CN106618735B - 一种用于外科手术的协同交互机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于外科手术的协同交互机器人，包括底座、机械臂以及末端夹具，机械臂包括多个关节模块，每个关节模块包括壳体、动力装置以及传动轴。壳体呈90度弯头状，传动轴可转动的安装在壳体中，通过轴承与壳体的其中一端连接，传动轴的一端与动力装置传动连接，传动轴的另一端为动力输出连接端，末端夹具和与其连接的关节模块之间还设置有多维力传感器。本发明基于多个模块化关节，在机器人末端安装一多维力传感器，传感器输出端接手术末端夹具和手术工具，操作时，医生手持机器人末端手术工具，医生施加在工具上的力反映到多维力传感器上，通过力与机器人速度的匹配，实现机器人柔顺控制，从而实现人机协同交互。

Description

一种用于外科手术的协同交互机器人

技术领域

本发明涉及医疗领域，具体涉及一种用于外科手术的协同交互机器人。

背景技术

自1985年第一例由工业机器人引导的神经外科手术以来，在过去的30年里，机器人手术已进入了神经外科、胸腹腔、泌尿、骨科等几乎所有的外科领域。早期的机器人手术大多基于工业机器人或者工业机器人的改进型，主要探讨机器人在手术领域应用的技术可行性。考虑到手术机器人不仅与医生交互，更重要的是对病人进行手术作业，其安全性远比其它领域要高，因而后来大多数用于临床的机器人都需要自行设计。尽管如此，也只有NeroMate，ROSA，Da Vinci，ROBODOC，ACROBOT、MAKO、RIO、Renaissance等为数不多的机器人进入了市场，绝大多数研究都因安全的、操作便利性的、或者临床可接受性的问题在获得临床验证或者临床许可之前停止了研发。从手术机器人发展和需求上看，从现有成功商业化的手术机器人来看，高安全性和良好人机交互的机器人是当前和未来手术机器人进入临床的关键。

当前的医疗机器人主要用于增强人的能力，完成人所不能完成的诸如内窥镜下的微创手术能力，如遥操作Da Vinci机器人；或者替代人的操作，如主动型ROBODOC机器人；或者和医生一起协同作业，共同完成手术，如协同交互型机器人ROSA，RIO，Acrobot等；或者考虑安全性，直接采用微型结构，限制机器人运动范围，如Renaissance机器人。从医生偏好角度，具备协同交互能力的机器人是外科手术机器人发展的一个重要方向。

从协同交互机器人的技术实现来看，ROSA就是在工业机器人基础上增加了安全控制的内容。RIO机器人外形采用工业机器人，内部采用绳驱动技术，驱动和控制都集中在机器人基座处，因此底部较大；并对手术过程中的关节力进行检测实现所谓的触角反馈能力，以体现良好的人机协同能力；Acrobot机器人采用特殊的成自由度结构设计，并在机器人末端安装一力反馈手柄，实现协同交互。另外，这些协同交互机器人，都是针对特定应用场合，如ROSA用于脑外科和脊柱手术；RIO，Acrobot用于关节置换手术等。另一方面，Renaissance从脊柱到神经外科，和ROSA从神经外科到脊柱的应用表明，更通用化的机器人设计能够满足更多外科手术场合，当前的设计在通用性上有很大的缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种用于外科手术的协同交互机器人，基于模块化、通用化设计思想，提出基于EtherCAT总线通信的控制驱动一体化关节设计，进而组合成轻量化机器人，并在机器人末端加装一六维力传感器，实现人机交互能力。

为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种用于外科手术的协同交互机器人，包括底座、机械臂、末端夹具以及控制器，所述机械臂包括多个关节模块，每个关节模块包括：

-壳体，其大体呈弯头状，包括互成夹角的两直筒段，其中一个直筒段的自由端构成壳体连接端；

-传动轴，其设置在另一个直筒段中并且通过轴承可转动的连接在所述另一直筒段的内壁上，所述传动轴的一端向所述另一直筒段的自由端延伸以构成动力输出连接端；

-动力装置，其固定设置在所述壳体中并且传动连接所述传动轴；

其中，每个关节模块的动力输出连接端和壳体连接端中，其中一个与所述底座或所述末端夹具或另一个关节模块传动连接，另一个与另一关节模块传动连接；

两个关节模块传动连接处，每个关节模块的动力输出连接端与另一关节模块的壳体连接端传动连接，每个关节模块的的壳体连接端与另一关节模块的壳体连接端或动力输出连接端传动连接；

所述末端夹具和与其连接的关节模块之间还设置有多维力传感器；

所述多维力传感器与所述控制器连接，所述控制器与每个关节模块的动力装置连接。

一种实施方式中，所述壳体的两直筒段互成夹角的角度为90度。

一种实施方式中，所述机械臂包括依次连接的首端关节模块、至少一个中间关节模块以及末端关节模块；

所述首端关节模块的动力输出连接端和壳体连接端中，其中一个与所述底座传动连接，另一个与其中一个中间关节模块传动连接；

每个中间关节模块的动力输出连接端和壳体连接端，其中一个与所述首端关节模块或所述末端关节模块或另一个中间关节模块传动连接，另一个与另一中间关节模块传动连接；

所述末端关节模块的动力输出连接端和壳体连接端中，其中一个与所述末端夹具传动连接，另一个与其中一个中间关节模块传动连接。

一种实施方式中，每个关节模块的动力装置包括驱动器、电机以及减速器，所述控制器与所述驱动器连接，所述驱动器与所述电机连接，所述电机的输出轴与所述减速器的输入轴传动连接，所述减速器的输出轴与所述传动轴传动连接。

一种实施方式中，每个关节模块的电机设有与驱动器连接的输入编码器，以测量电机的输出速度和加速度，每个关节模块的动力输出连接端设有与驱动器连接的输出编码器，以测量关节模块输出的绝对位置。

一种实施方式中，每个关节模块的电机还设有与驱动器连接的刹车器，以实现掉电刹车。

一种实施方式中，每个关节模块的极限位置还设有与驱动器连接的限位开关，以限制关节极限位置。

一种实施方式中，每个关节模块的零位位置还设有与驱动器连接的零位开关，以确定每个关节模块的绝对位置。

一种实施方式中，所述电机的输出轴与所述减速器的输入轴集成为一体结构的阶梯轴。

一种实施方式中，所述阶梯轴和所述减速器的输出轴均为为中空结构，以穿设EtherCAT通讯线、电源线以及刹车线。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

(1)本发明基于模块化关节，通过模块化的组合，实现需要的机器人自由度数，逐级连接一体化关节模块的壳体连接端、动力输出连接端即可，通过模块化设计，减轻机器人本体重量，实现机器人轻量化；

(2)本发明仅在机器人末端安装一多维力传感器，传感器输出端接手术末端夹具和手术工具，操作时，医生手持机器人末端手术工具，医生施加在工具上的力反映到多维力传感器上，能够反映医生手术过程中的运动意图，并通过医生操作力与机器人运动速度之间的柔顺控制，从而实现人机协同交互；

(3)本发明关节之间通过高性能工业以太网EtherCAT总线串行连接，实现与控制器的通信，保障机器人控制区与驱动器之间快速、稳定的数据和控制信息通信；

(4)本发明在机器人的底座安装机器人的控制器，使安装调试变得简单，通过EtherCAT总线连接各关节模块的驱动器，同时通过EtherCAT/Ethernet/USB/RS232/CAN等与人机界面或者控制计算机相连，完成手术作业，从而替代一般机器人所需的庞大的控制箱和机器人示教器。

附图说明

图1为本发明公开的协同交互机器人的结构示意图；

图2为本发明公开的单个关节模块的主视图；

图3为本发明公开的单个关节模块的俯视图。

100、底座；

200、机械臂；201、第一关节模块；202、第二关节模块；203、第三关节模块；204、第四关节模块；205、第五关节模块；206、第六关节模块；

210、壳体；211、壳体连接端；2220、驱动器；230、电机；240、谐波齿轮减速器；241、动力输出连接端；250、阶梯轴；260、交叉滚子轴承；271、输入编码器；272、输出编码器；273、限位开关；274、零位开关；275、刹车器

300、末端夹具；

400、控制器；

500、六维传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图3，如其中的图例所示，一种用于外科手术的协同交互机器人，包括底座100、机械臂200、末端夹具300以及控制器400，机械臂200包括依次连接的第一关节模块、第二关节模块、第三关节模块、第四关节模块、第五关节模块以及第六关节模块，每个关节模块包括：

-壳体210，其大体呈90度弯头状，包括相互垂直的两直筒段，其中一个直筒段的自由端构成壳体连接端211；

-驱动器220，其与控制器400连接；

-电机230，其与驱动器220连接；

谐波齿轮减速器240，其输入轴与电机230的输出轴共同传动连接在一阶梯轴250上，谐波齿轮减速器240的输出轴通过交叉滚子轴承260可转动的连接在另一直筒段的内壁上，谐波齿轮减速器240的输出轴向另一直筒段的自由端延伸以构成动力输出连接端241；

其中：

第一关节模块的动力输出连接端与底座100连接；

第二关节模块的动力输出连接端与第一关节模块的壳体连接端连接；

第三关节模块的壳体连接端与第二关节模块的壳体连接端连接；

第四关节模块的壳体连接端与第三关节模块的动力输出连接端连接；

第五关节模块的壳体连接端与第四关节模块的动力输出连接端连接；

第六关节模块的壳体连接端与第五关节模块的动力输出连接端连接；

末端夹具300与第六关节模块的动力输出端连接；

末端夹具300和第六关节模块之间还设置有六维力传感器500；

六维力传感器500与控制器400连接，控制器与每个关节模块的驱动器连接。

基于模块化关节，根据设计所需要的自由度数，逐级连接一体化壳体连接端、动力输出连接端即可，如本实施例的6自由度机器人，在机器人末端安装一六维力传感器，传感器输出端接手术末端夹具和手术工具，操作时，医生手持机器人末端手术工具，医生施加在工具上的力反映到六维力传感器上，通过力与机器人速度的匹配，传感器能够检测到操作操作的各个方向的力的信息，通过机器人的正逆解，求得机器人关节运动角度，完成交互功能，实现机器人柔顺控制，从而实现人机协同交互。

在机器人底座100部分，安装机器人的控制器，用来通过EtherCAT总线连接各关节驱动器220，同时通过EtherCAT/Ethernet/USB/RS232/CAN等与人机界面或者控制计算机相连，完成手术作业。

驱动器220连接电机230、输入编码器271、输出编码器272、限位开关273、零位开关274以及刹车器275等部件，实现单个关节的集成化控制能力，并且该驱动器采用工业高速以太网EtherCAT通信，提高系统可靠性和简化系统设计。

电机230作为源动力部件，谐波齿轮减速器240作为动力放大和输出机构，选择合适传动比，放大电机驱动力矩，降低电机速度以适应机器人的工作需求，电机230的驱动器220与控制器400配合，给电机提供电流；驱动器220接受输入编码器271、输出编码器272、限位开关273以及零位开关274发出的信号，判断工作情况。

电机230的输出轴与谐波齿轮减速器240的输入轴集成为一体结构的阶梯轴250，电机230的转子安装在阶梯轴250上，阶梯轴250将关节内的电机动力部件输出和谐波齿轮减速器240输入直接连接起来，减少关节轴向尺寸。同时，中空设计的目的是将EtherCAT通信线和动力电源线穿过机器人关节轴，简化关节走线复杂度。通过控制电机运动，可以控制轴的运动，将电机扭矩传递到谐波减速器的波发生器上。谐波减速器钢轮经过柔轮与钢轮共同作用，将扭矩放大，传递到柔轮，使得柔轮扭矩变大、速度减小。

一种实施方式中，每个关节模块的电机230还设有与驱动器220连接的刹车器275，以实现掉电刹车。从安全角度考虑，设计刹车，防止机械臂运行过程中出现意外情况，刹车保护。

一种实施方式中，每个关节模块的极限位置还设有与驱动器220连接的限位开关273，以限制关节极限位置。限位开关273限制关节极限位置，当关节转动到极限位置，限位开关将信号发送到驱动器，使驱动器输出刹车信号，并停止电机转动。

一种实施方式中，每个关节模块的零位位置还设有与驱动器连接的零位开关274，以确定每个关节模块的绝对位置。零位开关274与输入值编码器配合，找到机器人关节零位，机器人运行时能够找到每个关节的绝对位置。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于外科手术的协同交互机器人，包括底座、机械臂、末端夹具以及控制器，所述机械臂包括多个关节模块，其特征在于，每个关节模块包括：

-壳体，其大体呈弯头状，包括互成夹角的两直筒段，其中一个直筒段的自由端构成壳体连接端；

-传动轴，其设置在另一个直筒段中并且通过轴承可转动的连接在所述另一直筒段的内壁上，所述传动轴的一端向所述另一直筒段的自由端延伸以构成动力输出连接端；

-动力装置，其固定设置在所述壳体中并且传动连接所述传动轴；

其中，每个关节模块的动力输出连接端和壳体连接端中，其中一个与所述底座或所述末端夹具或另一个关节模块传动连接，另一个与另一关节模块传动连接；

两个关节模块传动连接处，每个关节模块的动力输出连接端与另一关节模块的壳体连接端传动连接，每个关节模块的的壳体连接端与另一关节模块的壳体连接端或动力输出连接端传动连接；

所述末端夹具和与其连接的关节模块之间还设置有多维力传感器；

所述多维力传感器与所述控制器连接，所述控制器与每个关节模块的动力装置连接，

每个关节模块的动力装置包括驱动器、电机以及减速器，所述控制器与所述驱动器连接，所述驱动器与所述电机连接，所述电机的输出轴与所述减速器的输入轴传动连接，所述减速器的输出轴与所述传动轴传动连接，

每个关节模块的电机设有与驱动器连接的输入编码器，以测量电机的输出速度和加速度，每个关节模块的动力输出连接端设有与驱动器连接的输出编码器，以测量关节模块输出的绝对位置，

每个关节模块的电机还设有与驱动器连接的刹车器，以实现掉电刹车，每个关节模块的极限位置还设有与驱动器连接的限位开关，以限制关节极限位置，

每个关节模块的零位位置还设有与驱动器连接的零位开关，以确定每个关节模块的绝对位置，

所述电机的输出轴与所述减速器的输入轴集成为一体结构的阶梯轴，所述阶梯轴和所述减速器的输出轴均为为中空结构，以穿设EtherCAT通讯线、电源线以及刹车线。

2.根据权利要求1所述的协同交互机器人，其特征在于，所述壳体的两直筒段互成夹角的角度为90度。

3.根据权利要求1所述的协同交互机器人，其特征在于，所述机械臂包括依次连接的首端关节模块、至少一个中间关节模块以及末端关节模块；

所述首端关节模块的动力输出连接端和壳体连接端中，其中一个与所述底座传动连接，另一个与其中一个中间关节模块传动连接；

每个中间关节模块的动力输出连接端和壳体连接端，其中一个与所述首端关节模块或所述末端关节模块或另一个中间关节模块传动连接，另一个与另一中间关节模块传动连接；

所述末端关节模块的动力输出连接端和壳体连接端中，其中一个与所述末端夹具传动连接，另一个与其中一个中间关节模块传动连接。