CN109771035A - 六自由度机械手臂及采用该机械手臂的肺穿刺机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种六自由度机械手臂及采用该机械手臂的肺穿刺机器人，包括机械手末端装置、四个直线运动机构和两个旋转运动机构，第二旋转运动机构与机械手末端装置连接，以带动机械手末端旋转，第一旋转运动机构与第二旋转运动机构连接，以带动机械手末端装置和第二旋转运动机构整体旋转，第三直线运动机构与第一旋转运动机构连接，以带动机械手末端装置前后移动，第二直线运动机构与第三直线运动机构连接，以带动机械手末端装置左右移动，第一直线运动机构与第二直线运动机构连接，以带动机械手末端装置上下移动，机械手末端装置设置有第四直线运动机构和穿刺针。本申请解决了穿刺用机械手臂运动路径不直观和操控性差的技术问题。

Description

六自由度机械手臂及采用该机械手臂的肺穿刺机器人

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种六自由度机械手臂及采用该机械手臂的肺穿刺机器人。

背景技术

在医院的临床工作中，穿刺是一种比较常见的治疗手段。穿刺，例如胸腔穿刺是指用消毒过的针刺经皮肤、肋间组织、壁层胸膜穿刺进入胸膜腔的操作。

现阶段，在市场上或研究用的肺穿刺机器人使用的机械手臂大多为多自由度旋转关节式机械臂，这种机械臂常用于各种工业设备上，运用在医疗机器人上时，由于旋转运动路径无法直观观察，旋转自由度越多末端位置的运动路径越不明显，医生通过手动操作机械臂到达指定位置的难度大大增加，因此，在狭窄空间中操作时会存在较大的安全风险。另外，传统的直角坐标型机械手臂，只能到达三维空间中正交的任意点，无法调整机械手臂倾斜度等姿态，无法适用于穿刺工作。

针对相关技术中穿刺用机械手臂运动路径不直观和操控性差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种六自由度机械手臂及采用该机械手臂的肺穿刺机器人，以解决穿刺用机械手臂运动路径不直观和操控性差的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种六自由度机械手臂。

根据本申请的六自由度机械手臂，包括：机械手末端装置、可带动所述机械手末端装置做直线运动的第一直线运动机构、第二直线运动机构和第三直线运动机构，以及带动所述机械手末端装置做旋转运动的第一旋转运动机构和第二旋转运动机构，所述第二旋转运动机构与所述机械手末端装置连接，所述第一旋转运动机构与所述第二旋转运动机构连接，以通过所述第二旋转运动机构带动所述机械手末端装置旋转，并通过所述第一旋转运动机构带动所述第二旋转运动机构和所述机械手末端装置整体进行旋转，所述第三直线运动机构与所述第一旋转运动机构连接，以通过所述第三直线运动机构带动所述机械手末端装置前后移动，所述第二直线运动机构与所述第三直线运动机构连接，所述第二直线运动机构和所述第三直线运动机构均沿水平方向且相互垂直设置，以通过所述第二直线运动机构带动所述机械手末端装置左右移动，所述第一直线运动机构与所述第二直线运动机构连接，以通过所述第一直线运动机构带动所述机械手末端装置上下移动，

所述机械手末端装置上设置有第四直线运动机构和穿刺针，所述穿刺针与所述第四直线运动机构连接，以通过所述第四直线运动机构带动所述穿刺针沿所述第四直线运动机构的运动方向移动。

进一步的，所述第一直线运动机构为滚珠丝杠，所述第一直线运动机构的端部设置有第一驱动电机，所述第一驱动电机的输出轴与所述第一直线运动机构连接，所述第一直线运动机构上套设有第一丝杠螺母，所述第二直线运动机构连接在所述第一丝杠螺母上。

进一步的，所述第二直线运动机构为滚珠丝杠，所述第二直线运动机构固定在沿水平方向设置的第一移动板上，所述第一移动板的一端与所述第一丝杠螺母连接，所述第二直线运动机构的端部设置有第二驱动电机，所述第二驱动电机的输出轴与所述第二直线运动机构连接，所述第二直线运动机构上套设有第二丝杠螺母，所述第三直线运动机构连接在所述第二丝杠螺母上。

进一步的，所述第三直线运动机构为滚珠丝杠，所述第三直线运动机构固定在沿水平方向设置的第二移动板的底部，所述第二移动板的顶部通过第一连接件与所述第二丝杠螺母连接，所述第三直线运动机构的端部设置有第三驱动电机，所述第三驱动电机的输出轴与所述第三直线运动机构连接，所述第三直线运动机构上套设有第三丝杠螺母，所述第一旋转运动机构连接在所述第三丝杠螺母上。

进一步的，所述第一旋转运动机构包括第一旋转轴和第四驱动电机，所述第一旋转轴沿水平方向设置，所述第四驱动电机的输出轴与所述第一旋转轴的一端连接，所述第二旋转运动机构与所述第一旋转轴的另一端连接。

进一步的，所述第二旋转运动机构包括第二旋转轴、第五驱动电机和旋转轴连接件，所述旋转轴连接件与所述第一旋转轴连接，所述第二旋转轴套设在所述旋转轴连接件的中部，所述第五驱动电机的输出轴与所述第二旋转轴的一端连接，机械手末端装置与所述第二旋转轴的另一端连接。

进一步的，所述第四直线运动机构为滚珠丝杠，所述第四直线运动机构的端部设置有第六驱动电机，所述第六驱动电机的输出轴与所述第四直线运动机构连接，所述第四直线运动机构上套设有第四丝杠螺母，所述穿刺针连接在所述第四丝杠螺母上。

进一步的，所述机械手末端装置包括穿刺针和对所述穿刺针进行固定的夹持机构，所述夹持机构的一端与所述第四直线运动机构连接，所述穿刺针可拆卸的安装在所述夹持机构的另一端。

进一步的，所述六自由度机械手臂还包括底座，所述第一直线运动结构固定在所述底座上，所述底座的底端开设有用于对所述底座进行固定的多个螺纹孔。

为了实现上述目的，根据本申请的另一个方面，提供了一种肺穿刺机器人。

根据本申请的肺穿刺机器人，包括：机器人本体和上述的六自由度机械手臂，所述六自由度机械手臂安装在所述机器人本体上。

在本申请实施例中，通过设置四个直线运动机构和两个旋转运动机构与机械手末端装置连接，通过第二旋转运动机构可带动机械手末端装置旋转，并通过第一旋转运动机构可带动第二旋转运动机构和机械手末端装置整体进行旋转，通过第三直线运动机构可带动机械手末端装置前后移动，通过第二直线运动机构可带动机械手末端装置左右移动，通过第一直线运动机构可带动机械手末端装置上下移动，通过第四直线运动机构带动机械手末端装置上的穿刺针沿第四直线运动机构的运动方向移动，使得机械手末端装置具有在三维空间内正交的三个平移自由度和两个旋转自由度，另外，安装在机械手末端装置上的穿刺针具有一个平移自由度，因此达到了穿刺针在三维空间内六自由度的设置，从而满足了穿刺针可运动到达三维空间的任意位置和任意姿态的要求，大大提高穿刺手术的灵活性。另外，四个直线运动机构和两个旋转运动机构均为独立的运动机构，保证穿刺针的运动路径更加直观，通过操控可使穿刺针顺利到达指定位置，操控的便捷性和安全性大大提高，从而实现了对穿刺针安全操控的技术效果，进而解决了穿刺用机械手臂运动路径不直观和操控性差的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明六自由度机械手臂的结构示意图；

图2是本发明六自由度机械手臂中机械手末端装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请涉及一种六自由度机械手臂，该六自由度机械手臂包括机械手末端装置13、第一直线运动机构2、第二直线运动机构4、第三直线运动机构6、第一旋转运动机构7、第二旋转运动机构8和底座1，第一直线运动机构2、第二直线运动机构4和第三直线运动机构6用于带动机械手末端装置13在三维空间内做正交的直线运动(即X轴、Y轴和Z轴直线运动)，第一旋转运动机构7和第二旋转运动机构8用于带动机械手末端装置13做旋转运动，机械手末端装置13上设置有第四直线运动机构9和穿刺针11，穿刺针11与第四直线运动机构9连接，以通过第四直线运动机构9带动穿刺针11沿第四直线运动机构9的运动方向移动，完成穿刺针11的进针和退针动作。第二旋转运动机构8与机械手末端装置13连接，第一旋转运动机构7与第二旋转运动机构8连接，以通过第二旋转运动机构8带动机械手末端装置13旋转，并通过第一旋转运动机构7带动第二旋转运动机构8和机械手末端装置13整体进行旋转，第三直线运动机构6与第一旋转运动机构7连接，以通过第三直线运动机构6带动第一旋转运动机构7、第二旋转运动机构8和机械手末端装置13整体进行前后移动，第二直线运动机构4与第三直线运动机构6连接，第二直线运动机构4和第三直线运动机构6均沿水平方向且相互垂直设置，以通过第二直线运动机构4带动第三直线运动机构6、第一旋转运动机构7、第二旋转运动机构8和机械手末端装置13整体进行左右移动，第一直线运动机构2与第二直线运动机构4连接，以通过第一直线运动机构2带动第二直线运动机构4、第三直线运动机构6、第一旋转运动机构7、第二旋转运动机构8和机械手末端装置13整体进行上下移动，第一直线运动结构2固定在底座1上，底座1的底端开设有用于对底座1进行固定的多个螺纹孔，可通过螺纹孔对底座1进行固定安装。本申请中通过设置四个直线运动机构和两个旋转运动机构与机械手末端装置13连接，使得机械手末端装置13具有在三维空间内正交的三个平移自由度和两个旋转自由度，另外，安装在机械手末端装置13上的穿刺针11具有一个平移自由度，因此达到了穿刺针11在三维空间内六自由度的设置，满足了穿刺针11可运动到达三维空间的任意位置的要求，大大提高穿刺手术的灵活性。另外，四个直线运动机构和两个旋转运动机构均为独立的运动机构，保证穿刺针11的运动路径更加直观，通过操控可使穿刺针11顺利到达指定位置，操控的便捷性和安全性大大提高。

如图1所示，第一直线运动机构2为滚珠丝杠，第一直线运动机构2沿竖直方向固定在底座1的侧壁上，第一直线运动机构2的端部设置有第一驱动电机201，第一驱动电机201的输出轴与第一直线运动机构2连接，第一直线运动机构2上套设有第一丝杠螺母，第二直线运动机构4连接在第一丝杠螺母上，通过第一驱动电机201带动第一丝杠螺母在第一直线运动机构2的运动方向上进行上下移动。

如图1所示，第二直线运动机构4为滚珠丝杠，第二直线运动机构4沿水平方向设置，并且固定在沿水平方向设置的第一移动板3上，第一移动板3的一端与第一直线运动机构2上第一丝杠螺母连接，第二直线运动机构4的端部设置有第二驱动电机401，第二驱动电机401的输出轴与第二直线运动机构4连接，第二直线运动机构4上套设有第二丝杠螺母，第三直线运动机构6连接在第二丝杠螺母上，通过第二驱动电机401带动第二丝杠螺母在第二直线运动机构4的运动方向上进行左右移动。

如图1所示，第三直线运动机构6为滚珠丝杠，第三直线运动机构6沿水平方向设置，且第三直接运动机构6在水平方向上的设置方向与第二直线运动机构4在水平方向上的设置方向互相垂直。第三直线运动机构6固定在沿水平方向设置的第二移动板5的底部，第二移动板5的顶部通过第一连接件402与第二直线运动机构4上的第二丝杠螺母连接，第三直线运动机构6的端部设置有第三驱动电机，第三驱动电机的输出轴与第三直线运动机构6连接，第三直线运动机构6上套设有第三丝杠螺母601，第一旋转运动机构7连接在第三丝杠螺母601上，通过第三驱动电机带动第三丝杠螺母601在第三直线运动机构6的运动方向上进行前后移动。

如图1所示，第一旋转运动机构7包括第一旋转轴701和第四驱动电机702，第一旋转轴701沿水平方向设置，第一旋转轴701通过固定件可旋转的连接在第三丝杠螺母601上，第四驱动电机702的输出轴与第一旋转轴701的一端连接，第二旋转运动机构8与第一旋转轴701的另一端连接，通过第四驱动电机702带动第一旋转轴701转动，从而带动第二旋转运动机构8和机械手末端装置13以第一旋转轴701为轴进行旋转。

如图1所述，第二旋转运动机构8包括第二旋转轴、第五驱动电机801和旋转轴连接件802，旋转轴连接件802与第一旋转轴701连接，第二旋转轴套设在旋转轴连接件802的中部，第二旋转轴可在旋转轴连接件802上进行旋转，第五驱动电机801的输出轴与第二旋转轴的一端连接，机械手末端装置13与第二旋转轴的另一端连接，通过第五驱动电机801带动第二旋转轴转动，从而带动第机械手末端装置13在第二旋转轴上进行旋转。

如图1、图2所示，第四直线运动机构9为滚珠丝杠，第四直线运动机构9的端部设置有第六驱动电机901，第六驱动电机901的输出轴与第四直线运动机构9连接，第四直线运动机构9上套设有第四丝杠螺母902，穿刺针11连接在第四丝杠螺母902上，通过第六驱动电机901带动第四丝杠螺母902在第四直线运动机构9上进行移动，从而带动穿刺针11完成进针和退针动作。

如图2所示，机械手末端装置13包括穿刺针11和对穿刺针11进行固定的夹持机构10，夹持机构10的一端与第四直线运动机构9上的第四丝杠螺母902连接，穿刺针11可拆卸的安装在夹持机构10的另一端。

具体的，如图2所示，夹持机构10为圆柱形杆状结构，夹持机构10上开设有固定通孔，并在夹持机构10上拧有紧固螺钉12，拧紧紧固螺钉12过程中，紧固螺钉12会对从固定通孔中穿过的穿刺针11进行挤压，进而将穿刺针11固定在固定通孔中。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

通过四个直线运动机构和两个旋转运动机构与机械手末端装置13连接，通过第二旋转运动机构8可带动机械手末端装置13旋转，并通过第一旋转运动机构7可带动第二旋转运动机构8和机械手末端装置13整体进行旋转，通过第三直线运动机构6可带动机械手末端装置13前后移动，通过第二直线运动机构4可带动机械手末端装置13左右移动，通过第一直线运动机构2可带动机械手末端装置13上下移动，通过第四直线运动机构9带动穿刺针11完成进针和退针的动作，使得穿刺针11具有在三维空间内正交的三个平移自由度和两个旋转自由度，以及进针和退针的运动自由度，从而满足了穿刺针11可运动到达三维空间的任意位置和任意姿态，并完成穿刺的工作要求，大大提高穿刺手术的灵活性。第一直线运动机构2、第二直线运动机构4、第三直线运动机构6、第一旋转运动机构7和第二旋转运动机构8均通过驱动电机进行控制，能够实现大行程高速运动，提高操控者的操作效率和精度。另外，四个直线运动机构和两个旋转运动机构均为独立的运动机构，便于操控者直观观察穿刺针11的运动路径，保证操控者能够顺利操控穿刺针11到达指定位置，操控的便捷性和安全性大大提高。

本申请涉及一种肺穿刺机器人，该肺穿刺机器人包括机器人本体和上述的六自由度机械手臂，六自由度机械手臂安装在机器人本体上。

该肺穿刺机器人在工作过程中，通过第一直线运动机构2、第二直线运动机构4和第三直线运动机构6可使穿刺针11到达三维空间内正交的任意位置上，再通过第一旋转运动机构7和第二旋转运动机构8可对机械手末端装置13的姿态进行调整，进而控制穿刺针11的穿刺角度，最后通过第四直线运动机构9来执行穿刺针11的进针和退针动作，完成穿刺操作。

本申请的肺穿刺机器人具有六自由度机械手臂，相比于旋转关节式机械手臂，该六自由度机械手臂运动路径更加直观、安全性更高；相比于直角坐标型机械手臂，该六自由度机械手臂不仅具有直线运动的自由度，还具有旋转运动的自由度，保证穿刺针11能够随意调整姿态，灵活性大大提高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六自由度机械手臂，其特征在于，包括：机械手末端装置(13)、可带动所述机械手末端装置(13)做直线运动的第一直线运动机构(2)、第二直线运动机构(4)和第三直线运动机构(6)，以及带动所述机械手末端装置(13)做旋转运动的第一旋转运动机构(7)和第二旋转运动机构(8)，所述第二旋转运动机构(8)与所述机械手末端装置(13)连接，所述第一旋转运动机构(7)与所述第二旋转运动机构(8)连接，以通过所述第二旋转运动机构(8)带动所述机械手末端装置(13)旋转，并通过所述第一旋转运动机构(7)带动所述第二旋转运动机构(8)和所述机械手末端装置(13)整体进行旋转，所述第三直线运动机构(6)与所述第一旋转运动机构(7)连接，以通过所述第三直线运动机构(6)带动所述机械手末端装置(13)前后移动，所述第二直线运动机构(4)与所述第三直线运动机构(6)连接，所述第二直线运动机构(4)和所述第三直线运动机构(6)均沿水平方向且相互垂直设置，以通过所述第二直线运动机构(4)带动所述机械手末端装置(13)左右移动，所述第一直线运动机构(2)与所述第二直线运动机构(4)连接，以通过所述第一直线运动机构(2)带动所述机械手末端装置(13)上下移动，

所述机械手末端装置(13)上设置有第四直线运动机构(9)和穿刺针(11)，所述穿刺针(11)与所述第四直线运动机构(9)连接，以通过所述第四直线运动机构(9)带动所述穿刺针(11)沿所述第四直线运动机构(9)的运动方向移动。

2.根据权利要求1所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述第一直线运动机构(2)为滚珠丝杠，所述第一直线运动机构(2)的端部设置有第一驱动电机(201)，所述第一驱动电机(201)的输出轴与所述第一直线运动机构(2)连接，所述第一直线运动机构(2)上套设有第一丝杠螺母，所述第二直线运动机构(4)连接在所述第一丝杠螺母上。

3.根据权利要求2所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述第二直线运动机构(4)为滚珠丝杠，所述第二直线运动机构(4)固定在沿水平方向设置的第一移动板(3)上，所述第一移动板(3)的一端与所述第一丝杠螺母连接，所述第二直线运动机构(4)的端部设置有第二驱动电机(401)，所述第二驱动电机(401)的输出轴与所述第二直线运动机构(4)连接，所述第二直线运动机构(4)上套设有第二丝杠螺母，所述第三直线运动机构(6)连接在所述第二丝杠螺母上。

4.根据权利要求3所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述第三直线运动机构(6)为滚珠丝杠，所述第三直线运动机构(6)固定在沿水平方向设置的第二移动板(5)的底部，所述第二移动板(5)的顶部通过第一连接件(402)与所述第二丝杠螺母连接，所述第三直线运动机构(6)的端部设置有第三驱动电机，所述第三驱动电机的输出轴与所述第三直线运动机构(6)连接，所述第三直线运动机构(6)上套设有第三丝杠螺母(601)，所述第一旋转运动机构(7)连接在所述第三丝杠螺母(601)上。

5.根据权利要求4所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述第一旋转运动机构(7)包括第一旋转轴(701)和第四驱动电机(702)，所述第一旋转轴(701)沿水平方向设置，所述第四驱动电机(702)的输出轴与所述第一旋转轴(701)的一端连接，所述第二旋转运动机构(8)与所述第一旋转轴(701)的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述第二旋转运动机构(8)包括第二旋转轴、第五驱动电机(801)和旋转轴连接件(802)，所述旋转轴连接件(802)与所述第一旋转轴(701)连接，所述第二旋转轴套设在所述旋转轴连接件(802)的中部，所述第五驱动电机(801)的输出轴与所述第二旋转轴的一端连接，机械手末端装置(13)与所述第二旋转轴的另一端连接。

7.根据权利要求6所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述第四直线运动机构(9)为滚珠丝杠，所述第四直线运动机构(9)的端部设置有第六驱动电机(901)，所述第六驱动电机(901)的输出轴与所述第四直线运动机构(9)连接，所述第四直线运动机构(9)上套设有第四丝杠螺母(902)，所述穿刺针(11)连接在所述第四丝杠螺母(902)上。

8.根据权利要求1所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述机械手末端装置(13)包括穿刺针(11)和对所述穿刺针(11)进行固定的夹持机构(10)，所述夹持机构(10)的一端与所述第四直线运动机构(9)连接，所述穿刺针(11)可拆卸的安装在所述夹持机构(10)的另一端。

9.根据权利要求1所述的六自由度机械手臂，其特征在于，所述六自由度机械手臂还包括底座(1)，所述第一直线运动结构(2)固定在所述底座(1)上，所述底座(1)的底端开设有用于对所述底座(1)进行固定的多个螺纹孔。

10.一种肺穿刺机器人，其特征在于，包括机器人本体和权利要求1至9中任意一项所述的六自由度机械手臂，所述六自由度机械手臂安装在所述机器人本体上。