一種微創手術輔助機器人的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種微創手術輔助機器人。本發明涉及的是手術機器人領域，具體涉及一種微創手術輔助機器人。該機器人旨在解決現有的機器人微創外科手術很難開出質量好，精度高的創口。該機器人由主軸起升機構，主軸旋轉機構，主軸末端開閉機構三部分組成。起升機構，其主軸起升機構是采用電機通過聯軸器帶動滾珠絲杠螺母副，使動板在導軌副上實現升降功能。其主軸旋轉機構是采用電機驅動兩對齒輪把扭矩傳遞給長套筒，再傳遞給主軸，使主軸旋轉。其主軸末端開閉機構是采用電機通過蝸輪蝸桿和一對齒輪傳遞扭矩，使轉盤抬高，內桿拉伸，從而使末端手術器械閉合。
【專利說明】
一種微創手術輔助機器人
技術領域
[0001]本發明涉及的是醫療機器人領域，具體涉及一種微創手術輔助機器人。
【背景技術】
[0002]目前微創手術機器人以美國的達芬奇手術機器人為代表，而達芬奇機器人價格昂貴，限制了手術機器人在國內的廣泛開展。且在做手術過程中必須由醫生預先切皮、開孔、取標本等操作。并且號稱“一哥”的達芬奇機器人，只能對軟組織進行手術，對骨科手術束手無策。國內現有的手術機器人功能單一，精度上很難滿足以腹腔鏡為代表的微創外科技術的需求。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種微創手術輔助機器人。該機器人旨在解決現有的機器人微創外科手術很難開出質量好，精度高的創口。以及手術機器人很難解決骨科手術中的難題。采用微創手術輔助機器人可在更小的創口，更深的病灶，更復雜的軟組織環境內輔助手術。能夠進一步減輕醫生及助手的工作強度，提高手術效率。機器人運動的準確性也會消除人手抖動帶來的操作誤差，提高手術的成功率。
[0004]本發明技術方案:
本發明采用的技術方案是:
一種微創手術輔助機器人，整體呈半圓柱狀，其整體框架包括四塊板和四根軸。四塊板從上到下依次是頂板、動板、固定板和底板，動板可在頂板和固定板之間上下移動，其他三板固定。四根軸分別是絲杠，開閉軸，旋轉軸和主軸。這四根軸在空間上相互平行，且開閉軸和主軸關于絲杠和旋轉軸所在的平面對稱分布。
[0005]優選的:該機器人包括主軸、主軸升降機構、主軸旋轉機構、主軸末端開閉機構； 優選的:該機器人的主軸升降機構中包括第一電機、彈性柱銷聯軸器、滾針軸承、絲杠、
燕尾形導軌、矩形導軌、第一光電編碼器、角接觸球軸承、頂板、動板、底板、雙列角接觸球軸承、傘狀殼體。所述的第一電機通過筋板固定在頂板上，第一電機通過彈性柱銷聯軸器與絲杠連接，絲杠與動板上帶滾珠的螺母副配合，動板安裝在燕尾形導軌和矩形導軌副上，絲杠的上端通過滾針軸承安裝在頂板上，絲杠的下端通過角接觸球軸承安裝底板上，絲杠的下端還安裝有第一光電編碼器，主軸上端通過雙列角接觸球軸承安裝在傘狀殼體上，傘狀殼體固定在動板上。
[0006]優選的:該機器人的主軸旋轉機構中包括第二電機、第一齒輪、第二齒輪、旋轉軸、滾針軸承、固定板、角接觸球軸承、第三齒輪、第四齒輪、長套筒、大套筒、第二光電編碼器、柱式測力傳感器、電磁鼓式制動器。所述的第二電機采用立式固定在頂板上，第二電機軸端安裝第一齒輪，與第一齒輪嚙合的第二齒輪安裝在旋轉軸的上端，旋轉軸與動板不接觸，旋轉軸通過角接觸球軸承安裝在固定板上，第三齒輪安裝旋轉軸下端的軸肩上，旋轉軸下端通過滾針軸承安裝在底板上，與第三齒輪嚙合的第四齒輪安裝在長套筒上，第四齒輪內孔為六角花鍵孔。第四齒輪下端靠在長套筒下端的軸肩上，大套筒套在長套筒外面，大套筒下端靠在第四齒輪上端面，大套筒上端頂在角接觸球軸承的內圈上，再由圓螺母把軸承的內圈固定長套筒上端，第四齒輪下端安裝有電磁鼓式制動器，電磁鼓式制動器下面安裝有柱式測力傳感器，主軸下端的凸體內還安裝有第二光電編碼器。
[0007]優選的:該機器人的主軸末端開閉機構中包括第三電機、蝸桿、渦輪、開閉軸、短套筒、軸承、第五齒輪、齒輪轉盤、轉盤、兩個對頂長螺釘、小套管、大套管、小轉盤、圓柱銷、拉桿、第三光電編碼器、微型測力傳感器。所述的第三電機采用臥式安裝在頂板上，蝸桿與電機同軸連接，渦輪安裝在開閉軸軸端，開閉軸在動板的行程范圍內開有矩形鍵槽，平鍵安裝在槽內，短套筒套在開閉軸上成間隙配合，短套筒通過一對軸承安裝到動板上，第五齒輪安裝在短套筒的上端，與第五齒輪嚙合的齒輪轉盤下端通過一對角接觸球軸承安裝在法蘭盤上，法蘭盤固定在動板上，齒輪轉盤上端帶有轉角為90度的螺旋槽，轉盤上端裝有兩個對頂長螺釘，長螺釘上各裝有小套管和大套管，轉盤通過小套管旋合在齒輪轉盤上端的螺旋槽中，轉盤上的對頂螺釘上大套管安裝在傘狀殼體的長槽內，傘狀殼體固定在動板上，主軸上端通過雙列角接觸球軸承的安裝在傘狀殼體上。主軸內部安裝有一根拉桿，拉桿上端有銷孔，在主軸對應位置開有長圓孔，圓柱銷穿入主軸和拉桿，圓柱銷的兩端安裝到小轉盤中間帶矩形槽的沉孔中。小轉盤通過軸承安裝在轉盤上端的內孔中，拉桿安裝在主軸內部且拉桿上端有銷孔，拉桿通過圓柱銷與主軸連接，微型測力傳感器安裝在拉桿的上端。傘狀殼體上還安裝有第三光電編碼器，通過記錄齒輪轉盤的旋轉角的變化，來記錄內桿相對于主軸的軸向位移的變化量，來記錄主軸末端手術剪的張開角度。
[0008]優選的:所述的主軸的外截面為正六邊形，內表面為圓形通孔，主軸內部裝有一根拉桿，拉桿的上端裝有微型測力傳感器，長套筒外表面為六角花鍵，內表面是截面為正六邊形的通孔，長套筒的上端由角接觸球軸承支撐，主軸的下端與長套筒形成間隙配合，長套筒的下端由推力軸承和滾針軸承組合支撐。長套筒上的推力軸承和角接觸球軸承的預緊方法與一對背對背安裝的角接觸球軸承的預緊方法相同。主軸既能在長套筒內上下滑移，又能保持較好的徑向精度。
[0009]優選的:所述的動板上的構件:采用短套筒由一對角接觸球軸承支撐在動板上。齒輪轉盤由一對角接觸球軸承安裝在法蘭盤上，法蘭盤由螺釘固定在動板上，裝盤外圈旋合在齒輪轉盤上。
[0010]優選的:所述的一種微創手術輔助機器人進行補充說明，整個系統中的軸承應采用陶瓷軸承，箱體四周必須封閉，以消除對手術區域的污染。
[0011]本發明的有益效果是:
I，本發明結構緊湊，剛度大，操作穩定，運動靈活；
2，本發明采用電機通過彈性柱銷聯軸器帶動滾珠絲杠螺母副進行軸向傳動進給。采用彈性柱銷聯軸器，緩沖吸震，降低噪聲。采用滾動絲杠螺母副，定位精度高，傳動效率高，同步性能好，使用壽命長；
3，本發明采用具有正六邊形內孔的長套筒與正六邊形主軸間隙配合，長套筒上端通過角接觸球軸承支撐，長套筒下端通過滾針軸承和推力軸承組合支撐，使套筒的徑向精度和回轉精度明顯提高，也使得長套筒能夠承受更大的軸向力。套筒在自重的作用下實現自預緊，提高了主軸的回轉精度。正六邊形主軸與正六邊形內孔的長套筒過度配合相對于傳統的平鍵聯接，這種聯接既有利于長套筒對主軸傳遞更大的扭矩，又提高了主軸剛度，且減小了主軸的形變，從而提高了主軸的回轉精度；
4，本發明采用齒輪與固定在長套筒底端的大齒輪嚙合，長套筒內部的正六棱柱孔與正六棱柱形的主軸過渡配合，既向主軸傳遞了扭矩，又使主軸的徑向誤差降至最低；
5，本發明采用一對安裝在動板上的第五齒輪與齒輪轉盤嚙合，使齒輪轉盤旋轉一定角度，就使內桿和主軸之間產生一定的軸向位移，從而使主軸末端剪刀順利張開相應的角度。通過控制齒輪轉盤旋轉角來控制手術鉗或手術剪的張開角。這方法不僅使手術鉗或手術剪開閉更靈活，更精確；
6，本發明采用蝸輪蝸桿的自鎖原理使末端手術鉗或手術剪開閉靈活，可在張開的任意角度上鎖死，可穩定的保持主軸末端的位置以及手術鉗或手術剪的姿態，更有利于微創手術中的開創口，凝血，打結，結扎等操作；
7，主軸行程長且徑向精度高，可以精確完成骨科手術中的打孔操作；
8，本發明的末端可安裝多功能手術剪，手術鉗，骨鉆，機械手，內窺鏡等不同微器械，可以執行簡單的微創手術，可以輔助采集圖像信息，也可以輔助執行復雜的骨科手術，因此，本發明具有多功能性。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的整體結構示意圖；
圖2是本發明的整體結構主視的示意圖；
圖3是本發明的整體結構左側視的示意圖；
圖4是本發明的整體結構俯視的示意圖；
圖5是本發明的主軸旋轉機構的局部示意圖；
圖6是本發明的主軸下端的局部示意圖；
圖7是本發明的主軸末端的局部示意圖；
圖中11-頂板，12-動板，13-固定板，14-底板，15-背板，16-矩形導軌，17-燕尾形導軌，18-傘狀殼體；
101-絲杠，102-第一電機，103-彈性柱銷聯軸器，104-滾針軸承，105-螺母副，106-第一光電編碼器，107-角接觸球軸承；
201-開閉軸，202-第三電機，203-蝸桿，204-蝸輪，205-平鍵，206-第五齒輪，207-軸承，208-短套筒，209-軸承，210-軸承；
301-旋轉軸，302-第二電機，303-滾針軸承，304-角接觸球軸承，305-第三齒輪，306-滾針軸承，307-第一齒輪，308-第二齒輪；
401-主軸，402-拉桿，403-長套筒，404-大套筒，405-手柄，406-雙列角接觸球軸承，407-傘狀殼體，408-部件，409-圓螺母，410-角接觸球軸承，418-主軸末端部件。491-第三光電編碼器，492-微型測力傳感器；
部件408中包括:481-齒輪轉盤，482-轉盤，483-對頂螺釘，484-小套管，485-大套管，486-深溝球軸承，487-小轉盤，488-角接觸球軸承，489-角接觸球軸承，490-法蘭盤；
主軸末端部件418中包括:412-電磁鼓式制動器，413-柱式測力傳感器，414-推力軸承，415-第二光電編碼器，416-滾針軸承，417-末端手術剪，419-卡簧擋圈。
[0013]【具體實施方式】:
結合圖1到圖7說明本實施方式，本實施方式的機器人包括主軸、主軸起升機構，主軸旋轉機構，主軸末端開閉機構，主軸起升機構:第一電機102通過彈性柱銷聯軸器103帶動絲杠101轉動，絲杠101帶動螺母105旋合，使動板12在燕尾形導軌17和矩形導軌16上實現升降功能。動板12帶動傘狀殼體407上下移動，傘狀殼體407帶動主軸401實現升降功能；
主軸旋轉機構:第二電機302帶動第一齒輪307轉動，第一齒輪307與第二齒輪308嚙合，第二齒輪308帶動旋轉軸301轉動，旋轉軸301上的第三齒輪305與長套筒403上的大第四齒輪411嚙合，從而長套筒403帶動主軸401旋轉；主軸末端開閉機構:第三電機202帶動蝸桿203，蝸桿203與渦輪204嚙合，渦輪204安裝在開閉軸201上端，渦輪204帶動開閉軸201—起轉動，開閉軸201帶動短套筒208上端的第五齒輪206與齒輪轉盤481嚙合，齒輪轉盤481在轉盤上轉動，轉盤482通過小套管484在齒輪轉盤481上的螺旋槽上向上爬行，轉盤482帶動小轉盤487—起沿軸向移動，小轉盤487拉動圓柱銷，圓柱銷提起拉桿402，拉桿402拉動手術剪417閉合。第三電機202反轉，圓柱銷壓下拉桿402，拉桿402推動手術剪417張開。第三光電編碼器487，微型測力傳感器486通過記錄拉桿的應力變化，來計算末端手抓的應力。
[0014]下面對本發明的具體使用方式作詳細地描述:
具體使用方式一:軟組織剪切
采用第一電機102通過彈性柱銷聯軸器103驅動絲杠101，絲杠101與動板12上的螺母副105配合，使動板12在燕尾形導軌17和矩形導軌16副上下降到指定位置。絲杠101下端安裝有第一光電編碼器106用來記錄動板12的位置坐標。
[0015]采用第三電機202正轉，帶動蝸桿203，蝸桿203與渦輪204嚙合，渦輪204帶動開閉軸201，開閉軸201帶動短套筒208上端的第五齒輪206與齒輪轉盤481嚙合，齒輪轉盤481在轉盤上扭轉，轉盤482通過小套管484在齒輪轉盤481上的螺旋槽上向上爬行，轉盤482帶動小轉盤487—起沿軸向拉高，小轉盤487拉動圓柱銷，圓柱銷提起拉桿402，手術剪417閉合。第三電機202反轉，圓柱銷壓下拉桿402，手術剪417張開。
[0016]采用第三電機202正反轉交替，使圓柱銷在平衡位置往復運動，手術剪417就能不斷的張開和閉合。便于手術中的剪切操作順利進行。
[0017]具體使用方式二:夾持內窺鏡主軸401下2而夾持內規鏡ο
[0018]采用第三電機202正傳，帶動蝸桿203，蝸桿203與渦輪204嚙合，渦輪204帶動開閉軸201，開閉軸201帶動短套筒208上端的第五齒輪206與齒輪轉盤481嚙合，齒輪轉盤481在轉盤上扭轉，轉盤482通過小套管484在齒輪轉盤481上的螺旋槽上向上爬行，轉盤482帶動小轉盤487—起沿軸向拉高，小轉盤487拉動圓柱銷，圓柱銷提起拉桿402，手術剪417閉合。
[0019]第一電機102通過彈性柱銷聯軸器103帶動絲杠101轉動，絲杠101與動板12上的螺母副105配合，使動板12在燕尾形導軌17和矩形導軌16副上下降到指定位置。絲杠101下端安裝有第一光電編碼器106用來記錄動板的位置坐標。
[0020]第二電機302帶動第一齒輪307，第一齒輪307與第二齒輪308嚙合，第二齒輪308帶動旋轉軸301轉動，旋轉軸301上的第三齒輪305與長套筒上的大第四齒輪411嚙合，長套筒403帶動主軸401轉動。用來調整內窺鏡的轉角。主軸401下端的凸體內還安裝有第二光電編碼器415用來記錄旋轉角度變化量，便于調整內窺鏡的轉角。[0021 ]具體使用方式三:骨骼鉆孔
主軸401下端有左旋螺紋，用來安裝骨鉆。
[0022]第二電機302帶動第一齒輪307，第一齒輪307與第二齒輪308嚙合，第二齒輪308帶動旋轉軸301轉動，旋轉軸301上的第三齒輪305與長套筒403上的大第四齒輪411嚙合，長套筒403帶動主軸401正轉。
[0023 ] 第一電機102通過彈性柱銷聯軸器103驅動絲杠1I轉，絲杠1I與動板12上的螺母副105配合，使動板12在燕尾形導軌17和矩形導軌16上移動到指定位置，便于實現骨科手術中的鉆孔操作。鉆孔結束后，第一電機102反轉，主軸上移到制定位置。
[0024]絲杠101下端安裝有第一光電編碼器106用來記錄動板的位置坐標。主軸401上的大第四齒輪411下端安裝有電磁鼓式制動器412，便于及時制動，防止過載。主軸401上的大第四齒輪411下端還安裝有柱式測力傳感器413，用來記錄骨鉆在打孔時主軸401末端所受的扭矩，，便于骨科手術順利進行。主軸401下端的凸體內還安裝有第二光電編碼器415用來記錄主軸實際轉速。
【主權項】
1.一種微創手術輔助機器人，該機器人包括主軸、主軸升降機構、主軸旋轉機構、主軸末端開閉機構，其特征在于: 所述的主軸升降機構中包括第一電機、彈性柱銷聯軸器、滾針軸承、絲杠、燕尾形導軌、矩形導軌、第一光電編碼器、角接觸球軸承、頂板、動板、底板、雙列角接觸球軸承、傘狀殼體;所述的第一電機通過筋板固定在頂板上，第一電機通過彈性柱銷聯軸器與絲杠連接，絲杠與動板上的帶滾珠的螺母副配合，動板安裝在燕尾形導軌和矩形導軌副上，絲杠的上端通過滾針軸承安裝在頂板上，絲杠的下端通過角接觸球軸承安裝在底板上，絲杠的下端還安裝有第一光電編碼器，主軸上端通過雙列角接觸球軸承安裝在傘狀殼體上，傘狀殼體固定在動板上； 所述的主軸旋轉機構中包括第二電機、第一齒輪、第二齒輪、旋轉軸、滾針軸承、固定板、角接觸球軸承、第三齒輪、第四齒輪、長套筒、大套筒、第二光電編碼器、柱式測力傳感器、電磁鼓式制動器;所述的第二電機固定在頂板上，第二電機軸端安裝第一齒輪，第二齒輪安裝在旋轉軸的上端且與第一齒輪嚙合，旋轉軸通過角接觸球軸承安裝在固定板上，第三齒輪安裝旋轉軸下端的軸肩上，旋轉軸下端通過滾針軸承安裝在底板上，第四齒輪安裝在長套筒上且與第三齒輪嚙合，第四齒輪內孔為六角花鍵孔，第四齒輪下端靠在長套筒下端的軸肩上，大套筒套在長套筒外面，大套筒下端靠在第四齒輪的上端面，大套筒上端頂在角接觸球軸承的內圈上，再由圓螺母把軸承的內圈固定長套筒上端，電磁鼓式制動器安裝在第四齒輪下端，柱式測力傳感器安裝在電磁鼓式制動器下面，主軸下端安裝在長套筒中，長套筒下端還安裝有第二光電編碼器;所述的主軸末端開閉機構中包括第三電機、蝸桿、渦輪、開閉軸、短套筒、軸承、第五齒輪、齒輪轉盤、轉盤、兩個對頂長螺釘、小套管、大套管、小轉盤、圓柱銷、拉桿、第三光電編碼器、微型測力傳感器;所述的第三電機安裝在頂板上，蝸桿與電機同軸連接，渦輪安裝在開閉軸軸端，開閉軸在動板的行程范圍內開有矩形鍵槽，平鍵安裝在槽內，短套筒套在開閉軸上成間隙配合，短套筒通過一對軸承安裝在動板上，第五齒輪安裝在短套筒的上端，齒輪轉盤下端通過一對角接觸球軸承安裝在法蘭盤上且與第五齒輪嚙合，法蘭盤固定在動板上，齒輪轉盤上端開有兩個轉角為90度的螺旋槽，轉盤上端裝有兩個對頂長螺釘，長螺釘上各裝有小套管和大套管，轉盤通過小套管旋合在齒輪轉盤上端的螺旋槽中，大套管通過對頂螺釘安裝在傘狀殼體的長槽內，傘狀殼體上還安裝有第三光電編碼器，小轉盤通過軸承安裝在轉盤上端的內孔中，拉桿安裝在主軸內部且拉桿上端有銷孔，拉桿通過圓柱銷與主軸連接，微型測力傳感器安裝在拉桿的上端。2.根據權利要求1所述的一種微創手術輔助機器人，其特征在于所述的主軸上端的外截面為圓形，下端的外截面為正六邊形，內表面為圓形通孔，在主軸與拉桿上的銷孔對應位置開有長圓孔，圓柱銷插入銷孔和長圓孔中，圓柱銷的兩端安裝到小轉盤中間帶矩形槽的沉孔中，主軸的下端與長套筒成間隙配合，長套筒外表面為六角花鍵，內表面是正六邊形通孔，長套筒的上端由角接觸球軸承支撐，長套筒的下端由推力軸承和滾針軸承組合支撐。3.根據權利要求1和2所述的一種微創手術輔助機器人，其特征在于整個系統中的軸承都采用陶瓷軸承，箱體四周必須封閉。
【文檔編號】A61B17/00GK105919670SQ201610539690
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】王沫楠, 龔玉平, 陳琳, 李榮鵬, 趙興輝
【申請人】哈爾濱理工大學