主手开合组件及手术机器人的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种主手开合组件及手术机器人。


背景技术：

2.微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。然而，微创手术中微创器械由于受到切口大小的限制，手术操作难度大为增加，且医生在长时间手术过程中的疲劳、颤抖等动作会被放大，这成为制约微创手术技术发展的关键因素。随着机器人技术的发展，一种可以克服缺点、继承优点的微创医疗领域新技术——微创手术机器人技术应运而生。
3.常见的微创手术机器人由医生控制台、患者侧手推车和显示设备组成，外科医生在医生控制台操作输入装置，并将输入传给与远程操作的外科器械连接的患者侧手推车。基于在医生控制台的外科医生的输入，远程操作的外科器械在患者侧手推车处被致动以对患者动手术，从而产生医生控制台和在患者侧手推车的外科器械之间的主从控制关系。所以医生控制台的输入装置(即主手)的结构和性能的优劣对于整个机器人系统的性能有着重要的作用，而主手开合夹是主手的重要组成部分，由医生双手直接握住进行操作，用于控制从手端手术器械的开合动作和旋转动作。
4.(1)中国发明专利申请cn114041882a中公开了一种主手工具手术控制器，包括指环操作部和伸出其内的传动轴，指环操作部控制传动轴沿轴向平移和沿周向转动；还包括设于传动轴的伸出端，对其轴向平移进行径向支撑的第一传动组件，以及对其转动传动配合的第二传动组件。其中，驱动器外壳内设置轴承安装腔，其内布置与传动轴转动支撑的支撑轴承，驱动器外壳上安装轴承压盖，同时起到对传动轴的支撑功能。
5.(2)中国专利cn112638306a公开了一种具有跨旋转接头的控制开关位置感测的控制输入装置，其采用无源的阵列式的传感器来替代线缆工作，且主手开合夹上还设有开关接触部分，通过阵列式的传感器感应距离的变化来实现主手开合夹的开关。
6.然而，上述现有技术至少存在以下缺陷：
7.1、方案(1)中，传动轴沿轴向平移，需要有相应的平移支撑结构，且轴向平移摩擦力大，需要设置相应的电机进行助力，即使得分别设置转动以及平移两个助力电机，不仅结构复杂，不利于小型化和轻量化，而且还会带来成本的增加；
8.2、方案(1)中没有公开使主手和从手断开连接的离合器部分的结构，而方案(2)中依靠阵列式传感器的距离变化来实现信号改变，距离不是突变的，因此信号也无法实现“0”和“1”的突变，需要依靠控制逻辑来判断，必然导致系统稳定性低、出错概率增加。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种结构简单、成本低且可靠性高的主手开合组件及手术机器人。
10.为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现。
11.本技术提供了一种主手开合组件，包括腕部关节、操作部以及连接所述腕部关节、操作部的连接端部，所述连接端部上转动设有用于连接所述操作部的传动轴；
12.所述连接端部上还设有用于对所述传动轴进行转动助力的旋转助力组件，所述操作部包括指部支架、以及对称且弹性转动设置在所述指部支架上的两个开合操作夹；
13.其中，所述传动轴其中一端延伸至所述连接端部外侧且与所述指部支架固定连接。
14.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述操作部处设有行程开关、滑动触件，所述滑动触件设于所述行程开关的一侧且能够移动抵触所述行程开关以实现主手助力开合夹与多自由度关节臂的连接断开。
15.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述滑动触件包括离合拨片以及固定设置在所述离合拨片上的滑架，所述指部支架上设有用于对所述滑架进行滑动导向的限位槽，所述滑架与所述限位槽对应侧内壁之间设有复位弹簧。
16.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述指部支架其中一侧端面上设有电路板；
17.所述指部支架靠近所述电路板一侧端面上卡接设有覆盖所述电路板的安装架，所述限位槽具体为设置在所述安装架上的滑道。
18.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述指部支架远离电路板一侧端面上固定设有滑座，所述限位槽具体为设置在所述滑座上的滑槽。
19.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述开合操作夹包括转动设置在所述指部支架上的从动转轴、固定设置在所述从动转轴上的连杆、固定设置在所述连杆上且位于所述指部支架外侧的指板；
20.其中，两个所述从动转轴之间相互齿轮啮合连接，两个所述连杆之间设有弹性件。
21.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述从动转轴上设有用于感应所述开合操作夹的转动并记录所述开合操作夹转动角度的第一传感器。
22.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述连杆上固定设有固定筒，所述弹性件具体设置为卡簧，所述卡簧两端分别插设在两个所述连杆上的所述固定筒内。
23.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述旋转助力组件包括固定设置在所述连接端部上的旋转助力电机、设置在所述旋转助力电机动力轴与所述传动轴之间的锥齿传动组件。
24.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，所述旋转助力组件包括用于感应所述传动轴周向转动并记录所述传动轴周向转动角度的第二传感器；
25.其中，所述第二传感器能够向旋转助力电机发送信号以控制所述旋转助力电机的开启、关闭。
26.进一步限定，上述的主手开合组件，其中，还包括设置在所述连接端部与所述传动轴之间的旋转限位组件，所述旋转限位组件用于限制所述传动轴于周向上在预定角度内转动。
27.本技术还提供了一种手术机器人，包括医生控制台，所述医生控制台包括基座、多自由度关节臂，所述关节臂末端连接有上述任一项的所述主手助力开合夹。
28.本实用新型至少具备以下有益效果：
29.1、开合操作夹仅通过人手施力，且操作部转动直接带动传动轴转动，避免了多余轴向平移运动导致的结构复杂以及操作阻力大的问题；
30.2、通过第一传感器能够感应开合操作夹的转动并记录开合操作夹的转动角度，从而实现对开合操作夹的开合角度监测；
31.3、采用行程开关与滑动触件配合的感应方式，可以不依赖复杂的控制系统，实现信号“0”到“1”的突变，可靠性更高；
32.4、通过卡簧使两个指板保持张开的状态，医生使用开合操作夹(进行“夹”、“剪”操作)时，只需克服卡簧的弹力捏紧两个指板即可，便于医生的操作；
33.5、仅针对操作部设置旋转助力组件，同时通过第二传感器采集操作部的旋转趋势并记录操作部的转动角度，降低了结构复杂度和成本，更利于产业化。
附图说明
34.图1为本技术实施例主手开合组件的结构示意图；
35.图2为本技术实施例主手开合组件中“旋转限位组件”部分的结构爆炸示意图；
36.图3为本技术实施例主手开合组件中“连接端部”、“操作端300”的内部结构示意图；
37.图4为本技术实施例主手开合组件中“连接端部”部分的内部结构示意图；
38.图5为本技术实施例主手开合组件中“连接端部”部分的内部结构示意图；
39.图6为本技术实施例主手开合组件中“操作端300”部分的结构爆炸示意图；
40.图7为本技术实施例主手开合组件中“行程开关323”部分的结构放大示意图；
41.图8为本技术实施例主手开合组件中“安装架324”部分的结构示意图；
42.图9为本技术实施例主手开合组件中“滑座325”部分的结构示意图；
43.图10为本技术实施例主手开合组件中“指部支架310”部分的结构示意图；
44.图11为本技术实施例主手开合组件中“离合拨片320”部分的结构示意图；
45.图12为本技术实施例主手开合组件中“离合拨片320”部分的结构爆炸示意图；
46.图13为本技术实施例主手开合组件中“安装架324”的结构示意图；
47.图14为本技术实施例主手开合组件中“指板330”部分的结构示意图；
48.图15为本技术实施例主手开合组件中“指板330”部分的结构爆炸示意图；
49.图16为本技术实施例主手开合组件中“指板330”部分的结构示意图；
50.图17为本技术实施例主手开合组件中“传动轴420”部分的结构示意图。
51.附图标记
52.腕部关节-100、端部壳体-210、端部框架-220、操作部-300、指部支架-310、第一过线孔-311、卡槽-312、离合拨片-320、拨片主体-3201、拨片盖-3202、开关支座-322、行程开关-323、安装架-324、滑道-3241、过孔-3242、避让部-3243、滑座-325、滑槽-326、滑架-327、复位弹簧-328、弹簧柱-329、指板-330、连杆-340、齿部-341、卡簧-342、固定筒-343、指部上盖-351、指部下盖-352、穿槽-353、编码器-360、从动转轴-370、安装套-380、电路板-390、旋转助力电机-410、传动轴-420、从动锥齿轮-430、轴盘-440、主动锥齿轮-450、第二过线孔-441、压板-510、限位套-520、连接套-530。
具体实施方式
53.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
54.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
55.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的主手开合组件及手术机器人进行详细地说明。
56.如图1至图17所示，本技术实施例提供了一种主手开合组件，包括腕部关节100、操作部300以及连接二者的连接端部，其中操作部300转动设置在连接端部上且与连接端部之间设有旋转限位组件。
57.连接端部包括与腕部关节100、操作部300连接的端部框架220以及固定设置在端部框架220上的端部壳体210，端部框架220上贯通且轴承转动设有传动轴420，传动轴420其中一端位于端部壳体210内且设置旋转限位组件、另一端连接操作部300。
58.操作部300包括指部支架310以及对称且弹性转动设置在指部支架310上的两个开合操作夹，两个开合操作夹用于被医生握住以控制其开合运动，并且通过握持开合操作夹能够控制整体操作部300相对连接端部的旋转运动。
59.可以理解的是，由于操作部300整体与连接端部的传动轴420固定连接，因此操作部300旋转运动时会带动传动轴420的旋转运动，在此过程中旋转限位组件能够限制操作部300相对连接端部的转动角度。
60.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，操作部300转动直接带动传动轴420转动，开合操作夹仅通过人手施力，避免了多余轴向运动导致的结构复杂以及操作阻尼大的问题。
61.在一种较佳的实施方式中，如图2所示，旋转限位组件包括嵌设在传动轴420远离操作部300一端上的压板510，压板510在周向上与传动轴420保持相对静止，压板510上套设有能够沿传动轴420周向进行转动的限位套520，压板510与限位套520之间设有第一限位机构，第一限位机构用于在周向上对压板510和限位套520的相对转动进行限位以实现传动轴420相对于限位套520在预定角度范围以内的转动。
62.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，通过压板510与限位套520之间的第一限位机构使得操作部300只能在预定角度内进行转动，从而避免操作部300转动角度过大导致的控制线缆缠绕。
63.在一种较佳的实施方式中，如图2所示，传动轴420远离操作部300一端上设有嵌槽，压板510嵌设在传动轴420上的嵌槽内，传动轴420远离操作部300一端上还设有开孔，同样的，压板510、限位套520上均设有与传动轴420同轴的开孔，限位套520、压板510上的开孔内设有与传动轴420开孔螺纹连接的螺钉，压板510、限位套520通过螺钉能够相对转动。
64.可以理解的是，传动轴420、压板510、限位套520之间的连接结构不局限于上述一种，例如压板510能够设置在传动轴420上，或者于传动轴420远离操作部300一端直接设置与限位套520配合的转动限位结构，同样的，限位套520只要能够保证与限位套520之间的周向相对转动即可，对其与传动轴420之间的连接结构不做具体限制。
65.在一种较佳的实施方式中，如图2所示，旋转限位组件还包括套设在限位套520上且与端部框架220固定连接的连接套530，限位套520能够沿限位套520的周向与其相对转动，限位套520与连接套530之间设有第二限位机构，第二限位机构用于在周向上对限位套520和连接套530的相对转动进行限位以实现限位套520相对于连接套530在预定角度范围以内的转动。
66.其中，连接套530螺栓固定设置在端部框架220上，当然，连接套530与端部框架220之间的固定方式不局限于上述一种，只要能够实现连接套530与端部框架220之间的相对静止即可。
67.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，连接套530相对于端部框架220的位置保持静止，在操作部300转动带动传动轴420转动时，传动轴420相对于限位套520转动至预定角度后被第一限位机构限位，从而使得传动轴420与限位套520之间保持相对静止；操作部300继续进行转动，从而使得在传动轴420与限位套520之间保持相对静止的状态下限位套520与连接套530之间进行相对转动，由于第二限位机构的设置，使得限位套520与连接套530之间只能在预定角度内进行转动，从而在进一步扩大操作部300可转动角度范围的同时避免主手助力开合夹内部走线的缠绕。
68.在一种较佳的实施方式中，如图2所示，第一限位机构包括设置在压板510外侧面上的第一凸起以及设置在限位套520内侧壁上且与第一凸起位置对应的第二凸起，第二凸起用于与第一凸起相挤压以实现在周向方向上对压板510的限位。
69.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，在操作部300转动带动传动轴420、压板510进行转动时，压板510在限位套520中转动一定的角度后第一凸起会与第二凸起相接触，在第二凸起对第一凸起的阻挡作用下，传动轴420能够与限位套520保持相对静止，从而实现传动轴420与限位套520之间在预定角度内的转动，由于第一凸起与第二凸起均具备一定的尺寸大小，从而使得压板510与限位套520之间相对转动的角度在小于360
°
的范围内。
70.在一种较佳的实施方式中，如图2所示，第二限位机构包括设置在限位套520外侧面上的第三凸起以及设置在连接套530内侧壁上且与第三凸起位置对应的第四凸起，第四凸起用于与第三凸起相挤压以实现在周向方向上对限位套520的限位。
71.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，在传动轴420、压板510转动至在第一凸起和第二凸起的作用下保持与限位套520相对静止时，传动轴420继续转动，从而使得第一凸起推动第二凸起，从而使得传动轴420带动限位套520在连接套530中进行转动，当限位套520在连接套530中转动一定的角度后，第三凸起会与第四凸起相接触，从而在第四凸起的阻挡作用下，使得限位套520能够与连接套530保持相对静止，从而实现限位套520与连接套530之间在预定角度内的转动，由于第三凸起和第四凸起均具备一定的尺寸大小，从而使得限位套520与连接套530之间相对转动的角度在小于360
°
的范围内；结合传动轴420与限位套520之间相对转动的角度在小于360
°
的范围内，从而实现传动轴420相对于连接套530能够在720
°
的范围内进行转动，从而实现进一步扩大操作部300能够进行转动的角度，同时
在有限的角度内能够避免主手助力开合夹内部线缆的缠绕。
72.在一种较佳的实施方式中，如图2至图5所示，端部框架220上还设有用于对传动轴420进行转动助力的旋转助力组件，旋转助力组件包括固定设置在端部框架220上的旋转助力电机410，旋转助力电机410的动力轴与传动轴420轴向垂直且与传动轴420之间设有锥齿传动组件。
73.锥齿传动组件包括固定设置在传动轴420上的从动锥齿轮430以及固定设置在旋转助力电机410动力轴上且与从动锥齿轮430啮合的主动锥齿轮450，当旋转助力电机410启动时能够通过主动锥齿轮450带动从动锥齿轮430、传动轴420转动，从而实现对操作部300的转动助力。
74.旋转助力电机410的动力轴末端设有传感器，当操作部300开始转动时，旋转助力电机410动力轴末端设置的传感器将采集到的传动轴420转动趋势通过信号输送至处理器，处理器再将启动信号传递至旋转助力电机410，从而启动旋转助力电机410，使得旋转助力电机410能够根据传动轴420的转动方向趋势实现相对应的转动，一方面便于医生的操作，另一方面能够避免对旋转助力电机410造成损伤。
75.可以理解的是，旋转助力电机410动力轴末端设置的传感器能够为编码器，当操作部300带动传动轴420转动时，编码器能够记录传动轴420的旋转角度。
76.同样的，编码器还能够直接设置在传动轴420上，只要能够实现对传动轴420的转动感应以及角度监控、记录即可。
77.在一种较佳的实施方式中，如图1至图10、图17所示，传动轴420远离旋转限位组件一侧端上固定设有用于连接操作部300的轴盘440，操作部300还包括固定设置在指部支架310上且与轴盘440规定连接的安装套380。
78.操作部300上设有滑动触件，滑动触件包括弹性滑动设置在操作部300表面的离合拨片320以及与离合拨片320连接且位于操作部300内部的滑架327，操作部300内于滑架327的移动方向设有能够与滑架327抵触的行程开关323，其中，行程开关323位于离合拨片320积累弹性势能的滑动方向上。
79.可以理解的是，由于主手的活动空间有限，而从手可能需要更大的活动范围，因此需要有一个离合装断开主手对从手的控制，从而可以在主手到达活动空间极限时重新调整主手位置，在此期间不会产生对从手的影响(从手在原位置固定不动)，由于离合拨片320能够于操作部300表面在较小的范围内前后移动(由医生的手指拨动)，当离合拨片320移动时能够带动滑架327抵住行程开关323，从而产生电信号，此时离合拨片320积累弹性势能；当医生放松离合拨片320时，离合拨片320释放弹性势能以带动滑架327复位离开行程开关323。
80.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，采用行程开关323与离合拨片320配合的感应方式，可以不依赖复杂的控制系统，实现信号“0”到“1”的突变，可靠性更高。
81.在一种较佳的实施方式中，如图6至图13所示，指部支架310两侧分别通过螺栓固定设有指部上盖351、指部下盖352，指部上盖351、指部下盖352上均贯通设有穿槽353，372滑动设置在穿槽353内且远离指部支架310一侧端固定设有位于指部上盖351或指部下盖352远离指部支架310一侧的离合拨片320。
82.指部支架310关于指部上盖351、指部下盖352对应位置均设有用于对滑架327进行
滑动导向的限位槽，滑架327上固定设有位于限位槽内的弹簧柱329，弹簧柱329上套设有与限位槽对应侧内壁抵接的复位弹簧328。
83.指部支架310关于指部上盖351、指部下盖352对应位置均固定设有用于安装行程开关323的开关支座322，当滑架327移动时能够抵触行程开关323以实现操作部300的感应控制。
84.当医生操作离合拨片320使其移动时，滑架327带动弹簧柱329于限位槽内移动，从而挤压复位弹簧328使其积累弹性势能，当医生松开离合拨片320时，滑架327将在复位弹簧328的弹力作用下复位。
85.在一种较佳的实施方式中，操作部300内部采用有源控制，即操作部300内部有元件需要通电、接线，从而需要设置相应的电路板390，由于有了电路板390的存在，指部支架310两侧的限位槽设置形式不同，具体的，如图6至图13所示，电路板390固定设置在指部支架310关于指部下盖352一侧端面上。
86.于指部支架310靠近指部上盖351一侧端面上固定设有滑座325，限位槽具体为设置在滑座325上的滑槽326，对应位置的滑架327滑动设置在滑槽326内。
87.于指部支架310靠近指部下盖352一侧端面上固定设有覆盖电路板390的安装架324，限位槽具体为设置在安装架324上的滑道3241，对应位置的滑架327滑动设置在滑道3241内，滑道3241内壁上贯通设有避让部3243以及用于滑架327穿过的过孔3242。
88.在一种较佳的实施方式中，如图12所示，离合拨片320包括与滑架327固定连接的拨片主体3201，拨片主体3201远离指部支架310一侧端面上固定设有拨片盖3202。
89.在一种较佳的实施方式中，如图8、图10所示，指部支架310关于指部下盖352一侧端面上对称设有两个卡槽312，安装架324卡设在卡槽312内以实现于指部支架310上的位置固定。
90.在一种较佳的实施方式中，如图10、图17所示，指部支架310上于安装套380一侧贯通设有第一过线孔311，轴盘440上贯通设有第二过线孔441，第一过线孔311、第二过线孔441用于操作部300内有源元件的排线。
91.在一种较佳的实施方式中，如图1至图3、图11至图16所示，开合操作夹包括转动设置在指部支架310上的连杆340，指部支架310上设有用于为连杆340转动提供空间的贯通槽，连杆340远离两个开合操作夹对称轴线一侧端面上固定设有位于指部支架310外侧的指板330，两个连杆340之间固定设有弹性件。
92.在一种较佳的实施方式中，如图14至图16所示，连杆340靠近两个开合操作夹对称轴线一侧端面上固定设有固定筒343，弹性件具体设置为卡簧342，卡簧342两端分别插设在两个连杆340上的固定筒343内，从而实现于两个开合操作夹之间的固定连接。
93.可以理解的是，弹性件的设置形式不局限于上述一种，例如还能够直接于两个开合操作夹之间设置弹簧，或者于开合操作夹与指部支架310之间的转动结构上设置扭簧，只要能够实现两个开合操作夹的弹性转动即可。
94.本技术实施例中，采用上述的主手开合组件，通过卡簧342使两个指板330保持张开的状态，医生使用开合操作夹(进行“夹”、“剪”操作)时，只需克服卡簧342的弹力捏紧两个指板330即可，由于只需使指板330复位保持张开状态，因此该卡簧342的弹力很小，便于医生的操作。
95.在一种较佳的实施方式中，如图8、图14、图15所示，连杆340一端固定设有与指部支架310转动连接的从动转轴370，两个从动转轴370上分别固定设有齿部341，两个齿部341相互啮合。
96.其中一个从动转轴370上设有编码器360，由于两个从动转轴370上的齿部341相互啮合，故两个开合操作夹的转动状态同步，通过编码器360能够感应开合操作夹的转动并记录开合操作夹的转动角度，从而实现对开合操作夹的开合角度监测。
97.可以理解的是，齿部341的齿数比从动锥齿轮430、主动锥齿轮450的齿数少得多，这是因为旋转运动需要很精确，涉及器械末端的姿态调整，而开合运动涉及器械末端的“剪”等动作，对精确没有较高的要求。
98.在一种较佳的实施方式中，指板330上还设有用于将手指固定于指板330上的指环，指环能够采用粘贴魔术贴结构，也能够采用具有较大弹性使得直径可变的材料制成，以便手指与指板330的紧密配合。
99.基于上述主手开合组件，本实施例中还提供了一种手术机器人，包括医生控制台，医生控制台包括基座、多自由度关节臂和连接于关节臂末端的主手开合组件。
100.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本技术实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
101.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。