CN204446127U - 一种腹腔镜微创手术机器人机械臂rcm机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ、直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ、转动输出机构与手术器械，六根连杆组成双平行四边形机构，分别通过直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ及转动输出机构的驱动作用，对应实现手术器械直线位移自由度T、偏转自由度P及旋转自由度Y的运动；通过双平行四边形机构及将旋转自由度Y的旋转中心轴与连杆Ⅱ间形成一定夹角θ的方式，降低了各自由度对驱动机构力/扭矩的要求；通过直线运动输出机构II直接推拉连杆III，减小了对该自由度驱动机构的输出力/力矩要求，实现了腹腔镜微创手术机器人机械臂的轻量化与小型化。

Description

一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构。

背景技术

遥操作微创手术机器人系统可以协助医生完成更精细的手术动作，减少手术时由于疲劳或手部震颤造成的损伤。同时手术损伤小、愈合快为患者带来更理想的手术结果。目前，美国的达芬奇微创手术机器人系统(da Vinci System)已在临床广泛应用。小型化和低成本微创手术机器人系统是未来的发展趋势，同时触觉力反馈在微创外科手术中发挥着极其重要的作用。手术机器人系统的小型化可以节省操作空间，安装运行方便，但是也为手术机器人系统机械臂小型化提出了更高要求。

在腹腔镜微创手术机器人技术中，一个极其重要的关键部分就是它的远端运动中心(Remote Center of Motion，简称RCM)机构。RCM机构的作用在于提供一个远端运动中心点，该远端运动中心点与微创手术切口重合，可确保在微创手术过程中手术器械与病人的手术切口不发生拉扯，保证了手术安全。由于RCM机构本身的小型化也将附带着术前摆位臂的小型化，因此RCM机构的大小很大程度上影响着腹腔镜微创手术机器人系统的体积大小。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、且具有小型化、轻量化的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ、直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ、转动输出机构与手术器械；所述直线运动输出机构Ⅰ设置在连杆Ⅵ上，所述连杆Ⅰ、连杆Ⅱ及连杆Ⅴ相平行，所述连杆Ⅲ、连杆Ⅳ及连杆Ⅵ相平行，所述连杆Ⅰ与连杆Ⅱ一端分别铰接在连杆Ⅵ两端，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ一侧，所述连杆Ⅰ的空置端与连杆Ⅲ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ的空置端与连杆Ⅳ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ与连杆Ⅲ铰接，且各连杆铰接后形成双平行四边形机构；所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ另一侧，所述直线运动输出机构Ⅱ两端分别铰接在连杆Ⅲ与连杆Ⅴ上，所述手术器械设置在直线运动输出机构Ⅰ上。

进一步，所述连杆Ⅴ为异形连杆，包括直杆部及弯折部，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ的直杆部一侧，所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ的弯折部一侧。

进一步，所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ上对应设有直线运动部件Ⅰ与直线运动部件Ⅱ，所述手术器械设置在直线运动部件Ⅰ上，所述直线运动部件Ⅱ的伸出端铰接在连杆Ⅲ上，直线运动输出机构Ⅱ底部铰接在连杆Ⅴ上。

进一步，所述转动输出机构为液压马达或气动马达。

进一步，所述转动输出机构为伺服电机。

进一步，所述伺服电机与连杆Ⅴ间设有减速器与制动器。

进一步，所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ为电动缸或液压缸或气动缸或直线滑台。

本实用新型的有益效果在于：

(1)转动自由度Y的旋转中心轴与连杆Ⅱ形成一定夹角θ，当该旋转中心轴与重力方向不一致时，旋转中心轴两侧重量形成的转矩部分抵消，降低了对转动输出机构的输出扭矩要求；

(2)转动自由度Y的旋转中心轴与连杆II成一定夹角θ，可减小转动自由度Y运动过程中的转动惯量，与该旋转中心轴与连杆II平行相比情况，降低了该自由度的制动要求；

(3)由直线运动输出机构Ⅱ推拉连杆Ⅲ，与电机直接驱动偏转自由度P转轴的情况相比，该结构构成了较大的力臂，降低了对该自由度驱动机构输出力/力矩的要求；

(4)降低了各自由度对驱动机构力/扭矩的要求，不仅降低了成本投入，还进一步实现腹腔镜微创手术机器人机械臂的轻量化与小型化。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为直线位移自由度T的运动示意图；

图3为偏转自由度P的运动示意图；

图4为旋转自由度Y的运动示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型中的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，包括连杆Ⅰ1、连杆Ⅱ2、连杆Ⅲ3、连杆Ⅳ4、连杆Ⅴ5、连杆Ⅵ6、转动输出机构7、直线运动输出机构Ⅱ8、直线运动输出机构Ⅰ9与手术器械10；所述直线运动输出机构Ⅰ9设置在连杆Ⅵ6上，所述连杆Ⅰ1、连杆Ⅱ2及连杆Ⅴ5相平行，所述连杆Ⅲ3、连杆Ⅳ4及连杆Ⅵ6相平行，所述连杆Ⅰ1与连杆Ⅱ2一端分别铰接在连杆Ⅵ6两端，所述连杆Ⅲ3与连杆Ⅳ4一端分别铰接在连杆Ⅴ5一侧，所述连杆Ⅰ1的空置端与连杆Ⅲ3的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ2的空置端与连杆Ⅳ4的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ2与连杆Ⅲ3铰接，且各连杆铰接后形成双平行四边形机构；所述转动输出机构7设置在连杆Ⅴ5另一侧，所述直线运动输出机构Ⅱ8两端分别铰接在连杆Ⅲ3与连杆Ⅴ5上，所述手术器械10设置在直线运动输出机构Ⅰ9上。

本实施例中，六根连杆组成双平行四边形机构，通过直线运动输出机构Ⅱ8的驱动作用，实现双平行四边形机构的联动，最终带动手术器械10实现偏转。其基本原理为：直线运动输出机构Ⅰ9驱动手术器械10实现直线位移自由度T的运动，直线运动输出机构Ⅱ8通过连杆组成的双平行四边形机构驱动手术器械10实现偏转自由度P的运动，转动输出机构7通过连杆Ⅴ5实现旋转自由度Y的运动。旋转自由度Y、偏转自由度P和直线位移自由度T三者轴线相交于一点，构成远端运动中心点11(Remote Center of Motion，简称RCM)机构。

具体的，双平行四边形机构形成一个确定的运动中心点11，转动输出机构7驱动连杆Ⅴ5旋转时，连杆Ⅴ5上形成一个通过运动中心点11的旋转中心轴12，安装时只要保证直线运动输出机构Ⅰ9上的手术器械10的轴线17穿过运动中心点11，即可实现远端运动中心点的确定，保证末端工具能以该中心点为中心产生大范围的角度调整。连杆Ⅴ5为异形连杆，包括直杆部51及弯折部52，所述连杆Ⅲ3与连杆Ⅳ4一端分别铰接在连杆Ⅴ5的直杆部51一侧，所述转动输出机构7设置在连杆Ⅴ5的弯折部52一侧；采用该结构的连杆Ⅴ5，可使旋转中心轴12与连杆Ⅱ2之间具有夹角θ，该夹角θ可减小转动自由度Y运动过程中的转动惯量，降低该自由度的制动要求；同时，因为旋转中心轴12两侧重量产生的扭矩部分抵消，也降低了旋转自由度Y对转动输出机构7的输出扭矩要求。

在本实施例中，所述直线运动输出机构Ⅰ9与直线运动输出机构Ⅱ8上对应设有直线运动部件Ⅰ16与直线运动部件Ⅱ14，所述手术器械10设置在直线运动部件Ⅰ16上，所述直线运动部件Ⅱ14的伸出端通过转动轴15铰接在连杆Ⅲ3上，直线运动输出机构Ⅱ8底部通过转动轴13铰接在连杆Ⅴ5上。具体的，如图2所示，直线运动输出机构Ⅰ9驱动直线运动部件Ⅰ16，直线运动部件Ⅰ16带动手术器械10沿轴线17上下移动，实现手术器械10直线位移自由度T的运动；如图3所示，直线运动输出机构Ⅱ8驱动直线运动部件Ⅱ14，直线运动部件Ⅱ14牵拉双平行四边形机构使其进行偏摆运动，摆动的双平行四边形机构牵拉直线运动输出机构Ⅰ9，进而实现手术器械10偏转自由度P的运动；如图4所示，转动输出机构7驱动连杆Ⅴ5绕旋转中心轴12旋转，连杆Ⅴ5带动与其相连接的其他部分同时进行旋转运动，进而实现手术器械10旋转自由度Y的运动。

作为上述方案的进一步改进，所述转动输出机构7为液压马达或气动马达或伺服电机，采用伺服电机时，连杆Ⅴ5与转动输出机构7之间可根据实际情况配设减速器与制动器，以适应不同的应用情况。

作为上述方案的进一步改进，所述直线运动输出机构Ⅰ9与直线运动输出机构Ⅱ8为电动缸或液压缸或气动缸或直线滑台，本实施例中，直线运动输出机构Ⅰ9采用直线滑台，直线运动输出机构Ⅱ8采用液压缸，安装方便，易于调控；当然，也可根据实际使用情况进行同类产品的替换。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ、直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ、转动输出机构与手术器械；所述直线运动输出机构Ⅰ设置在连杆Ⅵ上，所述连杆Ⅰ、连杆Ⅱ及连杆Ⅴ相平行，所述连杆Ⅲ、连杆Ⅳ及连杆Ⅵ相平行，所述连杆Ⅰ与连杆Ⅱ一端分别铰接在连杆Ⅵ两端，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ一侧，所述连杆Ⅰ的空置端与连杆Ⅲ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ的空置端与连杆Ⅳ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ与连杆Ⅲ铰接，且各连杆铰接后形成双平行四边形机构；所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ另一侧，所述直线运动输出机构Ⅱ两端分别铰接在连杆Ⅲ与连杆Ⅴ上，所述手术器械设置在直线运动输出机构Ⅰ上。

2.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述连杆Ⅴ为异形连杆，包括直杆部及弯折部，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ的直杆部一侧，所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ的弯折部一侧。

3.根据权利要求2所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ上对应设有直线运动部件Ⅰ与直线运动部件Ⅱ，所述手术器械设置在直线运动部件Ⅰ上，所述直线运动部件Ⅱ的伸出端铰接在连杆Ⅲ上，直线运动输出机构Ⅱ底部铰接在连杆Ⅴ上。

4.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述转动输出机构为液压马达或气动马达。

5.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述转动输出机构为伺服电机。

6.根据权利要求5所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述伺服电机与连杆Ⅴ间设有减速器与制动器。

7.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ为电动缸或液压缸或气动缸或直线滑台。