CN113729954A - 手术机器人初始调整机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术机器人初始调整机械臂，包括安装部、与所述安装部转动连接的旋转部、以及与所述旋转部活动连接的垂直部，具有相对于竖直轴旋转的自由度以及平移自由度，以带动机械臂整体旋转、平移，实现整个机械臂的大幅调整，满足不同患者体型及不同手术类型的调整需求，同时可以保证与其他机械臂在手术时的空间要求，不出现干涉和碰撞，相互配合使得末端器械更好的到达指定手术位置；垂直部具有竖直伸缩的自由度以及相对于中轴线旋转的自由度，使与关节连接的下端结构在竖直方向和水平方向进行小范围的调整，提升末端器械在初始情况定位的精准性，调整方便，能满足手术机器人的作业需求。

Description

手术机器人初始调整机械臂

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别涉及一种手术机器人初始调整机械臂。

背景技术

微创外科手术一般也称为介入式手术，它是通过在体表切开数个细小的切口(或依靠人体天然官腔)，借助于视觉显示系统的图像引导，将手术器械通过体表切口伸入体内进行治疗或诊断而完成的手术。微创手术技术使得大部分的外科手术告别了开放式的手术模式，将机器人技术应用于医疗外科手术已经变得越来越流行，机器人在操作稳定性、快捷性和精确性方面具有显著的优势，将机器人技术融入外科手术中，可以改进医生的手术环境，缩短患者的恢复时间。

微创外科手术的机器人具有实现不同自由度动作的机械臂，机械臂的末端连接其它的多自由度执行机构以及器械。部分机械臂作为初始调整机械臂，用于机器人手术前的初始调整，根据患者治疗位置将机械臂调整到合适的位置及角度，然后对初始位置及角度进行锁紧，使各个初调自由度在手术过程中固定，确保虚拟不动点的固定，因此初调机械臂需具备调整方便及锁紧可靠的特点。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明的目的是提供一种多自由度调整方便、可靠的机械臂，适用于手术机器人的初始调整，满足手术机器人作业需求。

为了达到上述目的，本发明提供了一种手术机器人初始调整机械臂，包括安装部、与所述安装部转动连接的旋转部、以及与所述旋转部活动连接的垂直部，所述旋转部水平设置，具有相对于竖直轴旋转的自由度，所述垂直部具有相对于所述旋转部平移的自由度，同时所述垂直部自身具有竖直伸缩的自由度、以及相对于中轴线旋转的自由度，所述垂直部的末端与关节连接。

进一步地，所述安装部包括固定设置的机械臂支撑架，所述旋转部包括摇臂，所述摇臂的第一端与所述机械臂支撑架的末端转动连接。

进一步地，所述机械臂支撑架的末端连接有旋转轴，所述摇臂的第一端连接有角接触球轴承，所述角接触球轴承套设于所述旋转轴上，所述角接触球轴承设置两组，相对分布于所述旋转轴的顶部和底部。

进一步地，所述摇臂上连接有导轨，所述垂直部连接有滑块，所述滑块与所述导轨滑动连接。

进一步地，所述垂直部包括垂直调整壳体，所述垂直调整壳体内活动连接有旋转升降组件，所述旋转升降组件的底端与所述关节连接。

进一步地，所述旋转升降组件包括支撑座和导向轴，所述支撑座上固定连接有丝杠螺母，所述垂直调整壳体内转动连接有升降丝杠，所述升降丝杠与所述丝杠螺母配合，所述导向轴的顶端与所述支撑座转动连接，所述导向轴的底端向下延伸出所述垂直调整壳体并与所述关节连接。

进一步地，所述垂直调整壳体还连接有配重气弹簧，所述配重气弹簧的活塞杆端部与所述支撑座连接，以平衡所述支撑座承载的重量。

进一步地，所述支撑座内连接有上下相对分布的第一推力滚针轴承和第二推力滚针轴承，所述导向轴的顶端形成有环形凸台，所述环形凸台的上表面与所述第一推力滚针轴承滚动接触，所述环形凸台的下表面与所述第二推力滚针轴承滚动接触，所述第一推力滚针轴承被所述支撑座限位，所述第二推力滚针轴承被挡圈螺母支撑，所述挡圈螺母与所述支撑座螺纹连接。

进一步地，所述垂直调整壳体的底端还连接有直线轴承，所述导向轴的下部与所述直线轴承活动连接。

进一步地，所述垂直调整壳体的顶端旋转连接有丝杠支撑座，所述升降丝杠的顶端与所述丝杠支撑座固定连接，所述丝杠支撑座的上表面还具有用于制动的棘轮。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的手术机器人初始调整机械臂，具有相对于竖直轴旋转的自由度以及平移自由度，以带动机械臂整体旋转、平移，实现整个机械臂的大幅调整，满足不同患者体型及不同手术类型的调整需求，同时可以保证与其他机械臂在手术时的空间要求，不出现干涉和碰撞，相互配合使得末端器械更好的到达指定手术位置；同时具有竖直伸缩的自由度以及相对于中轴线旋转的自由度，使与关节连接的下端结构在竖直方向和水平方向进行小范围的调整，提升末端器械在初始情况定位的精准性，调整方便，能满足手术机器人的作业需求；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的摇臂与机械臂支撑架连接结构示意图；

图3为本发明的垂直调整壳体与摇臂连接结构示意图；

图4为本发明的垂直调整壳体内部上层结构示意图；

图5为本发明的垂直调整壳体内部下层结构示意图；

图6为本发明的导向轴与支撑座连接结构示意图。

【附图标记说明】

1-机械臂支撑架；2-摇臂；3-旋转轴；4-角接触球轴承；5-导轨；6-滑块；7-垂直调整壳体；8-关节；9-支撑座；10-导向轴；11-丝杠螺母；12-升降丝杠；13-配重气弹簧；14-第一推力滚针轴承；15-第二推力滚针轴承；16-环形凸台；17-挡圈螺母；18-直线轴承；19-丝杠支撑座；20-棘轮。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种手术机器人初始调整机械臂，包括安装部、与安装部转动连接的旋转部、以及与旋转部活动连接的垂直部。其中，旋转部水平设置，具有相对于竖直轴旋转的a自由度，该自由度带动整个机械臂旋转，实现整个机械臂的大幅调整，满足不同患者体型及不同手术类型的调整需求，同时可以保证与其他机械臂在手术时的空间要求，不出现干涉和碰撞。垂直部具有相对于旋转部水平平移的b自由度，该自由度通常具有200mm～300mm的水平移动行程，与a自由度相互配合使得末端器械更好的到达指定手术位置，整个机械臂操作更加灵活。垂直部自身具有竖直伸缩的c自由度、以及相对于中轴线旋转的d自由度，这两个自由度均集成在垂直部上，且垂直部的末端与关节连接，通过旋转及伸缩自由度使与关节连接的下端结构在竖直方向和水平方向进行小范围的调整，使得末端器械在初始情况实现更精准的手术定位。

同时如图2所示，安装部包括固定设置的机械臂支撑架1，旋转部包括摇臂2，摇臂2的第一端与机械臂支撑架1的末端转动连接。具体地，机械臂支撑架1的末端连接有竖直的旋转轴3，摇臂2的第一端连接有角接触球轴承4，角接触球轴承4设置两组，相对分布于旋转轴3的顶部和底部，角接触球轴承4套设于旋转轴3上，形成摇臂2第一端与机械臂支撑架1末端的转动连接。角接触球轴承4能抵抗整个机械臂活动部分产生的径向力和轴向力，提升结构可靠性。

同时如图3所示，摇臂2上连接有导轨5，同时垂直部连接有滑块6，滑块6与导轨5滑动连接而使垂直部能相对于摇臂2滑动平移，对垂直部的水平位置调整。其中，垂直部包括垂直调整壳体7，垂直调整壳体7内活动连接有旋转升降组件，旋转升降组件的底端与关节8连接，通过旋转升降组件完成相对于垂直调整壳体7的升降以及旋转动作。

同时如图4所示，旋转升降组件包括支撑座9和导向轴10，支撑座9上固定连接有丝杠螺母11，同时垂直调整壳体7内转动连接有升降丝杠12，升降丝杠12穿入丝杠螺母11内形成螺纹配合，升降丝杠12相对于丝杠螺母11旋转时，驱动丝杠螺母11并带动支撑座9竖直位移。导向轴10的顶端与支撑座9转动连接，随支撑座9升降而相对于垂直调整壳体7伸缩，同时相对于支撑座9以及垂直调整壳体7旋转。其中，导向轴10的底端向下延伸出垂直调整壳体7并与关节8连接。

在本实施例中，升降丝杠12的导程大小以及与丝杠螺母11的配合需满足导向轴10能够在竖直方向自由移动且不发生自锁，确保导向轴10伸缩调整的顺利。由于导向轴10的底端连接有关节8以及关节8后端的机构、器械，因此导向轴10以及支撑座9承受的重量较大，当升降丝杠12解锁自由旋转后，支撑座9以及导向轴10会在重力作用下直接下移，难以控制调整位置。基于此，垂直调整壳体7还连接有配重气弹簧13，配重气弹簧13的活塞杆端部与支撑座9连接，通过配重气弹簧13直接平衡抵消支撑座9承载的重量，使升降丝杠12解锁后支撑座9以及导向轴10等仍能维持在原来位置，且手动调整时操作轻便灵活。另外，配重气弹簧13还具有一定的导向作用，限制支撑座9以及导向轴10的顶端在水平方向的摇摆，确保导向轴10沿竖直方向位移。

同时如图6所示，支撑座9内连接有上下相对分布的第一推力滚针轴承14和第二推力滚针轴承15，导向轴10的顶端形成有环形凸台16，环形凸台16的上表面与第一推力滚针轴承14滚动接触，环形凸台16的下表面与第二推力滚针轴承15滚动接触。其中，第一推力滚针轴承14被上方的支撑座9结构限位，第二推力滚针轴承15被下方的挡圈螺母17支撑，挡圈螺母17与支撑座9螺纹连接。在第一推力滚针轴承14和第二推力滚针轴承15的限制作用下，导向轴10与支撑座9竖直位移同步，且能相对于支撑座9旋转。

同时如图5所示，垂直调整壳体7的底端还连接有直线轴承18，导向轴10的下部与直线轴承18滑动配合，底端从直线轴承18穿出并与关节8连接，通过直线轴承18的设置确保导向轴10底端的竖直位移平稳且方向准确，同时导向轴10旋转时也可以减小摩擦力。

请再次参阅图4，由于控制导向轴10伸缩时支撑座9相对于升降丝杠12竖直位移，由丝杠螺母11驱动升降丝杠12旋转，因此需要锁紧伸缩的c自由度时，只需将升降丝杠12的旋转自由度锁紧即可。本实施例中垂直调整壳体7的顶端旋转连接有丝杠支撑座19，升降丝杠12的顶端与丝杠支撑座19固定连接，同时丝杠支撑座19的上表面还具有用于制动的棘轮20。通过锁紧机构将棘轮20锁紧而使丝杠支撑座19以及升降丝杠12无法相对于垂直调整壳体7旋转，形成伸缩自由度的锁紧。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，包括安装部、与所述安装部转动连接的旋转部、以及与所述旋转部活动连接的垂直部，所述旋转部水平设置，具有相对于竖直轴旋转的自由度，所述垂直部具有相对于所述旋转部平移的自由度，同时所述垂直部自身具有竖直伸缩的自由度、以及相对于中轴线旋转的自由度，所述垂直部的末端与关节连接。

2.根据权利要求1所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述安装部包括固定设置的机械臂支撑架，所述旋转部包括摇臂，所述摇臂的第一端与所述机械臂支撑架的末端转动连接。

3.根据权利要求2所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述机械臂支撑架的末端连接有旋转轴，所述摇臂的第一端连接有角接触球轴承，所述角接触球轴承套设于所述旋转轴上，所述角接触球轴承设置两组，相对分布于所述旋转轴的顶部和底部。

4.根据权利要求2所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述摇臂上连接有导轨，所述垂直部连接有滑块，所述滑块与所述导轨滑动连接。

5.根据权利要求1所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述垂直部包括垂直调整壳体，所述垂直调整壳体内活动连接有旋转升降组件，所述旋转升降组件的底端与所述关节连接。

6.根据权利要求5所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述旋转升降组件包括支撑座和导向轴，所述支撑座上固定连接有丝杠螺母，所述垂直调整壳体内转动连接有升降丝杠，所述升降丝杠与所述丝杠螺母配合，所述导向轴的顶端与所述支撑座转动连接，所述导向轴的底端向下延伸出所述垂直调整壳体并与所述关节连接。

7.根据权利要求6所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述垂直调整壳体还连接有配重气弹簧，所述配重气弹簧的活塞杆端部与所述支撑座连接，以平衡所述支撑座承载的重量。

8.根据权利要求6所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述支撑座内连接有上下相对分布的第一推力滚针轴承和第二推力滚针轴承，所述导向轴的顶端形成有环形凸台，所述环形凸台的上表面与所述第一推力滚针轴承滚动接触，所述环形凸台的下表面与所述第二推力滚针轴承滚动接触，所述第一推力滚针轴承被所述支撑座限位，所述第二推力滚针轴承被挡圈螺母支撑，所述挡圈螺母与所述支撑座螺纹连接。

9.根据权利要求6所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述垂直调整壳体的底端还连接有直线轴承，所述导向轴的下部与所述直线轴承活动连接。

10.根据权利要求6所述的手术机器人初始调整机械臂，其特征在于，所述垂直调整壳体的顶端旋转连接有丝杠支撑座，所述升降丝杠的顶端与所述丝杠支撑座固定连接，所述丝杠支撑座的上表面还具有用于制动的棘轮。

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