CN102119872A - 微创外科手术机器人紧凑型快换机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微创外科手术机器人紧凑型快换机构，由快换盒与快换基座两部分组成，主要包括传动机构、限位锁紧机构、驱动系统等，快换盒连接部分通过自转轴与具有腕部功能的工具末端相连，快换盒可沿快换基座的凹型滑槽快速滑动，从而实现手术工具的更换。安装在快换基座尾端的限位锁紧机构对滑入快换基座的快换盒进行限位和固定。传动机构共分为四组，这四组传动机构结构相似，分别通过伺服电机，以丝传动的形式最终实现工具末端的四个自由度，传动机构中的固丝轮组件可实现传动钢丝的固定与张紧。驱动系统由伺服电机与谐波减速器组成，通过螺纹连接固定在快换基座的基架上。本发明装置具有结构紧凑、重量轻、传动可靠、快换效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种快换机构，具体涉及一种微创外科手术机器人紧凑型快换机构。
背景技术
微创手术是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的，是传统外科手术与高科技手术器械以及电子显示系统相结合的前沿技术。
微创外科手术所用的内窥镜可深达手术部位，使得实施手术的医生的手无需进入体内，大大减少了对病患脏器的损伤和对脏器功能的干扰，也使术后恢复时间缩短。然而，微创手术为病人带来诸多利益的同时，也使医疗器械的操作难度大为提高，如(1)由于体表切口限制了工具自由度个数，灵活性大为降低；(2)医生只能通过内窥设备显示器上的二维图像获得手术场景信息，缺乏深度感觉；(3)医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大；(4)缺乏力感觉等。因此，医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操作。即使如此，目前微创手术也仅仅应用在操作相对比较简单的手术过程之中。
在微创手术机器人手术过程当中，手术工具是唯一与人体病变组织相接触的部分，也是直接执行手术操作的机器人部分，因此，手术工具的性能是微创手术机器人系统综合性能的关键所在。为适应现代化微创手术的要求，手术工具的设计应满足结构精巧、操作灵活、形式多样、易于更换、适合医疗环境等要求，特别是手术工具应有较多的自由度以满足灵活性要求，且要易于更换才能实现复杂的手术操作。因此，与手术工具相配套的快换机构的性能也是微创手术机器人系统综合性能的重要组成部分，其性能指标不仅影响着手术工具的使用，还直接决定了本体系统的设计指标与布局方式。总之，手术工具与快换装置的性能是体现手术机器人系统整体性能水平的关键因素。
在国际上，微创手术机器人系统研究领域已有多套套样机达到了商业临床应用水平，包括da Vinci、Zeus、LAPROTEK系统等。通过研究手术机器人系统的发展发现，手术工具系统主要由工具部分和快换装置组成。工具部分的发展趋势是由杆传动、低自由度向丝传动、多自由度发展，其结构虽越来越简化，功能却变得越来越强大；快换装置则是逐渐向紧凑型、集成型发展，性能也变的越来越高效、稳定。现存的两套商业化微创手术机器人都是采用丝传动的四自由度手术工具系统，但这些手术工具系统仍存在结构布局分散，外形尺寸较大等缺点，所以手术工具系统仍有很大的发展潜力。
在我国，微创外科手术机器人的研发还处于起步阶段，尤其对手术工具系统的研究，与国外技术相比还有较大的差距，因此，开发丝传动、多自由度手术工具及相配套的性能更为稳定高效的快换装置对填补国内空白，推进相关领域技术进步具有重要意义。研究开发与现有系统拥有不同的丝传动形式和快换方式的多自由度手术工具系统对于提升我国在该科研领域的学术、技术地位具有深远意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以实现手术工具系统与机器人本体系统的快速安装与分离并可以有效缩小整个手术工具系统的外形尺寸，使得丝传动更加平稳、精确的微创外科手术机器人紧凑型快换机构。
微创外科手术机器人紧凑型快换机构，它包括由上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件、上接口腕部俯仰传动组件和上接口自转传动组件组成的上接口传动系统，由下接口末端右瓣传动组件、下接口末端左瓣传动组件、下接口腕部俯仰传动组件和下接口自转传动组件组成的下接口传动系统以及由末端右瓣驱动组件、末端左瓣驱动组件、腕部俯仰驱动组件和自转传动驱动组件组成的手术工具驱动系统，所述的上接口传动系统中的每一传动组件垂直设置在快换盒基座和与快换盒基座固定相连的盒盖板之间，其轴线沿与上接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线垂直设置的自转连接轴通过轴承与快换盒基座前端的轴承座孔相连，在所述的自转连接轴的一端设置有丝槽并且其丝槽端设置在上接口腕部俯仰传动组件和上接口自转传动组件之间，经上接口自转传动组件固丝缠绕后的传动钢丝绳与自转连接轴的丝槽端旋绕相连，分别旋绕在上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件和上接口腕部俯仰传动组件上的传动钢丝绳先各自通过一个与其对应设置的快换盒传动导向轮机构导向，然后穿过自转连接轴的中心孔再分别与工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣转动相连，每一个快换盒传动导向轮机构连接在所述的快换盒基座和盒盖板之间，所述的手术工具驱动系统中的每一驱动组件均包括驱动源，驱动源的输出轴与下接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线垂直设置，固丝轮结构抱紧在驱动源的输出轴上。
所述的下接口传动系统中的每一传动组件均连接在基座基架上，所述的下接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线均沿与所述的上接口传动系统中的每一传动组件相平行的方向设置，分别旋绕在所述的下接口传动系统中的每一个传动组件上的传动钢丝绳各自通过与其对应设置的一组下接口传动导向轮机构导向后再分别与相应驱动源输出轴上的固丝轮结构旋绕以使两者转动相连，下接口传动导向轮机构均连接在基座基架上。
所述的上接口传动系统中的四个传动组件的底部能够与下接口传动组件中的四个传动组件的顶部一一对应以使上、下接口传动系统中的组件两两滑动相连，在所述的基座基架和快换盒基座之间设置有限位锁紧机构。
采用本发明装置的有益效果是：1、本发明具有结构紧凑、重量轻、传动可靠、快换效率高等优点。2、本发明应用领域可以是任何方面的微创外科手术，具有向其它手术领域拓展的潜力。3.本发明机构保证了钢丝闭环传动总长度保持不变。从而保证了各机构运动过程中传动钢丝不会被拉长或缩短，保证了传动的稳定可靠与传动精度。4、本发明各自由度的传动方式均为丝传动，保证了在狭小的空间中传动方向的任意更改，实现多自由度快换机构的紧凑设计。5、本发明丝固定与张紧机构实现通过一个固丝轮锁紧件锁紧同一根钢丝两端两个自由度的运动，实现了钢丝传动的丝固定锁紧机构的紧凑设计。6、本发明限位锁紧机构具有两个极限位置，能够在两个极限位置间快速切换，从而实现手术工具的快速装拆，能够充分满足微创外科手术操作过程中使用不同工具的要求。7、本发明提供稳定的大输出力值，可胜任胆囊、心脏手术等大操作力手术。
附图说明
图1是本发明的微创外科手术机器人紧凑型快换机构的总装示意图；
图2是本体系统与图1所示的快换机构连接示意图；
图3是图1所示的快换机构与直线副结构相连接自由度示意图；
图4-1和4-2是图1所示的快换机构的限位装置结构与原理示意图；
图5是图1所示的快换机构的分离示意图；
图6是图1所示的快换机构的快换盒部分结构与自由度示意图；
图7是图6所示的快换盒部分内部结构示意图；
图8是图6所示的快换盒部分传动结构示意图；
图9是图6所示的快换盒中上接口传动组件分解示意图；
图10是图1所示的快换机构的基座传动结构示意图；
图11是图10所示的基座中下接口传动组件分解示意图；
图12是本发明快换机构的丝传动原理示意图；
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：
如附图所示的本发明的微创外科手术机器人紧凑型快换机构，它包括由上接口末端右瓣传动组件7-4、上接口末端左瓣传动组件7-3、上接口腕部俯仰传动组件7-2和上接口自转传动组件7-1组成的上接口传动系统，由下接口末端右瓣传动组件10-8、下接口末端左瓣传动组件10-7、下接口腕部俯仰传动组件10-6和下接口自转传动组件10-5组成的下接口传动系统以及由末端右瓣驱动组件10-4、末端左瓣驱动组件10-3、腕部俯仰驱动组件10-2和自转传动驱动组件10-1组成的驱动系统。所述的上接口传动系统中的每一传动组件均垂直安装在快换盒基座6-5和与快换盒基座固定相连的盒盖板6-4之间。自转连接轴8-6的旋转轴线与上接口传动系统中的每一传动组件的旋转轴线垂直设置并且自转连接轴8-6通过轴承与快换盒基座前端的轴承座孔相连。自转连接轴的一端设置有丝槽并且丝槽端设置在上接口腕部俯仰传动组件和上接口自转传动组件之间，经上接口自转传动组件固丝缠绕后的传动钢丝绳与自转连接轴的丝槽端旋绕相连，分别旋绕在上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件和上接口腕部俯仰传动组件上的传动钢丝绳先各自通过一个与其对应设置的快换盒传动导向轮机构7-5导向，然后穿过自转连接轴的中心孔再分别与工具腕部12-1、工具末端右瓣12-3和工具末端左瓣12-2转动相连，每一个快换盒传动导向轮机构连接在所述的快换盒基座和盒盖板之间，所述的手术工具驱动系统中的每一驱动组件均包括驱动源，驱动源的输出轴与下接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线垂直设置，固丝轮结构抱紧在驱动源的输出轴上。所述的下接口传动系统中的每一传动组件均连接在基座基架3-6上，所述的下接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线均沿与所述的上接口传动系统中的每一传动组件相平行的方向设置，分别旋绕在所述的下接口传动系统中的每一个传动组件上的传动钢丝绳各自通过与其对应设置的一组下接口传动导向轮机构导向后再分别与相应驱动源输出轴上的固丝轮结构旋绕以使两者转动相连，下接口传动导向轮机构均连接在基座基架上；所述的上接口传动系统中的四个传动组件的底部能够与下接口传动组件中的四个传动组件的顶部一一对应插合以使上、下接口传动系统中的组件两两滑动相连，在所述的基座基架和快换盒基座之间设置有限位锁紧机构。在所述的基座机架上沿与上、下接口传动系统中的组件两两插合滑动相平行的方向开有两个导向滑槽，设置在快换盒基座底部的两个导向滑块能够与所述的两个导向滑槽相对应插合滑动配合，这样可以使基座机架和快换盒进行左右侧的侧向定位。
所述的限位锁紧机构3-7用以对装入快换基座的快换盒进行定位与锁紧，其限位基座4-2固定在基座基架3-6后端的定位槽内，限位块4-1通过连接在限位基座上的限位块销轴4-7转动连接在限位基座4-2的开口槽内，装于限位块两侧并对称布置的两个折型吊钩4-3通过连接在限位基座上的吊钩销轴4-4也转动连接在限位基座的开口槽内，对称布置的两个拉伸弹簧4-6的上端分别勾挂在两个折型吊钩4-3下端的销孔内并且其下端勾挂在位于限位块4-1底端的弹簧销轴4-5上，当装入快换盒并向上扳起限位块时，限位块的上部能够卡在开在快换盒后端的卡槽内，当向下按压限位块时，限位块的下端最终停靠在所述的基座基架上。限位块销轴的轴线与吊钩销轴的轴线相平行设置。限位块具有两个极限位置：当装入快换盒5-1时，向上扳起限位块4-1至拉伸弹簧4-6越过位置Q-Q，则限位块在弹簧的作用下能够卡在装入快换基座的快换盒后部的卡槽内以实现对快换盒的定位锁紧；当需更换手术工具时，向下按压限位块使弹簧反向越过Q-Q位置，限位块则在弹簧拉动下停靠在所述的基座基架上，此时限位块松开快换盒，让出快换盒行进通道以实施工具快速装拆。快换盒左右方向上由导向滑槽定位，前后方向上由限位块定位并锁紧，实现了工具的快速安装固定。本限位锁紧机构的两个极限位置能够在弹簧作用下自动保留，不需要在使用中持续按压，简化了工具快换操作程序，增加了可操作性。
所述的上接口传动系统的每一传动组件均包括凸块传动轴9-5，在所述的凸块传动轴的底部设置有凸块，在所述的凸块传动轴上依次套装有第一下轴承9-4、其上开有轴孔的外固丝轮9-3、其上开有轴孔并且其底部为光滑轴段的内固丝轮9-2和第一上轴承9-1，在所述的内固丝轮光滑轴段的侧壁上沿其轴向设置有开口长槽，所述的内固丝轮9-2的光滑轴段与所述的外固丝轮9-3轴孔间隙配合并且能够通过固丝轮锁紧块9-6抱紧在所述的凸块传动轴上，固丝轮锁紧块与外固丝轮下部通过连接螺钉相连，所述的内、外固丝轮上均设置有丝槽，所述的第一上轴承9-1固定在盒盖板上的轴承座孔内，所述的第一下轴承9-4固定在快换盒基座的轴承座孔内，上接口自转传动组件的内外固丝轮与自转连接轴的丝槽端通过传动钢丝绳转动相连，上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件和上接口腕部俯仰传动组件上的内外固丝轮分别通过在其内、外固丝轮的丝槽中按相反方向旋绕并张紧的传动钢丝绳与工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣转动相连；所述的下接口传动系统中的每一传动组件均包括凹槽传动轴11-1，在所述的凹槽传动轴11-1的顶部设置有与所述的凸块传动轴底部能够插合以实现滑动配合的导向滑槽，在所述的凹槽传动轴11-1上依次套有第二上轴承11-2、下接口固丝传动轮11-3和第二下轴承11-4，所述的下接口固丝传动轮的下部通过连接螺钉与固丝传动轮锁紧块11-5相连，所述的下接口固丝传动轮上设置有丝槽，所述的下接口固丝传动轮能够通过固丝传动轮锁紧块抱紧在所述的凹槽传动轴上，所述的第二上、下轴承11-2、11-4分别固定在基座基架3-6的轴承座孔内；驱动源输出轴上的固丝轮结构包括其上开有轴孔的的驱动源外固丝轮、其上开有轴孔并且其底部为光滑轴段的驱动源内固丝轮，在所述的驱动源内固丝轮光滑轴段的侧壁上沿轴向设置有开口长槽，在驱动源内、外固丝轮上均开有丝槽，驱动源固丝轮锁紧块与驱动源外固丝轮下部通过连接螺钉相连，所述的驱动源内固丝轮的光滑轴段与所述的驱动源外固丝轮轴孔间隙配合并且能够通过驱动源固丝轮锁紧块抱紧在所述的驱动源输出轴上，驱动源内、外固丝轮分别通过在其内、外固丝轮的丝槽中按相反方向旋绕并张紧的传动钢丝绳与相对应的下接口传动系统中的每一个传动组件上的下接口固丝传动轮转动相连。作为本发明的一种实施方式，固丝轮锁紧块与外固丝轮下部为分体设置，所述的固丝轮锁紧块与外固丝轮下部通过两个连接螺钉相连。本发明的另外一种实施方式，所述的各固丝轮锁紧块的一侧侧壁与外固丝轮底部的一侧侧壁为一体设置，固丝轮锁紧块的另一侧侧壁与外固丝轮下部的另一侧侧壁相对间隔设置并且相对间隔设置的两侧壁通过一个连接螺钉相连。同理，下接口固丝传动轮与固丝传动轮锁紧块之间以及驱动源固丝轮锁紧块与驱动源外固丝轮之间也可以采用上述实施方式连接。
所述的快换盒传动导向轮机构的每个导向轮组件均包括导向轮转轴8-3，垫圈8-4，快换盒导向轮8-5。快换盒导向轮套装在所述的导向轮轴上，在位于所述的快换盒导向轮的两侧分别加装有垫圈8-4，所述的导向轮轴的顶端和底端分别固定在盒盖板和快换盒基座上。
下接口传动导向轮机构共分两组，第一组导向轮机构10-9靠近下接口传动系统并呈垂直布置，第二组导向轮机构10-10、10-11靠近驱动系统并呈横向布置。两组导向轮机构均包含两个导向轮组件且与快换盒传动导向轮机构可以具有相同的结构组成。
基座基架3-6的底部形状可以根据其需连接的部件确定，如果与导轨滑动相连则可以在其上设置凹槽以与导轨上的滑块相配合并且还可以在基座基架的前后端设置卡丝机构以便于对直线副用传动钢丝绳两端进行固定。
下面再具体结合每一附图对本发明作以详细说明：
图1、图2所示为本发明的总体结构与连接示意图。图1所示为本发明装置的总装示意图，图2所示为本发明装置在机器人系统中所处的位置以及与本体系统的连接结构。本发明装置上安装有手术工具，本发明装置安装在本体系统从动臂的滑动导轨基座2-2上，在微创机器人手术过程中，手术工具大范围的运动调整正是通过从动臂机构的运动实现的，如手术工具的左右摇摆自由度W2是通过支撑臂2-3的转动实现的，前后摇摆自由度W1是通过导轨2-2的定点转动实现的，而直线伸缩自由度P1是通过导轨直线副实现的。固连在导轨末端的导向密封机构2-1对手术工具能够进行导向和定位，在进行微创手术时，手术工具穿过导向密封机构2-1的密封环伸入人体内部进行手术操作，而导向密封机构2-1则堵装在体表的微小切口处以对工具起到密封作用。
图3所示为本发明装置与本体系统连接部分的直线伸缩自由度P1，还有快换基座部分旋转自由度，包括下接口传动旋转自由度R1-R4以及驱动系统旋转自由度R5、R6。R1是自转传动旋转自由度，R2是腕部俯仰传动旋转自由度，R3是末端左瓣传动旋转自由度，R4是末端右瓣传动旋转自由度。滑动导轨3-9安装在滑动导轨基座2-2中，其前端是直线副的驱动系统，由伺服电机组件3-1、电位器3-2以及传动丝轮组成，传动丝轮锁紧在电机的输出轴上，钢丝3-3前端由位于基座基架3-6前端的卡丝机构3-4固定，经驱动系统的传动丝轮旋绕后，再沿滑动导轨基座2-2背面的丝槽里穿过，旋绕在绕丝轮3-10上，钢丝3-3末端最终固定在基座基架3-6后端的卡槽里，这样使得钢丝传动机构呈封闭环形，电机可以通过驱动丝轮带动快换机构沿滑动导轨3-9直线运动。如图示，限位锁紧机构3-7安装在基座基架3-6后端，手术工具驱动系统3-8则通过电机座3-11与基座基架3-6的电机座孔相连。R7为绕线轮旋转自由度，R8为伺服电机组件3-1的旋转自由度。
图4-1和图4-2所示为限位锁紧机构3-7的结构与功能原理。限位基座4-2固定在快换基座基架3-6后端，限位块4-1通过限位块销轴4-7安装在限位基座4-2上，折型吊钩4-3则通过吊钩销轴4-4安装在限位基座上，拉伸弹簧4-6的上端勾挂在折型吊钩4-3的销孔内，下端勾挂在位于限位块4-1底端的弹簧销轴4-5上。在扳动限位块4-1的过程中，弹簧销轴4-5的的运行轨迹是以02为圆心的圆弧B，折型吊钩的运行轨迹是以01为圆心的圆弧A，由几何原理可知，当弹簧运动到圆心连线0102的延长线Q-Q时，吊钩销孔圆心点S1与弹簧销轴4-5圆心点S2的连线最长，即弹簧的拉伸量达到最大，当限位块进一步向上/下越过Q-Q线，弹簧4-6就会有缩拉的趋势，限位块就会在弹簧4-6作用下向上/下运动直到限位位置。限位块4-1向上运动的限位位置是上部的卡头正好锁住装入快换基座的快换盒，而限位块向下运动的限位位置则是下部碰触到基座基架，同时让出快换盒行进通道，实现手术工具的快速装拆。
图5所示为本发明的微创外科手术机器人紧凑型快换机构的两大组成部分的整体结构以及连接方式。其中，5-1为快换盒部分整体结构示意图，5-2为快换基座部分整体结构示意图。如图所示，当按下限位锁紧机构3-7的限位块4-1，快换盒5-1可以沿方向P从快换基座5-2的导向滑槽滑入，随后扳动限位块4-1向上运动，限位块上部的卡头卡在快换盒后壁的卡槽中以锁住快换盒，此时，快换盒左右方向上由滑槽定位，前后方向上由限位锁紧机构定位并锁紧，实现了工具的快速安装固定。相反，当按动限位块向下运动到限位位置，限位块上部松开快换盒，快换盒可快速的从快换基座中取出。
图6、图7所示为快换盒5-1的内部结构与四个传动旋转自由度。快换盒部分的传动结构称为上接口传动系统，r1-r4是指上接口传动系统四个传动组件的旋转自由度，其中，r1是上接口自转传动组件7-1的旋转自由度；r2是上接口腕部俯仰传动组件7-2的旋转自由度；r3是上接口末端左瓣传动组件7-3的旋转自由度；r4是上接口末端右瓣传动组件7-4的旋转自由度。四个上接口传动组件分别通过轴承支撑在快换盒中，下侧轴承装在快换盒基座6-5的轴承座内，上侧轴承则装在盖板6-4的轴承座内。如图6所示，快换盒基座6-5前端的轴承座两侧装有轴承端盖6-3，用以对支撑自转连接部分6-2的轴承进行定位。工具末端6-1通过细长的自转轴6-6与自转连接部分相连。如图7所示，3组结构相同的快换盒传动导向轮机构7-5对传动钢丝绳进行导向。
图8所示为快换盒部分的上接口传动系统组成。钢丝绳经上接口自转传动组件7-1固丝缠绕后直接旋绕在自转连接轴上，通过钢丝传动，r1自由度将转化为自转自由度r5。经其它三个传动组件7-2、7-3、7-4固丝缠绕后的钢丝绳由3组快换盒传动导向轮机构7-5导向后分别与工具腕部、工具末端相连，用以实现手术工具的其它的三个自由度。快换盒传动导向轮机构7-5由导向轮转轴8-3、铜垫圈8-4、快换盒导向轮8-5组成。自转连接轴8-6两侧装有轴承8-2，自转连接轴的一端设置有丝槽。轴承外侧由轴承端盖6-3进行定位，内侧则由止动套筒8-1定位，止动套筒8-1通过销钉固定在自转连接轴8-6上。
图9所示为上接口传动组件的结构组成。第一下轴承9-4、固丝轮结构、第一上轴承9-1依次装入凸块传动轴9-5中，然后分别在内、外固丝轮的丝槽中按相反方向旋绕并张紧传动钢丝，最后拧紧外固丝轮锁紧块9-6，使传动组件抱紧在凸块传动轴上。其中，固丝轮结构由内固丝轮9-2、外固丝轮9-3套合而成。内固丝轮9-2光轴部分加工有4个开口长槽，与外固丝轮9-3内孔呈间隙配合。外固丝轮9-3与固丝轮锁紧块9-6两部分通过螺钉相连。由于加工有开口长槽，当旋紧固丝轮锁紧块螺钉时，内固丝轮光轴段可在锁紧块与外固丝轮的挤迫下抱紧传动轴，实现丝传动系统的固丝与张紧，在此，一个锁紧块锁紧同一根钢丝两端两个自由度的运动。机构锁紧前，内固丝轮与外固丝轮的同步转动可实现丝传动系统的整体调整，内固丝轮与外固丝轮的相对转动可实现传动钢丝的松紧调整。同一个锁紧块的锁紧即可实现整个机构的调整和张紧，不但利于缩小机构整体尺寸，还能够可靠实现闭环钢丝绳传动的张紧，保证丝传动系统在工作中始终处于张紧状态，同时能够方便地进行闭环钢丝绳传动的调整，进而实现丝传动系统在工作中的调整和校准，保证传动精度。
图10所示为快换基座内部传动结构示意图。手术工具驱动系统3-8的驱动源包括伺服驱动电机10-13和与伺服驱动电机相连的谐波减速器10-12，固丝轮结构抱紧在谐波减速器的输出轴上，输出轴前端支撑在固丝轮支撑座3-5上。驱动系统由自转驱动组件10-1、腕部俯仰驱动组件10-2、末端左瓣驱动组件10-3、末端右瓣驱动组件10-4组成。缠绕在自转驱动组件10-1的固丝轮结构上的传动钢丝绳先经下接口传动导向轮10-10导向，然后旋绕在下接口自转传动组件10-5的传动丝轮上，最后通过调整固丝轮结构把钢丝张紧，这样就实现了自转运动的驱动力由驱动系统向下接口传动组件的传递。按同样的方法，可分别实现腕部俯仰运动的驱动力由腕部俯仰驱动组件10-2向下接口腕部俯仰传动组件10-6的传递，工具末端运动的驱动力由末端左、右瓣驱动组件10-3、10-4向下接口末端左、右瓣传动组件10-7、10-8的传递。
图11所示为快换基座中的下接口传动组件的结构组成。将第二上轴承11-2、下接口固丝传动轮11-3、第二下轴承11-4依次装入凹槽传动轴11-1中，经驱动组件缠绕并由导向轮导向后的钢丝按相反方向旋绕在下接口固丝传动轮11-3上、下两侧的丝槽中，最后通过拧紧固丝传动轮锁紧块11-5将下接口传动组件抱紧在凹槽传动轴11-1上。当快换盒快速滑入快换基座后，快换盒上接口凸块传动轴9-5的凸块恰好滑入快换基座下接口凹槽传动轴11-1的导向滑槽中并间隙配合，这样就实现了上、下动力接口的稳定对接和动力传递。
图12所示为手术工具系统的丝传动原理。自转自由度的传动过程：手术工具驱动系统3-8输出驱动力，缠绕在自转驱动组件10-1上的钢丝绳经下接口传动导向轮10-10导向后旋绕在下接口自转传动组件10-5的下接口固丝传动轮11-3上并带动整个传动组件旋转，通过凹槽传动轴11-1与凸块传动轴9-5的对接将动力传递到上接口自转传动组件7-1，再通过丝传动将上接口自转传动组件7-1的旋转转化为自转连接轴8-6的旋转运动。同理，腕部俯仰自由度的传动过程：驱动系统3-8输出驱动力，其腕部俯仰驱动组件10-2利用钢丝传动并经下接口传动导向轮10-11导向后将旋转动力传递给下接口腕部俯仰传动组件10-6，然后通过对接将动力传递给上接口腕部俯仰传动组件7-2，再利用钢丝12-4传动并经快换盒导向机构7-5导向，最终实现腕部12-1的俯仰自由度。末端左瓣的传动过程：驱动系统3-8输出驱动力，其末端左瓣驱动组件10-3利用钢丝传动并经下接口传动导向轮10-9的导向，带动下接口末端左瓣传动组件10-7旋转，通过对接将动力传递给上接口末端左瓣传动组件7-3，再利用钢丝传动并经快换盒传动导向轮机构7-5导向，最终实现末端左瓣12-2的旋转自由度。末端右瓣与末端左瓣的传动原理相同。
Claims (5)
1.微创外科手术机器人紧凑型快换机构，其特征在于：它包括由上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件、上接口腕部俯仰传动组件和上接口自转传动组件组成的上接口传动系统，由下接口末端右瓣传动组件、下接口末端左瓣传动组件、下接口腕部俯仰传动组件和下接口自转传动组件组成的下接口传动系统以及由末端右瓣驱动组件、末端左瓣驱动组件、腕部俯仰驱动组件和自转传动驱动组件组成的手术工具驱动系统，所述的上接口传动系统中的每一传动组件垂直设置在快换盒基座和与快换盒基座固定相连的盒盖板之间，其轴线沿与上接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线垂直设置的自转连接轴通过轴承与快换盒基座前端的轴承座孔相连，在所述的自转连接轴的一端设置有丝槽并且其丝槽端设置在上接口腕部俯仰传动组件和上接口自转传动组件之间，经上接口自转传动组件固丝缠绕后的传动钢丝绳与自转连接轴的丝槽端旋绕相连，分别旋绕在上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件和上接口腕部俯仰传动组件上的传动钢丝绳先各自通过一个与其对应设置的快换盒传动导向轮机构导向，然后穿过自转连接轴的中心孔再分别与工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣转动相连，每一个快换盒传动导向轮机构连接在所述的快换盒基座和盒盖板之间，所述的手术工具驱动系统中的每一驱动组件均包括驱动源，驱动源的输出轴与下接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线垂直设置，固丝轮结构抱紧在驱动源的输出轴上；
所述的下接口传动系统中的每一传动组件均连接在基座基架上，所述的下接口传动组件中的每一传动组件的旋转轴线均沿与所述的上接口传动系统中的每一传动组件相平行的方向设置，旋绕在所述的下接口传动系统中的每一个传动组件上的传动钢丝绳各自通过与其对应设置的一组下接口传动导向轮机构导向后再分别旋绕在相应驱动源输出轴上的固丝轮结构上以使两者转动相连，下接口传动导向轮机构均连接在基座基架上；
所述的上接口传动系统中的四个传动组件的底部能够与下接口传动组件中的四个传动组件的顶部一一对应插合以使上、下接口传动系统中的组件两两滑动相连，在所述的基座基架和快换盒基座之间设置有限位锁紧机构。
2.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人紧凑型快换机构，其特征在于：在所述的基座机架上沿着与上、下接口传动系统中的组件两两插合滑动相平行的方向开有两个导向滑槽，设置在快换盒基座底部两侧的两个导向滑块能够与所述的两个导向滑槽相对应插合滑动配合。
3.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人紧凑型快换机构，其特征在于：所述的限位锁紧机构(3-7)包括限位基座(4-2)，限位基座(4-2)固定在基座基架(3-6)后端的定位槽中，限位块(4-1)通过连接在限位基座上的限位块销轴(4-7)转动连接在限位基座(4-2)的开口槽内，装于限位块两侧并对称布置的两个折型吊钩(4-3)通过连接在限位基座上的吊钩销轴(4-4)转动连接在限位基座的开口槽内并且对称布置的两个拉伸弹簧(4-6)的上端分别勾挂在两个折型吊钩(4-3)下端的销孔内，两个拉伸弹簧下端各自勾挂在位于限位块(4-1)底端的弹簧销轴(4-5)，限位块上部的卡头能够与设置在快换盒基座后端的卡槽相压紧或松开配合，限位块销轴的轴线与吊钩销轴的轴线相平行设置。
4.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人紧凑型快换机构，其特征在于：所述的上接口传动系统的每一传动组件均包括凸块传动轴(9-5)，在所述的凸块传动轴的底部设置有凸块，在所述的凸块传动轴上依次套装有第一下轴承(9-4)、其上开有轴孔的外固丝轮(9-3)、其上开有轴孔并且其底部为光滑轴段的的内固丝轮(9-2)和第一上轴承(9-1)，在所述的内固丝轮光滑轴段的侧壁上沿其轴向设置有开口长槽，固丝轮锁紧块与外固丝轮下部通过连接螺钉相连，所述的内固丝轮(9-2)的光滑轴段与所述的外固丝轮(9-3)轴孔间隙配合并且能够通过固丝轮锁紧块(9-6)抱紧在所述的凸块传动轴上，所述的内、外固丝轮上均设置有丝槽，所述的第一上轴承(9-1)固定在盒盖板上的轴承座孔内，所述的第一下轴承(9-4)固定在快换盒基座的轴承座孔内，上接口自转传动组件的内、外固丝轮与自转连接轴的丝槽端通过传动钢丝绳转动相连，上接口末端右瓣传动组件、上接口末端左瓣传动组件和上接口腕部俯仰传动组件上的内、外固丝轮分别通过在其内、外固丝轮的丝槽中按相反方向旋绕并张紧的传动钢丝绳与工具腕部、工具末端右瓣和工具末端左瓣转动相连；所述的下接口传动系统中的每一传动组件均包括凹槽传动轴(11-1)，在所述的凹槽传动轴(11-1)的顶部设置有与所述的凸块传动轴底部能够插合以实现滑动配合的导向滑槽，在所述的凹槽传动轴(11-1)上依次套有第二上轴承(11-2)、下接口固丝传动轮(11-3)和第二下轴承(11-4)，所述的下接口固丝传动轮的下部通过连接螺钉与固丝传动轮锁紧块(11-5)相连，所述的下接口固丝传动轮上设置有丝槽，所述的下接口固丝传动轮能够通过固丝传动轮锁紧块抱紧在所述的凹槽传动轴上，所述的第二上、下轴承(11-2、11-4)分别固定在基座基架(3-6)的轴承座孔内；驱动源输出轴上的固丝轮结构包括其上开有轴孔的驱动源外固丝轮、其上开有轴孔并且其底部为光滑轴段的驱动源内固丝轮，在所述的驱动源内固丝轮光滑轴段的侧壁上沿轴向设置有开口长槽，在驱动源内、外固丝轮上均开有丝槽，驱动源固丝轮锁紧块与驱动源外固丝轮下部通过连接螺钉相连，所述的驱动源内固丝轮的光滑轴段与所述的驱动源外固丝轮轴孔间隙配合并且能够通过驱动源固丝轮锁紧块抱紧在所述的驱动源输出轴上，驱动源内、外固丝轮分别通过在其内、外固丝轮的丝槽中按相反方向旋绕并张紧的传动钢丝绳与相对应的下接口传动系统中的每一个传动组件上的下接口固丝传动轮转动相连。
5.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人紧凑型快换机构，其特征在于：所述的每一个快换盒传动导向轮机构均包括导向轮轴，快换盒传动导向轮套装在所述的导向轮轴上，在所述的快换盒传动导向轮的顶面和底面分别加装有垫圈，所述的导向轮轴的顶端和底端分别固定在所述的盒盖板和快换盒基座上。
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