一種用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，特別涉及一種用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)外科手術(shù)操作中，醫(yī)生手持手術(shù)器械，憑借自己的感知與經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行手術(shù)，由于心理或生理的原因，醫(yī)生手部會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，這樣就可能帶來操作失誤，輕則導(dǎo)致手術(shù)失敗，重則危及病人的生命。例如在人工耳蝸移植外科手術(shù)中，手術(shù)鉆在進(jìn)行鉆孔時(shí)，如果因?yàn)槭植慷秳?dòng)造成定位不準(zhǔn)，當(dāng)尖端接近內(nèi)耳軟骨組織，可能會(huì)鉆破內(nèi)耳膜等。因此，需要開發(fā)一種機(jī)器人輔助的外科手術(shù)鉆工具，用于提高定位精度，以減少醫(yī)生手部生理抖動(dòng)，進(jìn)而提尚手術(shù)質(zhì)量。
[0003]現(xiàn)有外科手術(shù)機(jī)器人主動(dòng)部分通常有三個(gè)定位自由度，手術(shù)器械具有三個(gè)或四個(gè)自由度，通過對(duì)這些自由度上的運(yùn)動(dòng)加以控制來完成外科手術(shù)既定任務(wù)，如縫合和打結(jié)。對(duì)于大多數(shù)外科手術(shù)器械而言，俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制均采用兩個(gè)異面關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，這就造成關(guān)節(jié)臂過長，再加之外科手術(shù)鉆的特殊性一一鉆頭長度較長，如果采用類似的結(jié)構(gòu)將造成連桿變長，關(guān)節(jié)之間的距離加大了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的累積誤差，且關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，與其他輔助機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生干涉，關(guān)節(jié)臂的存在也減小了末端執(zhí)行器的位置剛度。
[0004]目前國內(nèi)外用于外科手術(shù)機(jī)器人的手術(shù)器械傳動(dòng)方式主要有桿傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)兩種方法。桿傳動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度較差，整體尺寸較大。與桿傳動(dòng)相比，鋼絲繩傳動(dòng)技術(shù)具有如下特點(diǎn):第一，能夠長距離傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，將驅(qū)動(dòng)部件安裝在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)位置處，使機(jī)構(gòu)更加緊湊；第二，鋼絲繩傳動(dòng)能夠通過導(dǎo)向輪改變傳動(dòng)方向，傳動(dòng)方式簡單，特別適合有限空間內(nèi)多自由度的布局；第三，恰當(dāng)?shù)念A(yù)緊力能夠消除回程誤差，同時(shí)鋼絲繩的吸震作用能夠使外科手術(shù)器械獲得更加平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。由于鋼絲繩傳動(dòng)有上述優(yōu)點(diǎn)，因此使鋼絲繩傳動(dòng)在手術(shù)器械中的應(yīng)用更加受到青睞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種多自由度共面，能夠?qū)崿F(xiàn)萬向功能，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、控制精密無回程誤差、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)的用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)包括偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)三部分。偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心軸與俯仰機(jī)構(gòu)中心軸在同一個(gè)平面內(nèi)垂直相交，鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)為其提供動(dòng)力傳輸和運(yùn)動(dòng)傳遞。
[0008]所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前端連接手術(shù)電鉆，后端與本專利機(jī)構(gòu)相連，主要由偏轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、軸承、彈簧擋圈、俯仰架和偏轉(zhuǎn)筒等組成。所述偏轉(zhuǎn)筒與偏轉(zhuǎn)軸的一端固定連接，所述偏轉(zhuǎn)軸中間部位與軸承配合連接，所述軸承與俯仰機(jī)構(gòu)的俯仰架配合連接，并由彈簧擋圈定位，所述偏轉(zhuǎn)軸另一端與驅(qū)動(dòng)輪相連接，所述驅(qū)動(dòng)輪由彈簧擋圈進(jìn)行定位。
[0009]所述俯仰機(jī)構(gòu)主要有俯仰軸、驅(qū)動(dòng)輪、俯仰架、腕關(guān)節(jié)架和轉(zhuǎn)管等組成。所述俯仰機(jī)構(gòu)前端與本專利機(jī)構(gòu)相連，后端與已有專利快換接口機(jī)構(gòu)相連，詳見公開的發(fā)明專利ZL200910305201.1。所述俯仰軸一端與俯仰架固定連接，另一端與軸承配合連接，所述軸承與腕關(guān)節(jié)架配合連接，并由彈簧擋圈進(jìn)行定位，所述俯仰軸中間部位分別與導(dǎo)向輪配合連接，與驅(qū)動(dòng)輪固定連接。
[0010]所述鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)主要由鋼絲繩、驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪等組成。鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩側(cè)走絲的方式，兩根鋼絲繩控制一個(gè)自由度，分別分布在機(jī)構(gòu)兩側(cè)。每根鋼絲繩從驅(qū)動(dòng)輪連接孔中引出，繞過半圈，經(jīng)導(dǎo)向輪的導(dǎo)向沿著腕關(guān)節(jié)臂進(jìn)入轉(zhuǎn)管，在轉(zhuǎn)管內(nèi)部異面相交引入快換接口機(jī)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，其中俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度在一平面內(nèi)垂直相交，與自轉(zhuǎn)自由度三軸匯交，具有人手仿生學(xué)特點(diǎn)，操作靈活、方便。
[0013]2.本發(fā)明俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度垂直相交在一個(gè)平面上，由關(guān)節(jié)串聯(lián)變?yōu)殛P(guān)節(jié)并聯(lián)，減小了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積誤差，同時(shí)提高了外科手術(shù)鉆器械的末端剛度。
[0014]3.本發(fā)明采用雙矩形結(jié)構(gòu)相套軸連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，能夠承受更大的力與力矩，減小了工作時(shí)手術(shù)器械末端的抖動(dòng)。
[0015]4.本發(fā)明采用鋼絲繩傳動(dòng)，施以恰當(dāng)預(yù)緊力，能夠消除回程誤差，同時(shí)鋼絲繩的吸震作用能夠使外科手術(shù)器械獲得更加平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。
[0016]5.本發(fā)明采用兩側(cè)走絲方案，每兩根鋼絲繩控制一個(gè)自由度，分別沿著腕關(guān)節(jié)臂進(jìn)入轉(zhuǎn)管連接動(dòng)力接口部分，能夠有效解決單側(cè)走絲帶來的走絲復(fù)雜和相互干涉等問題。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)應(yīng)用于外科手術(shù)鉆中整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分解圖；
[0020]圖4為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)俯仰關(guān)節(jié)分解圖；
[0021]圖5為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)絲傳動(dòng)原理圖；
[0022]圖6為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0023]圖7為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025]本發(fā)明是一種用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，用于解決狹小空間下外科手術(shù)鉆機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)多自由度問題。
[0026]如圖1所示為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)應(yīng)用于外科手術(shù)鉆中整體結(jié)構(gòu)示意圖，萬向機(jī)構(gòu)包括偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、俯仰機(jī)構(gòu)3和鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)4，其前端與外科手術(shù)鉆1相連，后端與快換接口機(jī)構(gòu)5相連，能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)Rl、R2、R3。
[0027]如圖2為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)2與俯仰結(jié)構(gòu)3為兩個(gè)矩形結(jié)構(gòu)通過軸連接在一塊，其兩軸線在同一平面內(nèi)垂直相交，整體機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)腕關(guān)節(jié)架，組成一個(gè)類似人手腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)；鋼絲繩傳遞系統(tǒng)5通過是由導(dǎo)向輪、導(dǎo)向輪軸和導(dǎo)向輪架組成，是萬向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞及運(yùn)動(dòng)傳遞系統(tǒng)。
[0028]如圖3所不為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分解圖，驅(qū)動(dòng)輪2-5-1控制偏轉(zhuǎn)鉆筒2_1向里偏轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輪2-5-2控制偏轉(zhuǎn)鉆筒向外偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)方向的實(shí)施方式相同，以向里偏轉(zhuǎn)為例，【具體實(shí)施方式】為:鋼絲繩一端連接驅(qū)動(dòng)裝置，一端經(jīng)過導(dǎo)向輪4-2-1、4-1-1導(dǎo)向，與驅(qū)動(dòng)輪2-5-1連接，鋼絲繩被拉緊時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪2-5-1轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩與運(yùn)動(dòng)方式經(jīng)偏轉(zhuǎn)軸2-2-1傳遞給偏轉(zhuǎn)鉆筒2-1，實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)向里偏轉(zhuǎn)。其中，驅(qū)動(dòng)輪2-5-1與偏轉(zhuǎn)軸2-2-1固定連接，偏轉(zhuǎn)軸2-2-1與偏轉(zhuǎn)鉆筒2-1固定連接。
[0029]如圖4所示為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)俯仰關(guān)節(jié)分解圖，驅(qū)動(dòng)輪3-3-1控制俯仰架3-1向上轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪3-3-2控制俯仰架3-1向下轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)方向?qū)嵤┓绞较嗤?，以向上轉(zhuǎn)動(dòng)為例，【具體實(shí)施方式】為:鋼絲繩一端連接驅(qū)動(dòng)裝置，一端與驅(qū)動(dòng)輪3-3-1連接，鋼絲繩被拉緊時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪3-3-1轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩與運(yùn)動(dòng)方式經(jīng)俯仰軸3-2-1傳遞給俯仰架3-1，實(shí)現(xiàn)俯仰關(guān)節(jié)向上轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，驅(qū)動(dòng)輪3-3-1與俯仰軸3-2-1固定連接，俯仰軸3-2-1與俯仰架3_1固定連接。
[0030]如圖5為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)絲傳動(dòng)原理圖，所述萬向機(jī)構(gòu)共有3個(gè)自由度Rl、R2、R3，每個(gè)自由度由兩根鋼絲繩構(gòu)成閉合回路控制轉(zhuǎn)動(dòng)，一根鋼絲繩控制一個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，其中，偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩個(gè)方向走絲方式相似，以向里偏轉(zhuǎn)為例，絲傳動(dòng)方式為:鋼絲繩一端連接在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)M2上，另一端經(jīng)導(dǎo)向輪5-2-2、4-7-1、4-5-1、4-2-1和4_1_1六次導(dǎo)向，從驅(qū)動(dòng)輪2-5-1里側(cè)進(jìn)入，繞驅(qū)動(dòng)輪半圈穿出驅(qū)動(dòng)輪連接孔，經(jīng)軟管夾緊，與驅(qū)動(dòng)輪固定，經(jīng)過預(yù)緊，鋼絲繩被拉緊時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的向里轉(zhuǎn)動(dòng)；俯仰關(guān)節(jié)兩個(gè)方向走絲方式相似，以向上偏轉(zhuǎn)為例，絲傳動(dòng)方式為:鋼絲繩一端連接在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Ml上，另一端經(jīng)導(dǎo)向輪5-1-1、4-6-1、4-4-1和4_3_1四次導(dǎo)向，從驅(qū)動(dòng)輪3_3_1上側(cè)進(jìn)入，繞驅(qū)動(dòng)輪半圈穿出驅(qū)動(dòng)輪連接孔，經(jīng)軟管夾緊，與驅(qū)動(dòng)輪固定，經(jīng)過預(yù)緊，鋼絲繩被拉緊時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)俯仰機(jī)構(gòu)的向上轉(zhuǎn)動(dòng)；自轉(zhuǎn)自由度的控制在快換接口機(jī)構(gòu)5里面，鋼絲繩一端與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，一端與自傳絲筒相連，詳見公開的發(fā)明專利ZL200910305201.1。
[0031 ] 如圖6為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剖視圖，偏轉(zhuǎn)軸2-2-1、2-2-2與俯仰軸3_2_1、3-2-2的軸線在一個(gè)平面內(nèi)垂直相交，同時(shí)結(jié)構(gòu)中心對(duì)稱，使得萬向機(jī)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠，走絲更加方便。四軸安裝定位方式相似，以俯仰軸3-2-1為例，安裝定位方式為:俯仰軸3-2-1 —端采用非整圓設(shè)計(jì)，與俯仰架3-1固定連接，其他部位分別與導(dǎo)向輪4-2-1配合連接，與驅(qū)動(dòng)輪3-3-1固定連接，與軸承3-4-1配合連接，其中軸承3-4-1與腕關(guān)節(jié)架3_6配合連接，彈黃擋圈3_5_1對(duì)軸承3_4_1進(jìn)彳丁定位。
[0032]如圖7為本發(fā)明萬向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪剖視圖，驅(qū)動(dòng)輪中心孔采用非整圓設(shè)計(jì)，既能傳遞力矩，又能傳遞運(yùn)動(dòng)。在其輪上，鋼絲繩繞驅(qū)動(dòng)輪半圈穿出驅(qū)動(dòng)輪連接孔，通過軟管固定在驅(qū)動(dòng)輪上，圖6中的驅(qū)動(dòng)輪2-5-1、2-5-2、3-3-1、3-3-2均采用此設(shè)計(jì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，其特征在于，它包括偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)三部分，所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由偏轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、俯仰架和偏轉(zhuǎn)筒等組成，俯仰機(jī)構(gòu)主要由俯仰軸、驅(qū)動(dòng)輪、俯仰架、腕關(guān)節(jié)架和轉(zhuǎn)管等組成，鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向輪軸和導(dǎo)向輪架組成。2.按照權(quán)利要求1所述的用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，其特征在于，偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與俯仰結(jié)構(gòu)為兩個(gè)矩形結(jié)構(gòu)通過軸連接在一塊，其兩軸線在同一平面內(nèi)垂直相交，整體機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)腕關(guān)節(jié)架，組成一個(gè)類似人手腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。3.按照權(quán)利要求1所述的用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪分布在偏轉(zhuǎn)筒和俯仰架的兩側(cè)，通過兩側(cè)分別驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)繞著軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)鉆的萬向功能。4.按照權(quán)利要求1所述的用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩側(cè)走絲方案，每個(gè)自由度的兩根鋼絲繩分別沿著腕關(guān)節(jié)臂進(jìn)入轉(zhuǎn)管，在轉(zhuǎn)管內(nèi)異面相交進(jìn)入快換接口機(jī)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于外科手術(shù)鉆的鋼絲繩傳動(dòng)萬向機(jī)構(gòu)，包括偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)三部分，所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由偏轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、俯仰架和偏轉(zhuǎn)筒等組成，俯仰機(jī)構(gòu)主要由俯仰軸、驅(qū)動(dòng)輪、俯仰架、腕關(guān)節(jié)架和轉(zhuǎn)管等組成，鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向輪軸和導(dǎo)向輪架組成。所述萬向機(jī)構(gòu)具有三個(gè)自由度，具有三軸交于一點(diǎn)的特點(diǎn)，能夠模仿手腕動(dòng)作帶動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)操作簡單靈活、可靠精確；所述鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙側(cè)走絲、異面相交的方案，有效解決了單側(cè)走絲帶來的走絲復(fù)雜、相互干涉等問題。本發(fā)明機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、控制精密無回程誤差、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】A61F11/00
【公開號(hào)】CN105380749
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510960537
【發(fā)明人】桑宏強(qiáng), 張鑫貴, 李 燦, 楊世明, 李博, 張文剛, 周瑩
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年3月9日
【申請(qǐng)日】2015年12月17日