[发明专利]一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂

说明书

本发明公开了一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，该蛇形臂由驱动轴芯和多个相互铰接的子节段构成，每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分。本发明末端可连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构，组成一种灵巧的微器械，安装在微创外科手术机器人系统的末端，辅助开展微创外科手术。本发明将蛇形臂关节模块化，并将每个关节的驱动独立出来，提高了蛇形臂的灵活性，可以实现将末端执行机构灵巧地送达病灶附近开展手术。

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其是微创外科手术机器人系统中的微器械，具体地，涉及一种面向微创外科手术的多自由度蛇形臂。

背景技术

目前微创手术已经深得人心，成为许多手术的主流方案，并且日益依赖于灵巧操作的微器械实现极限的手术操作。以da Vinci(达芬奇)系统为代表的手术机器人系统在微创外科手术中取得了广泛应用，其采用单个或多个毫米级的体表创口建立手术通道，由末端执行器和蛇形臂组成的微器械通过通道进入手术部位。微创外科手术创伤小的特点要求手术机器人系统末端的微器械尺寸足够小，同时满足运动空间和若干个自由度灵巧操作的要求。

由于空间受限，目前机器人系统末端的微器械大部分采用电机后置，由绳索传递运动的方式牵引各自由度运动。多自由度的运动需要灵巧的传动布置，需要巧妙地运用有限空间布置灵巧的传动结构，带来了以下问题：1、多个自由度都需要绳索单独驱动，导致绳索数量增多，布线困难；2、各个自由度之间耦合严重，导致控制复杂，传动精度低；3、自由度的多少严重依赖传动机构需要的空间大小，整个蛇形臂的自由度受限。

发明内容

为了满足微创手术对器械的尺寸与灵活性的要求，解决传动困难的问题，在不丢失末端执行器自由度的前提下，使蛇形臂能灵巧地到达病灶附近，并自由地开展手术工作，本发明提供一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，以提高微创外科手术机器人手术操作的灵巧性。

本发明针对现有技术的不足所采用的技术方案是：一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂，包括N段完全相同的子节段和驱动轴芯，每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分；

所述外部套筒为薄壁套筒结构，其内部设有一段内螺纹，其两端分别设有两个耳部，一端的两个耳部设有互相对称的凸台，另一端的两个耳部设有互相对称的通孔，所述外部套筒通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒相连，相邻两节段间凸台与通孔相互配合；

所述内部传动组件包括螺纹套管、滑动套管、齿轮组、定滑轮组和传动带；

所述螺纹套管为空心套管结构，其内部设有内花键，其一端设有卡扣结构，其外壁通过外螺纹与所述外部套筒的内螺纹相连，螺纹套管通过螺纹副可以在外部套筒内运动；

所述滑动套管为空心套管结构，其前后两侧设有滑台，可在所述外部套筒内沿轴向滑动，其左右两侧开有槽口，槽口内铣有与齿轮配合的齿条，其一端与所述螺纹套管通过卡扣结构相连，滑动套管与螺纹套管可以相互转动；

所述齿轮组由两个对称的齿轮组成，分别固定在所述外部套筒侧壁的定位孔中，齿轮轴线方向与滑动套管的槽口中心线垂直；

所述定滑轮组由两个对称的定滑轮组成，分别固定在所述外部套筒侧壁的定位孔中，每个定滑轮有两个滑槽，用于布置所述传动带；

所述外部套筒一端的通孔侧壁上设有滑槽，用于布置下一节段的传动带；

所述传动带是由四条带组成的二级传动，可以实现将齿轮组的转动传递给所述外部套筒；

所述驱动轴芯为头部铣有外花键的空心软轴，头部外花键可与不同节段的螺纹套管内花键接触，从而实现对不同节段的分时驱动。

进一步地，所述外部套筒两端耳部的凸台轴线方向与通孔轴线方向相互垂直。

进一步地，所述外部套筒侧壁开有定位孔，用于固定齿轮组和定滑轮组。