CN101919739A - 一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂，它包括其上设置有手术工具的伸缩座，连杆IV的一端与伸缩座相连，连杆V和连杆VI设置在连杆IV下方的两侧并且连杆V和连杆VI的一端与伸缩座相连，连杆IV的另一端连接在连杆I的顶端，连杆V和连杆VI的另一端连接在连杆I上部两侧外壁上，连杆I的底端连接在关节II座前端，连杆II和连杆III的底端通过转轴安装在关节II座后端的两侧外壁上并且其顶端分别连接在连杆V和连杆VI上；转轴与第二旋转驱动装置相连，连接架与第一旋转驱动装置相连。采用本发明结构使机构的运动空间大大增加，增加了机构的刚性，可降低对机器人初始位姿摆放的要求。

Description

一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂

技术领域

本发明涉及一种微创机器人机械臂，本发明尤其涉及一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂。

背景技术

以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。然而，微创手术为病人带来了诸多利益的同时，却对医生的操作带来了一系列困难，如：1)由于体表小孔的限制，工具的自由度减少至四个，灵活性大大降低；2)医生操作方向与所期望的方向相反，协调性差；3)医生只能通过监视器上的二维图像获得手术场景信息，缺乏深度方向上的感觉；4)医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大，对手术造成不良影响；5)缺乏力感觉。因此，医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操作，即使如此，目前微创手术也仅仅应用在操作相对比较简单的手术过程之中。因此，在微创手术领域中迫切需要一种机器人系统来延伸医生的能力，以便克服上述缺点，使医生能够更容易的完成微创手术操作。目前，能够在临床上使用的微创外科手术机器人系统只有Da Vinci系统和Zeus系统，但它们都有结构复杂、体积庞大、价格昂贵等方面的缺点。国际上如美国、法国、德国、英国、波兰、日本、韩国等地都相继开展了微创外科手术机器人的研究，并产生了一系列样机。我国在机器人辅助手术方面尚处于起步阶段，已经存在的机器人系统只能在手术过程中起辅助定位的作用，并不能应用于临床手术。因此开发一套具有自主知识产权的新型微创外科手术机器人系统对填补我国在该领域的空白有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以降低术前对机器人摆放的要求，进而可以简化对被动调整臂的设计；其高结构刚性的特点则可以保证机器人的运动精度，增加系统的承载能力的一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂。

本发明的一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂，它包括其上设置有手术工具的伸缩座，连杆IV的一端与伸缩座转动相连，连杆V和连杆VI对称的设置在连杆IV下方的两侧并且连杆V和连杆VI的一端与伸缩座转动相连，所述的连杆IV的另一端转动的连接在连杆I的顶端中间，所述的连杆V和连杆VI的另一端对称的连接在连杆I上部两侧外壁上，所述的连杆I的底端转动的连接在关节II座前端中间，连杆II和连杆III的底端通过转轴转动地安装在关节II座后端的两侧外壁上并且其顶端分别转动的连接在连杆V和连杆VI上，所述的连杆II和连杆III相对于所述的连杆I对称设置，所述的关节II座、连杆I、连杆II、连杆III、连杆V以及连杆VI构成了第一组平行四边形结构，所述的连杆I、连杆IV、连杆V、连杆VI以及伸缩座11构成了第二组平行四边形结构；所述的转轴与第二旋转驱动装置相连，所述的关节II座安装在连接架上，所述的连接架与第一旋转驱动装置相连，所述的第一旋转驱动装置转动轴线的设置通过固定点，所述的固定点为连杆I与关节II座构成的旋转副的轴线和连杆II和连杆III与关节II座构成的旋转副的轴线形成的平面与手术工具轴线的交点。

本发明一种具有大运动空间高结构刚性的微创手术机器人机械臂与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明对平行四边形机构的连杆进行特殊布置，并对连杆形状进行改进设计，使机构的运动空间大大增加；

2.本发明的两组连杆机构均呈三角形布置，增加了机构的刚性，有利于保证系统精度并能够增加系统的承载能力；

3.本发明结构简单，易于实现，连杆机构的运动空间的分配形式可调；

4、本发明用于微创手术机器人，可降低对机器人初始位姿摆放的要求，进而可简化被动调整臂部分的设计。现有微创机器人的两个旋转关节的运动空间一般非常有限，为了方便实施手术，需要六自由度的被动调整臂对机器人进行调整，而本发明的旋转关节运动空间非常大，可以应用于被动调整和主动控制两个方面，因此所需的被动调整臂仅需四个自由度即可。

附图说明

图1是本发明一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂总体示意图；

图2是本发明一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂侧视图；

图3是本发明连杆机构运动到一极限位置的示意图；

图4是本发明连杆机构运动到另一极限位置的示意图；

图5是本发明部分连杆可采用的形状；

图6(a)是本发明的一组连杆的布置形式；

图6(b)是本发明的另一组连杆的布置形式。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

本发明的一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂，它包括其上设置有手术工具12的伸缩座11，连杆IV8的一端与伸缩座11转动相连，连杆V9和连杆VI10对称的设置在连杆IV8下方的两侧并且连杆V和连杆VI的一端与伸缩座转动相连，所述的连杆IV的另一端转动的连接在连杆I的顶端中间，所述的连杆V和连杆VI的另一端对称的连接在连杆I5上部两侧外壁上，所述的连杆I的底端转动的连接在关节II座3前端中间，连杆II和连杆III的底端通过转轴转动地安装在关节II座后端的两侧外壁上并且其顶端分别转动的连接在连杆V9和连杆VI10上，所述的连杆II和连杆III相对于所述的连杆I对称设置，所述的关节II座、连杆I、连杆II、连杆III、连杆V以及连杆VI构成了第一组平行四边形结构，所述的连杆I、连杆IV、连杆V、连杆VI以及伸缩座11构成了第二组平行四边形结构；所述的转轴与第二旋转驱动装置相连，所述的关节II座安装在连接架2上，所述的连接架与第一旋转驱动装置相连，所述的第一旋转驱动装置转动轴线的设置通过固定点P，所述的固定点为连杆I5与关节II座构成的旋转副的轴线和连杆II和连杆III与关节II座构成的旋转副的轴线形成的平面与手术工具轴线的交点。

下面结合每一附图对本发明作以详细说明：

图1所示为本发明的原理图。所述的第一旋转驱动装置可以包含有机座1，连接架2通过轴承安装于机座1上，电机安装在基座1内，电机输出轴与减速器相连，驱动连接架2旋转。关节II座3与连接架2固定连接，在关节II座3上集成有本发明的连杆机构，该连杆机构包含有两组平行四边形结构，每组平行四边形结构的连杆在空间中呈三角形布置，增加了连杆机构的稳定性和刚性；如图1、图5所示，第一组平行四边形结构的详细结构为：连杆I5、连杆II6、连杆III7经其下端设置的孔H-1、J-61、J-71分别通过轴承安装于关节II座3上，构成三个旋转副；连杆II6与连杆III7关于连杆I5呈对称布置，优选的连杆II6与连杆III7内侧间的距离大于连杆I5的宽度，这有效的避免了三个连杆在运动过程中的干涉。连杆II6与连杆III7与关节II座3构成的旋转副的轴线共线，连杆I5与关节II座3构成的旋转副轴线与连杆II6、连杆III7与关节II座3构成旋转副的轴线平行；连杆I5、连杆II6、连杆III7在空间中呈三角形布置，如图6(a)所示的剖面图，该布置方式有利于增加机构的刚性。连杆II6、连杆III7可在固定于关节II座3上的电机和直角减速机4的驱动下运动。连杆I5的上部和顶部分别开有两孔H-2、H-3，连杆II6、连杆III7的顶端分别开有孔J-62、J-72。连杆I5上的两孔H-1、H-2之间的距离与连杆II6、连杆III7上的孔之间的距离相等。连杆I5经其上设置的孔H-2通过轴承与连杆V9、连杆VI10相连，连杆II6通过其上设置的孔J-62与连杆V9相连，连杆III7通过其上设置的孔J-72通过轴承与连杆VI10相连；关节II座3、连杆I5、连杆II6、连杆III7、连杆V9、连杆VI10构成了本发明的第一组平行四边形结构。第二组平行四边形结构由连杆I5、连杆IV8、连杆V9、连杆VI10、以及伸缩座11组成。连杆V9、连杆VI10的一端分别设置有孔K-91、K-101，并分别通过轴承安装于连杆I5的孔H2的两侧，连杆V9、连杆VI10的另一端设置有孔K-93、K-103，并分别通过轴承安装于伸缩座11两侧。连杆V9、连杆VI10的中侧分别设置有孔K-92、K-102，并通过轴承分别与连杆II6的孔J6-2和连杆III7的孔J7-2相连。连杆IV8一端经其上设置的孔M-1通过轴承安装于连杆I5的孔H-3上，另一端经其上设置的孔M-2通过轴承安装于伸缩座11的另一孔内。安装后，连杆V9、连杆VI10上各孔的轴线共线，优选的连杆V9、连杆VI10内侧距离大于连杆IV8的宽度，这种设计可避免运动中的干涉；连杆V9、连杆VI10与连杆IV8也呈三角形布置，如图6(b)所示的剖面图，该布置方式有利于增加机构的刚性。

上述的连杆机构构成两组耦合的平行四边形结构，其侧视图如图2所示，分别为平行四边形结构ABEC和平行四边形结构CDFG；该结构可使手术工具轴线在运动过程中始终通过空间一固定点P，该点同时也位于关节I轴线13上；这样，机构无论在安装于机座1内的电机的驱动下运动，还是在安装于关节II座3上的电机II和直角减速机4的驱动下运动，均可保证P的位置不变。手术工具12可在伸缩座11上滑动，滑动过程手术工具12的轴线也始终通过点P，该部分的结构可采用已授权专利(专利号：200810152764)的结构。本发明可使手术工具12在运动过程中始终通过一空间固定点P，这使得其特别适合应用于机器人辅助微创手术。

本发明与现有技术相比，最大优势是采用了连杆传动而非钢丝传动，且各连杆均具有一定的空间形状，如图5所示，可以防止在运动过程中与其他部件干涉，两组平行四边形结构呈三角形布置一方面可增加机构的运动刚性和稳定性，另一方面同样可防止运动过程中的干涉。这些优势使得机构的刚性与运动空间均优于现有技术。如图2所示，A、B两轴线所在的直线构成连杆机构的基准线14，该基准线14与关节I轴线13可以具有一定的夹角α，设计初期通过调整该夹角α的大小，可以调整连杆机构的运动空间分配形式，这是本发明的另一优势。如图3、图4所示，以与关节I轴线垂直的基准线16为运动的初始位置，当α＝10°时，可使手术工具12在平面内的摆动范围达到-70°到+90°；连接架2在安装于机座1内的电机驱动下运动并无外界约束，可以根据实际需要设置其运动空间。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂，它包括其上设置有手术工具的伸缩座，其特征在于：连杆IV的一端与伸缩座转动相连，连杆V和连杆VI对称的设置在连杆IV下方的两侧并且连杆V和连杆VI的一端与伸缩座转动相连，所述的连杆IV的另一端转动的连接在连杆I的顶端中间，所述的连杆V和连杆VI的另一端对称的连接在连杆I上部两侧外壁上，所述的连杆I的底端转动的连接在关节II座前端中间，连杆II和连杆III的底端通过转轴转动地安装在关节II座后端的两侧外壁上并且其顶端分别转动的连接在连杆V和连杆VI上，所述的连杆II和连杆III相对于所述的连杆I对称设置，所述的关节II座、连杆I、连杆II、连杆III、连杆V以及连杆VI构成了第一组平行四边形结构，所述的连杆I、连杆IV、连杆V、连杆VI以及伸缩座11构成了第二组平行四边形结构；所述的转轴与第二旋转驱动装置相连，所述的关节II座安装在连接架上，所述的连接架与第一旋转驱动装置相连，所述的第一旋转驱动装置转动轴线的设置通过固定点，所述的固定点为连杆I与关节II座构成的旋转副的轴线和连杆II和连杆III与关节II构成的旋转副的轴线形成的平面与手术工具轴线的交点。

2.根据权利要求1所述的一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器人机械臂，其特征在于：连杆II与连杆III内侧间的距离大于连杆I的宽度，连杆V、连杆VI内侧距离大于连杆IV的宽度。

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