一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构

摘要

本发明公开了一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构，包括偏转机构、俯仰机构和钢丝绳传动系统三部分，所述偏转机构由偏转轴、驱动轮、导向轮、俯仰架和偏转筒等组成，俯仰机构主要由俯仰轴、驱动轮、俯仰架、腕关节架和转管等组成，钢丝绳传动系统由驱动轮、导向轮、导向轮轴和导向轮架组成。所述万向机构具有三个自由度，具有三轴交于一点的特点，能够模仿手腕动作带动末端执行机构进行摆动，实现操作简单灵活、可靠精确；所述钢丝绳传动系统采用双侧走丝、异面相交的方案，有效解决了单侧走丝带来的走丝复杂、相互干涉等问题。本发明机构具有结构稳定可靠、控制精密无回程误差、传动效率高等优点。

权利要求

1.一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构，其特征在于，它包括偏转机构、俯仰机构和钢丝绳传动系统三部分，所述偏转机构包括偏转轴、驱动轮、导向轮、俯仰架和偏转筒，俯仰机构包括俯仰轴、驱动轮、俯仰架、腕关节架和转管，钢丝绳传动系统包括驱动轮、导向轮、导向轮轴和导向轮架，所述偏转结构与俯仰结构设计为两个矩形结构，通过轴连接在一块，其两轴线在同一平面内垂直相交，整体机构安装在一个腕关节架上，组成一个类似人手腕关节的结构。

2.按照权利要求1所述的用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构，其特征在于，所述的偏转机构和俯仰机构驱动轮分布在偏转筒和俯仰架的两侧，通过两侧分别驱动，机构绕着轴线转动，从而实现手术钻的万向功能。

3.按照权利要求1所述的用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构，其特征在于，所述钢丝绳传动系统采用两侧走丝方案，每个自由度的两根钢丝绳分别沿着腕关节臂进入转管，在转管内异面相交进入快换接口机构。

说明书

一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钢丝绳传动万向机构，特别涉及一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构。

背景技术

[0002] 在传统外科手术操作中，医生手持手术器械，凭借自己的感知与经验去进行手术，由于心理或生理的原因，医生手部会发生抖动，这样就可能带来操作失误，轻则导致手术失败，重则危及病人的生命。例如在人工耳蜗移植外科手术中，手术钻在进行钻孔时，如果因为手部抖动造成定位不准，当尖端接近内耳软骨组织，可能会钻破内耳膜等。因此，需要开发一种机器人辅助的外科手术钻工具，用于提高定位精度，以减少医生手部生理抖动，进而提高手术质量。

[0003] 现有外科手术机器人主动部分通常有三个定位自由度，手术器械具有三个或四个自由度，通过对这些自由度上的运动加以控制来完成外科手术既定任务，如缝合和打结。对于大多数外科手术器械而言，俯仰和偏转两个自由度的运动控制均采用两个异面关节实现，这就造成关节臂过长，再加之外科手术钻的特殊性——钻头长度较长，如果采用类似的结构将造成连杆变长，关节之间的距离加大了末端执行机构位置的累积误差，且关节在运动时，与其他辅助机器人会产生干涉，关节臂的存在也减小了末端执行器的位置刚度。

[0004] 目前国内外用于外科手术机器人的手术器械传动方式主要有杆传动和钢丝绳传动两种方法。杆传动的传动结构复杂，精度较差，整体尺寸较大。与杆传动相比，钢丝绳传动技术具有如下特点：第一，能够长距离传递运动和动力，将驱动部件安装在远离关节位置处，使机构更加紧凑；第二，钢丝绳传动能够通过导向轮改变传动方向，传动方式简单，特别适合有限空间内多自由度的布局；第三，恰当的预紧力能够消除回程误差，同时钢丝绳的吸震作用能够使外科手术器械获得更加平稳的运动。由于钢丝绳传动有上述优点，因此使钢丝绳传动在手术器械中的应用更加受到青睐。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种多自由度共面，能够实现万向功能，具有结构稳定可靠、控制精密无回程误差、传动效率高等优点的用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构。

[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

[0007] 一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构包括偏转机构、俯仰机构和钢丝绳传动系统三部分。偏转机构中心轴与俯仰机构中心轴在同一个平面内垂直相交，钢丝绳传动系统为其提供动力传输和运动传递。

[0008] 所述偏转机构前端连接手术电钻，后端与本专利机构相连，主要由偏转轴、驱动轮、导向轮、轴承、弹簧挡圈、俯仰架和偏转筒等组成。所述偏转筒与偏转轴的一端固定连接，所述偏转轴中间部位与轴承配合连接，所述轴承与俯仰机构的俯仰架配合连接，并由弹簧挡圈定位，所述偏转轴另一端与驱动轮相连接，所述驱动轮由弹簧挡圈进行定位。

[0009] 所述俯仰机构主要有俯仰轴、驱动轮、俯仰架、腕关节架和转管等组成。所述俯仰机构前端与本专利机构相连，后端与已有专利快换接口机构相连，详见公开的发明专利ZL200910305201.1。所述俯仰轴一端与俯仰架固定连接，另一端与轴承配合连接，所述轴承与腕关节架配合连接，并由弹簧挡圈进行定位，所述俯仰轴中间部位分别与导向轮配合连接，与驱动轮固定连接。

[0010] 所述钢丝绳传动系统主要由钢丝绳、驱动轮和导向轮等组成。钢丝绳传动系统采用两侧走丝的方式，两根钢丝绳控制一个自由度，分别分布在机构两侧。每根钢丝绳从驱动轮连接孔中引出，绕过半圈，经导向轮的导向沿着腕关节臂进入转管，在转管内部异面相交引入快换接口机构。

[0011] 本发明具有如下优点：

[0012] 1.本发明能够实现三自由度运动，其中俯仰和偏转两个自由度在一平面内垂直相交，与自转自由度三轴汇交，具有人手仿生学特点，操作灵活、方便。

[0013] 2.本发明俯仰和偏转两个自由度垂直相交在一个平面上，由关节串联变为关节并联，减小了末端执行机构的累积误差，同时提高了外科手术钻器械的末端刚度。

[0014] 3.本发明采用双矩形结构相套轴连接，结构稳定可靠，能够承受更大的力与力矩，减小了工作时手术器械末端的抖动。

[0015] 4.本发明采用钢丝绳传动，施以恰当预紧力，能够消除回程误差，同时钢丝绳的吸震作用能够使外科手术器械获得更加平稳的运动。

[0016] 5.本发明采用两侧走丝方案，每两根钢丝绳控制一个自由度，分别沿着腕关节臂进入转管连接动力接口部分，能够有效解决单侧走丝带来的走丝复杂和相互干涉等问题。

附图说明

[0017] 图1为本发明万向机构应用于外科手术钻中整体结构示意图；

[0018] 图2为本发明万向机构结构示意图；

[0019] 图3为本发明万向机构偏转关节分解图；

[0020] 图4为本发明万向机构俯仰关节分解图；

[0021] 图5为本发明万向机构丝传动原理图；

[0022] 图6为本发明万向机构结构剖视图；

[0023] 图7为本发明万向机构驱动轮剖视图。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

[0025] 本发明是一种用于外科手术钻的钢丝绳传动万向机构，用于解决狭小空间下外科手术钻机器人末端执行机构多自由度问题。

[0026] 如图1所示为本发明万向机构应用于外科手术钻中整体结构示意图，万向机构包括偏转机构2、俯仰机构3和钢丝绳传动系统4，其前端与外科手术钻1相连，后端与快换接口机构5相连，能够实现三个自由度的转动R1、R2、R3。

[0027] 如图2为本发明万向机构结构示意图，偏转结构2与俯仰结构3为两个矩形结构通过轴连接在一块，其两轴线在同一平面内垂直相交，整体机构安装在一个腕关节架，组成一个类似人手腕关节的结构；钢丝绳传递系统5通过是由导向轮、导向轮轴和导向轮架组成，是万向机构的动力传递及运动传递系统。

[0028] 如图3所示为本发明万向机构偏转关节分解图，驱动轮2-5-1控制偏转钻筒2-1向里偏转，驱动轮2-5-2控制偏转钻筒向外偏转，两个方向的实施方式相同，以向里偏转为例，具体实施方式为：钢丝绳一端连接驱动装置，一端经过导向轮4-2-1、4-1-1导向，与驱动轮2-5-1连接，钢丝绳被拉紧时，带动驱动轮2-5-1转动，力矩与运动方式经偏转轴2-2-1传递给偏转钻筒2-1，实现偏转关节向里偏转。其中，驱动轮2-5-1与偏转轴2-2-1固定连接，偏转轴2-2-1与偏转钻筒2-1固定连接。

[0029] 如图4所示为本发明万向机构俯仰关节分解图，驱动轮3-3-1控制俯仰架3-1向上转动，驱动轮3-3-2控制俯仰架3-1向下转动，两个方向实施方式相同，以向上转动为例，具体实施方式为：钢丝绳一端连接驱动装置，一端与驱动轮3-3-1连接，钢丝绳被拉紧时，带动驱动轮3-3-1转动，力矩与运动方式经俯仰轴3-2-1传递给俯仰架3-1，实现俯仰关节向上转动。其中，驱动轮3-3-1与俯仰轴3-2-1固定连接，俯仰轴3-2-1与俯仰架3-1固定连接。

[0030] 如图5为本发明万向机构丝传动原理图，所述万向机构共有3个自由度R1、R2、R3，每个自由度由两根钢丝绳构成闭合回路控制转动，一根钢丝绳控制一个自由度的转动方向，其中，偏转关节两个方向走丝方式相似，以向里偏转为例，丝传动方式为：钢丝绳一端连接在驱动系统M2上，另一端经导向轮5-2-2、4-7-1、4-5-1、4-2-1和4-1-1六次导向，从驱动轮2-5-1里侧进入，绕驱动轮半圈穿出驱动轮连接孔，经软管夹紧，与驱动轮固定，经过预紧，钢丝绳被拉紧时，带动驱动轮转动，实现偏转机构的向里转动；俯仰关节两个方向走丝方式相似，以向上偏转为例，丝传动方式为：钢丝绳一端连接在驱动系统M1上，另一端经导向轮5-1-1、4-6-1、4-4-1和4-3-1四次导向，从驱动轮3-3-1上侧进入，绕驱动轮半圈穿出驱动轮连接孔，经软管夹紧，与驱动轮固定，经过预紧，钢丝绳被拉紧时，带动驱动轮转动，实现俯仰机构的向上转动；自转自由度的控制在快换接口机构5里面，钢丝绳一端与驱动系统相连，一端与自传丝筒相连，详见公开的发明专利ZL200910305201.1。

[0031] 如图6为本发明万向机构结构剖视图，偏转轴2-2-1、2-2-2与俯仰轴3-2-1、3-2-2的轴线在一个平面内垂直相交，同时结构中心对称，使得万向机构更加稳定可靠，走丝更加方便。四轴安装定位方式相似，以俯仰轴3-2-1为例，安装定位方式为：俯仰轴3-2-1一端采用非整圆设计，与俯仰架3-1固定连接，其他部位分别与导向轮4-2-1配合连接，与驱动轮3-3-1固定连接，与轴承3-4-1配合连接，其中轴承3-4-1与腕关节架3-6配合连接，弹簧挡圈3-
5-1对轴承3-4-1进行定位。

[0032] 如图7为本发明万向机构驱动轮剖视图，驱动轮中心孔采用非整圆设计，既能传递力矩，又能传递运动。在其轮上，钢丝绳绕驱动轮半圈穿出驱动轮连接孔，通过软管固定在驱动轮上，图6中的驱动轮2-5-1、2-5-2、3-3-1、3-3-2均采用此设计。