CN103565529A - 一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，由以下三部分组成：主控机箱、末端位置调节机构、末端姿态调节机构；主控机箱内装备有箱体、工业控制计算机主机等设备，用以对整个运动系统实施控制；末端位置调节机构由1个主动升降关节和3个被动旋转关节组成，主要用以调节末端控制点的位置；末端姿态调节机构由2个主动旋转关节组成，用于在末端控制点位置确定之后调节该点的姿态。本发明具有主动、被动自由度，可以实现对末端手术器械的定位及姿态调整，机构部分运动稳定性和灵活性较好，末端运动精度高；机构末端的安装平台可以安装腹腔镜或者灵巧手指等手术微器械，从而构成图像采集系统或者手术操作执行系统。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人，具体地说是外科手术机器人。
背景技术
传统的微创腹腔外科手术过程中，需要助手把持腹腔镜配合医生进行腹腔内部图像采集，医生针对患者腹腔内部图像手持手术器械进行相关操作。通常微创外科手术时间较长，医生和助手的工作强度很大，靠人手把持腹腔镜和手术器械会使操作者易于疲劳，助手因手部抖动会造成图像不稳定，影响医生的判断，而医生在操作过程中，也会因手部动作的不稳定影响手术操作精度，并降低手术效率。采用手术机器人夹持腹腔镜或手术器械执行手术动作能够减轻医生及助手的工作强度，提高了手术的效率；同时，机器人运动的准确性也会消除人手抖动带来的操作误差，提高手术的执行精度。
发明内容
本发明的目的在于提供具有四个用于对末端进行定位的自由度及两个用以调整末端姿态的自由度的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：包括末端位置调节机构、末端姿态调节机构；末端位置调节机构包括升降柱、第一横臂、第二横臂，升降柱里安装第一编码器，第一编码器通过传动轴连接第一横臂形成第一被动旋转关节，第一编码器采集传动轴的转角数据，第一横臂里安装第二编码器、第一上传动轴、第一下传动轴，第一上传动轴和第一下传动轴固连，第二编码器上安装第一同步带轮，第一上传动轴上安装第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮上缠绕第一同步带，第一下传动轴连接第二横臂形成第二被动旋转关节，第二横臂里安装第三编码器、第二上传动轴、第二下传动轴，第二上传动轴和第二下传动轴固连，第三编码器上安装第三同步带轮，第二上传动轴上安装第四同步带轮，第三同步带轮和第四同步带轮上缠绕第二同步带，第二下传动轴连接主被动连接件形成第三被动旋转关节；末端姿态调节机构包括旋转电机、摆动电机、第一直齿轮、第二直齿轮，旋转电机和摆动电机安装在电机安装支架里，第一直齿轮连接旋转电机，第二直齿轮与第一直齿轮相互啮合，第二直齿轮通过连接法兰与主被动连接件相固连，第二直齿轮里设置有固定轴，固定轴与连接法兰锁紧，电机安装支架上分别安装左连杆、右连杆，左连杆和右连杆的上端同时连接上连杆，右连杆的中部连接下连杆，上连杆和下连杆的端部安装微器械安装平台，摆动电机连接右连杆并带动右连杆摆动。
本发明还可以包括：
1、还包括主控机箱，主控机箱包括箱体，箱体里安装电机驱动机构，箱体上安装推动扶手、升降柱安装台，箱体下方安装前向脚轮、后向脚轮，升降柱安装在升降柱安装台里，电机驱动机构连接并驱动升降柱。
2、所述的传动轴连接第一电磁制动器，第一上传动轴连接第二电磁制动器，第二上传动轴连接第三电磁制动器。
3、第一-第三被动旋转关节处分别安装第一-第三光电开关。
4、上连杆、左连杆、左连杆与右连杆在电机安装支架上连接点的连线构成了平行四边形的第一-第三边，上连杆、下连杆与微器械安装平台连接点的连线构成了平行四边形的第四边，第三边与第四边的交点为末端控制点，摆动电机驱动右连杆摆动时，末端控制点的位置不变。
本发明的优势在于：
1、本发明结构紧凑，具有6自由度，运动灵活，运动空间大。
2、本发明的主控制箱设置有推手和有能锁死功能的脚轮，方便装置的转运和固定。
3、本发明的被动关节可以锁死，能够稳定保持操作点的位置。
4、本发明的末端姿态调节机构采用平行四边形连杆构型，从结构上保证了操作点在姿态调节过程中的位置固定，同时也使结构更为轻便。
5、本发明采用光电开关作为调零装置，并在各关节处设置编码器采集关节转角，控制准确。
6、本发明的末端微器械安装平台可以装备腹腔镜或手术操作手等不同微器械，从而可以构成微创外科手术的图像采集机构或手术动作执行机构，因此本发明具有多功能性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主控机箱示意图；
图3为本发明的末端位置调节机构示意图；
图4a为本发明的末端姿态调节机构示意图，图4b为A-A视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～4，本发明主要由以下三部分组成：主控机箱1、末端位置调节机构2、末端姿态调节机构3；主控机箱1内装备有箱体、工业控制计算机主机等设备，用以对整个运动系统实施控制；末端位置调节机构2由1个主动升降关节和3个被动旋转关节组成，主要用以调节末端控制点的位置；末端姿态调节机构3由2个主动旋转关节组成，用于在末端控制点位置确定之后调节该点的姿态。各部分具体组成如下：
主控机箱1：箱体1-1、推动扶手1-2、控制机箱1-3、工业控制计算机1-4、后向脚轮1-5、前向脚轮1-6、升降柱安装台1-7。
末端位置调节机构2：升降关节2-1、升降柱2-2、编码器2-3、编码器支架2-4、电磁制动器2-5、轴承支架2-6、传动轴2-7、轴承端盖2-8、第一被动旋转关节2-9、第一横臂2-10、密封盖2-11、光电开关2-12、编码器安装板2-13、同步带轮2-14、编码器2-15、电磁制动器2-16、光电开关2-17、同步带轮2-18、上传动轴2-19、下传动轴2-20、第二被动旋转关节2-21、编码器及安装板2-22、同步带传动装置2-23、电磁制动器2-24、光电开关2-25、上传动轴2-26、第二横臂2-27、第三旋转被动关节2-28、下传动轴2-29、主被动连接件2-30。
末端姿态调节机构3：旋转电机外壳3-1、旋转电机3-2、齿轮安装外壳3-3、电机安装支架3-4、直齿轮3-5、光电开关3-6、锁紧螺母3-7、联接法兰3-8、固定轴3-9、直齿轮3-10、轴承端盖3-11、上盖3-12、左连杆3-13、摆动电机3-14、上连杆3-15、右连杆3-16、电机安装板3-17、下连杆3-18、微器械安装平台3-19、锥齿轮3-20、锥齿轮3-21、锁紧螺母3-22、轴承3-23、光电开关3-24、安装轴3-25、轴承3-26。
结合图2，主控机箱的箱体1-1上设有推动扶手1-2，在箱体内部可以放置控制机箱1-3和工业控制计算机1-4，箱体1-1下端装有后向脚轮1-5和前向脚轮1-6，方便机构进行转运，后向脚轮上装有踏板，可使脚轮锁死，方便机构进行位置固定，升降柱安装台1-7用于固定升降柱，其内部设置有电机驱动机构，可以使升降柱做升降运动。
结合图3，升降关节2-1由伺服电机驱动，带动升降柱2-2上下运动，用于调节手臂部分的高度；第一被动旋转关节2-9内部传动机构分布如下：编码器2-3通过编码器支架2-4安装于升降柱2-2上，通过螺钉紧固。在第一横臂2-10关节处内部通过螺钉固联传动轴2-7，其另一轴端与编码器2-3固联，从而编码器可以采集传动轴2-7转角数据。传动轴2-7径向通过一对轴承固定，轴承安装于轴承支架2-6内部，两端分别通过传动轴2-7轴肩及电磁制动器2-5固定，轴承支架2-6通过螺钉固定于升降柱2-2上。电磁制动器2-5与传动轴2-7一端连接，可以使传动轴2-7锁死，限制其转动。在第一被动旋转关节2-9处安装有光电开关2-12，可以使第一横臂2-10相对于升降柱2-1进行零位调整；第二被动旋转关节2-21内部传动机构分布如下：在关节内部安装有上传动轴2-19和下传动轴2-20，其中下传动轴2-10通过螺钉固定于第二横臂2-27左端关节处内部，其径向通过一对轴承固定，轴承安装于第一横臂2-10右端关节内部，两端分别通过横臂内部台阶及上传动轴2-19固定，上传动轴2-19通过螺钉与下传动轴2-20固联。电磁制动器2-16与上传动轴2-19另一端连接，可以使上传动轴锁死，从而限制第二横臂2-27与第一横臂2-10的相对转动。编码器2-15通过编码器安装板2-13安装于第一横臂2-10内部，编码器安装板2-13通过调位螺钉安装于第一横臂2-10的侧壁。编码器2-15与上传动轴2-19分别安装有同步带轮2-14及2-19，实现同步带传动，从而编码器2-15可以采集上传动轴2-19的转角数据。通过调节调位螺钉可以左右微调编码器安装板2-13的位置，实现同步带的张紧和松弛。在第二被动旋转关节2-21内部安装有光电开关2-17，可实现第二横臂2-27相对于第一横臂2-10的零位调整；第三被动旋转关节2-28内部传动机构分布如下：第三被动旋转关节2-28同第二被动旋转关节2-21内部传动方式基本相同，在第二横臂2-27右关节处内部安装有上传动轴2-26和下传动轴2-29，二者以螺钉固联，下传动轴2-29径向通过一对轴承固定，轴承两端通过孔用弹簧挡圈和第二横臂2-27内部台阶固定，上传动轴2-26另一端装有电磁制动器2-24，可以限制第二横臂2-27相对于末端姿态调节机构3的转动，使二者相对锁死。第二横臂2-27内部的编码器2-22和上传动轴2-26通过同步带传动装置2-23传动，实现编码器2-22对于上传动轴2-26的转角数据采集。在第三被动旋转关节2-28内部安装有光电开关2-25，可使固联于上、下传动轴的后续机构相对于第二横臂2-27进行零位调整。通过螺钉与下传动轴2-29固联的主被动连接件2-30主要用于连接前端的总体末端位置调节机构和末端姿态调节机构。
结合图4，连接法兰3-8与主被动连接件2-30通过螺钉固联，实现末端姿态调节机构和末端位置调节机构的连接。旋转电机3-2安装于电机安装支架3-4上，外部通过旋转电机外壳3-1进行密封，旋转电机3-2轴上安装有直齿轮3-5。电机安装支架3-4左端内部装有固定轴3-9，其径向通过一对轴承3-12固定，轴承3-12通过电机安装支架3-4内部台阶、固定轴3-9轴肩和轴承端盖3-11固定，固定轴3-9上装有直齿轮3-10，并于直齿轮3-5啮合，直齿轮3-10上开有螺纹孔，通过螺钉与连接法兰3-8固联，固定轴3-9通过锁紧螺母3-7与连接法兰3-8锁紧，直齿轮处通过齿轮安装外壳3-3密封，旋转电机3-2带动直齿轮3-5转动时，会使末端姿态调节机构整体相对于固定轴3-9轴向做回转运动，实现机构的旋转运动。在主被动连接件2-30处装有光电开关3-6，可以对末端姿态调节机构的旋转运动进行零位调节。电机安装支架3-4上安装由左连杆3-13、上连杆3-15、右连杆3-16等组成的平行四边形连杆机构，上连杆3-15和下连杆3-18上安装有微器械安装平台3-19，平台上可以装配腹腔镜、手术钳等操作机构。如图4所示，虚线部分为平行四边形，末端控制点位于其中的一个顶点，这种构型决定了在平行四边形连杆机构摆动运动过程中，始终能够保持末端控制点的位置固定。在电机安装支架3-4右侧内部装有安装轴3-25，安装轴3-25通过轴承3-23和3-26径向固定，并通过锁紧螺母3-22完成与右连杆3-16的连接，安装轴3-25上装配有锥齿轮3-21,。摆动电机3-14通过电机安装板3-17安装于电机安装支架3-4内部，摆动电机3-14轴上安装锥齿轮3-20并与锥齿轮3-21啮合，旋转电机3-14通过锥齿轮机构带动安装轴3-15转动，从而带动平行四边形连杆机构的摆动，安装轴3-25上装有光电开关3-24，可以实现对于平行四边形连杆机构摆动运动的零位调节。
结合图1、图2、图3、图4，对本外科手术用多功能腹腔镜机器人的功能进行总体说明。本机器人主要由主控机箱1、末端位置调节机构2和末端姿态调节机构3组织，主控机箱内部装有控制设备1-3、1-4等，并可通过脚轮1-5、1-6实现对装置的转运及固定；末端位置调节机构2包括一个升降关节2-1和三个被动旋转关节2-9、2-21、2-28，升降关节2-1可调整末端控制点在竖直平面的高度，三个被动旋转关节2-9、2-21、2-28可以调整末端控制点在水平平面内的位置，因而末端位置调节机构2可以实现在工作空间内对末端控制点的位置调节；末端姿态调节机构3主要通过平行四边形机构来保证末端控制点的位置固定，末端控制点位于平行四边形机构的固定轴线固定轴3-9所在轴线上的一个顶点，通过齿轮安装外壳3-3内部的直齿轮传动可以实现平行四边形机构绕固定轴线的回转运动，完成末端控制点的旋转。电机安装支架3-4内部的锥齿轮传动机构可以使平行四边形连杆机构进行摆动运动，完成末端控制点的摆动。末端控制点可以完成旋转、摆动两个自由度的姿态调节。末端的微器械安装平台19具有通用性，可以安装腹腔镜、手术钳等多种微创外科手术器械，因而本机器人辅助微创外科手术多功能器械臂具有多功能性，应用范围较为广泛。
Claims (9)
1.一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：包括末端位置调节机构、末端姿态调节机构；末端位置调节机构包括升降柱、第一横臂、第二横臂，升降柱里安装第一编码器，第一编码器通过传动轴连接第一横臂形成第一被动旋转关节，第一编码器采集传动轴的转角数据，第一横臂里安装第二编码器、第一上传动轴、第一下传动轴，第一上传动轴和第一下传动轴固连，第二编码器上安装第一同步带轮，第一上传动轴上安装第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮上缠绕第一同步带，第一下传动轴连接第二横臂形成第二被动旋转关节，第二横臂里安装第三编码器、第二上传动轴、第二下传动轴，第二上传动轴和第二下传动轴固连，第三编码器上安装第三同步带轮，第二上传动轴上安装第四同步带轮，第三同步带轮和第四同步带轮上缠绕第二同步带，第二下传动轴连接主被动连接件形成第三被动旋转关节；末端姿态调节机构包括旋转电机、摆动电机、第一直齿轮、第二直齿轮，旋转电机和摆动电机安装在电机安装支架里，第一直齿轮连接旋转电机，第二直齿轮与第一直齿轮相互啮合，第二直齿轮通过连接法兰与主被动连接件相固连，第二直齿轮里设置有固定轴，固定轴与连接法兰锁紧，电机安装支架上分别安装左连杆、右连杆，左连杆和右连杆的上端同时连接上连杆，右连杆的中部连接下连杆，上连杆和下连杆的端部安装微器械安装平台，摆动电机连接右连杆并带动右连杆摆动。
2.根据权利要求1所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：还包括主控机箱，主控机箱包括箱体，箱体里安装电机驱动机构，箱体上安装推动扶手、升降柱安装台，箱体下方安装前向脚轮、后向脚轮，升降柱安装在升降柱安装台里，电机驱动机构连接并驱动升降柱。
3.根据权利要求1或2所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：所述的传动轴连接第一电磁制动器，第一上传动轴连接第二电磁制动器，第二上传动轴连接第三电磁制动器。
4.根据权利要求1或2所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：第一-第三被动旋转关节处分别安装第一-第三光电开关。
5.根据权利要求3所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：第一-第三被动旋转关节处分别安装第一-第三光电开关。
6.根据权利要求1或2所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：上连杆、左连杆、左连杆与右连杆在电机安装支架上连接点的连线构成了平行四边形的第一-第三边，上连杆、下连杆与微器械安装平台连接点的连线构成了平行四边形的第四边，第三边与第四边的交点为末端控制点，摆动电机驱动右连杆摆动时，末端控制点的位置不变。
7.根据权利要求3所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：上连杆、左连杆、左连杆与右连杆在电机安装支架上连接点的连线构成了平行四边形的第一-第三边，上连杆、下连杆与微器械安装平台连接点的连线构成了平行四边形的第四边，第三边与第四边的交点为末端控制点，摆动电机驱动右连杆摆动时，末端控制点的位置不变。
8.根据权利要求4所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：上连杆、左连杆、左连杆与右连杆在电机安装支架上连接点的连线构成了平行四边形的第一-第三边，上连杆、下连杆与微器械安装平台连接点的连线构成了平行四边形的第四边，第三边与第四边的交点为末端控制点，摆动电机驱动右连杆摆动时，末端控制点的位置不变。
9.根据权利要求5所述的一种机器人辅助微创外科手术多功能器械臂，其特征是：上连杆、左连杆、左连杆与右连杆在电机安装支架上连接点的连线构成了平行四边形的第一-第三边，上连杆、下连杆与微器械安装平台连接点的连线构成了平行四边形的第四边，第三边与第四边的交点为末端控制点，摆动电机驱动右连杆摆动时，末端控制点的位置不变。
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