[发明专利]一种用于微创手术机器人的钢丝绳传动直线伸缩机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线伸缩机构，特别涉及一种用于微创手术机器人的钢丝绳传动直线伸缩机构。

背景技术

微创外科手术是指医生通过患者表皮微小切口，将细长的内窥镜和手术器械深入至病灶进行操作的手术技术。与传统的外科手术相比，具有创伤小、出血量少、术后恢复时间短等诸多优点。由于操作空间小、手术难度大，对医生的水平要求高，限制了微创手术技术在精密手术中的运用。随着机器人技术和信息化技术的发展，微创外科手术机器人应运而生，它稳定性强、灵敏度高、便于医生操作，将医疗技术提高到了一个新的层面。同时，根据微创外科手术特点和要求，通常需要微创手术机器人存在一个可做直线伸缩运动的移动自由度。

现存的直线往复运动机构有多种，大致分为如曲柄滑块结构、正弦结构等机构变换和利用锥齿轮、齿轮齿条、线性模组等改变传动方式两大类。前者不仅机构庞大而且运动行程较短，难以达到手术机器人的需要。后者对解决运动行程和机构体积方面虽有所改善，但是仍难以达到微创手术机器人的体积要求。此外由于齿轮配合存在间隙，不可避免的将回程误差引入到系统中。

钢丝绳传动技术与传统机械传动技术相比，其优越性体现如下三方面：其一，适于长距离传递运动和动力，能够将动力源布局在远离关节位置处，简化结构设计；其二，在长距离传动过程中易于改变方向，传动结构简单、小巧紧凑，非常适用于有限空间内多自由度布局；其三，合适预紧力下无回差，可以吸收震动，使末端执行器运动更平稳。钢丝绳传动不仅广泛应用于工业中，如电梯的升降、航空中缆绳牵引人造卫星等，也广泛应用于灵巧手、医疗机器人或手术器械等的设计中，用于取代杆来进行运动和动力的传递。

目前一些微创手术机器人伸缩关节机构将钢丝绳传动的设计引入系统中，由安装在机械臂前端的伺服电机产生驱动力，精简了机构的体积，提高了行程和精度。但是，由于微创手术的特殊性，前置的电机可能会在机械臂运动过程中对手术操作产生影响或导致机械臂间发生运动干涉，导致手术操作过程不能顺利进行，因此机构和钢丝绳传动方式还存在很大的提升空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可有效减小伸缩关节机构外形尺寸，使传动稳定、精确同时成本较低，符合手术现场条件的用于微创手术机器人的钢丝绳传动直线伸缩机构。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于微创手术机器人的钢丝绳传动直线伸缩机构包括驱动系统，钢丝绳传动系统和末端执行机构三部分。

所述驱动系统主要由一安装在伸缩支撑杆上端的伺服电机、减速器及联轴器组成。减速器输出轴通过联轴器与滚珠花键轴连接，将伺服电机驱动力传送至钢丝绳传动系统。电机轴及减速器轴与伸缩支撑杆伸缩方向保持平行，减速器轴线贯穿伸缩支撑杆截面几何中心。

所述钢丝绳传动系统包括一滚珠花键以及通过键连接的花键丝筒，滚珠花键的特点在于传递扭矩的同时，花键套可在花键轴上轴向移动。将钢丝绳左旋缠绕于花键丝筒上，钢丝绳一端从花键丝筒的一端伸出，经过垂直于花键轴的一个导向轴改变钢丝绳的传动方向，其后经过三个导向轮改变钢丝绳的传动方向和水平位置。钢丝绳另一端从花键丝筒另一端伸出，同样经垂直于花键轴的另一个导向轴，改变一次传动方向，经过导向轮，改变钢丝绳传动方向和水平位置。伸缩支撑杆的下端存在一个独立导向轮，用于改变钢丝绳的水平传动方向和位置。钢丝绳两端通过固丝装置与末端执行机构张紧固定，从而将钢丝绳的运动传送至末端执行机构，使钢丝绳构成一个闭合回路。

所述末端执行机构，通过螺纹连接与一直线导轨滑块相连，直线导轨固定于直线伸缩支撑杆上。末端执行机构含有一个固定钢丝绳用固丝装置，该装置具有一个贯穿的细长孔，将钢丝绳穿过该细长孔后，在孔的上方开一个微小的凹形槽，凹形槽底端与孔保持平齐，钢丝绳穿过孔后，用一个与凹形槽尺寸配合的凸形压块用螺纹连接压紧，这样压紧的钢丝绳的运动及动力就能传送至末端执行机构。

本发明具有如下优点：

1.本发明传动系统中所述钢丝绳具有柔性，通过导向轮与导向轴的组合，机构实现圆周运动与直线运动间互变及直线运动自身方向互变。

2.本发明驱动电机后置对称安装，有效的解决了电机重力对机械臂产生的不平衡力矩，使机器人运动更加平稳流畅。后置的驱动电机亦可减小靠近手术器械末端体积，避免微创手术机器人机械臂间的干涉。

3.本发明采用单个滚珠花键作为钢丝绳传动的核心部件，充分发挥了滚珠花键既可以传递扭矩又可以轴向线性移动的特性，大大精简了机构体积。