CN114010326A - 操作臂、从操作设备和手术机器人 - Google Patents

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CN114010326A CN202111358311.1A CN202111358311A CN114010326A CN 114010326 A CN114010326 A CN 114010326A CN 202111358311 A CN202111358311 A CN 202111358311A CN 114010326 A CN114010326 A CN 114010326A
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Abstract

本申请公开了一种操作臂，包括：器械承载臂，与手术器械连接；基座连杆，包括与调整臂连接的安装基座以及连接所述安装基座的联动基座，所述安装基座具有穿过远程操纵中心RC点的旋风轴线，所述联动基座具有穿过所述RC点的偏转轴线；平行四边形机构，与所述联动基座以及所述器械承载臂连接，并被配置使所述手术器械围绕所述RC点运动，所述平行四边形机构包括与所述联动基座连接的第一关节，所述第一关节偏离所述偏转轴线和所述旋风轴线。本申请还公开了一种从操作设备和手术机器人。本申请可以避免从操作设备的操作臂在围绕偏转轴线旋转时触碰到患者，从而提高手术机器人系统的安全性。

Description

操作臂、从操作设备和手术机器人
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种操作臂、从操作设备和手术机器人。
背景技术
微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。
随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。
但现有技术中，从操作设备的操作臂在围绕偏转轴线旋转时，存在触碰到患者的风险。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种操作臂、从操作设备和手术机器人，旨在避免从操作设备的操作臂在围绕偏转轴线旋转时触碰到患者，从而提高手术机器人系统的安全性。
为实现上述目的，本申请提供一种操作臂，所述操作臂包括：
器械承载臂，与手术器械连接；
基座连杆，包括与调整臂连接的安装基座以及连接所述安装基座的联动基座，所述安装基座具有穿过远程操纵中心RC点的旋风轴线，所述联动基座具有穿过所述RC点的偏转轴线；
平行四边形机构，与所述联动基座以及所述器械承载臂连接，并被配置使所述手术器械围绕所述RC点运动，所述平行四边形机构包括与所述联动基座连接的第一关节，所述第一关节偏离所述偏转轴线和所述旋风轴线。
可选地，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述第一边和所述偏转轴线形成角度大于零的夹角α。
可选地，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述平行四边形的第一边与所述旋风轴线形成角度大于零的夹角β。
可选地，所述平行四边形机构可操作地围绕俯仰轴线运动，所述俯仰轴线垂直于所述平行四边形机构所在平面；
所述俯仰轴线不与所述偏转轴线重合且与所述偏转轴线相交于所述RC点。
可选地，所述俯仰轴线垂直于所述偏转轴线。
可选地，所述俯仰轴线垂直于所述旋风轴线。
可选地，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述第一边和所述偏转轴线形成角度大于零的夹角α，所述平行四边形的第一边与所述旋风轴线形成角度大于零的夹角β，所述夹角α和夹角β为同面夹角。
可选地，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述第一边和所述偏转轴线形成角度大于零的夹角α，所述平行四边形的第一边与所述旋风轴线形成角度大于零的夹角β，所述夹角α和夹角β为异面夹角。
可选地，所述安装基座包括与所述调整臂连接的并具有可围绕所述旋风轴线旋转的旋风关节；所述联动基座包括与所述安装连杆连接的并具有可围绕所述偏转轴线旋转的偏转关节，以及与所述偏转关节连接的联动连杆，所述联动连杆与所述平行四边形机构连接。
可选地，所述安装基座还包括连接所述旋风关节和偏转关节的安装连杆，所述安装连杆用于在围绕所述旋风轴线旋转时，带动所述联动基座旋转。
为实现上述目的，本申请还提供一种从操作设备，包括定向平台，所述从操作设备包括基座、安装在所述基座上的定向平台以及与所述定向平台连接的机械臂，所述机械臂包括与所述定向平台连接的调整臂、与所述调整臂连接的如上所述的操作臂，以及安装于所述操作臂上的手术器械。
为实现上述目的，本申请还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括主操作台以及如上所述的从操作设备，所述主操作台用于控制所述从操作设备
本申请提供的操作臂、从操作设备和手术机器，通过设置穿过RC点的旋转轴线和偏转轴线，使平行四边形的第一关节偏离所述偏转轴线和所述旋风轴线。如此，可以避免从操作设备的操作臂在围绕偏转轴线旋转时触碰到患者，从而提高手术机器人系统的安全性。
附图说明
图1为本申请手术机器人一实施例的结构示意图；
图2为图1中主操作台一实施例的结构示意图；
图3为图1中电子设备推车一实施例的结构示意图；
图4为图1的框架结构示意图；
图5为图1中从操作设备一实施例的结构示意图；
图6为图1中从操作设备又一实施例的结构示意图；
图7为本申请操作臂一实施例的结构示意图；
图8为图5中手术器械一实施例的结构示意图；
图9为本申请机械臂一实施例的简化结构示意图；
图10为本申请操作臂在手术过程中一实施例的结构示意图；
图11为本申请第一关节偏离偏转轴线和第一关节未偏离偏转轴线的对比示意图；
图12为图11在一视角下的简化示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1所示，手术机器人1000可以用于对平躺在手术台上的患者执行微创诊断或手术程序。所述手术机器人1000包括主操作台100及从操作设备200，主操作台100用于根据医生的操作向从操作设备200发送控制命令，以控制从操作设备200；从操作设备200用于响应主操作台100发送的控制命令，并进行相应的手术操作。所述手术机器人可以进一步包括与所述主操作台100电连接的电子设备推车300。外科医生可以通过主操作台100查看手术部位，从操作设备200可以通过在患者身上的微创切口操纵至少一个可移除地相连的手术器械(图中未示出)。手术部位的图像可以通过诸如立体内窥镜的内窥镜(图中未示出)获得，内窥镜可以由从操作设备200操纵以对内窥镜定向。电子设备推车300可以用来显示手术部位的图像，以显示给医生助手。
图2为外科医生的主操作台100的示意图。外科医生的主操作台100包括左眼显示器和右眼显示器(图中未示出)，用于将能够深度感知手术部位的立体图呈现给外科医生。主操作台100进一步包括一个或多个输入控制设备(图中未示出)，医生通过操作输入控制设备，而使从操作设备100同步操纵一个或多个手术器械。输入控制设备可以提供与其关联的手术器械相同的自由度，从而给外科医生提供远程呈现，或者提供输入控制设备与手术器械成为一体的感知，使得外科医生具有直接控制手术器械的强烈感觉。
图3为电子设备推车300的示意图。电子设备推车300可以与内窥镜相连，并且可以包括用于处理捕获的图像的处理器，捕获的图像用于在外科医生的控制台上或在位于本地和/或远程的另一台合适的显示器上显示给外科医生。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子设备推车300上的图像主机可以处理捕获的图像，以将手术部位的协调的立体图像呈现给外科医生。此类协调可以包括在相对的图像之间的对齐，并且可以包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一个示例，图像处理可以包括使用预先确定的相机校准参数，以补偿图像捕获设备的成像误差，诸如光学像差。
如图4所示，外科医生的主操作台100可以由外科医生使用，以在微创手术期间控制从操作设备200。从操作设备200可以使用诸如立体内窥镜的成像设备，来捕获手术部位的图像并且将捕获的图像输出到主操作台100和电子设备推车300。如上所讨论的，在任何随后的显示之前，电子设备推车300能够以各种方式处理捕获的图像。例如，在经由外科医生的主操作台100将组合图像显示给外科医生之前，电子设备推车300可以用虚拟控制界面覆盖捕获的图像。从操作设备200可以输出捕获的图像，以便在电子设备推车300外部进行处理。例如，从操作设备200可以将捕获的图像输出到处理器500，其中处理器500可以用于处理捕获的图像。该图像也可以通过电子设备推车300和处理器500的组合来处理，电子设备推车300和处理器500可以相连在一起，以便共同、相继和/或结合处理捕获的图像。一个或多个单独的显示器600也可以与处理器500和/或电子设备推车300相连，用于本地和/或远程显示图像，诸如手术部位的图像或其他相关图像。可以理解的是，所述处理器可以包括所述主控制台100的处理器、从操作设备200的处理器以及所述电子设备推车300上的图像主机(图中未示出)的处理器。为便于简化理解，此处仅一个处理器进行标识。
如图5所示，所述从操作设备200提供对三个手术器械700和成像设备800的操纵，成像设备800诸如用于捕获手术部位图像的立体内窥镜。成像设备800和手术器械700可以通过在患者身上的切口设置和操纵，从而使得运动学RC点(RemoteCenterofManipulation,远程操纵中心)维持在切口处，以使切口的尺寸最小化。当手术器械700的远端被设置在成像设备800的视野内时，手术部位的图像可以包括手术器械700的远端的图像。
如图6所示，所述从操作设备200包括基座20、安装在所述基座20上的定向平台30以及与所述定向平台30连接的机械臂40。其中，所述基座20可以进一步包括座体21、设于所述座体21上的立柱22和与所述立柱22连接的悬挂臂23，所述定向平台30与所述悬挂臂23连接。所述机械臂40包括与所述定向平台30连接的调整臂50、与所述调整臂50连接的操作臂60以及安装于所述操作臂上的手术器械(图中未示出)。所述手术器械可以是用于执行手术操作的电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪割器等，也可以是获取影像的相机或者其他外科器械，多个手术器械从不同的切口插入患者身体。
如图7所示，所述操作臂60包括与所述调整臂50连接的基座连杆61，与所述基座连杆61连接的平行四边形机构62以及器械承载臂63，所述器械承载臂63用于支撑所述手术器械700。
所述基座连杆61包括与所述调整臂50连接的安装基座68以及与所述安装基座68连接的联动基座69，所述安装基座68进一步包括与所述调整臂50连接、并具有可以围绕旋风轴线610旋转的旋风关节681，以及与所述旋风关节681连接的安装连杆682。所述联动基座69进一步包括与所述安装连杆682连接的具有可以围绕偏转轴线620旋转的偏转关节691以及与所述偏转关节691连接的联动连杆692。可以理解的是，在其他实施例中，也可以不设置所述安装连杆682。
所述器械承载臂63具有插入轴线630，以使所述手术器械700可以沿着所述插入轴线30移动，从而控制所述手术器械700伸入患者体内的深度。如图8所示，所述手术器械700具有长轴720以及位于所述长轴720末端的终端执行器730，所述长轴720在靠近所述终端执行器730的一侧设置有RC点(Remote Center，远程中心)，也可以称为：器械不动点11，此RC点或器械不动点11与所述手术机器人1000的RC点重合。所述操作臂60在运动过程中，所述手术器械700可以围绕所述RC点摆动，从而可以避免手术机器人1000在手术过程中对患者造成损伤。其中，所述定向平台30具有一坐标系F0，如F0(a，b，c)，所述RC点相对于所述定向平台30的坐标系F0的坐标保持不变。
如图7所示，平行四边形机构62进一步包括通过第一关节67与所述联动连杆692连接的第一连杆65以及与所述第一连杆连接的第二连杆66，所述第一关节67与所述RC点构成平行四边形的第一边650(如图9所示)。所述第一连杆65、第二连杆66以及器械承载臂63位于相邻的平面上。如此设置可以在所述操作臂600收拢时节省空间。
如图9所示，所述偏转轴线620、所述插入轴线630以及所述旋风轴线610均穿过所述RC点，所述操作臂600还包括过所述RC点的俯仰轴线640，所述平行四边形机构62可以围绕所述俯仰轴线640进行俯仰动作。所述平行四边形机构62进一步包括与所述第一边650依次连接的第二边(图中未示出)、第三边(图中未示出)以及第四边(图中未示出)，其中，所述第一边650的延长线过所述RC点，所述第二边与所述第一连杆65基本重合，所述第三边与所述第二连杆66基本重合，所述第四边与所述器械承载臂63基本重合。
可以理解的是，当所述平行四边形机构62围绕所述偏转轴线620旋转时，所述俯仰轴线640垂直于所述平行四边形机构所在平面；当所述平行四边形机构62围绕所述旋风轴线680旋转时，所述俯仰轴线640垂直于所述平行四边形机构所在平面。所述俯仰轴线640不与所述旋风轴线610或所述偏转轴线620任一重合。另外，所述俯仰轴线640可以垂直于所述旋风轴线68，所述俯仰轴线640还可以垂直于所述偏转轴线620。也即，图9所示的俯仰轴线640为所述操作臂旋转之前的初始位置，当所述操作臂旋转时，所述俯仰轴线640会跟随变化，但始终穿过所述RC点。
所述平行四边形机构62围绕所述俯仰轴线640进行俯仰的角度范围可以为[-30°,160°]，还可以为[-30°,150°]，又可以为[-20°,140°]，又可以为[-15°,140°]，又可以为[-10°,135°]等，具体数值可以根据实际需要进行合理设置。当然，上述具体范围值仅用于帮助理解本申请方案，并不起限定作用。也即，最小角度以及最大角度可以根据实际需要再进行调整。
所述平行四边形第二边相对所述平行四边形第三边旋转角度范围为:[-30°,160°]，还可以为[-25°,150°]，又可以为[-20°,140°]，又可以为[-15°,140°]，又可以为[-10°,135°]等，所述平行四边形第四边相对所述平行四边形第三边旋转角度范围为:[-30°,160°]，还可以为[-30°,150°]，又可以为[-20°,140°]，又可以为[-15°,135°]，又可以为[-10°,135°]等。
所述俯仰轴线640与所述偏转轴线620之间的夹角角度可以为90°，如此设置既有利于手术机器人100的加工，也有利于所述手术机器人100的系统控制计算。当然，其他实施例中，所述俯仰轴线640与所述偏转轴线620之间的夹角角度也可以为接近90°的角度，例如，可以偏差1～10°等，具体可以根据实际需要合理进行设置。
如图9所示，所述第一边650和所述偏转轴线620形成角度大于零的夹角α，第一边650与所述旋风轴线610形成角度大于零的夹角β。所述夹角α和所述夹角β相等或不等。所述夹角α和所述夹角β可以异面或共面。
由于所述夹角α和所述夹角β的存在，所述第一关节67偏离所述偏转轴线620，同时也偏离所述旋风轴线610。也即，所述第一关节67不位于所述偏转轴线620和所述旋风轴线610上。
如图10所示，患者位于所述操作臂60下方，且低于所述第一关节67的外侧边缘参考点O点。手术过程中，所述平行四边形机构62围绕所述偏转轴线620摆动，O点也会绕所述偏转轴线620旋转，在旋转到某些范围内时，所述O点会低于所述O点的初始位置，此时所述O点离患者更接近，从而可能压迫到患者。由于患者在最初摆位时的参考点为O点，故本申请关注的是O点在绕偏转轴线620旋转时所到达的最低点，距离所述O点的初始位置的下降量。如果所述最低点距离所述O点的初始位置的下降量小，则可以更有效的避免机械臂触碰到患者。本申请通过设置所述夹角α，使所述第一关节67偏离所述偏转轴线620，可以避免手术过程中所述操作臂60在围绕所述偏转轴线620摆动时，碰撞到患者。具体原理如下：
如图11和图12所示，左侧图为所述第一关节67偏离所述偏转轴线620的情形，右侧图为所述第一关节67未偏离所述偏转轴线620也即在所述偏转轴线620上的情形。其中，p1点和p2点均为所述偏转轴线620，并垂直于纸面；O1点和O2点均为所述第一关节67外侧边缘参考点(O2点的位置相对高于O1点的位置)；M1点为所述O1点围绕所述p1点旋转所到达的最低点；M2点为所述O2点围绕所述p2点旋转所到达的最低点。
所述M1点相对所述O1点的下降量为q1，所述M2点相对所述O2点的下降量为q2。经过计算得出，q1＜q2。也即，本申请通过设置所述夹角α，可以使得最低点距离所述O点的初始位置的下降量较小。因此，可以避免手术过程中，所述操作臂60压迫到患者。

Claims (12)

1.一种操作臂，其特征在于，所述操作臂包括：
器械承载臂，与手术器械连接；
基座连杆，包括与调整臂连接的安装基座以及连接所述安装基座的联动基座，所述安装基座具有穿过远程操纵中心RC点的旋风轴线，所述联动基座具有穿过所述RC点的偏转轴线；
平行四边形机构，与所述联动基座以及所述器械承载臂连接，并被配置使所述手术器械围绕所述RC点运动，所述平行四边形机构包括与所述联动基座连接的第一关节，所述第一关节偏离所述偏转轴线和所述旋风轴线。
2.如权利要求1所述的操作臂，其特征在于，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述第一边和所述偏转轴线形成角度大于零的夹角α。
3.如权利要求1所述的操作臂，其特征在于，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述平行四边形的第一边与所述旋风轴线形成角度大于零的夹角β。
4.如权利要求1所述的操作臂，其特征在于，所述平行四边形机构可操作地围绕俯仰轴线运动，所述俯仰轴线垂直于所述平行四边形机构所在平面；
所述俯仰轴线不与所述偏转轴线重合且与所述偏转轴线相交于所述RC点。
5.如权利要求4所述的操作臂，其特征在于，所述俯仰轴线垂直于所述偏转轴线。
6.如权利要求4所述的操作臂，其特征在于，所述俯仰轴线垂直于所述旋风轴线。
7.如权利要求1所述的操作臂，其特征在于，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述第一边和所述偏转轴线形成角度大于零的夹角α，所述平行四边形的第一边与所述旋风轴线形成角度大于零的夹角β，所述夹角α和夹角β为同面夹角。
8.如权利要求1所述的操作臂，其特征在于，所述平行四边形机构被配置为平行四边形，所述平行四边形的第一边的延长线穿过所述RC点，所述第一边和所述偏转轴线形成角度大于零的夹角α，所述平行四边形的第一边与所述旋风轴线形成角度大于零的夹角β，所述夹角α和夹角β为异面夹角。
9.如权利要求1所述的操作臂，其特征在于，所述安装基座包括与所述调整臂连接的并具有可围绕所述旋风轴线旋转的旋风关节；所述联动基座包括与所述安装连杆连接的并具有可围绕所述偏转轴线旋转的偏转关节，以及与所述偏转关节连接的联动连杆，所述联动连杆与所述平行四边形机构连接。
10.如权利要求9所述的操作臂，其特征在于，所述安装基座还包括连接所述旋风关节和偏转关节的安装连杆，所述安装连杆用于在围绕所述旋风轴线旋转时，带动所述联动基座旋转。
11.一种从操作设备，包括定向平台，其特征在于，所述从操作设备包括基座、安装在所述基座上的定向平台以及与所述定向平台连接的机械臂，所述机械臂包括与所述定向平台连接的调整臂、与所述调整臂连接的如权利要求1-10所述的操作臂，以及安装于所述操作臂上的手术器械。
12.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括主操作台以及如权利要求11所述的从操作设备，所述主操作台用于控制所述从操作设备。
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