CN109009448B - 一种具有远程运动中心的并联式手术机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有远程运动中心的并联式手术机器人，该机器人包括机器人主体、机器人定位系统和手术台。机器人主体包括两个支链、丝杠、手术刀和机器人底座，两个支链均为平面连杆机构，结构相同，组成并联机构。每条支链由两个电机驱动，两支链末端动平台分别由旋转副和螺旋副与丝杠相连，丝杠末端安装有手术刀。通过支链的安装方式，以保证手术刀的轴线位于两支链所在平面的相交线上，该线通过远程运动中心。机器人主体通过机器人定位系统安装在手术台上。该装置具有三个平动自由度和一个转动自由度，本发明由于采用并联构型，具有结构紧凑，精度较高、稳定性较好的特点。

Description

一种具有远程运动中心的并联式手术机器人

技术领域

本发明涉及器人领域，具体是一种具有远程运动中心的并联式手术机器人。

背景技术

微创是外科的重要发展趋势，是对传统外科的一场深刻技术革命。微创外科通过微小创伤或自然通道将特殊器械、物理能量或化学药剂送入人体内部，完成对人体内病变、畸形、创伤的灭活、切除、修复或重建等外科手术操作而达到治疗目的的医学科学分支。其突出特点是创伤小，可以减少术后并发症和后遗症，有利于机体内环境稳定与功能恢复。

手术机器人是实现外科手术伤口微创化、器械微型化、设备智能化和信息数字化的重要手段。手术机器人的使用突破了传统微创手术的局限，将微创手术的精度和水平提升到了新的高度，大大降低了病人的痛苦和手术创伤，缩短了康复时间。同时手术机器人具有自动纠错功能，可以克服医生在操纵手术工具时的手臂抖动，避免操作失误的出现，减轻了医生的疲劳强度。美国Computer Motion公司于1998年推出ZEUS微创手术操作机器人，该系统采用主从操作技术；1999年美国Intuitive Surgical公司研制出DaVinci系统，并于2001年通过美国联邦视频及药物管理局FDA)认证，成为第一个合法的商品化手术机器人，在临床应用中取得了很好的效果。国内研究虽然起步较晚，但也于2010年研制出MircoHandA系统，并成功进行了动物实验。

微创手术要求机器人必须能够具有远程运动中心。远程运动中心 RemoteCenter-of-Motion(RCM))机构可以使机构末端执行器绕其上某固定点做旋转运动，而且该虚拟固定点在机构远端。为了达成RCM，上述手术机器人均为串联构型，具有6个或以上自由度。上述机构具有以下缺点：⑴、而随着串联支链的增多，各个关节的误差是叠加的，累积误差可能会降低机器人末端手术装置的精度；⑵、机器人的自由度的增多，会降低末端执行器的稳定性。

针对现有机构的缺点，在明确了微创手术应用背景需求之后，可以设计具有远程运动中心机构的并联机器人，达到比通用结构更简单、易于控制且成本低廉的效果。而且并联机构具有误差不累积、刚度更高、稳定性更好的特点，可以解决现有机构存在的缺陷，因此提出一种具有远程运动中心、结构合理、精度较高、稳定性较好的并联手术机器人很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有远程运动中心的并联式手术机器人，以期达到比通用结构更简单、易于控制且成本低廉的效果；而且并联机构具有误差不累积、刚度更高、稳定性更好的特点，从而解决现有机构存在的结构不紧凑、运动精度低以及稳定性较差等缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种具有远程运动中心的并联式手术机器人，该并联式手术机器人包括机器人主体、机器人定位系统和手术台，其特征在于：所述机器人主体包括第一支链、第二支链、丝杠、手术刀和机器人底座；所述第一支链包括第一支链座、第一支链铰链座、第一支链电机A14、第一支链电机B、第一支链短杆、第一支链连杆A、第一支链连杆B和第一支链动平台；

所述第一支链座固定在机器人底座上，第一支链铰链座安装在第一支链座上；第一支链电机A安装在第一支链铰链座上，第一支链短杆与第一支链电机A的输出轴固定连接；第一支链电机B安装在第一支链短杆上，第一支链连杆A与第一支链电机B输出轴固定连接；所述第一支链短杆、第一支链连杆A、第一支链连杆B和第一支链动平台构成一平面连杆机构；所述第二支链和第一支链的结构相同；第一支链铰链座的轴线与第二支链铰链座的轴线相交于一点；第二支链短杆、第二支链连杆A、第二支链连杆B和第二支链动平台亦构成平面连杆机构；第一支链和第二支链形成并联机构；手术刀轴线位于两支链所在平面的相交线上；

所述丝杠通过旋转副与第一支链动平台相连，第二支链动平台通过丝杠套筒安装在丝杠上，手术刀固定在丝杠上。

本发明所述的机器人定位系统，其特征在于：所述机器人定位系统包括机器人上定位臂、机器人下定位臂和定位导轨滑轨机构；定位导轨滑轨机构安装在手术台上，机器人上定位臂一端通过转动副与机器人主体相连，另一端与机器人下定位臂的一端连接；机器人下定位臂的另一端通过转动副安装在机定位导轨滑轨机构上。

本发明基于并联机构，提出了一种具有远程运动中心的手术机器人，可实现三个平动自由度和一个转动自由度的空间运动，并且具有远程运动中心，满足微创手术的应用要求，比通用的串联式机器人结构更简单、易于控制且成本低廉。由于并联机构具有刚度高、稳定性好、误差不累积等特点，可以有效提高系统的稳定性，并减小关节误差的累积。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明机器人主体的结构示意图。

图3是本发明第一支链的结构示意图。

图4是本发明第二支链的结构示意图。

图5是本发明的远程运动中心示意图。

图中：1-机器人主体；2-机器人上定位臂；3-机器人下定位臂；4-定位导轨滑轨机构；5-手术台；6-机器人底座；7-丝杠套筒、8-丝杠、9-手术刀、10a-第一支链、10b-第二支链、 11-第一支链座、12-第一支链铰链座、13-第一支链短杆、14-第一支链电机A、15-第一支链电机B、16-第一支链连杆A、17-第一支链连杆B、18-第一支链动平台、21-第二支链支链座、 22-第二支链铰链座、23-第二支链短杆、24-第二支链电机A、25-第二支链电机B、26-第二支链连杆A、27-第二支链连杆B、28-第二支链动平台。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明提出的手术机器人做进一步详细说明：

本发明提出的一种具有远程运动中心的并联式手术机器人，如图1所示，该并联式手术机器人包括机器人主体1、机器人定位系统和手术台5；所述机器人定位系统包括机器人上定位臂2、机器人下定位臂3和定位导轨滑轨机构4；定位导轨滑轨机构4安装在手术台上5；机器人上定位臂2和机器人下定位臂3通过转动副相连，机器人上定位臂2的一端通过转动副与机器人主体1连接，机器人下定位臂3通过转动副安装在机器人定位导轨滑轨机构4的滑块上，在滑块的移动副和定位臂的转动副共同作用下，机器人主体1可以在三维空间内任意位置进行定位。

图2是本发明机器人主体1的结构示意图，所述机器人主体1包括第一支链10a、第二支链10b、机器人底座6、丝杠套筒7、丝杠8和手术刀9；第一支链和第二支链分别安装在机器人底座6上；两条支链通过丝杠8相连，共同带动手术刀9运动。第一支链和第二支链组成并联机构。

图3是本发明第一支链10a的结构示意图，所述第一支链10a包括第一支链座11、第一支链铰链座12、第一支链电机A14、第一支链电机B15、第一支链短杆13、第一支链连杆A16、第一支链连杆B17和第一支链动平台18。所述第一支链座11固定在机器人底座6上，第一支链铰链座12安装在第一支链座11上；第一支链电机A14安装在第一支链铰链座12 上，第一支链短杆13与第一支链电机A的输出轴固定连接，驱动第一支链短杆13转动；第一支链电机B15安装在第一支链短杆13上，第一支链连杆A16与第一支链电机B输出轴固定连接，驱动第一支链连杆A16转动。所述第一支链短杆13、第一支链连杆A16、第一支链连杆B17和第一支链动平台18构成一平面连杆机构。

图4是本发明第二支链10b的结构示意图，从图中可以看出，所述第二支链和第一支链的结构相同；所述第二支链10b包括第二支链座21、第二支链铰链座22、第二支链短杆23、第二支链电机A24、第二支链电机B25、第二支链连杆A26、第二支链连杆B27和第二支链动平台28；所述第二支链座21固定在机器人底座6上，第二支链铰链座22安装在第二支链座21上；第二支链电机A24安装在第二支链铰链座22上，第二支链短杆23与第二支链电机A24的输出轴固定连接，驱动第二支链短杆23转动；第二支链电机B25安装在第二支链短杆23上，第二支链连杆A26与第二支链电机B25输出轴固定连接，驱动第二支链连杆A26 转动。第二支链短杆23、第二支链连杆A26、第二支链连杆B27和第二支链动平台28亦构成平面连杆机构；第一支链10a和第二支链10b形成并联机构；手术刀9轴线位于两支链所在平面的相交线上。

所述丝杠8通过旋转副与第一支链动平台18相连，第二支链动平台28通过丝杠套筒7 安装在丝杠8上，手术刀9固定在丝杠8的底端，第一支链铰链座12的轴线与第二支链铰链座22的轴线相交于一点。

所述丝杠8通过旋转副与第一支链动平台18相连，丝杠套筒7安装在第二支链动平台 28上，丝杠8与丝杠套筒7通过螺旋副相连，手术刀9固定在丝杠8上，两者轴线共线。

如图5所示，第一支链10a和第二支链10b都是平面连杆机构，安装时只要保证第一支链铰链座12的轴线与第二支链铰链座22的轴线相交于一点，则第一支链10a所在的平面和第二支链10b所在平面的相交线就会通过该交点，该点即为远程运动中心，手术刀9的轴线位于两支链平面的相交线上，所以手术刀9可以通过远程运动中心。

所述两条支链均为驱动分支，第一支链10a通过第一支链电机A14和第一支链电机B15 驱动第一支链动平台18运动，第二支链10b通过第二支链电机A24和第二支链电机B25驱动第二支链动平台28运动，第一支链动平台18沿x、y、z轴的运动带动手术刀9的刀尖点沿x、y、z轴平动，第一支链动平台18与第二支链动平台28之间的相对平动通过丝杠传动转化为手术刀9绕手术刀自身转轴的旋转运动，所以手术刀9具有沿x、y、z轴的三个平动自由度和一个绕手术刀轴的旋转自由度。

在进行手术时，首先通过机器人上定位臂2、机器人下定位臂3和定位导轨滑轨机构4 调整机器人主体1的位置，使得远程运动中心移动到微创手术的创口处，然后通过控制第一支链电机A14、第一支链电机B15、第二支链电机A24和第二支链电机B25驱动手术刀9运动，让手术刀9通过远程运动中心进入患者体内，在患者体内进行四自由度的运动，以完成手术任务。

Claims (1)

1.一种具有远程运动中心的并联式手术机器人，该并联式手术机器人包括机器人主体(1)、机器人定位系统和手术台(5)，其特征在于：所述机器人主体(1)包括第一支链(10a)、第二支链(10b)、丝杠(8)、手术刀(9)和机器人底座(6)；所述第一支链(10a)包括第一支链座(11)、第一支链铰链座(12)、第一支链电机A(14)、第一支链电机B(15)、第一支链短杆(13)、第一支链连杆A(16)、第一支链连杆B(17)和第一支链动平台(18)；

所述第一支链座(11)固定在机器人底座(6)上，第一支链铰链座(12)安装在第一支链座(11)上；第一支链电机A(14)安装在第一支链铰链座(12)上，第一支链短杆(13)与第一支链电机A的输出轴固定连接；第一支链电机B(15)安装在第一支链短杆(13)上，第一支链连杆A(16)与第一支链电机B输出轴固定连接；所述第一支链短杆(13)、第一支链连杆A(16)、第一支链连杆B(17)和第一支链动平台(18)构成一平面连杆机构；所述第二支链(10b)和第一支链(10a)的结构相同；第二支链短杆(23)、第二支链连杆A(26)、第二支链连杆B(27)和第二支链动平台(28)亦构成平面连杆机构；第一支链(10a)和第二支链(10b)形成并联机构；手术刀(9)轴线位于两支链所在平面的相交线上；第一支链铰链座(12)的轴线与第二支链铰链座(22)的轴线相交于一点；

所述丝杠(8)通过旋转副与第一支链动平台(18)相连，第二支链动平台(28)通过丝杠套筒(7)安装在丝杠上，手术刀(9)固定在丝杠(8)的底端上；第一支链动平台(18)与第二支链动平台(28)之间的相对平动通过丝杠传动转化为手术刀(9)绕手术刀自身转轴的旋转运动，手术刀(9)具有沿x、y、z轴的三个平动自由度和一个绕手术刀轴的旋转自由度；

所述机器人定位系统包括机器人上定位臂(2)、机器人下定位臂(3)和定位导轨滑轨机构(4)；定位导轨滑轨机构(4)安装在手术台(5)上，机器人上定位臂(2)一端通过转动副与机器人主体相连，另一端与机器人下定位臂(3)的一端连接；机器人下定位臂的另一端通过转动副安装在机定位导轨滑轨机构(4)上。

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