CN112716606A - 一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，属于机器人技术领域，通过转动输出机构、第一直线运动输出机构和第二直线运动输出机构的驱动作用，实现手术器械直线位移自由度T、俯仰自由度P以及偏摆自由度Y的运动；相较于传统的双平行四边形RCM机构为实现手术器械直线位移自由度需要在机构末端添加一个移动关节，本发明为三自由度RCM机构，有效减小了微创手术机械臂末端体积、质量，提高微创手术机械臂运动灵活性，同时，大大降低使用过程中不同手术机械臂之间和机械臂与人体之间干涉的可能性。

Description

一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构。

背景技术

将机器人技术与传统的微创技术相结合被普遍认为是一种未来外科手术的趋势，它具有的优势包括：1)改善医生的操作模式，使医生在宜人的环境或姿势下操作，不易疲劳；2)增加手术工具的自由度数，进而提高操作的灵活性，使复杂手术操作变得简单；3)能够提供直觉的运动控制，克服眼手不协调的缺点；4)发挥机器人操作稳定，定位准确的优势，保证手术质量；5)可以提供立体图像，恢复医生在深度方向上的感觉；6)机器人辅助具有远程操作的潜力。

远端运动中心(Remote Center of Motion，简称RCM)机构是指某一部分或某一点在运动过程中始终通过远离机构本身的一个固定点或被约束在一个非常小的空间内，且该点无物理铰链约束的机构。这类机构的特点恰好与微创手术的操作特征相吻合，将该机构的远端支点置于手术切口处，可保证手术过程中手术器械与病人切口不发生牵扯，从而确保手术安全。

美国Intuitive Surgical公司生产的达芬奇手术机器人系统占据了我国微创手术机器人的绝大部分市场。达芬奇手术机器人系统的微创手术机械臂采用的是双平行四边形RCM机构，该机构中手术器械只有偏摆和俯仰两个自由度，为实现移动自由度在双平行四边形机构末端增加一个移动关节，这种方式造成微创手术机械臂末端体积质量增加，从而带来了机械臂运动不灵活和使用时不同手术机械臂之间和机械臂与人体之间出现干涉等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，由于结构设计合理因而有效减小微创手术机械臂末端体积和质量，从而提高微创手术机械臂运动灵活性，同时大大降低使用过程中不同手术机械臂之间和机械臂与人体之间干涉的可能性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，包括基座、支架、推拉杆、第一驱动滑块、第二驱动滑块、平行四边形上杆、平行四边形下杆和手术器械；

所述支架和转动输出机构固定在基座上，在支架上连接有被动直线运动机构、第一直线运动输出机构和第二直线运动输出机构；所述平行四边形下杆和平行四边形上杆的一端铰接有被动滑块，另一端铰接有待使用的手术器械，手术器械、被动滑块、平行四边形下杆和平行四边形上杆构成一个平行四边形；

所述转动输出机构能够驱动支架绕转动轴线转动；推拉杆的两端分别与被动直线运动机构和第一驱动滑块铰接，被动直线运动机构与支架在转动轴线与被动移动轴线交点处铰接；第一直线运动输出机构通过推拉杆驱动被动直线运动机构绕与支架铰接轴转动，第二直线运动输出机构通过第二驱动滑块驱动平行四边形下杆沿第二移动轴线上下移动。

优选地，所述支架由水平段和竖直段组成；第一直线运动输出机构固定在支架的水平段，第二直线运动输出机构固定在支架的竖直段；转动输出机构能够驱动支架绕其水平段的转动轴线转动。

优选地，所述被动直线运动机构的一端与支架的水平段铰接，所述第一驱动滑块套设在第一直线运动输出机构与支架之间的水平连接杆上，第一直线运动输出机构驱动第一驱动滑块沿第一移动轴线水平移动。

进一步优选地，所述转动轴线与第一移动轴线平行，第一移动轴线与第二移动轴线垂直，第二移动轴线与平行四边形下杆轴线垂直。

优选地，所述转动轴线与手术器械的器械轴线的交点为RCM支点。

优选地，在支架竖直段上设有竖直连接杆，第二驱动滑块套设在竖直连接杆上。

优选地，第二驱动滑块通过以平行四边形下杆轴线为轴的移动副连接平行四边形下杆。

优选地，转动输出机构采用步进电机或伺服电机。

优选地，第一直线运动输出机构和第二直线运动输出机构采用电动缸、液压缸、气动缸或直线滑台。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明公开的一种三自由度微创手术机械臂RCM机构能够为提供手术器械提供直线运动的自由度，通过转动输出机构、第一直线运动输出机构和第二直线运动输出机构的驱动作用，实现手术器械直线位移自由度T、俯仰自由度P以及偏摆自由度Y的运动；相较于常用的两自由度的双平行四边形RCM机构，无须在机构末端添加移动关节，因此能够减少微创手术机械臂末端质量，使机械臂更加灵活，改善机械臂运动性能；

第二，能够有效减小微创手术机械臂末端体积，降低使用时不同手术机械臂之间和机械臂与人体之间出现干涉的可能性，从而避免手术过程中对微创手术机械臂位置的二次调整。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是手术器械偏摆自由度Y的运动示意图；

图3是手术器械俯仰自由度P的运动示意图；

图4是手术器械直线位移自由度T的运动示意图。

其中：1、基座；2、转动输出机构；3、被动直线运动机构；3.1、被动滑块；4、平行四边形下杆；5、平行四边形上杆；6、第二直线运动输出机构；6.1、第二驱动滑块；7、第二移动轴线；8、平行四边形下杆轴线；9、手术器械；10、器械轴线；11、第一移动轴线；12、第一直线运动输出机构；12.1、第一驱动滑块；13、支架；14、推拉杆；15、被动移动轴线；16、转动轴线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明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，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本发明的整体结构示意图，一种三自由度微创手术机械臂RCM机构，包括基座1、转动输出机构2、被动直线运动机构3、平行四边形下杆4、平行四边形上杆5、第二直线运动输出机构6、手术器械9、第一直线运动输出机构12、支架13与推拉杆14。

转动输出机构2驱动支架13绕转动轴线16转动；推拉杆14两端分别与被动直线运动机构3和第一驱动滑块12.1铰接，被动直线运动机构3与支架13在转动轴线16与被动移动轴线15交点处铰接，第一直线运动输出机构12通过推拉杆14驱动被动直线运动机构3绕与支架13铰接轴转动，第二直线运动输出机构6通过第二驱动滑块6.1驱动平行四边形下杆4沿第二移动轴线7上下移动。

基座1与转动输出机构2固定连接，所述被动直线运动机构3与支架13铰接，被动滑块3.1分别于平行四边形下杆4和平行四边形上杆5铰接，所述第一直线运动输出机构12与支架13固定连接，第一直线运动输出机构12驱动第一驱动滑块12.1沿第一移动轴线11移动，所述第二直线运动输出机构6与支架13固定连接，第二直线运动输出机构6驱动第二驱动滑块6.1沿第二移动轴线7移动，第二驱动滑块6.1通过以平行四边形下杆轴线8为轴的移动副连接平行四边形下杆4，所述手术器械9分别于平行四边形下杆4和平行四边形上杆5铰接，同时与被动滑块3.1、平行四边形下杆4和平行四边形上杆5构成一个平行四边形，所述转动轴线16与第一移动轴线11平行，第一移动轴线11与第二移动轴线7垂直，第二移动轴线7与平行四边形下杆轴线8垂直，所述转动轴线16与器械轴线10的交点即为RCM支点。

本发明的工作过程主要通过以下方法实现：

参见图2，转动输出机构2驱动支架13绕转动轴线16转动，即转动输出机构2能够带动支架13左右偏摆，由于转动轴线16与器械轴线10相交于RCM点，从而实现手术器械9围绕RCM支点偏摆自由度Y上的运动；参见图3与图4，由于手术器械9、被动滑块3.1、平行四边形下杆4和平行四边形上杆5构成一个平行四边形，且第二移动轴线7与平行四边形下杆轴线8垂直，在第一直线运动输出机构12和第二直线运动输出机构6的驱动下，能够实现手术器械9围绕RCM支点实现俯仰自由度P和直线位移自由度T上的运动，通过同时对两者运动量的控制，可以实现对手术器械位姿的精确控制。

本实施方案中，选用转动输出机构2、第一直线运动输出机构12和第二直线运动输出机构6作为驱动源，当然，选取其他关节作为驱动源仍然能够实现该机构功能。转动输出机构2可以是步进电机或伺服电机，第一直线运动输出机构12和第二直线运动输出机构6可以是电动缸、液压缸、气动缸或直线滑台。

综上所述，本发明的三自由度微创手术机械臂RCM机构通过转动输出机构、第一直线运动输出机构和第二直线运动输出机构的驱动作用，实现手术器械直线位移自由度T、俯仰自由度P以及偏摆自由度Y的运动；相较于传统的双平行四边形RCM机构为实现手术器械直线位移自由度需要在机构末端添加一个移动关节，本发明为3自由度RCM机构，有效减小了微创手术机械臂末端体积、质量，提高微创手术机械臂运动灵活性，同时，大大降低使用过程中不同手术机械臂之间和机械臂与人体之间干涉的可能性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，包括基座(1)、支架(13)、推拉杆(14)、第一驱动滑块(12.1)、第二驱动滑块(6.1)、平行四边形上杆(5)、平行四边形下杆(4)和手术器械(9)；

所述支架(13)和转动输出机构(2)固定在基座(1)上，在支架(13)上连接有被动直线运动机构(3)、第一直线运动输出机构(12)和第二直线运动输出机构(6)；所述平行四边形下杆(4)和平行四边形上杆(5)的一端铰接有被动滑块(3.1)，另一端铰接有待使用的手术器械(9)，手术器械(9)、被动滑块(3.1)、平行四边形下杆(4)和平行四边形上杆(5)构成一个平行四边形；

所述转动输出机构(2)能够驱动支架(13)绕转动轴线(16)转动；推拉杆(14)的两端分别与被动直线运动机构(3)和第一驱动滑块(12.1)铰接，被动直线运动机构(3)与支架(13)在转动轴线(16)与被动移动轴线(15)交点处铰接；第一直线运动输出机构(12)通过推拉杆(14)驱动被动直线运动机构(3)绕与支架(13)铰接轴转动，第二直线运动输出机构(6)通过第二驱动滑块(6.1)驱动平行四边形下杆(4)沿第二移动轴线(7)上下移动。

2.根据权利要求1所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，所述支架(13)由水平段和竖直段组成；第一直线运动输出机构(12)固定在支架(13)的水平段，第二直线运动输出机构(6)固定在支架(13)的竖直段；转动输出机构(2)能够驱动支架(13)绕其水平段的转动轴线(16)转动。

3.根据权利要求1所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，所述被动直线运动机构(3)的一端与支架(13)的水平段铰接，所述第一驱动滑块(12.1)套设在第一直线运动输出机构(12)与支架(13)之间的水平连接杆上，第一直线运动输出机构(12)驱动第一驱动滑块(12.1)沿第一移动轴线(11)水平移动。

4.根据权利要求3所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，所述转动轴线(16)与第一移动轴线(11)平行，第一移动轴线(11)与第二移动轴线(7)垂直，第二移动轴线(7)与平行四边形下杆轴线(8)垂直。

5.根据权利要求1所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，所述转动轴线(16)与手术器械(9)的器械轴线(10)的交点为RCM支点。

6.根据权利要求1所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，在支架(13)竖直段上设有竖直连接杆，第二驱动滑块(6.1)套设在竖直连接杆上。

7.根据权利要求1所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，第二驱动滑块(6.1)通过以平行四边形下杆轴线(8)为轴的移动副连接平行四边形下杆(4)。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，转动输出机构(2)采用步进电机或伺服电机。

9.根据权利要求1～7中任意一项所述的三自由度微创手术机械臂远端运动中心机构，其特征在于，第一直线运动输出机构(12)和第二直线运动输出机构(6)采用电动缸、液压缸、气动缸或直线滑台。

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