封片104的内侧约束位置时，弹性卡端1-2处在内收状态;松开两圆形按钮102，按压柄101在复力压簧103的作用下向外运动，当所述的复力弹簧103恢复到自然长度时，所述的按压柄101到达限位封片104的外侧约束位置，弹性卡端1-2回到外伸状态。
[0039]所述的隔离组件1-4包括隔离板201，在所述的隔离板201上开有多个圆形孔，在每一个圆形孔内壁周向上开有凹槽，在每一个圆形孔内安装有一个中间连接轮202，在所述的中间连接轮202外壁上设置有大于中间连接轮202轮体直径的圆周凸台，所述的圆周凸台安装在凹槽内能够在凹槽内上下移动以及转动，实现自转自由度rl和上下滑动自由度r2，，在每一个所述的中间连接轮202的顶面和底面上分别开有两个顶面圆孔和两个底面圆孔，所述的隔离板201和快换基座1-5之间通过磁铁吸合相连。
[0040]作为本发明的一种实施方式，为方便安装和拆卸，在所述的隔离板201底面上对应开有圆形孔的位置固定有底端封环203，可以利用过盈配合与隔离板201固连，所述的隔离板201上的圆形孔以及凹槽由部分设置在底端封环203上的圆形孔以及凹槽并且部分设置在隔离板201上的圆形孔以及凹槽共同组成。圆形孔边缘的法兰台阶与底端封环203对所述的中间连接轮202的上下滑动自由度r2进行限位。
[0041]所述的磁铁包括嵌装在隔离板201沉孔中的两个正极磁铁105以及安装在快换基座1-5中的两个负极磁铁，两者进行吸合，从而使整个隔离组件1-4可以稳定的座装在快换基座1-5上。所述的隔离组件1-4主要起两个作用，一方面可以把手术器械与机器人本体进行隔离，手术器械因与病变组织直接接触而易受细菌感染，快换装置则不便于高频率的消毒，因此应将两者尽量隔开；另一方面优选的所述的隔离板201、中间连接轮202、底端封环203的材质选用医用工程塑料，可使隔离组件1-4起到绝缘作用，防止手术器械存在漏电流的情况下电流向机器人本体传导。
[0042]在所述的快换基座1-5上安装有多个自连接驱动组件1-6，每一个自连接驱动组件包括驱动系统301，在所述的驱动系统301的转动输出端上固定有滑动连接轴302，顶托303具有顶托轴段，在所述的滑动连接轴302上以及顶托轴段上均开有轴向长孔，顶托303的轴段插在滑动连接轴302的中间轴孔内并通过插在两者轴向长孔内的连接长销304使两者固连，在所述的顶托303的轴段和滑动连接轴302上套有顶推弹簧305，所述的顶推弹簧305的上下端分别设置在顶托和滑动连接轴302的底部凸台之间以限位，所述的连接长销304能够在顶推弹簧305的作用下沿轴向长孔内上下移动，在所述的顶托303的顶面上设置有两个圆形凸起，所述的顶托303上的两个圆形凸起与对应设置的中间连接轮202的两个底面圆孔插紧配合。
[0043]当滑动连接轴302在驱动系统301的作用下旋转时，通过连接长销304可实现顶托303随滑动连接轴302的同步转动。所述的顶推弹簧305布置在顶托与滑动连接轴之间，在未对顶托303施加外作用力时，顶托303在顶推弹簧305的作用下处在上限位位置，当顶托303受到向下的作用力时，其沿滑动连接轴302的轴向孔向下滑动并压迫顶推弹簧305收缩，直至运动到下限位位置。当将所述的隔离组件1-4座装在快换基座1-5上后，旋转调整中间连接轮202(如图为四个)使其下端面的两个圆孔对准所述的顶托303上的两个圆形凸起，从而使两者扣合在一起。
[0044]在所述的器械盒基座1-3上安装有多个器械传动组件1-1，在所述的器械传动组件1-1的传动轴的底面上设置有与中间传动轮上的顶面圆孔对应设置的圆形凸起；
[0045]在所述的快换基座1-5上安装有接近传感器1-7，所述的接近传感器1-7穿过隔离板上的开孔设置，所述的接近传感器1-7与控制系统相连。所述的器械盒基座1-3的下表面与接近传感器1-7探测头贴合，实现手术器械贴合运动Rl，所述的接近传感器1-7受到器械和基座1-3的触发输出检测信号，所述的控制系统根据读取的接近传感器1-7输出的检测信号向驱动系统输出启动控制信号，所述的自连接驱动组件1-6在驱动系统301的作用下旋转，实现自连接组件旋转自由度R2，所述的中间传动轮能够在驱动系统的带动下旋转使中间传动轮上的顶面圆孔与器械传动组件1-1的传动轴底面上的圆形凸起处于对应位置并且中间传动轮能够在顶推弹簧305的作用下顶起使器械传动组件1-1的传动轴底面上的圆形凸起插入中间传动轮上的顶面圆孔内，实现自连接组件顶推自由度R3，直至中间连接轮202的顶面与器械传动组件1-1的传动轴的底面贴合，从而实现自连接驱动组件1-6与器械传动组件1-1的连接，在自连接驱动组件1-6旋转带动下器械传动组件实现旋转自由度r3。
[0046]每一个所述的中间连接轮202的两个顶面圆孔中心到中间连接轮顶面的圆面中心的距离不相等，即相对中心为非对称布置，对应的，每一个所述的器械传动组件1-1传动轴的底面的两凸起的中心到器械传动组件1-1传动轴的底面中心的距离不相等，也为非对称布置，所以在中间连接轮202与传动轴的转动对接过程中，只在一个相对位置上，两个凸起和两个圆孔是正好对应的，可避免凸起错扣圆孔的情况。
[0047]具体的快换装置的锁紧与自连接过程如下所述:所述的器械盒2移动至快换本体3的正上方，向下快速调整器械盒2使其逐渐靠近快换本体3，手动按压所述的弹性卡端1-2的两圆形按钮102使弹性卡端处于内收状态，随后，所述的器械盒2座装在所述的快换本体3上，当所述的器械盒基座1-3与所述的快换基座1-5贴合在一起时，松开所述的弹性卡端1-2的两圆形按钮102，所述的弹性卡端1-2在复力弹簧103的作用下迅速转为外伸状态，此时，所述的按压柄101前端插合到快换基座1-5的卡槽中，从而实现了快换装置对手术器械的锁紧功能;所述的器械盒基座1-3与快换基座1-5贴合时，所述的顶托303在器械传动组件1-1的传动轴底面上的圆形凸起压迫下沿滑动连接轴302向下运动，同时，器械盒基座1-3的下表面与接近传感器1-7探测头贴合，所述的接近传感器1-7受触发输出控制信号，所述的接近传感器1-7输出启动控制信号给驱动系统301使驱动系统301匀速旋转，并使中间连接轮202转动。当中间连接轮202上的顶面圆孔与器械传动组件1-1的传动轴底面上的凸起处于对应位置时，在顶推弹簧305的作用下，所述的中间连接轮202会被迅速顶起，使传动轴的底面凸起迅速扣入对应的中间连接轮202的顶面圆孔中，直至中间连接轮202的顶面与器械传动组件1-1的传动轴的底面贴合。从而实现了器械传动组件1-1与自连接驱动组件1-6之间的自动对接(器械传动组件可以采用专利201110025933所示的结构形式)。
[0048]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，附图中所示的只是本发明的实施方式之一，实际的结构也并不局限于此。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，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计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。
【主权项】
1.一种微创手术器械用快换装置，其特征在于:它包括用于连接器械盒的器械盒基座和快换本体的快换基座的卡扣结构以及设置在器械盒基座和快换基座之间的隔离组件，所述的快换基座与旋转连接轴的一端通过螺纹固连，所述的旋转连接轴的另一端通过轴承旋转的安装在机器人从手的末端； 所述的卡扣结构包括左右对称的开在快换基座两侧壁上的卡槽，在器械盒基座内左右对称的开有滑槽，在两个滑槽内均安装有复力压簧，在所述的滑槽内插有按压柄的滑动段，所述的滑动段能与滑槽滑移配合，所述的复力压簧的内端顶在滑槽的槽壁上并且外端伸入到所述的按压柄的滑动段开孔内，在所述的滑动段上连接有竖直段，在所述的竖直段的左右移动方向上均设置有限位结构以约束其沿槽向的滑动量，所述的滑动段能够在复力压簧的作用下插入快换基座两侧壁上的卡槽内； 所述的隔离组件包括隔离板，在所述的隔离板上开有多个圆形孔，在每一个圆形孔内壁周向上开有凹槽，在每一个圆形孔内安装有一个中间连接轮，在所述的中间连接轮外壁上设置有大于中间连接轮轮体直径的圆周凸台，所述的圆周凸台安装在凹槽内能够在凹槽内上下移动以及转动，在每一个所述的中间连接轮的顶面和底面上分别开有两个顶面圆孔和两个底面圆孔，所述的隔离板和快换基座之间通过磁铁吸合相连； 在所述的快换基座上安装有多个自连接驱动组件，每一个自连接驱动组件包括驱动系统，在所述的驱动系统的转动输出端上固定有滑动连接轴，顶托具有顶托轴段，在所述的滑动连接轴上以及顶托轴段上均开有轴向长孔，顶托的轴段插在滑动连接轴的中间轴孔内并通过插在两者轴向长孔内的连接长销使两者固连，在所述的顶托的轴段和滑动连接轴上套有顶推弹簧，所述的顶推弹簧的上下端分别设置在顶托和滑动连接轴的底部凸台之间以限位，所述的连接长销能够在顶推弹簧的作用下沿轴向长孔内上下移动，在所述的顶托的顶面上设置有两个圆形凸起，所述的顶托上的两个圆形凸起与对应设置的中间连接轮的两个底面圆孔插紧配合； 在所述的器械盒基座上安装有多个器械传动组件，在所述的器械传动组件的传动轴的底面上设置有与中间传动轮上的顶面圆孔对应设置的圆形凸起;在所述的快换基座上安装有接近传感器，所述的接近传感器穿过隔离板上的开孔设置，所述的接近传感器与控制系统相连，所述的器械盒基座的下表面与接近传感器探测头贴合时，所述的接近传感器受到触发输出检测信号，所述的控制系统根据读取的接近传感器输出的检测信号向驱动系统输出启动控制信号，所述的中间传动轮能够在驱动系统的带动下旋转使中间传动轮上的顶面圆孔与器械传动组件的传动轴底面上的圆形凸起处于对应位置并且中间传动轮能够在顶推弹簧的作用下顶起使器械传动组件的传动轴底面上的圆形凸起插入中间传动轮上的顶面圆孔内，直至中间连接轮的顶面与器械传动组件的传动轴的底面贴合;每一个所述的中间连接轮的两个顶面圆孔的中心与中间连接轮顶面的圆面中心的距离不相等，每一个所述的器械传动组件传动轴的底面的两凸起的中心与器械传动组件传动轴的底面中心的距离不相等。2.根据权利要求1所述的微创手术器械用快换装置，其特征在于:所述的限位结构包括限位封片，所述的限位封片固定安装在所述的器械盒基座上并且压盖在复力压簧以及按压柄上，在所述的限位封片上开有限位孔，所述的竖直段设置在所述的限位孔内并且能够在限位孔内左右移动。3.根据权利要求1所述的微创手术器械用快换装置，其特征在于:在所述的竖直段上连接有圆形按钮。4.根据权利要求1所述的微创手术器械用快换装置，其特征在于:在所述的隔离板底面上对应开有圆形孔的位置固定有底端封环，所述的隔离板上的圆形孔以及凹槽由部分设置在底端封环上的圆形孔以及凹槽并且部分设置在隔离板上的圆形孔以及凹槽共同组成。5.根据权利要求4所述的微创手术器械用快换装置，其特征在于:所述的隔离板、中间连接轮以及底端封环的材质选用医用工程塑料。
【文档编号】A61B34/30GK105997254SQ201610536550
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】王树新, 杨英侃, 孔康, 李建民, 李进华, 张淮锋
【申请人】天津大学