一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具

摘要

本发明公开了一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具，它包括末端执行器、偏转机构、俯仰机构和自转机构。末端执行器由外科手术钻、六维力传感器、钻侧中间件和偏转侧中间件组成。偏转机构由偏转轴和轴承组成。俯仰机构由俯仰轴、支撑架、导向轮、导向轮支撑轴和轴承组成。自转机构由俯仰支撑架、碳纤维管和自转旋转轴组成。通过丝带动偏转轴、俯仰轴和自转轴转动使手术钻具有偏转、俯仰和自转三个自由度。本发明具有结构简单，主从映射直观，传动精度高和具有力传感功能等优点。

权利要求

1.一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具，其特征在于：包括末端执行器、偏转机构、俯仰机构和自转机构；末端执行器由外科手术钻、六维力传感器、钻侧中间件和偏转侧中间件组成；偏转机构由偏转轴和轴承组成；俯仰机构由俯仰轴、支撑架、导向轮、导向轮支撑轴和轴承组成；自转机构由俯仰支撑架、碳纤维管和自转旋转轴组成；通过丝带动偏转轴、俯仰轴和自转轴转动使手术钻具有偏转、俯仰和自转三个自由度。

2.按照权利要求1所述的一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具，其特征在于：所述的俯仰支撑架成L型，一端支撑偏转轴，另一端和所述俯仰轴相连。

3.按照权利要求1所述的一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具，其特征在于：所述末端执行器中，外科手术钻通过钻侧中间件与六维力传感器工作侧相连，偏转侧中间件一端与六维力传感器固定侧相连，偏转侧中间件另一端与偏转轴相连。

4.按照权利要求1所述的一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具，其特征在于：所述的偏转轴，俯仰轴中均开有传动丝槽，丝槽中开有T型孔，用于固定丝端头和传递扭矩。

说明书

一种具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具

技术领域

[0001] 本发明涉及一种三自由度外科手术钻工具，特别涉及一种用于机器人辅助人工耳蜗移植的外科手术钻工具。

背景技术

[0002] 自二十世纪以来，外科治疗一直受世界各国卫生组织所重视。各国在外科治疗的质量和安全性方面虽然取得了很大进步，但依然存在隐患。因此，提高手术质量不仅对医生提出了更高的要求，而且对手术工具的设计、制造和装配等也提出了更高要求。

[0003] 现有的外科手术工具主要包括手术刀、手术剪、手术镊等。其中，手术钻是主要针对开颅术的一种特定手术工具。传统的手术钻仅仅是依靠人的感知，其力度与方向的控制精度不高。

[0004] 当前人类对手术要求伤口微创化、器械微型化、设备智能化和信息数字化的程度越来越高，手术工具与机器人相结合的手术器械逐渐成为焦点。1999年美国Intuitive Surgical公司研制出Da Vinci外科手术机器人系统，是目前唯一商业化的医疗手术机器人系统，该手术机器人系统就是在机器人基础上结合能完成一系列类似人手操作动作的手术工具。目前绝大多数的手术工具与机器人的结合都是以腹腔作为工作环境，而对于颅腔手术以及耳蜗移植手术而言，虽然脑瘤手术中已经应用了气动开颅钻，但对于外科手术钻与现有机器人系统的结合这一领域还存在很大空缺。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于弥补现有技术不足，提供一种用于机器人辅助人工耳蜗移植手术，满足工作空间要求，保证传动稳定，定位精确，同时结构简单，成本较低，符合手术操作条件具有力传感功能的三自由度丝传动外科手术钻工具。

[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0007] 一种用于人工耳蜗移植的具有力传感功能的丝传动三自由度外科手术钻工具，它包括末端执行器、偏转机构、俯仰机构和自转机构。

[0008] 所述末端执行器包括外科手术钻、六维力传感器、钻侧中间件和偏转侧中间件。所述钻侧中间件一端通过螺钉与所述六维力传感器工作侧相连，另一端通过紧定螺钉和所述的外科手术钻相连，所述六维力传感器固定侧通过螺钉与所述偏转侧中间件相连。

[0009] 所述偏转机构由偏转轴和轴承组成。所述的偏转轴一端和所述偏转侧中间件相连，另一端与所述轴承内圈连接，所述轴承外圈与所述俯仰机构中的支撑架相连。

[0010] 所述俯仰机构包括俯仰轴、支撑架、导向轮、导向轮支撑轴和轴承。所述支撑架呈L型，一端与所述偏转机构中的轴承外圈相连，用于支撑所述偏转轴，另一端中部与两个所述导向轮支撑轴相连，每个所述导向轮支撑轴上安装两个所述导向轮，另一端上部与所述轴承外圈相连，所述轴承内圈和所述俯仰轴相连，所述俯仰轴两端通过轴承和所述自转机构中的俯仰支撑架相连。

[0011] 所述自转机构由俯仰支撑架、碳纤维管和自转轴组成。所述俯仰支撑架一端与所述轴承外圈相连，内圈和所述俯仰机构中的俯仰轴相连。所述俯仰支撑架另一端与所述碳纤维管一端相连，所述碳纤维管另一端与快换盒中的自转轴相连，详见公开的发明专利ZL200910305201.1。

[0012] 所述偏转轴、所述俯仰轴和所述自转轴通过丝带动转动使手术钻具有偏转、俯仰和自转三个自由度。

[0013] 本发明具有如下优点：

[0014] 1.本发明三自由度手术钻工具能够安装在现有微创手术机器人系统上进行工作，扩展了现有微创手术机器人的应用范围；

[0015] 2.本发明三自由度手术钻工具具有感知末端力和力矩能力；

[0016] 3.本发明三自由度手术钻工具采用丝传动，具有结构简单，传动精度高，反向间隙小，定位准确等优点；

[0017] 4.本发明三自由度手术钻工具初始化后钻头、碳纤维管位于同一条直线上，主从映射直观，编程控制的可操作性强；

[0018] 5.本发明三自由度手术钻工具通用性强，可快速更换带角度的外科手术钻，满足手术过程中对角度有要求的情况。

附图说明

[0019] 图1为本发明的具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具整体结构示意图；

[0020] 图2为本发明三自由度手术钻工具与快换盒安装结构示意图；

[0021] 图3为本发明三自由度手术钻工具中的末端执行器结构示意图；

[0022] 图4为本发明三自由度手术钻工具中的偏转机构结构示意图；

[0023] 图5为本发明三自由度手术钻工具中的俯仰机构结构示意图；

[0024] 图6为本发明三自由度手术钻工具丝传动原理示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体实施对本发明进行详细描述。

[0026] 图1为本发明的具有力传感功能的丝传动三自由度手术钻工具整体结构示意图，它包括末端执行器1、偏转机构2、俯仰机构3和自转机构4。该手术钻工具具有三个自由，分别为偏转自由度R1、俯仰自由度R2和自转自由度R3。

[0027] 图2为本发明三自由度手术钻工具与快换盒安装结构示意图，本发明手术工具能与快换盒5连接，快换盒5作为一种快换接口，来源于公开的发明专利ZL200910305201.1，使本发明手术钻工具通用性增强。

[0028] 图3为本发明三自由度手术钻工具中的末端执行器结构示意图，六维力传感器1-4工作侧通过均匀分布的螺钉1-3-2与钻侧中间件1-5连接，钻侧中间件1-5通过紧定螺钉1-6与外科手术钻1-1相连。六维力传感器1-4固定侧通过均匀分布的螺钉1-3-1与偏转侧中间件1-2连接。

[0029] 图4为本发明三自由度手术钻工具中的偏转机构结构示意图，偏转侧中间件1-2与偏转轴2-1通过轴的不对称性固连，轴承2-2和2-3的内圈和偏转轴2-1相连，外圈和L型支撑架3-2相连，卡簧2-4卡在偏转轴2-1的沟槽中与偏转轴2-1的轴肩实现轴承2-2和2-3的内圈定位，法兰盘2-5通过四个螺钉2-6与L型支撑架3-2相连，法兰盘2-5与L型支撑架3-2中孔中凸台实现轴承2-2和2-3的外圈定位。丝C1-1和C1-2端头与偏转轴2-1连接方式如剖面A-A所示，丝端头打结注胶，该种固丝方式结构简单可靠并能够实现单向转角大于90度功能，丝C1-1和C1-2结合可实现偏转自由度R1。

[0030] 图5为本发明三自由度手术钻工具中的俯仰机构结构示意图，俯仰轴3-1凭借其本身轴的不对称性与L型支撑架3-2固连，定位隔离片3-5-1和3-5-2分别位于轴的两侧并与L型支撑架3-2接触，轴承3-4-1和3-4-2内圈与俯仰轴3-1连接，外圈与俯仰支撑架4-2连接，卡簧3-3-1和3-3-2分别卡在俯仰轴3-1中的沟槽内，实现轴承3-4-1和3-4-2内圈定位，俯仰支撑架4-2孔中凸台实现轴承3-4-1和3-4-2外圈定位，丝C2-1和C2-2运动带动俯仰轴3-1绕俯仰支撑架4-2转动实现俯仰自由度R2，导向轮3-6-2、3-6-3和导向轮3-7-2、3-7-3分别安装在导向轮支撑轴3-6-1和3-7-1上，导向轮支撑轴3-6-1和3-7-1与L型支撑架3-2连接。丝C1-1和C1-2分别以S型经过导向轮3-6-2、3-6-3和导向轮3-7-2和3-7-3并与俯仰轴3-1接触，通过俯仰支撑架4-2中孔进入碳纤维管4-1，后进入快换盒5中。

[0031] 图6为本发明三自由度手术钻工具丝传动原理示意图，其中，偏转自由度R1传动原理：丝C1-1和C1-2的一端缠绕于偏转轴2-1上，另一端缠绕在位于快换盒5中的电机轴5-3-1上，C1-1和C1-2形成一个闭合回路，电机M1带动C1-1和C1-2进行牵拉运动从而使偏转轴2-1相对于L型支撑杆3-2转动，位于偏转轴一端的末端执行器1随之转动，使该手术工具具有偏转自由度。俯仰自由度R2实现原理：丝C2-1和C2-2的一端缠绕于俯仰轴3-1，另一端缠绕于与电机M2相连的电机轴5-4-1上，C2-1和C2-2同样形成闭合回路，俯仰轴3-1与碳纤维管4-1垂直，C2-1和C2-2不经过导向轮直接进入碳纤维管4-1，后进入快换盒5经导向轮5-2-2和5-2-3固定于电机轴5-4-1，电机M2带动钢丝绳C2-1和C2-2进行牵拉运动继而使俯仰轴3-1相对于碳纤维管4-1转动，完成手术工具俯仰自由度。自转自由度R3实现原理：丝C3-1和C3-2的一端缠绕于自转轴4-3，另一端缠绕于与电机M3相连的电机轴6-5-1上，其间不经过任何导向，自转轴4-3与碳纤维管4-1固连，电机M3带动丝C3-1和C3-2进行牵拉运动使手术工具整体自转，完成手术工具自转自由度。