CN116077197B - 一种具有调整关节装置的器械机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有调整关节装置的器械机械臂，其解决了现有微创手术机器人系统中患者操作台，在器械机械臂的主动部分与病人身体干涉时，先退出手术器械，收起器械机械臂的主动部分，对被动部分重新布置后进而调整主动部分的位置，消除主动部分与病人身体的干涉，然后展开器械机械臂的主动部分，进一步使手术器械的执行末端伸入病人体内的操作过程浪费了大量的时间，操作过程复杂，增加了手术风险，降低手术安全性的技术问题；其包括被动部分、主动部分和调整关节装置，调整关节装置连接于被动部分和主动部分之间。

Description

一种具有调整关节装置的器械机械臂

技术领域

本发明涉及微创外科手术器械技术领域，具体而言，涉及一种具有调整关节装置的器械机械臂。

背景技术

参考申请公布号为CN109091237A、名称为微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。

参考申请公开号为CN112914683A的发明专利以及申请公开号为CN111700683A的发明专利，手术器械执行不同功能，包括夹持、切除、切割、缝合、吻合等。手术器械具有不同的配置，其包括执行末端，腕节、器械杆、器械盒等。

参考申请公布号为CN112370168A、名称为微创手术机器人系统的中国发明专利申请，微创手术机器人系统包括医生操作台和患者操作台，外科医生通过操作医生操作台中的控制端操作臂来精准地控制患者操作台的器械机械臂上手术器械执行各种手术动作。通常情况下，使用两条器械机械臂，即使用由左侧器械被动臂1.7和左侧器械主动臂1.10组成一条器械机械臂以及使用由右侧器械被动臂1.8和右侧器械主动臂1.12组成的另一条器械机械臂。在术前调整阶段，调整左侧器械被动臂1.7使左侧器械主动臂1.10的远端不动点与穿刺孔重合，调整右侧器械被动臂1.8使右侧器械主动臂1.12的远端不动点与穿刺孔重合，同时不但要避免左侧器械被动臂1.7、右侧器械被动臂1.8之间发生干涉，并且要使左侧器械主动臂1.10、右侧器械主动臂1.12之间要留出尽可能大的空间以避免两者之间发生碰撞。可见，左侧器械被动臂1.7和右侧器械被动臂1.8的结构布局显得尤为重要。

尽管如此，但是由于临床手术情况非常复杂，病人个体情况存在差异，手术术式也各不相同，因此仅仅通过调整器械机械臂的被动部分(左侧器械被动臂1.7或右侧器械被动臂1.8)无法保证满足所有的临床需求，手术时可能会出现器械机械臂的主动部分(左侧器械主动臂1.10或右侧器械主动臂1.12)与病人身体干涉的情况，导致手术器械无法到达指定位置完成相应手术动作。此时，为了完成手术，医护人员只能暂时停止手术，先退出手术器械，收起器械机械臂的主动部分，对被动部分重新布置后进而调整主动部分的位置，消除主动部分与病人身体的干涉，然后展开器械机械臂的主动部分，进一步使手术器械的执行末端伸入病人体内，再继续进行手术。这浪费了大量的时间，不仅操作过程复杂，也增加了手术风险，降低了手术安全性。

发明内容

本发明就是为了解决现有微创手术机器人系统中患者操作台，在器械机械臂的主动部分与病人身体干涉时，先退出手术器械，收起器械机械臂的主动部分，对被动部分重新布置后进而调整主动部分的位置，消除主动部分与病人身体的干涉，然后展开器械机械臂的主动部分，进一步使手术器械的执行末端伸入病人体内的操作过程浪费了大量的时间，操作过程复杂，增加了手术风险，降低手术安全性的技术问题，提供了一种能够使器械机械臂的主动部分在术中直接进行调整的具有调整关节装置的器械机械臂。

本发明提供一种具有调整关节装置的器械机械臂，包括被动部分、主动部分和调整关节装置，调整关节装置包括壳体、轴承压盖、第一轴承、第二轴承、第一丝轮、从轴、连接座、转接杆壳体、导向轮、抱闸、套筒、弯座、调整关节主轴、导向杆、调节螺母、第二丝轮、钢丝、第三轴承和第四轴承，轴承压盖与壳体左端的上部固定连接，轴承压盖设有轴承室，第一轴承与轴承压盖的轴承室连接，壳体左端的下部设有轴承室，第二轴承与壳体左端下部的轴承室连接，从轴的上端与第一轴承连接，从轴的下端与第二轴承连接，从轴的下端伸出壳体，连接座与从轴的下端固定连接，转接杆壳体与连接座固定连接；第一丝轮与从轴的中部固定连接，第一丝轮位于壳体内；套筒套在调整关节主轴上并固定连接，弯座的倾斜部设有安装孔，套筒插入弯座的倾斜部的安装孔中并固定连接；壳体的右端的上部设有上轴承室，壳体的右端的下部设有下轴承室，第三轴承与上轴承室连接，第四轴承与下轴承室连接，套筒的上部与第三轴承连接，套筒的下部与第四轴承连接，套筒的上部穿过壳体的上部，套筒的下部穿过壳体的下部；抱闸与壳体右端的底部连接，抱闸设有抱闸转子、抱闸定子，抱闸转子与调整关节主轴的下端固定连接；第二丝轮与套筒的中部连接，第二丝轮位于壳体的内部；钢丝连接于第二丝轮和第一丝轮之间；壳体的中部设有导向孔，导向杆穿过该导向孔实现与壳体中部滑动连接，导向杆的上端位于壳体的外面，导向杆的下端位于壳体的内部，导向杆的上端设有外螺纹，调节螺母与外螺纹连接配合，导向轮与导向杆的下端连接，导向轮位于壳体的内部，钢丝绕过导向轮；第一丝轮和第二丝轮的直径相同，从轴的轴线与调整关节主轴的轴线是相交的；弯座的末端与被动部分的自由端固定连接，转接杆壳体的自由端与主动部分的支撑臂固定连接；调整关节主轴的轴线与主动部分的旋转轴线交汇于RCM点。

优选地，第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承均是角接触轴承。

优选地，转接杆壳体的底部设有开口，盖子通过螺钉与转接杆壳体的底部连接，盖子将该开口盖住。

优选地，壳体中间位置的底部可拆卸地连接有外壳压盖。

本发明的有益效果是，能在术中对器械机械臂的主动部分直接进行调整，在短时间内迅速改变器械机械臂主动部分的空间姿态，而无须退出器械来对器械机械臂的被动部分重新部署。能有效避免机械臂与病人身体的碰撞，不会对病人造成伤害。当机械臂碰撞到病人躯体仍不能使器械到达理想位置时，即可利用调整关节对机械臂主动部分重新布局。改进后的器械机械臂既能提高现有手术的安全性和有效性，又能拓宽手术术式，完成各种高难度的临床手术。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是调整关节装置的结构示意图；

图2是图1所示结构中，第一丝轮通过钢丝与第二丝轮连接，导向轮与钢丝配合的示意图；

图3是调整关节装置的原理图；

图4是调整关节装置的外形图；

图5是器械机械臂上安装调整关节装置的结构示意图。

图中符号说明：

1.壳体，2.轴承压盖，3.第一角接触轴承，4.第一丝轮，5.锁紧螺母，6.从轴，7.连接座，8.转接杆壳体，9.盖子，10.外壳压盖，11.导向轮，12.抱闸转子，13.抱闸定子，14.抱闸压筒，15.套筒，16.弯座，17.调整关节主轴，18.导向杆，19.调节螺母。20.第二角接触轴承，21.第二丝轮，22.钢丝，23.第三角接触轴承，24.第四角接触轴承；100-1.器械机械臂的被动部分，100-2.器械机械臂的主动部分，100-2-1.支撑臂。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、2、3、4所示，调整关节装置包括壳体1、轴承压盖2、第一角接触轴承3、第二角接触轴承20、第一丝轮4、从轴6、连接座7、转接杆壳体8、导向轮11、抱闸、套筒15、弯座16、调整关节主轴17、导向杆18、调节螺母19、第二丝轮21、钢丝22、第三角接触轴承23、第四角接触轴承24，轴承压盖2通过螺钉与壳体1的左端的上部固定连接，轴承压盖2设有轴承室，第一角接触轴承3安装在轴承压盖2的轴承室内，壳体1的左端的下部设有轴承室，第二角接触轴承20安装在壳体1左端下部的轴承室内，从轴6的上端与第一角接触轴承3连接，从轴6的下端与第二角接触轴承20连接，从轴6在第一角接触轴承3和第二角接触轴承20的支撑下能够旋转，从轴6的下端伸出壳体1，连接座7与从轴6的下端固定连接，转接杆壳体8通过螺钉与连接座7固定连接；转接杆壳体8的底部设有开口，盖子9通过螺钉与转接杆壳体8的底部连接，盖子9将该开口盖住(去掉盖子9方便检修)。通过锁紧螺母5将第一丝轮4与从轴6的中部固定连接，第一丝轮4位于壳体1内。套筒15套在调整关节主轴17上并固定连接，弯座16的倾斜部设有安装孔，套筒15插入弯座16倾斜部的安装孔中并通过过盈配合进行固定连接，壳体1的右端的上部设有上轴承室，壳体1的右端的下部设有下轴承室，第三角接触轴承23安装在上轴承室中，第四角接触轴承24安装在下轴承室中，套筒15的上部与第三角接触轴承23连接，套筒15的下部与第四角接触轴承24连接，套筒15的上部穿过壳体1的上部，套筒15的下部穿过壳体1的下部，抱闸设有抱闸压筒14、抱闸转子12、抱闸定子13，通过抱闸压筒14将抱闸安装在壳体1右端的底部，抱闸转子12与调整关节主轴17的下端固定连接。第二丝轮21与套筒15的中部连接，第二丝轮21位于壳体1的内部，钢丝22连接于第二丝轮21和第一丝轮4之间，壳体1的中部设有导向孔，导向杆18穿过该导向孔实现与壳体1中部滑动连接，导向杆18的上端位于壳体1的外面，导向杆18的下端位于壳体1的内部，导向杆18的上端设有外螺纹，调节螺母19与该外螺纹连接配合，导向轮11与导向杆18的下端连接，导向轮11位于壳体1的内部，钢丝22绕过导向轮11，旋拧调节螺母19能够使导向杆18滑动从而调整导向轮11的位置。

第一丝轮4、第二丝轮21这两个丝轮的直径相同，从轴6和调整关节主轴17的传动比是1:1。由于从轴6的轴线与调整关节主轴17的轴线是相交的，第一丝轮4、第二丝轮21不在同一平面，导向轮11不仅能改变钢丝的传动方向，同时，也能起到张紧作用。通过调节螺母19调整导向轮11的位置能够调整张紧程度，保证传动比恒定。

可以在壳体1中间位置的底部设置外壳压盖10，外壳压盖10可拆卸地连接在壳体1中间位置的底部，去掉外壳压盖10可以露出导向轮11，方便进行检修工作。

如图5所示，应用上述调整关节装置时，将弯座16的末端与器械机械臂的被动部分100-1的自由端固定连接，将转接杆壳体8的自由端与器械机械臂的主动部分100-2的支撑臂100-2-1固定连接。这样就在器械机械臂的主动部分和被动部分增加了一个关节，也就是增加了一个自由度，参考图3，RCM点代表机械臂的远端不动点，术前摆位时，该点与病人身上的穿刺孔重合。术中，手术器械绕这个点进行动作，而不会拉扯病人穿刺孔附近的表皮。调整关节主轴17的轴线是调整关节装置的旋转轴线，器械机械臂的主动部分100-2的旋转轴线与调整关节装置的旋转轴线交汇于RCM点；这样在对器械机械臂的主动部分100-2进行姿态调整时，整个机械臂也始终围绕RCM点，从而能在术中直接调整器械机械臂的主动部分100-2的位置，从而无须完全退出手术器械，无须收起器械机械臂的主动部分100-2的。在术中，当器械机械臂的主动部分100-2与病人身体发生干涉，医护人员用手握住壳体1手动转动壳体1，当壳体1旋转角度是α，经过钢丝传动从轴6的旋转角度是-α，也就使器械机械臂的主动部分100-2的旋转角度是-α，这样可以保证器械机械臂的主动部分100-2作为一个整体的姿态不变，而空间位置变化，无须退出手术器械，无须收起器械机械臂的主动部分100-2，消除了与病人身体的干涉，最后开启抱闸，壳体1被锁死而不能转动。

可见，器械机械臂的主动部分100-2在术中可以在较短时间内完成姿态调整，保证手术顺利进行，而无须完全退出器械。这样的话，节省了手术时间，降低了手术风险，提高了手术安全性，从根本上保证了手术的连续性和安全有效性，有利于病人的完全康复。

在现有技术基础上，调整关节装置的引进，给机械臂主动部分的重新布局提供了更多可能性，从而带来一系列的优势。首先，变相地增加了机械人手术系统的手术操作空间，使得手术器械的活动空间变大，可以在更大范围内进行手术操作，器械机械臂主动部分活动空间大小不变，通过改变其旋转轴线的空间姿态，可有效改变其活动空间的位置，从而变相增加了机械人手术系统的操作空间。其次，能有效避免机械臂与病人身体的碰撞，不会对病人造成伤害。最后，机械臂主动部分重新布局时间短，5分钟内即可完成，不会对手术的安全有效性产生不利影响，保证手术继续顺利完成。

需要说明的是，调整关节装置中的四个角接触轴承是优选选择，这四个轴承也可以采用其他结构的轴承。

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，采用其它形式的零件构型、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。

Claims (4)

1.一种具有调整关节装置的器械机械臂，其特征在于，包括被动部分、主动部分和调整关节装置，所述调整关节装置包括壳体、轴承压盖、第一轴承、第二轴承、第一丝轮、从轴、连接座、转接杆壳体、导向轮、抱闸、套筒、弯座、调整关节主轴、导向杆、调节螺母、第二丝轮、钢丝、第三轴承和第四轴承，所述轴承压盖与壳体左端的上部固定连接，轴承压盖设有轴承室，所述第一轴承与轴承压盖的轴承室连接，所述壳体左端的下部设有轴承室，所述第二轴承与壳体左端下部的轴承室连接，所述从轴的上端与第一轴承连接，所述从轴的下端与第二轴承连接，所述从轴的下端伸出壳体，所述连接座与从轴的下端固定连接，所述转接杆壳体与连接座固定连接；所述第一丝轮与从轴的中部固定连接，第一丝轮位于壳体内；所述套筒套在调整关节主轴上并固定连接，所述弯座的倾斜部设有安装孔，所述套筒插入弯座的倾斜部的安装孔中并固定连接；所述壳体的右端的上部设有上轴承室，壳体的右端的下部设有下轴承室，所述第三轴承与上轴承室连接，所述第四轴承与下轴承室连接，所述套筒的上部与第三轴承连接，所述套筒的下部与第四轴承连接，所述套筒的上部穿过壳体的上部，套筒的下部穿过壳体的下部；所述抱闸与壳体右端的底部连接，所述抱闸设有抱闸转子、抱闸定子，所述抱闸转子与调整关节主轴的下端固定连接；所述第二丝轮与套筒的中部连接，第二丝轮位于壳体的内部；所述钢丝连接于第二丝轮和第一丝轮之间；所述壳体的中部设有导向孔，所述导向杆穿过该导向孔实现与壳体中部滑动连接，所述导向杆的上端位于壳体的外面，导向杆的下端位于壳体的内部，所述导向杆的上端设有外螺纹，所述调节螺母与外螺纹连接配合，所述导向轮与导向杆的下端连接，导向轮位于壳体的内部，所述钢丝绕过导向轮；所述第一丝轮和第二丝轮的直径相同，所述从轴的轴线与所述调整关节主轴的轴线是相交的；所述弯座的末端与被动部分的自由端固定连接，所述转接杆壳体的自由端与主动部分的支撑臂固定连接；所述调整关节主轴的轴线与主动部分的旋转轴线交汇于RCM点。

2.根据权利要求1所述的具有调整关节装置的器械机械臂，其特征在于，所述第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承均是角接触轴承。

3.根据权利要求1所述的具有调整关节装置的器械机械臂，其特征在于，所述转接杆壳体的底部设有开口，盖子通过螺钉与转接杆壳体的底部连接，盖子将该开口盖住。

4.根据权利要求1所述的具有调整关节装置的器械机械臂，其特征在于，所述壳体中间位置的底部可拆卸地连接有外壳压盖。