CN101548904B - 一种手术机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人手臂，该手术机器人手臂依次由手术刀进给机构、手腕关节、平行四边形机构、小臂一转动机构和大臂转动机构连接构成。手术刀进给机构(15)包括丝杠(43)、电动机减速器(44)、电动机二(45)、滑块(46)、两根圆形导轨(47)和连接支架(48)；手腕关节包括球碗(17)、三根驱动连杆(18)和手腕关节驱动器(19)；平行四边形机构包括转轴套(38)、驱动臂(14)、平行四边行连杆一(22)、平行四边行连杆二(24)、连杆支座(11)和平行四边形转动关节(12)；小臂一转动机构包括小臂一(10)和小臂一转动关节(8)；大臂转动机构包括大臂(9)和大臂转动关节(4)；小臂一、大臂为圆形空心管件；平行四边形转动关节、小臂一转动关节、大臂转动关节结构相同。

Description

一种手术机器人手臂

技术领域

本发明涉及一种手术机器人手臂，属于医疗设备领域。它适用于微创手术的医疗设备。

背景技术

随着机器人技术的应用和发展，特别是计算技术的发展，医用手术机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。微创手术技术的应用是二十世纪外科手术领域的一大革命，它的应用使得大部分的外科手术告别了开放式的手术模式。同传统的开放式手术相比较，微创手术只是在病人的身体上开很小的切口来进行手术操作，具有手术创伤小，减轻病人痛苦，加快病人术后恢复，降低手术费用，减少术后并发症等优点。因此，受到了医生和患者的普遍欢迎，有着广阔的应用前景。手术机器人机械手臂作为微创手术的辅助设备，在外科手术中发挥了越来越重要的作用。

外科手术机器人一般由主从操作手(包括左手和右手)。主手从手采用相同结构，也可以采用不相同结构，即主从手术手异构结构。主手从手采用相同结构的外科手术机器人系统比较简单，但操作不方便，手术花费时间长。因此手术操作系统的从操作手应该根据微创手术的需求来设计的，而主操作手则应该根据方便操作的要求来设计。目前发展的方向是采用主从手术操作手异构结构，这样就使外科手术机器人系统更为人性化，方便外科医生操作，减少手术时间，降低手术失误可能性，提高手术质量。

微创手术要求手术创口小，因此，从手的设计必须要求占用体积小，手术刀的直径比较小。同时要求从手在占用体积小的情况下运动必须灵活，精确度高，路径轨迹容易实现。美国Intuitive Surgical公司的Da Vinci系统和Computer Motion公司的ZEUS系统是目前国外已进入临床使用阶段的微创手术机器人。瑞士洛桑大学研制出一种脑外科手术机器人，可以完成病人头部的皮肤切开、在头盖骨上钻孔、刺穿脑膜、切除脑肿瘤等工作。在国内，北京航空航天大学机器人研究所与解放军海军总医院研制的基于立体定向技术的脑外科手术机器人系统，利用互联网和一个与洗衣机大小相仿的远程脑外科手术机器人，成功地为延安一名脑出血患者进行了手术。该系统是国内首台，也是唯一的一台实际应用于临床治疗中的外科手术机器人系统；天津大学自主研制开发的主从遥操作显微外科手术机器人“妙手”系统，可完成直径为1毫米以下的微细血管的剥离、剪切、修整、缝合和打结等各种手术操作，代表了国内外显微外科手术机器人的最高技术水平；哈尔滨工程大的主被动式内镜操作手术机器人可实现内镜在插入点皮肤的约束下运动，以便获得手术部位的最佳图象。但这些系统存在结构较复杂，加工复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种手术机器人手臂，其特点是该手术机器人手臂具有体积较小、结构紧凑、操作灵活和结构易于实现。

本发明的目的由以下技术实现：

手术机器人手臂

该手术机器人手臂依次由手术刀进给机构、手腕关节、平行四边形机构、平行四边形转动关节、小臂一、小臂一转动关节、大臂、大臂转动关节连接构成。手术刀进给机构包括丝杠、电动机减速器一、电动机二、滑块、两根圆形导轨和连接支架；手腕关节包括球碗、三根驱动连杆和手腕关节驱动器；平行四边形机构包括转轴套、驱动臂、平行四边行连杆一、平行四边行连杆二、连杆支座和平行四边形转动关节；小臂一转动机构包括小臂一和小臂一转动关节，大臂转动机构包括大臂和大臂转动关节，小臂一、大臂为圆形空心管件；平行四边形转动关节、小臂一转动关节、大臂转动关节结构相同。

手术刀进给机构的两根圆形导轨的一端对称固定在连接支架上，两根圆形导轨的另一端固定在电动机减速器一上；电动机减速器一的一侧与电动机二连接，电动机减速器一的输出轴上安装丝杠，丝杠另一端用连接支架支撑；滑块安装在两根圆形导轨上，由丝杠驱动；滑块上开有阶梯槽用来固定安装手术刀，手术刀的刀身穿过连接支架的导向孔。

手术刀进给机构的电动机减速器一安装在手腕关节的球碗上，球碗与手腕关节驱动器之间为球关节连接，手腕关节驱动器通过三根驱动连杆驱动球碗；手腕关节驱动器安装在小臂二上。

平行四边形机构的转轴套内通过两个深沟球轴承一安装在转轴上；用螺母一固定两个深沟球轴承一；转轴套端面安装端盖；小臂二和平行四边形连杆一安装在转轴套上；平行四边形连杆一与平行四边形连杆二连接；平行四边形连杆二通过芯轴和两个深沟球轴承二安装在连杆支座上；连杆支座一端安装在平行四边形转动关节上，另一端在安装小臂一上；转轴大端用内六角螺钉二固定安装端头连接座一；端头连接座一与驱动臂连接，驱动臂通过端头连接座二与平行四边形转动关节连接。

小臂一通过端头连接座三安装在小臂一转动关节上；小臂一转动关节另一侧通过端头连接座四连接在大臂上；大臂通过端头连接座五连接在大臂转动关节上；大臂转动关节通过端头连接座六和支撑臂安装在基座上。

平行四边形转动关节、小臂一转动关节、大臂转动关节的关节结构相同。上述相同的关节结构为：各自的电动机和电动机减速器二安装在电机支架上，电机支架用内六角螺钉一固定在轴承座上，轴承座通过两个圆锥滚子轴承安装到转动轴上，转动轴通过内六角螺钉一安装在支撑座上；电动机减速器二的输出轴安装到转动轴的内孔中，带动转动轴转动；用螺母二固定转动轴上的两个圆锥滚子轴承。

本发明具有如下的优点：

1、体积较小、结构紧凑；

2、具有冗余的7+1自由度，操作灵活；

3、平行四边形机构可以在保证位置机构运动时，末端工具只发生位置的改变而姿态不发生变化；

4、姿态机构，采用三轴交汇于一点RCM(Remote Center-of-motion)的结构，可以保证末端工具能以某个固定点为中心产生大范围的角度调整。

附图说明

图1为手术机器人手臂结构示意图。

图2为手术刀进给机构示意图。

图3为平行四边行机构B-B剖面图。

图4为平行四边行机构C-C剖面图。

图5为转动关节A-A剖面图。

1.基座、2.支撑臂、3.端头连接座六、4.大臂转动关节、5.端头连接座五、6.大臂、7.端头连接座四、8.小臂一转动关节、9.端头连接座三、10.小臂一、11.连杆支座、12.平行四边形转动关节、13.端头连接座二、14.驱动臂、15.手术刀进给机构、16.手术刀、17.球碗、18.驱动连杆、19.手腕关节驱动器、20.小臂二、21.转动关节、22.平行四边行连杆一、23.端头连接座一、24.平行四边行连杆二、25.电动机、26.电动机减速器二、27.电机支架、28.内六角螺钉一、29.支撑座、30.转动轴、31.圆锥滚子轴承、32.轴承座、33.螺母二、34.芯轴、35.深沟球轴承二、36.内六角螺钉二、37.转轴、38.转轴套、39.深沟球轴承一、40.螺母一、41.端盖、42.内六角螺钉三、43.丝杠、44.电动机减速器一、45.电动机二、46.滑块、47.圆形导轨、48.连接支架。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是：本实施例只用于对发明进行进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

本发明的结构如图1所示该手术机器人手臂依次由手术刀进给机构、手腕关节、平行四边形机构、平行四边形转动关节、小臂一、小臂一转动关节、大臂、大臂转动关节连接构成。手术刀进给机构15包括丝杠43、电动机减速器一44、电动机二45、滑块46、两根圆形导轨47和连接支架48；手腕关节包括球碗17、三根驱动连杆18和手腕关节驱动器19；平行四边形机构包括转轴套38、驱动臂14、平行四边行连杆一22、平行四边行连杆二24、连杆支座11和平行四边形转动关节12；小臂一转动机构包括小臂一10和小臂一转动关节8，大臂转动机构包括大臂6和大臂转动关节4，小臂一10、大臂6为圆形空心管件；平行四边形转动关节12、小臂一转动关节8、大臂转动关节4结构相同。手术刀进给机构的电动机减速器一44安装在手腕关节的球碗17上，球碗与手腕关节驱动器19之间为球关节连接，手腕关节驱动器通过三根驱动连杆18驱动球碗；手腕关节驱动器安装在小臂二20上。小臂一10通过端头连接座三9安装在小臂一转动关节8上；小臂一转动关节8另一侧通过端头连接座四7连接在大臂6上；大臂6通过端头连接座五5连接在大臂转动关节4上；大臂转动关节4通过端头连接座六3和支撑臂2安装在基座1上。

手术刀进给机构如图2所示，手术刀进给机构15的两根圆形导轨47的一端对称固定在连接支架48上，两根圆形导轨47的另一端固定在电动机减速器一44上；电动机减速器一的一侧与电动机二45连接，电动机减速器一44的输出轴上安装丝杠43，丝杠另一端用连接支架48支撑；滑块46安装在两根圆形导轨上，由丝杠43驱动；滑块上开有阶梯槽用来固定安装手术刀16，手术刀的刀身穿过连接支架48的导向孔。

如图3、4所示，平行四边形机构的转轴套38内通过两个深沟球轴承一39安装在转轴37上；用螺母一40固定两个深沟球轴承一；转轴套、端面安装端盖41；小臂二20和平行四边形连杆一22安装在转轴套38上；平行四边形连杆一22与平行四边形连杆二24连接；平行四边形连杆二24通过芯轴34和两个深沟球轴承二35安装在连杆支座11上；连杆支座一端安装在平行四边形转动关节12上，另一端安装在小臂一10上；转轴37大端用内六角螺钉二36固定安装端头连接座一23；端头连接座一与驱动臂14连接，驱动臂14通过端头连接座二13与平行四边形转动关节12连接。

如图5所示，平行四边形转动关节12、小臂一转动关节8、大臂转动关节4的结构相同，上述相同的关节结构为：各自的电动机25和电动机减速器二26安装在电机支架27上，电机支架用内六角螺钉一28固定在轴承座32上，轴承座通过两个圆锥滚子轴承31安装到转动轴30上，转动轴通过内六角螺钉一28安装在支撑座29上；电动机减速器二26的输出轴安装到转轴的内孔中，带动转动轴转动；用螺母二33固定转动轴上的两个圆锥滚子轴承。

Claims (1)

1.一种手术机器人手臂，其特征在于：该手术机器人手臂依次由手术刀进给机构、手腕关节、平行四边形机构、小臂一、小臂一转动关节、大臂、大臂转动关节连接构成，手术刀进给机构(15)包括丝杠(43)、电动机减速器一(44)、电动机二(45)、滑块(46)、两根圆形导轨(47)和连接支架(48)；手腕关节包括球碗(17)、三根驱动连杆(18)和手腕关节驱动器(19)；平行四边形机构包括转轴套(38)、驱动臂(14)、平行四边行连杆一(22)、平行四边行连杆二(24)、连杆支座(11)和平行四边形转动关节(12)；小臂一转动机构包括小臂一(10)和小臂一转动关节(8)，大臂转动机构包括大臂(6)和大臂转动关节(4)，小臂一、大臂为圆形空心管件；

其中，手术刀进给机构(15)的两根圆形导轨(47)的一端对称固定在连接支架(48)上，两根圆形导轨的另一端固定在电动机减速器一(44)上；电动机减速器一的一侧与电动机二(45)连接，电动机减速器一的输出轴上安装丝杠(43)，丝杠另一端用连接支架(48)支撑；滑块(46)安装在两根圆形导轨上，由丝杠驱动；滑块上开有阶梯槽用来固定安装手术刀(16)，手术刀的刀身穿过连接支架(48)的导向孔；

手术刀进给机构(15)的电动机减速器一(44)安装在手腕关节的球碗(17)上，球碗与手腕关节驱动器(19)之间为球关节连接，手腕关节驱动器通过三根驱动连杆(18)驱动球碗；手腕关节驱动器安装在小臂二(20)上；

平行四边形机构的转轴套(38)内通过两个深沟球轴承一(39)安装在转轴(37)上；用螺母一(40)固定两个深沟球轴承一(39)；转轴套端面安装端盖(41)；小臂二(20)和平行四边形连杆一(22)安装在转轴套(38)上；平行四边形连杆一(22)与平行四边形连杆二(24)连接；平行四边形连杆二通过芯轴(34)和两个深沟球轴承二(35)安装在连杆支座(11)上；连杆支座一端安装在平行四边形转动关节(12)上，另一端安装在小臂一(10)上；转轴(37)大端用内六角螺钉二(36)固定安装端头连接座一(23)；端头连接座一与驱动臂(14)连接，驱动臂通过端头连接座二(13)与平行四边形转动关节连接；

小臂一(10)通过端头连接座三(9)安装在小臂一转动关节(8)上；小臂一转动关节另一侧通过端头连接座四(7)连接在大臂(6)上；大臂通过端头连接座五(5)连接在大臂转动关节(4)上；大臂转动关节通过端头连接座六(3)和支撑臂(2)安装在基座(1)上；

平行四边形转动关节(12)、小臂一转动关节(8)、大臂转动关节(4)的关节结构相同；上述相同的关节结构为：各自的电动机(25)和电动机减速器二(26)安装在电机支架(27)上，电机支架用内六角螺钉一(28)固定在轴承座(32)上，轴承座通过两个圆锥滚子轴承(31)安装到转动轴(30)上，转动轴通过内六角螺钉一(28)安装在支撑座(29)上，电动机减速器二(26)的输出轴安装到转动轴的内孔中，带动转动轴转动，用螺母二(33)固定转动轴上的两个圆锥滚子轴承。

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