CN113967075A - 一种具有多关节定位机械臂的手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多关节定位机械臂以及包括该多关节定位机械臂的手术机器人系统。本发明的多关节定位机械臂包括联动定位装置，该联动定位装置包括：多个水平横臂和多个横臂旋转关节，每个水平横臂包括近端部和远端部，所述多个水平横臂在各所述近端部和各所述远端部分别由各横臂旋转关节通过铰接依次首尾相接，且相邻的两个水平横臂相对于彼此能绕垂向轴线旋转。利用多个水平横臂部分重叠布置的设计，从而更加高效利用病床侧空间和手术机器人定位机械臂工作空间。

Description

一种具有多关节定位机械臂的手术机器人系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，涉及一种多关节定位机械臂以及包括该多关节定位机械臂的手术机器人系统。

背景技术

腔镜微创手术相比于传统的开放手术，其显著缩减的创口规模提高了手术的术后产出，比如减小患者病痛和麻醉剂使用，加快术后恢复，减少术后感染和并发症的几率。迄今为止微创手术已发展出适用于多种病症的操作范式，并正在推动更多的手术微创化的发展。然而手动的微创手术中受限的视野和操作的不便使得手术操作困难，需要对医生进行长期的训练，而复杂的手术在微创操作下显得更加困难。研制手术机器人以辅助医生进行手术操作成为各国的研究热点，涌现出众多的产品和研究样机。手术机器人通常使用遥操作的模式完成手术操作，即灵巧的手术工具由主刀医生通过直观的操作输入进行操纵。

现代的腔镜微创手术中需要多种手术工具和内窥镜的同时协作，手术机器人通常使用体外定位机械臂分别搭载手术工具和内窥镜。由于不同的患者和手术术式对手术工具和内窥镜的定位提出了不同的要求，手术机器人的体外定位机械臂需根据要求在术前或术中进行调整。体外定位臂在空间中的定位能力直接关系到手术机器人施展多种手术的能力。

体外定位机械臂在工作中产生相互碰撞会增加患者的受伤风险；体外定位臂占据病床边的空间会影响辅助医生在病床边的手术协助和实时观察。现有的手术机器人系统中，通常会采用具有多关节的定位机械臂用于手术工具的空间定位。其体外定位臂采用固定于台车上展开工作的方式，全维的体外定位机械臂可以灵活定位手术工具到手术指定位置。但是现有技术中的多关节定位机械臂通常在第一关节处采用长臂配合竖直旋转关节，从而便于后续多个关节在空间的展开运动，且不与台车发生干涉碰撞风险，但由于长臂的半径大，导致其占用的空间范围大，导致占据病床边的空间从而影响辅助医生在病床边的手术协助和实时观察，也不利于在有限的空间布置其他相关配套的设备，造成空间利用率低下。

因此，需要设计和开发一种占用空间小并能适配于多种手术机器人系统中的多关节定位机械臂以解决现有手术机器人的多关节定位机械臂所存在的上述问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有多关节定位机械臂的手术机器人系统，通过在初始关节处采用水平横臂，以折回的方式减小定位机械臂的横向空间，提供更加高效利用病床侧空间和手术机器人定位机械臂工作空间的设计方案。该手术机器人体外定位机械臂的设计能够较好地应用于多孔、单孔和经自然腔道手术机器人的系统设计并用于手术。

在第一个方面，本发明提供了一种多关节定位机械臂(下文中有时简称“本发明的机械臂”)，其包括联动定位装置；所述联动定位装置包括：多个(从最大限度地节省空间的角度考虑，优选两个)水平横臂和多个(优选两个)横臂旋转关节，每个所述水平横臂包括近端部和远端部(注：近端部是指相对靠近固定水平横臂的装置的端部，而远端部则是相对远离该固定水平横臂的装置的端部，所述固定水平横臂的装置如下文提到的基座)，所述多个水平横臂在各所述近端部和各所述远端部分别由各横臂旋转关节通过铰接依次首尾相接，且相邻的两个水平横臂相对于彼此能绕垂向轴线旋转。

在一个具体实施方案中，相邻的两个水平横臂中近侧水平横臂的远端部与远侧水平横臂的近端部由所述横臂旋转关节铰接(注：近侧是指相对靠近固定水平横臂的装置的一侧，而远侧则是相对远离该固定水平横臂的装置的一侧，所述固定水平横臂的装置如下文提到的基座)，且所述近侧水平横臂的远端部位于所述远侧水平横臂的近端部上方。

通过几个(优选两个)横臂旋转关节，从而减少联动定位装置的横向空间，以实现定位机械臂的多个关节在空间展开运动，且更加高效利用病床侧空间和定位机械臂工作空间。

在一个实施方案中，所述联动定位装置还可以包括竖臂和竖臂旋转关节，其中所述竖臂包括竖臂外筒和竖臂内筒，其中所述竖臂包括彼此能沿竖直方向相对移动的竖臂外筒和竖臂内筒，所述竖臂外筒和所述竖臂内筒中的一个通过竖臂旋转关节连接于多个水平横臂中最远侧水平横臂的远端部以相对于最远侧水平横臂的远端部绕垂向轴线旋转。为实现此相对移动，可以在竖臂内筒内设置驱动电机或马达，电机或马达的输出端固定连接有运动转换机构，运动转换机构的输出端与竖臂外筒固定连接，当电机或马达正常工作时，通过运动转换机构将电机或马达的旋转运动转化为直线运动，从而带动竖臂外筒做升降运动，以实现竖臂外筒和竖臂内筒之间的相对移动。

在一个实施方案中，所述联动定位装置还可以包括斜臂和斜臂旋转关节，其中所述斜臂的近端部通过斜臂旋转关节连接于所述竖臂，其中斜臂的近端部通过斜臂旋转关节连接于竖臂的远端部，且斜臂旋转关节的旋转轴线相对于垂向成角度。在一个具体实施方案中，所述斜臂旋转关节的旋转轴线与所述竖臂旋转关节的旋转轴线之间存在夹角，以使所述斜臂相对于竖臂偏摆运动。这样，通过多个(优选两个)横臂旋转关节和斜臂旋转关节，带动多个(优选两个)水平横臂在水平方向的旋转运动(即，绕垂向轴线旋转)，实现定位机械臂水平位置调整，通过竖臂实现定位机械臂的升降位置调整，通过斜臂旋转关节带动斜臂侧向旋转运动，实现定位机械臂的侧摆位置调整，通过多个关节实现定位机械臂的体外定位，以满足术前或术中的位置调整需求，从而便于手术工作的展开。

在一个实施方案中，所述横臂旋转关节、竖臂旋转关节、斜臂旋转关节中的每个旋转关节各包括驱动机构、减速器、传动皮带，传动皮带将驱动机构的输出轴的旋转传动至减速器的输入轴，减速器的输出轴设置成带动相应的水平横臂、竖臂或斜臂旋转。

在一个优选实施方案中，上述的每个旋转关节还包括：第一制动机构，所述第一制动机构与所述减速器输入轴同轴设置，所述第一制动机构设置成在断电状态下抱闸制动以锁紧所述减速器输入轴，在通电状态下松闸以解锁所述减速器输入轴。

在一个更优选的实施方案中，所述每个旋转关节还包括传动齿轮以及角度编码器或者电位计，其中所述传动齿轮与所述驱动机构的输出轴同轴固定连接，所述角度编码器或者电位计与所述传动齿轮啮合，用于记录和反馈各所述旋转关节的运动状态。

在本发明的上述实施方案中，减速器可采用本领域中常见的谐波减速器，驱动机构可以为电机或马达。

在一个实施方案中，所述多关节定位机械臂还包括远心俯仰机构，所述远心俯仰机构包括：第一活动臂，所述第一活动臂的近端通过第一活动关节与所述斜臂转动连接；第二活动臂，所述第二活动臂的近端通过第二活动关节与所述第一活动臂的远端转动连接，所述第二活动臂的远端具有用于连接器械夹持部的第三活动关节；三个减速轮，三个所述减速轮分别设置在第一至第三活动关节上，其中第一减速轮位于所述第一活动臂的近端，其输出轴带动所述第一活动关节的转动，第二减速轮位于所述第一活动臂的远端和第二活动臂的近端，其输出轴带动所述第二活动关节的转动，第三减速轮位于所述第二活动臂的远端，其输出轴带动所述第三活动关节的转动；两个第一传动带，两个所述第一传动带分别环绕在所述第一减速轮的输入轴和第二减速轮的输入轴以及所述第二减速轮的输入轴和第三减速轮的输入轴之间。由此，所述第一活动臂和所述第二活动臂通过两个所述第一传动带形成等同双平行四边形结构的RCM机构，从而实现安装在所述第二活动臂远端的所述器械夹持部的远心定点运动。

在一个优选实施方案中，所述远心俯仰机构还包括：电机，所述电机包括输出轴并且设置于所述斜臂内；传动轮，所述传动轮设置于所述斜臂内，所述传动轮与所述电机的输出轴同轴固定连接；第二传动带，所述第二传动带的一端环绕所述传动轮，所述第二传动带的另一端环绕位于所述第一活动臂近端的所述第一减速轮的输入端，以将所述电机的动力传输至所述第一减速轮的输入端；第二制动机构，所述第二制动机构在至少一个所述减速轮处同轴设置，所述第二制动机构在断电状态下抱闸制动以锁紧所述减速轮，在通电状态下松闸以解锁所述减速轮；和角度编码器或者电位计，所述角度编码器或者电位计设置在至少一个所述减速轮和/或所述传动轮上，用于记录和反馈承重远心运动机构的运动状态。

在本发明中，减速轮可以采用本领域公知的任何类型的减速轮，优选谐波减速器。

优选地，在所述第一活动臂和第二活动臂内均设有条状凹槽，且所述第一活动臂上的条状凹槽与所述第二活动臂上的条状凹槽位于不同的侧面上，所述第一传动带不接触地嵌入所述条状凹槽内。由此，一方面抠金设计可以降低远心俯仰机构的整体重量，另一方面也可以起到保护第一传动带的作用，同时外包壳体时也能有效减小活动臂的体积。更优选地，第一活动臂和第二活动臂均可以采用内设加强筋的壳体结构，这样可以在强度不变的情况下尽可能减重。

在另一个优选实施方案中，所述多关节定位机械臂还包括设置在所述远心俯仰机构上的器械夹持部，所述器械夹持部通过第三活动关节连接到第二活动臂的远端；优选地，在所述器械夹持部上安装有手术工具。

在一个具体实施方案中，器械夹持部可以包括线性模组，所述线性模组可以通过第三活动关节转动安装在第二活动臂的远端。在另一个具体实施方案中，在线性模组上可根据需要更换不同的手术工具，所述手术工具可线性移动安装于线性模组上。

在第二个方面，本发明提供了一种手术机器人系统，该手术机器人系统包括基座和至少一个本发明的多关节定位机械臂，其中所述多关节定位机械臂的最近侧的水平横臂通过横臂旋转关节旋转连接于所述基座，优选地，所述基座是手术台车。

在本发明的第二个方面的一个优选实施方案中，本发明的多关节定位机械臂包括具有多个旋转关节的联动定位装置、与该联动定位装置活动连接的远心俯仰机构以及设置于远心俯仰机构的远端上的器械夹持部。优选地，在所述器械夹持部上可安装用于各种手术的手术工具。

本发明的有益效果

本发明的机械臂利用两水平横臂，以折回的方式部分重叠布置，从而减小定位机械臂占用的横向空间，充分利用了手术室中水平方向上的空间，减小了手术台车对病床侧空间的占用，紧凑地利用了定位机械臂的内部空间，相比于在第一关节处采用长臂配合竖直旋转关节设计，同时在水平方向上设置两个旋转关节的设计使得定位机械臂的横臂在水平面内的摆动干涉减少，增大了其运动空间，提升了手术操作的灵活性。

本发明的定位机械臂设计能够很好地配合应用于多孔、单孔腔镜手术机器人系统，尤其适用于经自然腔道手术机器人系统从而用于手术空间相对受限的经自然腔道手术。具体来说，本发明的多关节定位机械臂不仅可以节省机器占用空间并由此增大机械臂的运动空间，并且还可以克服由手术术式本身所产生的手术操作空间限制(例如，部分经自然腔道手术所要求的膀胱截石体位)而引起的手术机器人操作灵活度不足的问题。

附图说明

图1是本发明的多关节定位机械臂的一个实施方案的整体结构示意图。

图2是图1中所示的旋转关节的部分结构示意图。

图3是图1中所示的远心俯仰机构的主视图。

图4是图1中所示的远心俯仰机构的后视图。

图5是图1中所示的远心俯仰机构的立体图。

图6是图1中所示的活动臂的部分结构示意图。

下面结合附图描述本发明的优选实施方案，本领域技术人员要理解的是下面结合附图所述的实施方案或实施例仅用于说明实现本发明的最佳实施方式，而非将本发明的范围限于这些实施方案。本发明可以在下述实施方案的基础上作出各种改进和变化。这些改进和变化都包括在本发明的范围之内。在本发明的附图所示的各个实施方案之间，相似附图标记指示相似部件。

具体实施方式

定义

远侧或远端：在本说明书中，如没有具体说明，则当提及“远侧或远端”时，该术语是指相对靠近被操作对象的一侧或相对远离固定水平横臂的装置(例如，基座)的一端。

近侧或近端：在本说明书中，如没有具体说明，则当提及“近侧或近端”时，该术语是指相对远离被操作对象的一侧或相对靠近固定水平横臂的装置(例如，基座)的一端。

前和后：在本说明书中，如前所述，当提及“前”和“后”时均是指相对方向，其中规定相对靠近被操作对象的一侧为前，相对远离被操作对象的一侧为后。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1示出了本发明的多关节定位机械臂的一个实施方案的整体结构示意图。在图1所示的多关节定位机械臂中，该多关节定位机械臂包括多关节组成的联动定位装置，所述联动定位装置包括多个水平横臂、多个横臂旋转关节、竖臂3和斜臂4。具体地，在该实施例中，该联动定位装置包括两个水平横臂和两个横臂旋转关节，即第一水平横臂1、第二水平横臂2、第一横臂旋转关节和第二横臂旋转关节。在本实施例中，第一横臂旋转关节和第二横臂旋转关节均绕垂向轴线旋转。

从图1中可见，第一水平横臂1的近端部通过第一横臂旋转关节旋转连接于基座(图中未示出)，以使第一水平横臂1可以相对于基座绕垂向轴线运动。第一水平横臂1的远端部通过第二横臂旋转关节旋转连接于第二水平横臂2的近端部，以使第二水平横臂2相对于第一水平横臂1相对于彼此能绕垂向轴线运动，且第一水平横臂1的远端部和第二水平横臂2的近端部重叠布置。具体地，在此实施例中，第一水平横臂1的远端部位于第二水平横臂2的近端部上方，第一水平横臂1和第二水平横臂2的旋转轴线沿竖直方向平行。通过这两个横臂旋转关节，从而减少联动定位装置的横向空间，以实现定位机械臂的多个关节在空间展开运动，且更加高效利用病床侧空间和定位机械臂工作空间。

如图1中所示，该多关节定位机械臂还包括竖臂3和竖臂旋转关节，其中竖臂3包括能沿竖直方向相对移动的竖臂外筒32和竖臂内筒31，竖臂内筒31通过竖臂旋转关节连接于第二水平横臂2的远端部下方。为实现上述的相对移动，竖臂内筒31内可以设有驱动电机或马达，电机或马达的输出端固定连接有运动转换机构，运动转换机构的输出端与竖臂外筒32固定连接。当电机或马达正常工作时，通过运动转换机构将电机或马达的旋转运动转化为直线运动，从而带动竖臂外筒32做升降运动，以实现竖臂外筒32和竖臂内筒31之间的相对移动。当然，也可以将竖臂外筒32通过竖臂旋转关节连接于第二水平横臂2的远端部下方，利用驱动电机或马达带动竖臂内筒31做升降运动从而实现竖臂外筒32和竖臂内筒31之间的相对运动。

该多关节定位机械臂还包括斜臂4和斜臂旋转关节。如图1中所示，斜臂4的近端通过斜臂旋转关节连接于竖臂外筒32，且斜臂旋转关节的旋转轴线与竖臂旋转关节的旋转轴线相对于垂向方向成角度。具体地，斜臂旋转关节的旋转轴线与竖臂旋转关节的旋转轴线之间存在一定的夹角，以使斜臂4相对于竖臂3偏摆运动，可以理解的是，斜臂旋转关节的旋转轴线相对于垂向的角度可以在0-90°之间均可，优选地，两者之间的夹角为45°。

通过第一横臂旋转关节、第二横臂旋转关节和竖臂旋转关节，带动第一水平横臂1、第二水平横臂2在水平方向的旋转运动，实现定位机械臂水平位置调整，通过竖臂3实现定位机械臂的升降位置调整，通过斜臂旋转关节带动斜臂4侧向旋转运动，实现定位机械臂的侧摆位置调整。通过多个关节实现定位机械臂的体外定位，以满足术前或术中的位置调整需求，从而便于手术工作的展开。

图2中显示了一个旋转关节的部分结构示意图。从图2中可见，各个旋转关节包括分别在与每个旋转关节相对应的水平横臂、斜臂和竖臂的臂体内固定地设置的驱动机构5、减速器6、传动皮带7、第一制动机构8、传动齿轮9和角度编码器10。其中传动皮带7将驱动机构5的输出轴的旋转传动至减速器6的输入轴，传动齿轮9与驱动机构5的输出轴同轴固定连接，传动齿轮9与角度编码器10上的齿轮啮合，驱动机构5输出的旋转运动通过传动齿轮9驱动角度编码器10，从而通过角度编码器10实时地监测驱动机构5的角位移信息。在此实施例中，驱动机构5可以是电机或马达。应理解，传动齿轮9还可以同轴固定设置在减速器的输入轴上，传动齿轮9和角度编码器10之间也可通过带轮实现同步运动。

在本发明中，减速器6可以是本领域中适用于下述功能的任何传动减速器类型。在本实施例中，优选地，减速器6为谐波减速器，减速器6的外壳被固定设置。减速器6包括输入端和输出端，其输出端和输入端可独立于减速器6的外壳旋转运动，减速器6的输入端固定连接有减速器6输入轴，减速器6输入轴通过传动皮带7与驱动机构5的输出轴关联，减速器6的输出端能带动相应的水平横臂、竖臂或斜臂旋转。第一制动机构8与减速器6输入轴同轴设置，且位于传动皮带7和减速器6的输入端之间。第一制动机构8在断电状态下抱闸制动以锁紧减速器6输入轴，在通电状态下松闸以解锁减速器6输入轴。第一制动机构8为抱闸，在通电情况下抱闸处于工作状态，即处于解锁状态，可以使驱动机构5的运动输入通过减速器6输入轴传递到减速器6，进而驱动对应臂体的运动，在断电情况下抱闸处于关闭状态，即对应臂体在不通电受控制的情况下处于锁紧状态，此时驱动机构5的运动输入无法传递到减速器6，对应臂体不可被移动，由此提高系统的安全性，避免意外移动造成伤害。驱动机构5的输出轴通过传动皮带7驱动减速器6传动轴运动，以形成减速器6输入端的高速旋转运动，减速器6输入端的高速旋转经过减速器6的传动，转化为减速器6输出端较低速但扭矩成比例增大的输出扭矩，使减速器6输出端相对于减速器6外壳产生相对转动，从而使对应臂体之间产生相对旋转运动，以此作为旋转关节。

本发明的多关节定位机械臂还可以包括远心俯仰机构。图3至图5分别显示了远心俯仰机构的主视图、后视图和立体图。从图3-5中可见，远心俯仰机构11包括：第一活动臂111，第一活动臂111的近端通过第一活动关节Ⅰ与斜臂4转动连接；第二活动臂112，第二活动臂112的近端通过第二活动关节II与第一活动臂111的远端转动连接，第二活动臂112的远端具有用于连接器械夹持部12的第三活动关节Ⅲ；分别设置在三个活动关节上的三个减速轮，其中第一减速轮114-1位于第一活动臂111的近端，其输出轴带动第一活动关节Ⅰ的转动，第二减速轮114-2位于第一活动臂111的远端和第二活动臂112的近端，其输出轴带动第二活动关节II的转动，第三减速轮114-3位于第二活动臂112的远端，其输出轴带动第三活动关节Ⅲ的转动；两个第一传动带113分别连接在第一减速轮114-1的输入轴和第二减速轮114-2的输入轴以及第二减速轮114-2的输入轴和第三减速轮114-3的输入轴之间。由此，第一活动臂111和第二活动臂112通过两个第一传动带113形成等同双平行四边形结构的RCM机构，从而实现安装在第二活动臂112远端的器械夹持部12的远心定点运动。

在本实施例的远心俯仰机构11中，三个减速轮均可以是谐波减速器，该谐波减速器具有一转动轴，谐波减速器的转动轴上同轴地安装有传动带轮，相邻两谐波减速器的转动轴通过传动带轮与第一传动带113连接。由此，当第一谐波减速器的转动轴在驱动力的驱动下而转动时，与其上传动带轮连接的第一传动带113获得同速运动，第一谐波减速器的转动轴以一定倍数输出第一活动关节Ⅰ的转动角速度，与此同时，第一谐波减速器通过第一传动带113带动第二谐波减速器的转动轴同速运动，第二谐波减速器的转动轴以一定倍数输出第二活动关节II的转动角速度，由于第二谐波减速器又通过另一第一传动带113与第三谐波减速器连接，第二谐波减速器又通过另一第一传动带113带动第三谐波减速器的转动轴同速运动，第三谐波减速器的转动轴以一定倍数输出第三活动关节Ⅲ的转动角速度，进而控制器械夹持部12绕第三活动关节Ⅲ的转动。

远心俯仰机构11还包括：传动轮116、第二制动机构118、第二传动带117、电机或马达115、角度编码器或者电位计119。电机115和传动轮116设置于斜臂4内，传动轮116与电机115的输出轴同轴固定连接，第二传动带117的一端环绕传动轮116，第二传动带117的另一端环绕位于第一活动臂111近端的第一减速轮114-1的输入端，以将电机115的动力传输至第一减速轮114-1的输入端，第二制动机构118在至少一个减速轮处同轴设置。第二制动机构118也是抱闸，其在断电状态下抱闸制动以锁紧减速轮，在通电状态下松闸以解锁减速轮。角度编码器或者电位计119在至少一个所述减速轮和/或所述传动轮上，用于记录和反馈承重远心运动机构的运动状态。在至少一个减速轮处同轴设置有第二制动机构118(该第二制动机构可以是抱闸，例如申请号为201811524271.1的发明专利公开的“一种止动抱闸机构”)，第二制动机构118在断电状态下抱闸制动以锁紧减速轮，在通电状态下松闸以解锁减速轮，由此进一步提高远心俯仰机构11的整体稳定性，以克服将刚性平行四边形替换成传动带后稳定性变差的问题。优选地，第一传动带113和第二传动带117包括各种传动链、柔性同步带或刚性同步带等。优选地，各第二制动机构118的通断和/或操作开关均设置在器械夹持部12上，当操作者需要通过手动调整承重远心俯仰机构11的姿态时，按下相应的通断和/或操作开关与之关联的各第二制动机构118通电松闸姿态可动，松开该通断和/或操作开关后制动机构断电抱闸姿态固定。

在本实施例中，远心俯仰机构11还包括器械夹持部12，器械夹持部12通过第三活动关节Ⅲ连接到第二活动臂112的远端。在一个具体的实施例中，器械夹持部12可以包括线性模组121和可线性移动安装于线性模组121的手术工具122(图3-5中未示出，参见图1)。线性模组121通过第三活动关节Ⅲ转动安装在第二活动臂112的远端，线性模组121上可根据需要更换不同的手术工具。

参见图6，在第一活动臂111和第二活动臂112上还可以均形成有条状凹槽，且第一活动臂111上的条状凹槽与第二活动臂112上的条状凹槽位于不同侧，第一传动带113不接触地嵌入该条状凹槽内。由此，一方面抠金设计可以降低远心俯仰机构11的整体重量，另一方面也可以起到保护第一传动带113的作用，同时外包壳体时也能有效减小活动臂的体积。更优选地，第一活动臂111和第二活动臂112均可以采用内设加强筋的壳体结构，这样可以在强度不变的情况下尽可能减重。

本发明的多关节定位机械臂还可以连接到基座组成具有多关节定位机械臂的手术机器人系统，其中该多关节定位机械臂的第一水平横臂1通过第一横臂旋转关节连接于该基座(参见图1)。在本发明中，基座可以是用于支撑本发明的多关节定位机械臂的任何可移动的或固定的装置，例如手术台车。优选地，如图1-6所示，该多关节定位机械臂包括具有多个关节的联动定位装置、与该联动定位装置活动连接的远心仰俯机构11以及设置在该远心仰俯机构11远端的器械夹持部12。

虽然已经举例说明和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明实质和范围的情况下可以做出多种其他改变和变型。因此，在随附的权利要求书中包括属于本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (10)

1.一种多关节定位机械臂，其特征在于，所述多关节定位机械臂包括联动定位装置；所述联动定位装置包括：多个水平横臂和多个横臂旋转关节，每个所述水平横臂包括近端部和远端部，所述多个水平横臂在各所述近端部和各所述远端部分别由各横臂旋转关节通过铰接依次首尾相接，且相邻的两个水平横臂相对于彼此能绕垂向轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的多关节定位机械臂，其特征在于，相邻的两个水平横臂中近侧水平横臂的远端部与远侧水平横臂的近端部由所述横臂旋转关节铰接，且所述近侧水平横臂的远端部位于所述远侧水平横臂的近端部上方。

3.根据权利要求1所述的多关节定位机械臂，其特征在于，所述联动定位装置还包括竖臂(3)和竖臂旋转关节，其中所述竖臂(3)包括彼此能沿竖直方向相对移动的竖臂外筒(32)和竖臂内筒(31)，所述竖臂外筒(32)和所述竖臂内筒(31)中的一个通过所述竖臂旋转关节连接于所述多个水平横臂中最远侧水平横臂的远端部以相对于所述最远侧水平横臂的远端部绕垂向轴线旋转。

4.根据权利要求3所述的多关节定位机械臂，其特征在于，所述联动定位装置还包括斜臂(4)和斜臂旋转关节，其中所述斜臂(4)的近端部通过斜臂旋转关节连接于所述竖臂(3)的远端部，且所述斜臂旋转关节的旋转轴线相对于垂向成角度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的多关节定位机械臂，其特征在于，所述横臂旋转关节、竖臂旋转关节、斜臂旋转关节中的每个旋转关节各包括驱动机构(5)、减速器(6)、以及传动皮带(7)，所述传动皮带(7)将所述驱动机构(5)的输出轴的旋转传动至所述减速器(6)的输入轴，所述减速器(6)的输出轴设置成带动相应的水平横臂、竖臂或斜臂旋转。

6.根据权利要求5所述的多关节定位机械臂，其特征在于，

每个所述旋转关节还包括：第一制动机构(8)，所述第一制动机构(8)与所述减速器输入轴同轴设置，所述第一制动机构(8)设置成在断电状态下抱闸制动以锁紧所述减速器输入轴，在通电状态下松闸以解锁所述减速器输入轴；

优选地，所述每个旋转关节还包括传动齿轮和角度编码器或者电位计，其中所述传动齿轮与所述驱动机构的输出轴同轴固定连接，所述角度编码器或者电位计与所述传动齿轮啮合，用于记录和反馈各所述旋转关节的运动状态。

7.根据权利要求4所述的多关节定位机械臂，其特征在于所述多关节定位机械臂还包括远心俯仰机构(11)，所述远心俯仰机构(11)包括：

第一活动臂(111)，所述第一活动臂(111)的近端通过第一活动关节(Ⅰ)与所述斜臂(4)转动连接；

第二活动臂(112)，所述第二活动臂(112)的近端通过第二活动关节(II)与所述第一活动臂(111)的远端转动连接，所述第二活动臂(112)的远端设有用于连接器械夹持部(12)的第三活动关节(Ⅲ)；

三个减速轮，三个所述减速轮分别设置在第一至第三活动关节上，其中第一减速轮(114-1)位于所述第一活动臂(111)的近端，其输出轴带动所述第一活动关节(Ⅰ)的转动，第二减速轮(114-2)位于所述第一活动臂(111)的远端和第二活动臂(112)的近端，其输出轴带动所述第二活动关节(II)的转动，第三减速轮(114-3)位于所述第二活动臂(112)的远端，其输出轴带动所述第三活动关节(Ⅲ)的转动；

两个第一传动带(113)，两个所述第一传动带(113)分别环绕在所述第一减速轮(114-1)的输入轴和第二减速轮(114-2)的输入轴以及所述第二减速轮(114-2)的输入轴和第三减速轮(114-3)的输入轴之间。

8.根据权利要求7所述的多关节定位机械臂，其特征在于，所述远心俯仰机构(11)还包括：

电机(115)，所述电机(115)包括输出轴并且设置于所述斜臂(4)内；

传动轮(116)，所述传动轮(116)设置于所述斜臂(4)内，所述传动轮(116)与所述电机(115)的输出轴同轴固定连接；

第二传动带(117)，所述第二传动带(117)的一端环绕所述传动轮(116)，所述第二传动带(117)的另一端环绕位于所述第一活动臂(111)近端的所述第一减速轮(114-1)的输入端，以将所述电机(115)的动力传输至所述第一减速轮(114-1)的输入端；

第二制动机构(118)，所述第二制动机构(118)在至少一个所述减速轮处同轴设置，所述第二制动机构(118)设置成在断电状态下抱闸制动以锁紧所述减速轮，在通电状态下松闸以解锁所述减速轮；和

角度编码器(119)或者电位计，所述角度编码器(119)或者电位计设置在至少一个所述减速轮和/或所述传动轮上，用于记录和反馈承重远心运动机构的运动状态。

9.根据权利要求7所述的多关节定位机械臂，其特征在于，在所述第一活动臂(111)和第二活动臂(112)内均设有条状凹槽，且所述第一活动臂(111)上的条状凹槽与所述第二活动臂(112)上的条状凹槽位于不同的侧面上，所述第一传动带(113)不接触地嵌入所述条状凹槽内。

10.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括基座和至少一个权利要求1-9中任一项所述的多关节定位机械臂，其中所述多关节定位机械臂的最近侧水平横臂(1)通过横臂旋转关节旋转连接于所述基座；

优选地，所述多关节定位机械臂包括联动定位装置、与所述联动定位装置活动连接的远心俯仰机构(11)以及设置于所述远心俯仰机构(11)的远端上的器械夹持部(12)；所述器械夹持部(12)上安装有手术工具。

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