CN114631961A - 一种多自由度医疗微创机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度医疗微创机器人，涉及医疗机器人技术领域。本发明包括手术床、滑轨、驱动机构和机械臂，滑轨环绕设置在手术床的周侧，机器臂与滑轨滑动连接；机器臂依次包括第一摆动关节、第一转动臂、第二摆动关节、第二转动臂以及末端带动医疗器械转动的自动转动关节；其中，第一转动臂与第一摆动关节转动连接，第一摆动关节的旋转轴线与第一转动臂旋转轴线相互垂直。本发明机械臂沿滑轨精确移动手术床到各个位置，机械臂占用空间小，方便对手术患者的头部、腹部、腿部、等各个位置进行手术，提高了该机械臂的使用范围。

Description

一种多自由度医疗微创机器人
技术领域
本发明属于医疗机器人技术领域，特别是涉及一种多自由度医疗微创机器人。
背景技术
机器人辅助外科手术使用机器人系统来辅助外科手术程序。开发机器人辅助外科手术以克服现存的微创外科手术程序的局限性，并且增强外科医生执行开放外科手术的能力。在机器人辅助微创外科手术的情况中，外科医生不是直接移动器械，而是通过直接远程操纵或通过计算机控制来控制器械。
但是，目前的持镜机器人体积较大，在手术室内占用空间较大，且机器人相对于手术床位置固定，对于手术患者手术位置较为单一，手术位置精确性有待提高，需进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多自由度医疗微创机器人，通过驱动机构带动机械臂移动到手术床的各个位置，机械臂控制医疗器械多个自由度运动，解决了现有医疗机器人手术位置单一，手术精确度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种多自由度医疗微创机器人，包括手术床、滑轨，所述滑轨环绕设置在所述手术床的周侧，且所述滑轨与手术床固定连接；机器臂，所述机器臂与所述滑轨滑动连接；用于带动所述机器臂沿所述滑轨运动的驱动机构；所述机器臂依次包括：第一摆动关节、第一转动臂、第二摆动关节、第二转动臂以及末端带动医疗器械转动的自动转动关节；其中，所述第一转动臂与所述第一摆动关节转动连接，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转动臂旋转轴线相互垂直；其中，所述第二摆动关节与第二转动臂转动连接，所述第二摆动关节旋转轴线与所述第二转动臂旋转轴线相互垂直；其中，所述第一转动臂旋转轴线与所述第二转动臂旋转轴线相互平行。
作为本发明的一种优选技术方案，所述滑轨由一对平行设置的直轨道以及两端半圆形的弯轨道组成，所述轨道直轨道与所述弯轨道焊接；且所述滑轨通过连接件与所述手术床固定连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述驱动机构包括滑座，所述机械臂固定连接在所述滑座上，所述滑座上转动连接有一对限位轮，两所述限位轮分别设于所述滑轨两侧；驱动电机，所述驱动电机固定连接在所述滑座上，所述驱动电机上固定连接有齿轮；所述滑轨上沿其长度方向固定连接有齿条，所述齿轮与所述齿条啮合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述机械臂还包括自转基座，所述自转基座底部转动连接有安装座；其中，所述第一摆动关节转动连接在所述自转基座侧面，所述第一摆动关节转动轴线与所述自转基座转动轴线相互垂直。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一转动臂包括位于两端的第一自转部和第二自转部；所述第二转动臂包括位于两端的第三自转部和第四自转部。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第二转动臂通过一过渡关节与所述第二摆动关节连接，所述过渡关节为夹角90°的L型结构。
作为本发明的一种优选技术方案，所述自动转动关节的数量设有三个，且三个所述自动转动关节转动轴线均相互垂直。
作为本发明的一种优选技术方案，所述机械臂还包括控制模块以及与所述控制模块通信连接的驱动模块；图像采集模块，所述图像采集模块用于采集患者手术部位的高清图像；位置调节模块，所述位置调节模块包括位置传感器，所述位置传感器用于获取所述机械臂运动状态，并将运动状态输送至驱动模块；且所述位置传感器与所述控制模块通信连接；所述位置传感器检测所述驱动模块的电流以获取所述驱动模块输出的力矩信息；所述控制模块根据机械臂动力学模型获取各个关节的理论关节力矩，并根据所述驱动模块输出的力矩信息以及预设的力矩阈值，确定所述冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开一障碍物。
作为本发明的一种优选技术方案，所述驱动模块包括设于内腔内的电机、传动轮和输出轮，所述电机通过减速机构与所述输出轮连接，且所述电机通过所述输出轮驱动所述传动轮转动，以驱动所述机器臂运动；所述医疗器械包括夹持件和器具。
作为本发明的一种优选技术方案，所述图像采集模块包括一高清摄像头，所述高清摄像头通过一转动罩连接在所述自动转动关节上。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在手术床的周侧环绕有滑轨，驱动机构可带动机械臂沿滑轨精确移动到各个位置，机械臂占用空间小，方便对手术患者的头部、腹部、腿部、等各个位置进行手术，提高了该机械臂的使用范围。
2、本发明机械臂通过设有控制模块、驱动模块、位置调节模块，位置传感器能够感应机械臂各个关节运动姿态和受力信息，进而控制模块根据位置传感器反馈回的外部作用力信息，确定受力最大的关节并作为冗余调整关节，同时控制驱动模块驱动冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开障碍物。
3、本发明所述第一转动臂包括位于两端的第一自转部和第二自转部；所述第二转动臂包括位于两端的第三自转部和第四自转部，使得该机械臂最多可完成十个自由度运动，便于机械臂更加灵活的调节运动。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的正视示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为滑轨的结构示意图。
图4为驱动机构的结构示意图。
图5为实施例一中机械臂的结构示意图。
图6为实施二中机械臂的结构示意图。
图7为实施例三中机械臂的结构示意图。
图8为图7的俯视示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
100-手术床，200-滑轨，201-齿条，202-连接件，203-直轨道，204-弯轨道，300-驱动机构，301-滑座，302-限位轮，303-驱动电机，304-齿轮，400-机器臂，401-第一转动臂，4011-第一自转部，4012-第二自转部，402-第二转动臂，4021-第三自转部，4022-第四自转部，403-第一摆动关节，404-第二摆动关节，405-自转基座，406-安装座，407-过渡关节，408-自动转动关节，409-高清摄像头，410-医疗器械，411-转动罩。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种多自由度医疗微创机器人，包括手术床100、滑轨200、机器臂400和带动机器臂400沿滑轨200运动的驱动机构300，手术床100带有升降功能，滑轨200环绕设置在手术床100的周侧，且滑轨200与手术床100固定连接，机器臂400与滑轨200滑动连接，驱动机构300带动机械臂400沿滑轨203方向移动，可移动至手术床100的任意位置，方便对患者头部、腹部、腿部或各个腔道进行手术。
请参阅图3-4所示，滑轨200由一对平行设置的直轨道203以及两端半圆形的弯轨道204组成，轨道直轨道203与弯轨道204焊接；且滑轨200通过连接件202与手术床100固定连接，连接件200两端设有安装板，安装板通过螺栓分别与手术床100、滑轨200侧面固定连接；驱动机构300包括滑座301，滑座301呈倒L型结构，机械臂400通过螺栓固定连接在滑座301上，滑座301上转动连接有一对限位轮302，两限位轮302分别设于滑轨200上下两侧，限位轮302保证了驱动机构300滑动的稳定性；驱动机构300还包括驱动电机303，驱动电机303固定连接在滑座301上，驱动电机303上固定连接有齿轮304，滑轨200上沿其长度方向固定连接有齿条201，齿条201设于滑轨200下方，齿轮304与齿条201啮合，驱动机构303通过齿轮304和齿条201啮合传动，从而带动机械臂400移动。
实施例一、
请参阅图5所示，机器臂400包括自转基座405，第一摆动关节403、第一转动臂401、第二摆动关节404、第二转动臂402以及末端带动医疗器械410转动的自动转动关节408，医疗器械410包括夹持件和器具；自转基座405底部转动连接有安装座406，安装座406通过螺栓与滑座301固定连接，第一摆动关节403转动连接在自转基座405侧面，第一摆动关节403转动轴线与自转基座405转动轴线相互垂直；第一转动臂401与第一摆动关节403转动连接，第一摆动关节403的旋转轴线与第一转动臂401旋转轴线相互垂直；第二摆动关节404与第一转动臂401转动连接，第二转动臂402通过一过渡关节407与第二摆动关节404连接，过渡关节407为夹角90°的L型曲状结构，第二摆动关节404旋转轴线与第二转动臂402旋转轴线相互垂直；第一转动臂401旋转轴线与第二转动臂402旋转轴线相互平行，其中第一转动臂401设于第二转动臂402的左侧，二者所在平面相互平行。该机械臂能够完成6个自由度的运动，在控制医疗器械410运动时，6个关节之间相互配合。
实施例二、
基于上述实施一所述的机械臂结构，区别在于，本实施例中自动转动关节408的数量设有三个，且三个自动转动关节408转动轴线均相互垂直，第三个自动转动关节408和第一自动转动关节408的转动轴线相互平行，医疗器械410固定连接在末端的自动转动关节408，相对于实施例一，该实施例二增加了2个自由度，进一步提高了机械臂的灵活性。
实施例三、
基于上述实施二所述的机械臂结构，第一转动臂401包括位于两端的第一自转部4011和第二自转部4012；第二转动臂402包括位于两端的第三自转部4021和第四自转部4022，第一转动臂401和第二转动臂402上均在增加了1个自由度，使其均可自动完成转动，该机械臂的能够完成10个自由度的运动。
实施例四
基于上述实施一或实施例二或实施三所述的机械臂结构，该机械臂400还包括控制模块以及与控制模块通信连接的驱动模块，其中自转基座405，第一摆动关节403、第一转动臂401、第二摆动关节404、第二转动臂402和自动转动关节408内均安装了驱动模块，驱动模块分别驱动不同关节各自独立运动，使得该机械臂最多可获得10个自由度的运动位置，驱动模块包括设于内腔内的电机、传动轮和输出轮，电机通过减速机构与输出轮连接，电机为伺服电机，且电机通过输出轮驱动传动轮转动，以驱动机器臂400各个关节运动；还机械臂400还包括图像采集模块，图像采集模块用于采集患者手术部位的高清图像，图像采集模块包括一高清摄像头409，高清摄像头409通过一转动罩411连接在自动转动关节408上，高清摄像头409相对于医疗器械410位置可以转动，以方便精确拍摄对患者手术位置；机械臂400还位置调节模块，位置调节模块包括位置传感器，位置传感器用于获取机械臂400运动状态，并将运动状态输送至驱动模块；且位置传感器与控制模块通信连接；位置传感器检测驱动模块的电流以获取驱动模块输出的力矩信息；控制模块根据位置传感器所获取的各个关节位置，利用机械臂正运动学模型获得医疗器械末端的位置，作为不动点(记为FP)的位置，手术过程中通过机械臂运动学模型控制医疗器械围绕不动点运动，控制模块根据机械臂动力学模型获取各个关节的理论关节力矩，并根据驱动模块输出的力矩信息以及预设的力矩阈值，确定冗余调整关节，并控制驱动模块驱动冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开一障碍物。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。

Claims (10)

1.一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于：包括
手术床(100)；
滑轨(200)，所述滑轨(200)环绕设置在所述手术床(100)的周侧，且所述滑轨(200)与手术床(100)固定连接；
机器臂(400)，所述机器臂(400)与所述滑轨(200)滑动连接；
用于带动所述机器臂(400)沿所述滑轨(200)运动的驱动机构(300)；
所述机器臂(400)依次包括：
第一摆动关节(403)、第一转动臂(401)、第二摆动关节(404)、第二转动臂(402)以及末端带动医疗器械(410)转动的自动转动关节(408)；
其中，所述第一转动臂(401)与所述第一摆动关节(403)转动连接，所述第一摆动关节(403)的旋转轴线与所述第一转动臂(401)旋转轴线相互垂直；
其中，所述第二摆动关节(404)与第二转动臂(402)转动连接，所述第二摆动关节(404)旋转轴线与所述第二转动臂(402)旋转轴线相互垂直；
其中，所述第一转动臂(401)旋转轴线与所述第二转动臂(402)旋转轴线相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述滑轨(200)由一对平行设置的直轨道(203)以及两端半圆形的弯轨道(204)组成，所述轨道直轨道(203)与所述弯轨道(204)焊接；
且所述滑轨(200)通过连接件(202)与所述手术床(100)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述驱动机构(300)包括
滑座(301)，所述机械臂(400)固定连接在所述滑座(301)上，所述滑座(301)上转动连接有一对限位轮(302)，两所述限位轮(302)分别设于所述滑轨(200)两侧；
驱动电机(303)，所述驱动电机(303)固定连接在所述滑座(301)上，所述驱动电机(303)上固定连接有齿轮(304)；
所述滑轨(200)上沿其长度方向固定连接有齿条(201)，所述齿轮(304)与所述齿条(201)啮合。
4.根据权利要求1或3所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述机械臂(400)还包括
自转基座(405)，所述自转基座(405)底部转动连接有安装座(406)；
其中，所述第一摆动关节(403)转动连接在所述自转基座(405)侧面，所述第一摆动关节(403)转动轴线与所述自转基座(405)转动轴线相互垂直。
5.根据权利要求4所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，
所述第一转动臂(401)包括位于两端的第一自转部(4011)和第二自转部(4012)；
所述第二转动臂(402)包括位于两端的第三自转部(4021)和第四自转部(4022)。
6.根据权利要求1或5所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述第二转动臂(402)通过一过渡关节(407)与所述第二摆动关节(404)连接，所述过渡关节(407)为夹角90°的L型结构。
7.根据权利要求6所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述自动转动关节(408)的数量设有三个，且三个所述自动转动关节(408)转动轴线均相互垂直。
8.根据权利要求7所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述机械臂(400)还包括
控制模块以及与所述控制模块通信连接的驱动模块；
图像采集模块，所述图像采集模块用于采集患者手术部位的高清图像；
位置调节模块，所述位置调节模块包括
位置传感器，所述位置传感器用于获取所述机械臂(400)运动状态，并将运动状态输送至驱动模块；且所述位置传感器与所述控制模块通信连接；所述位置传感器检测所述驱动模块的电流以获取所述驱动模块输出的力矩信息；
所述控制模块根据机械臂动力学模型获取各个关节的理论关节力矩，并根据所述驱动模块输出的力矩信息以及预设的力矩阈值，确定所述冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开一障碍物。
9.根据权利要求8所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，
所述驱动模块包括设于内腔内的电机、传动轮和输出轮，所述电机通过减速机构与所述输出轮连接，且所述电机通过所述输出轮驱动所述传动轮转动，以驱动所述机器臂(400)运动；
所述医疗器械(410)包括夹持件和器具。
10.根据权利要求9所述的一种多自由度医疗微创机器人，其特征在于，所述图像采集模块包括一高清摄像头(409)，所述高清摄像头(409)通过一转动罩(411)连接在所述自动转动关节(408)上。
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