CN111249007B - 医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂。机械臂包括位于机械臂近端的位置调节组件、与位置调节组件连接的姿态调节组件、用于驱动所述位置调节关节运动的驱动组件、位置传感器以及控制器。其中，位置调节组件包括多个位置调节关节，用于调整夹持点位置。姿态调节组件包括多个姿态调节关节，用于调整医疗器械的姿态。位置传感器用于获取位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态。控制器用于根据医疗器械期望的姿态以及远程运动中心的约束获得所述夹持点的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。上述机械臂结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术类领域，特别是涉及一种医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂。
背景技术
在传统医疗手术中，医生通常需要助手手持一些医疗器械，例如内窥镜等，以辅助医生完成手术。然而在一些大手术中，长时间的手持医疗器械，往往会让助手感到疲惫，难以坚持，还可能会导致手术意外的发生。
随着机器人技术的发展，用于医疗领域的机器人也慢慢兴起。持镜机器人即用于在手术中辅助医生夹持医疗器械的机器人。现有一些持镜机器人多采用工业机械臂作为持镜机械臂，然而这些工业机械臂体积大、质量大，难以实现持镜机器人要求的可快速安装和更换。此外，目前持镜机器人的机械臂结构多为主动机械臂，每个关节均含有驱动部分，这使得机械臂的结构变得复杂化，自由度越多，机械臂在控制的时候不稳定因素会出现的越多。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题中的至少一个，提供一种医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂。
一种用于夹持医疗器械的机械臂，包括：
位于所述持镜机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；
与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节；
驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动；
位置传感器，用于获取所述位置调节关节、所述姿态调节关节的运动状态；
控制器，用于根据医疗器械期望的姿态、远程运动中心的约束获得所述夹持点的期望位置，并根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。
上述持镜机械臂通过设置多个位置调节关节以及姿态调节关节，从而使得机械臂能灵活转动。并且持镜机械臂的控制器能根据医疗器械期望的姿态以及远程运动中心的约束来获得所需夹持点的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态。从而通过控制驱动组件驱动位置关节运动至该期望运动状态即可使得医疗器械达到期望的姿态。由于驱动组件仅用于驱动位置调节关节，而姿态调节关节用于调整医疗器械的姿态，所以姿态调节关节由于夹持点O位置、远程运动中心的约束可以只需跟随医疗器械的姿态改变而被动转动，从而无需在姿态调节关节中设置驱动组件，进而使得持镜机械臂的成本大大低少，相对于传统机器人质量也更为轻盈。
在其中一个实施例中，所述位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节，所述基关节的旋转轴线与所述肩关节的旋转轴线相垂直，所述肩关节的旋转轴线与肘关节的旋转轴线相平行。
在其中一个实施例中，所述位置调节组件还包括基座、大臂、中臂，
其中，
所述基座的远端与所述大臂的近端之间通过所述基关节连接；
所述大臂的远端与所述中臂的近端之间通过所述肩关节连接；
所述中臂的远端与所述肘关节连接。
在其中一个实施例中，所述姿态调节关节从近端到远端包括依次连接的小臂自转关节、腕关节以及夹持件自转关节，所述小臂自转关节、所述腕关节以及所述夹持件自转关节的旋转轴线交汇于所述夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。
在其中一个实施例中，所述姿态调节组件还包括小臂、前臂、夹持件，
其中，
所述小臂的远端与所述前臂的近端通过所述小臂自转关节连接；
所述前臂的远端与所述夹持件通过所述腕关节连接；
所述夹持件自转关节位于所述夹持件，用于实现所述医疗器械自转。
在其中一个实施例中，所述前臂包括垂直连接的第一杆以及第二杆，所述第一杆的近端通过所述小臂自转关节与所述小臂可转动连接，所述第二杆的远端通过所述腕关节与所述夹持件可转动连接,所述第二杆的轴线与所述小臂自转关节的旋转轴线平行。
在其中一个实施例中，所述医疗器械的期望姿态包括医疗器械的X轴期望姿态，Y轴期望姿态和Z轴期望姿态，所述控制器还用于获取所述远程运动中心的位置，进而获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，用以结合所述医疗器械的Z轴期望姿态获取所述夹持点的期望位置。
在其中一个实施例中，所述控制器还用于在所述医疗器械的远离所述夹持点的一端抵接于所述远程运动中心时，根据此时夹持点的位置、所述医疗器械的姿态以及所述医疗器械的轴向长度，运用运动学模型以获取所述远程运动中心的位置。
所述控制器还用于在所述医疗器械穿入所述远程运动中心后，根据所述位置传感器获取的所述位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态，并根据运动学模型获取当前的所述夹持点的位置，并结合所述远程运动中心的位置，以获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值。
在其中一个实施例中，所述控制器还用于改变夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，以改变所述夹持点的期望位置，并结合医疗器械的姿态，根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，进而实现所述述医疗器械在保持姿态不变的前提下做伸缩运动。
在其中一个实施例中，所述驱动组件与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组包括电机、减速机、力矩传感器以及输出法兰，所述减速机与所述电机的输出轴连接，所述力矩传感器分别连接所述减速机以及输出法兰。
在其中一个实施例中，所述关节模组还包括用以锁紧所述电机的输出轴的制动器。
在其中一个实施例中，所述关节模组还包括可活动连接的第一壳体以及第二壳体；所述第一壳体与所述第二壳体分别与所述机械臂的相邻的两个杆件连接；所述电机设置在所述第一壳体内；所述输出法兰设置在第二壳体内。
在其中一个实施例中，所述减速机为谐波传动减速器；
其中，所述谐波传动减速器的波发生器与所述电机的输出轴连接，所述谐波传动减速器的钢圈与所述力矩传感器连接；
或者，所述谐波传动减速器的波发生器与所述力矩传感器连接，所述谐波传动减速器的钢圈与所述电机的输出轴连接。
在其中一个实施例中。所述力矩传感器包括内环、柔顺件、外环、控制单元以及敏感元件，所述内环和所述外环同心设置，所述柔顺件在径向上连接所述内环和所述外环；所述敏感元件设置于所述柔顺件的侧面上，并与所述控制单元通信连接，所述敏感元件用以获取所述柔顺件的形变信息，所述控制单元根据所述形变信息获得所述力矩传感器受到的力矩。
在其中一个实施例中，所述力矩传感器的内环与所述输出法兰固定连接，所述外环与所述谐减速器固定连接；或者，所述内环与所述输出法兰固定连接，所述外环与所述谐减速器固定连接。
一种用于夹持医疗器械的机械臂，包括：
位于所述机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；
与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械在夹持点部位的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节，所述姿态调节关节包括夹持件自转关节，所述夹持件自转关节用于实现所述医疗器械自转；
驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动，和用于驱动所述夹持件自转关节使所述医疗器械自转；
位置传感器，用于获取所述位置调节关节、姿态调节关节的运动状态；
控制器，用于根据医疗器械的期望姿态、远程运动中心的约束获得所述夹持点的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态，并通知驱动组件驱动所述位置调节关节、夹持件自转关节运动至期望的运动状态，以使所述医疗器械到达期望的姿态。
在其中一个实施例中，所述位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节，所述基关节的旋转轴线与所述肩关节的旋转轴线相垂直，所述肩关节的旋转轴线与肘关节的旋转轴线相平行。
在其中一个实施例中，所述姿态调节关节从近端到远端包括依次连接的小臂自转关节以及腕关节，所述小臂自转关节、所述腕关节以及所述夹持件自转关节的旋转轴线交于所述夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。
在其中一个实施例中，所述医疗器械的期望姿态包括医疗器械的X轴期望姿态，Y轴期望姿态和Z轴期望姿态，所述控制器还用于获取所述远程运动中心的位置，进而获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，用以结合所述医疗器械的Z轴期望姿态获取所述夹持点的期望位置。
在其中一个实施例中，用于驱动所述位置调节关节的所述驱动组件与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组包括电机、减速机、力矩传感器以及输出法兰，所述减速机与所述电机的输出轴连接，所述力矩传感器分别连接所述减速机以及输出法兰，和/或
用于驱动夹持件自转关节的驱动组件包括中空的力矩电机，所述医疗器械能经过力矩电机的中轴线与力矩电机的转子相固定。
一种医疗机器人，包括前述中任一项所述的机械臂。
在其中一个实施例中，医疗机器人还包括手术床、固定包以及支撑梁,所述支撑梁的两端分别连接所述固定包以及所述持镜机械臂,所述固定包与所述手术床连接。
附图说明
图1为一实施例的医疗机器人的结构示意图；
图2为一实施例的机械臂的结构示意图；
图3为图2中所示的机械臂的关节转动轴线示意图；
图4为图2中所示的机械臂的机构图；
图5为图2中所示的机械臂的关节模组的示意图；
图6为图5中所示的关节模组的力矩传感器的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。“近端”、“近侧”是指远离患者的一侧，相应的，“远端”、“远侧”是指靠近患者的一侧。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种医疗机器人，该医疗机器人包括用于夹持医疗器械的机械臂，所述机械臂被配置为可以驱使被夹持的医疗器械围绕一远程运动中心RCM(Remote Centerof Motion)运动，且可以根据手术需要调整所述医疗器械的姿态。所述医疗器械包括检测器械和手术器械。所述检测器械例如为获取手术环境信息的腹腔镜，所述手术器械例如为进行手术操作的电钩、剪刀等。本发明对医疗器械的具体种类没有特别的限制。
以包括夹持内窥镜的持镜机械臂的医疗机器人为例，进行具体说明。如图1所示，所述医疗机器人10包括持镜机械臂100、固定包11、支撑梁12以及手术床13，支撑梁12的一端连接固定包11，支撑梁12的另一端连接机械臂100。进一步地支撑梁12具有弯曲结构并且自手术床13的边缘向中心弯曲。固定包11与手术床13连接，从而将持镜机械臂100固定于手术床上13上。具体地，固定包11与手术床13可拆卸连接。进一步地，固定包11具有类似夹子的结构，可快速装夹到手术床13的边缘上。或者，在另一实施例中，固定包11上设置有凹槽以及贯穿凹槽的紧固件，在安装时，通过凹槽可将固定包11卡接在手术床上，再通过紧固件将固定包12锁紧，从而将机械臂100固定于手术床上。进一步地，持镜机械臂100的控制器可设置在固定包13内。
在手术操作时，在病人的病患位置附近会形成一手术切口，内窥镜200通过该手术切口伸入人体内部采集手术环境信息，并且以该手术切口作为远程运动中心，亦即作为一个约束，使得内窥镜200能绕该手术切口转动以调整姿态。由于内窥镜具有较长的硬管，当内窥镜插入到患者体内时，在患者的肚皮切口处会对内窥镜形成一个类似球铰的约束，从而通过调整内窥镜的被夹持端的空间位置即可实现时内窥镜绕该手术切口转动，进而改变内窥镜的姿态。
进一步地，参见图1-4，一实施例的持镜机械臂100包括位置调节组件、姿态调节组件、驱动组件、位置传感器(未示出)以及控制器(未示出)。其中，位置调节组件位于持镜机械臂100的近端，持镜机械臂100的近端即为持镜机械臂100远离患者的一端。对应地，持镜机械臂100的远端即为持镜机械臂100靠近患者的一端。
进一步地，位置调节组件用于调节夹持点O的位置，即用于调整医疗器械的被夹持点的空间位置。位置调节组件通过调整医疗器械的被夹持点的空间位置，配合远程运动中心的约束,从而使得医疗器械姿态改变。具体地，在其中一个实施例中，可以以手术切口作为持镜机械臂100的远程运动中心，手术切口处的人体组织会对内窥镜形成一个类似球铰的作用，从而通过调整内窥镜的夹持点O的空间位置即可使内窥镜绕手术切口转动，进而改变内窥镜的姿态。
进一步地，位置调节组件包括多个位置调节关节，从而能灵活地调节夹持点O的空间位置。驱动组件(未示出)，用于驱动所述位置调节关节运动。
姿态调节组件与位置调节组件连接，姿态调节组件用于调整医疗器械的姿态。姿态调节组件包括多个姿态调节关节。姿态调节关节的运动只改变医疗器械的姿态并不会改变夹持点O的空间位置。而且，至少部分姿态调节关节只需要被动调整即可，即在本实施例中由于内窥镜的至少部分期望姿态(例如医疗器械轴向方向的期望姿态)可以通过夹持点O的位置调整即可实现，所以只需要主动调整位置调节组件，而姿态调节组件中的相应的姿态调节关节只需顺应性运动即可。而其余部分的姿态还是需要通过调节相应的关节(例如驱动医疗器械自转的关节)，来使医疗器械最终实现期望的姿态。
位置传感器用于获取位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态，并且能将该运动状态实时反馈给控制器，以供控制器获取此时机械臂末端的位姿。这里的运动状态，对于转动关节而言为转动角度，对于移动关节而言为位移。本发明对于根据各个关节的运动状态运用运动学模型获得机械臂末端位姿的具体方法没有特别的限制，例如可以采用D-H参数等。
进一步地，机械臂的运动由控制器控制。具体地，控制器能根据医疗器械的期望姿态以及远程运动中心的约束来获得夹持点O的期望位置，即获得在该期望姿态下的医疗器械的所需夹持点O的期望位置。确定所需夹持点O的期望位置后，根据运动学模型的逆解即可获得位置调节关节的期望运动状态。然后通知驱动组件驱动位置调节关节运动至该期望运动状态，最终使医疗器械达到期望的姿态。
本发明对于所述远程运动中心的位置获取方法没有特别的限制。在一个示范性实施例中，在所述医疗器械的远离所述夹持点的一端即内窥镜的末端抵接于所述远程运动中心时，根据此时夹持点的位置、所述医疗器械的姿态以及所述医疗器械的轴向长度，运用几何原理以获取所述远程运动中心的位置。例如，当内窥镜垂直位于手术切口上方，且内窥镜的末端抵接在手术切口位置时，控制器根据此时位置传感器获取的机械臂各个关节的运动状态以及运动学模型，获取此时夹持点O的位置，并根据内窥镜的轴向长度，即可获得手术切口的位置。此外，还可以通过直接测量(例如激光测距)的方法获得手术切口的位置。
在内窥镜穿入手术切口后，操作者希望调整内窥镜的姿态时，需要获知内窥镜上夹持点到手术切口(远程运动中心)的距离，即内窥镜暴露在体外部分的轴向长度以及该轴向长度占内窥镜轴向长度的比值，进而可以获得夹持点O的期望位置。在一个示范性实施例中，控制器根据此时位置传感器获取的各个关节的角度，并通过运动学模型即可获得夹持点O的当前位置，进而根据手术切口的位置获得内窥镜暴露在体外部分的轴向长度占内窥镜轴向长度的比值，即获得夹持点O到远程运动中心的距离占内窥镜的轴向长度的比值，再结合内窥镜的期望姿态即可获得夹持点O的期望位置。
更具体地，在内窥镜上设置一直角坐标系，其中的Z轴为沿内窥镜的轴线方向由内窥镜近端指向远端，X轴任意设置，对于三维内窥镜可以是垂直两个光轴的方向，根据右手定则确定Y轴，坐标原点位于手术切口。相应的内窥镜的期望姿态可以分解为Z轴的期望姿态，X轴期望姿态以及Y轴期望姿态。根据内窥镜的Z轴绕手术切口的期望姿态以及上述的所述内窥镜暴露在体外部分的轴向长度占内窥镜轴向长度的比值获得所述夹持点O的期望位置。然后，所述控制器根据夹持点O的期望的位置、内窥镜的期望的姿态，运用运动学模型获得各个关节期望的运动状态，以使所述内窥镜到达Z轴绕手术切口的期望姿态。
进一步，所述控制器还能控制所述医疗器械做伸缩运动。例如，在使所述内窥镜到达Z轴绕手术切口的期望姿态后，所述控制器可以改变夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，以改变所述夹持点O的期望位置，并结合医疗器械的姿态，根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，进而实现所述述医疗器械在保持姿态不变的前提下做伸缩运动。
上述持镜机械臂100通过设置多个位置调节关节以及姿态调节关节，从而使得机械臂能灵活运动，并且持镜机械臂100的控制器能根据医疗器械期望的姿态以及远程远动中心的约束来获得所需夹持点O的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态，从而通过控制驱动组件驱动位置关节运动至该期望运动状态以使得医疗器械达到期望的姿态。由于驱动组件仅用于驱动位置调节关节，而姿态调节关节由于夹持点O位置、远程运动中心的约束可以只需跟随医疗器械的姿态改变而被动转动，从而无需在姿态调节关节中设置驱动组件，进而使得持镜机械臂的成本大大低少，相对于传统机器人质量也更为轻盈。
位置调节组件具有至少3个自由度。具体地，位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节121、肩关节122以及肘关节123。基关节121的转动轴线1211与肩关节122的转动轴线1221相垂直，肘关节123的转动轴线1231与肩关节122的转动轴线1221相平行。进一步地，基关节121的旋转轴线1211与肩关节122的旋转轴线1221相交。通过驱动基关节121、肩关节122以及肘关节123三个位置调节关节，可灵活调整夹持点O的位置。
进一步地，位置调节组件还包括基座111、大臂112以及中臂113，其中，基座111的远端与大臂112的近端之间通过基关节121连接，从而使得基座111与大臂112能相对转动。大臂112的远端与中臂113的近端之间通过肩关节122连接，从而使得大臂112与中臂113能相对转动。中臂113的远端与肘关节123连接。进一步地，大臂112的轴线与中臂113的轴线异面。
具体地，姿态调节关节从近端到远端包括依次连接的小臂自转关节131、腕关节132以及夹持件自转关节133，进一步的，如图3所示，小臂自转关节131的转动轴线1311、腕关节132的转动轴线1321以及夹持件自转关节133的转动轴线1331相交于夹持点O，且所述小臂自转关节131的旋转轴线1311与所述腕关节132的旋转轴线1321相垂直，所述腕关节132的旋转轴线1321与所述夹持件自转关节133的旋转轴线1331相垂直。具体地，如图4所示，由于夹持点O位于内窥镜200的手柄上，通过小臂自转关节131、腕关节132以及夹持件自转关节133的转动，可以使内窥镜200围绕所述夹持点O改变姿态。而在手术操作时，由于所处手术切口位置的约束，所以只能通过改变所述夹持点O的位置来改变内窥镜200的姿态。
进一步地，姿态调节组件还包括小臂140、前臂150以及夹持件160，小臂的近端通过肘关节123与中臂113的远端连接，小臂140的远端与前臂150的近端通过小臂自转关节131连接，前臂150的远端与夹持件160通过腕关节132连接。夹持件自转关节133位于夹持件160上，以使夹持件160夹持医疗器械200后，医疗器械200能沿自身轴线转动。
参见图2以及图3，进一步地，前臂150采用偏置配置的方式实现小臂自转关节131的转动轴线1311、腕关节132的转动轴线1321以及夹持件自转关节133的转动轴线1331相交于夹持点O，且所述小臂自转关节131的旋转轴线1311与所述腕关节132的旋转轴线1321相垂直，所述腕关节132的旋转轴线1321与所述夹持件自转关节133的旋转轴线1331相垂直。例如，前臂150包括垂直连接的第一杆151以及第二杆152，即前臂150具有“L”形结构。第一杆151的近端通过小臂自转关节131与小臂140可转动连接，第二杆152的远端通过腕关节132与夹持件160可转动连接，并且第二杆152的轴线与小臂自转关节131的旋转轴线1311平行。前臂150的“L”形结构能使得小臂自转关节131的转动轴线1311、腕关节132的转动轴线1321以及夹持件自转关节133的转动轴线1331相交于夹持点O上，且所述小臂自转关节131的旋转轴线1311与所述腕关节132的旋转轴线1321相垂直，所述腕关节132的旋转轴线1321与所述夹持件自转关节133的旋转轴线1331相垂直。需要说明的是，前臂150也可以为其他结构，例如，在另一个实施例中，前臂150也可以为“U”形结构。将夹持件160设置在“U”形结构内，也同样能使转动轴线1311、腕关节132的转动轴线1321与夹持件自转关节133的转动轴线133相交于一点上，且所述小臂自转关节131的旋转轴线1311与所述腕关节132的旋转轴线1321相垂直，所述腕关节132的旋转轴线1321与所述夹持件自转关节133的旋转轴线1331相垂直。
在上述的机械臂构型中，根据内窥镜Z轴的期望姿态，确定夹持点O的期望位置，控制器根据夹持点O的期望位置、内窥镜Z轴的期望姿态，运用运动学模型获得各个关节期望的角度，进而通过控制驱动组件驱动基关节121、肩关节122以及肘关节123的转动至该期望的角度，并促使所述小臂自转关节131、腕关节132发生顺应性转动，使所述内窥镜到达Z轴绕手术切口的期望姿态。同时可以通过手动的方式调整夹持件自转关节133至期望的角度，使所述内窥镜到达X轴期望姿态、Y轴期望姿态。
进一步，在一个替代性的实施例中，为了减小持镜机械臂100的体积，使得持镜机械臂100整体结构简单，拆装便捷，驱动组件与位置调节关节整合形成一整体部件：关节模组。关节模组可以驱动连接该关节模组的两个杆件之间相对转动，例如用于基座111与大臂112相对转动，大臂112与中臂113之间相对转动，中臂113与小臂140之间相对转动。
具体地，参见图5，在其中一个实施例中，关节模组包括电机101、减速机102、力矩传感器103以及输出法兰104，减速机102与电机101的输出轴连接，从而电机101能将力矩输出给减速机102，减速机102能将力矩放大后作为该位置调节关节的输出力矩。力矩传感器103分别连接减速机102以及输出法兰104。电机101可以与一杆件连接，而输出法兰可以与另一杆件连接，如此实现两个杆件的相对运动。当外部施加力矩，使位置调节关节运动时，力矩传感器103能检测出外部力矩的大小，从而使得电机101做相应的助力操作，以减轻外部操作的阻力，进而使得手动调整机械臂100更为轻松。进一步地，关节模组内还可以设置制动器(未示出)，用于锁紧电机101的输出轴。从而在机械臂100操作过程中，可随时对位置调节关节进行锁紧，增加了持镜机械臂100的安全性。
在一个示范性实施例中，关节模组还包括第一壳体105和第二壳体106。第一壳体和第二壳体分别与机械臂100上的相邻的两个杆件连接。第一壳体105与第二壳体106可活动连接，从而实现机械臂上相邻两个杆件间的相对运动。具体地，以肩关节122内的关节模组为例，肩关节122内的关节模组的第一壳体105与大臂112的远端连接，第二壳体106与中臂113的近端连接。进一步地，电机101位于第一壳体105内，输出法兰104设置于第二壳体106内，减速机102以及力矩传感器的位于哪个壳体内不限制。具体地，减速机102为谐波传动减速器，电机101的输出轴与谐波传动减速器的波发生器连接，谐波传动减速器的钢轮容纳于第二壳体106，从而启动电机后，第二壳体106可与第一壳体105相对转动。谐波传动减速器的钢轮的远端与力矩传感器103连接。
图6是本发明一实施例的力矩传感器103的示意图。如图6所示，其中的力矩传感器103优选包括内环1031、柔顺件1033、外环1032、控制单元(图中未示出)和敏感元件1034。内环1031和外环1032同心设置，柔顺件1033在径向上连接内环1031和外环1032。所述柔顺件1033可通过诸如线切割、电火花、激光切割、磨料水射流等机加工方法加工实现。所述柔顺件1033为薄片结构，能产生弹性变形，以较好地感测外力而产生形变。图6中所示的柔顺件1033的数量为四个，但并不限于四个，还可以为二个至六个。多个柔顺件1033可呈对称分布，包括但不限于轴对称、中心对称、旋转对称。优选，柔顺件1033的数量为四个，十字形分布。所述敏感元件1034与所述控制单元通信连接。所述控制单元用于获得柔顺件1033的形变信息，所述控制单元根据所述形变信息获得所述力矩传感器103受到的力矩。所述敏感元件1034在本实施例中，可以采用但不局限于应变片、光纤等用于测量应变的元件，其可通过粘接等方式设置于柔顺件1033的侧面上，用以感受柔顺件1033上的应力。所述在此，柔顺件1033的侧面选自与力矩传感器103的轴向相平行的表面(即所述柔顺件1033非端面的两个面)。所述敏感元件1034不限于一个，还可以是多个。针对多个敏感元件1034，可以是两两一组形成多组，每一组敏感元件中的两个敏感元件1034对称设置，并设置于同一个柔顺件1033之相对侧面上。继而，相对侧布置的两个敏感元件1034一个受拉，一个受压，这样控制单元可以判断力矩的方向，从而获取角速度的方向。此外，多个敏感元件1034还可以布置在柔顺件1033同一侧，形成列阵，取多组敏感元件1034感测的力矩信息的均值或做其它相关处理，便可以提高敏感元件1034对力矩测量的可靠性及容错性。
在本实施例中，将力矩传感器103的内环1031与输出法兰104固定连接，外环1032与谐波传动减速器钢轮固定连接。而输出法兰104与所述第二壳体106固定连接。由此，外环1033驱动所述内环1031转动，两者之间的作用力将引起柔顺件212的变形，继而所产生的变形信息将由一个或多个敏感元件23感应获得，进而由所述控制单元根据敏感元件23的形变获得所述力矩传感器103受到的力矩。本实施例中的控制单元可以由上述的控制器替代，即由一个控制器实现所有的控制、计算等功能。
在一替代性的实施例中，所述电机的输出轴也可以与所述谐波传动减速器的钢轮连接，所述谐波传动减速器的波发生器与所述力矩传感器连接。在另一替代性的实施例中，力矩传感器103的内环1031与谐波传动减速器的钢轮固定连接，而外环1032与输出法兰104固定连接。
进一步，位置传感器也位于关节模组中。具体而言，位置传感器为编码器，例如旋转编码器，并置于所述电机101的后端。关节模组内可设置多个位置传感器，例如在关节模组内分别设置增量编码器和绝对编码器，两者相互校验，而且可以充分利用两者的优点。由于位置调节关节的运动状态决定了夹持O点位置，夹持点O位置确定也就确定了医疗器械的姿态,因此实时获取位置调节关节的运动状态对于医疗器械的姿态调整很重要。从而在位置调节关节内多设置一个位置传感器相互校验，能更可靠地获取到的位置调节关节的空间位置信息，增加持镜机械臂100的可靠性。
在另一个实施例中，机械臂还可以主动驱动医疗器械自转。具体地，一实施例的机械臂包括位置调节组件、姿态调节组件、驱动组件、位置传感器(未示出)以及控制器(未示出)。其中，位置调节组件位于机械臂的近端，机械臂的近端即为机械臂的用于与手术床或其他设备连接固定的一端。对应地，持镜机械臂的远端即为机械臂远离患者的一端。
具体地，位置调节组件用于调节夹持点的位置。进一步地，位置调节组件包括多个位置调节关节，从而能灵活地调节夹持点O的空间位置。位置调节组件通过调整医疗器械的被夹持点的空间位置，配合位于远程运动中心的约束,从而使得医疗器械姿态改变。具体地，在其中一个实施例中，可以以手术切口作为内窥镜的约束，手术切口处的人体组织会对内窥镜形成一个类似球铰的作用，从而通过调整内窥镜的夹持点的空间位置即可使内窥镜绕手术切口转动，进而改变内窥镜的姿态。
姿态调节组件与位置调节组件连接，姿态调节组件用于调整医疗器械的姿态。具体地，姿态调节组件包括多个姿态调节关节，其中，多个姿态调节关节中包括夹持件自转关节，夹持件自转关节用于实现医疗器械自转。
驱动组件(未示出)用于驱动位置调节关节运动，且用于驱动夹持件自转关节，以使得医疗器械自转。具体地，驱动组件包括多组，多组驱动组件分别驱动位置调节关节以及夹持件自转关节。进一步地，用于驱动夹持件自转关节的驱动组件可包括中空的力矩电机，医疗器械能经过力矩电机的中轴线与力矩电机的转子相固定，进而实现医疗器械的自主转动。而用于驱动所述位置调节关节的所述驱动组件可以与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组与上述实施例的关节模组相类似，不再赘述。
位置传感器用于获取位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态，并且能将该运动状态实时反馈给控制器，以使得控制器能实时获取持镜机械臂末端的位姿。
进一步地，机械臂的运动由控制器控制。具体地，控制器能根据医疗器械的期望姿态以及远程运动中心的约束来获得夹持点的期望位置，即获得在该期望姿态下的医疗器械的所需夹持点的期望位置。确定所需夹持点的位置后，即可根据运动学模型的逆解来获得位置调节关节的期望运动状态。然后通过控制驱动组件驱动位置调节关节、夹持件自转关节运动至期望运动状态即可使医疗器械达到期望姿态。
上述机械臂通过设置多个位置调节关节以及姿态调节关节，从而使得机械臂能灵活转动。并且姿态调节关节中包括夹持件自转关节，驱动组件能驱动夹持件自转关节运动，进而使得医疗器械能够自主转动，减轻医生需要手动调整医疗器械转动的工作，提高了医生工作效率。并且上述机械臂驱动组件仅用于驱动位置调节关节以及夹持件自转关节，从而无需在每个关节中都设置驱动组件，进而使得机械臂的成本大大低少，相对于传统机械臂质量也更为轻盈。进一步，驱动组件与位置调节关节整合形成一整体部件关节模组，使得机械臂整体结构简单，拆装便捷。
位置调节组件具有至少三个自由度。具体地，位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节。基关节的转动轴线与肩关节的转动轴线相垂直，肘关节的转动轴线与肩关节的转动轴线相平行。进一步地，基关节的旋转轴线与肩关节的旋转轴线相交。从而使得调节组件具有至少三个自由度，通过驱动基关节、肩关节以及肘关节三个位置调节关节，可灵活调整机械臂的姿态,进而改变夹持点的位置。
姿态调节关节还包括小臂自转关节以及腕关节，进一步地，从近端到远端，小臂自转关节、腕关节以及夹持件自转关节依次连接。更进一步的，小臂自转关节的转动轴线、腕关节的转动轴线以及夹持件自转关节的转动轴线相交于夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。
在上述的机械臂构型中，根据内窥镜Z轴绕手术切口的期望姿态，确定所述夹持点的期望位置，所述控制器根据期望的位置、期望的姿态，运用运动学模型获得各个关节期望的角度，进而通过控制驱动组件驱动基关节、肩关节以及肘关节的转动至该期望的角度，使所述内窥镜到达Z轴绕手术切口的期望姿态。同时控制器控制力矩电机调整所述夹持件自转关节至期望的角度，保证内窥镜在实现Z轴绕手术切口运动的时候，能够保持镜头的方向。
需要说明的是，本实施例的机械臂的其他部件及其连接关系，在不存在矛盾的前提下，均可与上一实施例的机械臂相同或相似设置，在此不做赘述。
相应的，上述医疗机器人10通过设置具有多个位置调节关节以及多个姿态调节关节的持镜机械臂100，从而使得医疗器械的姿态调整能更加灵活方便，并且持镜机械臂100仅在位置调节关节设置有驱动组件，大大减轻了持镜机械臂100重量，并且结构简单。使得医疗机器人10的成本降低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (23)
1.一种用于夹持医疗器械的机械臂，其特征在于，包括：
位于所述机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；
与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节；多个所述姿态调节关节的旋转轴线相交于所述夹持点，多个所述姿态调节关节用于在所述位置调节组件的驱动下被动转动，使所述夹持点上的医疗器械绕远程运动中心转动，以调整所述医疗器械至期望姿态；
驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动；
位置传感器，用于获取所述位置调节关节、所述姿态调节关节的运动状态；
控制器，用于根据医疗器械的所述期望姿态、所述远程运动中心的约束获得所述夹持点的期望位置，并根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，
所述位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节，所述基关节的旋转轴线与所述肩关节的旋转轴线相垂直，所述肩关节的旋转轴线与肘关节的旋转轴线相平行。
3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，
所述位置调节组件还包括基座、大臂、中臂，
其中，
所述基座的远端与所述大臂的近端之间通过所述基关节连接；
所述大臂的远端与所述中臂的近端之间通过所述肩关节连接；
所述中臂的远端与所述肘关节连接。
4.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，
所述姿态调节关节从近端到远端包括依次连接的小臂自转关节、腕关节以及夹持件自转关节，所述小臂自转关节、所述腕关节以及所述夹持件自转关节的旋转轴线交汇于所述夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。
5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，
所述姿态调节组件还包括小臂、前臂、夹持件，
其中，
所述小臂的远端与所述前臂的近端通过所述小臂自转关节连接；
所述前臂的远端与所述夹持件通过所述腕关节连接；
所述夹持件自转关节位于所述夹持件，用于实现所述医疗器械自转。
6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，
所述前臂包括垂直连接的第一杆以及第二杆，所述第一杆的近端通过所述小臂自转关节与所述小臂可转动连接，所述第二杆的远端通过所述腕关节与所述夹持件可转动连接,所述第二杆的轴线与所述小臂自转关节的旋转轴线平行。
7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，
所述医疗器械的期望姿态包括医疗器械的X轴期望姿态，Y轴期望姿态和Z轴期望姿态，所述控制器还用于获取所述远程运动中心的位置，进而获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，用以结合所述医疗器械的Z轴期望姿态获取所述夹持点的期望位置。
8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，
所述控制器还用于在所述医疗器械的远离所述夹持点的一端抵接于所述远程运动中心时，根据此时夹持点的位置、所述医疗器械的姿态以及所述医疗器械的轴向长度，运用运动学模型以获取所述远程运动中心的位置。
9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，
所述控制器还用于在所述医疗器械穿入所述远程运动中心后，根据所述位置传感器获取的所述位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态，并根据运动学模型获取当前的所述夹持点的位置，并结合所述远程运动中心的位置，以获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值。
10.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，
所述控制器还用于改变夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，以改变所述夹持点的期望位置，并结合医疗器械的姿态，根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，进而实现所述医疗器械在保持姿态不变的前提下做伸缩运动。
11.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，
所述驱动组件与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组包括电机、减速机、力矩传感器以及输出法兰，所述减速机与所述电机的输出轴连接，所述力矩传感器分别连接所述减速机以及输出法兰。
12.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述关节模组还包括用以锁紧所述电机输出轴的制动器。
13.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，
所述关节模组还包括可活动连接的第一壳体以及第二壳体；所述第一壳体与所述第二壳体分别与所述机械臂的相邻的两个杆件连接；所述电机设置在所述第一壳体内；所述输出法兰设置在第二壳体内。
14.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，
所述减速机为谐波传动减速器；
其中，所述谐波传动减速器的波发生器与所述电机的输出轴连接，所述谐波传动减速器的钢圈与所述力矩传感器连接；
或者，所述谐波传动减速器的波发生器与所述力矩传感器连接，所述谐波传动减速器的钢圈与所述电机的输出轴连接。
15.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，
所述力矩传感器包括内环、柔顺件、外环、控制单元以及敏感元件，所述内环和所述外环同心设置，所述柔顺件在径向上连接所述内环和所述外环；所述敏感元件设置于所述柔顺件的侧面上，并与所述控制单元通信连接，所述敏感元件用以获取所述柔顺件的形变信息，所述控制单元根据所述形变信息获得所述力矩传感器受到的力矩。
16.根据权利要求15所述的机械臂，其特征在于，
所述内环与所述输出法兰固定连接，所述外环与所述减速机固定连接；
或者，所述内环与所述减速机固定连接，所述外环与所述输出法兰固定连接。
17.一种用于夹持医疗器械的机械臂，其特征在于，包括：
位于所述机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；
与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节，所述姿态调节关节包括夹持件自转关节，所述夹持件自转关节用于实现所述医疗器械自转；多个所述姿态调节关节的旋转轴线相交于所述夹持点，多个所述姿态调节关节用于在所述位置调节组件的驱动下被动转动，使所述夹持点上的医疗器械绕远程运动中心转动，以调整所述医疗器械至期望姿态；
驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动，和所述夹持件自转关节使所述医疗器械自转；
位置传感器，用于获取所述位置调节关节、姿态调节关节的运动状态；
控制器，用于根据医疗器械的所述期望姿态、所述远程运动中心的约束获得所述夹持点的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态，并通知驱动组件驱动所述位置调节关节、夹持件自转关节运动至期望的运动状态，以使所述医疗器械到达期望的姿态。
18.根据权利要求17所述的机械臂，其特征在于，
所述位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节，所述基关节的旋转轴线与所述肩关节的旋转轴线相垂直，所述肩关节的旋转轴线与所述肘关节的旋转轴线相平行。
19.根据权利要求17或18所述的机械臂，其特征在于，
所述姿态调节关节从近端到远端还包括依次连接的小臂自转关节以及腕关节，所述小臂自转关节、所述腕关节以及所述夹持件自转关节的旋转轴线交于所述夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。
20.根据权利要求17所述的机械臂，其特征在于，
所述医疗器械的期望姿态包括医疗器械的X轴期望姿态，Y轴期望姿态和Z轴期望姿态，所述控制器还用于获取所述远程运动中心的位置，进而获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，用以结合所述医疗器械的Z轴期望姿态获取所述夹持点的期望位置。
21.根据权利要求17所述的机械臂，其特征在于，
用于驱动所述位置调节关节的所述驱动组件与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组包括电机、减速机、力矩传感器以及输出法兰，所述减速机与所述电机的输出轴连接，所述力矩传感器分别连接所述减速机以及输出法兰，和/或，
用于驱动夹持件自转关节的驱动组件包括中空的力矩电机，所述医疗器械能经过力矩电机的中轴线与力矩电机的转子相固定。
22.一种医疗机器人，其特征在于，包括权利要求1-21中任一项所述的机械臂。
23.根据权利要求22所述的医疗机器人，其特征在于，还包括手术床、固定包以及支撑梁,所述支撑梁的两端分别连接所述固定包以及所述机械臂,所述固定包与所述手术床连接。
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