CN113100947B - 一种用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，包括结构相同的被动机械臂一、被动机械臂二；被动机械臂一、被动机械臂二均与被动机械臂固定板相连，所述的被动机械臂一、被动机械臂二均为五自由度被动机械臂，包括依次连接的以Z轴为转动轴线的关节一、连接臂段一、以X轴为转动轴线的关节二、连接臂段二、以X轴为转动轴线的关节三、连接臂段三、以Y轴为转动轴线的关节四、连接臂段四、以Z轴为转动轴线的关节五。

Description

一种用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构

技术领域

本发明涉及微创外科单孔手术机器人技术领域，具体涉及一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构。

背景技术

单孔腔镜手术由单一创口向腹腔置入多个器械开展手术，相比传统的多孔腔镜手术具有更加微创、恢复快、以及手术美容等诸多优点。但依赖于传统硬性腔镜器械的单孔腔镜手术存在“直线视野、操作三角丧失、器械干扰”等诸多难题。随着机器人技术的发展，单孔腹腔镜手术机器人的出现，大大改善了传统的单孔腹腔镜手术中的难题，单孔腹腔镜手术机器人具有更强的稳定性以及更小的创伤性等优点。

单孔腹腔镜手术机器人在进行手术时，将一对末端执行机械臂以及高清3D内窥镜通过预先开好的孔伸入体内进行手术，因此需要在伸入病灶体前对其末端执行机械臂进行位姿调整，以达到最佳位置完成手术，目前现有的单孔腹腔镜手术机器人大多在调整时只包含一个伸缩自由度，无法更加灵活的调整其位姿。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的机构，所述机构一端通过螺栓连接单孔腹腔镜手术机器人中的支撑大臂，另一端设有左右两个带有五自由度的被动机械臂，所述被动机械臂末端通过螺栓连接单孔腹腔镜手术机器人中伸入病灶体内的末端执行机械臂，且被动机械臂设有可手动调节及锁定的关节，通过五个自由度互相配合，使与之相连末端执行机械臂的位姿调整到预期位置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提出的一种用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的机构，包括结构相同的被动机械臂一、被动机械臂二；被动机械臂一、被动机械臂二均与被动机械臂固定板相连，所述的被动机械臂一、被动机械臂二均为五自由度被动机械臂，包括依次连接的以Z轴为转动轴线的关节一、连接臂段一、以X轴为转动轴线的关节二、连接臂段二、以X轴为转动轴线的关节三、连接臂段三、以Y轴为转动轴线的关节四、连接臂段四、以Z轴为转动轴线的关节五。

作为进一步的技术方案，被动机械臂一与末端执行机械臂一相连，被动机械臂二与末端执行机械臂二相连。

作为进一步的技术方案，所述的关节一、关节二、关节三、关节四和关节五结构相同，均为被动关节。

作为进一步的技术方案，所述的被动关节包括关节内锁紧臂段、关节外连接臂段；在关节外连接臂段侧壁上设有一个通孔，所述的摇杆一端穿过该通孔且与该通孔螺纹配合后与滑动夹子相连，在关节外连接臂段内设有滑轨和固定夹子，所述的滑动夹子在摇杆驱动下沿着滑轨移动，且对关节内锁紧臂段施加压力或者释放关节内锁紧臂段。所述的滑轨包括两个，两个滑轨相互平行。

作为进一步的技术方案，所述关节二和关节三，两个自由度组成两个轴线相互平行的转动自由度。

作为进一步的技术方案，所述关节一、关节四、关节五三个自由度组成轴线相互垂直的转动自由度，为末端执行机械臂起到调整姿态的功能。

作为进一步的技术方案，所述连接臂段一、连接臂段二、连接臂段三的长度可调。

更进一步需要说明的是，本发明中所述的被动机械臂设为两条，原因在于所应用的单孔腹腔镜手术机器人中需一对互相配合的末端执行机械臂完成手术动作，如同人类的双手，但可根据实际需求通过合理的布局，增加或减少被动机械臂的数量，本案例就就不对其一一描述。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构，其核心是将五自由度被动机械臂在此单孔腹腔镜手术机器人的运用，所述的五自由度被动机械臂应用在单孔腹腔镜手术机器人从操作手中的支撑大臂与末端执行臂之间作为衔接部件，可使末端执行臂在伸入病灶体内时互不干涉，且可单独调整其位姿，最后通过同一戳卡伸入病灶体内，完成手术动作；另外可分担支撑大臂中的自由度，但对整体的灵活性不会影响，由于支撑大臂本身需要承受从操作手全部的重量，自由度越高反而会降低支撑大臂的刚性，而本发明中将五自由度被动机械臂应用在此处，相当于将支撑大臂的自由度挪至被动机械臂中，从而在不降低整体灵活性的前提下，改善以上不足。

目前现有的关节多为主动型关节，虽可达到高控制精度，但其操作不够简单，且需要一定成本进行控制编程，而本被动关节通过简单紧凑的结构实现关节的自由锁定与放松，且可通过摇杆的转动，便捷的控制关节转动时的摩擦力，以此运动到预期位置后可快速锁紧。

附图说明

以下附图说明为了更清楚地介绍本发明实施例或现有技术中的技术方案，增强对本申请的进一步理解，本申请的示意性实例及其说明，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构的俯视图；

图2为本发明一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构左视图；

图3为本发明一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构中被动关节主视图；

图4为本发明一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构中被动关节俯视图；

图5(a)、图5(b)为本发明中关节外连接臂段的结构示意图；

图6(a)、图6(b)为本发明中固定夹子的结构示意图；

图7(a)、图7(b)为本发明中滑动夹子的结构示意图；

其中，1.被动机械臂一，2.被动机械臂二，3.末端执行机械臂一，4.末端执行机械臂二，5.被动机械臂固定板，6.支撑大臂末端，7.摇杆，8.推进螺纹，9.滑动夹子，11.滑轨一，12.固定夹子，13.关节内锁紧臂段，14.关节外连接臂段，15.滑轨二；

1-1.关节一，1-2.连接臂段一，1-3.以X轴为转动轴线的关节二，1-4.连接臂段二，1-5.以X轴为转动轴线的关节三，1-6.连接臂段三，1-7.以Y轴为转动轴线的关节四，1-8.连接臂段四，1-9.以Z轴为转动轴线的关节五；

2-1.关节一，2-2.连接臂段一，2-3.以X轴为转动轴线的关节二，2-4.连接臂段二，2-5.以X轴为转动轴线的关节三，2-6.连接臂段三，2-7.以Y轴为转动轴线的关节四，2-8.连接臂段四，2-9.以Z轴为转动轴线的关节五。

具体实施方式

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、完整的描述，需要指出，所做附图及描述说明均是例示性的，所使用的术语也仅是为了描述具体的实施方式，而非意图限制依据本申请的示例性实施方式。

本实施例公开了一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构，如图1、图2所示，其包括被动机械臂一1、被动机械臂二2、末端执行机械臂一3、末端执行机械臂二4、被动机械臂固定板5、支撑大臂末端6；其中所述被动机械臂一1与被动机械臂二2结构相同，如图1所示，被动机械臂一1、被动机械臂二2的一端均与连接被动机械臂固定板5，被动机械臂一1的另一端连接末端执行机械臂一3，被动机械臂二2的另一端连接末端执行机械臂二4。

本实施例中就其中一根被动机械臂进行详细的描述，即以被动机械臂一1的结构为例，进行说明，被动机械臂一1包括以Z轴为转动轴线的关节一1-1、连接臂段一1-2、以X轴为转动轴线的关节二1-3、连接臂段二1-4、以X轴为转动轴线的关节三1-5、连接臂段三1-6、以Y轴为转动轴线的关节四1-7、连接臂段四1-8、以Z轴为转动轴线的关节五1-9；具体的连接关系如下：

被动机械臂固定板5通过Z轴为转动轴线的关节一1-1与连接臂段一1-2相连，连接臂段一1-2通过以X轴为转动轴线的关节二1-3与连接臂段二1-4相连，连接臂段二1-4通过以X轴为转动轴线的关节三1-5与连接臂段三1-6相连，连接臂段三1-6通过以Y轴为转动轴线的关节四1-7与连接臂段四1-8相连，连接臂段四1-8通过以Z轴为转动轴线的关节五1-9与末端执行机械臂一3相连。

所述末端执行臂一3与末端执行机械臂二4是与被动机械臂之间通过螺栓刚性链接。

进一步的，如图3、图4所示，图中所示上述的以Z轴为转动轴线的关节一1-1、以X轴为转动轴线的关节二1-3、以X轴为转动轴线的关节三1-5、以Y轴为转动轴线的关节四1-7、以Z轴为转动轴线的关节五1-9的结构完全相同，各自包括摇杆7、推进螺纹8、滑动夹子9、滑轨一11、固定夹子12、关节内锁紧臂段13、关节外连接臂段14、滑轨二15等部分组成；

摇杆7是外力与被动关节衔接的部分，摇杆7上设有一段螺纹，对应的在关节外连接臂段14上设有一个通孔，在通孔内壁上设有推进螺纹8，推进螺纹8与摇杆7上的螺纹段配合；摇杆7的末端连接有一个滑动夹子9，通过摇动摇杆7使与摇杆末端链接的滑动夹子9可以前后移动；滑动夹子9安装在滑轨一11、滑轨二15上，滑轨一11、滑轨二15固定在关节外连接臂段14内，滑动夹子10在夹子推板9的推动下沿着滑轨一11、滑轨二15移动，所述滑动夹子9对所述关节内锁紧臂段13产生压力，进而增加接触处的摩擦力；所述固定夹子12固定在关节外连接臂段14内，两者之间无运动副，此时当产生的摩擦力到达一定程度时，所述关节内锁紧臂段13将无法自由转动；当所述摇杆7往返方向旋转时，所述滑动夹子9将减少对所述关节内锁紧臂段13的压力，当减少到一定程度时，所述关节内锁紧臂段13可自由转动。

上述的关节外连接臂段14的结构示意图如图5(a)、图5(b)所示，其包括一个本体，在本体侧壁上设有一段外伸段，在所述的外伸段上设有一个通孔，在该通孔内设有螺纹。

上述的固定夹子12的结构示意图如图6(a)、图6(b)所示，其包括一个本体，在本体侧面为半圆柱形，其与滑动夹子10配合在一起，形成圆柱形空间。

上述的滑动夹子9的结构示意图如图7(a)、图7(b)所示，其包括一个本体，在本体侧面为半圆柱形，其与固定夹子12配合在一起，形成圆柱形空间，另外，在本体的上部和下部设有与滑轨配合部，在中间部设有与摇杆7端部配合的安装孔。

进一步的，所述以X轴为转动轴线的关节二1-3和以X轴为转动轴线的关节三1-5，两个自由度可以组成两个轴线相互平行的转动自由度，起到定位作用，所述以Z轴为转动轴线的关节一1-1、以Y轴为转动轴线的关节四1-7、以Z轴为转动轴线的关节五1-9三个自由度可以组成轴线相互垂直的转动自由度，为所述末端执行机械臂起到调整姿态的功能。

进一步的，所述关节之间的连接臂段(连接臂段一、连接臂段二、连接臂段三和连接臂段四)可根据需要调节各臂段长度。

更进一步需要说明的是，本发明中所述的被动机械臂设为两条，原因在于所应用的单孔腹腔镜手术机器人中需一对互相配合的末端执行机械臂完成手术动作，如同人类的双手，但可根据实际需求通过合理的布局，增加或减少被动机械臂的数量，本案例就不对其一一描述。

本发明提出的一种带有手动调节及锁定关节的用于单孔手术机器人末端执行机械臂位姿调整的连接机构，其核心是将五自由度被动机械臂在此单孔腹腔镜手术机器人的运用，所述的五自由度被动机械臂应用在单孔腹腔镜手术机器人从操作手中的支撑大臂与末端执行臂之间作为衔接部件，可使末端执行臂在伸入病灶体内时互不干涉，且可单独调整其位姿，最后通过同一戳卡伸入病灶体内，完成手术动作；另外可分担支撑大臂中的自由度，但对整体的灵活性不会影响，由于支撑大臂本身需要承受从操作手全部的重量，自由度越高反而会降低支撑大臂的刚性，而本发明中将五自由度被动机械臂应用在此处，相当于将支撑大臂的自由度挪至被动机械臂中，从而在不降低整体灵活性的前提下，改善以上不足。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，其特征在于，包括结构相同的被动机械臂一、被动机械臂二；被动机械臂一、被动机械臂二均与被动机械臂固定板相连，所述的被动机械臂一、被动机械臂二均为五自由度被动机械臂，包括依次连接的以Z轴为转动轴线的关节一、连接臂段一、以X轴为转动轴线的关节二、连接臂段二、以X轴为转动轴线的关节三、连接臂段三、以Y轴为转动轴线的关节四、连接臂段四、以Z轴为转动轴线的关节五；

所述的关节一、关节二、关节三、关节四和关节五结构相同，均为被动关节；

所述的被动关节包括关节内锁紧臂段、关节外连接臂段；在关节外连接臂段侧壁上设有一个通孔，摇杆一端穿过该通孔且与该通孔螺纹配合后与滑动夹子相连，在关节外连接臂段内设有滑轨和固定夹子，所述的滑动夹子在摇杆驱动下沿着滑轨移动，且对关节内锁紧臂段施加压力或者释放关节内锁紧臂段。

2.如权利要求1所述的用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，其特征在于，被动机械臂一与末端执行机械臂一相连，被动机械臂二与末端执行机械臂二相连。

3.如权利要求1所述的用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，其特征在于，所述的滑轨数量为两个，两个滑轨相互平行。

4.如权利要求1所述的用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，其特征在于，所述关节二和关节三一起构成的两个自由度组成两个轴线相互平行的转动自由度。

5.如权利要求1所述的用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，其特征在于，所述关节一、关节四和关节五一起构成的三个自由度组成轴线相互垂直的转动自由度，为末端执行机械臂起到调整姿态的功能。

6.如权利要求1所述的用于微创手术机器人执行机械臂位姿调整的机构，其特征在于，所述连接臂段一、连接臂段二、连接臂段三的长度可调。

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