技术领域
[0001] 本
发明涉及一种微创外科手术领域内的医疗设备，它可以辅助外科医生实施
微创手术操作，尤其涉及一种适合于胸腔和
腹腔的微创手术操作的辅助微创外科手术的
机器人本体系统。
背景技术
[0002] 以
腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作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。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。然而，微创手术为病人带来了诸多利益的同时，却对医生的操作带来了一系列困难，如：1)由于体表小孔的限制，工具的
自由度减少至四个，灵活性大大降低；2)医生操作方向与所期望的方向相反，协调性差；3)医生只能通过监视器上的二维图像获得手术场景信息，缺乏深度方向上的感觉；4)医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大，对手术造成不良影响；5)缺乏
力感觉。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。因此，在微创手术领域中迫切需要一种机器人系统来延伸医生的能力，以便克服上述缺点，使医生能够更容易的完成微创手术操作。目前，能够在临床上使用的微创
外科手术机器人系统只有Da Vinci系统和Zeus系统，但它们都有体积庞大、价格昂贵等方面的缺点。国际上如美国、法国、德国、英国、波兰、日本、韩国等地都相继开展了微创外科手术机器人的研究，并产生了一系列样机，但这些样机大都与已经存在的机构相同或类似，缺乏创新性。我国在机器人辅助手术方面尚处于起步阶段，已经存在的机器人系统只能在手术过程中起辅助
定位的作用，并不能应用于临床手术。因此开发一套具有自主知识产权的新型微创外科手术机器人系统对填补我国在该领域的空白有着非常重要的意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种辅助微创外科手术的机器人本体系统，它能够夹持手术工具辅助医生实施微创手术操作，该系统通过机构自身的物理约束，实现微创手术操作的要求，使一些采用传统微创手术方式无法完成的手术实现了微创化。
[0004] 本发明的一种用于辅助微创外科手术的机器人本体系统，它包括
基座部分、横梁部分、调整架部分、
支撑板部分、伸缩体部分，所述的基座部分包括
机架、安装在所述的机架上并且与之转动配合相连的立柱，所述的立柱的一端与由
电机和减速器组成的第一驱动装置相连；所述的横梁部分包括横梁、所述的横梁的
侧壁上设置有第一滑动轨道，所述的立柱与所述的横梁底部固定相连；所述的调整架部分包括与所述的横梁顶部固定相连的固定点座，在所述的固定点座上部开有孔，在所述的孔内装有
轴承，所述的轴承两侧分别设置有轴承压盖，所述的轴承的
内圈与其上装有第二滑动
导轨的导轨座固定相连，所述的第二滑动导轨上装有第二滑
块，所述的第二滑块与一个输入轮调整架固定相连；所述的支撑板部分包括支撑板、在所述的支撑板左右两侧分别装有
输入轴、
输出轴，在位于所述的支撑板一侧侧壁处的输入轴、输出轴上分别装有输入轮、通过第一传动机构与所述的输入轮相转动配合的输出轮，在位于所述的支撑板另一侧的侧壁上设置有通过第一驱动系统驱
动能够与所述的第一滑动导轨相滑动配合的第一滑块，所述的输入轮调整架的下部与所述的输入轮固定相连；所述的伸缩体部分包括伸缩座，所述的伸缩座底部与所述的输出轮固定相连，在所述的伸缩座上装有其上设置有第三滑块的第三滑动导轨，所述的第三滑块与一个其上装有手术工具的手术工具座固定相连，所述的第三滑块与第三滑动导轨通过第二驱动系统驱动能够相滑动配合。
[0005] 本发明用于辅助微创外科手术机器人本体系统与现有技术相比具有以下有益效果：
[0006] 1.本发明装置通过机构自身的约束实现微创手术过程中切入点约束的要求，没有引入冗余自由度，保证了使用上的安全性；
[0007] 2.本发明装置通过采用丝传动的形式使机构具有结构简单、体积小、重量轻等优点；
[0008] 3.本发明装置应用领域是面向胸腹腔领域的微创手术，有向其它领域如
耳鼻喉等领域的手术拓展的潜力；
[0009] 4.本发明装置通过一个较长的梁状结构携带手术工具从远处探入到病人身体上方进行微创手术操作，这种结构可以大大节省机器人占用病人身体上方的空间，为医生能够快速接近病人提供了便利；
[0010] 5.本发明装置可以更够快速更换多种配套的手术工具，能够充分满足微创手术操作多样性的要求。
[0011] 6.本发明装置可以夹持
内窥镜辅助微创手术操作，可以将持镜医生从单调、疲劳的持镜工作中解放出来。
附图说明
[0012] 图1是本发明用于辅助微创外科手术的机器人本体系统整体结构示意图；
[0013] 图2是图1所示的装置各组成部分的分解示意图；
[0014] 图3是本发明装置满足微创手术操作需求的原理示意图；
[0015] 图4是图1所示的装置的基座部分的结构示意图；
[0016] 图5——图5.2是图1所示的装置的横梁部分的结构示意图；
[0017] 图6是图1所示的装置的调整架部分的结构示意图；
[0018] 图7——图7.3是图1所示的装置的支撑板部分的结构示意图；
[0019] 图8——图8.1是图1所示的装置的伸缩体部分的结构示意图；
[0020] 图9是本发明涉及的手术工具座的示意图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作以详细描述。
[0022] 图1、图2、图3所示为本发明的总体结构示意图，图示的R、P1、P2描述的是本发明的三个主动关节，其中R为
转动关节，P1、P2为
移动关节。图示的Rs1、Rs2、Rs3、Ps描述的是本发明的随动关节，其中Rs1、Rs2、Rs3为随动转动关节，Ps为随动移动关节；各主动关节、随动关节将在后面的内容中详细介绍。标号1、2、3、4分别指的是本机构用到的电机、减速机、减速机座和电位器。图2描述的是本发明的各组成部分，包括基座部分6、横梁部分7、调整架部分8、支撑板部分9、伸缩体部分10；图3所示为本发明实现微创手术操作需求的原理。容易看出，在自身结构的物理约束下，机器人在运动过程中伸缩体的轴线即手术工具的轴线始终通过一固定点p，实际手术过程中应将此点布置于病人的体表切口处，qp线为转动关节R的旋
转轴线。p点
位置不发生变化的条件是随动关节Rs1的轴线和随动关节Rs2的轴线沿图1所示
坐标系的z轴方向上的距离与随动关节Rs3的轴线与主动关节R的轴线间的公垂线的长度相等，输入轮与输出轮之间交叉丝传动的
传动比为1，且机构处于初始位置时Ps、P2的滑动方向均与P1的滑动方向垂直。
[0023] 本发明的一种用于辅助微创外科手术的机器人本体系统，它包括基座部分6、横梁部分7、调整架部分8、支撑板部分9、伸缩体部分10，所述的基座部分6包括机架6-1、安装在所述的机架6-1上并且与之转动配合相连的立柱6-2，所述的立柱6-2的一端与由电机1和减速器2组成的第一驱动装置相连；所述的横梁部分包括横梁7-1、所述的横梁的侧壁上设置有第一滑动轨道7-L，所述的立柱6-2与所述的横梁7-1底部固定相连；所述的调整架部分8包括与所述的横梁7-1顶部固定相连的固定点座8-5，在所述的固定点座8-5上部开有孔，在所述的孔内装有轴承8-6，所述的轴承两侧分别设置有轴承压盖，所述的
轴承内圈与其上装有第二滑动导轨8-L的导轨座固定相连，所述的第二滑动导轨8-L上装有第二滑块8-Z，所述的第二滑块8-Z与一个输入轮调整架8-3固定相连；所述的支撑板部分包括支撑板9-1、在所述的支撑板左右两侧分别装有输入轴、输出轴，在位于所述的支撑板9-1一侧侧壁处的输入轴、输出轴上分别装有输入轮9-2、通过第一传动机构与所述的输入轮相转动配合的输出轮9-3，在位于所述的支撑板9-1另一侧的侧壁上设置有通过第一驱动系统驱动能够与所述的第一滑动导轨7-L相滑动配合的第一滑块9-Z，所述的输入轮调整架8-3的下部与所述的输入轮9-2固定相连；所述的伸缩体部分10包括伸缩座10-1，所述的伸缩座底部与所述的输出轮9-3固定相连，在所述的伸缩座上装有其上设置有第三滑块10-Z的第三滑动导轨10-L，所述的第三滑块与一个其上装有手术工具的手术工具座11-1固定相连，所述的第三滑块与第三滑动导轨通过第二驱动系统驱动能够相滑动配合。
[0024] 所述的第一传动机构包括第一、二传动丝9-6、9-7，所述的第一、二传动丝9-6、9-7通过设置在所述的支撑板9-1上的支撑板导向轮9-4和张紧轮系9-5交叉的连接在所述的输入轮9-2、输出轮9-3上，所述的第一、二传动丝9-6、9-7的末端通过压丝块固定在所述的输入轮9-2、输出轮9-3上。所述的第一传动机构还可以在所述的输入轮和输出轮间采用
齿轮传动。所述的第一传动机构还可以在所述的输入轮和输出轮间采用交叉杆传动。
[0025] 通过驱动主动副P1可使随动关节Rs1、Rs2、Rs3、Ps随动，其第一驱动系统结构可以为：
[0026] 所述的第一驱动系统可以包括有第三传动丝7-4、通过轴承安装在所述的横梁7-1上的第一滚珠
花键副，在所述的第一滚珠花键副的外筒上固定有丝筒7-8，所述的第一滚珠花键副的花键轴的一侧轴端通过
联轴器与由电机、减速器组成的第二驱动装置相连，在所述的横梁上安装有换向轴和导向轮，在所述的支撑板上位于安装所述的第一滑块的一侧装有张紧偏心轮和丝端压块，所述的第三传动丝通过所述的丝筒、换向轴、导向轮、张紧偏心轮并且其末端通过所述的丝端压块固定在所述的支撑板上。
[0027] 采用通过驱动随动关节Rs1、Rs2、Rs3、Ps，而将P1改为随动副。其结构可以为：
[0028] 所述的第一驱动系统包括依次相连的电机、减速器，所述的输入轴或输出轴通过轴承安装在所述的支撑板9-1上，所述的减速器通过联轴器与所述的输入轴或输出轴相连以驱动所述的输入轮或输出轮转动；或者所述的第一驱动系统包括依次相连的电机、减速器，所述的导轨座具有轴端，所述的轴端设置在所述的固定点座的轴承内，所述的导轨座的轴端通过联轴器与所述的减速器相连以驱动所述导轨座转动。
[0029] 所述的第二驱动系统包括有第四传动丝10-4、分别通过轴承安装在所述的伸缩座10-1顶部、底部的第二、三滚珠花键副，在所述的第二、三滚珠花键副的外筒上分别固定有驱动丝筒10-15、随动丝筒10-8，所述的第二滚珠花键副的花键轴的一侧轴端通过联轴器与由电机、减速器组成的第三驱动装置相连，在所述的手术工具座11上安装有偏心轮和丝压块，所述的第四传动丝通过所述的驱动丝筒、随动丝筒、偏心轮并且其末端通过所述的丝压块固定在所述的手术工具座上。
[0030] 所述的第一、二驱动系统还可以为
伺服电机-
丝杠-导轨结构，转电机-丝杠-导轨结构，
液压缸结构，
气缸结构。
[0031] 在所述的调整架部分、基座部分分别可以设置有电位器以获得各关节的绝对位置信息，所述的调整架部分的电位器的扭柄与导轨座相连，基座部分的电位器的扭柄与立柱的一端相连。伸缩体部分设置有电位器并且其扭柄与设置在第二滚珠花键副的花键轴的另一侧轴端的联轴器相连。当然所述的电位器也可以由零位
开关代替。
[0032] 下面结合图4-9对本发明的优选实施方式加以详细说明。
[0033] 基座部分的结构示意图由图4所示，立柱6-2在电机1和减速机2的驱动下，绕轴线qp旋转，这部分为本机构的一个主动转动关节R。电位器4的扭柄与立柱的另一端固定，电位器4的本体则通过电位器座6-3固定于机架6-1上。销孔6-X通过定位销与横梁7-1上的销孔7-X1相连，螺孔6-M通过螺钉与横梁7-1上的
螺纹孔7-M1相连。机架6-1将于手术机器人的被动调整臂相连，使用时被动调整臂可以采用
专利(
申请号：200610129845.6)的结构，或者采用其它已有结构，该部分内容不属于本发明的范畴。
[0034] 横梁部分的结构示意图如图5所示、BP面示意图如图5.1所示，在横梁7-1的BP面上分布有与立柱6-2相连所需的
螺纹孔7-M1和销孔7-X1；在横梁的另一侧分布有螺纹孔7-M2和销孔7-X2，分别通过螺钉和定位销与固定点座8-1上的螺孔8-M和销孔8-X相连。在横梁7-1上分布有丝传动所需的两组丝换向轴7-2及五组导向轮7-3。第三传动丝7-4绕过丝筒7-8、换向轴7-2、导向轮7-3后，其两端7-e1和7-e2将由丝端压块9-8和9-9固定于支撑板9-1上。在横梁7-1上还安装有滑动导轨7-L。横梁部分7的驱动环节如图
5.2A、B所示，滚珠花键轴7-6经过联轴器7-5与减速机2的输出端相连，滚珠花键轴7-6经轴承支撑于横梁7-1上，与滚珠花键轴7-6配套的花键外筒7-7通过键7-9与丝筒7-8相连。当滚珠花键轴7-6在驱动下旋转时，丝筒7-8便在花键外筒7-7和键7-9的带动下旋转；由于滚珠花键轴7-6和花键外筒7-7沿轴向无约束，因此在运动过程中第三传动丝7-4可以在换向轴7-2和导向轮7-3的约束下自动调整本身所需的轴向位置。
[0035] 调整架部分的结构示意图如图6所示，在固定点座8-1上分布有与横梁7-1相连所需的螺孔8-M和销孔8-X；导轨座8-2通过轴承8-6和轴承压盖8-4、8-5安装于固定点座8-1上；电位器4的扭柄与导轨座8-2的轴端相连，其本体则固定于轴承压盖8-4上。第二滑动导轨8-L安装于导轨座8-2的另一侧，与第二滑动导轨8-L配套的第二滑块8-Z上安装有输入轮调整架8-3；输入轮调整架8-3上分布有与输入轮9-2安装所需的定位销孔8-3X和螺孔8-3M。在调整架部分8上集成了本机构的两个随动关节，分别为：由导轨座8-2、支撑轴承8-6及轴承压盖8-4、8-5等构成的随动转动副Rs1，及由导轨座8-2、第二滑动导轨
8-L、滑座8-Z、输入轮调整架8-3等构成的随动移动副Ps。
[0036] 支撑板部分的结构示意图如图7、图7.1-7.3所示；输入轮9-2通过输入轴9-21、调心球轴承9-22、轴承压盖9-23及轴端挡圈9-24等零件安装于支撑板9-1上。在输入轮9-2上分布有与输入轮调整架8-3安装所需的定位销孔9-2X和螺纹孔9-2M。输入轮9-2在支撑板9-1上的转动为本机构的另一随动转动副Rs2。输出轮9-3通过输出轴9-31、成对安装的
角接触轴承9-32、轴承压盖9-33以及
锁紧
螺母9-34等零件安装于支撑板9-1上。在输出轮9-3上分布有与伸缩座10-1连接所需的定位销孔9-3X和螺纹孔9-3M。输出轮9-3在支撑板9-1上的转动为本机构的第三个随动转动副Rs3。Rs2与Rs3通过传动比为1的交叉丝传动相连，见后续介绍。如图7.1所示，在支撑板9-1的背面安装有两组与滑动导轨
7-L配套的第一滑块9-Z，传动丝7-4的两端7-e1和7-e2分别经过偏心轮9-10、9-11变向后，由丝端压块9-9和9-8固定于支撑板9-1上；通过旋转偏心轮9-10和9-11可以对第三传动丝7-4进行张紧，张紧后利用顶丝9-S将偏心轮9-10和9-11顶死固定，该张紧机构为一定期张紧机构。第一滑动导轨7-L、第一滑块9-Z、支撑板9-1以及第三传动丝7-4在横梁驱动环节的带动下，构成了本机构的一个主动移动关节P1。经过导向轮9-4导向和张紧轮系9-5张紧后，第一、二两根丝9-6和9-7交叉地连接着输入轮9-2和输出轮9-3，第一、二传动丝9-6和9-7在输入轮9-2以及输出轮9-3上的固定方式与第三传动丝7-4在支撑板9-1上的固定方式类似，比如传动丝9-7在输出轮上的一端经输出轮9-7丝槽变向后由丝压块9-35压紧固定。该交叉丝传动的传动比为1，其作用与一组
齿轮传动类似；采用丝传动的形式可以减小机构的重量，并在一定程度上缩小机构的体积。
[0037] 伸缩体部分的结构示意图如图8A、B所示；伸缩座10-1，在伸缩座10-1上分布有销孔10-X和螺纹孔10-M，分别通过定位销和螺钉与输出轮9-3相连。在伸缩座10-1上安装有第三滑动导轨10-L，其上装有配套的第三滑块10-Z，在第三滑块10-Z上安装有用于夹持手术工具的手术工具座11。在伸缩座10-1顶部安装有随动丝筒组合，该组合由滚珠花键轴10-5、与滚珠花键轴10-5配套的花键外筒10-6、通过键10-7与花键外筒10-6相连的丝筒10-8等零件组成；该随动丝筒组合通过轴承支撑于伸缩座10-1上；在伸缩座底部安装有驱动丝筒组合，该组合与随动丝筒原理大体相同；如图8.1所示，电机1和减速机2组合通过联轴器10-9与滚珠花键轴10-12的一端相连，滚珠花键轴10-12的另一端通过联轴器10-11与电位器4的扭柄相连，电位器4的本体则通过电位器座10-10固定于伸缩座10-1上；驱动丝筒10-15通过键10-14与跟滚珠花键轴10-12配套的花键外筒10-13相连。在随动丝筒组合和驱动丝筒组合的丝筒10-8和10-15上装有第四传动丝10-4，其两端10-e1和10-e2将与手术工具座11相连，由于滚珠花键沿轴向无约束，因此在运动过程中，传动丝
10-4可以自动调整使其到达合适的轴向位置。驱动丝筒组合、随动丝筒组合、传动丝及手术工具座构成了本机构的另一个主动移动关节P2。在伸缩座10-1的末端还安装有辅助支撑
10-2，用于支撑细长的手术工具，使其在运动过程中运动更平稳、精确。
[0038] 图9描述的是手术工具座的简单示意图，手术工具座11-1固定在滑块10-Z上，传动丝10-4的两端10-e1和10-e2分别绕过偏心轮11-3和11-5后由丝压块11-4和11-6固定于手术工具座11-1上，通过旋转偏心轮11-3和11-5可以对传动丝10-4进行张紧。手术工具11-2安装在手术工具座11-1上，手术工具座11-1及手术工具的详细设计不属于本发明的范畴。
[0039] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
[0040] 下面将说明本发明用于辅助微创外科手术的机器人本体系统的动作实施过程。
[0041] 1.三自由度运动：
[0042] 本发明的辅助微创外科手术机器人本体系统通过各关节之间的相互传动，实现手术工具的三个运动，如图1、图3所示，分别为：绕点p在空间两个方向上的摆动以及手术工具在伸缩体上的移动。
[0043] 手术工具沿qp轴线的摆动在机器人的基座部分上实现，通过电机、减速机带动立柱旋转，进而带动整个机器人绕qp轴线的旋转。手术工具的另一偏转的轴线为通过点p且与纸面方向垂直的直线，手术工具绕该轴线的旋转是由横梁部分的驱动环节带动横梁部分的传动丝使支撑板部分作直线运动，支撑板上的输入轮在调整架的约束下发生偏转，然后通过支撑板部分的交叉丝传动使输出轮发生偏转，进而带动伸缩体部分沿与输入轮的旋转方向相反的方向偏转，该运动与支撑板的直线运动结合使手术工具在运动时始终通过点p。手术工具这一运动实现的条件是随动关节Rs1的轴线与随动关节Rs2的轴线沿z轴方向的距离与随动关节Rs3的轴线和主动关节R的轴线之间的公垂线长度相等，输入轮与输出轮之间丝传动的传动比为1，且机构处于初始位置时Ps、P2的滑动方向均与P1的滑动方向垂直。手术工具在伸缩体上的运动是由电机、减速机带动伸缩体传动丝，牵引着安装在伸缩体滑块上的手术工具座沿着滑动导轨作往复运动，该运动也通过固定点p。
[0044] 2.传动丝的张紧
[0045] 横梁部分的传动丝和伸缩体部分的传动丝是通过定期旋转偏心轮机构来对丝进行张紧的，而支撑板部分的交叉丝则是通过定期旋转张紧轮系来完成传动丝的张紧。
[0046] 3.机构的自动排丝
[0047] 机构的两个主动移动副P1、P2都是由电机带动旋转丝筒来实现相应部分的直线运动；在运动过程中丝筒旋转圈数大于1，为了防止传动丝相互
叠加在一起导致机构卡死以及为了保证丝的传动
精度，我们采用滚珠花键设计了自动排丝机构，由于滚珠花键沿着轴向无约束，因此运动过程中丝在导向轮或安装位置的约束下会自动调整，使其在花键轴上达到所需的轴向位置。
