CN114931439B - 手术机器人及保持位姿形态的主手机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种保持位姿形态的主手机械臂，医生操控主手工具将手术操作由机械臂传递至手术端，臂关节采用传动齿轮副的方式进行角度和位移传动，对不同承载要求的臂关节采用关节模组和传动齿轮副组合的方式，使得后端连杆中各上游连杆和下游连杆的安装结构可更紧凑，占用空间更小，重量轻，能够在断电情况保持于操控位置，保持断电时的位姿形态，对于手术操控控制更为稳定，能够在断电情况保持于操控位置，保持断电时的位姿形态，对于手术操控控制更为稳定。本发明还提供了一种手术机器人。

Description

手术机器人及保持位姿形态的主手机械臂

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，更具体地说，涉及一种手术机器人及保持位姿形态的主手机械臂。

背景技术

随着机器人技术的应用和发展，医用手术机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。为了实现良好的实时状态反馈，应对手术过程中的复杂情况，用于手术的医疗机器人系统通常使用主从式机械臂。操作者通过主手工具带动主手臂运动，通过主手各关节的运动信息，映射到从手机械臂，驱动从手实现相应运动。

然而，现有的主手机械臂的形式呈多样性，性能各有利弊，不能满足医用机器人实际应用环境的多样性需求，如面临断电情况，主手机械臂的姿态稳定性，直接关乎到医用手术机器人的操作安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种保持位姿形态的主手机械臂，以提高主手机械臂操作安全性；本发明还提供了一种手术机器人。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机械臂关节传动结构，臂关节前端设置上游连杆，所述臂关节后端设置下游连杆，

所述臂关节为设于所述上游连杆和所述下游连杆之间的传动齿轮副，还包括驱动所述臂关节动作的动力驱动装置。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述动力驱动装置设置于所述上游连杆上，所述动力驱动装置包括同轴布置的电机、减速机和编码器，所述电机的轴向与所述臂关节的关节轴线垂直布置。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述传动齿轮副包括抱装于所述减速机的输出端的主动齿轮，和与所述主动齿轮传动配合的从动齿轮；

所述主动齿轮设于所述上游连杆上，所述从动齿轮的从动齿轮轴伸出所述臂关节，并与所述下游连杆固接。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述上游连杆内设置架撑所述从动锥齿轮的交叉滚子轴承，所述下游连杆固装于所述从动锥齿轮伸出端的齿轮轴上；

所述上游连杆与所述下游连杆连接处设有推力滚针轴承，以承受所述从动齿轮轴轴向锁紧时的轴向载荷。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述主动齿轮和从动齿轮为正交布置，并传动配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述主动锥齿轮的主动齿轮轴抱装于所述减速器的输出轴上，

所述主动齿轮轴上开设有贯穿其径向的开口缝，和对所述开口缝锁紧安装的锁紧螺钉。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述从动齿轮具有中空过线孔，所述过线孔内设有护线套管；

所述护线套管和所述传动齿轮副之间还布置有护线板，用于所述过线孔内走线与所述传动齿轮副的隔离。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述所述动力驱动装置上还设有电机安装座，所述上游连杆内布置安装滑槽，所述电机安装座可滑动调节的安装于所述安装滑槽内。

优选地，在上述机械臂关节传动结构中，所述上游连杆和所述下游连杆之间的轴关节上设置对二者的旋转角度进行限位的行程限位结构。

一种手术机器人，包括医生控制台，所述医生控制台上安装有主手机械臂，所述主手机械臂的臂关节具有如上任意一项所述的机械臂关节传动结构。

本发明提供的机械臂关节传动结构，臂关节前端设置上游连杆，臂关节后端设置下游连杆，臂关节为设于上游连杆和下游连杆之间的传动齿轮副，还包括驱动臂关节动作的动力驱动装置。在主手机械臂，靠近固定安装侧的前端连杆重量和体积均较大，需要具有较大的转矩，而靠近主手工具侧的后端连杆，随主手工具的操作进行位置调整，将前端连杆的连杆关节之间布置调整角度和位移的关节模组，将后端连杆的连杆关节之间采用传动齿轮副结构，对其上游连杆和下游连杆的角度和位移进行调整。适应主手机械臂由多个连杆组成结构，由前端连杆连接至医生控制台的主体，后端连杆由前端连杆上伸出，并连接主手工具，医生操控主手工具将手术操作由机械臂传递至手术端，通过前端连杆采用关节模组进行角度和位移的调整，后端连杆采用传动齿轮副的方式进行角度和位移传动，对不同承载要求的臂关节采用关节模组和传动齿轮副组合的方式，使得后端连杆中各上游连杆和下游连杆的安装结构可更紧凑，占用空间更小，重量轻，能够在断电情况保持于操控位置，保持断电时的位姿形态，对于手术操控控制更为稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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1a为本发明提供的保持位姿形态的主手机械臂在医生控制台上布置结构示意图；

图1b为图1a的立体结构示意图；

图2a为本发明提供的保持位姿形态的主手机械臂的立体结构图；

图2b为图2a的后视结构示意图；

图2c为图2a中主手机械臂内关节模组布置图；

图2d为图2a中传动齿轮副的布置结构示意图；

图3为图2d中四轴连杆和五轴连杆的传动结构局部放大图；

图4为图2d中A处局部放大图；

图5为四轴连杆和五轴连杆之间传动齿轮副的传动结构示意图；

图6为图5中传动齿轮副中从动锥齿轮的安装结构示意图；

图7为图5中传动齿轮副中主动锥齿轮的安装结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种保持位姿形态的主手机械臂，提高了主手机械臂操作安全性；本发明还提供了一种手术机器人。

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，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。

如图1a和图1b所示，图1a为本发明提供的保持位姿形态的主手机械臂在医生控制台上布置结构示意图；图1b为图1a的立体结构示意图。

本实施例提供一种保持位姿形态的主手机械臂，固装在医生控制台上，医生控制台由底座1100、电气箱1200、立柱机构2100、立柱横梁组件2200、取景器机构3000，以及对应双手操作的主手臂左4000-L和主手臂右4000-R，医生控制台上还设置扶手操作面板、脚踏板机构等。左机械臂4000-L布置于医生控制台左侧，右机械臂4000-R布置于医生控制台右侧。

主手臂左4000-L和主手臂右4000-R分别对应由医生进行左手和右手的操控，主手臂左4000-L和主手臂右4000-R在主手工具的布置方向不同，其上各个连杆的布置结构相同，本实施例以右侧主手机械臂进行结构说明。主手机械臂的前端连杆靠近控制台立柱横梁组件2200，具体地，由前端连杆的一轴连杆4100用螺钉固定在控制台立柱横梁组件2200上。立柱机构设有升降调节功能，以根据人机工程学将主手工具调整到医生操作时的最舒适位置。

如图2a-图2d所示，图2a为本发明提供的保持位姿形态的主手机械臂的立体结构图；图2b为图2a的后视结构示意图；图2c为图2a中主手机械臂内关节模组布置图；图2d为图2a中传动齿轮副的布置结构示意图。

在主手机械臂中，前端连杆连接医生控制台主体，后端连杆用于支撑主手工具。主手机械臂包括靠近固定安装侧的前端连杆，和靠近主手工具侧的后端连杆，前端连杆的第一连杆关节之间布置调整角度和位移的关节模组，后端连杆的第二连杆关节之间布置调整角度和位移的传动齿轮副。

对于主手机械臂由多个连杆组成，由前端连杆连接至医生控制台的主体，后端连杆由前端连杆上伸出，并连接主手工具，结合后端连杆直接承担主手工具的位移和运动控制，医生操控主手工具将手术操作由机械臂传递至手术端，前端连杆直接连接医生控制台主体，并需要将前端连杆上的多个第一连杆关节采用关节模组进行角度和位移的调整，将后端连杆的多个第二连杆关节采用传动齿轮副的方式进行角度和位移传动，将后端连杆中的各个臂关节，设定臂关节前端的为上游连杆，臂关节后端的为下游连杆，臂关节采用传动齿轮副对后端连杆中的上游连杆和下游连杆进行位移和角度调整，适应主手机械臂由多个连杆组成结构，由前端连杆连接至医生控制台的主体，后端连杆由前端连杆上伸出，并连接主手工具，医生操控主手工具将手术操作由机械臂传递至手术端，通过前端连杆采用关节模组进行角度和位移的调整，后端连杆采用传动齿轮副的方式进行角度和位移传动，对不同承载要求的臂关节采用关节模组和传动齿轮副组合的方式，使得后端连杆中各上游连杆和下游连杆的安装结构可更紧凑，占用空间更小，重量轻，能够在断电情况保持于操控位置，保持断电时的位姿形态，对于手术操控控制更为稳定。

进一步地，前端连杆包括一轴连杆4100，二轴连杆4200，三轴连杆4300，四轴连杆4400，一轴连杆4100与二轴连杆4200通过第一关节模组1-M1016联接，二轴连杆4200与三轴连杆4300通过第二关节模组2-M1016联接，三轴连杆4300与四轴连杆4400通过第三关节模组3-M1016联接。

后端连杆包括四轴连杆4400，五轴连杆4500，六轴连杆4600，七轴连杆4700，主手工具4800，主手工具4800位于七轴连杆4700的自由端；

四轴连杆4400与五轴连杆4500通过第一齿轮副传动，具体采用第一锥齿轮副传动，由第一减速电机4416传递动力；五轴连杆4500与六轴连杆4600通过第二齿轮副传动，由第二减速电机4516传递动力；六轴连杆4600与七轴连杆4700通过第三齿轮副传动，由第三减速电机4616传递动力；七轴连杆4700与主手工具4800通过第四齿轮副传动，由第四减速电机4716传递动力；主手工具4800做开合运动，其内设置第五减速电机4816。

优选地，第一齿轮副、第二齿轮副、第三齿轮副和第四齿轮副均为锥齿轮齿轮副。

在本案一具体实施例中，第一关节模组1-M1016、第二关节模组2-M1016和第三关节模组3-M1016内均设有角度传感器和位移传感器，用以记录下游轴的运动速度和位置，并上传控制系统。

在本案一具体实施例中，前端连杆和后端连杆内均布置有力感觉传感器，用于对连杆之间关节运动的力矩测量。控制系统协调手术机器人机械臂进行手术控制，经过计算机相应算法，将主手的位姿映射到从手，并通过主手的力反馈感知从手的操作力。

如图3-图7所示，图3为图2d中四轴连杆和五轴连杆的传动结构局部放大图；图4为图2d中A处局部放大图；图5为四轴连杆和五轴连杆之间传动齿轮副的传动结构示意图；图6为图5中传动齿轮副中从动锥齿轮的安装结构示意图；

图7为图5中传动齿轮副中主动锥齿轮的安装结构示意图。

在本案一具体实施例中，传动齿轮副包括设于上游连杆内的减速电机组件，减速电机组件的轴向与其动力输出端的关节轴线垂直布置，减速电机组件的动力输出端设置驱动其传动配合的下游连杆动作的正交锥齿轮传动副。

正交锥齿轮传动副的从动锥齿轮伸出上游连杆，上游连杆内设置架撑从动锥齿轮的交叉滚子轴承，下游连杆固装于从动锥齿轮伸出端的齿轮轴上。

上游连杆和下游连杆之间的轴关节上设置对二者的旋转角度进行限位的行程限位结构。行程限位结构包括设于上游连杆上的限位凸台，和设于下游连杆上的限位凹槽，限位凸台和限位凹槽抵接配合

以四轴连杆4400与五轴连杆4500之间的第一齿轮副进行说明，四轴连杆4400相当于上游连杆，五轴连杆4500相当于下游连杆。

如图3和图4所示，四轴连杆4400内设有减速电机组件4416，减速电机组件4416包括直流电机4416-2，减速机4416-1，编码器4416-3。电机安装座4402，主动锥齿轮4403，从动锥齿轮4404，轴承压圈4405。与五轴连杆4500连接端设有定位环4510，轴向锁紧螺母4511，滚针推力轴承4520。

每轴设有一套减速电机及多圈绝对值编码器，电机轴向与关节轴线垂直布置，通过一对正交锥齿轮传动。从动齿轮轴向设有交叉滚子轴承和滚针推力轴承，能同时承受较大的轴向和径向载荷，并能有效减少轴向安装长度，以达到结构紧凑，占比空间小，重量轻的效果。

具体地，如图4-图6所示，从动锥齿轮4404安装于交叉滚子轴承4415上，交叉滚子轴承4415安装于四轴连杆本体4401的轴承孔中，然后通过轴承压盖4405压紧固定。

从动锥齿轮4404轴上设有键槽，五轴连杆本体4501与齿轮轴配合处也设有键槽，通过定位环4510上的定位键，将从动锥齿轮4404与五轴连杆本体4501在径向定位，再利用锁紧螺母4511将从动锥齿轮4404与五轴连杆本体4501在轴向定位。四轴连杆4401与五轴连杆4501连接处设有推力滚针轴承4520，以承受齿轮轴轴向锁紧时的轴向载荷，增大径向受力面积，改善机械臂工作时的晃动现象。

四轴连杆4400和五轴连杆4500的轴关节旋转时有行程限位，在四轴连杆4400上设有限位凸台4401-1，在五轴连杆4500上设限位凹槽4501-1。

五轴连杆4500与六轴连杆4600的联接，以及六轴连杆4600与七轴连杆4700的联接，跟四轴连杆4400与五轴连杆4500的联接方式相同。

主动锥齿轮4403设有释放槽，该释放槽贯穿主动锥齿轮的主动齿轮轴的径向，外周布置螺纹连接孔，通过锁紧螺钉4418锁紧在减速电机4416的输出轴上。减速电机通过螺钉4417固定在电机安装座4402上。

电机安装座4402与四轴连杆主体4401有滑槽配合，同时，电机安装座4402设有腰形调整孔4402-1，主动锥齿轮4403可以沿滑槽调整与从动锥齿轮4404的配合间隙，然后通过组合螺钉(弹簧垫圈+平垫圈)4424锁紧固定。

从动锥齿轮4404安装于交叉滚子轴承4415上，交叉滚子轴承4415安装于四轴连杆4401的轴承孔中，然后通过轴承压盖4405压紧固定。

从动锥齿轮4404设有中空过线孔，孔径可根据走线需要设定。孔内设有耐磨护线套管4419，防止旋转时线缆在齿轮轴上受到磨损。齿轮副处设有护线板4408，防止齿轮转动时绞碰线缆。线束固定设有线夹4409，防止转动时线缆被拖动拉扯。

如图2a和图2b中，医生控制台中机器人机械臂的结构示意图。

二轴连杆4200绕第一中心轴R1旋转，三轴连杆4300绕第二中心轴R2旋转，四轴连杆4400绕第三中心轴R3旋转，五轴连杆4500绕第四中心轴R4旋转，六轴连杆4600绕第五中心轴R5旋转，七轴连杆4700绕第六中心轴R6旋转，主手工具4800绕第七中心轴R7旋转。

第五中心轴R5、第六中心轴R6、第七中心轴R7的延长线校于一点O，且主手工具的掌心位置重叠于O点。

当各轴处于设计“0“位时，即主手机械臂处于初始状态时，第一中心轴R1与第二中心轴R2在同一平面内，且互相垂直；第二中心轴R2与第三中心轴R3互相平行；第三中心轴R3与第四中心轴R4在XZ平面内，互相垂直；第四中心轴R4与第五中心轴R5在YZ平面内，互相垂直，并与第一中心轴R1互相平行。同时，在XZ平面内，第四中心轴R4与第一中心轴R1重合；第五中心轴R5与第六中心轴R6在YZ平面内，互相垂直；第六中心轴R6与第七中心轴R7在XZ平面内，互相垂直。

在各轴处于设计“0“位时，第一中心轴R1、第四中心轴R4、第五中心轴R5和第六中心轴R6在XZ平面内重合。

基于上述实施例中提供的保持位姿形态的主手机械臂，本发明还提供了一种手术机器人，包括医生控制台，医生控制台上安装有主手机械臂，该主手机械臂为上述实施例中提供的保持位姿形态的主手机械臂。

由于该手术机器人采用了上述实施例的保持位姿形态的主手机械臂，所以该手术机器人由保持位姿形态的主手机械臂带来的有益效果请参考上述实施例。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种机械臂关节传动结构，其特征在于，臂关节前端设置上游连杆，所述臂关节后端设置下游连杆，

所述臂关节为设于所述上游连杆和所述下游连杆之间的传动齿轮副，还包括驱动所述臂关节动作的动力驱动装置；

所述动力驱动装置设置于所述上游连杆上，所述动力驱动装置包括同轴布置的电机、减速机和编码器，所述电机的轴向与所述臂关节的关节轴线垂直布置；

所述传动齿轮副包括抱装于所述减速机的输出端的主动锥齿轮，和与所述主动锥齿轮传动配合的从动锥齿轮；所述主动锥齿轮设于所述上游连杆上，所述从动锥齿轮的从动锥齿轮轴伸出所述臂关节，并与所述下游连杆固接；

所述从动锥齿轮伸出所述上游连杆，所述上游连杆内设置架撑所述从动锥齿轮的交叉滚子轴承，所述下游连杆固装于所述从动锥齿轮伸出端的齿轮轴上；所述上游连杆与所述下游连杆连接处设有推力滚针轴承，以承受所述从动锥齿轮轴轴向锁紧时的轴向载荷；所述从动锥齿轮安装于所述交叉滚子轴承上，所述交叉滚子轴承安装于所述上游连杆的轴承孔中，通过轴承压盖压紧固定；

所述上游连杆与所述下游连杆的连接端设有定位环和轴向锁紧螺母，所述从动锥齿轮的轴上设有第一键槽，所述下游连杆与所述从动锥齿轮配合处设有第二键槽，通过所述定位环上的定位键，将所述从动锥齿轮与所述下游连杆在径向定位，利用所述轴向锁紧螺母将所述从动锥齿轮与下游连杆在轴向定位；所述主动锥齿轮设有释放槽，所述释放槽贯穿所述主动锥齿轮的主动齿轮轴的径向，外周布置螺纹连接孔，通过锁紧螺钉锁紧在所述减速机的输出轴上；

所述上游连杆和所述下游连杆之间的轴关节上设置对二者的旋转角度进行限位的行程限位结构；所述行程限位结构包括设于所述上游连杆上的限位凸台，和设于所述下游连杆上的限位凹槽，所述限位凸台和限位凹槽抵接配合。

2.根据权利要求1所述的机械臂关节传动结构，其特征在于，所述主动锥齿轮和从动锥齿轮为正交布置，并传动配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮。

3.根据权利要求1所述的机械臂关节传动结构，其特征在于，所述主动锥齿轮的主动锥齿轮轴抱装于所述减速机的输出轴上，

所述主动锥齿轮轴上开设有贯穿其径向的开口缝，和对所述开口缝锁紧安装的锁紧螺钉。

4.根据权利要求3所述的机械臂关节传动结构，其特征在于，所述从动锥齿轮具有中空过线孔，所述过线孔内设有护线套管；

所述护线套管和所述传动齿轮副之间还布置有护线板，用于所述过线孔内走线与所述传动齿轮副的隔离。

5.根据权利要求4所述的机械臂关节传动结构，其特征在于，所述动力驱动装置上还设有电机安装座，所述上游连杆内布置安装滑槽，所述电机安装座可滑动调节的安装于所述安装滑槽内。

6.一种手术机器人，包括医生控制台，所述医生控制台上安装有主手机械臂，其特征在于，所述主手机械臂的臂关节具有如权利要求1-5中任意一项所述的机械臂关节传动结构。