CN115634047A - 机械臂末端及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机械臂末端，包括：保持末端，用于保持执行器或器械；对接体，用于连接机械臂，所述保持末端与所述对接体之间通过分别用于驱动所述保持末端平移、旋转和俯仰的平移装置、旋转装置和俯仰装置中的至少一种连接。本发明通过在末端上集成N个自由度，可以降低医疗机器人对机械臂的适用要求，机械臂和机械臂末端组装后的体积大幅缩小，且机械臂运作灵活度变高，此外，因机械臂末端可在小体积范围内实现其位置调整，可降低手术过程中机械臂末端对患者的误碰风险。

Description

机械臂末端及手术机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机械臂末端及手术机器人。

背景技术

在现代医学中，越来越多的自动化装置被应用于临床实践中，比如穿刺手术机器人、骨科手术机器人等。以穿刺手术机器人为例，其在穿刺时需要明确穿刺位姿，包括x、y、z、α、β、γ六个自由度，因此现有手术机器人在临床应用中，多采用六自由度机械臂对接机械臂末端对器械或执行器进行定位，如CN206612845U、CN209059429U。但六自由度机械臂仍然存在许多弊端，其因为用到六个自由度多轴机械臂，因此所需的定位伸展空间较大，在人体纵向方向上需求的空间幅度较大，对穿刺机械定位和执行存在空间要求，且机械臂伸缩定位过程中容易出现误碰风险。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提出一种机械臂末端及手术机器人，搭载低维度机械臂使用可以有效缩减六自由度机械臂定位所需的运动空间。

技术方案：

机械臂末端，包括：保持末端，用于保持执行器或器械；对接体，用于连接机械臂，所述保持末端与所述对接体之间通过分别用于驱动所述保持末端平移、旋转和俯仰的平移装置、旋转装置和俯仰装置中的至少一种连接。

所述平移装置包括第一基座和第一驱动组件，所述第一驱动组件用于驱动第一基座相对于所述对接体平移。

所述第一驱动组件包括固定于所述第一基座上的第一驱动电机、丝杆和平行于丝杠的导轨，所述对接体与丝杆螺纹连接且同时滑动安装于导轨上，第一驱动电机通过第一传动件驱动所述丝杆。

在所述第一基座上位于所述导轨末端还设有限位装置。

所述限位装置采用接近开关或接近传感器。

所述旋转装置包括第二基座、第二驱动组件、旋转体；所述第二驱动组件设于第二基座内，旋转体设于第二驱动组件输出端；所述第二驱动组件包括第二驱动电机及第二传动件，所述第二驱动电机通过第二传动件驱动所述旋转体旋转。

所述旋转体采用中空圆柱体、U型弧板或两中心对称的刚性板中其中一种。

所述俯仰装置包括第三驱动组件和俯仰体，所述俯仰体可转动地固定于所述旋转体末端，所述第三驱动组件输出端、第二驱动组件输出端、旋转体共轴。

所述第三驱动组件包括固定安装于所述第二基座内的第三驱动电机、与所述旋转体同心且穿设于所述旋转体中的旋转轴、固定于所述旋转轴末端的第一锥齿轮及固定于所述俯仰体上的第二锥齿轮，所述第三驱动电机通过第三传动件驱动所述旋转轴转动，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合配合。

所述俯仰体通过转轴转动安装于所述旋转体末端，在所述转轴上固定安装所述第二锥齿轮，所述第二锥齿轮和所述俯仰体分别位于所述旋转体的内外两侧。

所述俯仰体采用U型结构，所述旋转体末端包括两中心对称的耳部，所述俯仰体的两端与所述耳部通过所述转轴转动连接。

所述第一锥齿轮侧或第二锥齿轮侧设有编码器。

所述平移装置、旋转装置、俯仰装置均包括驱动电机，各所述驱动电机在所述第二基座内共面并排。

所述传动件采用齿轮啮合传动或同步带轮传动，所述同步带轮包括主动轮、从动轮和同步带。

所述主动轮或从动轮侧设有编码器。

所述主动轮或从动轮侧设有刹车件。

一种手术机器人，包括机械臂，执行器或器械以及前述机械臂末端，所述机械臂与所述对接体连接，所述执行器或器械保持于所述保持末端上。

所述机械臂末端自由度加所述机械臂自由度大于等于六。

所述执行器为穿刺执行器，所述器械为引导套筒或穿刺针。

有益效果：本发明所提供的机械臂末端及手术机器人，通过在末端上集成N个自由度，可以降低医疗机器人对机械臂的适用要求，以三自由度机械臂末端为例，仅需适配三自由度及以上的机械臂即可，相对于传统六自由度机械臂，机械臂和机械臂末端组装后的体积大幅缩小，可缩小接近1/2；且机械臂运作灵活度变高，N自由度机械臂末端适配6-N自由度机械臂后，叠加相应控制逻辑以大体积6-N自由度机械臂做粗定位，再以小体积N自由度机械臂末端做末端精细定位，因手术中末端位置、机械臂支撑台位置唯一确定，且N自由度机械臂末端体积精小，则相对于传统六自由度机械臂，原本末端位置与机械臂支撑位置之间的空间由供六条臂容纳运动变为基本仅供6-N条臂容纳运动使用，使得各机械臂运动的死点位置减小，因此机械臂运作灵活度大幅变高；此外，因N自由度机械臂末端可在小体积范围内实现末端N自由度位置调整，可降低手术过程中机械臂末端对患者的误碰风险。

附图说明

图1为三自由度机械臂末端的结构示意图；

图2为平移装置的结构示意图；

图3为旋转装置和俯仰装置的侧面半解剖结构示意图；

图4为旋转装置和俯仰装置的立体半解剖结构示意图；

图5为第三驱动组件的结构示意图。

其中：1.平移基座，2.旋转基座，3.第一驱动组件，4.机械臂对接体，5.第二驱动组件，6.旋转体，7.第三驱动组件，8.俯仰体；

Px为平移运动，Pα为旋转运动，P_β为俯仰运动；

31.第一驱动电机，32.第一主动轮，33.第一从动轮，34.第一同步带，35.丝杆，36.导轨，37.接近感应件，38.第一编码器；

51.第二驱动电机，52.第二主动轮，53.第二从动轮，54.第二同步带，55.旋转刹车件，56.第二编码器；

71.第三驱动电机，72.第三主动轮，73.第三从动轮，74.第三同步带，75.旋转轴，76.第一锥齿轮，77.第二锥齿轮，78.俯仰刹车件，79.第三编码器；

81.转轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1为本发明提供一种三自由度机械臂末端，其结构如图1所示，本发明提供的三自由度机械臂末端包括机械臂对接体4、平移装置、旋转装置、俯仰装置、保持末端(图中未示出)；平移装置用于实现俯仰体8的Px驱动，旋转装置用于实现俯仰体8的Pα驱动，俯仰装置用于实现俯仰体8的P_β驱动。机械臂对接体4用于与机械臂对接；俯仰体8通过保持末端对接执行器或器械，本发明中，俯仰体8与保持末端可一体设置。

本发明中，机械臂对接体4与三自由度机械臂对接，通过与三自由机械臂组合配合可实现三自由度机械臂末端上所述俯仰体8的六自由度定位，进而实现对通过保持末端对接于俯仰体8上的执行器或器械的六自由度定位。

本发明中，平移装置包括平移基座1和第一驱动组件3；机械臂对接体4通过第一驱动组件3滑动安装于平移基座1上。

本发明中，旋转装置包括旋转基座2、旋转体6和第二驱动组件5；旋转体6通过第二驱动组件5转动安装于旋转基座2上。

本发明中，俯仰装置包括俯仰体8和第三驱动组件7，在旋转体6末端可转动安装有俯仰体8，且俯仰体8的俯仰轴线与旋转体6的旋转轴线垂直交叉，俯仰体8通过安装于旋转基座2上且穿过旋转体6中心的第三驱动组件7驱动俯仰。

本发明中，旋转基座2固定于平移基座1末端，进一步地，平移基座1与旋转基座2之间成垂直配合安装；但本发明并不止于此，根据实际自由度需要，平移基座1与旋转基座2之间的安装角度可以根据需求设定。更具体地，平移基座1与旋转基座2通过螺钉呈L形刚性连接。

本发明中，第一驱动组件3如图2所示，安装于平移基座1上，第一驱动组件3包括固定安装于平移基座1下方的第一驱动电机31、与所述第一驱动电机31通过第一传动件配合以实现转动的丝杆35及设置于平移基座1上与丝杆35平行的导轨36，机械臂对接体4与丝杆35螺纹配合安装且同时滑动安装于导轨36上。通过该设计可以保证平移基座1相对于机械臂对接体4的平移运动(Px)更加平稳。

进一步地，导轨为两根，设置于平移基座1上丝杆35两侧位置，进一步保证平移基座1平移运行的平稳性。

在本发明中，第一传动件可以采用齿轮啮合传动，也可以采用如图2所示方式，即同步带轮传动，即第一传动件包括设于平移基座1下方与第一驱动电机31的电机轴固定连接的第一主动轮32、安装于平移基座1上方的第一从动轮33及绕设于二者之间的第一同步带34。其中，第一主动轮32和第一从动轮33分别位于平移基座1的不同侧，有利于缩减平移装置的体积，将第一驱动电机31隐藏于旋转基座2中。

本发明中，第一驱动电机31也可固定安装于平移基座1上端，输出端通过联轴器连接丝杠35。

在平移基座1上位于导轨36末端还安装有限位装置，限位装置具体可为接近感应件37，用于限制平移基座1相对于机械臂对接体4的平移位置。进一步地，接近感应件37采用接近传感器或接近开关。

进一步地，在第一主动轮32或第一从动轮33上还配合安装有第一编码器38，用以获取第一主动轮32或第一从动轮33的转动角度，从而获取机械臂对接体4在丝杆35上的运动位置，进而获得平移基座1相对于机械臂对接体4的平移位置；本发明中，在第一从动轮33侧固定安装第一编码器38。

参照图3、4，第二驱动组件5包括第二驱动电机51及第二传动件，第二驱动电机51固定安装于旋转基座2中第一驱动电机31下方，并通过第二传动件驱动旋转体6转动，实现旋转运动(Pα)。

在本发明中，第二传动件可以采用齿轮啮合传动，也可以采用如图3、4所示方式，即采用同步带轮，即第二传动件包括与第二驱动电机51的电机轴固定连接的第二主动轮52、设于旋转基座2内末端的第二从动轮53，以及绕设于二者之间以实现二者传动的第二同步带54，旋转体6固定于第二从动轮53侧面由第二从动轮53带动同步转动；进一步地，旋转体6的中心轴线通过第二从动轮53圆心。

本发明中，在第二从动轮53侧固定安装第二编码器56，用以获取第二从动轮53的转动角度，从而获取旋转体6的旋转位置。

在第二驱动电机51的电机轴处还安装有旋转刹车件55，用于断电自锁，防止医疗执行器械因系统断电导致的不可控现象，旋转刹车件55优选电磁失电制动器。

参照图1、3、4、5，第三驱动组件7安装在旋转基座2中，包括固定安装于旋转基座2中位于第二驱动电机51与第二从动轮53之间的第三驱动电机71、与第二从动轮53同心且穿设于第二从动轮53中的旋转轴75、连接第三驱动电机71与旋转轴75的第三传动件、固定于旋转轴75末端的第一锥齿轮76及固定于俯仰体8上的第二锥齿轮77；第三驱动电机71通过第三传动件驱动旋转轴75旋转，旋转轴75的输出端上固定连接第一锥齿轮76；旋转轴75伸出第二从动轮53的部分及第一锥齿轮76均位于旋转体6内；俯仰体8可转动安装于旋转体6的末端，以实现俯仰运动(P_β)；具体地，俯仰体8通过其两侧固定安装的转轴81转动安装于旋转体6末端。

在本发明中，旋转体6可以采用中空圆柱体或两中心对称的刚性板中其中一种；其采用中空圆柱体时，其一端与第二从动轮53侧面固定连接，另一端向其轴向方向延伸形成有两中心对称的耳部，对接末端8的两侧分别与该两耳部通过转轴81转动安装。

本发明中，俯仰体8结构也可采用U型结构，其两端分别与旋转体6末端侧转动连接。

在转轴81上还固定有与第一锥齿轮76啮合的第二锥齿轮77，转轴81穿设于旋转体6侧壁上，第二锥齿轮77与俯仰体8分别位于旋转体6的内、外两侧，第二锥齿轮77与第一锥齿轮76在旋转体6内齿接。本发明中，可以仅在俯仰体8两侧任一侧布置第二锥齿轮77，也可以在其两侧均布置第二锥齿轮77，两侧均布置可提升俯仰体8俯仰驱动的稳定性。

本实施方式通过第三驱动电机71驱动旋转轴75转动，进而通过第一锥齿轮76和第二锥齿轮77之间的啮合配合将旋转轴75的旋转运动转化为俯仰体8的俯仰运动，从而实现对俯仰体8的俯仰驱动控制。由于第三驱动组件7的从动驱动部分与第二驱动组件5的从动驱动部分同心设置，大幅缩减了俯仰装置的设置空间，为微小三自由度机械臂末端的实现创造有利条件，无需额外设置俯仰基座，仅用一小型旋转基座2即可容纳安装用于实现俯仰体8旋转驱动的第二驱动组件、以及用于实现俯仰体8俯仰驱动的第三驱动组件两者。

本发明中，第三传动件包括固定安装于第三驱动电机71电机轴上的第三主动轮72、与旋转轴75端部固定连接的第三从动轮73及绕设于二者之间的第三同步带74。本发明中，第三从动轮73和第一锥齿轮76分别固定安装于旋转轴75的两端。

在本发明中，在第二锥齿轮77一端还设有采集第二锥齿轮77运动位置的第三编码器79，从而可以采集和控制俯仰体8的俯仰角度。

在本发明中，在旋转基座2内位于旋转轴75侧还固定安装有俯仰刹车件78，俯仰刹车件78与前述旋转刹车件56功能类似。

本发明中，如图3所示，第一驱动电机31、第二驱动电机51、第三驱动电机71的轴线平行排布在一个平面上，且均位于旋转基座2内部，可以提高三自由度机械臂末端的集成度；第一驱动组件、第二驱动组件、第三驱动组件并列排列，且第二驱动组件、第三驱动组件嵌套设置可最大限度缩减旋转基座所需体积，且可将第一驱动组件部分，第二驱动组件、第三驱动组件全部收纳于短直型旋转基座2中，有利于缩减旋转基座2的高度和宽度，进而有效缩减三自由度机械臂末端的体积。

本发明的工作原理如下：

本发明的三自由度机械臂末端的机械臂对接体4与三自由度机械臂对接，俯仰体8充当保持末端或通过保持末端固定连接执行器或器械。

对俯仰体8的平移驱动，即如图1所示的Px驱动：

当控制器接收到平移信号时，通过控制第一驱动电机31，第一驱动电机31电机轴上安装的第一主动轮32通过第一同步带34带动第一从动轮33转动，进而带动丝杆35转动，从而带动与其配合安装的机械臂对接体4在导轨36上滑动，从而使平移基座1相对于机械臂对接体4发生平移运动，由于机械臂对接体4固定连接机械臂，平移基座1通过旋转基座2连接有俯仰体8，也即实现俯仰体8相对于机械臂对接点的平移操作；

对俯仰体8的旋转驱动，即如图1所示的Pα驱动：

当控制器接收到旋转信号时，通过控制第二驱动电机51，第二驱动电机51电机轴上安装的第二主动轮52通过第二同步带54带动第二从动轮53转动，进而带动与第二从动轮53固连的旋转体6转动，由于旋转体6的末端连接有俯仰体8，从而实现对俯仰体8的旋转操作。

此时，由于旋转体6的转动会带动第二锥齿轮77在第一锥齿轮71上爬行(即第二锥齿轮围绕第一锥齿轮的中轴线公转)，受第一锥齿轮齿牙作用迫使第二锥齿轮77发生转动(即第二锥齿轮绕自身中轴线的自传)，因此会带动俯仰体8相对旋转体6发生不必要的俯仰运动，为了消除此不必要的俯仰运动，在驱动旋转体6带动俯仰体8旋转的同时，控制器控制第三驱动电机71反向转动，带动旋转轴75反向旋转，进而带动第一锥齿轮71反向转动，可抵消掉第二锥齿轮77在第一锥齿轮71上爬行所造成的第二锥齿轮77的自转，进而消除控制俯仰体8旋转时所发生的不必要俯仰，使对俯仰体8进行旋转操作的过程中俯仰角位移始终为零。

对俯仰体8的俯仰驱动，即如图1所示的P_β驱动：

在旋转运动到位后，控制器依据俯仰运动信号控制第三驱动电机71电机轴转动，第三驱动电机71电机轴上安装的第三主动轮72通过第三同步带74带动第三从动轮73转动，进而带动与第三从动轮73固连的旋转轴75转动，进而旋转轴75末端固定安装的第一锥齿轮76转动，从而带动与第一锥齿轮76啮合配合的第二锥齿轮77转动，进而带动俯仰体8在旋转体6末端发生俯仰，从而实现对俯仰体8的俯仰操作。

上述对俯仰体8的平移驱动、旋转驱动、俯仰驱动控制可实现俯仰体8的x、α、β三自由度定位，由于俯仰体8通过保持末端保持执行器或器械，也即实现执行器或器械的x、α、β三自由度定位。

由于本发明的三自由度机械臂末端的机械臂对接体4与三自由度机械臂对接，与本发明的三自由度机械臂末端的三自由度机械臂对接可进行其余三个自由度y、z、γ定位，因此可实现对执行器的x、y、z、α、β、γ六自由度定位。

本发明还提供一种N自由度机械臂末端，N为整数，0＜N≤3，本发明的N自由度机械臂末端并不限于三自由度，可通过设计进行x(平移)、α(旋转)、β(俯仰)三自由度中至少一种或多种的自由选择或组合。

本发明中，进一步地，缺省平移装置，即N自由度机械臂末端仅包括旋转装置、俯仰装置、机械臂对接体4构成二自由度机械臂末端，机械臂对接体4固定设于旋转基座2顶端；可对俯仰体8进行α(旋转)、β(俯仰)的驱动控制，机械臂对接体4连接四自由度机械臂，同样可实现对执行器或器械的x、y、z、α、β、γ六自由度定位。

本发明中，进一步地，缺省平移装置和俯仰装置，即N自由度机械臂末端仅包括旋转装置、机械臂对接体4构成一自由度机械臂末端，机械臂对接体4固定于旋转基座2顶端，俯仰体8固定连接于旋转体6末端，可对俯仰体8进行α(旋转)的驱动控制，机械臂对接体4连接五自由度机械臂，同样可实现对执行器的x、y、z、α、β、γ六自由度定位。

本发明中，进一步地，缺省俯仰装置，即N自由度机械臂末端仅包括平移装置、旋转装置、机械臂对接体4构成二自由度机械臂末端，俯仰体8固定连接于旋转体6末端，可对俯仰体8进行x(平移)、α(旋转)的驱动控制，机械臂对接体4连接四自由度机械臂，同样可实现对执行器或器械的x、y、z、α、β、γ六自由度定位。

本发明还提供一种手术机器人，包括上述N自由度机械臂末端、6-N自由度机械臂，以及执行器或器械，所述N自由度机械臂末端的俯仰体8通过保持末端保持执行器或器械，N自由度机械臂上的机械臂对接体4与6-N自由度机械臂对接；所述执行器为穿刺执行器，如穿刺推进器；所述器械可为引导套筒、穿刺针等。

当手术机器人接收到执行器目标位姿信息后，通过控制器解析出俯仰体8的x’、y’、z’、α’、β’、γ’坐标，并通过对机械臂和N自由度机械臂末端的摆位控制，控制俯仰体8到达x’、y’、z’、α’、β’、γ’坐标，即可使执行器或器械实现目标位姿，即使执行器或器械到达目标位置并摆成目标姿态。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (19)

1.机械臂末端，包括：保持末端，用于保持执行器或器械；对接体，用于连接机械臂，其特征在于：所述保持末端与所述对接体之间通过分别用于驱动所述保持末端平移、旋转和俯仰的平移装置、旋转装置和俯仰装置中的至少一种连接。

2.根据权利要求1所述的机械臂末端，其特征在于：所述平移装置包括第一基座和第一驱动组件，所述第一驱动组件用于驱动第一基座相对于所述对接体平移。

3.根据权利要求2所述的机械臂末端，其特征在于：所述第一驱动组件包括固定于所述第一基座上的第一驱动电机、丝杆和平行于丝杠的导轨，所述对接体与丝杆螺纹连接且同时滑动安装于导轨上，第一驱动电机通过第一传动件驱动所述丝杆。

4.根据权利要求3所述的机械臂末端，其特征在于：在所述第一基座上位于所述导轨末端还设有限位装置。

5.根据权利要求4所述的机械臂末端，其特征在于：所述限位装置采用接近开关或接近传感器。

6.根据权利要求1所述的机械臂末端，其特征在于：所述旋转装置包括第二基座、第二驱动组件、旋转体；所述第二驱动组件设于第二基座内，旋转体设于第二驱动组件输出端；所述第二驱动组件包括第二驱动电机及第二传动件，所述第二驱动电机通过第二传动件驱动所述旋转体旋转。

7.根据权利要求6所述的机械臂末端，其特征在于：所述旋转体采用中空圆柱体、U型弧板或两中心对称的刚性板中其中一种。

8.根据权利要求6所述的机械臂末端，其特征在于：所述俯仰装置包括第三驱动组件和俯仰体，所述俯仰体可转动地固定于所述旋转体末端，所述第三驱动组件输出端、第二驱动组件输出端、旋转体共轴。

9.根据权利要求8所述的机械臂末端，其特征在于：所述第三驱动组件包括固定安装于所述第二基座内的第三驱动电机、与所述旋转体同心且穿设于所述旋转体中的旋转轴、固定于所述旋转轴末端的第一锥齿轮及固定于所述俯仰体上的第二锥齿轮，所述第三驱动电机通过第三传动件驱动所述旋转轴转动，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合配合。

10.根据权利要求9所述的机械臂末端，其特征在于：所述俯仰体通过转轴转动安装于所述旋转体末端，在所述转轴上固定安装所述第二锥齿轮，所述第二锥齿轮和所述俯仰体分别位于所述旋转体的内外两侧。

11.根据权利要求10所述的机械臂末端，其特征在于：所述俯仰体采用U型结构，所述旋转体末端包括两中心对称的耳部，所述俯仰体的两端与所述耳部通过所述转轴转动连接。

12.根据权利要求9所述的机械臂末端，其特征在于：所述第一锥齿轮侧或第二锥齿轮侧设有编码器。

13.根据权利要求6所述的机械臂末端，其特征在于：所述平移装置、旋转装置、俯仰装置均包括驱动电机，各所述驱动电机在所述第二基座内共面并排。

14.根据权利要求3或6或9任一项所述的机械臂末端，其特征在于：所述传动件采用齿轮啮合传动或同步带轮传动，所述同步带轮包括主动轮、从动轮和同步带。

15.根据权利要求14所述的机械臂末端，其特征在于：所述主动轮或从动轮侧设有编码器。

16.根据权利要求14所述的机械臂末端，其特征在于：所述主动轮或从动轮侧设有刹车件。

17.一种手术机器人，其特征在于：包括机械臂，执行器或器械以及权利要求1～16任一项所述的机械臂末端，所述机械臂与所述对接体连接，所述执行器或器械保持于所述保持末端上。

18.根据权利要求17所述的手术机器人，其特征在于：所述机械臂末端自由度加所述机械臂自由度大于等于六。

19.根据权利要求17所述的手术机器人，其特征在于：所述执行器为穿刺执行器，所述器械为引导套筒或穿刺针。

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