CN102764156B - 外科手术机器人 - Google Patents

Abstract

一种外科手术机器人，包括支架、直线运动单元、第一旋转关节、第一连杆、第二旋转关节、第二连杆、第三旋转关节、第三连杆、末端旋转关节、平移运动单元及末端执行器。共包括两个移动自由度以及五个旋转自由度。其中末端旋转关节的第四旋转关节与第五旋转关节的旋转轴线正交，使该外科手术机器人在第一、第二、第三旋转关节调整到位后，末端旋转关节还能灵活转动，具有较高的灵活性。并且该外科手术机器第一、第二旋转关节的旋转轴线垂直地面，可以减少重力对该外科手术机器人的影响，以及平移运动单元可以移动末端执行器，提高了该外科手术机器人可靠性。

Description

外科手术机器人

【技术领域】

本发明涉及一种医疗器械，特别是涉及一种外科手术机器人。

【背景技术】

随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。目前，医疗机器人的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和微型机器人等几个方面。外科手术中，微创手术工作空间小，但要求机器人更灵巧性、定位精度更高，常用的外科手术机器人很难胜任。另外，进行脑外科手术所使用的脑外科手术机器人的工作空间为球形，现有常用的脑外科机器人构型多为关节型，串联结构形式使得各个臂受重力影响尤其明显，降低了机器人的可靠性。

【发明内容】

基于此，本发明提供一种外科手术机器人，该外科手术机器人灵活度高，受重力影响小而具有较高的可靠性。

一种外科手术机器人，包括支架；直线运动单元，固定于所述支架上；第一旋转关节，固定于所述直线运动单元上；第一连杆，与所述第一旋转关节固定连接；第二旋转关节，固定于所述第一连杆上；第二连杆，与所述第二旋转关节固定连接；第三旋转关节，固定于所述第二连杆上；第三连杆，与所述第三旋转关节固定连接；末端旋转关节，固定于所述第三连杆上；末端执行器，固定于所述末端旋转关节；及平移运动单元，固定于所述末端旋转关节，用于调整所述末端执行器的高度；所述第一旋转关节与第二旋转关节的旋转轴与直线运动单元的运动方向平行，末端旋转关节包括第四旋转关节与第五旋转关节，所述第四旋转关节与所述第五旋转关节的旋转轴线正交。

在优选的实施例中，所述直线运动单元采用丝杆传动或者带传动。

在优选的实施例中，所述直线运动单元、第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节上装设有位置探测装置。

在优选的实施例中，所述第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节中的部分或者全部为有源驱动旋转关节。

在优选的实施例中，所述有源驱动旋转关节包括上级连杆、下级连杆、动力源、减速装置和制动装置，所述动力源、减速装置和制动装置固定在上级连杆与下级连杆之间。

在优选的实施例中，所述动力源为电动装置、气动装置或者液动装置。

在优选的实施例中，所述第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节中的部分或者全部为无源驱动旋转关节。

在优选的实施例中，所述无源驱动旋转关节包括上级连杆、下级连杆及固定在上级连杆与下级连杆之间的制动装置。

在优选的实施例中，所述末端旋转关节上设置有光学标志点。

该外科手术机器人包括一个移动自由度以及五个旋转自由度，末端旋转关节包括第四旋转关节与第五旋转关节，第四旋转关节与第五旋转关节的旋转轴线正交，因此该外科手术机器人在第一、第二、第三旋转关节调整到位后，末端旋转关节还能灵活转动，具有较高的灵活性。又由于该外科手术机器第一、第二旋转关节的旋转轴线垂直地面，所以可以减少重力对该外科手术机器人的影响，提高了该外科手术机器人可靠性。并且平移运动单元可以调整所述末端执行器的高度，在调整过程中避免与病人身体进行接触，造成不必要的伤害，提高外科手术机器人的可靠性。

【附图说明】

图1为本发明一个实施例外科手术机器人的原理图；

图2为图1所示外科手术机器人的结构图；

图3为本发明一个实施例外科手术机器人末端旋转关节增加光学标志点的结构图；

图4为本发明一个实施例外科手术机器人直线运动单元的结构图；

图5为本发明一个实施例外科手术机器人有源驱动旋转关节的示意图；

图6为本发明一个实施例外科手术机器人无源驱动旋转关节的示意图；

图7为本发明一个实施例外科手术机器人在末端增加一个平移运动单元时的原理图；

图8为图7所示外科手术机器人的工作示意图；

支架10，直线运动单元11，第一旋转关节12，第一连杆13，第二旋转关节14，第二连杆15，第三旋转关节16，第三连杆17，第四旋转关节18，第五旋转关节19，末端旋转关节20，平移运动单元211，工作点212，光学标志点213，上级连杆35，下级连杆31，动力源32，减速装置36，位置探测装置33，制动装置34，上级连杆44，下级连杆41，位置探测装置42，制动装置43，丝杆传动装置61，带传动装置62。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请同时参阅图1与图2，本发明较佳实施方式的外科手术机器人包括支架10、直线运动单元11、第一旋转关节(肩关节)12、第一连杆(大臂)13、第二旋转关节(肘关节)14、第二连杆(小臂)15、第三旋转关节16、第三连杆(末端连杆)17及末端旋转关节(腕关节)20。其中，直线运动单元11固定于支架10上；第一旋转关节12固定于直线运动单元11上；第一连杆13与第一旋转关节12固定连接；第二旋转关节14固定于第一连杆13上；第二连杆15与第二旋转关节14固定连接；第三旋转关节16固定于第二连杆15上；第三连杆17与第三旋转关节16固定连接；末端旋转关节20固定于第三连杆17上。

第一旋转关节12与第二旋转关节14的旋转轴与直线运动单元11的运动方向平行，末端旋转关节20包括第四旋转关节18与第五旋转关节19，第四旋转关节18与第五旋转关节19的旋转轴线正交。

该外科手术机器人的末端旋转关节20上固定有一个末端执行器210，该末端执行器210可以是各种手术工具，以适用于做各种手术。直线运动单元11可以完成整个臂体的升降，并连同支架10起固定作用，以支撑整个机器人的重量。第一旋转关节12连接直线运动单元11和大臂13，并使大臂13绕第一旋转关节12的旋转轴线转动。第二旋转关节14连接大臂13和小臂15，并使大臂13和小臂15以第二旋转关节14的旋转轴线为中心，相对旋转。第三旋转关节16连接小臂15和末端连杆17，并使末端连杆17绕小臂15的旋转轴线旋转。第四旋转关节18与第五旋转关节19的旋转轴线正交，并可以进一步与第三旋转关节16的旋转轴线相交于一点，固定于末端旋转关节20上的末端执行器210可以绕第三旋转关节16、第四旋转关节18与第五旋转关节19的旋转轴线进行旋转。

该外科手术机器人具有一个移动自由度(直线运动单元11)和五个旋转自由度(旋转关节12、14、16、18、19)，且第四旋转关节18与第五旋转关节19的旋转轴线正交以保证末端执行器210可以调整至各种角度，因此该外科手术机器人具有很高的灵活性，能够适应不同的工作环境。另外，由于该外科手术机器人第一旋转关节12与第二旋转关节14的旋转轴与直线运动单元11的运动方向平行，当使用该外科手术机器人时，直线运动单元11的运动方向将会与地面垂直，即第一旋转关节12与第二旋转关节14的旋转轴与地面垂直，因此可以减少重力对该外科手术机器人的影响，从而提高该外科手术机器人的安全性和可靠性。

请参考图3，该外科手术机器人的末端旋转关节20上设置有光学标志点213。末端旋转关节20的设置可以使挂载在末端执行器210上面的光学标志点213在手术过程中改变朝向。末端旋转关节20使得末端执行器210带动光学标志点213转过一定角度，在手术中就可以实时改变光学标志点213的朝向，更好的对完成对外科手术机器人导航。

在一个实施例中，该外科手术机器人的直线运动单元11、第一旋转关节(肩关节)12、第二旋转关节(肘关节)14、第三旋转关节16及末端旋转关节(腕关节)20上安装有位置探测装置(图中未绘示)，该位置探测装置能够记录直线远动单元11与各旋转关节的位移和各旋转关节旋转的角度，然后通过运动学计算方法，通过控制直线运动单元与各个旋转关节的位移和旋转角度来控制末端执行器210的位置和姿态。

请参考图4，该外科手术机器人直线运动单元11的传动形式可以是，但不局限于丝杠传动形式、带传动形式。图4中的直线运动单元采用的是丝杠传动装置61、带传动装置62。

该外科手术机器人的第一旋转关节12、第二旋转关节14、第三旋转关节16、第四旋转关节18和第五旋转关节19中的部分或者全部为有源驱动旋转关节；或者该外科手术机器人的第一旋转关节12、第二旋转关节14、第三旋转关节16、第四旋转关节18和第五旋转关节19中的部分或者全部为无源驱动旋转关节；或者该外科手术机器人的第一旋转关节12、第二旋转关节14、第三旋转关节16、第四旋转关节18和第五旋转关节19中的部分为有源驱动旋转关节，另一部分为无源驱动旋转关节。

请参考图5，有源驱动旋转关节包括上级连杆35、下级连杆31、动力源32、减速装置36和制动装置34，所述动力源32、减速装置36和制动装34置固定在上级连杆35与下级连杆31之间。其中，动力源32可以是但不局限于电动装置、气动装置或者液动装置，例如电机、液压马达、气动马达等。动力源32用来提供旋转的动力，通过减速装置36将旋转运动传递给下级连杆31。该有源驱动旋转关节还包括位置探测装置33，位置探测装置33用于测量下级连杆31和上级连杆35之间的转动角度。制动装置34可用来在掉电情况或需要锁紧的情况下来锁定上级连杆35与下级连杆31之间的相对位置。工作时，可以通过一个控制装置来控制各个有源驱动旋转关节的动作，位置探测装置33检测到有源驱动旋转关节旋转到位后停止动作。此时末端执行器210的位置就定好了。

请参考图6，无源驱动旋转关节包括上级连杆44、下级连杆41及固定在上级连杆44与下级连杆41之间的制动装置43。该制动装置43可以是但不局限于电控制动装置、液压制动装置、气动制动装置或者机械锁紧制动装置。该无源驱动旋转关节上还可以设置位置探测装置42。工作时，操作者首先松开制动装置43，使上级连杆41和下级连杆44可以相对运动。位置测量装置42测量运动位置是否达到指定值。达到指定值后，操作者锁紧制动装置43，将上级连杆41和下级连杆44的相对位置固定。所有旋转关节都调整好后，末端执行器210的位置就定好了。

请参考图7与图8，在一个实施例中，该外科手术机器人的末端旋转关节20固定有一个平移运动单元211，该平移运动单元211为该外科手术机器人的末端添加了一个直线平移运动自由度，此时该外科手术机器人则衍生为七自由度机器人。该平移运动单元211可以在手术定位过程中用来精确调整末端执行器210的高度。该平移运动单元211可以实现在纯被动操作模式时，末端执行器210的尖端与工作点212离开一段距离。这样在该外科手术机器人调整过程中，末端执行器210不会与病人身体有碰撞，避免造成伤害。当其余旋转关节调整完毕后，末端执行器210的方向已经位于指定方向，平移运动单元211的尖端距离工作点212有一定距离，再调节平移运动单元211，将平移运动单元211的尖端移动到工作点，完成定位。

该外科手术机器人的第一、第二旋转关节的旋转轴线垂直地面，使得该外科手术机器人受重力影响明显减小，提高机器人可靠性与安全性。另外该外科手术机器人的工作空间为圆柱形，更利于覆盖病人身体，空间利用率高，同时具有工作空间大，定位精确等特点。该外科手术机器人包括一个移动自由度以及五个旋转自由度，末端旋转关节包括第四旋转关节与第五旋转关节，第四旋转关节与第五旋转关节的旋转轴线正交，因此该外科手术机器人在第一、第二、第三旋转关节调整到位后，末端旋转关节还能灵活转动，具有较高的灵活性，操作方便。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种外科手术机器人，其特征在于，包括：

支架；

直线运动单元，固定于所述支架上；

第一旋转关节，固定于所述直线运动单元上；

第一连杆，与所述第一旋转关节固定连接；

第二旋转关节，固定于所述第一连杆上；

第二连杆，与所述第二旋转关节固定连接；

第三旋转关节，固定于所述第二连杆上；

第三连杆，与所述第三旋转关节固定连接；

末端旋转关节，固定于所述第三连杆上；

末端执行器，固定于所述末端旋转关节；及

平移运动单元，固定于所述末端旋转关节，用于调整所述末端执行器的高度；

所述第一旋转关节与第二旋转关节的旋转轴与直线运动单元的运动方向平行，末端旋转关节包括第四旋转关节与第五旋转关节，所述第四旋转关节与所述第五旋转关节的旋转轴线正交，所述第三旋转关节的旋转轴与直线运动单元的运动方向垂直，并且所述第三旋转关节、所述第四旋转关节与所述第五旋转关节的旋转轴线相交于一点；

所述直线运动单元、第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节上装设有位置探测装置；

所述末端旋转关节上设置有光学标志点。

2.根据权利要求1所述的外科手术机器人，其特征在于，所述直线运动单元采用丝杆传动或者带传动。

3.根据权利要求1所述的外科手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节中的部分或者全部为有源驱动旋转关节。

4.根据权利要求3所述的外科手术机器人，其特征在于，所述有源驱动旋转关节包括上级连杆、下级连杆、动力源、减速装置和制动装置，所述动力源、减速装置和制动装置固定在上级连杆与下级连杆之间。

5.根据权利要求4所述的外科手术机器人，其特征在于，所述动力源为电动装置、气动装置或者液动装置。

6.根据权利要求1所述的外科手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节中的部分或者全部为无源驱动旋转关节。

7.根据权利要求6所述的外科手术机器人，其特征在于，所述无源驱动旋转关节包括上级连杆、下级连杆及固定在上级连杆与下级连杆之间的制动装置。