CN113081277B - 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，所述连接部包括：

多个平动臂，各个平动臂顺次通过转轴连接，且所述主动端与所述从动端设有所述转轴，相邻两所述转轴之间设置有同步部件，所述同步部件能够带动其连接的两所述转轴同步转动。

进一步地，所述各个平动臂的弯曲方向相同。

进一步地，所述各个平动臂的曲率半径相同。

在本公开实施例中，所有所述转轴的轴线相交于一点。

在本公开实施例中，所述同步部件为同步钢丝。

在本公开实施例中，所述同步部件设置于平动臂内。

在本公开实施例中，所述控制部包括：

基座，与所述主动端设有的所述转轴相连，能够控制所述主动端设有的所述转轴转动。

在本公开实施例中，所述远端执行部包括：

器械座，与所述从动端设有的所述转轴相连，能够控制所述从动端设有的所述转轴转动。

在本公开实施例中，所述控制部还包括驱动电机，用于驱动所述主动端设有的所述转轴转动。

(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第一示意图。

图3为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂结构第二示意图。

图4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5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6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7为本公开实施例应用于可展器械臂的转轴结构示意图。

图8为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂运动第一示意图。

图9为本公开实施例应用于可展器械臂的器械臂运动第二示意图。

【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 第一平动臂

103 第二平动臂

104 第三平动臂

105 第四平动臂

106 第五平动臂

107 器械座

108 第一同步钢丝

109 第二同步钢丝

110 第三同步钢丝

111 第四同步钢丝

112 第五同步钢丝

201 第一转轴

202 第二转轴

203 第三转轴

204 第四转轴

205 第五转轴

206 第六转轴

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9所示，所述可展器械臂，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，所述连接部包括：多个平动臂，各个平动臂顺次通过转轴连接，且所述主动端与所述从动端设有所述转轴，相邻两所述转轴之间设置有同步部件，所述同步部件能够带动其连接的两所述转轴同步转动。

进一步地，所述各个平动臂的弯曲方向相同。

进一步地，所述各个平动臂的曲率半径相同。

进一步地，所有所述转轴的轴线相交于一点。

进一步地，所述同步部件为同步钢丝108。

进一步地，所述同步部件设置于平动臂内。

在本公开实施例中，所述控制部包括：基座101，与所述主动端设有的所述转轴相连，能够控制所述主动端设有的所述转轴转动。

在本公开实施例中，所述远端执行部包括：器械座107，与所述从动端设有的所述转轴相连，能够控制所述从动端设有的所述转轴转动。

在本公开实施例中，所述控制部还包括驱动电机，用于驱动所述主动端设有的所述转轴转动。

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，如图1至8所示，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。本发明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为例对本发明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，多个平动臂：第一平动臂102、第二平动臂103、第三平动臂104、第四平动臂105、第五平动臂106，器械座107等。所述基座101用于连接被动调整机构和器械臂L01，如图2和图3所示，基座101上固定安装有第一转轴201，所述第一平动臂102一端安装在第一转轴201上，第一平动臂102可在第一转轴201上转动，第一平动臂102另一端安装有第二转轴202，第二转轴202可在第一平动臂102上转动。第二平动臂103一端安装在第二转轴202上，第二平动臂102可在第一转轴201上转动，第二平动臂102另一端安装有第三转轴203，第三转轴203可在第二平动臂103上转动。第三平动臂104一端安装在第三转轴203上，第三平动臂103可在第三转轴203上转动，第三平动臂104另一端安装有四转轴204，第四转轴204可在第三平动臂104上转动。第四平动臂105一端安装在第四转轴204上，第四平动臂105可在第四转轴204上转动，第四平动臂105另一端安装有第五转轴205，第五转轴205可在第四平动臂105上转动。第五平动臂106一端安装在第五转轴205上，第五平动臂106可在第五转轴205上转动，第五平动臂106另一端安装有第六转轴206，第六转轴206可在第五平动臂106上转动。第六转轴206用于连接第五平动臂106和器械座107，第六转轴206与器械座107固定连接。

如图4所示，所述第一平动臂102、第二平动臂103、第三平动臂104、第四平动臂105、第五平动臂106为球面连杆结构，各平动臂顺次连接组成一个球面可展结构。相邻两平动臂上下两曲面具有相同或相近曲率半径，如图5所示。所述各平动臂上安装的各转轴轴线可汇聚于一点O，如图6所示。

所述第一转轴201、第二转轴202、第三转轴203、第四转轴204、第五转轴205上设置有用于安装钢丝的槽，如图6所示，各转轴回转半径相同，第一转轴201与第二转轴202间安装有第一同步钢丝108，所述第一同步钢丝108张紧后，可实现第二转轴202与第一转轴201同步转动，即当第一平动臂102绕第一转轴201转动时，第二转轴202与第一转轴201保持相同的相位角不变。类似的，第二转轴202与第三转轴203间安装有第二同步钢丝109，第三转轴203与第四转轴204间安装有第三同步钢丝110，第四转轴204与第五转轴205间安装有第四同步钢丝111，第五转轴205与第六转轴206间安装有第五同步钢丝112，各同步钢丝张紧后，可实现第一转轴201、第二转轴202、第三转轴203、第四转轴204、第五转轴205同步转动，各转轴相位角保持不变，进而实现各平动臂的联合运动：当第一平动臂102转动时，其余各平动臂同步转动。各平动臂组成的球面可展结构具有绕O点的单自由度，与基座101在被动臂上的转动运动组合后，可实现器械臂L01绕O点的两自由度运动，如图8所示。

所述各连杆的运动始终在以O点为球心的球面上，器械座107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。

由于相邻两平动臂的半径不同，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107可达到O点为球心的球面上任意位置。

如图8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9所示，当第一平动臂102运动至起始位置时，其余平动臂在运动球面法向方向重合，所述各平动臂重叠至同一平面内，该状态下器械臂L01所占空间大大缩小，有利于实施手术前的各项准备工作。

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，所述连接部包括：

多个平动臂，各个平动臂顺次通过转轴连接，且所述主动端与所述从动端设有所述转轴，每个平动臂的相邻两所述转轴之间设置有同步部件，所述同步部件能够带动其连接的两所述转轴同步转动，使得当第一平动臂转动时，其余各平动臂同步转动；

其中，所述同步部件为安装在每个平动臂的两所述转轴之间的同步钢丝；

其中，当第一平动臂运动至起始位置时，其余所述平动臂在运动球面法向方向重合，各平动臂重叠至同一平面内，所述可展器械臂所占空间缩小。

2.根据权利要求1所述的可展器械臂，其中，所述各个平动臂的弯曲方向相同。

3.根据权利要求1所述的可展器械臂，其中，所述各个平动臂的曲率半径相同。

4.根据权利要求1至3任一所述的可展器械臂，其中，所有所述转轴的轴线相交于一点。

5.根据权利要求1所述的可展器械臂，其中，所述同步部件设置于平动臂内。

6.根据权利要求1所述的可展器械臂，其中，所述控制部包括：

基座，与所述主动端设有的所述转轴相连，能够控制所述主动端设有的所述转轴转动。

7.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，与所述从动端设有的所述转轴相连，能够控制所述从动端设有的所述转轴转动。

8.根据权利要求6所述的可展器械臂，其中，所述控制部还包括驱动电机，用于驱动所述主动端设有的所述转轴转动。

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