CN113069210B - 一种可展器械臂 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种可展器械臂，包括：连接部，为可伸缩结构，包括主动端与从动端；控制部，与所述连接部主动端连接；远端执行部，一端与所述连接部从动端连接，另一端连接有执行机构；其中，所述控制部能够控制所述连接部沿一球面伸缩和摆动，使得所述执行机构始终指向该球面对应的球心。器械臂各构件组成的可展结构的球面上方没有用于传动的部件，器械臂带动手术工作做不动点的运动过程中不会产生额外运动惯量，更有利于提升器械臂运动稳定性。

Description

一种可展器械臂

技术领域

本公开涉及器械臂技术领域，尤其涉及一种可展器械臂。

背景技术

目前，具有不动点的手术机器人从端器械臂，在其手术工具导管轴向方向上设置有用于传递运动的连杆组件，为避免运动过程中组件与辅助手术器械或病人发生干涉，须将组件各连杆长度增大，进而增大了器械臂体积。手术机器人器械臂可视为悬臂梁结构，当其结构中各连杆长度增大，器械臂运动惯量也会随之增加，各构件运动过程中弹性变形量也会增加，进而手术工具末端重复定位精度降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种可展器械臂，以缓解现有技术中手术工具末端重复定位精度降低等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种可展器械臂，包括：

连接部，为可伸缩结构，包括主动端与从动端；

控制部，与所述连接部主动端连接；

远端执行部，一端与所述连接部从动端连接，另一端连接有执行机构；

其中，所述控制部能够控制所述连接部沿一球面伸缩和摆动，使得所述执行机构始终指向该球面对应的球心。

在本公开实施例中，所述控制部，包括：

基座，设置有第一主动转轴和第二主动转轴；

第一主动杆，包括第一主动连接端，所述第一主动连接端与所述第一主动转轴固接；

第二主动杆，包括第三主动连接端，所述第三主动连接端与所述第二主动转轴固接。

在本公开实施例中，所述远端执行部，包括：

器械座，设置有第一从动转轴和第二从动转轴；

第一从动杆，包括第一从动连接端，所述第一从动连接端与所述第一从动转轴固接；

第二从动杆，包括第三从动连接端，所述第三从动连接端与所述第二从动转轴固接。

在本公开实施例中，所述主动端包括第一展开连接端与第二展开连接端，所述从动端包括第三展开连接端与第四展开连接端；

所述第一主动杆还包括第二主动连接端；

所述第二主动杆还包括第四主动连接端；

所述第一展开连接端与所述第二主动连接端通过第一连接转轴枢接；

所述第二展开连接端与所述第四主动连接端通过第二连接转轴枢接；

所述第三展开连接端与所述第二从动连接端通过第三连接转轴枢接；

所述第四展开连接端与所述第四从动连接端通过第四连接转轴枢接。

进一步地，所述连接部还包括第一球面连杆、第二球面连杆及将所述第一球面连杆与所述第二球面连杆枢接的球面连接转轴，所述球面连接转轴穿过所述第一球面连杆中部及所述第二球面连杆中部。

进一步地，所述第一连接转轴、所述球面连接转轴及所述第四连接转轴，三者相交于一点。

进一步地，所述第二连接转轴、所述球面连接转轴及所述第三连接转轴，三者相交于一点。

在本公开实施例中，所述控制部还包括驱动电机，用于驱动所述第一主动转轴和所述第二主动转轴转动。

在本公开实施例中，所述第一球面连杆与所述第二球面连杆弯曲方向相同。

进一步地，所述第一球面连杆的曲率半径等于或大于所述第二球面连杆的曲率半径。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种可展器械臂至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)可实现器械臂结构具有一个物理不动点，且在该结构下方无其余用于传动的零组件，使得器械臂下方有较大空间用于放置其他手术工具用于辅助手术实施，器械臂结构更加紧凑，占用空间更小；

(2)实现了器械臂为球面可展结构，在实现相同行程的前提下，本公开所采用的方案中各零件尺度较小，通常手术机器人器械臂可视为悬臂梁结构，当其结构中各构件长度减小，器械臂运动惯量也会随之降低，各构件运动过程中弹性变形量也会相应降低，进而提高手术工具末端重复定位精度；以及

(3)器械臂各构件组成的可展结构的球面上方没有用于传动的部件，器械臂带动手术工作做不动点的运动过程中不会产生额外运动惯量，更有利于提升器械臂运动稳定性。

附图说明

图1为本公开实施例应用于可展器械臂的机器人从操作端示意图。

图2为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂结构示意图。

图3为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂各球面连杆结构示意图。

图4为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂相邻两连杆几何关系示意图。

图5为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂物理不动点位置示意图。

图6为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂运动示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

L01 器械臂

101 基座

102 第一主动杆

103 第二主动杆

104 第一球面连杆

105 第二球面连杆

106 器械座

107 第一从动杆

108 第二从动杆

201 第一主动转轴

202 第二主动转轴

203 第一连接转轴

204 第二连接转轴

205 球面连接转轴

206 第三连接转轴

207 第四连接转轴

208 第一被动转轴

具体实施方式

本公开提供了一种可展器械臂，所述可展器械臂，可实现器械臂结构具有一个物理不动点，且在该结构下方无其余用于传动的零组件，使得器械臂下方有较大空间用于放置其他手术工具用于辅助手术实施，器械臂结构更加紧凑，占用空间更小，提高手术工具末端重复定位精度，更有利于提升器械臂运动稳定性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种可展器械臂，如图1至6所示，所述可展器械臂，包括：控制部，包括：基座101，包括第一主动转轴201和第二主动转轴202；第一主动杆102，包括第一主动连接端和第二主动连接端，所述第一主动连接端与所述第一主动转轴201固接；第二主动杆103，包括第三主动连接端和第四主动连接端，所述第三主动连接端与所述第二主动转轴202固接；远端执行部，包括：器械座106，包括第一从动转轴和第二从动转轴；第一从动杆107，包括第一从动连接端和第二从动连接端，所述第一从动连接端与所述第一从动转轴固接；第二从动杆108，包括第三从动连接端和第四从动连接端，所述第三从动连接端与所述第二从动转轴固接；连接部，包括第一球面连杆104、第二球面连杆105及将所述第一球面连杆104与所述第二球面连杆105枢接的球面连接转轴205，所述球面连接转轴205穿过所述第一球面连杆104中部及所述第二球面连杆105中部；所述第一球面连杆104两端分别通过第一连接转轴203枢接于所述第二主动连接端，通过第四连接转轴207枢接于所述第四从动连接端；所述第二球面连杆105两端分别通过第二连接转轴204枢接于所述第四主动连接端，通过第三连接转轴206枢接于第二从动连接端。

在本公开实施例中，所述基座101内设置驱动电机能够驱动所述第一主动转轴201和所述第二主动转轴202转动；

在本公开实施例中，所述第一连接转轴203、所述球面连接转轴205及所述第四连接转轴207，三者相交于一点。

在本公开实施例中，所述第二连接转轴204、所述球面连接转轴205及所述第三连接转轴206，三者相交于一点。

进一步地，所述第一球面连杆104与所述第二球面连杆105弯曲方向相同。

进一步地，所述第一球面连杆104的曲率半径等于所述第二球面连杆105的曲率半径。

进一步地，所述第二球面连杆105的曲率半径大于所述第一球面连杆104的曲率半径。

在本公开实施例中，提供一种根据任一上述的可展器械臂单元的可展器械臂系统，包括：所述可展器械臂连接有内窥镜；所述可展器械臂连接有手术工具；所述可展器械臂连接有检测设备；形成多功能的医疗设备。

具体地，在本公开实施例中，如图1所示，为手术机器人从操作端示意图，所述从操作端通常设置有3或4条从操作臂，其中一条从操作臂通常作为内窥镜的持镜臂，其余从操作臂为器械臂。如图1所示，L01为器械臂。本公开所述器械臂其特征在于，其主体结构为多个球面连杆组成的球面可展结构，所述球面可展结构可围绕空间一点即不动点做2自由度运动。在手术实施前，通过调整从操作臂的被动臂位姿，可对不动点空间位置进行调整，以适应不同手术的操作需求。

以器械臂L01为例对本公开所述操作臂进行说明。如图2所示，所述器械臂L01包括基座101、多个球面连杆、器械座106等。所述基座101用于连接被动调整机构和器械臂L01，基座101上设置有两转轴，第一主动转轴201、第二主动转轴202。所述第一主动转轴201上安装有第一主动杆102，第一主动杆102一端通过第一主动转轴201与基座101连接，第一主动杆102可绕第一主动转轴201转动。所述第二主动转轴202上安装有第二主动杆103，第二主动杆103通过第二主动转轴202与基座101连接，第二主动杆103可绕第二主动转轴202转动。在所述基座101内安装驱动电机分别驱动第一主动转轴201和第二主动转轴202转动，可实现对第一主动杆102和第二主动杆103转角的精准控制。第一主动杆102另一端通过第一连接转轴203与第一球面连杆104一端连接，第二主动杆103另一端通过第二连接转轴204与第二球面连杆105连接，所述第一球面连杆104和第二球面连杆105中部设置有球面连接转轴205，第一球面连杆104和第二球面连杆105通过球面连接转轴205连接。第一球面连杆104、第二球面连杆105另一端顺次以相同方式连接其余第二球面连杆和第一球面连杆，相互连接的球面连杆组成一个球面可展结构。所述可展结构远端，第一从动杆107、第二从动杆108的一端分别通过第三连接转轴206、第四连接转轴207与可展结构远端的第二球面连杆105、第一球面连杆104连接。所述第一从动杆107另一端通过第一被动转轴208与器械座106连接，第二从动杆108另一端通过第二被动转轴与器械座106连接。第一主动杆102、第二主动杆103的转动运动可驱动器械座106在空间内绕一点做两自由度运动。

如图3所示，所述第一主动杆102、第二主动杆103、第一球面连杆104、第二球面连杆105、第一从动杆107、第二从动杆108均为球面连杆，其中第一主动杆102、第二球面连杆105、第二从动杆108半径相同，第二主动杆103、第一球面连杆104、第一从动杆107半径相同。所述第一球面连杆104、第二球面连杆105几何关系，如图4所示，第二球面连杆105的下曲率半径大于或等于第一球面连杆104的上曲率半径，两连杆上转轴轴线可汇交于一点O。

如图5和图6所示，在第一主动杆102、第二主动杆103的驱动下，各连杆的运动始终在以O点为球心的球面上，器械座106的运动也在O点为球心的球面上，所述O点即器械臂L01的物理不动点，手术实施过程中，通过调整被动臂姿态，可使物理不动点O与戳卡点保持重合，手术器械导管轴线可始终通过O点。

由于第二球面连杆105的下曲率半径大于或等于第一球面连杆104的上曲率半径，所以各连杆运动过程中不会发生干涉，同时器械臂L01具有两自由度，在工作空间范围内器械座106可达到O点为球心的球面上任意位置。

如图6所示，各连杆组成的可展结构可视为全部布局在一个球面上，该结构下方无其余零组件，即所述球面内部没有用于传动的连杆或其他部件，或球面的半径方向上，没有用于传动的连杆结构，器械臂L01下方可有较大空间放置其他手术工具用于辅助手术实施。相较于现有技术，器械臂L01结构更加紧凑，占用空间更小。

如图6所示，各连杆组成的可展结构的球面上方也没有设置其余零组件，即所述球面外部没有用于传动的连杆或其他部件。器械臂带动手术工作做绕点O的运动时，离O点越远的零件线速度越大，其运动惯量越大。同现有技术相比，器械臂L01在远离O点的球面半径方向上没有用于传动的零组件，运动过程中不会产生额外运动惯量，更有利于提升器械臂运动稳定性。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种可展器械臂有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种可展器械臂，该可展器械臂可实现器械臂结构具有一个物理不动点，且在该结构下方无其余用于传动的零组件，使得器械臂下方有较大空间用于放置其他手术工具用于辅助手术实施，器械臂结构更加紧凑，占用空间更小；实现了器械臂为球面可展结构，在实现相同行程的前提下，本公开所采用的方案中各零件尺度较小，通常手术机器人器械臂可视为悬臂梁结构，当其结构中各构件长度减小，器械臂运动惯量也会随之降低，各构件运动过程中弹性变形量也会相应降低，进而提高手术工具末端重复定位精度；器械臂各构件组成的可展结构的球面上方没有用于传动的部件，器械臂带动手术工作做不动点的运动过程中不会产生额外运动惯量，更有利于提升器械臂运动稳定性。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到[约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可展器械臂，包括：

连接部，为可伸缩结构，包括主动端与从动端；

控制部，与所述连接部主动端连接；

远端执行部，一端与所述连接部从动端连接，另一端连接有执行机构；

其中，所述控制部能够控制所述连接部沿一球面伸缩和摆动，使得所述执行机构始终指向该球面对应的球心；

其中，所述控制部，包括：

基座，设置有第一主动转轴和第二主动转轴；

第一主动杆，包括第一主动连接端，所述第一主动连接端与所述第一主动转轴固接；

第二主动杆，包括第三主动连接端，所述第三主动连接端与所述第二主动转轴固接；

驱动电机，用于分别驱动所述第一主动转轴和所述第二主动转轴转动。

2.根据权利要求1所述的可展器械臂，其中，所述远端执行部，包括：

器械座，设置有第一从动转轴和第二从动转轴；

第一从动杆，包括第一从动连接端，所述第一从动连接端与所述第一从动转轴固接；

第二从动杆，包括第三从动连接端，所述第三从动连接端与所述第二从动转轴固接。

3.根据权利要求1所述的可展器械臂，其中，所述主动端包括第一展开连接端与第二展开连接端，所述从动端包括第三展开连接端与第四展开连接端；

所述第一主动杆还包括第二主动连接端；

所述第二主动杆还包括第四主动连接端；

所述第一展开连接端与所述第二主动连接端通过第一连接转轴枢接；

所述第二展开连接端与所述第四主动连接端通过第二连接转轴枢接；

所述第三展开连接端与第二从动连接端通过第三连接转轴枢接；

所述第四展开连接端与第四从动连接端通过第四连接转轴枢接。

4.根据权利要求3所述的可展器械臂，其中，所述连接部还包括第一球面连杆、第二球面连杆及将所述第一球面连杆与所述第二球面连杆枢接的球面连接转轴，所述球面连接转轴穿过所述第一球面连杆中部及所述第二球面连杆中部。

5.根据权利要求4所述的可展器械臂，其中，所述第一连接转轴、所述球面连接转轴及所述第四连接转轴，三者相交于一点。

6.根据权利要求4所述的可展器械臂，其中，所述第二连接转轴、所述球面连接转轴及所述第三连接转轴，三者相交于一点。

7.根据权利要求5或6所述的可展器械臂，其中，所述第一球面连杆与所述第二球面连杆弯曲方向相同。

8.根据权利要求7所述的可展器械臂，其中，所述第一球面连杆的曲率半径等于或大于所述第二球面连杆的曲率半径。

Images