CN112423694B - 机器人手臂结构和包括该机器人手臂结构的手术机器人的机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人手臂结构和包括该机器人手臂结构的手术机器人的机械手。本发明的机器人手臂结构包括：第一机器人手臂单元和第二机器人手臂单元，所述第一机器人手臂单元包括：多个第一链节手臂；第一接头部，其安装于所述第一链节手臂，使连接的所述第一链节手臂绕第一轴旋转；以及第二接头部，其安装于多个所述第一链节手臂中的至少一个，调节所述第一链节手臂的长度，所述第二机器人手臂单元包括：第二链节手臂，其与所述第一链节手臂连接；第三接头部，其将所述第二链节手臂的长度方向用作第一旋转轴，且使所述第二链节手臂旋转；以及第四接头部，其安装于所述第二链节手臂的端部，绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴旋转。

Description

机器人手臂结构和包括该机器人手臂结构的手术机器人的机 械手

技术领域

本发明涉及一种可适用于机器人装置的机器人手臂结构和手术机器人的机械手。

背景技术

手术机器人是指具有能够替代外科医生执行的手术的功能的机器人。这种手术机器人具有的优点是，与人类相比，它们可以执行精确且精密的操作，并且可以进行远程手术。当前，在全球范围内开发的手术机器人包括骨科手术机器人、腹腔镜手术机器人和定位手术机器人。

手术机器人装置通常由主控制台和从机器人组成。当操作员操纵设置于主控制台的操纵杆(例如，手柄)时，通过操纵与从机器人的机器人手臂耦合或由机器人手臂保持的器械来执行手术。

前述的背景技术是发明人为实施本发明而拥有或在导出本发明过程中获得的技术信息，因此不一定是在申请本发明之前向公众公开的公知技术。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种易于操作，并且通过使驱动中的碰撞最小化来提高安全性的机器人手臂结构和包括该机器人手臂结构的手术机器人的机械手。

技术方案

根据本发明的实施方式的一个方面提供一种机器人手臂结构，其包括：第一机器人手臂单元和第二机器人手臂单元，其中，所述第一机器人手臂单元包括：多个第一链节手臂；第一接头部，其安装于所述第一链节手臂，使连接的所述第一链节手臂绕第一轴旋转；以及第二接头部，其安装于多个所述第一链节手臂中的至少一个，用于调节所述第一链节手臂的长度，所述第二机器人手臂单元包括：第二链节手臂，其与所述第一链节手臂连接；第三接头部，其将所述第二链节手臂的长度方向用作第一旋转轴，并且使所述第二链节手臂旋转；以及第四接头部，其安装于所述第二链节手臂的端部，绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴旋转。

发明效果

根据本发明的机器人手臂结构和包括该机器人手臂结构的手术机器人的机械手允许安装在其端部的器械的运动。尤其是，用户可以操纵机器人手臂结构，从而可以允许器械在三维空间中进行线性运动、偏航(Yaw)运动和俯仰(Pitch)运动。

由于本发明的机器人手臂结构和包括该机器人手臂结构的手术机器人的机械手具有冗余自由度，因此在驱动中固定器械位置的情况下，可以改变机器人手臂结构的姿态。当机器人手臂结构适用于手术机器人时，在不改变手术中的手术工具的方向的情况下，可以通过改变主动手臂的姿态来减少碰撞的可能性。当然，本发明的范围不受这些效果的限制。

附图说明

图1为示出本发明的一实施例的手术机器人装置的整个系统的俯视图。

图2为示出图1的手术机器人的机械手的立体图。

图3为示出根据本发明的一实施例的机器人手臂结构的图。

图4为示出可以安装于图3的器械的立体图。

图5为示出根据本发明的另一个实施例的机器人手臂结构的图。

图6为示出根据本发明的另一些实施例的机器人手臂结构的图。

图7为示出图2的手术机器人的机械手的另一个实施例的立体图。

具体实施方式

本发明的实施方式的一个方面提供一种机器人手臂结构，其包括：第一机器人手臂单元和第二机器人手臂单元，其中，所述第一机器人手臂单元包括：多个第一链节手臂；第一接头部，其安装于所述第一链节手臂，使连接的所述第一链节手臂绕第一轴旋转；以及第二接头部，其安装于多个所述第一链节手臂中的至少一个，调节所述第一链节手臂的长度，所述第二机器人手臂单元包括：第二链节手臂，其与所述第一链节手臂连接；第三接头部，其将所述第二链节手臂的长度方向用作第一旋转轴，并且使所述第二链节手臂旋转；以及第四接头部，其安装于所述第二链节手臂的端部，绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴旋转。

另外，所述的机器人手臂结构可以进一步包括器械，其安装于所述第二链节手臂的端部，并且通过所述第四接头部来旋转，并且可以驱动所述第一机器人手臂单元和所述第二机器人手臂单元，以使所述器械在保持预设的远程运动中心(RCM：Remote Center ofMotion)点的固定位置的同时，进行偏航(Yaw)运动或俯仰(Pitch)运动。

另外，所述第一旋转轴的延长线和所述第二旋转轴的延长线可以不穿过所述远程运动中心点。

另外，所述第二机器人手臂单元可以驱动所述第三接头部和所述第四接头部，从而设定所述器械的偏航(Yaw)运动和俯仰(Pitch)运动，并且所述第一机器人手臂单元可以驱动所述第一接头部和所述第二接头部，从而使所述器械保持固定在预设的远程运动中心点的位置。

另外，所述第二链节手臂可以连接至所述第一链节手臂，以使所述第一旋转轴相对于所述第一轴具有倾斜角。

另外，所述倾斜角可以大于0度且小于90度。

另外，所述第一机器人手臂单元的一端在三维空间中的位置被固定，且另一端可以与所述第二链节手臂连接。

另外，所述第一接头部至第四接头部中的至少一个可以为所述机器人手臂结构提供冗余自由度(Redundant degrees of freedom)，从而替代其他接头部的运动。

另外，在不改变安装于所述第二链节手臂的端部的器械的位置和方向的情况下，所述冗余自由度可以允许多个所述第一链节手臂或所述第二链节手臂的运动。

另外，多个所述第一链节手臂中的任何一个可以具有沿着平行于地面的方向延伸的第一部分以及从所述第一部分弯曲而平行于所述第一轴的第二部分。

另外，所述第二接头部包括：第一线性运动接头，其沿着垂直于所述第一轴的第二轴进行线性运动，从而使所述第二链节手臂移动；以及第二线性运动接头，其沿着所述第一轴进行线性运动，从而使所述第二链节手臂移动。

另外，所述第一链节手臂可包括：第一链节，其安装有所述第一线性运动接头；以及第二链节，其与所述第一链节连接，并且其一部分沿着所述第二轴弯曲，且所述一部分安装有第二线性运动接头，所述第一接头部可以分别安装于所述第一链节的两端，或安装于所述第一链节和所述第二链节之间。

另外，所述第一链节手臂可以包括：第一部分，其安装有所述第一线性运动接头；以及第二部分，其与所述第一部分连接，并且沿着所述第二轴弯曲，以安装所述第二线性运动接头。

本发明的实施方式的另一个方面提供一种机器人手臂结构，其包括：第一旋转接头，其绕第一轴旋转；第一链节，其一端与所述第一旋转接头连接；第一线性运动接头，其安装于所述第一链节的内部，调节所述第一链节的长度；第二旋转接头，其安装于所述第一链节的另一端，并且绕所述第一轴旋转；第二链节，其一端与所述第二旋转接头连接；第二线性运动接头，其安装于所述第二链节的内部，沿着所述第一轴移动；第三链节，其与所述第二链节的另一端连接，且延伸为相对于所述第一轴具有倾斜角；滚动接头，其安装于所述第三链节的内部，绕所述第三链节的长度方向的第一旋转轴旋转；以及第三旋转接头，其安装于所述第三链节的端部，绕与所述第一旋转轴不同的第二旋转轴旋转。

另外，所述机器人手臂结构可以进一步包括：器械，其安装于所述第三链节的端部，并通过所述第三旋转接头来旋转，并且驱动所述第一旋转接头、所述第二旋转接头、所述第一线性运动接头、所述第二线性运动接头、所述滚动接头和所述第三旋转接头中的至少五个接头，以使所述器械在保持预设的远程运动中心点的固定位置的同时，进行偏航运动或俯仰运动。

另外，所述第一旋转接头、所述第二旋转接头、所述第一线性运动接头、所述第二线性运动接头、所述滚动接头和所述第三旋转接头中的至少一个可以为所述机器人手臂结构提供冗余自由度(Redundant degrees of freedom)，从而替代其他接头的运动。

另外，在不改变安装于所述第三链节的端部的器械的位置和方向的情况下，所述冗余自由度可以允许所述第一链节、所述第二链节和所述第三链节中的至少一个的运动。

本发明的实施方式的另一些方面提供一种手术机器人的机械手，其包括：前述的机器人手臂结构；以及被动手臂结构，其与所述机器人手臂结构连接，并且当驱动时固定于所述机器人手臂结构，其中，所述被动手臂结构包括：沿着所述第一轴延伸的第一手臂；第三线性运动接头，其安装于所述第一手臂的内部，并且沿着所述第一轴移动，从而调节所述第一手臂的长度；第四旋转接头，其安装于所述第一手臂的端部，并且绕所述第一轴旋转；第二手臂，其一端与所述第四旋转接头连接；第五旋转接头，其安装于所述第二手臂的另一端，并且绕所述第一轴旋转；以及第三手臂，其一端与所述第五旋转接头连接。

另外，所述被动手臂结构可以进一步包括第四线性运动接头，其安装在所述第二手臂或所述第三手臂中的至少一个上，用于调节长度。

另外，所述手术机器人的机械手可以进一步包括安装于所述机器人手臂结构的端部的器械，所述器械驱动所述被动手臂结构，从而设定远程运动中心点的位置，并且驱动所述机器人手臂结构，从而在保持所述远程运动中心点的固定位置的同时进行偏航(Yaw)运动或俯仰(Pitch)运动。

前述的内容之外的其他方面、特点以及优点，根据以下的附图、权利要求书以及发明的详细说明将变得更加明确。

具体实施方式

由于本发明允许各种改变和许多实施例，因此将在附图中示出并在详细说明中详细说明特定的实施例。然而，应当理解，这并不旨在将本发明局限于特定的实施例，并且包括不脱离本发明的精神和技术范围内的所有变形、等同物和替代物。在说明本发明时，即使在另一个实施例中示出，相同的附图标记也用于相同的组件。

诸如“第一”和“第二”等的术语可以用于说明各种组件，但这些组件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个组件和另一个组件。

在本发明中所使用的术语仅用于说明特定的实施例，而无意于限制本发明。在本发明中，诸如“包括”或“具有”之类的术语旨在表示存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、操作、组件、零部件或其组合。应当理解，本发明提前不排除存在或附加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、零部件或其组合的可能性。

以下，将参照在附图中示出的本发明的实施例来详细说明本发明。

在下文中，机器人手臂结构可以适用于各种工业上可用的机器人。它可以适用于各种类型的机器人装置、机器人系统，例如工业机器人、医疗机器人和移动机器人等。

即，本发明的机器人手臂结构不限于特定的形状、位置或用途，并且可以适用于其中连接有多个链节或手臂的各种结构。然而，在下文中，为了便于说明，将主要说明安装于手术机器人的情况。

图1为示出本发明的一实施例的手术机器人装置1的整个系统的俯视图。

参照图1，手术机器人装置1包括对躺在手术台2上的患者S进行手术的机械手10、允许操作员O远程操纵机械手10的主控制台20。另外，手术机器人装置1可以包括影像车30。助手A可以通过影像车30的显示单元35来确认执行手术的情况。

机械手10可以包括一个或多个机器人手臂11。机器人手臂通常是指具有与人的手臂和/或手腕相似的功能，并且能够将预设的工具附接到手腕的装置。在本说明书中，机器人手臂11可以定义为囊括诸如上臂、下臂、手腕、肘部的组件以及耦合至所述手腕部分的手术用器械的概念。这样，机械手10的机器人手臂11可以实现为以多个自由度驱动。机器人手臂11可以构成为包括诸如插入到患者S的手术部位的器械12、根据手术位置使器械12朝偏航(yaw)方向旋转的偏航驱动单元、使器械12朝与偏航驱动单元的旋转驱动正交的俯仰(pitch)方向旋转的俯仰驱动单元、使器械12朝长度的方向移动的移动驱动单元、使器械12旋转的旋转驱动单元，以及安装于器械12的末端并切开或切割手术病变的器械驱动单元。然而，机器人手臂11的构造不限于此，并且应当理解，这些示例不限制本发明的范围。这里，将省略对实际控制过程的详细说明，例如通过操作员O操纵操纵杆来使机器人手臂11朝相应的方向旋转和运动。

可以使用一个或多个机械手10对患者S执行手术，并且用于通过显示单元35将手术部位显示为视频图像的器械12可以实现为一个独立的机械手10。另外，如上所述，本发明的实施例可以普遍用于其中使用除了腹腔镜之外的各种手术内窥镜(例如，胸腔镜、接头镜、鼻镜等)的手术。

机器人手臂结构100可以适用于机械手10的机器人手臂11的一部分。另外，被动手臂50可以适用于另一个部分。这将在下文中详细说明。

主控制台20和机械手10不一定需要在物理上分离为独立的装置，而是可以构成为集成在一起。然而，在下文中，为了便于说明，将主要说明主控制台20和机械手10在物理上彼此间隔开的情况。

主控制台20包括操纵杆(未示出)和显示部件(未示出)。另外，主控制台20还可以包括外部的显示装置25，其可以在外部单独显示操作员O的状态。

详细地，主控制台20包括操纵杆(未示出)，以使操作员O可以分别双手握持并操纵。操纵杆可以实现为具有两个或多个手柄，并且操作员O操纵手柄的操作信号通过有线或无线通信网络传送到机械手10，从而控制机器人手臂11。即，可以通过操作员O操纵的手柄来执行机器人手臂11的位置移动、旋转、切割之类的手术操作。

例如，操作员O可以通过使用以手柄形状的操纵杆来操纵从机器人手臂11或器械12等。这些操纵杆可以根据操作的方式具有各种机制构成，并且可以设置为各种形状，以启动机械手10的机器人手臂11和/或其他手术设备，例如操纵从机器人手臂11或器械12等的操作的主手柄、为操纵整体系统的功能而附加在主控制台20上的摇杆、键盘、轨迹球和触摸屏等各种输入工具。这里，操纵杆不限于手柄的形状，并且只要其可以通过诸如有线或无线通信网络的网络来控制机器人手臂11的操作，就可以不受限制地适用。

器械12拍摄的视频作为图像显示在主控制台20的所述显示部件上。另外，预设的虚拟操作面板可以与由所述器械12拍摄的视频一起显示在显示部件上，或者可以独立地显示在显示部件上。

显示部件可以包括操作员O能够确认视频的的各种形状。例如，显示装置可以安装为对应于操作员O的两只眼睛。作为另一示例，其可以由一个或多个显示器组成，并且每个显示器可以单独地显示出手术时所需的信息。显示部件的数量可以根据需要显示的信息的类型或种类等来不同地决定。将在下文中更详细地说明关于主控制台20的说明。

影像车30可以安装为与机械手10或主控制台20彼此间隔开，并且可以从外部通过显示单元35确认执行手术的情况。显示在显示单元35上的视频可以与显示在操作员O的主控制台20上的视频相同。助手A可以在确认显示单元35的视频的同时协助操作员O的手术操作。例如，助手A可以根据执行手术的情况，在器械车3更换器械12。

中央控制单元40可以与机械手10、主控制台20和影像车30连接，从而传送和接受相应的信号。中央控制单元40可以安装在机械手10、主控制台20和影像车30中的任何一个上，或者可以独立地安装。

图2为示出图1的手术机器人的机械手10的立体图。

在下文中，第一轴i定义为实质上垂直于地面的轴。接头可以绕第一轴i旋转，从而调节在空间中的手臂或链节的位置。

另外，在下文中，第一轴i可以定义为穿过每个旋转接头的中心的轴，并且可以根据旋转接头的数量具有多个第一轴i。即，每个旋转接头具有每个穿过旋转中心的旋转轴，并且所述旋转轴根据旋转接头的位置设置为彼此平行。因此，在下文中，第一轴i定义为包括多个实际上垂直于地面且设置为彼此平行的旋转轴，并且定义为包括彼此平行的轴的概念。

具体参照图2，第一旋转接头J1、第二旋转接头J3、第四旋转接头Jb和第五旋转接头Jc可以绕穿过每个旋转中心且彼此平行的第一轴i旋转。另外，第二线性运动接头J4和第三线性运动接头Ja可以绕第一轴i进行线性运动。

参照图2，手术机器人的机械手10可以分为被动区域(Passive Area:P.A)和主动区域(Active Area:A.A)。被动区域P.A和主动区域A.A是根据在手术过程中手术机器人装置1的驱动区域而区分的。

详细地，被动手臂50安装于被动区域P.A，被动区域P.A是在手术前只有被动手臂50驱动的区域，而主动手臂100此时不驱动。被动区域P.A是在执行手术之前设定手术机器人装置1的位置的区域，并且操作员O或助手A可以通过驱动被动手臂50来设定主动手臂100的位置。

在准备手术时，被动手臂50可以将主动手臂100的位置移动至期望位置，但在执行手术时，其位置被固定。被动手臂50包括多个接头、连接这些接头的手臂(Arm)或链节(link)。每个接头都进行旋转(rotation)运动或线性(prismatic)运动，并且通过这些运动来产生被动手臂50的整体运动。接头可以包括驱动器(actuator)、减速器、传感器、制动器(brake)、平衡装置(counterbalance)等。

驱动器主要是电动机，并且可以包括有刷直流(brushed DC)电机、无刷直流(brushless DC)电机、交流电机等。减速器可以实现为诸如谐波驱动(harmonic drive)、行星齿轮的齿轮(gear)。传感器可以是测量接头的运动的编码器(encoder)、分解器(resolver)等，并且可以包括力/扭矩(force/torque)传感器，其用于测量施加到与每个接头连接的链节的力或扭矩。制动器是限制接头的运动的装置，主要组件是螺线管(solenoid)和弹簧，并且可以包括连接至驱动器且限制驱动器的运动的形状、连接至链节且限制链节的运动的形状，或者都包括上述的两种形状。平衡装置是补偿机器人手臂的重量的装置，并且在静态(static)下施加可抵消机器人手臂重量的力。

被动手臂50可以设置为使第一手臂51、第二手臂52和第三手臂53彼此连接，并且可以包括三个接头。被动手臂50可以通过三个接头来调节三个链节，从而可以使被动手臂50移动至三维空间中的期望位置。

第一手臂51可以沿着第一轴i延长。沿着第一轴i调节第一手臂的长度的第三线性运动接头Ja可以安装于第一手臂51的内部。即，第一手臂51可以安装在垂直于地面的方向上，并且第三线性运动接头Ja可以设置在其中，从而朝着垂直于地面的方向进行线性运动。因此，被动手臂50可以调节主动手臂100的高度。

绕第一轴i旋转的第四旋转接头Jb可以安装于第一手臂51的端部。第四旋转接头Jb连接第一手臂51和第二手臂52，并且对于第一手臂51，第四旋转接头Jb使第二手臂52绕第一轴i旋转。

第二手臂52可旋转地连接至第一手臂51，并且与第一手臂51连接。第一手臂51和第二手臂52实际上互相垂直，但不限于此，可以具有+15度至-15度的角度范围。

第二手臂52的一端与第四旋转接头Jb连接。由于第二手臂52通过第四旋转接头Jb与第一手臂51连接，因此对于第一手臂51，第二手臂52可以绕第一轴i旋转。作为一实施例，由于第二手臂52朝着平行于地面的方向延长，因此第二手臂52设置为实际上垂直于第一手臂51。

第三手臂53可旋转地连接至第二手臂52，并且与第二手臂52连接。第二手臂52和第三手臂53设置为实际上彼此平行，但不限于此，可以具有+15度至-15度的角度范围。

第三手臂53的一端与第五旋转接头Jc连接。由于第三手臂53通过第五旋转接头Jc来与第二手臂52连接，因此对于第二手臂52，第三手臂53可以绕第一轴i旋转。作为一实施例，第三手臂53像第二手臂52一样设置为平行于地面。

主动手臂100安装于主动区域A.A。在执行手术的过程中，只有主动手臂100驱动在主动区域A.A，在此情况下，被动手臂50不驱动。当主动手臂100驱动在主动区域A.A时，器械12可以以多个自由度执行手术。即，主动区域A.A是在执行手术的过程中驱动的部分，并且操作员O可以通过操纵主控制台来驱动器械12。在此情况下，器械12在维持固定在预设的远程运动中心点RCM的状态的同时，可以进行偏航(Yaw)运动、俯仰(Pitch)运动和侧倾(Roll)运动。

器械12或内窥镜(未示出)安装于主动手臂100的末端，并且在执行手术的过程中，可以通过驱动主动手臂100的每个接头来使器械12或内窥镜在患者的体内进行移动。主动手臂100包括多个接头、连接这些接头的手臂(Arm)或链节(link)。每个接头都进行旋转(rotation)运动或线性(prismatic)运动，并且通过这些运动来产生主动手臂100的整体运动。接头可以包括驱动器(actuator)、减速器、传感器、制动器(brake)、平衡装置(counterbalance)等。每个接头的构成与前述的被动手臂50的接头基本相同，但根据设置的操作有所不同，这将在下文中详细说明。

图3为示出根据本发明的一实施例的机器人手臂结构100的图，图4为示出可以安装于图3的器械12的立体图。

本发明的机器人手臂结构100可以安装于主动区域A.A。因此，当在手术机器人装置中使用时，机器人手臂结构100可以适用为主动手臂。因此，在下文中，将互换使用机器人手臂结构和主动手臂。

参照图2至图4，机器人手臂结构100可以包括多个链节和接头，并且套管保持器120、滑动引导件130、套管140可以安装于机器人手臂结构100的端部。机器人手臂结构100可以定义为仅包括多个链节和接头，或者可以定义为进一步包括套管保持器120、滑动引导件130、套管140。

多个链节可以包括第一链节111、第二链节112和第三链节113。多个链节可以具有彼此+15度至-15度的角度范围。多个链节可以通过第一旋转接头J1、第一线性运动接头J2、第二旋转接头J3、第二线性运动接头J4、滚动接头J5和第三旋转接头J6来连接。

第一链节111包括与第一线性运动接头J2彼此连接的一端111a和另一端111b。第一链节111的一端111a与第一旋转接头J1连接。第一旋转接头J1可以绕第一轴i旋转。由于第一旋转接头J1连接至固定链节101，因此对于固定链节101，第一链节111可以绕第一轴i旋转。

固定链节101是在三维空间中固定位置的部分，并且不限于特定的名称和位置。作为一实施例，固定链节101可以是被动手臂50的第三手臂53。在下文中，将主要说明固定链节101是第三手臂53的情况。

第一线性运动接头J2可以安装于第一链节111的内部，从而可以调节第一链节111的长度。第一链节111的一端111a和第一链节111的另一端111b可以通过第一线性运动接头J2来调节长度。第一线性运动接头J2可以进行线性运动。可以通过调节第一线性运动接头J2来调节第一链节111的长度。

绕第一轴i旋转的第二旋转接头J3可以安装于第一链节111的另一端111b。由于第二旋转接头J3连接第一链节111和第二链节112，因此第一链节111和第二链节112可以绕第一轴i旋转。

第二链节112包括第一端部112a、中间部112b和第二端部112c。第二链节112可以通过第二旋转接头J3来与第一链节111连接，并且第二线性运动接头J4安装于其内部，从而可以在高度的方向上调节长度。

第一端部112a与第二旋转接头J3连接，从而可以绕第一轴i旋转。中间部112b从第一端部112a沿着第一轴i的方向弯曲而形成。中间部112b沿着第一轴i的方向延长，并且第二线性运动接头J4安装于其内部，从而可以在第一轴i的方向上进行线性运动。第二端部112c与第二线性运动接头J4连接，并且可以与第三链节113连接。

第二链节112形成为弯曲，以使第一端部112a和中间部112b实际上互相垂直。第二线性运动接头J4安装于中间部112b的内部，从而可以沿着第一轴i移动且调节器械12的高度。

第三链节113与第二链节112的另一端，即第二端部112c连接，但延长为对于第一轴i具有倾斜角θ。第三链节113与第二端部112c形成一个主体，但设置为从第二链节112弯曲。由于第二端部112c沿着第一轴i的方向延长，因此第三链节113的长度方向的第一旋转轴j和第二端部112c的长度方向的第一轴i可具有倾斜角θ。倾斜角θ可以大于0度且小于90度。

滚动接头J5可以安装于第三链节113的内部。滚动接头J5可以以第三链节113的长度方向作为第一旋转轴j旋转。由于第三链节113从第二链节112弯曲，因此第一旋转轴j可以与第一轴i形成所述倾斜角θ。

滚动接头J5可以形成第三链节113的侧倾运动。滚动接头J5的侧倾运动可以形成器械12的偏航运动。倾斜角θ设置于与器械12的偏航轴Y相似的方向，从而可以产生器械12的偏航运动。即，当滚动接头J5旋转时，器械12可以绕偏航轴Y旋转。然而，在此情况下，由于第一旋转轴j的延长线不穿过远程运动中心点RCM，因此当滚动接头J5旋转时，器械12的位置可以发生变化。然而，可以通过驱动另一个接头来校正器械12的位置，从而使器械12保持远程运动中心点RCM。这将在下文中详细说明。

第三旋转接头J6可以安装于第三链节113的端部。第三旋转接头J6绕第二旋转轴k旋转，但第二旋转轴k在三维空间中垂直于第一旋转轴j。

当第三旋转接头J6绕第二旋转轴k旋转时，可以形成器械12的俯仰运动。第二旋转轴k设置于与器械12的俯仰轴P相似的方向，从而可以产生器械12的俯仰运动。即，当第三旋转接头J6旋转时，器械12可以绕俯仰轴P旋转。然而，在此情况下，由于第二旋转轴k的延长线不穿过远程运动中心点RCM，因此当滚动接头J5旋转时，器械12的位置可以发生变化。然而，可以通过驱动另一个接头来校正器械12的位置，从而使器械12保持远程运动中心点RCM。这将在下文中详细说明。

在器械12保持固定在预设的远程运动中心点RCM的位置的同时，机器人手臂结构100可以进行偏航运动或俯仰运动。机器人手臂结构100可以通过软件使器械12保持远程运动中心点RCM的位置。当驱动第一旋转接头J1、第一线性运动接头J2、第二旋转接头J3、第二线性运动接头J4、滚动接头J5和第三旋转接头J6时，器械12在保持在远程运动中心点RCM上的一定的位置的同时，可以进行偏航运动、俯仰运动、侧倾运动。

器械12可以通过驱动第一旋转接头J1、第一线性运动接头J2、第二旋转接头J3、第二线性运动接头J4、滚动接头J5和第三旋转接头J6来具有至少五个自由度。为此，在多个接头中，可以驱动至少五个接头。器械12可以具有三个方向的线性运动、偏航运动和俯仰运动。

第一旋转接头J1、第一线性运动接头J2、第二旋转接头J3、第二线性运动接头J4、滚动接头J5和第三旋转接头J6中的至少一个可以为机器人手臂结构提供冗余自由度(Redundant degrees of freedom)，从而可以替代其他接头的运动。机器人手臂结构100为了实现五自由度而使用五个接头，并且其余的一个接头形成冗余自由度。

在不改变安装于第三链节113的端部的器械12的位置和方向的情况下，冗余自由度可以允许第一链节111、第二链节112和第三链节113中的至少一个的运动。由此，在使用器械12执行手术的过程中，机器人手臂结构100的链节中的一个可以移动，从而可以防止机器人手臂在空间上相互干扰。

套管保持器120可以安装于第三链节113的端部，并且可以安装有套管140。滑动引导件130也安装于第三链节113的端部，并且可以引导器械12的线性运动。

如图4所示，器械12插入到套管140中，从而安装于机器人手臂结构100。当执行手术时，器械12在保持固定在预设的远程运动中心点RCM的位置的同时，可以进行偏航运动、俯仰运动和侧倾运动。

当执行手术时，远程运动中心点RCM的位置被固定，并且位于患者的切口点。由于远程运动中心点位于患者的切口点，因此可以以最小的侵入执行手术。远程运动中心点由套管140的外侧的标记M显示，因此操作员O或助手A可以容易地识别它，并且为了执行手术而设置手术机器人装置1。

器械12可以在固定的远程运动中心点RCM上进行偏航运动、俯仰运动和侧倾运动。可以通过在器械12中进行侧倾运动来进行侧倾运动，但通过机器人手臂结构100的驱动来进行偏航运动和俯仰运动。

另外，器械12可以在三维空间中移动位置，从而可以使其位置移动到远程运动中心点RCM。器械12的X轴、Y轴和Z轴方向上的运动也由机器人手臂结构100驱动。

即，器械12的X轴方向的线性运动、Y轴方向的线性运动、Z轴方向的线性运动、偏航运动和俯仰运动由机器人手臂结构100驱动。

作为另一个实施例，以影响器械12的运动的区域为准，机器人手臂结构100可以分为第一机器人手臂单元100a和第二机器人手臂单元100b。第一机器人手臂单元100a包括第一链节手臂、第一接头部和第二接头部，并且第二机器人手臂单元100b包括第二链节手臂、第三接头部和第四接头部。

第一机器人手臂单元100a的一端在三维空间中的位置固定，并且另一端与第二机器人手臂单元100b的第二链节手臂连接。

第一链节手臂包括多个，并且可以包括第一链节111和第二链节112。第一链节111设置有第一线性运动接头J2，并且第二链节112与第一链节111连接，并且第一链节111的一部分沿着垂直于第一轴i的第二轴弯曲，但其一部分可以安装有第二线性运动接头J4。第一链节手臂中的任何一个可以具有沿着平行于地面的方向延伸的第一部分，以及从第一部分弯曲而平行于第一轴i的第二部分。即，第二链节112的第一端部112a可平行于地面延长，并且第二链节112的中间部112b和第二端部112c可沿着第一轴i延长。

第一接头部设置于第一链节手臂之间，从而使连接的第一链节手臂绕第一轴i旋转。第一接头部可以包括安装于第一链节111的两端的第一旋转接头J1和第二旋转接头J3。

第二接头部安装于多个第一链节手臂中的至少一个，并且可以调节第一链节手臂的长度。第二接头部可以包括朝彼此不同的方向进行线性运动的第一线性运动接头J2和第二线性运动接头J4。第一线性运动接头J2沿着垂直于第一轴i的第二轴进行线性运动，从而使第二链节手臂移动，并且第二线性运动接头J4沿着第一轴i进行线性运动，从而使第二链节手臂移动。

第一机器人手臂单元100a具有通过驱动第一接头部和第二接头部来设定器械12在三维空间中的位置的功能，以及校正器械12的偏航运动和俯仰运动的功能。

当驱动第一旋转接头J1、第二旋转接头J3、第一线性运动接头J2和第二线性运动接头J4时，器械12在三维空间中的位置可以发生变化。因此，为了改变器械12在空间中的位置，可以驱动第一接头部和第二接头部。

另外，即使在器械12进行偏航运动和俯仰运动的情况下，也可以驱动第一接头部和第二接头部，以使器械12保持远程运动中心点RCM。当由于第二机器人手臂单元100b的驱动而器械12进行偏航运动和俯仰运动时的空间中的位置发生变化时，可以通过驱动第一接头部和第二接头部来校正器械12的位置。

第二机器人手臂单元100b与第一机器人手臂单元100a连接，并且器械12可以安装于其端部。器械12安装于第二链节手臂的端部，并且可以通过第四接头部来旋转。

第二链节手臂与第一链节手臂连接，并且对应于第三链节113。在第二链节手臂中，在长度方向上延伸的第一旋转轴j可对第一轴i具有倾斜角θ。

第三接头部作为第一旋转轴具有第二链节手臂的长度方向，并且可以使第二链节手臂旋转。第三接头部对应于滚动接头J5，并且第三接头部可以绕第一旋转轴j旋转。

第四接头部设置于第二链节手臂的端部，并且可以绕垂直于第一旋转轴j的第二旋转轴k旋转。第四接头部对应于第三旋转接头J6，并且可以绕垂直于第一旋转轴j和第一轴i的第二旋转轴k旋转。

第二机器人手臂单元100b具有通过驱动第三接头部和第四接头部来设定器械12的偏航运动和俯仰运动的功能，以及校正器械12在三维空间中的位置的功能。

由于第一旋转轴j具有平行于器械12的偏航轴Y的方向，因此当滚动接头J5沿着第一旋转轴j旋转时，器械12可以进行偏航运动。然而，由于第一旋转轴j不穿过远程运动中心点RCM，因此即使第三链节113的滚动接头J5驱动，器械12的位置也在三维空间中发生变化。即，滚动接头J5作为主要功能形成器械12的偏航运动，但同时作为辅助功能改变器械12在三维空间中的位置。

由于第二旋转轴k具有平行于器械12的俯仰轴P的方向，因此当第三旋转接头J6沿着第二旋转轴k旋转时，器械12可以进行俯仰运动。然而，由于第二旋转轴k不穿过远程运动中心点RCM，因此即使第三旋转接头J6驱动，器械12的位置也在三维空间中发生变化。即，第三旋转接头J6作为主要功能形成器械12的俯仰运动，但同时作为辅助功能改变器械12在三维空间中的位置。

由第二机器人手臂单元的第三接头部和第四接头部的驱动引起的位置的变化可以通过驱动第一机器人手臂单元的第一接头部和第二接头部来校正其位置。由此，器械12在保持固定在预设的远程运动中心点RCM的位置的同时，可以进行偏航运动或俯仰运动。

机器人手臂结构100可以包括冗余自由度。第一至第四接头部中的至少一个可以为其他接头部提供冗余自由度，从而可以替代其他接头部的运动。即，在不改变安装于第二链节手臂的端部的器械12的位置和方向的情况下，冗余自由度可以允许多个第一链节手臂或第二链节手臂的运动。

由于机器人手臂结构100具有冗余自由度，因此可以在执行手术的过程中容易地设置机器人手臂。由于冗余自由度允许任何一个链节的运动，因此可以在执行手术的过程中通过移动链节的位置来克服空间的限制。

根据本发明的机器人手臂结构100和包括该机器人手臂结构100的手术机器人的机械手10允许安装于其端部的器械12的运动。特别地，用户可以操纵机器人手臂结构100，从而可以允许器械12在三维空间中进行线性运动、偏航运动和俯仰运动。

由于根据本发明的机器人手臂结构100和包括该机器人手臂结构100的手术机器人的机械手10具有冗余自由度，因此在驱动中固定器械位置的情况下，可以改变机器人手臂结构100的姿态。当机器人手臂结构100适用于手术机器人时，在不改变手术中的手术工具的方向的情况下，可以通过改变主动手臂的姿态来减少碰撞的可能性。

图5为示出根据本发明的另一个实施例的机器人手臂结构200的图。

参照图5，机器人手臂结构200包括多个链节和接头，并且可以允许安装于端部的器械12的运动。与前述的根据一实施例的机器人手臂结构100相比，在减少接头的数量和改变链节的形状方面有差异。在下文中，将主要说明所述差异。

机器人手臂结构200可以包括第一机器人手臂单元200a和第二机器人手臂单元200b。

第一机器人手臂单元200a可以包括第一链节手臂211、第一接头部J1a和第二接头部。第一机器人手臂单元200a包括一个弯曲的链节、一个旋转接头和两个线性运动接头。

第一链节手臂211包括第一端211a、第一中间端211b、第二中间端211c和第二端211d。第一端211a通过第一接头部J1a来与固定链节201连接。第一端211a和第一中间端211b通过第一线性运动接头J2a来连接。第二中间端211c从第一中间端211b朝第一轴i的方向弯曲。第二线性运动接头J3a可以安装于第二中间端211c和第二端211d之间。

第二机器人手臂单元200b可以包括第二链节手臂232、第三接头部J4a和第四接头部J5a。第二机器人手臂单元200b与前述的一实施例的第二机器人手臂单元100b基本相同，因此将省略详细说明。

根据本发明的机器人手臂结构200允许安装于其端部的器械12的运动。特别地，用户可以操纵机器人手臂结构200，从而可以允许器械12在三维空间中进行线性运动、偏航运动和俯仰运动。

图6为示出根据本发明的另一些实施例的机器人手臂结构300的图。

参照图6，机器人手臂结构300包括多个链节和接头，并且可以允许安装于端部的器械12的运动。与前述的根据一实施例的机器人手臂结构100相比，在减少接头的数量和改变链节的形状方面有差异。在下文中，将主要说明所述差异。

机器人手臂结构300可以包括第一机器人手臂单元300a和第二机器人手臂单元300b。

第一机器人手臂单元300a可以包括第一链节手臂、第一接头部J2b和第二接头部。第一机器人手臂单元300a包括多个链节、一个旋转接头和两个线性运动接头。

第一链节手臂可以包括沿着一个方向延伸的第一链节311和从第一链节311弯曲的第二链节312。第一链节311可以包括与外部结构连接的一端311a和与第一接头部J2b连接的另一端311b。例如，一端311a固定于被动手臂50的端部。第一线性运动接头J1b连接一端311a和另一端311b之间，并且可以调节长度。

第二链节312包括第一端部312a、中间部312b和第二端部312c。第一端部312a与第一链节311连接，并且中间部312b安装有第二线性运动接头J3b，从而可以调节器械12的高度。第二端部312c可以与第二链节手臂313连接。第二链节312与前述的一实施例的第二链节112基本相同。

第二机器人手臂单元300b可以包括第二链节手臂313、第三接头部J4b和第四接头部J5b。第二机器人手臂单元300b与前述的一实施例的第二机器人手臂单元100b基本相同，因此将省略详细说明。

根据本发明的机器人手臂结构300允许安装于其端部的器械12的运动。特别地，用户可以操纵机器人手臂结构300，从而可以允许器械12在三维空间中进行线性运动、偏航运动和俯仰运动。

图7为示出图2的手术机器人的机械手10'的另一个实施例的立体图。

参照图7，手术机器人的机械手10'的被动手臂50'可以具有冗余自由度。机械手10'包括被动手臂50'和主动手臂，并且前述的机器人手臂结构100、200、300可以适用于主动手臂。

被动手臂50'可以设置为使第一手臂51'、第二手臂52'和第三手臂53'彼此连接，并且可以包括四个接头。被动手臂50'可以通过四个接头来调节三个链节，从而可以使被动手臂50'移动至三维空间中的期望位置。

第一手臂51'可以沿着第一轴i延长。沿着第一轴i调节第一手臂51'的长度的第三线性运动接头Ja'可以安装于第一手臂51'的内部。即，第一手臂51'可以安装在垂直于地面的方向上，并且第三线性运动接头Ja'可以设置在其中，从而朝着垂直于地面的方向进行线性运动。因此，被动手臂50'可以调节主动手臂100的高度。

绕第一轴i旋转的第四旋转接头Jb'可以安装于第一手臂51'的端部。第四旋转接头Jb'连接第一手臂51'和第二手臂52'，并且绕第一轴i旋转。

第二手臂52'可旋转地连接至第一手臂51'，并且与第一手臂51'连接。第一手臂51'和第二手臂52'实际上互相垂直，但不限于此，可以具有+15度至-15度的角度范围。

第二手臂52'的一端与第四旋转接头Jb'连接。由于第二手臂52'通过第四旋转接头Jb'来与第一手臂51'连接，因此对于第一手臂51'，第二手臂52'可以绕第一轴i旋转。作为一实施例，由于第二手臂52'朝着平行于地面的方向延长，因此第二手臂52'设置为实际上垂直于第一手臂51'。

调节长度的第四线性运动接头Jc'安装于第二手臂52'的内部。第四线性运动接头Jc'可以调节第二手臂52'的长度。

第三手臂53'可旋转地连接至第二手臂52'，并且与第二手臂52'连接。第二手臂52'和第三手臂53'实际上彼此平行，但不限于此，可以具有+15度至-15度的角度范围。

第三手臂53'的一端与第五旋转接头Jd'连接。由于第三手臂53'通过第五旋转接头Jd'连接至第二手臂52'，因此对于第二手臂52'，第三手臂53'可以绕第一轴i旋转。作为一实施例，第三手臂53'像第二手臂52'一样设置为平行于地面。

作为另一个实施例，第四线性运动接头Jc'可以安装于第三手臂53'。第四线性运动接头Jc'可以调节第三手臂53'的长度。

根据本发明的机器人手臂结构100和包括该机器人手臂结构100的手术机器人的机械手10'允许安装于其端部的器械12的运动。特别地，用户可以操纵机器人手臂结构100，从而可以允许器械12在三维空间中进行线性运动、偏航运动和俯仰运动。

由于根据本发明的机器人手臂结构100和包括该机器人手臂结构100的手术机器人的机械手10'具有冗余自由度，因此在驱动中固定器械12位置的情况下，可以改变机器人手臂结构100的姿态。当机器人手臂结构100适用于手术机器人时，在不改变手术中的手术工具的方向的情况下，可以通过改变主动手臂的姿态来减少碰撞的可能性。

在本说明书中，主要说明本发明的有限的实施例，但可以在本发明的范围内实施各种实施例。另外，尽管没有说明，但等效的手段也适用于本发明。因此，本发明的真正技术保护范围应取决于权利要求书的技术思想。

工业实用性

根据本发明的一实施例，机器人手臂结构可以适用于各种工业上可实用的机器人装置。它可以适用于各种类型的机器人装置、机器人系统，例如工业机器人、医疗机器人和移动机器人等。

特别地，根据本发明的一实施例，本发明的实施例可以适用于工业上可实用的医疗手术机器人的机械手。

Claims (17)

1.一种机器人手臂结构，包括第一机器人手臂单元和第二机器人手臂单元，其中，

所述第一机器人手臂单元包括：

多个第一链节手臂；

第一接头部，其安装于所述第一链节手臂，使连接的所述第一链节手臂绕第一轴旋转；以及

第二接头部，其安装于多个所述第一链节手臂中的至少一个，用于调节所述第一链节手臂的长度，

所述第二机器人手臂单元包括：

第二链节手臂，其与所述第一链节手臂连接；

第三接头部，其将所述第二链节手臂的长度方向用作第一旋转轴，且使所述第二链节手臂旋转；以及

第四接头部，其安装于所述第二链节手臂的端部，绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴旋转，

所述机器人手臂结构进一步包括器械，其安装于所述第二链节手臂的端部，且通过所述第四接头部进行旋转，

驱动所述第一机器人手臂单元和所述第二机器人手臂单元，以使所述器械在保持预设的远程运动中心点的固定位置的同时，进行偏航运动或俯仰运动，

所述第一轴的延长线、所述第一旋转轴的延长线以及所述第二旋转轴的延长线不穿过所述远程运动中心点，

通过软件使所述器械保持所述远程运动中心点的位置。

2.如权利要求1所述的机器人手臂结构，其中，

所述第二机器人手臂单元驱动所述第三接头部和所述第四接头部，从而设定所述器械的偏航运动和俯仰运动，

所述第一机器人手臂单元驱动所述第一接头部和所述第二接头部，使所述器械保持固定在预设的远程运动中心点的位置。

3.如权利要求1所述的机器人手臂结构，其中，

所述第二链节手臂连接至所述第一链节手臂，以使所述第一旋转轴相对于所述第一轴具有倾斜角。

4.如权利要求3所述的机器人手臂结构，其中，

所述倾斜角大于0度且小于90度。

5.如权利要求1所述的机器人手臂结构，其中，

所述第一机器人手臂单元的一端在三维空间中的位置被固定，且另一端与所述第二链节手臂连接。

6.如权利要求1所述的机器人手臂结构，其中，

所述第一接头部至第四接头部中的至少一个为所述机器人手臂结构提供冗余自由度，从而替代其他接头部的运动。

7.如权利要求6所述的机器人手臂结构，其中，

在不改变安装于所述第二链节手臂的端部的器械的位置和方向的情况下，所述冗余自由度允许多个所述第一链节手臂或所述第二链节手臂的运动。

8.如权利要求1所述的机器人手臂结构，其中，

多个所述第一链节手臂中的任何一个具有沿着平行于地面的方向延伸的第一部分以及从所述第一部分弯曲而平行于所述第一轴的第二部分。

9.如权利要求1所述的机器人手臂结构，其中，

所述第二接头部包括：

第一线性运动接头，其沿着垂直于所述第一轴的第二轴进行线性运动，以使所述第二链节手臂移动；以及

第二线性运动接头，其沿着所述第一轴进行线性运动，以使所述第二链节手臂移动。

10.如权利要求9所述的机器人手臂结构，其中，

所述第一链节手臂包括：

第一链节，其安装有所述第一线性运动接头；以及

第二链节，其与所述第一链节连接，一部分沿着所述第二轴弯曲，且在所述一部分安装有第二线性运动接头，

所述第一接头部分别安装于所述第一链节的两端，或安装于所述第一链节和所述第二链节之间。

11.如权利要求9所述的机器人手臂结构，其中，

所述第一链节手臂包括：

第一部分，其安装有所述第一线性运动接头；以及

第二部分，其与所述第一部分连接，且沿着所述第二轴弯曲，以安装所述第二线性运动接头。

12.一种机器人手臂结构，包括:

第一旋转接头，其绕第一轴旋转；

第一链节，其一端与所述第一旋转接头连接；

第一线性运动接头，其安装于所述第一链节的内部，用于调节所述第一链节的长度；

第二旋转接头，其安装于所述第一链节的另一端，且绕所述第一轴旋转；

第二链节，其一端与所述第二旋转接头连接；

第二线性运动接头，其安装于所述第二链节的内部，沿着所述第一轴移动；

第三链节，其与所述第二链节的另一端连接，且相对于所述第一轴具有倾斜角；

滚动接头，其安装于所述第三链节的内部，绕所述第三链节的长度方向即第一旋转轴旋转；

第三旋转接头，其安装于所述第三链节的端部，绕与所述第一旋转轴不同的第二旋转轴旋转；以及

器械，其安装于所述第三链节的端部，且通过所述第三旋转接头进行旋转，

驱动所述第一旋转接头、所述第二旋转接头、所述第一线性运动接头、所述第二线性运动接头、所述滚动接头和所述第三旋转接头中的至少五个接头，以使所述器械在保持预设的远程运动中心点的固定位置的同时，进行偏航运动或俯仰运动，

所述第一轴的延长线、所述第一旋转轴的延长线以及所述第二旋转轴的延长线不穿过所述远程运动中心点，

通过软件使所述器械保持所述远程运动中心点的位置。

13.如权利要求12所述的机器人手臂结构，其中，

所述第一旋转接头、所述第二旋转接头、所述第一线性运动接头、所述第二线性运动接头、所述滚动接头和所述第三旋转接头中的至少一个为所述机器人手臂结构提供冗余自由度，从而替代其他接头的运动。

14.如权利要求13所述的机器人手臂结构，其中，

在不改变安装于所述第三链节的端部的器械的位置和方向的情况下，所述冗余自由度允许所述第一链节、所述第二链节和所述第三链节中的至少一个的运动。

15.一种手术机器人的机械手，包括：

权利要求1至14中的任一项所述的机器人手臂结构；以及

被动手臂结构，其与所述机器人手臂结构连接，且当所述机器人手臂结构驱动时被固定，

所述被动手臂结构包括：

第一手臂，其沿着第一轴延伸；

第三线性运动接头，其安装于所述第一手臂的内部，且沿着所述第一轴移动，从而调节所述第一手臂的长度；

第四旋转接头，其安装于所述第一手臂的端部，且绕所述第一轴旋转；

第二手臂，其一端与所述第四旋转接头连接；

第五旋转接头，其安装于所述第二手臂的另一端，且绕所述第一轴旋转；以及

第三手臂，其一端与所述第五旋转接头连接。

16.如权利要求15所述的手术机器人的机械手，其中，

所述被动手臂结构进一步包括第四线性运动接头，该第四线性运动接头安装在所述第二手臂或所述第三手臂中的至少一个上，用于调节长度。

17.如权利要求15所述的手术机器人的机械手，其中，

进一步包括安装于所述机器人手臂结构的端部的器械，

所述器械驱动所述被动手臂结构，从而设定远程运动中心点的位置，且驱动所述机器人手臂结构，从而在保持所述远程运动中心点的固定位置的同时进行偏航运动或俯仰运动。

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