CN108210070B - 机械臂及其工作方法与手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械臂及其工作方法及手术机器人，用于提升机械臂调整的便利性、安全性和可靠性。机械臂包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动调整臂关节运动的电机，用于调整不动点的位置；所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；所述感知单元用于感知调整臂所受到的笛卡尔作用力并提供给控制单元；所述感知单元设置于调整臂的末端或工具臂上，所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于根据接收到的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个调整臂关节上的电机的输出状态。

Description

机械臂及其工作方法与手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人的机械臂及其工作方法。

背景技术

微创伤手术由于其创伤小、恢复快等优点被越来越多的患者所接受，从早期的腹腔镜微创伤手术到现在的脑科微创伤手术，其技术的扩展越来越快速。而作为其中的佼佼者，腹腔镜微创伤手术的发展则更显得迅猛。

伴随着腹腔镜微创伤手术技术发展，腹腔镜用微创伤手术器械技术也得到了长足的进步，从最开始的医生借助腹腔镜和手术钳进行腹腔内部的手术，到现在凭借机器人系统完成腹腔镜微创伤手术。作为现今腹腔镜微创伤手术的最高端技术，达芬奇手术机器人系统在不断的刷新着人们对于机器人、医疗等技术领域的认知。达芬奇手术机器人系统最大的特点在于其多机械臂的操作系统，利用机器人的机械臂代替医生的手作为手术的执行单元，使医生在舒适的环境下操作机器人系统完成手术。多个机械臂是腹腔镜微创伤手术机器人系统通用配置，每个机械臂均可实现不同的功能，一般的使用为：中间臂持内窥镜，两边臂持手术器械，其他臂作为冗余，当某机械臂发生故障时，可替换使用。

特别的，机械臂的运动性能和调整能力直接影响到手术的效果，故对于机械臂的功能要求比较高，但目前腹腔镜手术机器人系统还存在着以下的问题：

(1)机械臂的调整运动模式有限。具体是指机械臂在手术前或手术过程中的调整方式有限。目前，达芬奇手术机器人系统采用的调整模式为被动调整，即外部施加力使机械臂运动，当外部无力的时候，部分的关节无法运动，这种调整模式较大削弱了机械臂的实际功能，机械臂本身应具有全关节驱动能力，可主动的运动；因此，目前较为流行的手术机器人的机械臂的调整能力不足。

(2)机械臂容易产生运动干涉。多机械臂最大的问题在于，在运动过程中，如果机械臂的相对位置控制不准确，则机械臂之间容易发生干涉，影响到调整的效果，更严重的在手术过程中会对患者造成额外的伤害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂及其工作方法与手术机器人，不仅便于机械臂的被动调整，从而减少机械臂在被动调整过程中感知的阻力，而且机械臂各关节之间的运动具备关联性，从而减少了机械臂发生干涉的可能，确保了机械臂的调整效果，降低了在手术过程中对患者造成额外的伤害的风险。

为实现上述目的，本发明提供了一种机械臂，包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动调整臂关节运动的电机，用于调整所述不动点的空间位置；

其中，所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；

所述感知单元设置于所述工具臂和/或所述调整臂的末端，用于感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元；

所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。

可选的，所述感知单元设置于所述调整臂与所述工具臂相连接处。

可选的，所述机械臂具有主动调整模式；在主动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出；

可选的，所述机械臂具有被动调整模式；在被动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机进行输出。

可选的，所述控制单元包括处理单元和判断单元，所述处理单元用于根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，所述判断单元用于在接收所述笛卡尔作用力信息后，判断所述笛卡尔作用力是否为干扰值；

在主动调整模式下，若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力是干扰值，所述处理单元控制所有所述调整臂关节上的电机减小输出；若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力不是干扰值，所述处理单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。

可选的，所述控制单元还包括一存储单元，所述存储单元存储阈值，所述阈值包括作用力阈值和/或时间阈值；

所述判断单元将所述笛卡尔作用力的大小与一作用力阈值进行比较，和/或，将所述笛卡尔作用力的作用时间与一时间阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。

可选的，所述感知单元为三维力传感器，或者六维力传感器。

可选的，所述工具臂还包括执行单元，所述执行单元与所述控制单元通讯连接；所述控制单元控制执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节，或所述控制单元控制所述执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节和所述调整臂上的各个调整臂关节。

可选的，所述调整臂包括依次连接的第一旋转关节、水平移动关节、摆动关节和第二旋转关节，所述第一旋转关节的旋转轴线垂直于所述水平移动关节的移动轴线，所述摆动关节的旋转轴线同时与所述第一旋转关节的旋转轴线以及所述水平移动关节的移动轴线相垂直，所述第二旋转关节的旋转轴线被配置为与所述第一旋转关节的旋转轴线平行；

其中，所述第一旋转关节用于与外部机构连接，所述第二旋转关节与所述工具臂连接，所述感知单元设置于所述第二旋转关节与所述工具臂连接处。

可选的，所述感知单元设置在所述第二旋转关节与所述工具臂相连接部位的内部和/或外部。

可选的，所述摆动关节包括四个铰链形成的第一平行四边形结构，所述第一平行四边形结构的近端与所述第一旋转关节的旋转轴线平行，所述第一平行四边形的远端与所述第二旋转关节连接，且与所述第二旋转关节的旋转轴线平行。可选的，所述调整臂还包括一转动连接所述摆动关节和所述第二旋转关节的连接杆，一用于测量所述摆动关节摆动角度的测量装置以及一驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机；

所述测量装置与驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机通讯连接，驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机根据所述测量装置传输的所述摆动关节摆动的角度驱动所述第二旋转关节摆动，以使所述第二旋转关节的旋转轴线与所述第一旋转关节的旋转轴线相平行。

可选的，所述工具臂还包括一基关节和一第三平行四边形结构；

所述基关节围绕第一轴线摆动，以驱使所述手术器械围绕所述第一轴线摆动，并且所述基关节的近端与所述调整臂连接，远端与所述第三平行四边形结构连接；

所述第三平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述第三平行四边形结构的远端与所述手术器械连接，且所述手术器械被配置为所述手术器械的轴线与所述远端杆的轴线相平行，以使所述第三平行四边形结构驱动所述手术器械围绕一第二轴线转动；

所述不动点位于所述第一轴线和所述第二轴线的交点。

可选的，所述工具臂还包括一基关节、一第二平行四边形结构和一伸缩关节；

所述基关节围绕一第一轴线摆动，以驱使所述手术器械围绕所述第一轴线摆动，并且所述基关节的近端与所述调整臂连接，远端与所述第二平行四边形结构连接；

所述第二平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述第二平行四边形结构用于使所述第二平行四边形结构驱动所述手术器械围绕一第二轴线转动；

所述伸缩关节与所述第二平行四边形结构的所述远端杆相连接，所述伸缩关节的移动轴线与所述第二平行四边形的所述远端杆的轴线平行，所述伸缩关节与所述手术器械可拆卸连接，以驱动所述手术器械沿所述伸缩关节的移动轴线移动；

所述不动点位于所述第一轴线、第二轴线和移动轴线的交点。

进一步，本发明还提供了一种如上所述机械臂的工作方法，所述机械臂的工作方法包括：

锁定所述工具臂上的各个工具臂关节，通过所述感知单元感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力；

根据所述调整臂所受到的所述笛卡尔作用力，所述控制单元通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上的各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。

更进一步，本发明另提供了一种包括如上所述机械臂的手术机器人。

可选的，所述手术机器人还包括一立柱，所述调整臂与所述立柱连接；所述立柱具有能够做竖直方向运动的竖直运动关节，和/或能够做水平方向运动的水平运动关节。

综上所述，本发明提供的机械臂及其工作方法与手术机器人具有如下有益效果：

本发明的机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元，所述感知单元设置于工具臂和/或调整臂的末端，并能够感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元，且所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，能够在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。那么，在机械臂的主动或被动调整中，通过感知单元可以识别操作者对调整臂所施加的笛卡尔作用力，以使得控制单元可以根据识别的笛卡尔作用力，控制调整臂上各个调整臂关节上的电机的输出状态，从而调整各个调整臂关节的运动状态，以对外部的笛卡尔作用力作出积极主动的响应，以此提升机械臂调整的便利性、使用安全性和可靠性。

特别的，在机械臂的主动调整中，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出；较佳的，在主动调整过程中，通过判断工具臂所受到的笛卡尔作用力是否为干扰值，可使调整臂上各个调整臂关节做出相应的响应，如减速或停止运动；这样可以增加机械臂使用过程中的安全性和可靠性。

此外，在机械臂的被动调整中，由于调整臂关节阻力的存在，会使操作者感觉操作不顺畅，在本发明中，所述控制单元可以令调整臂上所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机进行动力输出，以此克服调整臂关节的阻力，从而协助操作者使工具臂到达预定的位置，这样的方式，增加了机械臂被动调整操作的舒适度和便捷性。

附图说明

图1是本发明一实施例的手术机器人中从端设备的结构示意图；

图2是本发明一实施例的机械臂的机械结构示意图；

图3是本发明一实施例的机械臂中调整臂上各个调整臂关节与工具臂上各个工具臂关节的结构示意图；

图4是本发明一实施例的机械臂中调整臂上各个调整臂关节的运动方向示意图。

附图标记说明如下：

底座-1，立柱-2，机械臂-3，调整臂-31，工具臂-32，第一旋转关节-301，水平移动关节-302，摆动关节-303，第二旋转关节-304，第一子平行四边形结构-306a，第二子平行四边形结构-306b，基关节-305，伸缩关节-307，控制单元-4，感知单元-5。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～4对本发明提出的机械臂及其工作方法与手术机器人做进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，在本申请实施例中，以一用于夹持手术器械的手术机器人的机械臂3为例进行示例性说明，但是本领域技术人员应理解其他构型的机械臂也在本发明的保护范围内。如图1所示，所述手术机器人包括含有机械臂3的从端设备，所述机械臂3包括相连的调整臂31和工具臂32。其中，所述工具臂32包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点RC(Remote Center或者Remote Center of Motion)处的姿态。而所述调整臂31包括多个调整臂关节，并还包括用于驱动调整臂关节运动的电机，其用于调整所述不动点RC的空间位置。

实际手术过程中，所述不动点RC与手术创口重合，且所述工具臂32需根据手术的要求在医生的操纵下围绕所述不动点RC做运动，从而使工具臂32末端所连接的所述手术器械完成相应的手术操作。所述手术器械包括但不限于剪刀、钳子、镊子、持针器等，其作为整个所述从端设备的末端执行器，最终将进入患者体内病灶区，实现对病灶的处理。通常的，在整个手术期间，所述手术器械需要围绕所述不动点RC实现多个自由度的运动。

本实施例中，所述调整臂31设置了多个调整臂关节，且每个调整臂关节能够实现一个方向运动(例如转动、移动)，这些调整臂关节的运动既可以不相同，也可以相同而形成冗余设置。如此，调整臂31便能实现多个方向的运动，进而当所述机械臂3靠近病人后，通过对调整臂31的调整，可使所述不动点RC到达手术操作的创口位置。

进而为了改善机械臂3的使用性能，所述机械臂3还包括感知单元5，以及与所述感知单元5通讯连接的控制单元4；所述感知单元4可以设置于工具臂32上(例如工具臂32的末端)，也可以设置于调整臂31的末端，又或者所述感知单元4还可以为多个，既设置在工具臂32上又设置在调整臂31的末端，其用于感知调整臂31所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给控制单元4；所述控制单元4与调整臂31上各个调整臂关节的电机通讯连接，能够在工具臂32上各个工具臂关节被锁定后，根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制调整臂31上的各个调整臂关节上的电机的输出状态。这里“调整臂31所受到的笛卡尔作用力”不仅指当笛卡尔作用力直接作用于所述调整臂31末端时所述调整臂31受到的力，而且还应理解为当笛卡尔作用力作用于所述工具臂32时，所述调整臂31受到的力。当笛卡尔作用力作用于所述工具臂32，且所述工具臂32的所有关节均被锁定时，所述调整臂31受到的力等于所述笛卡尔作用力。此外，“调整臂关节上的电机”应理解为所述电机驱动对应的关节，并没有对调整臂关节与电机之间的位置关系做限定，即所述电机可以与所述调整臂关节直接连接，也可以通过传动机构与所述调整臂关节连接；所述电机可以置于所述调整臂关节，也可以置于其他位置。

在此，所述控制单元4可以通过关节雅克比等算法获得调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩。且所述控制单元4可采用现有的PLC控制器、单片机、微处理器等，本领域技术人员可在本申请公开基础上结合本领域的公知常识能够知晓如何选择。

所述感知单元5可以是三维力传感器，也可以是六维力传感器。具体不限。所述感知单元5设置于调整臂31与工具臂32相连接的部位或者设置于所述工具臂32上，优选设置于下述举例说明的第二旋转关节304与工具臂32的连接处。更具体，所述感知单元5可以设置在下述的第二旋转关节304与工具臂32相连接部位的内部或外部，或者是内部和外部均有布置。

在一个非限制性的示例中，所述机械臂3具有主动调整模式和/或被动调整模式；通常地，由机械臂3上的动力机构如电机，驱动机械臂3运动的工作方式即为机械臂3的主动调整，与此相对的，由笛卡尔作用力驱动机械臂3运动的工作方式即为机械臂3的被动调整。

在主动调整模式下，所述控制单元4在获得调整臂31上各个调整臂关节的分力后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机(即驱动分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节的电机，下同)停止输出。所述标定值例如为零。这样可以避免在机械臂3的主动调整模式操作中因发生人为误操作导致的机械位姿的调整的问题，由此增加机械臂3使用过程中的安全性和可靠性。

那么，在被动调整模式下，所述控制单元4在获得调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值(所述标定值例如为零)的调整臂关节上的电机进行输出；以此，使得调整臂31上分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机能够配合外部力驱动调整臂关节运动，以使得操作者能够克服调整臂31上调整臂关节的阻力，从而所述控制单元4能够协助操作者使调整臂31顺利运动至预定的位置，这样的方式，增加了机械臂3被动调整操作的舒适度和便捷性。显然，自在工具臂32上施加外部力的开始至结束，所述调整臂31上分力或力矩大于预设的标定值(所述标定值例如为零)的调整臂关节上的电机均输出动力，从而使得操作者在被动调整工具臂32时更加省力、简便。

本实施例还提供了一种根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩的示范性方法。所述调整臂31具有多个调整臂关节时，所述笛卡尔作用力和调整臂关节的分力或力矩之间的关系可采用雅克比算法获得。具体如图3和图4所示，所述控制单元4安装在所述调整臂31与所述工具臂32相连接处，并能够测量出3个方向的力或力矩的大小和方向。

本实施例中，所述机械臂还设立一感知单元坐标系{T}和机械臂基坐标系{R_B}。所述感知单元坐标系{T}固定在所述感知单元5上，所述感知单元坐标系{T}的X轴、Y轴、Z轴的方向如图3和图4所示。所述机械臂基坐标系{R_B}位于机械臂中相对于大地坐标系保持固定的点，例如所述机械臂基坐标系{R_B}位于所述第一旋转关节301的旋转轴线与所述第一旋转关节301远离不动点的端面的交点上，所述机械臂基坐标系{R_B}的X轴、Y轴和Z轴的方向如图3和图4所述。当操作者对所述调整臂31施加力时，所述感知单元5可以测量出在感知单元坐标系{T}下的受力F_T，也就是笛卡尔作用力F_T：

其中，F_TX、F_TY、F_TZ分别表示受力F_T在感知单元坐标系{T}的X轴、Y轴和Z轴上的分力。

进而，根据正向运动学可以求出所述感知单元坐标系{T}在所述机械臂基坐标系{R_B}下的姿态描述

那么将笛卡尔作用力F_T变换到机械臂基坐标系{R_B}下，得到：

其中，FB为笛卡尔作用力F_T在机械臂基坐标系{R_B}下的描述。

那么，根据运动学可以获得调整臂的雅克比矩阵

对其求转置得到力雅克比

根据力雅克比的性质可以得到关节控制力矩：

式中，τi表示所述调整臂的第i个调整臂关节的需求的力矩，n表示所述调整臂具有n个调整臂关节。

进而，所述控制单元4根据所述关节控制力矩，控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。应认识到，上述示范性实施例中，感知单元坐标系{T}和机械臂基坐标系{R_B}的坐标轴的取向没有特别的限制，本领域技术人员可以根据具体情况选择。

本实施例中，所述控制单元4包括处理单元，用于根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂力雅可比变换获得调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩。此外，优选所述控制单元4还包括判断单元，用于根据接收的笛卡尔作用力信息，确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。

在主动调整模式下：若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力为一干扰值，则所述处理单元4便通知调整臂31上所有调整臂关节上的电机减小输出力矩，即使调整臂31上所有的调整臂关节做减速运动，直至外部干扰消失，以免发生人为误操作导致的机械位姿的调整；若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力不是干扰值，则所述处理单元在获得调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。

较佳的，所述控制单元4还包括一存储单元，所述存储单元存储预设置的阈值，所述阈值包括作用力阈值和时间阈值中的一种或多种。所述判断单元将所述笛卡尔作用力的大小与作用力阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。又如，所述判断单元将所述笛卡尔作用力的作用时间与时间阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。当然，所述判断单元可同时依据笛卡尔作用力的大小与作用力阈值的比较结果，以及笛卡尔作用力的作用时间与时间阈值的比较结果，以确定该笛卡尔作用力是否为干扰值。

在本申请实施例中，当笛卡尔作用力的大小大于所述作用力阈值，则所述判断单元判定该笛卡尔作用力不是干扰值；当所述笛卡尔作用力的大小小于或等于所述作用力阈值，则所述判断单元判定该笛卡尔作用力是干扰值。或者是，当笛卡尔作用力的作用时间大于所述时间阈值，则所述判断单元判定该笛卡尔作用力不是干扰值；当所述笛卡尔作用力的作用时间小于或等于所述时间阈值，则所述判断单元判定该笛卡尔作用力是干扰值。在此，考虑到有时候会误碰触工具臂32，而误碰触时所施加的笛卡尔作用力大小和时间往往是比较小的，因而据此设置一作用力阈值和时间阈值作为是否误碰触的判断，从而避免误碰触带来的误操作，提高了所述机械臂3操作的可靠性。

本发明对调整臂31、工具臂32的具体构型没有特别的要求。所述调整臂31具有至少四个自由度的空间构型，例如包括两个旋转自由度、一水平自由度及一摆动自由度。具体到本实施例中，如图2至图4所示，所述调整臂31的调整臂关节具体为四个，分别为依次连接的第一旋转关节301、水平移动关节302、摆动关节303和第二旋转关节304；所述第一旋转关节301的旋转轴线Z1垂直于水平移动关节302移动轴线；所述摆动关节303的旋转轴线Z2既垂直于水平移动关节302的移动轴线，又垂直于第一旋转关节301的旋转轴线Z1；所述第二旋转关节304的旋转轴线Z3被配置为平行于第一旋转关节301的旋转轴线Z1；所述第一旋转关节301用于与外部机构(例如图1中的立柱2)连接，所述第二旋转关节304与工具臂32连接。然而，在本申请的其他实施例中，所述调整臂31的调整臂关节具体数量可以为更多个或者更少个，本发明对此不作特别的限制。

所述第一旋转关节301可驱动整个机械臂3围绕第一旋转关节301的旋转轴线Z1旋转；所述水平移动关节302可驱动工具臂32作水平方向的运动；所述摆动关节303以摆动的方式驱动工具臂32作竖直方向的运动；所述第一旋转关节301和第二旋转关节304互为冗余，使调整更为精确，所述调整臂31的四个调整臂关节共同作用，使不动点RC可实现空间上的位置变换。

其中，本实施例对如何保持所述第二旋转关节304的旋转轴线Z3平行于第一旋转关节301的旋转轴线Z1的方法没有特别的限制。在一个优选实施例中，所述调整臂31还包括连接杆，测量装置和与所述测量装置通讯连接的第二电机。所述连接杆的近端与所述摆动关节303连接，远端与所述第二旋转关节304转动连接。所述摆动关节303摆动的角度被所述测量装置实时测量。所述第二电机，驱动所述第二旋转关节304与连接杆相对摆动，并根据所述摆动关节303摆动的角度驱动所述第二旋转关节304摆动，以使所述第二旋转关节304的旋转轴线Z3始终与所述第一旋转关节301的旋转轴线Z1平行。在一个优选实施例中，所述摆动关节303包括四个铰链形成的第一平行四边形结构，所述第一平行四边形结构的近端与所述第一旋转关节301的旋转轴线Z1平行，所述第一平行四边形的远端与所述第二旋转关节304连接，且与所述第二旋转关节304的旋转轴线Z3平行。如此所述第二旋转关节304的旋转轴线Z3始终与所述第一旋转关节301的旋转轴线Z1平行。

本实施例中，所述工具臂32为一不动点结构，即能够驱动与之连接的所述手术器械绕一不动点RC运动。例如，所述工具臂32具有多个自由度，如两个自由度(即工具臂32可以驱使所述手术器械绕所述不动点RC左右摆动，前后转动)，三个自由度(即工具臂32可以驱使所述手术器械绕所述不动点RC左右摆动，前后转动，上下移动)。

如图1至图4所示的实施例中，所述工具臂32包括三个自由度，能够驱使所述手术器械围绕第一轴线a摆动，能够驱使所述手术器械围绕第二轴线c转动，能够驱使所述手术器械沿移动轴线b移动，且所述不动点RC位于所述第一轴线a、移动轴线b以及第二轴线c的交点(三条轴线图中以虚线示意)。具体而言，所述工具臂32包括基关节305、第二平行四边形结构和伸缩关节307。所述基关节305围绕第一轴线a转动，以驱使所述手术器械围绕第一轴线a摆动。所述基关节305的近端与所述调整臂31连接，且远端与所述第二平行四边形结构连接。所述第二平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述第二平行四边形结构的末端与所述手术器械连接，且所述手术器械被配置为所述手术器械的轴线与所述远端杆的轴线相平行，以使所述第二平行四边形结构驱动所述手术器械围绕第二轴线转动。在本实施例中，所述第二平行四边形结构包括第一子平行四边形结构306a和与之相连的第二子平行四边形结构306b，形成双平行四边形结构，以驱动所述手术器械围绕第二轴线c转动。所述第一子平行四边形结构306a包括相互平行的第一近端杆和第一远端杆(图中未示出)。所述第二子平行四边形结构306b包括相互平行的第二近端杆和第二远端杆(图中未示出)。所述第一远端杆与所述第二近端杆相重合，或与所述第二远端杆相重合。所述第二子平行四边形结构306b的远端与所述伸缩关节307连接，所述伸缩关节307的移动轴线b与所述第二子平行四边形结构306b的第二远端杆的轴线平行，且所述伸缩关节307的移动轴线经过所述不动点RC。所述伸缩关节307与所述手术器械可拆卸连接，以驱动所述手术器械沿所述伸缩关节307的移动轴线b移动。

在另外一个实施例中，所述工具臂32还可以只包括两个自由度，即能够驱使所述手术器械围绕第一轴线a摆动，能够驱使所述手术器械围绕第二轴线c转动，且所述不动点RC位于所述第一轴线a和第二轴线c的交点。此时，所述工具臂32包括基关节305和第三平行四边形结构，所述第三平行四边形结构包括相互平行的近端杆和与之平行的远端杆。所述手术器械与所述第三平行四边形结构的远端可拆卸连接，且所述手术器械的轴线与所述第三平行四边形结构的远端杆的轴线平行。此时，所述手术器械的轴线经过所述不动点RC，所述第三平行四边形结构驱动所述手术器械围绕第二轴线c转动。本领域技术人员应理解所述工具臂32还可以包括其他结构来实现驱动所述手术器械围绕一不动点RC摆动，例如所述的工具臂包括基关节以及与之连接的圆弧导轨滑块结构。

进一步的，所述工具臂32还包括与控制单元4通讯连接的执行单元(未图示)，所述控制单元4用于控制所述执行单元解锁或锁定工具臂32上的各个工具臂关节。这里的执行单元为工具臂关节制动器、谐波减速器或其他对关节反向驱动造成较大阻力的元件或结构。当至少一个感知单元5布置于所述工具臂32时，所述控制单元4只有先通知所述执行单元锁定所述工具臂32上各个工具臂关节后，才接收笛卡尔作用力信息，并通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂31上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制所述调整臂31上各个调整臂关节上的电机的输出状态。当所述工具臂32上的各个工具臂关节全部被锁定此时，所述工具臂32视为一整体件，所述笛卡尔作用力可以传递至所述调整臂31。进一步，所述调整臂31也包括与控制单元4通讯连接的所述执行单元(未图示)，所述控制单元4用于控制所述执行单元解锁或锁定调整臂31上的各个调整臂关节。例如，前述调整臂31上的两个旋转关节、一个移动关节以及一个摆动关节均设有所述执行单元，以抱合或松离这些调整臂关节，以实现这些调整臂关节的制动。

本实施例中，所述机械臂3还包括检测单元，用于获取机械臂3上各个调整臂关节的转动角度，并将转动角度提供给相应的控制部分，所述控制部分根据接收的转动角度控制调整臂关节上电机的输出状态，以此控制各个调整臂关节的转动姿态。所述检测单元主要是位置传感器，如增量式编码器、旋转电位器等。

在一个实施例中，所述感知单元5包括应变片，所述应变片设置在第二旋转关节304与工具臂32连接处的内部，也可以设置在第二旋转关节304与工具臂32连接处的外部，还可以多个应变片既设置在第二旋转关节304与工具臂32连接处的内部以及外部。

在本申请的另一实施例中，所述感知单元5为连接调整臂31和工具臂32的具体结构件，通过在结构件上贴应变片并安装电路板形成具体的多维力传感器，该种方式可以更加合理的利用机械臂的结构。

最后，上述实施例对机械臂3的结构进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施例中所列举的机械臂3的结构，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

此外，本发明对于所述控制单元4的安装位置没有特别的限制，优选安装于所述机械臂3或立柱2上，从而直观、方便的就近调整所述机械臂3的位姿。

另外，本申请实施例还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括如上所述的机械臂3。进一步，所述手术机器人还包括立柱2，所述调整臂31与所述立柱2连接；所述立柱具有能够做竖直方向移动的竖直运动关节，和(或)能够做水平方向移动的水平运动关节。具体参考图1，并结合图2，本申请实施例中，与第一旋转关节301连接的为立柱2；所述立柱2具有一个悬吊端201，与第一旋转关节301连接。进一步的，所述立柱2设置于底座1上。所述底座1作为整个所述机械臂3的基座，支撑着全部的机械机构，其放置在地面，可在地面上移动，使所述机械臂3能够靠近或远离患者。所述立柱2与底座1紧固连接，但两者无相对的运动。优选的，所述立柱2具有一个竖直运动关节，能够做竖直方向的移动。较佳的，所述立柱2还具有一个能够做水平方向移动的水平运动关节，运动关节和伸缩关节可一起配置，也可分别单独配置。

综上所述，本发明提供的机械臂及对应的手术机器人具有如下有益效果：

本发明的机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元，所述感知单元能够感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元，且所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，能够在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。进而，在机械臂的主动或被动调整中，通过感知单元可以识别操作者对调整臂所施加的笛卡尔作用力，以使得控制单元可以根据识别的笛卡尔作用力，控制调整臂上各个调整臂关节上的电机的输出状态，从而调整各个调整臂关节的运动状态，以对外部的笛卡尔作用力作出积极主动的响应，以此提升机械臂调整的便利性，使用安全性和可靠性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (20)

1.一种机械臂，其特征在于，包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动所述调整臂关节运动的电机，用于调整所述不动点的空间位置；

其中，所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；

所述感知单元，设置于所述调整臂的末端和/或工具臂上，用于感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元；

所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收到的所述笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上的各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述感知单元设置于所述调整臂与所述工具臂相连接处。

3.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂具有主动调整模式；

在主动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。

4.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂具有被动调整模式；

在被动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机进行输出。

5.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元包括处理单元和判断单元，所述处理单元用于根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，所述判断单元用于在接收所述笛卡尔作用力信息后，判断所述笛卡尔作用力是否为干扰值；

在主动调整模式下，若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力是干扰值，所述处理单元控制所有所述调整臂关节上的电机减小输出；若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力不是干扰值，所述处理单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。

6.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元还包括一存储单元，所述存储单元存储阈值，所述阈值包括作用力阈值和/或时间阈值；

所述判断单元将所述笛卡尔作用力的大小与一作用力阈值进行比较，和/或，将所述笛卡尔作用力的作用时间与一时间阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。

7.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述感知单元为三维力传感器，或者六维力传感器。

8.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述工具臂还包括执行单元，所述执行单元与所述控制单元通讯连接；所述控制单元控制所述执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节，或所述控制单元控制所述执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节和所述调整臂上的各个调整臂关节。

9.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述调整臂包括依次连接的第一旋转关节、水平移动关节、摆动关节和第二旋转关节，所述第一旋转关节的旋转轴线垂直于所述水平移动关节的移动轴线，所述摆动关节的旋转轴线同时与所述第一旋转关节的旋转轴线以及所述水平移动关节的移动轴线相垂直，所述第二旋转关节的旋转轴线被配置为与所述第一旋转关节的旋转轴线平行；

其中，所述第一旋转关节用于与外部机构连接，所述第二旋转关节与所述工具臂连接，所述感知单元设置于所述第二旋转关节与所述工具臂连接处。

10.如权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述感知单元设置在所述第二旋转关节与所述工具臂相连接部位的内部和/或外部。

11.如权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述摆动关节包括四个铰链形成的平行四边形结构，所述平行四边形结构的近端与所述第一旋转关节的旋转轴线平行，所述平行四边形的远端与所述第二旋转关节连接，且与所述第二旋转关节的旋转轴线平行。

12.如权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述调整臂包括一转动连接所述摆动关节和所述第二旋转关节的连接杆，一用于测量所述摆动关节摆动角度的测量装置以及一驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机；

所述测量装置与驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机通讯连接，驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机根据所述测量装置传输的所述摆动关节摆动的角度驱动所述第二旋转关节摆动，以使所述第二旋转关节的旋转轴线与所述第一旋转关节的旋转轴线相平行。

13.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述工具臂还包括一基关节和一平行四边形结构；

所述基关节围绕第一轴线摆动，以驱使所述手术器械围绕所述第一轴线摆动，并且所述基关节的近端与所述调整臂连接，远端与所述平行四边形结构连接；

所述平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述平行四边形结构的远端与所述手术器械连接，且所述手术器械被配置为所述手术器械的轴线与所述远端杆的轴线相平行，以使所述平行四边形结构驱动所述手术器械围绕一第二轴线转动；

所述不动点位于所述第一轴线和所述第二轴线的交点。

14.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述工具臂还包括一基关节、一平行四边形结构和一伸缩关节；

所述基关节围绕一第一轴线摆动，以驱使所述手术器械围绕所述第一轴线摆动，并且所述基关节的近端与所述调整臂连接，远端与所述平行四边形结构连接；

所述平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述平行四边形结构用于使所述平行四边形结构驱动所述手术器械围绕一第二轴线转动；

所述伸缩关节与所述平行四边形结构的所述远端杆相连接，所述伸缩关节的移动轴线与所述平行四边形的所述远端杆的轴线平行，所述伸缩关节与所述手术器械可拆卸连接，以驱动所述手术器械沿所述伸缩关节的移动轴线移动；

所述不动点位于所述第一轴线、第二轴线和移动轴线的交点。

15.一种如权利要求1～14中任一项所述的机械臂的工作方法，其特征在于，所述机械臂的工作方法包括：

锁定所述工具臂上的各个工具臂关节，通过所述感知单元感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力；

根据所述调整臂所受到的所述笛卡尔作用力，所述控制单元通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上的各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。

16.如权利要求15所述的机械臂的工作方法，其特征在于，所述机械臂具有主动调整模式和/或被动调整模式；

在主动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出；

和/或，在被动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机进行输出。

17.如权利要求16所述的机械臂的工作方法，其特征在于，在主动调整模式下，所述控制单元在接收所述笛卡尔作用力后，还判断所述笛卡尔作用力是否为干扰值；

若是，所述控制单元控制所有所述调整臂上的电机减小输出；若否，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。

18.如权利要求17所述的机械臂的工作方法，其特征在于，所述控制单元判断所述笛卡尔作用力是否为干扰值的过程包括：

所述控制单元将所述笛卡尔作用力的大小与一作用力阈值比较，和/或，将所述笛卡尔作用力的作用时间与一时间阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。

19.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括如权利要求1～14中任一项所述的机械臂。

20.如权利要求19所述的手术机器人，其特征在于，所述手术机器人还包括一立柱，所述调整臂与所述立柱连接；所述立柱具有能够做竖直方向运动的竖直运动关节，和/或能够做水平方向运动的水平运动关节。

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