CN113069212A - 手术机器人用主操作臂 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种手术机器人用主操作臂，包括：升降座、连接座、第一机构、第二机构、第三机构和主手；升降座与主操作端相连，并在主操作端上移动；第一机构一端通过第一转轴与升降座转动连接，第一机构另一端通过第四转轴与连接座一侧转动连接；第二机构一端通过第二转轴与升降座转动连接，第二机构另一端通过第六转轴与连接座一侧转动连接；第一机构和第二机构带动连接座沿第一方向移动且第一方向与连接座重力方向相垂直；第三机构一端与连接座另一侧转动连接；主手与第三机构另一端转动连接。本公开具有解耦特性，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性。

Description

手术机器人用主操作臂

技术领域

本公开涉及手术机器人领域，尤其涉及一种手术机器人用主操作臂。

背景技术

微创手术机器人多采用主-从控制模式，医生在主操作端通过控制主操作臂的位姿来实现对从操作端手术器械运动的精准控制。

目前广泛使用的主操作臂结构以单开链串联机构为主，在串联机构各连杆转动副处安装角度传感器，检测主操作臂位姿。为使串联结构的主操作臂控制从操作端手术器械全部自由度的控制，主操作臂结构通常非常复杂。为了实现主操作臂的重力平衡的效果，需要在其连杆上设置配重装置，这使得主操作臂体积庞大，运动惯量大，不易操作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种手术机器人用主操作臂，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种手术机器人用主操作臂，包括：

升降座，与主操作端相连，并在所述主操作端上沿第三方向移动移动；

连接座，与所述升降座平行设置；

第一机构，所述第一机构一端通过第一转轴与所述升降座转动连接，所述第一机构另一端通过第四转轴与所述连接座一侧转动连接；所述第一转轴和所述第四转轴的轴线沿第三方向设置；

第二机构，所述第二机构一端通过第二转轴与所述升降座转动连接，所述第二机构另一端通过第六转轴与所述连接座一侧转动连接；所述第一机构和所述第二机构带动所述连接座沿第一方向移动；所述第二转轴和所述第六转轴的轴线沿第二方向设置；

第三机构，所述第三机构一端与所述连接座另一侧转动连接；

主手，与所述第三机构另一端转动连接。

在本公开的一些实施例中，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直。

在本公开的一些实施例中，所述第一机构包括：

第一连杆，所述第一连杆一端通过所述第一转轴与所述升降座连接；

第二连杆，所述第二连杆一端通过第三转轴与所述第一连杆另一端连接；所述第二连杆另一端通过所述第四转轴与所述连接座连接。

在本公开的一些实施例中，所述第二机构包括：

第三连杆，所述第三连杆一端通过所述第二转轴与所述升降座连接；

第四连杆，所述第四连杆一端通过第五转轴与所述第三连杆另一端连接；所述第四连杆另一端通过所述第六转轴与连接座连接。

在本公开的一些实施例中，所述第一转轴、所述第三转轴和所述第四转轴的轴线相互平行，且均沿第三方向设置。

在本公开的一些实施例中，所述第二转轴、所述第五转轴和所述第六转轴的轴线相互平行，且均沿第二方向设置。

在本公开的一些实施例中，所述第三机构包括：

第五连杆，所述第五连杆一端通过第七转轴与所述连接座另一侧连接；

第六连杆，所述第六连杆一端通过第八转轴与所述连接座另一侧连接；

第七连杆，所述第七连杆一端通过第九转轴与所述第五连杆另一端连接，所述第七连杆另一端通过第十转轴与所述第六连杆另一端连接；

第八连杆，所述第八连杆一端通过所述第九转轴与所述第五连杆和所述第七连杆连接；

第九连杆，所述第九连杆一端通过所述第十转轴与所述第六连杆和所述第七连杆连接；

第十连杆，所述第十连杆一端通过第十一转轴与所述主手和所述第八连杆另一端连接；所述第十连杆另一端通过第十二转轴与所述第九连杆另一端连接。

在本公开的一些实施例中，所述第七转轴和所述第九转轴在所述第五连杆上的轴线间距与所述第八转轴和所述第十转轴在所述第六连杆上的轴线间距相等，且所述第五连杆和所述第六连杆平行设置；所述第七转轴和所述第八转轴在所述连接座上的轴线间距与所述第九转轴和所述第十转轴在所述第七连杆上的轴线间距相等，且所述连接座与所述第七连杆平行设置。

在本公开的一些实施例中，所述第九转轴和所述第十一转轴在所述第八连杆上的轴线间距与所述第十转轴和所述第十二转轴在所述第九连杆上的轴线间距相等，且所述第八连杆与所述第九连杆平行设置；所述第九转轴和所述第十转轴在所述第七连杆上的轴线间距与所述第十一转轴和所述第十二转轴在所述第十连杆上的轴线间距相等，且所述第七连杆与所述第十连杆平行设置。

在本公开的一些实施例中，所述第三机构还包括：拉簧，设置在所述第七转轴和所述第十转轴间和/或设置在所述第九转轴和所述第十二转轴间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开手术机器人用主操作臂至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开手术机器人用主操作臂结构布置方式具有解耦特性，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性。

(2)本公开中连接座运动方向与其自身重力方向垂直，所以无需在各连杆上增加配重装置实现力平衡效果，各连杆可以是轻质连杆，减小机构运动惯量，使其更易操控。

(3)本公开手术机器人中垂直方向运动结构由多个平行四边形结构组成，利用拉簧的弹力可以平衡主手的重力，避免了在连杆一端安装配重块，可减小器械臂自身运动惯量。

附图说明

图1为本公开实施例手术机器人用主操作臂与主操作端连接的结构示意图。

图2为本公开实施例手术机器人用主操作臂的示意图。

图3为本公开实施例手术机器人中升降座、连接座、第一机构和第二机构的局部结构示意图。

图4为本公开实施例手术机器人中升降座、连接座、第一机构和第二机构的另一角度的局部结构示意图。

图5为本公开实施例手术机器人中升降座结构示意图。

图6为本公开实施例手术机器人中连接座结构示意图。

图7为本公开实施例手术机器人中连接座、第三机构和主手的局部结构示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种手术机器人用主操作臂，包括：升降座、连接座、第一机构、第二机构、第三机构和主手；升降座与主操作端相连，并在主操作端上移动；第一机构一端通过第一转轴与升降座转动连接，第一机构另一端通过第四转轴与连接座一侧转动连接；第二机构一端通过第二转轴与升降座转动连接，第二机构另一端通过第六转轴与连接座一侧转动连接；第一机构和第二机构带动连接座沿第一方向移动且第一方向与连接座重力方向相垂直；第三机构一端与连接座另一侧转动连接；主手与第三机构另一端转动连接。本公开具有解耦特性，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性。

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。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种手术机器人用主操作臂。图1为本公开实施例手术机器人用主操作臂与主操作端连接的结构示意图。如图1所示，主操作端上设置有三维图像系统，为手术操作者提供手术操作部位实时三维图像，主操作端左右对称设置有两个手术机器人用主操作臂L01，分别安装在三维图像系统左右两侧，手术操作者控制手术机器人用主操作臂L01可实现对从操作端手术器械运动的精准控制。两条手术机器人用主操作臂可分别在主操作端安装处上下移动，以适应不同手术操作者的操作习惯。

如图2至图6所示，升降座101用于安装手术机器人用主操作臂L01，其前端设置有两个回转轴，分别为第一转轴201和第二转轴202，第一转轴201和第二转轴202轴线在同一平面内相交于一点A，如图5所示。第一连杆103一端安装在第一转轴201上，第一连杆103通过第一转轴201与升降座101连接，第一连杆103另一端通过第三转轴203与第二连杆104一端连接，第二连杆104另一端通过第四转轴204与连接座105连接。第三连杆106一端安装在第二转轴202上，第三连杆106通过第二转轴202与升降座101连接，第三连杆106另一端通过第五转轴205与第四连杆107一端连接，第四连杆107另一端通过第六转轴206与连接座105连接。第一转轴201、第三转轴203和第四转轴204的轴线相互平行，且均沿第三方向设置，如图2中z轴所示。第二转轴202、第五转轴205和第六转轴206的轴线相互平行，且均沿第二方向设置，如图2中y轴所示。

如图5、图6所示，第三转轴203、第六转轴206的轴线在同一平面内相交于一点B，A、B两点连线垂直于第一转轴201、第二转轴202所在平面，且A、B两点连线垂直于第四转轴204、第六转轴206所在平面。基于上述各转轴位置关系，连接座105可做相对于升降座101的单自由度运动，沿第一方向运动，即如图2所示x方向，连接座105运动过程中始终与升降座101保持平行。由于连接座105运动方向与其自身重力方向垂直，所以无需在各连杆上增加配重装置实现力平衡效果，各连杆可以是轻质连杆，减小机构运动惯量，使其更易操控。

如图7所示，连接座105另一侧设置有两个回转轴，分别为第七转轴207和第八转轴208，第五连杆108一端安装在第七转轴207上，第六连杆109一端安装在第八转轴208上，两连杆可分别在第七转轴207、第八转轴208上转动。第七连杆110的两端分别通过第九转轴209、第十转轴210与第五连杆108、第六连杆109的另一端连接。第七连杆110可在第五连杆108上绕第九转轴209转动，第七连杆110另一端可在第六连杆109上绕第十转轴210转动。第七转轴207、第八转轴208的间距与第九转轴209、第十转轴210的间距相等，第五连杆108与第六连杆109长度相等，第五连杆108、第六连杆109、第七连杆110构成一个平行四边形机构，即第七连杆110运动过程中始终与连接座105保持平行。

第八连杆111一端通过第九转轴209与第五连杆108连接，第八连杆111可在第五连杆108上转动。第九连杆112一端通过第十转轴210与第六连杆109连接，第九连杆112可在第六连杆109上转动。

第十连杆113的两端分别通过第十一转轴211、第十二转轴212与第八连杆111、第九连杆112的另一端连接。第十连杆113可在第八连杆111上绕第十一转轴211转动，第十连杆113还可在第九连杆112上绕第十二转轴212转动。第九转轴209、第十转轴210的间距与第十一转轴211、第十二转轴212的间距相等，第八连杆111与第九连杆112长度相等，第八连杆111、第九连杆112、第十连杆113构成一个平行四边形机构，第十连杆113运动过程中始终与第三连杆105平行，即第十连杆113运动过程中可与连接座105保持平行。第十连杆113通过两个串联的平行四边形结构与连接座105连接，其可在平面内做两自由度平动，如图2所示。相较于现有主操作臂的串联结构，手术机器人用主操作臂L01的两个串联的平行四边形结构有更好的结构刚性，可以将各连杆设置为轻质杆，既可以减小主操作臂体积，又可减小主操作臂的运动惯量，使手术机器人用主操作臂L01运动更加灵活。

为实现力平衡效果，在第七转轴207与第十转轴210之间、第九转轴209与第十二转轴212之间安装拉簧，利用拉簧的弹力可以平衡主手102的重力，避免了在连杆一端安装配重块，减小了各连杆的运动惯量。同时操作臂L01结构布置方式具有解耦特性，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性。

主手102安装在第十一转轴211处，其可在第十一转轴211上做绕轴转动。主手102结构不作为本申请的保护重点，这里不再做具体介绍。

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手术机器人用主操作臂有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种手术机器人用主操作臂，便于运动学模型建立，进而简化控制程序，提高运动控制精度及可靠性，手术机器人领域有着重要的应用前景。

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。

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。

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 (10)

1.一种手术机器人用主操作臂，包括：

升降座(101)，与主操作端相连，并在所述主操作端上沿第三方向移动移动；

连接座(105)，与所述升降座(101)平行设置；

第一机构，所述第一机构一端通过第一转轴(201)与所述升降座(101)转动连接，所述第一机构另一端通过第四转轴(204)与所述连接座(105)一侧转动连接；所述第一转轴(201)和所述第四转轴(204)的轴线沿第三方向设置；

第二机构，所述第二机构一端通过第二转轴(202)与所述升降座(101)转动连接，所述第二机构另一端通过第六转轴(206)与所述连接座(105)一侧转动连接；所述第一机构和所述第二机构带动所述连接座(105)沿第一方向移动；所述第二转轴(202)和所述第六转轴(206)的轴线沿第二方向设置；

第三机构，所述第三机构一端与所述连接座(105)另一侧转动连接；

主手(102)，与所述第三机构另一端转动连接。

2.根据权利要求1所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直。

3.根据权利要求1所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第一机构包括：

第一连杆(103)，所述第一连杆(103)一端通过所述第一转轴(201)与所述升降座(101)连接；

第二连杆(104)，所述第二连杆(104)一端通过第三转轴(203)与所述第一连杆(103)另一端连接；所述第二连杆(104)另一端通过所述第四转轴(204)与所述连接座(105)连接。

4.根据权利要求1所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第二机构包括：

第三连杆(106)，所述第三连杆(106)一端通过所述第二转轴(202)与所述升降座(101)连接；

第四连杆(107)，所述第四连杆(107)一端通过第五转轴(205)与所述第三连杆(106)另一端连接；所述第四连杆(107)另一端通过所述第六转轴(206)与连接座(105)连接。

5.根据权利要求3所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第一转轴(201)、所述第三转轴(203)和所述第四转轴(204)的轴线相互平行，且均沿第三方向设置。

6.根据权利要求4所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第二转轴(202)、所述第五转轴(205)和所述第六转轴(206)的轴线相互平行，且均沿第二方向设置。

7.根据权利要求1所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第三机构包括：

第五连杆(108)，所述第五连杆(108)一端通过第七转轴(207)与所述连接座(105)另一侧连接；

第六连杆(109)，所述第六连杆(109)一端通过第八转轴(208)与所述连接座(105)另一侧连接；

第七连杆(110)，所述第七连杆(110)一端通过第九转轴(209)与所述第五连杆(108)另一端连接，所述第七连杆(110)另一端通过第十转轴(210)与所述第六连杆(109)另一端连接；

第八连杆(111)，所述第八连杆(111)一端通过所述第九转轴(209)与所述第五连杆(108)和所述第七连杆(110)连接；

第九连杆(112)，所述第九连杆(112)一端通过所述第十转轴(210)与所述第六连杆(109)和所述第七连杆(110)连接；

第十连杆(113)，所述第十连杆(113)一端通过第十一转轴(211)与所述主手(102)和所述第八连杆(111)另一端连接；所述第十连杆(113)另一端通过第十二转轴(212)与所述第九连杆(112)另一端连接。

8.根据权利要求7所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第七转轴(207)和所述第九转轴(209)在所述第五连杆(108)上的轴线间距与所述第八转轴(208)和所述第十转轴(210)在所述第六连杆(109)上的轴线间距相等，且所述第五连杆(108)和所述第六连杆(109)平行设置；所述第七转轴(207)和所述第八转轴(208)在所述连接座(105)上的轴线间距与所述第九转轴(209)和所述第十转轴(210)在所述第七连杆(110)上的轴线间距相等，且所述连接座(105)与所述第七连杆(110)平行设置。

9.根据权利要求7所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第九转轴(209)和所述第十一转轴(211)在所述第八连杆(111)上的轴线间距与所述第十转轴(210)和所述第十二转轴(212)在所述第九连杆(112)上的轴线间距相等，且所述第八连杆(111)与所述第九连杆(112)平行设置；所述第九转轴(209)和所述第十转轴(210)在所述第七连杆(110)上的轴线间距与所述第十一转轴(211)和所述第十二转轴(212)在所述第十连杆(113)上的轴线间距相等，且所述第七连杆(110)与所述第十连杆(113)平行设置。

10.根据权利要求7所述的手术机器人用主操作臂，其中，所述第三机构还包括：拉簧，设置在所述第七转轴(207)和所述第十转轴(210)间和/或设置在所述第九转轴(209)和所述第十二转轴(212)间。

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