CN116712165A - 机械臂及医疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂及医疗设备，所述机械臂包括小臂、手腕、第一摆动关节轴和器械自转关节轴，所述小臂通过所述第一摆动关节轴与所述手腕的第一端转动连接，所述手腕的第二端上安装有所述器械自转关节轴，所述器械自转关节轴用于与器械连接，所述第一摆动关节轴的轴线与所述器械自转关节轴的轴线不垂直，避免小臂自转关节轴与器械自转关节轴重合时出现的手腕自由度退化，并能实现器械在手术中任意位姿从顶端安全撤离，并且该机械臂通过设置大臂自转关节轴，以增加一冗余自由度，冗余自由度的增加可以弥补手腕非正交体系所引起的姿态盲区，实现器械任意姿态连续可达。

Description

机械臂及医疗设备

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别涉及一种机械臂及医疗设备。

背景技术

随着医疗机器人应用的不断深入，医用机械臂呈现出多样化发展态势。在从手机械臂领域，医用机械臂主要有两种构型，分别是达芬奇平行四边形构型和多轴串联构型。就达芬奇平行四边形构型而言，因独特的平行四边形机理实现了物理远心不动点，同时还可以有丰富的冗余自由度，灵活性进一步提升，利用其完成的手术也越来越多，使其成为市面上应用最广泛、市场成熟度最高的医用机械臂构型。从驱动器械角度看，达芬奇构型机械臂可以给到器械俯仰、偏摆和升降3个彼此独立的自由度，控制上更简单。就多轴串联机械臂构型而言，多轴串联机械臂构型可以通过多关节耦合给到器械的俯仰、偏摆、升降3个自由度，同时集成了调定臂的功能，减少了整体关节数量，可以做到更小、更轻、更经济。

但是，多轴串联机械臂构型因俯仰、偏摆、升降3个自由度的实现是通过多个关节耦合实现的，控制相对复杂，同时当关节运动到奇异位置附近时，存在局部自由度退化情况，使某些关节的轴线接近重合，导致器械无法从顶端拔出，安全性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的多轴串联机械臂构型转到某些位置导致器械无法从顶端拔出的缺陷，提供一种机械臂及医疗设备。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种机械臂，所述机械臂包括小臂、手腕、第一摆动关节轴和器械自转关节轴，所述小臂通过所述第一摆动关节轴与所述手腕的第一端转动连接，所述手腕的第二端上安装有所述器械自转关节轴，所述器械自转关节轴用于与器械连接，所述第一摆动关节轴的轴线与所述器械自转关节轴的轴线不垂直。

在本方案中，若将第一摆动关节轴的轴线与器械自转关节轴的轴线设置垂直时，在关节坐标模式下，手腕可以实现360°无死角运动，但在笛卡尔坐标系下会遇到奇异问题(当小臂自转关节轴与器械自转关节轴重合时)。常规的六轴机械臂在奇异状态下，若不改变运动模式，且在不牺牲精度的前提下，无法跨越奇异点，这就迫使机器人的连续作业范围局限在第一摆动关节轴的正向运动空间或负向运动空间。然而，腹腔机器人在手术过程中需要在笛卡尔坐标系下连续运动，且运动由医生通过主手远程操控，其运动路线及位姿很难预判。该机械臂通过将第一摆动关节轴的轴线与器械自转关节轴的轴线设置为不垂直，避免小臂自转关节轴与器械自转关节轴重合时出现的手腕自由度退化，并能实现器械在手术中任意位姿从顶端安全撤离。

较佳地，所述第一摆动关节轴的轴线与所述器械自转关节轴的轴线的夹角范围为大于等于65°且小于等于85°。

在本方案中，采用上述结构设置，适当限缩第一摆动关节轴的轴线与器械自转关节轴的轴线的夹角范围，避免小臂自转关节轴与器械自转关节轴重合时出现的手腕自由度退化，便于器械旋转到需要的位置，且还便于器械从顶端撤离。第一摆动关节轴的轴线与器械自转关节轴的轴线的最佳夹角是刚好能安全从顶部抽离器械的角度。当然，在其他的实施例中，可通过增加臂展，使上述夹角更接近90度，以减小手腕运动的盲区。

较佳地，所述小臂包括第一支撑臂、第二支撑臂和小臂自转关节轴，所述第一支撑臂的一端通过所述小臂自转关节轴与所述第二支撑臂的一端转动连接，所述第一支撑臂的另一端通过所述第一摆动关节轴与所述手腕的一端转动连接。

在本方案中，采用上述结构设置，用于提供更多的自由度，能够弥补非正交手腕构型的姿态盲区。

较佳地，所述第一摆动关节轴、所述器械自转关节轴和所述小臂自转关节轴三者的轴线在空间上交汇于一点。

在本方案中，采用上述结构设置，避免奇异发生，解决机械臂在奇异点位置自由度退化的问题，同时还能保证器械能够从顶端撤离。

较佳地，所述第一支撑臂靠近所述手腕的一端设置有避让槽，所述避让槽用于所述手腕旋转时的避让。

在本方案中，采用上述结构设置，防止手腕旋转时与小臂产生干涉。因为器械自转轴与第一摆动关节轴不垂直，导致手腕三轴体系构成的姿态空间出现盲区，有必要引入冗余自由度，以填补姿态盲区。

较佳地，所述机械臂还包括大臂和第二摆动关节轴，所述大臂包括第三支撑臂、第四支撑臂和大臂自转关节轴，所述第三支撑臂的一端通过所述大臂自转关节轴与所述第四支撑臂转动连接，所述第三支撑臂的另一端通过所述第二摆动关节轴与所述小臂远离所述手腕的一端转动连接。

在本方案中，采用上述结构设置，用于提供更多的自由度，能够弥补非正交手腕构型的姿态盲区。

较佳地，所述机械臂还包括基座单元和第三摆动关节轴，所述基座单元包括底座、旋转座和基座自转关节轴，所述底座通过所基座自转关节轴与所述旋转座的一端转动连接，所述旋转座的另一端通过第三摆动关节轴与所述第四支撑臂远离所述第三支撑臂的一端转动连接。

在本方案中，采用上述结构设置，用于提供更多的自由度，能够弥补非正交手腕构型的姿态盲区。

较佳地，所述基座自转关节轴、所述第三摆动关节轴和所述大臂自转关节轴三者的轴线在空间上交汇于一点。

在本方案中，采用上述结构设置，提高工具臂的灵活性，可以弥补手腕非正交体系所引起的姿态盲区，实现器械任意姿态连续可达。

一种医疗设备，所述医疗设备包括如上所述的机械臂。

在本方案中，该医疗设备由于设置有如上所述的机械臂，通过增加设置大臂自转关节，以增加一冗余自由度，可以弥补手腕非正交体系所引起的姿态盲区，实现器械任意姿态连续可达。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：传统六轴机械臂，若将第一摆动关节轴的轴线与器械自转关节轴的轴线设置垂直时，在关节坐标模式下，手腕可以实现360°无死角运动，但在笛卡尔坐标系下会遇到奇异问题(当小臂自转关节轴与器械自转关节轴重合时)。常规的六轴机械臂在奇异状态下，若不改变运动模式，且在不牺牲精度的前提下，无法跨越奇异点，这就迫使机器人的连续作业范围局限在第一摆动关节轴的正向运动空间或负向运动空间。然而，腹腔机器人在手术过程中需要在笛卡尔坐标系下连续运动，且运动由医生通过主手远程操控，其运动路线及位姿很难预判。将第一摆动关节轴的轴线与器械自转关节轴的轴线设置为不垂直，避免小臂自转关节轴与器械自转关节轴重合时出现的手腕自由度退化，并能实现器械在手术中任意位姿从顶端安全撤离，并且该机械臂通过设置大臂自转关节轴，以增加一冗余自由度，冗余自由度的增加可以弥补手腕非正交体系所引起的姿态盲区，实现器械任意姿态连续可达。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的机械臂的结构示意图(一)。

图2为本发明一较佳实施例的机械臂的结构示意图(二)。

图3为本发明一较佳实施例的机械臂的结构示意图(三)。

图4为本发明一较佳实施例的机械臂的结构示意图(四)。

图5为本发明一较佳实施例的机械臂的关节轴组成的示意图。

图6为本发明一较佳实施例的机械臂的结构示意图(五)。

附图标记说明：

小臂1

第一支撑臂11

避让槽111

第二支撑臂12

小臂自转关节轴13

手腕2

第一端21

第二端22

第一摆动关节轴3

器械自转关节轴4

大臂5

第三支撑臂51

第四支撑臂52

大臂自转关节轴53

第二摆动关节轴6

基座单元7

底座71

旋转座72

基座自转关节轴73

第三摆动关节轴8

器械200

第一摆动关节轴的轴线101

自转关节轴的轴线102

小臂自转关节轴的轴线103

姿态盲区300

具体实施方式

下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1-图6所示，本实施例公开了一种机械臂，该机械臂包括小臂1、手腕2、第一摆动关节轴3和器械自转关节轴4，小臂1通过第一摆动关节轴3与手腕2的第一端21转动连接，手腕2的第二端22上安装有器械自转关节轴4，器械自转关节轴4用于与器械200连接，第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102不垂直(即夹角Φ不等于90°)。在图1-图4中示出了机械臂将器械转动到不同位置的结构示意图。

若将第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102设置为垂直时，在关节坐标模式下，手腕2可以实现360°无死角运动，但在笛卡尔坐标系下会遇到奇异问题(当小臂自转关节轴13与器械自转关节轴4重合时)。常规的六轴机械臂在奇异状态下，若不改变运动模式，且在不牺牲精度的前提下，无法跨越奇异点，这就迫使机器人的连续作业范围局限在第一摆动关节轴3的正向运动空间或负向运动空间。然而，腹腔机器人在手术过程中需要在直笛卡尔坐标系下连续运动，且运动由医生通过主手远程操控，其运动路线及位姿很难预判。

在本实施例中，通过将第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102设置为不垂直，避免小臂自转关节轴13与器械自转关节轴4重合时出现的手腕2奇异，并实现器械200在手术中任意位置从顶端撤离。

在其他可替代的实施例中，手腕的第二端用于安装器械，部分器械本身具有自转关节轴，而无需在手腕上再设置器械自转关节轴，同样实现器械的自转功能。

如图2和图5所示，第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102的夹角范围为大于等于65°且小于等于85°。为了避开奇异点，适当限缩第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102的夹角范围，避免小臂自转关节轴13与器械自转关节轴4重合时出现的手腕2奇异，便于器械200旋转到需要的位置，且还便于器械200从顶端拔出。如图4所示，第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102的最佳夹角是刚好能安全从顶部抽离器械200的角度。当然，在其他的实施例中，可通过增加臂展，使上述夹角更接近90度，以减小手腕2运动的盲区。

如图1-图4所示，在本实施例中，小臂1包括第一支撑臂11、第二支撑臂12和小臂自转关节轴13，第一支撑臂11的一端通过小臂自转关节轴13与第二支撑臂12的一端转动连接，第一支撑臂11的另一端通过第一摆动关节轴3与手腕2的一端转动连接，用于提供更多的自由度，扩大器械姿态的可达空间。

如图5所示，第一摆动关节轴3的轴线101、器械自转关节轴4的轴线102和小臂自转关节轴13的轴线103三者的轴线在空间上交汇于一点，用于提高手腕姿态灵活性，并降低运动规划的难度，同时还能保证器械200从顶端拔出。

如图3和图4所示，第一支撑臂11靠近手腕2的一端设置有避让槽111，避让槽111用于手腕2旋转时的避让，防止手腕2旋转时与小臂1产生干涉。

如图1-图4所示，机械臂还包括大臂5和第二摆动关节轴6，大臂5包括第三支撑臂51、第四支撑臂52和大臂自转关节轴53，第三支撑臂51的一端通过大臂自转关节轴53与第四支撑臂52转动连接，第三支撑臂51的另一端通过第二摆动关节轴6与小臂1远离手腕2的一端(即第二支撑臂12的一端)转动连接，用于提供更多的自由度，同时增加臂展，能够弥补非正交手腕构型的姿态盲区。

如图1-图4所示，机械臂还包括基座单元7和第三摆动关节轴8，基座单元7包括底座71、旋转座72和基座自转关节轴73，底座71通过所基座自转关节轴73与旋转座72的一端转动连接，旋转座72的另一端通过第三摆动关节轴8与第四支撑臂52远离第三支撑臂51的一端转动连接，用于提供更多的自由度，同时增加臂展，能够弥补非正交手腕构型的姿态盲区。本实施例中，由于手腕2、小臂1和大臂5形成有六个自由度，与器械自转关节轴4结合起来构成七自由度的机械臂，使机械臂系统具有冗余自由度，冗余自由度的增加可以提高机械臂的灵活性，弥补非正交手腕构型的姿态盲区。

其中，基座自转关节轴73、第三摆动关节轴8和大臂自转关节轴53三者的轴线在空间上交汇于一点，提高机械臂姿态的灵活性，并降低运动规划的难度。

如图6所示，在本实施例中，将第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102设置为不垂直也同样会带来问题，使手腕2姿态活动范围缩小，以小臂自转关节轴13处的迪卡尔坐标系O-XYZ作为参考(Z轴沿着小臂自转关节轴13，Y轴图中未示出)，在关节运动模式下，若手腕2两轴(第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102)垂直，则器械自转关节轴4的朝向可以是XY平面外侧任意方向，但若手腕2的两轴(第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102)角度设置为75°，那么手腕2自转方向则只能在Φ₁＝30°的锥体外摆动，存在姿态盲区300，但这个姿态盲区300可以通过臂形角(七轴机械臂的冗余自由度)去补偿实现。手腕2的两轴(第一摆动关节轴3的轴线101与器械自转关节轴4的轴线102)夹角越小(小于90°，常规是90°)，器械自转关节轴4姿态盲区300越大，能灵活使用的空间越小。

本实施例还公开了一种医疗设备，该医疗设备包括如上所述的机械臂。由于手腕2、小臂1和大臂5形成有六个自由度，与器械自转关节轴4结合起来构成七自由度的机械臂，使机械臂系统具有冗余自由度，冗余自由度的增加，可以弥补手腕非正交体系所引起的姿态盲区，实现器械任意姿态连续可达。

在本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括小臂、手腕、第一摆动关节轴和器械自转关节轴，所述小臂通过所述第一摆动关节轴与所述手腕的第一端转动连接，所述手腕的第二端上安装有所述器械自转关节轴，所述器械自转关节轴用于与器械连接，所述第一摆动关节轴的轴线与所述器械自转关节轴的轴线不垂直。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一摆动关节轴的轴线与所述器械自转关节轴的轴线的夹角范围为大于等于65°且小于等于85°。

3.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述小臂包括第一支撑臂、第二支撑臂和小臂自转关节轴，所述第一支撑臂的一端通过所述小臂自转关节轴与所述第二支撑臂的一端转动连接，所述第一支撑臂的另一端通过所述第一摆动关节轴与所述手腕的一端转动连接。

4.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述第一摆动关节轴、所述器械自转关节轴和所述小臂自转关节轴三者的轴线在空间上交汇于一点。

5.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述第一支撑臂靠近所述手腕的一端设置有避让槽，所述避让槽用于所述手腕旋转时的避让。

6.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括大臂和第二摆动关节轴，所述大臂包括第三支撑臂、第四支撑臂和大臂自转关节轴，所述第三支撑臂的一端通过所述大臂自转关节轴与所述第四支撑臂转动连接，所述第三支撑臂的另一端通过所述第二摆动关节轴与所述小臂远离所述手腕的一端转动连接。

7.如权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括基座单元和第三摆动关节轴，所述基座单元包括底座、旋转座和基座自转关节轴，所述底座通过所基座自转关节轴与所述旋转座的一端转动连接，所述旋转座的另一端通过第三摆动关节轴与所述第四支撑臂远离所述第三支撑臂的一端转动连接。

8.如权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述基座自转关节轴、所述第三摆动关节轴和所述大臂自转关节轴三者的轴线在空间上交汇于一点。

9.一种医疗设备，其特征在于，所述医疗设备包括如权利要求1-8中任意一项所述的机械臂。