CN209611305U - 一种基于万向关节的手术机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于万向关节的手术机器人，包括至少两个万向关节组成的多自由度关节臂，万向关节内有驱动组件驱动万向关节运动；相邻的万向关节之间通过通道管连接，通道管上有驱动组件驱动通道管运动。万向关节的中心顺序穿设有旋转通道管、进退通道管和手术器械。本实用新型同时提供基于相同结构原理的控制装置。本实用新型利用万向关节的三维旋转能力简化了手术机器人及控制装置的结构，而且控制装置和执行装置结构相同，有触觉反馈给操作者，提升了手术机器人的便携性及操作性。

Description

一种基于万向关节的手术机器人

技术领域

本实用新型涉及一种手术机器人系统，具体涉及一种基于万向关节的手术机器人。

背景技术

随着科技的进步，微创外科手术中手术器械通过体表固定的小切口进入体内完成手术，越来越多的微创外科手术开始使用手术机器人。目前达芬奇机器人是世界上商品化和临床化最成功的微创机器人，该机器人采用的开环平行四边形远心定位机构，依靠钢带同步约束来实现平行四边机构，该机构的缺点是在装配时需要借助装置寻找远心定位点。被动臂采用基于移动平台的机械臂集成，这种方式的缺点是整个机械系统体积较大，为了便于术前调整需要被动臂具有四个自由度，导致悬臂梁较长，使得机器人整体刚度降低。同时出于达芬奇微创机器人在这方面的专利壁垒考虑，而且现在大多数的手术器械装置的驱动是通过电机直接驱动，这样往往使得驱动电机布置在平台的上部，导致头重脚轻，增大了关节的驱动力矩，使得机械臂系统容易产生震动。

内窥镜驱动装置采用螺母丝杠传动方式，但这种方式不便于手动实现术前调整，竖向移动装置采用电机带动螺母丝杠方式来实现上下运动，整体体积比较大。要调整镜头方向时，主刀医生需要停止所有持械臂操作，切换到持镜臂控制系统，用两只手共同调整持镜臂的位置，调整完毕后，再切换持械臂控制系统，重新开始中断的操作。反复切换浪费时间，也不能像常规腹腔镜手术中由助手灵活地控制镜头方向和角度。

达芬奇微创机器人也缺少触觉反馈，而触觉反馈可以使手术医生辨别组织，“触摸”到受感染或被炎症影响的脆弱组织，并更加小心谨慎地进行诊断分析。有了触觉反馈，医生在微创手术中将可以更完美、更精准地缝合伤口。

人类的手臂有多个关节，其中肩关节和腕关节都是有两个自由度的球窝关节。肘关节可以缩短肩关节和腕关节之间的距离，相当于一个进退的自由度。尺骨和挠骨之间可以通过交叉来旋转手腕，相当于一个旋转的自由度。整个手臂具有六个自由度，已经可让手再空间内自由移动。手部的掌指关节是有两个自由度的球窝关节，作为冗余自由度，可以让指尖更加灵活。作为手术机器人，六个自由度已经可以满足手术需求，目前的手术机器人是通过六个单自由度的关节来模拟手臂三个关节所实现的六自由度，造成机器人的体积庞大、重量巨大和成本高昂，在控制方面也更加复杂。

因此模仿人体手臂研发新型的微创机器人机械臂系统对我国微创机器人领域发展具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于万向关节的手术机器人。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的基于万向关节的手术机器人，具有至少两个万向关节组成的多自由度关节臂，所述万向关节内有驱动组件驱动万向关节运动；相邻的万向关节之间通过通道管连接，所述通道管上有驱动组件驱动通道管运动。

具体地，所述驱动组件包括驱动件和驱动电机，驱动件和驱动电机直接连接或通过传动装置联接。

具体地，所述通道管的管壁上安装有驱动座，驱动座内安装有用于驱动穿过物沿通道管进退的第一驱动组件，所述第一驱动组件与穿过物啮合，所述穿过物是穿过通道管的手术器械。

具体地，所述万向关节内安装有第二驱动组件，所述第二驱动组件用于驱动穿过物沿通道管内壁旋转。

具体地，所述通道管包括旋转通道管和进退通道管：

所述旋转通道管直接或通过过渡管与万向关节固定连接，所述旋转通道管安装上具有驱动穿过物沿通道管轴向旋转的第三驱动组件。

所述进退通道管直接穿入或通过过渡管穿入旋转通道管或球型件中，所述进退通道管上安装有驱动穿过物沿通道管轴向进退的第四驱动组件。

具体地，所述关节座通过弹簧安装在关节活动框内，所述关节活动框与手术机器人固定支架联接。

具体地，所述万向关节是球窝关节，所述球窝关节包括球型件和关节座。

具体地，所述万向关节包括内环和外环，所述内环悬挂在所述外环上，外环悬挂在关节座上；内环与外环的旋转轴相互垂直，轴心线的夹角为90度。

具体地，所述万向关节是十字轴式万向联轴器。

一种基于万向关节及触觉反馈的手术机器人，是在上述的基于万向关节的手术机器人的基础上，所述驱动组件内还包括感应器，驱动件和感应器直接连接或通过传动装置联接，所述感应器感应驱动件的旋转运动。

一种基于万向关节的手术机器人控制装置，是在上述机器人的结构基础上，采用感应组件替换机器人的驱动组件，并在通道管内壁设限位件。

有益效果：

1.简易便携。用万向关节代替复杂的机械臂。每个万向关节都可以单独包装运输，体积小，重量轻，便于携带和组装。在野外救援、航天航空中也可以应用。

2.便于批量生产。由于控制装置和执行装置结构相同，使用时可以互相替换。生产时可以共用同一条生产线，同样的包装和同样的存储。损坏后可随时替换新部件，也可以作为一次性耗材使用。

3.方便手、口和足部同时控制。该系统可以让主刀医生在双手操作时，还能由唇舌和足部自由控制其他的机械臂，相当于多了几只手，减少一个扶镜医生或助手医生，也能避免两人沟通时发生的障碍。

4.结构简单，安装、调试简单。需要控制的部件少，系统简单，发生故障少，维修容易。经济性好，减少患者的经济负担。

5.布局灵活。传统手术机器人只有4个以下的机械臂，本实用新型可以根据需要布局更多的万向关节手术机器人，由多个医生同时完成多个部位的手术。

6.拥有触觉反馈系统。

除以上所述的本实用新型解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本实用新型目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

附图说明

图 1是本实用新型实施例一中双万向关节机器人的内部结构示意图 ；

图2是实施例一中万向关节的结构示意图；

图3是实施例一中驱动件的结构示意图

图4是实施例一中感应件的结构示意图；

图5是实施例一中驱动穿过物前进和后退的通道管结构示意图；

图6是实施例一中驱动穿过物旋转的通道管结构示意图；

图7是实施例一中两种不同用途通道管组合后的结构示意图；

图8是实施例一中两种不同用途通道管和万向关节组合后的结构示意图；

图9是实施例一中关节支撑装置的结构示意图；

图10是实施例一中万向关节在关节支撑装置中偏转的原理示意图；

图11是实施例一中执行器械臂结构示意图；

图12是实施例一中执行器械臂外壳去除后示意图；

图13是实施例一中执行器械臂控制部的剖面结构示意图；

图14是实施例一中手术机器人前端外壳去除后示意图；

图15是实施例一中前端执行装置多方向旋转与多方向夹持的示意图；

图16是实施例一中杆体和内部拉索的解剖图；

图17是实施例一中双万向关节机器人的手术安装方式示意图

图18是实施例二中球型件内有驱动组件的结构示意图；

图19是实施例二中球型件内有驱动组件的整体手术机器人示意图；

图20是实施例三中使用双环万向关节的结构示意图。

其中：1-第一万向关节，2-通道管，3-关节支撑装置，4-执行器械臂，5-驱动组件，6-感应组件，7-控制装置，8-执行装置，9-第二万向关节；

11-球型件，12-球型件通孔，13-关节座外壳，14-防旋转横梁，15-防旋转固定架；

21-螺纹通道管，22-通道管缺口，23-通道管承口，24-通道管插口，25-锥形管道颈，26-过渡管，27-驱动座，28-管道固定螺母；

31-关节活动框，32-悬挂弹簧，33-支撑杆，34-支撑架，35-固定架，36-驱动座固定件；

51-驱动件，52-驱动电机，53-传动装置及电路板，54-驱动件固定架，55-第一驱动组件，56-第二驱动组件；

61-感应件，62-感应器，63-感应滚轴，64-感应磁环，65-霍尔传感器及电路板，66-外壳；

71-外壳，72-控制部，73-支撑装置，74-前端执行装置，75-控制电路，76-电池；77-控制部外壳，78-执行拉索驱动部外壳，79-杆部外壳，70-腕部密封软套；

81-第一球窝，82-第二球窝，83-第一球窝底面凹陷，85-执行拉索，86-传动拉索，87-拉索固定件；

91-第一球头，92-第一支撑弹簧，93-第一支撑杆，94-第一支撑架，95-十字万向节，96-第二支撑球，97第二支撑杆，98-第二支撑架，99-漏斗型孔；

101-安装座，102-复位弹簧，103-传动杆,104-钳头旋转轴，105-钳头，106-弯曲球，107-弯曲球窝，108-传动拉索孔，109-执行拉索孔；

111-外环，112-内环，114-外环旋转轴，115-内环旋转轴。

具体实施方式

实施例一

本实用新型的万向关节机器人的结构如图1所示，关节活动框31固定在患者上方，用于穿设手术器械的通道管2穿过第一万向关节1中央的球型件11进入腹腔内，机器人的执行器械臂4穿过通道管2进入腹腔。第一万向关节1通过支持弹簧32被固定在关节活动框31内，关节活动框31又被支持杆33和支撑架34固定在手术床旁的固定架35上。固定架35安装在手术室的地板上。也可以采用其他安装形式，包括以横杆、立杆和手术床沿固定滑块组成，安装在手术床上，以及以吊顶的形式安装在患者上方的天花板上。已经充气膨胀起来的腹壁平整且缺少弹性，万向关节机器人也可以粘贴在此时硬实的腹壁上。但是本实用新型不限于该联结模式。

在万向关节机器人中，第一万向关节1和关节支撑装置3可以顺序地与支撑杆33联结，并且多个机械臂可以相互连接后与支撑杆33联结，从而机器人整体上可以构造得紧凑和小巧。

如图2所示，第一万向关节1由球型件11和关节壳13组成，关节壳13上有圆形开口，开口圆直径小于球型件11直径。关节壳13为两对称部分对合组成，对合后将球型件11卡位于关节壳内，被内部固定的两个相互垂直的驱动组件5和互相垂直的感应组件6共同夹住。驱动组件5和感应组件6都有固定卡座固定在关节壳13内，与球型件11的接触点围绕球型件11中心点呈对称分布，并且都在和关节壳13的底面平行的平面上。驱动组件5和感应组件6种类和位置在所安装部位对应的关节壳表面有标示。在一个非限制实施例中，关节壳为透明材料制成，可以直接看见内部不同组件的位置。

球型件11上有对称分布的旋转横梁14，卡在防旋转固定架15中的凹槽内。防旋转固定架15中的凹槽与关节壳13的底面垂直，可防止球型件11在运动中沿通道管2的长轴方向发生旋转。

如图3所示，驱动组件5由驱动电机52驱动，通过传动装置53将动力传至驱动件51。本实施例中驱动件51为滚轴样结构，通过驱动件固定架54固定在关节壳13上。在一个非限制实施例中，在实施例一的基础上又增加了驱动组件5，以增加驱动力，同时也在相对球型件11对称的位置增加了感应组件6，以感应新增驱动组件5驱动球型件11产生的运动。新增组件与球型件的接触点与实施例一中的接触点在同一平面上。

感应组件6与球型件11接触，为球型件11提供支持的同时也感应其运动。球型件11的转动可带动感应组件6上的感应件61随之转动。如图4所示，本实施例中感应件为通用的轨迹球结构，感应件61的转动可带动感应滚轴63转动，安装在感应滚轴63上的感应磁环64会随之转动。安装在电路板上的霍尔传感器65感应到感应磁环64上磁极的变化，产生脉冲信号，通过信号传输系统发送到万向关节机器人控制装置7中。

在一个非限制实施例中，感应组件6与驱动组件5结构相同，区别在于驱动电机52在换成了旋转编码器。驱动组件5中驱动电机52转动时，感应组件6中对应位置的旋转编码器也成比例地转动。

如图5和图6所示，驱动座27内安装有和第一万向关节1内相同的驱动组件5和感应组件6，都有固定卡座固定。如图5所示，这是用于驱动穿过物沿通道管2的内壁前进或后退的通道管，在后文中都简称为进退通道管。驱动座内所有驱动件51的驱动方向都与通道管的长轴方向平行。如图6所示，这是用于驱动穿过物沿通道管2的内壁旋转的通道管，在后文中都简称为旋转通道管。驱动座内的所有驱动件51的驱动方向都与通道管的长轴方向垂直。

通道管2穿过驱动座27并与其固定连接，通道管2位于驱动座27内的管道壁有通道管缺口22，驱动件51穿过通道管缺口22于通道管2内部的穿过物接触并驱动其运动，感应件61穿过通道管缺口22于通道管2内部的穿过物接触并感应其运动。通道管缺口22的形状与需要穿过的驱动件51和感应件61的形状相符合。

通道管2 两端分别为带螺纹的承口23和插口24。承口23内壁螺纹的内径与插口23外壁的螺纹的外径相同。一个通道管2的承口24可以与另外一个通道管2的插口23连接。在一个实施例中，通道管2的两端分别为带卡环的插口和带卡槽的承口，承口内壁卡槽的内径与插口外壁的卡环的外径相同。

如图7和图8所示，多个螺纹通道管21可前后串联共同驱动穿过其内部的穿过物运动。驱动方向相同的通道管可直接连接，驱动方向不相同的通道管需要用过渡管26连接。过渡管26管身的外径略小于旋转通道管的内径，可以插入旋转通道管并在驱动件51的驱动下旋转。过渡管26的承口与管身之间有锥形管道颈25过渡，过渡管26的插口可连接管道固定螺母28。锥形管道颈25和管道固定螺母28的外径分别大于螺纹通道管21的承口和插口的内径，因此可以起到限位的作用，限制过渡管26只能旋转不能前进和后退。

过渡管26的承口连接在进退通道管的插口上，可以带动进退通道管及驱动座27一起旋转。由于驱动件51与穿过物紧密连接并产生一定的摩擦力，因此也可以夹带穿过物一起旋转。在一个实施例中，为了加强这种夹带穿过物一起旋转的力量，在通道管21中设有与长轴方向平行的限位槽，在穿过物上设有与长轴方向平行的限位突出条与上述限位槽契合，以确保穿过物在进退的同时也能准确地旋转。

如图8所示，球型件11中央有球型件通孔12，球型件11连接驱动座固定架36。驱动座固定架36为锥形管道，与球型件通孔12相通，可容通道管或手术器械穿过。驱动座固定架36承口的内径与驱动座27外径相同，可以紧紧地卡住驱动座27。球型件11通过驱动座固定架36带动驱动座27做俯仰和摇摆运动。

第一万向关节1、进退通道管和旋转通道管组成万向关节机器人的执行装置，可以驱动执行器械臂4实现前进、后退、旋转、俯仰、摇摆，与人手操作的腹腔镜器械运动相同。

如图9所示，在腔镜手术中，执行器械臂4通过患者皮肤上的穿刺口进入体腔，并以此穿刺口为中心旋转活动。因此腔镜手术要求执行器械臂4在围绕球型件11中心旋转的同时还要围绕皮肤穿刺口为中心旋转，两个中心点间隔距离至少为球型件11的半径大小。当执行器械臂4旋转时可能产生对患者的皮肤的不必要的损伤，而皮肤的张力也会影响球型件11旋转的精度。为了解决该问题，将第一万向关节1通过悬挂弹簧32与关节活动框31联结，第一万向关节1可以在关节活动框31内活动，从而使执行器械臂4可以容易地绕皮肤穿刺口旋转。

如图10所示，在非限制性实施例中，假想执行器械臂4的转动的中心点是腹壁皮下肌肉层，可以预设在腹壁穿刺鞘上的特定位置O点，球型件11偏转角为零度时，第一万向关节1受周围弹簧牵拉，使球型件11的中心位于关节活动框31的中心点A点，直线AO是此时执行器械臂4的轴线。当第一万向关节1被电动机驱动开始旋转后，执行器械臂4轴线AO以O点为旋转点偏转到BO，迫使球型件11移动到B点。在一个实施例中关节活动框31为长方体结构，ABO三点构成一直角三角形，AO比BO短，AO偏转到BO所产生的位移可以由主机计算后予以位移补偿。在另一个实施例中，关节活动框31是半球结构，AO与BO长度相同或相差很小，AO偏转到BO所产生的位移为0或很小，可以不用补偿位移。

在一个实施例中万向关节机器人被用于开放手术，由于在开放手术中无皮肤的牵拉限制，第一万向关节1可以不需要关节支撑装置3直接与固定支架联结。

如图11-13所示，执行器械臂4内有第二万向关节9，采用遥控或线控的方式，以伺服电机52驱动，控制部分呈圆柱型，内壁上设有驱动装置。

驱动装置包括：第一球窝81、支撑装置73、传动拉索86、第二球窝82。

第一球窝81和第二球窝82之间有至少两根传动拉索86相连，可以将第一球窝81的旋转方向通过传动拉索86传递到第二球窝82。传动拉索86一端连接在第一球窝81上，另一端连接在第二球窝82上。传动拉索86长度都相同，传动拉索86的走行与杆体的长轴方向平行。拉索数量越多，第一球窝81和第二球窝82的活动越精准，锁定后也越稳定。

设备的两端均设有支撑装置73，支撑装置73顶部有球型头分别与第一球窝81的底面凹陷和第二球窝82组成球窝关节。

为了保持传动拉索86的紧张度，第一球窝81支撑装置73和第二球窝82支撑装置73至少有一处的支杆上有弹簧，本实施例在第一球窝81支撑装置73的第一支撑杆93上安装了第一支撑弹簧92，第一支撑弹簧92安装在第一支撑架94和第一球头91之间，第一支撑架94上有孔供第一支撑杆93活动。第一球头91在第一支撑弹簧92的弹力下持续向相反的方向支撑第一球窝81。紧绷的传动拉索86可以精确地传递动作。

第一球窝81支撑装置73上有第一支撑架94，传动拉索86穿过第一支撑架94，第一支撑架94有至少2根支杆与外壳相连。第一支撑架94上有与传动拉索86相匹配的限位管或限位孔，以限制传动拉索86只能沿着限位管或限位孔的长轴方向运动，防止传动拉索86互相纠缠或发生旋转。

第一球窝81比第二球窝82尺寸大，第一球窝81的倾斜引起传动拉索86的拉伸会带动第二球窝82以更大的角度成比例倾斜，对第一球窝81的细微控制角度在前端以更大的角度输出。在一个实施例中，第一球窝81比第二球窝82尺寸小，从而让第一球窝81的控制角度在前端以更小的角度输出，提高动作的精细度。

半球型的第一球窝81受到第一支撑弹簧92的压力，被紧压在四个滚轴样驱动件51上。四个驱动件51由摩擦系数高的橡胶制成，内穿过细钢条，钢条固定在外壳上，可以采用相互垂直成“口”字型的形式。执行拉索85缠绕在第二驱动组件56上，伺服电机52驱动拉紧执行拉索85使前端执行装置74的钳头105张开，伺服电机52反向旋转放松执行拉索85后，钳头105在复位弹簧102的弹力下闭合。

当伺服电机52接受电信号旋转，通过带动驱动件51旋转，进而带动第一球窝81旋转。当伺服电机52无电信号时保持静止，驱动件51也保持静止，将第一球窝81锁定。

本实施例中手术机器人装置由控制电路75控制，自带电池76，也可外接电线供电。控制电路接收的信号为无线控制，也可有线控制。

腕部结构的结构如图14和图15所示：

杆体前端有支撑结构，顶端为球形或半球形，中间有漏斗型孔99。上面有第二球窝82，底面有凹陷的球窝，与第二支撑球96形成第二球窝关节。在传动拉索86的带动下可绕第二支撑球96活动，带动前端执行装置安装座101灵活转动方向。漏洞型孔99可以避免执行拉索85过度弯折和磨损，仍可保持良好的力传导。安装座101的活动范围为以第二支撑球96为顶点，可以象人类手腕一样灵活的弯曲和旋转。

手术者可以在自己手握持最舒服的角度，无需反转自己手腕，仅仅靠大拇指的活动就可以控制钳头105夹持不同平面内的物体，或转动、拨开物体。这样靠钳头105在局限的空间内多方向活动，可以让装置的杆体在人体狭小的空间内减少大幅度活动，减少手术的副损伤。对于手术者则只需要手指的活动，减少大臂、小臂和手腕的活动，让双臂更多的时间保持在舒适状态，大大减少手术者的疲劳感。

杆体部的结构如图16所示：

包括控制部2、中段、前端柔软部，如第一球窝81较大，可用膨大的外壳来容纳。第一球窝81与第二球窝82的尺寸比例为操作精度。前者大于后者，则控制端的转动角度在输出端会被成比例放大，对于操作者来说更省力。如果前者小于后者，则控制端的转动角度在输出端会被成比例缩小，会让操作者者的动作更精细。可以根据这个原理制作不同需求的手术装置。

杆体中段中空，由硬质材料做成，具有良好的方向指向性和力传导效果。

前端柔软部用柔性材料制成腕部密封软套70，一端与杆体密封连接，一端与第二球窝82密封连接，可随之运动而变形，防止体液或气体进入杆体。便于手术后清洗，也避免杂物进入影响器械工作。

内部的拉索可以有钢丝绳、尼龙绳等多种材料，优选钢丝绳。

杆体内部的拉索，包括控制前端执行装置动作的执行拉索85和控制第二球窝82旋转的拉索。

前端执行装置74如图14所示：

杆体前端的支撑机构和第二球窝82都是中空，内部有拉索/导线/管道穿过，以控制前端执行装置74。以手术钳头105为例，安装在安装座101上，安装座101固定连接在第二球窝82上。复位弹簧102一端顶在第二球窝82上，一端顶在传动杆103旋转轴上。

钳头105的开合是在控制部被驱动组件5控制，执行拉索85收缩拉动传动杆向后。传动杆103与钳头105旋转轴相连，传动杆103回拉时可带动钳头105旋转轴旋转，带动两个钳头105张开，可由手术者控制张开的力度。当执行拉索85放松后，在安装座内的复位弹簧102推动传动杆向前，两个钳头105会闭合。当第二驱动组件56被锁定后，钳头105张合被固定。在一个实施例中，钳头105传动杆的连接方式与本实施例相反，传动杆103回拉时可带动两个钳头105闭合，可由手术者控制夹持的力度。当执行拉索85放松后，两个钳头105会张开。

在另一个实施例中，没有复位弹簧102，每个钳头105都有两根执行拉索85控制，可单独旋转。两根执行拉索85对称安装，分别由两个一样的第二驱动组件56驱驱动。

钳头105可以有多种状态，优选仿生学，即略向一侧弯曲，角度与人类手腕放松状态下，拇指与食指闭合时食指与手背的角度。

前端执行装置74可选择但不限于以下器件：抓握器、卡爪、刀具、刀、烧蚀器、灼烧器、药物 输送装置、 辐射源、 EKG 电极、压力传感器、血液传感器、照相机、磁体、加热元件和低温元件等。拉索也可以换成抗拉导线或抗拉管道，可以连接摄像头、led灯、电切电凝设备等。管道可以连接注射器，或做激光光纤通道。

在一个实施例中，驱动组件5内安装有感应组件6，机器人的运动也被感应组件6采集，经信号处理传送到控制装置。控制装置与机器人臂结构相似，在相应位置有驱动组件5，被反向驱动后带动控制装置运动。由于此时控制装置被操作者握在手中，因此会给操作者以力反馈，产生真实触碰组织的触觉并感受反作用力的大小。

如图17万向关节机器人的安装方式可以需要满足相互矛盾的需要。也就是，当万向关节机器人动作时，必须靠近患者放置，同时又要使医护人员等能接近患者而没有障碍，以及当动作时，万向关节机器人必须在患者的身体上方，同时又要保证无菌，以便消除患者感染的危险。此外，万向关节机器人必须提供用于动作的足够级别的强度、准确性、和灵活性，同时提供小巧、尺寸纤细和重量轻的特性，并且万向关节机器人必须以稳定的方式被安装， 同时能够自由移动和占据的面积小。此外，万向关节机器人必须在手术前的准备中给患者和医护人员提供自由。

本实施例提供了诸如上述的万向关节机器人的理想的特性集。不同于传统的万向关节机器人的构造，传统的手术机器人的构造中每个机器人臂与主体联结，使得机器人体积大，可移动性低，并且动作复杂，本实施例万向关节机器人通过紧靠患者的关节支撑装置3来固定，其上方的执行器械臂4长度可限制在30cm以内，关节支撑装置3可以分别与固定支架连接，也可以数个固定框相互连接后再与一个固定支架连接，以实现万向关节机器人的自由移动和占据的面积小。

实施例二

如图18和图19所示，本实施例是在实施例一基础上的改进，改进之处在于球型件11内有驱动旋转的驱动组件5、感应组件6和过渡管26，具有了驱动座27的功能，取消实施方案一中的一个驱动旋转的驱动座27、一个通道管21和驱动座固定件36。其他结构与实施方案一相同。

实施例三

如图20所示，本实施例与实施例一结构相似，区别在于第一万向关节是由内环112、外环111和关节壳13组成的万向关节，其内环112悬挂在外环111上，外环111悬挂在关节壳13上；内环112与外环111的旋转轴相互垂直，轴心线的夹角为90度；内环旋转轴115与驱动组件5连接，外环旋转轴114与驱动组件5连接，驱动组件用于驱动旋转轴旋转；内环112可穿设执行器械臂4。

实施例四

本实施例与实施例一结构相似，区别在于执行装置中只有驱动组件5，控制装置7中只有感应组件6，操作者操作时没有力反馈的感觉。但执行装置中可以安装更多的驱动组件5以加强驱动力量。

实施例五

与操作台连接的操作台控制装置和控制机器人手臂运作的机器人控制装置，且操作台控制装置与机器人控制装置连接。使用时，机器人手臂由操作台控制，操作台的指令由操作台控制装置下达，通过RTC即时通讯到达从端机器人控制装置，机器人控制装置接收指令后将传达给机器人手臂进行相应的动作。机器人手臂的状态汇总到机器人控制装置，由机器人控制装置通过RTC通讯到达操作台控制装置，同时操作台控制装置的状态信息与机器人手臂的状态信息汇总处理到达操作台，并反馈给工作人员。

操作台控制装置上设置有用于监测工作人员是否到位的监测装置及用于显示操作台及机器人的状态信息的显示器。监测装置在监测到非正常状态时，则会根据监测结果进行制动或断电操作，以确保手术的安全进行。作为优选的，上述监测装置包括3D体感摄影机(Kinect)和脚踏开关，当3D体感摄影机监测到工作人员到位时，才能够进行机器人手臂的部分功能操作，此时工作人员踩下脚踏开关时，机器人手臂便能够开始运作；在工作人员未到位时，且未踩下脚踏开关，机器人手臂制动，以避免非正常因素所引起的操作界面运作而导致的机器人手臂移动。

机器人控制装置上设置有用于记录执行器械臂4的感应组件6，感应组件6能够记录执行器械臂4的位移量，从而记录执行器械臂4的运动轨迹。通过感应组件6记录的信息可以自动判断执行器械臂4的运动路径是否满足手术需求，当具有多个执行器械臂4时，能够监测到各个执行器械臂4的运动路径是否会发生干涉，从而重新规划新的运动路径，保证执行器械臂4的运动的安全性。

机器人控制装置上还设置了用于获取电机状态信息的电机驱动装置及反应机器人状态的电机制动装置，当监测到危险信号时，电机制动装置自动制动。上述电机驱动装置能够与编码器配合使用，在编码器监测到机器人手臂的运动路径存在异常时，编码器能够将信息反馈至电机驱动装置，并使电机驱动装置驱动电机开始新的工作路径。

上述机器人控制装置上还包括有电机通讯装置，以实时监测电机与电机驱动装置、电机驱动装置与机器人手臂之间的反馈状态，并将监测信息反馈至工作人员，在出现故障的情况下，电机通讯装置能够根据监测信息进行制动灯操作，以保证手术机器人的正常运作，或者将故障信息反馈至工作人员，使工作人员能够快速处理故障。

此外，操作台控制装置用于记录机器人手臂参数信息和/或操作台参数信息的数据记录模块，以便于查找故障信息。具体的，该数据记录模块包括运行日志和控制手数据，比如在控制手数据中，工作人员操作手柄，通过操作台控制器传达到机器人手臂端，使机器人手臂动作，机器人手臂动作时的信息通过编码器、电机驱动装置反馈到操作台控制器，形成反馈机制，若操作数据与编码器或电机数据出现不一致，则系统自动调整，若调整不了，则出现故障，需要在控制手数据中查看数据并找寻故障地点。

作为优选，操作台控制装置上设置有用于紧急制动的急停开关以在发生故障时对机器人进行紧急制动，进而减少故障所造成的损失。

本申请的一个实施例中，机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测电压并保护电路的第一UPS电源(不间断电源)和第二UPS电源。用于监测电压的大小及电网的稳定情况，且在断电的情况下，启用上述UPS电源，保证手术的顺畅进行，并将监测所得的信息通过操作台控制器反馈给工作人员。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测控制装置各部位电路状态的第一电源功率监测器和第二电源功率监测器，电路的电压、电流数值在预设参数范围内时则正常工作，超过预设参数时，则有故障存在，立即制动或断电。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有显示机器人手臂工作状态的第一状态指示灯和显示操作台工作状态的第二状态指示灯。上述指示灯能够将机器人端和操作台的工作状态最直观的呈现给工作人员，工作人员根据指示灯的显示情况，通过检查错误代码，能够快速的查找出故障所在。具体的，上述指示灯可具体设置有正常、待命、警告、危险等指示情况，以便工作人员监测机器人的使用状态。

本实用新型实施例提供的控制装置，具体包括操作台控制装置及机器人控制装置，以分别对操作台及机器人手臂的状态进行控制，且操作台控制装置与机器人控制装置连接，从而实现两者之间的信息连接及反馈，使工作人员能够在操作台端对机器人手臂进行操作以实施手术。手术过程中，监测装置能够实时监测工作人员是否到位，从而判断是否进行制动，有效的避免了部分误操作下机器人手臂的运作；显示器能够将操作台及机器人的所有状态信息显示直接呈现给工作人员，使工作人员能够快速准确的发现系统存在的问题，进而快速解决问题，保证手术的安全；此外，机器人控制装置上的编码器能够记录电机的转动圈数，从而记录机械手臂的运动轨迹，通过编码器反馈的信息系统可以自动判断运动路径是否存在问题，并判断多个机器人手臂运动时是否发生干涉，根据其反馈信息能够确保各机器人手臂更加精准的安全工作，进而提高了手术的安全性。

基于上述实施例提供的控制装置，本实用新型实施例还提供一种手术机器人，包括操作台、机器人手臂，及分别与操作台及机器人手臂连接的控制装置；且控制装置为上述任一项的控制装置。对于上述手术机器人的其余部分的结构，请参见现有技术，本文不再赘述。

由于该手术机器人具有上述控制装置，因此在一定程度上，该手术机器人也具有较高的使用安全性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于万向关节的手术机器人，其特征在于：具有至少两个万向关节组成的多自由度关节臂，所述万向关节内有驱动组件驱动万向关节运动；相邻的万向关节之间通过通道管连接，所述通道管上有驱动组件驱动通道管运动。

2.根据权利要求1所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述驱动组件包括驱动件和驱动电机，驱动件和驱动电机直接连接或通过传动装置联接。

3.根据权利要求1所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述通道管的管壁上安装有驱动座，驱动座内安装有用于驱动穿过物沿通道管进退的第一驱动组件，所述第一驱动组件与穿过物啮合，所述穿过物是穿过通道管的手术器械。

4.根据权利要求3所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述万向关节内安装有第二驱动组件，所述第二驱动组件用于驱动穿过物沿通道管内壁旋转。

5.根据权利要求1所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述通道管包括旋转通道管，所述旋转通道管直接或通过过渡管与万向关节固定连接，所述旋转通道管安装上具有驱动穿过物沿通道管轴向旋转的第三驱动组件。

6.根据权利要求5所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述通道管还包括进退通道管，所述进退通道管直接穿入或通过过渡管穿入旋转通道管或球型件中，所述进退通道管上安装有驱动穿过物沿通道管轴向进退的第四驱动组件。

7.根据权利要求1所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述万向关节是球窝关节，所述球窝关节包括球型件和关节座。

8.根据权利要求1所述的基于万向关节的手术机器人，其特征在于：所述万向关节包括内环和外环，所述内环悬挂在所述外环上，外环悬挂在关节座上；内环与外环的旋转轴相互垂直，轴心线的夹角为90度。