CN107647916A - 手术机器人的主动臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术机器人的主动臂，属于医疗器械技术领域。它解决了现有手术机器人的主动臂为双侧支撑，存在体积大、重量大和伸展范围小的问题。本手术机器人的主动臂，包括设于支座上的固定臂、铰接在固定臂一端的中段臂、铰接在中段臂远离固定臂一端的前段臂和铰接在前段臂远离中段臂一端的滑动臂，滑动臂上设有带器械手的手术器械，中段臂位于固定臂的侧部，前段臂位于中段臂的侧部，中段臂与前段臂构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手穿过的远心点，支座与滑动臂之间设有用于驱动器械手以远心点为圆心摆动的驱动组件。本发明由于采用了单侧支撑，具有体积小、重量轻和伸展范围大等优点。

Description

手术机器人的主动臂

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种手术机器人的主动臂，特别是一种单侧支撑的手术机器人的主动臂。

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。微创手术机器人可以减轻医生在手术过程中的体力劳动，同时达到精准手术目的，使患者微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快。微创手术机器人系统通常使用主从式控制模式：操作者在对主手进行操作时，其手部运动会带动主手随之运动，主手关节处传感器可以测量运动信息，再通过主从控制算法将主手的运动映射到从手主动臂，从手主动臂各关节被动运动，带动手术器械实现相应运动。微创手术机器人主动臂关键组成部分主要包括远程运动中心机构和手术器械，其机械结构的设计优劣直接影响了微创手术机器人的性能，也制约着系统中其他部件的研发与设计。

例如中国专利公开了一种具有大运动空间高结构刚性的微创机器[授权公告号为CN 101919739B]，包括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。

主动臂需要体积小，重量轻，范围大，但上述专利中采用双侧支撑结构，即由连杆V和连杆VI对伸缩座进行双侧支撑，其体积大、重量大，而且运动范围小。体积大会影响多臂的布局，为避免各臂相互干涉，手术开口距离就比较大；重量大会造成驱动困难，前端手术器械容易抖动。双侧支撑结构要实现较大运动范围，收缩时需要各臂重叠，为避免干涉，各臂需要在外形上形成一定角度的拐角，这样内部传动带不能走直线，需要若干导轮来转向，增加结构复杂程度。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种单侧支撑的手术机器人的主动臂。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

手术机器人的主动臂，包括设于支座上的固定臂、铰接在固定臂一端的中段臂、铰接在中段臂远离固定臂一端的前段臂和铰接在前段臂远离中段臂一端的滑动臂，所述的滑动臂上设有带器械手的手术器械，其特征在于，所述的中段臂位于固定臂的侧部，所述的前段臂位于中段臂的侧部，所述的中段臂与前段臂构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手穿过的远心点，所述的支座与滑动臂之间设有用于驱动器械手以远心点为圆心摆动的驱动组件。

中段臂与固定臂的铰接点为平行四边形的第一顶点，前段臂与中段臂的铰接点为平行四边形的第二顶点，前段臂与滑动臂的铰接点为平行四边形的第三顶点，远心点为平行四边形的第四顶点，第一顶点与第三顶点相对设置，远心点与第二顶点相对设置。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的中段臂上具有垂直于中段臂设置的固定轴一，所述的固定臂套设在固定轴一上且能绕固定轴一旋转，所述的前段臂上具有与固定轴一平行的固定轴二，所述的中段臂套设在固定轴二上且能绕固定轴二旋转，所述的滑动臂上具有与固定轴一平行的固定轴三，所述的前段臂套设在固定轴三上且能绕固定轴三旋转。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的驱动组件包括设于支座上的其输出轴与固定轴一平行的伸展电机，所述的固定臂固定在伸展电机的前端，所述伸展电机的输出轴通过传动带一与固定轴一传动连接，所述的固定轴一通过传动带二与固定轴二传动连接，所述的固定轴二通过传动带三与固定轴三传动连接，所述的固定臂与中段臂之间设有当传动带一驱动固定轴一旋转时用于带动传动带二旋转的联动组件一，所述的中段臂与前段臂之间设有当传动带二驱动固定轴二旋转时用于带动传动带三旋转的联动组件二。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的固定臂内部中空，所述伸展电机的输出轴上同轴固定有主动轮一，所述的固定轴一上同轴固定有与主动轮一相对设置的从动轮一，所述的传动带一位于固定臂内且张紧在主动轮一与从动轮一上，所述的联动组件一包括同轴套设在固定轴一上的与固定臂固连的主动轮二和同轴固定在固定轴二上的从动轮二，所述的中段臂内部中空，所述的传动带二位于中段臂内且张紧在主动轮二与从动轮二上。主动轮一与从动轮一的外径相等，传动带一被张紧后，两边平行；主动轮二与从动轮二的外径相等，传动带二被张紧后，两边平行；主动轮三与从动轮三的外径相等，传动带三被张紧后，两边平行。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的固定轴一与固定臂之间设有轴承一，所述的从动轮一位于固定臂内，所述的主动轮二位于中段臂内。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的前段臂内部中空，所述的联动组件二包括同轴套设在固定轴二上的与中段臂固连的主动轮三和同轴固定在固定轴三上的从动轮三，所述的传动带三位于前段臂内且张紧在主动轮三和从动轮三上。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的固定轴二与中段臂之间设有轴承二，所述的从动轮二位于中段臂内，所述的主动轮三位于前段臂内。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的主动轮一和从动轮一上均设有用于防止传动带一打滑的压块一；所述的主动轮二和从动轮二上均设有用于防止传动带二打滑的压块二；所述的主动轮三和从动轮三上均设有用于防止传动带三打滑的压块三。

通过压块一、压块二和压块三的设置，传动带一、传动带二和传动带三不会出现摩擦失效而打滑的现象，在张紧状态下各臂不会出现晃动间隙。两个压块一相对设置，两个压块二相对设置，两个压块三相对设置。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的支座上固定有横滚电机，所述的伸展电机垂直固定在横滚电机的输出轴上，所述横滚电机输出轴的中轴线与远心点相交。

在上述手术机器人的主动臂中，所述的支座上滑动设有滑座，所述的滑座上设有转轴，所述的横滚电机铰接在转轴的下端。

远心点与手术开口的位置重合，根据手术开口的位置，通过滑座、转轴可对横滚电机的位置进行调节，使横滚电机的中轴线穿过远心点，同时保证器械手穿过远心点，调节到位后，将滑座和转轴进行固定，将横滚电机固定在转轴上。

本手术机器人的主动臂的工作过程如下：伸缩电机工作，带动主动轮一旋转，主动轮一通过传动带一带动从动轮一旋转，从动轮一固定在固定轴一上，带动固定轴一旋转，由于固定轴一与中段臂固连，所以会带动中段臂旋转，由于主动轮二固定在固定臂上，所以传动带二会随着中段臂的旋转而绕着主动轮二运动，这样从动轮二就会做相同角度的旋转。当从动轮二旋转时，会带动固定轴二旋转从而带动前段臂摆动，而主动轮三固定在中段臂上，所以传动带三会随着前段臂的旋转而绕着主动轮三运动，从而带动从动轮三做相同角度的旋转，各臂之间就形成了严格的位置对应关系。

其中，传动带一、传动带二和传动带三可以是钢带、皮带、同步带、链条或钢丝等，本结构中优选钢带。

与现有技术相比，本手术机器人的主动臂具有以下优点：

由固定臂对中段臂进行单侧支撑，由中段臂对前段臂进行单侧支撑，使整体体积更小，各臂之间不易发生干涉，重量轻，而且驱动更容易，不易产生抖动，伸展运动范围大；手术过程中与手术切口重合的远心点始终不动，避免了手术器械对患者腹壁切口造成非手术性伤害，手术器械以远心点为中心实现三自由度倒圆锥运动，工作时各臂不会出现摩擦失效打滑，稳定性好。

附图说明

图1是本发明提供的较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明提供的较佳实施例的内部结构示意图。

图3是本发明提供的较佳实施例的剖视图。

图中，1、支座；2、固定臂；3、中段臂；4、前段臂；5、滑动臂；6、器械手；7、手术器械；8、远心点；9、固定轴一；10、固定轴二；11、固定轴三；12、伸展电机；13、传动带一；14、传动带二；15、传动带三；16、主动轮一；17、从动轮一；18、主动轮二；19、从动轮二；20、轴承一；21、主动轮三；22、从动轮三；23、轴承二；24、压块二；25、横滚电机；26、滑座；27、转轴。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示的手术机器人的主动臂，包括设于支座1上的固定臂2、铰接在固定臂2一端的中段臂3、铰接在中段臂3远离固定臂2一端的前段臂4和铰接在前段臂4远离中段臂3一端的滑动臂5，滑动臂5上设有带器械手6的手术器械7。如图1所示，中段臂3位于固定臂2的侧部，前段臂4位于中段臂3的侧部，中段臂3与前段臂4构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手6穿过的远心点8，支座1与滑动臂5之间设有用于驱动器械手6以远心点8为圆心摆动的驱动组件。

中段臂3与固定臂2的铰接点为平行四边形的第一顶点，前段臂4与中段臂3的铰接点为平行四边形的第二顶点，前段臂4与滑动臂5的铰接点为平行四边形的第三顶点，远心点8为平行四边形的第四顶点，第一顶点与第三顶点相对设置，远心点8与第二顶点相对设置。

如图2所示，中段臂3上具有垂直于中段臂3设置的固定轴一9，固定臂2套设在固定轴一9上且能绕固定轴一9旋转，前段臂4上具有与固定轴一9平行的固定轴二10，中段臂3套设在固定轴二10上且能绕固定轴二10旋转，滑动臂5上具有与固定轴一9平行的固定轴三11，前段臂4套设在固定轴三11上且能绕固定轴三11旋转，优选将固定臂2与前段臂4平行设置。

如图2所示，驱动组件包括设于支座1上的其输出轴与固定轴一9平行的伸展电机12，固定臂2固定在伸展电机12的前端，伸展电机12的输出轴通过传动带一13与固定轴一9传动连接，固定轴一9通过传动带二14与固定轴二10传动连接，固定轴二10通过传动带三15与固定轴三11传动连接，固定臂2与中段臂3之间设有当传动带一13驱动固定轴一9旋转时用于带动传动带二14旋转的联动组件一，中段臂3与前段臂4之间设有当传动带二14驱动固定轴二10旋转时用于带动传动带三15旋转的联动组件二。

如图3所示，固定臂2内部中空，伸展电机12的输出轴上同轴固定有主动轮一16，固定轴一9上同轴固定有与主动轮一16相对设置的从动轮一17，传动带一13位于固定臂2内且张紧在主动轮一16与从动轮一17上，联动组件一包括同轴套设在固定轴一9上的与固定臂2固连的主动轮二18和同轴固定在固定轴二10上的从动轮二19，中段臂3内部中空，传动带二14位于中段臂3内且张紧在主动轮二18与从动轮二19上。主动轮一16与从动轮一17的外径相等，传动带一13被张紧后，两边平行；主动轮二18与从动轮二19的外径相等，传动带二14被张紧后，两边平行；主动轮三21与从动轮三22的外径相等，传动带三15被张紧后，两边平行。

如图3所示，在固定轴一9与固定臂2之间设有轴承一20，从动轮一17位于固定臂2内，主动轮二18位于中段臂3内。

如图3所示，前段臂4内部中空，联动组件二包括同轴套设在固定轴二10上的与中段臂3固连的主动轮三21和同轴固定在固定轴三11上的从动轮三22，传动带三15位于前段臂4内且张紧在主动轮三21和从动轮三22上。

如图3所示，固定轴二10与中段臂3之间设有轴承二23，从动轮二19位于中段臂3内，主动轮三21位于前段臂4内。

本实施例中，在主动轮一16和从动轮一17上均设有用于防止传动带一13打滑的压块一；在主动轮二18和从动轮二19上均设有用于防止传动带二14打滑的压块二24；在主动轮三21和从动轮三22上均设有用于防止传动带三15打滑的压块三。通过压块一、压块二24和压块三的设置，传动带一13、传动带二14和传动带三15不会出现摩擦失效而打滑的现象，在张紧状态下各臂不会出现晃动间隙。两个压块一相对设置，两个压块二24相对设置，两个压块三相对设置。

如图1所示，在支座1上固定有横滚电机25，伸展电机12垂直固定在横滚电机25的输出轴上，横滚电机25输出轴的中轴线与远心点8相交。

如图1所示，在支座1上滑动设有滑座26，滑座26上设有转轴27，横滚电机25铰接在转轴27的下端。

远心点8与手术开口的位置重合，根据手术开口的位置，通过滑座26、转轴27可对横滚电机25的位置进行调节，使横滚电机25的中轴线穿过远心点8，同时保证器械手6穿过远心点8，调节到位后，将滑座26和转轴27进行固定，将横滚电机25固定在转轴27上。

本手术机器人的主动臂的工作过程如下：伸缩电机工作，带动主动轮一16旋转，主动轮一16通过传动带一13带动从动轮一17旋转，从动轮一17固定在固定轴一9上，带动固定轴一9旋转，由于固定轴一9与中段臂3固连，所以会带动中段臂3旋转，由于主动轮二18固定在固定臂2上，所以传动带二14会随着中段臂3的旋转而绕着主动轮二18运动，这样从动轮二19就会做相同角度的旋转。当从动轮二19旋转时，会带动固定轴二10旋转从而带动前段臂4摆动，而主动轮三21固定在中段臂3上，所以传动带三15会随着前段臂4的旋转而绕着主动轮三21运动，从而带动从动轮三22做相同角度的旋转，各臂之间就形成了严格的位置对应关系。本实施例中，传动带一13、传动带二14和传动带三15优选为钢带。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种手术机器人的主动臂，包括设于支座（1）上的固定臂（2）、铰接在固定臂（2）一端的中段臂（3）、铰接在中段臂（3）远离固定臂（2）一端的前段臂（4）和铰接在前段臂（4）远离中段臂（3）一端的滑动臂（5），所述的滑动臂（5）上设有带器械手（6）的手术器械（7），其特征在于，所述的中段臂（3）位于固定臂（2）的侧部，所述的前段臂（4）位于中段臂（3）的侧部，所述的中段臂（3）与前段臂（4）构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手（6）穿过的远心点（8），所述的支座（1）与滑动臂（5）之间设有用于驱动器械手（6）以远心点（8）为圆心摆动的驱动组件。

2.根据权利要求1所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的中段臂（3）上具有垂直于中段臂（3）设置的固定轴一（9），所述的固定臂（2）套设在固定轴一（9）上且能绕固定轴一（9）旋转，所述的前段臂（4）上具有与固定轴一（9）平行的固定轴二（10），所述的中段臂（3）套设在固定轴二（10）上且能绕固定轴二（10）旋转，所述的滑动臂（5）上具有与固定轴一（9）平行的固定轴三（11），所述的前段臂（4）套设在固定轴三（11）上且能绕固定轴三（11）旋转。

3.根据权利要求2所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的驱动组件包括设于支座（1）上的其输出轴与固定轴一（9）平行的伸展电机（12），所述的固定臂（2）固定在伸展电机（12）的前端，所述伸展电机（12）的输出轴通过传动带一（13）与固定轴一（9）传动连接，所述的固定轴一（9）通过传动带二（14）与固定轴二（10）传动连接，所述的固定轴二（10）通过传动带三（15）与固定轴三（11）传动连接，所述的固定臂（2）与中段臂（3）之间设有当传动带一（13）驱动固定轴一（9）旋转时用于带动传动带二（14）旋转的联动组件一，所述的中段臂（3）与前段臂（4）之间设有当传动带二（14）驱动固定轴二（10）旋转时用于带动传动带三（15）旋转的联动组件二。

4.根据权利要求3所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的固定臂（2）内部中空，所述伸展电机（12）的输出轴上同轴固定有主动轮一（16），所述的固定轴一（9）上同轴固定有与主动轮一（16）相对设置的从动轮一（17），所述的传动带一（13）位于固定臂（2）内且张紧在主动轮一（16）与从动轮一（17）上，所述的联动组件一包括同轴套设在固定轴一（9）上的与固定臂（2）固连的主动轮二（18）和同轴固定在固定轴二（10）上的从动轮二（19），所述的中段臂（3）内部中空，所述的传动带二（14）位于中段臂（3）内且张紧在主动轮二（18）与从动轮二（19）上。

5.根据权利要求4所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的固定轴一（9）与固定臂（2）之间设有轴承一（20），所述的从动轮一（17）位于固定臂（2）内，所述的主动轮二（18）位于中段臂（3）内。

6.根据权利要求4所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的前段臂（4）内部中空，所述的联动组件二包括同轴套设在固定轴二（10）上的与中段臂（3）固连的主动轮三（21）和同轴固定在固定轴三（11）上的从动轮三（22），所述的传动带三（15）位于前段臂（4）内且张紧在主动轮三（21）和从动轮三（22）上。

7.根据权利要求6所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的固定轴二（10）与中段臂（3）之间设有轴承二（23），所述的从动轮二（19）位于中段臂（3）内，所述的主动轮三（21）位于前段臂（4）内。

8.根据权利要求6所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的主动轮一（16）和从动轮一（17）上均设有用于防止传动带一（13）打滑的压块一；所述的主动轮二（18）和从动轮二（19）上均设有用于防止传动带二（14）打滑的压块二（24）；所述的主动轮三（21）和从动轮三（22）上均设有用于防止传动带三（15）打滑的压块三。

9.根据权利要求3所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的支座（1）上固定有横滚电机（25），所述的伸展电机（12）垂直固定在横滚电机（25）的输出轴上，所述横滚电机（25）输出轴的中轴线与远心点（8）相交。

10.根据权利要求9所述的手术机器人的主动臂，其特征在于，所述的支座（1）上滑动设有滑座（26），所述的滑座（26）上设有转轴（27），所述的横滚电机（25）铰接在转轴（27）的下端。