CN208598522U - 具有冗余自由度的手术机器人主动臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有冗余自由度的手术机器人主动臂，属于医疗器械技术领域。它解决了现有的主动臂在运动范围和摆位空间上仍存在局限性的问题。它包括固定臂、铰接在固定臂一端的中段臂、铰接在中段臂一端的前段臂和铰接在前段臂一端的滑动臂，滑动臂上设有带器械手的手术器械，中段臂与前段臂之间形成有位于平行四边形顶点处的远心点，器械手的中轴线穿过远心点，固定臂上设有用于实现伸展自由度的伸展电机和用于实现旋转自由度的横滚电机，主动臂还包括用于实现冗余自由度的驱动结构，横滚电机设于驱动结构上，伸展电机设于横滚电机上。本实用新型在手术器械运动范围和摆位空间上带来极大优势，使术前摆位更加灵活，最大程度避免干涉。

Description

具有冗余自由度的手术机器人主动臂

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域，涉及一种具有冗余自由度的手术机器人主动臂。

背景技术

随着机器人技术的应用和发展，特别是计算技术的发展，医用手术机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。微创手术机器人可以减轻医生在手术过程中的体力劳动，同时达到精准手术目的，使患者微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快。微创手术机器人系统通常使用主从式控制模式：操作者在对主手进行操作时，其手部运动会带动主手随之运动，主手关节处传感器可以测量运动信息，再通过主从控制算法将主手的运动映射到从手主动臂，从手主动臂各关节被动运动，带动手术器械实现相应运动。微创手术机器人主动臂关键组成部分主要包括远程运动中心机构和手术器械，其机械结构的设计优劣直接影响了微创手术机器人的性能，也制约着系统中其他部件的研发与设计。

从手主动臂需要体积小，重量轻，范围大。若体积大则影响多臂的布局，为避免干涉，手术开口距离就比较大；若重量大则会造成驱动困难，前端手术器械容易抖动；运动范围大才能满足手术要求。手术机器人在手术前，需要先将戳卡插入人体，而戳卡又需固定在滑动臂上，主动臂初始位置处于收缩状态，需要手动拉动主动臂到戳卡处定位固定，完成术前摆位。主动臂的术前摆位是机器人微创手术的前提，手动调整效果将影响到微创手术的质量和效率。目前手术机器人（如达芬奇SI型机器人）的主动臂有三个自由度：两个旋转自由度（横滚运动和伸展运动），一个手术器械伸缩自由度，三个自由度虽然也能满足手术需求，但在运动范围和摆位空间方面仍然有不少局限性。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种在手术器械运动范围和摆位空间上带来极大优势的具有冗余自由度的手术机器人主动臂。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：

具有冗余自由度的手术机器人主动臂，包括固定臂、铰接在固定臂一端的中段臂、铰接在中段臂远离固定臂一端的前段臂和铰接在前段臂远离中段臂一端的滑动臂，所述的滑动臂上设有带器械手的手术器械，所述的中段臂与前段臂构成平行四边形的两侧边，且两者之间形成有位于平行四边形顶点处的远心点，所述器械手的中轴线穿过远心点，其特征在于，所述的固定臂上设有用于实现伸展自由度的伸展电机和用于实现旋转自由度的横滚电机，在伸展与旋转过程中器械手的中轴线始终穿过远心点，主动臂还包括用于实现冗余自由度的驱动结构，所述的横滚电机设于驱动结构上，所述的伸展电机设于横滚电机上。

器械手的轴向运动为第一自由度，伸展运动为第二自由度，旋转运动为第三自由度，并通过驱动结构实现第四自由度，给手术器械的运动范围和摆位空间带来极大优势。

在上述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂中，所述的驱动结构包括固定座、固定在固定座上的摆臂电机和固定在摆臂电机输出轴上的摇摆臂，所述摆臂电机的中轴线与远心点相交，所述的横滚电机固定在摇摆臂远离摆臂电机的一端且与摆臂电机位于摇摆臂的不同侧，所述横滚电机的中轴线穿过远心点。

在上述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂中，所述的横滚电机上固定有安装座，所述的固定臂固定在安装座上。

在上述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂中，所述横滚电机的中轴线与伸展电机的中轴线相垂直，所述横滚电机的中轴线至固定臂的垂直距离等于远心点至固定臂的垂直距离。

在上述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂中，所述横滚电机的中轴线与由伸展电机的中轴线和远心点构成的平面相交。

在上述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂中，所述的摇摆臂呈弧形且其上具有安装平面一和安装平面二，所述的安装平面一与安装平面二位于摇摆臂的不同侧，所述摆臂电机的中轴线与安装平面一垂直，所述横滚电机的中轴线与安装平面二垂直，所述的摆臂电机固定在安装平面一上，所述横滚电机的输出轴固定在安装平面二上。

主动臂沿着横滚电机的中轴线旋转时，伸展电机和固定臂不会与摇摆臂发生碰撞或干涉。

伸展电机经过减速后通过固定臂中的传动机构驱动中段臂、前段臂和滑动臂旋转，形成伸展运动；横滚电机经减速后驱动各臂绕横滚电机中轴线旋转，形成横滚运动；摆臂电机经减速后驱动主动臂绕摆臂电机的中轴线旋转，形成摇摆运动，其中器械手线、横滚轴线和摇摆轴线三者都经过远心点，此三自由度的运动不会影响远心点的位置，所以能保证安全性。

与现有技术相比，本具有冗余自由度的手术机器人主动臂具有以下优点：由于增加了冗余自由度，对于术前摆位将更加灵活，手术器械从某个角度某个位置插入人体，摇摆、横滚、伸展三自由度配合，可以组合出四种位置都能满足，由于整个手术机器人一般由四条主动臂组成，那么四种位置可能性的设计将非常利于四条主动臂的摆位，可以最大程度避免干涉。

附图说明

图1是本实用新型提供的较佳实施例的结构示意图。

图中，1、固定臂；2、中段臂；3、前段臂；4、滑动臂；5、器械手；6、手术器械；7、远心点；8、伸展电机；9、横滚电机；10、固定座；11、摆臂电机；12、摇摆臂；13、安装平面一；14、安装平面二。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示的具有冗余自由度的手术机器人主动臂，包括固定臂1、铰接在固定臂1一端的中段臂2、铰接在中段臂2远离固定臂1一端的前段臂3和铰接在前段臂3远离中段臂2一端的滑动臂4，滑动臂4上设有带器械手5的手术器械6，中段臂2与前段臂3构成平行四边形的两侧边，且两者之间形成有位于平行四边形顶点处的远心点7，器械手5的中轴线穿过远心点7。

如图1所示，固定臂1上设有用于实现伸展自由度的伸展电机8和用于实现旋转自由度的横滚电机9，在伸展与旋转过程中器械手5的中轴线始终穿过远心点7，主动臂还包括用于实现冗余自由度的驱动结构，横滚电机9设于驱动结构上，伸展电机8设于横滚电机9上。器械手5的轴向运动为第一自由度，伸展运动为第二自由度，旋转运动为第三自由度，并通过驱动结构实现第四自由度，给手术器械6的运动范围和摆位空间带来极大优势。

如图1所示，驱动结构包括固定座10、固定在固定座10上的摆臂电机11和固定在摆臂电机11输出轴上的摇摆臂12，摆臂电机11的中轴线与远心点7相交，横滚电机9固定在摇摆臂12远离摆臂电机11的一端且与摆臂电机11位于摇摆臂12的不同侧，横滚电机9的中轴线穿过远心点7。

本实施例中，在横滚电机9上固定有安装座，固定臂1固定在安装座上。

如图1所示，横滚电机9的中轴线与伸展电机8的中轴线相垂直，横滚电机9的中轴线至固定臂1的垂直距离等于远心点7至固定臂1的垂直距离。具体的，横滚电机9的中轴线与由伸展电机8的中轴线和远心点7构成的平面相交。

如图1所示，摇摆臂12呈弧形且其上具有安装平面一13和安装平面二14，安装平面一13与安装平面二14位于摇摆臂12的不同侧，摆臂电机11的中轴线与安装平面一13垂直，横滚电机9的中轴线与安装平面二14垂直，摆臂电机11固定在安装平面一13上，横滚电机9的输出轴固定在安装平面二14上。主动臂沿着横滚电机9的中轴线旋转时，伸展电机8和固定臂1不会与摇摆臂12发生碰撞或干涉。

伸展电机8经过减速后通过固定臂1中的传动机构驱动中段臂2、前段臂3和滑动臂4旋转，形成伸展运动；横滚电机9经减速后驱动各臂绕横滚电机9中轴线旋转，形成横滚运动；摆臂电机11经减速后驱动主动臂绕摆臂电机11的中轴线旋转，形成摇摆运动，其中器械手5线、横滚轴线和摇摆轴线三者都经过远心点7，此三自由度的运动不会影响远心点7的位置，所以能保证安全性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种具有冗余自由度的手术机器人主动臂，包括固定臂（1）、铰接在固定臂（1）一端的中段臂（2）、铰接在中段臂（2）远离固定臂（1）一端的前段臂（3）和铰接在前段臂（3）远离中段臂（2）一端的滑动臂（4），所述的滑动臂（4）上设有带器械手（5）的手术器械（6），所述的中段臂（2）与前段臂（3）构成平行四边形的两侧边，且两者之间形成有位于平行四边形顶点处的远心点（7），所述器械手（5）的中轴线穿过远心点（7），其特征在于，所述的固定臂（1）上设有用于实现伸展自由度的伸展电机（8）和用于实现旋转自由度的横滚电机（9），在伸展与旋转过程中器械手（5）的中轴线始终穿过远心点（7），主动臂还包括用于实现冗余自由度的驱动结构，所述的横滚电机（9）设于驱动结构上，所述的伸展电机（8）设于横滚电机（9）上。

2.根据权利要求1所述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂，其特征在于，所述的驱动结构包括固定座（10）、固定在固定座（10）上的摆臂电机（11）和固定在摆臂电机（11）输出轴上的摇摆臂（12），所述摆臂电机（11）的中轴线与远心点（7）相交，所述的横滚电机（9）固定在摇摆臂（12）远离摆臂电机（11）的一端且与摆臂电机（11）位于摇摆臂（12）的不同侧，所述横滚电机（9）的中轴线穿过远心点（7）。

3.根据权利要求1所述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂，其特征在于，所述的横滚电机（9）上固定有安装座，所述的固定臂（1）固定在安装座上。

4.根据权利要求1或3所述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂，其特征在于，所述横滚电机（9）的中轴线与伸展电机（8）的中轴线相垂直，所述横滚电机（9）的中轴线至固定臂（1）的垂直距离等于远心点（7）至固定臂（1）的垂直距离。

5.根据权利要求4所述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂，其特征在于，所述横滚电机（9）的中轴线与由伸展电机（8）的中轴线和远心点（7）构成的平面相交。

6.根据权利要求2所述的具有冗余自由度的手术机器人主动臂，其特征在于，所述的摇摆臂（12）呈弧形且其上具有安装平面一（13）和安装平面二（14），所述的安装平面一（13）与安装平面二（14）位于摇摆臂（12）的不同侧，所述摆臂电机（11）的中轴线与安装平面一（13）垂直，所述横滚电机（9）的中轴线与安装平面二（14）垂直，所述的摆臂电机（11）固定在安装平面一（13）上，所述横滚电机（9）的输出轴固定在安装平面二（14）上。