CN110664487A - 一种多自由度柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度柔性机械臂，包括多个用于气动的管段、柔性绳、气动动力源、第一动力源、传动机构和定位仪，多个管段的第一端部安装定位仪，多个管段的第二端部连接气动动力源，多个管段的第一端和第二端之间连接柔性绳，柔性绳连接动力源，多个管段的第一端部和多个管段的第二端部能够相对旋转；气动动力源或多个管段的底端铰接传动机构，传动机构连接第一动力源。本发明可以在特殊的工况下拥有更高的执行效率，可通过定位仪传来的图像控制机械臂实现复杂的运动，帮助医生做一些手术的精密处理，从而减小手术风险，提高手术的安全性。

Description

一种多自由度柔性机械臂

技术领域

本发明涉及医用机器人领域，具体的，涉及一种多自由度柔性机械臂。

背景技术

随着外科学的发展，手术领域不断扩大，已能在人体任何部位进行。应用的器械也不断更新，如手术刀即有电刀、微波刀、超声波刀及激光刀等多种。在治疗心脏预激综合征的手术时，可借助高功能电子计算机定位。有的手术操作也不一定要进行切割来破坏组织，如经各种内窥镜取出胆道、尿路或胃肠道内的结石或异物；经穿刺导管用气囊扩张冠状动脉，或用激光使闭塞的血管再通等。

发明人认为，目前绝大多数手术仍以医师的手工操作为主。如何在手术过程中精准定位，稳定可靠的实现复杂的动作，从而提高手术的安全性，是现在外科手术中比较普遍的问题。

现有的医疗机器人，其主要结构任然使用工业机器人的结构，包括机械臂、减速机等，其执行的手术动作依赖于外科医生的远程操作，实际使用的过程中，对于一些特定的动作执行效率较低。

发明内容

针对现有的用于外科手术的机器人的在特殊工况下执行效率低的不足，本发明旨在提供一种多自由度柔性机械臂，其机械臂的主体能够依靠气动元件柔性弯曲，可以在特殊的工况下拥有更高的执行效率，可通过定位仪传来的图像控制机械臂实现复杂的运动，帮助医生做一些手术的精密处理，从而减小手术风险，提高手术的安全性。

本发明的目的，是提供一种多自由度柔性机械臂。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

本发明公开了一种多自由度柔性机械臂，包括多个用于气动的管段、柔性绳、气动动力源、第一动力源、传动机构和定位仪，多个管段的第一端部安装定位仪，多个管段的第二端部连接气动动力源，多个管段的第一端和第二端之间连接柔性绳，柔性绳连接动力源，多个管段的第一端部和多个管段的第二端部能够相对旋转；

气动动力源或多个管段的底端铰接传动机构，传动机构连接第一动力源。

进一步，所述多个管段的第一端均固定连接第一板件，所述多个管段的第二端均固定连接第二板件，所述柔性绳的两端固定连接第一板件和第二板件，所述第一动力源安装于第一板件。

进一步，所述气动动力源安装于所述第二板件底侧。

进一步，所述第一板件通过第一回转件连接定位仪，所述第二板件通过第二回转件连气动动力源，第一回转件和第二回转件分别连接第三动力源和第二动力源。

进一步，所述的第三动力源和所述第二动力源分别安装于所述第一底板的底侧和所述第二底板的顶侧。

进一步，所述柔性绳的数量与所述管段的数量相同；每个柔性绳分别连接动力源。

进一步，所述气动动力源通过球铰与传动机构连接。

进一步，所述传动机构为丝杠传动机构，传动机构连接第一动力源。

进一步，所述管段包括四个。

进一步，所述管段为伸缩管。

本发明在具体使用的时候，其运动原理是：

第一动力源通过传动机构带动气动动力源运动在X方向运动，进而带动柔性管段在X方向运动；第三动力源和第二动力源能够带动柔性管段自身旋转；柔性绳两端的动力源带动柔性绳伸缩，进而调整柔性管段的弯曲程度。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

1)本发明通过第一动力源通过传动机构带动气动动力源运动在X方向运动，进而带动柔性管段在X方向运动；第三动力源和第二动力源能够带动柔性管段自身旋转；柔性绳两端的动力源带动柔性绳伸缩，进而调整柔性管段的弯曲程度，相对于传统的机械臂形式的机器人，本发明考虑到手术需要的力大大小于工业生产所需要的力，使用气动元件和柔性绳之间的配合代替了旋转关节副，可以在部分场景替代现有机械臂进行手术。

2)本发明中，使用柔性承控制气压伸缩管的弯曲程度，进而控制整个机械臂的弯曲程度，并且柔性绳和气压伸缩管均设有多个，柔性绳分别由不同的动力源控制，可以实现多种姿态动作的控制，以便于在实际的手术应用过程中使用。

3)本发明中，通过丝杠传动系统的精密传动，在其运动方向上可以执行毫米甚至微米级别的手术运动。

4)本发明中，通过使用气动动力源和气动伸缩管还减小了整个系统的体积，本发明中的气动动力源的目的是控制气动伸缩管的充气量，因此其体积和重量相对于普通气动伸缩杆小。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1立视示意图，

图2为实施例1的主视示意图，

图3为实施例1的侧视示意图，

图4为实施例1的俯视示意图，

图5为实施例1中的传动机构的与球铰连接示意图，

图6为实施例1中的气动动力源示意图，

图中，101、第一电机，102、第二电机，103、第三电机，104、第四电机，105、第五电机，106、第六电机，107、第七电机，201、底座支架，202、球铰底座，203、固定板，204、第二板件，205、第三板件，206、第一板件，301、球壳，302、球体，303、弹簧，304、丝杠，305、第一回转件，306、第二回转件，401、第一管段，402、第二管段，403、第三管段，404、第四管段，405、第一下集放口，406、第二下集放口，407、第三下集放口，408、第四下集放口，409、第一上集放口，410、第二上集放口，411、第三上集放口，412、第四上集放口，501、定位仪，502、法兰套，503、气动动力源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，针对现有的用于外科手术的机器人的在特殊工况下执行效率低的不足，本发明旨在提供一种多自由度柔性机械臂，其机械臂的主体能够依靠气动元件柔性弯曲，可以在特殊的工况下拥有更高的执行效率，可通过定位仪传来的图像控制机械臂实现复杂的运动，帮助医生做一些手术的精密处理，从而减小手术风险，提高手术的安全性，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

本发明公开了一种多自由度柔性机械臂，包括四个用于气动的管段、柔性绳、气动动力源503、第一动力源、传动机构和定位仪501，四个管段的第一端部安装定位仪501，四个管段的第二端部连接气动动力源503，四个管段的第一端部和多个管段的第二端部能够相对旋转；

气动动力源503或多个管段的底端铰接传动机构，传动机构连接第一动力源。

所述四个管段的第一端均固定连接第一板件206，所述四个管段的第二端均固定连接第二板件204，所述柔性绳的两端固定连接第一板件206和第二板件204，所述第一动力源安装于第一板件206。

所述气动动力源503安装于所述第二板件204底侧。

所述第一板件206通过第一回转件305连接定位仪501，所述第二板件204通过第二回转件306连气动动力源503，第一回转件305和第二回转件306分别连接第三动力源和第二动力源。

所述的第三动力源和所述第二动力源分别安装于所述第一底板的底侧和所述第二底板的顶侧。

可以理解的是，本实施例中的第一动力源、第二动力源和第三动力源均为电机，也即第一动力源、第二动力源和第三动力源分别为第一电机101、第二电机102和第三电机103。

可以理解的是，本实施例中，还包括第三板件205，第三板件205位于第一板件206和第二板件204之间，第三板件205连接与四个管段。

所述柔性绳的数量与所述管段的数量相同，也为四个，每个柔性绳分别连接动力源。每个柔性绳所连接的动力源均安装于第二板件204的底侧。

本实施例中，第一板件206和第二板件204分别开设开口以连接第柔性绳，具体的嗯，第一板件206开设第一上集放口409、第二上集放口410、第三上集放口411和第四上集放口412，第二板件204开设第一下集放口405、第二下集放口406、第三下集放口407和第四下集放口408。本实施例中的柔性绳采用钢丝绳，分别为第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳和第四钢丝绳，第一～第四钢丝绳的顶端分别穿过第一～第四上集放口412，并通过一定的手段，如螺栓等固定连接于第一板件206；第一～第四钢丝绳穿过第三板件205。第一～第四钢丝绳的底端分别穿过第一～第四下集放口408，其端部分别连接于第四电机104、第五电机105、第六电机106和第七电机107，使用电机的旋转即可控制第一～第四钢丝绳的长度。

可以理解的是，本实施例中的第一～第七电机107均为步进电机，第一～第七电机107均连接控制器，控制器可选用PLC、MCU或PC，其与步进电机的具体连接关系在此不再赘述。

所述气动动力源503通过球铰与传动机构连接。

可以理解的是，本实施例中的球铰采用的是标准的球铰，其球铰杆连接气泵，其底座连接传动机构。

所述传动机构为丝杠304传动机构，传动机构连接第一动力源。具体的，丝杠304传动机构的滑块连接所述球铰的底座，丝杠304则连接第一动力源，第一动力源带动丝杠304转动。采用丝杠304传动机构的好处在于，能够精确地控制丝杠304的位移。

所述管段包括四个，分别为第一管段401、第二管段402、第三管段403和第四管段404，所述管段均为伸缩管。

本实施例中的气泵能够控制管段内的气体含量，进而控制管段的弯曲程度。

可以理解的是，本实施例中，所述第一板件206的还安装法兰盘，以连接不同的手术用具。

可以理解的是，本实施例中的，所述的第一板件206安装的定位仪501为CCD，其原理是，CCD传输图像给控制器，控制器分析图像并确定当前坐标。

实施例2

第一动力源通过传动机构带动气动动力源503运动在X方向运动，进而带动柔性管段在X方向运动；第三动力源和第二动力源能够带动柔性管段自身旋转；柔性绳两端的动力源带动柔性绳伸缩，进而调整柔性管段的弯曲程度。

下面以具体的手术操作为例介绍本实施例的运动过程。

以现有的微创手术为例，现有的腹腔镜微创手术需要在患者的腹腔开洞，如果使用实施例1所述的装置进行手术操作，首先在以腹腔表层肌肤为X-Y面建立空间坐标系，使用第一动力源通过传动机构带动气动动力源503运动在X方向运动，以在腹部确定X方向上的位置，然后通过第三动力源和第二动力源能够带动柔性管段自身旋转；柔性绳两端的动力源带动柔性绳伸缩，进而调整柔性管段的弯曲程度，调整第一板件206在Y方向和Z方向上的位置。

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

Claims (10)

1.一种多自由度柔性机械臂，其特征在于，包括多个用于气动的管段、柔性绳、气动动力源、第一动力源、传动机构和定位仪，多个管段的第一端部安装定位仪，多个管段的第二端部连接气动动力源，多个管段的第一端和第二端之间连接柔性绳，柔性绳连接动力源，多个管段的第一端部和多个管段的第二端部能够相对旋转；

气动动力源或多个管段的底端铰接传动机构，传动机构连接第一动力源。

2.如权利要求1所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述多个管段的第一端均固定连接第一板件，所述多个管段的第二端均固定连接第二板件，所述柔性绳的两端固定连接第一板件和第二板件，所述第一动力源安装于第一板件。

3.如权利要求2所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述气动动力源安装于所述第二板件底侧。

4.如权利要求2所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述第一板件通过第一回转件连接定位仪，所述第二板件通过第二回转件连气动动力源，第一回转件和第二回转件分别连接第三动力源和第二动力源。

5.如权利要求4所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述的第三动力源和所述第二动力源分别安装于所述第一底板的底侧和所述第二底板的顶侧。

6.如权利要求1所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述柔性绳的数量与所述管段的数量相同；每个柔性绳分别连接动力源。

7.如权利要求1所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述气动动力源通过球铰与传动机构连接。

8.如权利要求1所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述传动机构为丝杠传动机构，传动机构连接第一动力源。

9.如权利要求1所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述管段包括四个。

10.如权利要求1所述的多自由度柔性机械臂，其特征在于，所述管段为伸缩管。

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