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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811093907.1 (22)申请日 2018.09.19 (71)申请人 中国科学院苏州生物医学工程技术 研究所 地址 215163 江苏省苏州市高新区科技城 科灵路88号 (72)发明人 刘斌 罗才君 郭凯 顾国刚 杨洪波 张莹莹 储雨奕 (74)专利代理机构 北京远大卓悦知识产权代理 事务所(普通合伙) 11369 代理人 韩飞 (51)Int.Cl. A61B 34/30(2016.01) (54)发明名称 穿刺针手术机器人被动锁紧关节 (57)摘要 本发明公开了。
2、一种穿刺针手术机器人被动 锁紧关节， 包括下壳体、 可上下伸缩设置在所述 下壳体上部的锁紧件、 用于驱动所述楔形锁紧件 上下运动的驱动组件、 可转动设置在所述下壳体 上的上壳体及开设在所述上壳体底部的供所述 楔形锁紧件配合插入以锁紧所述上壳体的锁紧 槽。 本发明的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 能提供足够的锁紧力矩， 保证末端RCM机构具有 足够的精度； 能在任意位置进行锁紧， 具有转动 的连续性， 每一个被动关节应可以连续的转过任 意的角度， 从而实现末端手术器械可以达到工作 空间水平面内的任意位置， 增加机器人微创手术 的可操作性， 并保障手术的安全性。 本发明结构 简单， 使用效果好， 。
3、制造成本低， 具有很好的推广 应用前景。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 109259866 A 2019.01.25 CN 109259866 A 1.一种穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 包括下壳体、 可上下伸缩设置在 所述下壳体上部的锁紧件、 用于驱动所述楔形锁紧件上下运动的驱动组件、 可转动设置在 所述下壳体上的上壳体及开设在所述上壳体底部的供所述楔形锁紧件配合插入以锁紧所 述上壳体的锁紧槽； 所述锁紧件包括环形底座和呈环形阵列设置在所述环形底座上的多个楔形插块， 所述 楔形插块上设有开槽； 所述锁紧槽为环状的楔形槽。 2.根据权利要求1所述的穿刺针手术机器人被。
4、动锁紧关节， 其特征在于， 所述楔形插块 的水平截面呈扇形状， 所述开槽呈扇形状。 3.根据权利要求2所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述楔形插块 上与所述锁紧槽内壁接触的两侧设置有弧形卡块。 4.根据权利要求3所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述锁紧槽上 与所述楔形插块接触的内壁上开设有卡槽， 且所述卡槽的深度由下向上逐渐增大。 5.根据权利要求4所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述卡槽内沿 竖直方向设置有多个弧形弹片。 6.根据权利要求1所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述驱动组件 包括通过安装座固定在所述下壳。
5、体内的底部的电机、 与所述电机驱动连接的谐波减速器、 与所述谐波减速器的输出端驱动连接的小齿轮、 与所述小齿轮啮合的大齿轮、 与所述大齿 轮驱动连接的丝杆轴及套设在所述丝杆轴上且与所述锁紧件的环形底座固接的螺母。 7.根据权利要求6所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述安装座固 接在所述下壳体的下端盖上， 所述电机与谐波减速器设置在所述安装座上； 所述小齿轮上 的小齿轮轴与谐波减速器的输出轴驱动连接； 所述下壳体内部上端设置有支撑件， 所述螺母固定在所述支撑件上； 所述支撑件的下 端与所述安装座的上端之间设置有连接件， 所述小齿轮和大齿轮固定在所述连接件上。 8.根据权利要求。
6、7所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述丝杆下端 与所述大齿轮驱动连接， 其中部穿过所述螺母， 与所述螺母螺纹配合， 其上端通过第一角接 触球轴承设置在所述上壳体内的支撑座上。 9.根据权利要求8所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述螺母上插 设有插销， 所述插销的下端固定在所述支撑件上； 所述螺母与锁紧件之间设置有压力传感 器。 10.根据权利要求9所述的穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 其特征在于， 所述支撑座 和上壳体内壁之间的上部设置有第二角接触球轴承， 所述支撑座外壁和上壳体内壁之间的 空隙的下部形成所述锁紧槽。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 。
7、CN 109259866 A 2 穿刺针手术机器人被动锁紧关节 技术领域 0001 本发明涉及手术机器人领域， 特别涉及一种穿刺针手术机器人被动锁紧关节。 背景技术 0002 目前微创穿刺手术基本上是由经验丰富的医师来完成， 穿刺手术过程持续时间较 长， 医师的精力有限， 从而限制了微创手术的推广。 因此， 研制自动化微创穿刺机器人就有 十分重要的意义。 将机器人技术引入到外科手术中， 提高了外科手术的操作精度和质量。 在 机器人外科手术中要求机器人关节实现连续转动、 具有关节角度反馈、 可实现任意位置可 靠锁紧的特点。 目前， 外科手术机器人被动关节的设计主要采用液压驱动、 气动驱动及电磁 。
8、动力锁紧。 其中， 现有的电磁动力锁紧锁紧力矩小， 发热量大， 存在电磁干扰， 为了达到足够 的锁紧力矩， 体积需很大； 现有的液压/气压锁紧需提供锁紧动力源， 且系统复杂， 不适合和 现有系统结合， 且液压油易泄露不易于应用医疗器械产品。 现有的机械锁紧： 转动不连续， 不能实现任意位置锁紧。 所以现在需要研发一种新的被动锁紧关节以解决上述问题。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足， 提供一种穿刺针手 术机器人被动锁紧关节。 0004 为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是： 一种穿刺针手术机器人被动锁 紧关节， 包括下壳体、 可上下伸缩设置在所述。
9、下壳体上部的锁紧件、 用于驱动所述楔形锁紧 件上下运动的驱动组件、 可转动设置在所述下壳体上的上壳体及开设在所述上壳体底部的 供所述楔形锁紧件配合插入以锁紧所述上壳体的锁紧槽； 0005 所述锁紧件包括环形底座和呈环形阵列设置在所述环形底座上的多个楔形插块， 所述楔形插块上设有开槽； 0006 所述锁紧槽为环状的楔形槽。 0007 优选的是， 所述楔形插块的水平截面呈扇形状， 所述开槽呈扇形状。 0008 优选的是， 所述楔形插块上与所述锁紧槽内壁接触的两侧设置有弧形卡块。 0009 优选的是， 所述锁紧槽上与所述楔形插块接触的内壁上开设有卡槽， 且所述卡槽 的深度由下向上逐渐增大。 0010。
10、 优选的是， 所述卡槽内沿竖直方向设置有多个弧形弹片。 0011 优选的是， 所述驱动组件包括通过安装座固定在所述下壳体内的底部的电机、 与 所述电机驱动连接的谐波减速器、 与所述谐波减速器的输出端驱动连接的小齿轮、 与所述 小齿轮啮合的大齿轮、 与所述大齿轮驱动连接的丝杆轴及套设在所述丝杆轴上且与所述锁 紧件的环形底座固接的螺母。 0012 优选的是， 所述安装座固接在所述下壳体的下端盖上， 所述电机与谐波减速器设 置在所述安装座上； 所述小齿轮上的小齿轮轴与谐波减速器的输出轴驱动连接； 0013 所述下壳体内部上端设置有支撑件， 所述螺母固定在所述支撑件上； 所述支撑件 说 明 书 1/4。
11、 页 3 CN 109259866 A 3 的下端与所述安装座的上端之间设置有连接件， 所述小齿轮和大齿轮固定在所述连接件 上。 0014 优选的是， 所述丝杆下端与所述大齿轮驱动连接， 其中部穿过所述螺母， 与所述螺 母螺纹配合， 其上端通过第一角接触球轴承设置在所述上壳体内的支撑座上。 0015 优选的是， 所述螺母上插设有插销， 所述插销的下端固定在所述支撑件上； 所述螺 母与锁紧件之间设置有压力传感器。 0016 优选的是， 所述支撑座和上壳体内壁之间的上部设置有第二角接触球轴承， 所述 支撑座外壁和上壳体内壁之间的空隙的下部形成所述锁紧槽。 0017 本发明的有益效果是： 本发明的穿。
12、刺针手术机器人被动锁紧关节， 能提供足够的 锁紧力矩， 保证末端RCM机构具有足够的精度； 能在任意位置进行锁紧， 具有转动的连续性， 每一个被动关节应可以连续的转过任意的角度， 从而实现末端手术器械可以达到工作空间 水平面内的任意位置， 增加机器人微创手术的可操作性， 并保障手术的安全性。 本发明结构 简单， 使用效果好， 制造成本低， 具有很好的推广应用前景。 附图说明 0018 图1为本发明的穿刺针手术机器人被动锁紧关节的剖视结构示意图； 0019 图2为本发明的穿刺针手术机器人被动锁紧关节的另一个视角的剖视结构示意 图； 0020 图3为本发明的锁紧件的结构示意图； 0021 图4为本。
13、发明的锁紧槽的结构示意图； 0022 图5为本发明的一种实施例中将本发明的被动锁紧关节的应用于穿刺针手术机器 人的示意图。 0023 附图标记说明： 0024 1、 电机； 2、 安装座； 3、 谐波减速器； 4、 输出轴； 5、 小齿轮轴； 6、 连接件； 7、 小齿轮； 8、 支撑件； 9、 螺母； 10、 锁紧件； 11、 上壳体； 12； 第二角接触球轴承； 13、 上端盖； 14、 第一角接触 球轴承； 15、 丝杠轴； 16、 大齿轮； 17、 下壳体； 18、 下端盖； 19、 插销； 20、 支撑座； 21、 锁紧槽； 101、 环形底座； 102、 楔形插块； 103、 开槽。
14、； 104、 弧形卡块； 201、 卡槽； 202、 弧形弹片； 30、 被动 锁紧关节、 31、 穿刺针手术机器人； 32、 RCM机构。 具体实施方式 0025 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明， 以令本领域技术人员参照说明书 文字能够据以实施。 0026 应当理解， 本文所使用的诸如 “具有” 、“包含” 以及 “包括” 术语并不排除一个或多 个其它元件或其组合的存在或添加。 0027 如图1-4所示， 本实施例的一种穿刺针手术机器人被动锁紧关节， 包括下壳体17、 可上下伸缩设置在下壳体17上部的锁紧件10、 用于驱动楔形锁紧件10上下运动的驱动组 件、 可转动设置在下壳体17。
15、上的上壳体11及开设在上壳体11底部的供楔形锁紧件10配合插 入以锁紧上壳体11的锁紧槽21。 0028 其中， 驱动组件包括通过安装座2固定在下壳体17内的底部的电机1、 与电机1驱动 说 明 书 2/4 页 4 CN 109259866 A 4 连接的谐波减速器3、 与谐波减速器3的输出端驱动连接的小齿轮7、 与小齿轮7啮合的大齿 轮16、 与大齿轮16驱动连接的丝杆轴及套设在丝杆轴上且与锁紧件10的环形底座101固接 的螺母9。 0029 其中， 安装座2固接在下壳体17的下端盖18上， 电机1与谐波减速器3设置在安装座 2上； 小齿轮7上的小齿轮轴5与谐波减速器3的输出轴4通过键槽驱动。
16、连接； 下壳体17内部上 端设置有支撑件8， 螺母9固定在支撑件8上； 支撑件8的下端与安装座2的上端之间设置有连 接件6， 小齿轮7和大齿轮16固定在连接件6上。 0030 其中， 丝杆下端与大齿轮16驱动连接， 其中部穿过螺母9， 与螺母9螺纹配合， 其上 端通过第一角接触球轴承14设置在上壳体11内的支撑座20上。 丝杠轴15为空心的， 上壳体 11、 下壳体17和谐波减速器3座均开有走线孔， 丝杠轴15两端由角接触球轴承支撑， 丝杠轴 15的一端通过键槽安装连接大齿轮16。 支撑座20和上壳体11内壁之间的上部设置有第二角 接触球轴承12， 使上壳体11在未锁紧状态下能在下壳体17上自。
17、由转动， 支撑座20外壁和上 壳体11内壁之间的空隙的下部形成锁紧槽21。 0031 其中， 参照图2， 螺母9上插设有插销19， 插销19的下端固定在支撑件8上， 通过插销 19限制螺母9的转动， 使螺母9只能上下运动， 从而带动其上的锁紧件10上下运动； 螺母9与 锁紧件10之间设置有压力传感器。 通过压力传感器测得螺母911与楔形锁紧件10之间的压 力值， 计算出此时的锁紧力矩， 达到需要的锁紧力矩后， 电机1停止转动。 0032 其中， 参照图3， 锁紧件10包括环形底座101和呈环形阵列设置在环形底座101上的 多个楔形插块102， 楔形插块102上设有开槽103， 开槽103呈扇形。
18、状。 开槽103能改善楔形插 块102的受力情况， 且使楔形插块102具有一定的弹性， 便于其插入锁紧槽21进行锁紧。 锁紧 槽21为环状的楔形槽。 楔形插块102的水平截面呈扇形状， 以便于插入锁紧槽21内。 0033 其中， 楔形插块102上与锁紧槽21内壁接触的两侧设置有弧形卡块104。 锁紧槽21 上与楔形插块102接触的内壁上开设有卡槽201， 且卡槽201的深度由下向上逐渐增大。 卡槽 201内沿竖直方向设置有多个弧形弹片202。 0034 螺母9上设置有环形槽， 锁紧件10的环形底座101配合安装在环形槽内， 并通过螺 钉固定。 0035 工作时， 随楔形插块102向上运动插入环。
19、状的楔形槽内， 两者过盈配合， 楔形插块 102与楔形槽内壁间的摩擦力产生较大的锁紧力矩， 实现楔形插块102与楔形槽之间的锁 紧； 同时弧形卡块104逐渐深入到卡槽201内， 且顶压弧形弹片202， 使弧形卡块104牢固锁紧 在卡槽201， 从而能楔形插块102与楔形槽之间的锁紧更加牢固。 0036 上壳体11上设置有上端盖13， 第二角接触球轴承12和支撑座20上还设置有保护端 盖。 0037 本发明工作过程为： 电机1转动， 经谐波减速器3后带动小齿轮7转动， 再带动大齿 轮16转动， 然后通过大齿轮16带动丝杆轴转动， 通过丝杆轴的转动和插销19的转动限位带 动螺母9上下运动， 最终带。
20、动锁紧件10上下运动， 使楔形插块102进出楔形槽， 实现锁紧和解 锁。 0038 当需要锁紧被动关节时， 电机1正转； 当需要松开电机1时， 电机1反转， 根据所测得 的压力传感器值来控制电机1的转动与停止。 为了减小整个关节的重量， 除了螺母9与丝杠 外， 其余零件均采用铝合金件。 说 明 书 3/4 页 5 CN 109259866 A 5 0039 本发明主要可用于疼痛觉治疗的穿刺针手术机器人， 用于医生手术前手动调整末 端进针RCM机构32(远程运动中心机构)的空间位置。 如图5， 给出了将本发明的被动锁紧关 节30的应用于一具体的穿刺针手术机器人31的示意图。 当将末端机构调整到合。
21、适位置后， 通过电机1锁紧被动关节， 只依靠远程控制的机器人主动关节来完成微创手术操作， 使医生 避免受到X射线的伤害。 在此过程中， 被动关节既要将自身关节转动角度反馈给控制系统， 实现机器人运动学计算， 又必须实现关节的可靠性锁紧， 增加机器人微创手术的可操作性， 并保障手术的安全性。 0040 本发明能提供足够的锁紧力矩： 手术前， 医生在水平方向内转动被动关节， 将手术 器械运动到合适的位置后， 为对被动关节进行锁紧， 并通过压力反馈值， 使被动关节有足够 的锁紧力矩， 保证末端RCM机构32具有足够的精度。 0041 本发明能在任意位置进行锁紧： 由于每次手术中末端手术器械位置是变化。
22、的， 因 此要求被动关节旋转到任意角度时均可以锁紧。 0042 本发明能具有转动的连续性： 每一个被动关节应可以连续的转过任意的角度， 从 而实现末端手术器械可以达到工作空间水平面内的任意位置。 0043 尽管本发明的实施方案已公开如上， 但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用， 它完全可以被适用于各种适合本发明的领域， 对于熟悉本领域的人员而言， 可容易地 实现另外的修改， 因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下， 本发明并不限 于特定的细节。 说 明 书 4/4 页 6 CN 109259866 A 6 图1 说 明 书 附 图 1/4 页 7 CN 109259866 A 7 图2 说 明 书 附 图 2/4 页 8 CN 109259866 A 8 图3 图4 说 明 书 附 图 3/4 页 9 CN 109259866 A 9 图5 说 明 书 附 图 4/4 页 10 CN 109259866 A 10 。