CN108542498B - 一种用于单孔微创机器人的转向关节及微创机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于单孔微创机器人的转向关节，包括若干个首尾依次相连的转向单元，各转向单元均包括转向块、内导向块、外导向块、外支撑块和支撑轴，外导向块围包在内导向块的外侧，内导向块与外支撑块相连，外支撑块与支撑轴相连，外导向块与外支撑块接触但不相连；各所述转向块均包括转向底盘、定位顶盘以及连接转向底盘、定位顶盘的转向撑杆，转向底盘与外导向块之间既能够相对转动又能够同步转动。本发明还公开了一种微创机器人，所述微创机器人包括机械臂，所述机械臂包括后臂体、前端剪切执行器及用于连接后臂体和前端剪切执行器的如上所述的转向关节。利用本发明能够实现对手术臂前端剪切执行器的远距离灵活转向控制。

Description

一种用于单孔微创机器人的转向关节及微创机器人

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于单孔微创机器人的转向关节及微创机器人。

背景技术

随着科学技术的不断发展，特别是在控制方面的快速发展，机器人领域已经有了重大的突破，尤其是在医疗领域，凭借机器人辅助手术可以达到微创效果，得到人们的广泛接受。近几年各式各样的手术辅助机器人也取得了相应的研究和发展，目前手术机器人大部分还处于研发阶段，现有的手术机器人功能相对单一，结构简单，机械臂的结构相对比较笨重，很难通过利用机器人实现微创手术。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种用于单孔微创机器人的转向关节及微创机器人，其体积小，且能够实现远距离控制灵活转向。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于单孔微创机器人的转向关节，包括若干个首尾依次相连的转向单元，各转向单元均包括转向块、内导向块、外导向块、外支撑块和支撑轴，内导向块整体呈半球状，外导向块整体亦呈半球状，外导向块围包在内导向块的外侧，内导向块与外支撑块相连，外支撑块与支撑轴相连，外支撑块位于外导向块的下方对外导向块起支撑作用，外导向块与外支撑块接触但不相连；各所述转向块均包括转向底盘、定位顶盘以及连接转向底盘、定位顶盘的转向撑杆，各转向块均包括2N根转向撑杆，N为大于或等于1的整数，各转向块的相邻两根转向撑杆间的夹角相等，位于上方的转向单元的支撑轴和位于该转向单元下方且与其相邻的转向单元的定位顶盘相连；各转向块的转向底盘分别套置在与该转向块属于同一转向单元的外导向块的外侧，且转向底盘与外导向块之间既能够相对转动又能够同步转动。

所述转向关节还包括偏转驱动装置，偏转驱动装置包括偏转牵引绳和张紧机构，一根转向撑杆上连接有一根或两根偏转牵引绳，偏转牵引绳的另一端连接所述张紧机构，张紧机构控制所述偏转牵引绳张紧或放松从而带动所述转向块相对于内、外导向块发生偏转，实现相对转动。

各所述转向单元还包括转向限位机构，转向限位机构包括沿外导向块的轮廓线开设的外导向滑槽、沿内导向块的轮廓线开设的内导向滑槽，内、外导向滑槽的位置相对，且内、外导向滑槽的数量均与和其属于同一转向单元的转向撑杆的数量相同，转向限位机构还包括设置在各转向撑杆内侧的导向杆和卡位球，卡位球位于内导向块的内侧，导向杆的一端与转向撑杆的底端内侧相连、另一端依次穿过外导向滑槽和内导向滑槽后与卡位球相连。

所述转向关节还包括旋转驱动机构，旋转驱动机构与位于最下方的转向单元的支撑轴相连并带动所述支撑轴旋转，位于最下方的转向单元的支撑轴旋转时带动与该支撑轴相连的外支撑块旋转，从而带动与该外支撑块相连的内导向块旋转，内导向块旋转通过卡位球、导向杆带动所述转向块和外导向块同步转动，位于最下方的转向单元的转向块转动时同步带动与其相邻的上方的转向单元的支撑轴旋转，从而带动整个转向关节同步旋转。

所述旋转驱动机构包括旋转牵引绳、旋转卡盘、定位底板及旋转电机，定位底板的一侧开设有牵引绳入口、另一侧开设有牵引绳出口，旋转卡盘位于定位底板的上方，位于最下方的转向单元的支撑轴贯穿所述旋转卡盘，该支撑轴的底端与定位底板接触但不相连，旋转牵引绳自牵引绳入口穿入并绕位于旋转卡盘下方的支撑轴绕一圈后穿经旋转卡盘再按同样的绕向绕位于旋转卡盘上方的支撑轴一周，并经定位底板上的牵引绳出口穿出，旋转牵引绳的两端分别连接旋转电机的输出轴。

所述外支撑块的顶端呈弧形凹陷，且外支撑块的顶端的轮廓与外导向块的底端轮廓相适配。

所述支撑轴和与其相连的定位顶盘之间为可拆卸式连接。

各所述转向单元还包括用于连接内导向块和外支撑块的连接柱，所述内导向块的中部、连接柱的中部以及外支撑块的中部均为中空结构且相互贯通。

各所述转向块的定位顶盘的下方均设置有导管，导管的入口正对内导向块的中部、出口正对定位顶盘的中部，所述支撑轴和与其相连的定位顶盘之间为螺纹连接，定位顶盘的内部中空且设置有内螺纹，支撑轴的外部设置有与该内螺纹相适配的外螺纹，各支撑轴的内部中空。

本发明还公开了一种微创机器人，所述微创机器人包括机械臂，所述机械臂包括后臂体、前端剪切执行器及用于连接后臂体和前端剪切执行器的如上所述的转向关节，所述剪切执行器与位于最上方的转向单元的定位顶盘相连，后臂体与位于最下方的转向单元的定位底板相连。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

本发明中的转向关节体积小，操控简便，将该转向关节安装于手术机械臂上，能够通过偏转牵引绳和旋转牵引绳实现了对剪切执行器灵活转向的远距离控制。

附图说明

图1为本发明一种实施例的位于最下方的转向单元与旋转驱动机构的部分结构的装配图。

图2为本发明中转向块一种实施例的正视图。

图3为本发明中定位底板、旋转卡盘及旋转牵引绳的一种绕向下的正视图。

图4为本发明一种实施例的内导向块、连接柱和外支撑块的装配图。

图5为本发明中定位底板、旋转卡盘及旋转牵引绳的一种绕向下的装配图。

图6为本发明中机械臂的一种实施例的状态示意图。

1、转向块 11、定位顶盘 12、转向撑杆 13、转向底盘 14、通孔 15、导向杆 16、卡位球 2、内导向块 21、内导向滑槽 3、外导向块 31、外导向滑槽 4、外支撑块 5、支撑轴 6、旋转牵引绳 7、连接柱 8、旋转卡盘 9、定位底板 91、牵引绳入口 92、牵引绳出口 10、偏转牵引绳 17、导管 18、后臂体 19、剪切执行器

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图6所示，一种用于单孔微创机器人的转向关节，包括若干个首尾依次相连的转向单元。图6中虽然仅示出了两个相连的转向单元，但本发明中的转向关节并不局限于仅包括两个相连的转向单元，还可以是三个甚至更多。

各转向单元均包括转向块1、内导向块2、外导向块3、外支撑块4和支撑轴5，外导向块3围包在内导向块2的外侧。各所述转向单元还包括用于连接内导向块2和外支撑块4的连接柱7，外支撑块4与支撑轴5相连，外支撑块4位于外导向块3的下方对外导向块3起支撑作用，外导向块3与外支撑块4接触但不相连。所述外支撑块4的顶端呈弧形凹陷，且外支撑块4的顶端的轮廓与外导向块3的底端轮廓相适配。从而实现了外导向块3在旋转过程中，外支撑块4能够对其实现有效支撑，保证了整体结构的稳定性。

各所述转向块1均包括转向底盘13、定位顶盘11以及连接转向底盘13、定位顶盘11的转向撑杆12，各转向块1均包括四根转向撑杆12，各转向块1的相邻两根转向撑杆12间的夹角相等。各转向撑杆12的顶端与定位顶盘11相连、底端与转向底盘13相连，且各转向撑杆12的截面也呈弧形，属于同一转向块1的所有转向撑杆12相互配合构成一个类似于半球壳的形状，使转向底盘13扣合在外导向块3外侧，与外导向块3一起构成一个类似整球的形状。

需要说明的是，本发明中各所述转向块1中的转向撑杆12并不仅仅局限于上述的四根转向撑杆12，其可以包括两根转向撑杆12，当仅有两根转向撑杆12时，转向底盘13仅能沿外导向块向两个方向偏转，当然，各所述转向块1还可以包括六根转向撑杆12，当有六根转向撑杆12时，转向底盘13能够沿外导向块3向六个方向偏转，甚至所述转向块1还可以包括更多数量的转向撑杆12，以实现偏转方向的更为细致的控制。

位于上方的转向单元的支撑轴5和位于该转向单元下方且与其相邻的转向单元的定位顶盘11相连。所述支撑轴5和与其相连的定位顶盘11之间为可拆卸式连接。内导向块2整体呈半球状，外导向块3整体亦呈半球状。各转向块1的转向底盘13分别套置在与该转向块1属于同一转向单元的外导向块3的外侧，且转向底盘13在下述偏转驱动装置的带动下能够与外导向块3之间实现相对转动，在下述旋转驱动机构的带动下能够与外导向块3之间实现同步转动。

所述转向关节还包括偏转驱动装置，偏转驱动装置包括偏转牵引绳10和张紧机构，一根转向撑杆12上连接有两根偏转牵引绳10，偏转牵引绳10的另一端穿过开设在转向底盘13上的通孔14或通槽后连接所述张紧机构，张紧机构控制所述偏转牵引绳10张紧或放松从而带动所述转向块相对于内、外导向块发生偏转，实现相对转动。

例如，对于各所述转向块1拥有四根转向撑杆12的转向关节而言，当需要向左偏转时，只需收紧与位于左侧的转向撑杆12相连的偏转牵引绳10并松长度相当的与位于右侧的转向撑杆12相连的偏转牵引绳10，与位于前侧、后侧的转向撑杆12相连的各偏转牵引绳10均保持松紧度不变，即可实现转向块的向左偏转；当需要向前偏转时，只需收紧与位于前侧的转向撑杆12相连的偏转牵引绳10并松长度相当的与位于后侧的转向撑杆12相连的偏转牵引绳10，与位于左侧、后侧的转向撑杆相连的各偏转牵引绳10均保持松紧度不变，即可实现转向块的向前偏转，以此类推。

所述的偏转幅度取决于张紧机构对于偏转牵引绳10的收紧或放松程度，当然，其偏转的极限位置取决于下述内、外导向滑槽的底端所处的位置以及所述转向块1的体积。

各所述转向单元还包括转向限位机构，转向限位机构包括沿外导向块3的轮廓线开设的外导向滑槽31、沿内导向块2的轮廓线开设的内导向滑槽21，内、外导向滑槽的位置相对，且内、外导向滑槽的数量均与和其属于同一转向单元的转向撑杆12的数量相同，转向限位机构还包括设置在各转向撑杆12内侧的导向杆15和卡位球16，卡位球16位于内导向块2的内侧，导向杆15的一端与转向撑杆12的底端内侧相连、另一端依次穿过外导向滑槽31和内导向滑槽21后与卡位球16相连。

当然，所述卡位球16并不仅仅局限于图示的球状，还可以是其它形状，只要其外径大于内导向滑槽21的截面宽度，能够避免转向底盘13与内导向块2脱离即可。

所述转向关节还包括旋转驱动机构，旋转驱动机构与位于最下方的转向单元的支撑轴5相连并带动所述支撑轴5旋转，位于最下方的转向单元的支撑轴5旋转时带动与该支撑轴5相连的外支撑块4旋转，从而带动与该外支撑块4相连的内导向块2旋转，内导向块2旋转通过卡位球16、导向杆15带动所述转向块1和外导向块3同步转动，位于最下方的转向单元的转向块1转动时同步带动与其相邻的上方的转向单元的支撑轴5旋转，从而带动整个转向关节同步旋转。

所述旋转驱动机构包括旋转牵引绳6、旋转卡盘8、定位底板9及旋转电机，定位底板9的一侧开设有牵引绳入口91、另一侧开设有牵引绳出口92，旋转卡盘8位于定位底板9的上方，位于最下方的转向单元的支撑轴5贯穿所述旋转卡盘8，其该支撑轴5与旋转卡盘8之间为刚性连接，该支撑轴5的底端与定位底板9接触但不相连，旋转牵引绳6自牵引绳入口91穿入并绕位于旋转卡盘8下方的支撑轴绕一圈后穿经旋转卡盘8再按同样的绕向绕位于旋转卡盘上方的支撑轴一周，并经定位底板9上的牵引绳出口92穿出，旋转牵引绳6的两端分别连接旋转电机的输出轴。即所述旋转牵引绳6在支撑轴的上部和下部要么均为顺时针缠绕，要么均为逆时针缠绕，从而实现通过远距离控制旋转钢丝绳6的运动即可带动旋转卡盘8和支撑轴5旋转从而带动整个转向关节旋转的目的。

当然，若实际应用过程中，若仅需要近距离控制，可以用微型电机直接带动位于最下方的转向单元的支撑轴5旋转，而无需设置上述的旋转牵引绳6和旋转卡盘8。

为了方便引入下述剪切执行器的控制线路，所述内导向块2的中部、连接柱7的中部以及外支撑块4的中部均为中空结构且相互贯通，各所述转向块1的定位顶盘11的下方均设置有导管17，导管17的入口正对内导向块2的中部、出口正对定位顶盘11的中部，所述支撑轴5和与其相连的定位顶盘11之间为螺纹连接，定位顶盘11的内部中空且设置有内螺纹，支撑轴5的外部设置有与该内螺纹相适配的外螺纹，各支撑轴5的内部中空，所述导管17为软管结构，控制线路可从位于最下方的转向单元的支撑轴5内引入，并依次穿经各转向单元的外支撑块4、内导向块2、导管17、定位顶盘11后连接所述剪切执行器，所述控制线路连接外部的控制***，用于控制剪切执行器动作。

如图1至图6所示，本发明还公开了一种微创机器人，所述微创机器人包括机械臂，所述机械臂包括后臂体18、前端剪切执行器19及用于连接后臂体18和前端剪切执行器19的如上所述的转向关节，所述剪切执行器19与位于最上方的转向单元的定位顶盘11相连，后臂体18与位于最下方的转向单元的定位底板9相连。所述转向关节运动时可带动所述剪切执行器19同步运动，从而实现了对剪切执行器19的灵活转向控制。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，包括若干个首尾依次相连的转向单元，各转向单元均包括转向块、内导向块、外导向块、外支撑块和支撑轴，内导向块整体呈半球状，外导向块整体亦呈半球状，外导向块围包在内导向块的外侧，内导向块与外支撑块相连，外支撑块与支撑轴相连，外支撑块位于外导向块的下方对外导向块起支撑作用，外导向块与外支撑块接触但不相连；各所述转向块均包括转向底盘、定位顶盘以及连接转向底盘、定位顶盘的转向撑杆，各转向块均包括2N根转向撑杆，N为大于或等于1的整数，各转向块的相邻两根转向撑杆间的夹角相等，位于上方的转向单元的支撑轴和位于该转向单元下方且与其相邻的转向单元的定位顶盘相连；各转向块的转向底盘分别套置在与该转向块属于同一转向单元的外导向块的外侧，且转向底盘与外导向块之间既能够相对转动又能够同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，所述转向关节还包括偏转驱动装置，偏转驱动装置包括偏转牵引绳和张紧机构，一根转向撑杆上连接有一根或两根偏转牵引绳，偏转牵引绳的另一端连接所述张紧机构，张紧机构控制所述偏转牵引绳张紧或放松从而带动所述转向块相对于内、外导向块发生偏转，实现相对转动。

3.根据权利要求1所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，各所述转向单元还包括转向限位机构，转向限位机构包括沿外导向块的轮廓线开设的外导向滑槽、沿内导向块的轮廓线开设的内导向滑槽，内、外导向滑槽的位置相对，且内、外导向滑槽的数量均与和其属于同一转向单元的转向撑杆的数量相同，转向限位机构还包括设置在各转向撑杆内侧的导向杆和卡位球，卡位球位于内导向块的内侧，导向杆的一端与转向撑杆的底端内侧相连、另一端依次穿过外导向滑槽和内导向滑槽后与卡位球相连。

4.根据权利要求3所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，所述转向关节还包括旋转驱动机构，旋转驱动机构与位于最下方的转向单元的支撑轴相连并带动支撑轴旋转，位于最下方的转向单元的支撑轴旋转时带动与支撑轴相连的外支撑块旋转，从而带动与外支撑块相连的内导向块旋转，内导向块旋转通过卡位球、导向杆带动所述转向块和外导向块同步转动，位于最下方的转向单元的转向块转动时同步带动与其相邻的上方的转向单元的支撑轴旋转，从而带动整个转向关节同步旋转。

5.根据权利要求4所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，所述旋转驱动机构包括旋转牵引绳、旋转卡盘、定位底板及旋转电机，定位底板的一侧开设有牵引绳入口、另一侧开设有牵引绳出口，旋转卡盘位于定位底板的上方，位于最下方的转向单元的支撑轴贯穿所述旋转卡盘，该支撑轴的底端与定位底板接触但不相连，旋转牵引绳自牵引绳入口穿入并绕位于旋转卡盘下方的支撑轴绕一圈后穿经旋转卡盘再按同样的绕向绕位于旋转卡盘上方的支撑轴一周，并经定位底板上的牵引绳出口穿出，旋转牵引绳的两端分别连接旋转电机的输出轴。

6.根据权利要求1所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，所述外支撑块的顶端呈弧形凹陷，且外支撑块的顶端的轮廓与外导向块的底端轮廓相适配。

7.根据权利要求1所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，所述支撑轴和与其相连的定位顶盘之间为可拆卸式连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，各所述转向单元还包括用于连接内导向块和外支撑块的连接柱，所述内导向块的中部、连接柱的中部以及外支撑块的中部均为中空结构且相互贯通。

9.根据权利要求8所述的一种用于单孔微创机器人的转向关节，其特征在于，各所述转向块的定位顶盘的下方均设置有导管，导管的入口正对内导向块的中部、出口正对定位顶盘的中部，所述支撑轴和与其相连的定位顶盘之间为螺纹连接，定位顶盘的内部中空且设置有内螺纹，支撑轴的外部设置有与该内螺纹相适配的外螺纹，各支撑轴的内部中空。

10.一种微创机器人，所述微创机器人包括机械臂，其特征在于，所述机械臂包括后臂体、前端剪切执行器及用于连接后臂体和前端剪切执行器的如权利要求1至9任一项权利要求所述的用于单孔微创机器人的转向关节，所述剪切执行器与位于最上方的转向单元的定位顶盘相连，后臂体与位于最下方的转向单元的定位底板相连。