CN209734149U - 具有机械臂的手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种具有机械臂的手术机器人，该机器人包括控制器、台车以及与台车连接的至少一个机械臂，台车包括台车底座和设置在所述台车底座上的立柱，机械臂包括多个关节，每个关节包括关节电机和用于检测关节电机电流的电流检测器，控制器用于采集每个驱动电机的电流信息并根据电流信息判断手术机械臂的碰撞状态。通过该手术机器人，使得在机械臂发生碰撞时使机械臂关节处的电机停止旋转，避免了机械臂的继续运动造成的不利后果。

Description

具有机械臂的手术机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种具有机械臂的手术机器人。

背景技术

在微创外科手术中，经常需要医生手动进行组织的切割、剥离、缝合等，对于一些复杂的外科手术，需要医生长时间站立并手持微型手术器械进行手术，医生很容易疲劳，从而影响手术的质量。同时，常规的微创手术器械是对传统开放性手术器械的简单模仿，自由度少、灵活性低且器械内摩擦力大，会导致传动力的衰减以及医生疲劳，难以避免医生的手颤、疲劳引起的手术的精确度的降低，不便于手术的顺利开展。

目前，有机器人辅助的微创外科手术逐步应用到实际的临床中，这些机器人通常具有多个机械臂，在手术过程中，根据分工不同而在不同的机械臂上安装不同的手术器械，如手术刀、手术剪或内窥镜等。医务人员在操作这些机械臂进行手术的过程中，可能会发生机械臂之间相互碰撞或受到外力作用的情况，这一方面会导致机械臂之间因碰撞而发生损坏，另一方面对于被手术的患者来说是不利的。因此，需要开发一种手术机器人，其在机械臂之间发生碰撞时能够及时控制机械臂停止运动。

实用新型内容

本实用新型提供了一种具有机械臂的手术机器人，其通过检测机械臂关节处电机的电流，判断机械臂的碰撞状态，从而使关机处的电机及时停止旋转，避免了机械臂的继续运动造成的不利后果。

在本实用新型的一个方面，提供了一种具有机械臂的手术机器人，包括控制器、台车以及与台车连接的至少一个机械臂，机械臂包括多个关节，其特征在于，每个关节包括关节电机和用于检测关节电机电流的电流检测器，控制器用于采集每个驱动电机的电流信息并根据电流信息判断手术机械臂的碰撞状态，台车包括台车底座和设置在所述台车底座上的立柱。

在一个实施方式中，控制器还用于指示机械臂的全部关节电机停止转动。

在一个实施方式中，关节还包括电机锁死装置以对手术关节电机进行紧急锁死。

在一个实施方式中，机械臂具有至少六个自由度。

在一个实施方式中，机械臂包括末端关节以及分别与第一连臂和第二连臂相连的中间关节，末端关节包括与台车相连的第一关节以及与滑台相连的第六关节。

在一个实施方式中，中间关节包括与第一关节转动连接的第二关节、连接第一连臂和第二连臂的第三关节、与第二连臂转动连接的第四关节以及分别与第四关节和第六关节转动连接的第五关节。

在一个实施方式中，第一关节的旋转轴与台车的高度方向平行，并与第二关节的旋转轴垂直。

在一个实施方式中，台车侧部安装有伸缩臂，伸缩臂的一端与机械臂连接。

本实用新型相比于现有技术的优点在于：通过手术机器人中的电流检测器检测机械臂的关节电机的电流，在机械臂发生碰撞时，该电流会瞬间急速增大，控制器判断机械臂发生碰撞，并控制关节电机锁死机构将关节电机抱死，避免了机械臂的继续运动而导致的不利后果。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本实用新型的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本实用新型实施例的手术机器人的示意图；

图2显示了根据本实用新型另一实施例的机械臂的示意图；

图3显示了根据本实用新型另一实施例的手术机器人的示意图；

图4显示了根据本实用新型另一实施例的台车的示例图；

图5显示了根据本实用新型另一实施例的伸缩臂的示例图；

图6显示了根据本实用新型另一实施例的图4中的台车的顶部的放大图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，该手术机器人1包括推手2、机械臂3、台车4、滑台5以及手术器械组件6。

在安装时，通常通过机械臂的连接机构将机械臂3和滑台5牢固连接，也就是说，该机械臂的连接机构的一端连接滑台5，另一端连接机械臂3。

在该手术机器人1中，每个机械臂3均具有至少六个自由度。例如，机械臂 3可以具有六个转动自由度和一个以上的平动自由度。

根据本实用新型的一个方面，机械臂3的六个转动自由度的实现方式如下。

如图2所示，机械臂3包括末端关节以及分别与第一连臂37和第二连臂38 相连的中间关节，末端关节包括与台车4相连的第一关节31以及与手术工具2 的安装座21相连的第六关节36。可选的，该第六关节36用作机械臂的连接机构以连接滑台5和机械臂3。

进一步地，中间关节包括与第一关节31转动连接的第二关节32、连接第一连臂37和第二连臂38的第三关节33、与第二连臂38转动连接的第四关节34以及分别与第四关节34和第六关节36转动连接的第五关节35。即第一连臂37的两端分别与第二关节32和第三关节33相连，第一连臂37和第二连臂38之间的相对运动则靠第三关节33实现。

如图3所示，第一关节31的旋转轴L1与台车4的高度方向平行，并与第二关节32的旋转轴L2垂直。第四关节34的旋转轴L4、第五关节35的旋转轴L5 以及第六关节36的旋转轴L6相互垂直。通过上述的六个关节的旋转，能够实现机械臂3的六个转动自由度，从而机械臂3的动作能够完全模仿人体的手臂运动，从而将实际需要操作的病灶位置精确地进行定位而无需医生的辅助操作，使医生的视线与需要操作的病灶位置重合，避免了医生手眼不一致而增大手术的风险。

另外，上述的六个关节上均可设置关节传感器，以测量各关节的转动角度，从而获得内窥镜当前姿态信息；并且上述的六个关节均可通过关节电机进行驱动。

进一步地，上述的每个关节都是动作的执行单元，各执行单元之间串联，使得各个关节之间具有较好的各向同性，且无累积误差，使得机器人整机具有较高的精度，并具有动态响应好等技术特点。

第二连臂38以第三关节33的轴线为旋转轴进行旋转时，最大旋转角度为360 °。

第一连臂37以第二关节32的轴线为旋转轴进行旋转时，最大旋转角度为180 °。

在本实用新型的一个实施例中，上述的机械臂3的数量可以是两个或者两个以上，多个机械臂3可以固定在台车4的不同侧部，以及机械臂3的末端可以安装有不同的手术工具2，从而满足复杂手术的要求。

机械臂3的一个以上平动自由度包括上下平动自由度和前后平动自由度，二者的实现方式如下。

如图3所示，立柱12上设置有外滑套13，该外滑套13构造为垂直于立柱 12高度方向的筒状结构，其内部适配有具有较小直径的内滑套14使得内滑套14 能够在外滑套13的内部空腔中自由滑动，其中，该内滑套14可以为柱状或筒状。机械臂3与内滑套14的一端固定连接，同时，机械臂3的第一关节31能够围绕旋转轴L1旋转。一方面，在立柱12的侧部开设有沿立柱12高度方向延伸的滑动槽，外滑套13能够沿着该滑动槽在立柱12上滑动，从而实现机械臂3的上下平动自由度；另一方面，通过内滑套14在外滑套13中的前后自由滑动，带动该机械臂3的前后自由滑动。

在本实用新型的一个实施例中，机械臂3设置在立柱12的顶端。其中，立柱12的顶端设置有机械接口，机械臂3与机械接口固定连接。

当机械臂3设置在立柱12的侧面时，立柱12的壳体的上端设置有指示灯和 /或控制按钮，以方便对机械臂3进行控制。

可选地，第一关节31与台车4相连处设置有导线管，导线管的轴线方向分别与第一关节31的轴线方向以及立柱12的高度方向垂直。类似地，第六关节36 与机械臂连接结构相连处也设置有导线管，以对关节中引出的导线进行保护。

如图4所示，台车4包括台车底座11以及固定设置在台车底座11上的立柱 12，机械臂3设置在立柱12上。台车底座11和立柱12均设置在台车壳体的内部，台车壳体不仅将控制部件和机械部件进行集成，更能起到美观、保护内部结构的作用。

台车底座11的底部的四角分别设置有液压升降脚轮，液压升降脚轮包括液压支撑脚111及万向轮112。

液压支撑脚111通过液压管与设置在台车底部的液压泵113相连接，液压泵 113设置有摇杆手柄，通过人为控制摇杆手柄，可以控制液压支撑脚111以及万向轮112的伸缩，当摇动摇杆手柄将液压支撑脚111收起时，万向轮112着地，可实现台车4的移动，当摇动摇杆手柄将液压支撑脚111伸出时，液压支撑脚111 会支撑台车使得万向轮112离地，实现台车4停驻。

在台车4的后部连接有推手2，可用于推动台车4。

如图5所示，立柱12包括立柱主体121、外导轨组件122、动滑轮组件123 及定滑轮组件124，外导轨组件122分别安装于立柱主体121的左右两侧，动滑轮组件123分别设置在外导轨组件122上，定滑轮组件124设置在台车4的顶部，通过定滑轮组124将位于立柱两侧的动滑轮组件连接在一起。

外导轨组件122包括设置在立柱左右两侧的转接法兰1221和设置在立柱12 前侧的第二拖链1222，转接法兰1221能够沿立柱的轴线做上、下直线运动。第二拖链1222的一端与转接法兰1221相连接，另一端连接在位于第二拖链1222 下方的安装板上，同时第二拖链1222依靠自身结构弯曲成一个半圆弧形。线缆则嵌套在第二拖链1222形成的中空结构中，当转接法兰1221上下运动时，第二拖链1222的随动状态能使其外形保持在一定的空间范围内，同时第二拖链1222 的顶端弯曲的半圆弧保持不变并随转接法兰1222的直线运动进行随动。既保护了线缆不与外部的结构摩擦导致磨损漏电，同时消除了因线缆没有限制的运动与其他结构的碰撞刮擦导致的异响。

如图6所示，定滑轮组件124包括电磁刹车1241及主定滑轮1242和从定滑轮1243，电磁刹车1241分别与主定滑轮1241通过轴进行连接，定滑轮缠绕有钢丝绳1244，钢丝绳1244与立柱外侧安装座连接后，通过与定滑轮组件124的定滑轮、动滑轮组件123的动滑轮缠绕组合，然后与立柱12内部的内导轨及配重组件相连接件。通过电磁刹车1241的通电开启与断电关闭控制滑轮转动功能的开启与停止。电磁刹车1241通电开启后即可上下移动外导轨组件122至目标位置，实现一个运动自由度的开启与关闭，断电后即可实现外导轨组件122悬停。

台车4的外壳包括前壳和后壳，台车前后壳扣合处的中间安装有连接板，台车4的前后壳左右两边均设计有条形槽及开口，供转接法兰1222连接的外部结构配合安装及进行上下直线运动，连接板则用于盖住开口，方便内部部件的检修。在条形槽一侧设置有刻度尺，为上、下直线运动的伸缩臂13提供相对于地面的高度启示。

在本实用新型的一个实施例中，机械臂3设置在立柱12的顶端。其中，立柱12的顶端设置有机械接口，机械臂3与机械接口固定连接。

当机械臂3设置在立柱12的侧面时，立柱12的壳体的上端设置有指示灯和 /或控制按钮，以方便对机械臂3进行控制。

可选地，第一关节31与台车4相连处设置有导线管，导线管的轴线方向分别与第一关节31的轴线方向以及立柱12的高度方向垂直。类似地，第六关节36 与机械臂连接结构相连处也设置有导线管，以对关节中引出的导线进行保护。

在手术机器人1中通常具有多个机械臂3，它们可以设置用于台车4的顶端或侧部，在手术过程中，该多个机械臂3上的手术器械根据分工不同设置也不同，例如手术刀、手术剪或内窥镜等。医务人员根据需要在不同的时刻操作不同的机械3运动，然而也可能会发生机械臂3之间碰撞的情况，这一方面会导致机械臂之间因碰撞而发生损坏，另一方面对于被手术的患者来说是不利的。

在本实用新型的机械臂3中，例如图1中的六个关节中的每个关节内部均设置有关节电机以及用于实时检测该关节电机电流大小的电流检测器。该手术机器人还包括控制器，其可以单独设置于控制台中，也可以继承与机械臂3的内部，本实用新型在此不作限定。

在本实用新型的另一个方面的利用手术机器人1检测机械臂3碰撞的方法100中，该方法100包括：

S110，控制器采集电流信息，电流信息包括机械臂的每个关节处的电流检测器检测的相应关节电机的电流值；

S120，控制器根据电流信息通过目标算法获得机械臂所受的外力大小；

S130，当外力大于预设的外力阈值时，控制器控制机械臂的全部关节电机停止旋转。

具体地，在S110中，每个关节处的电流检测器实时地检测相，应关节电机的电流值大小，并将各自的检测结果发送给控制器；控制器则采集到机械臂的每个关节处的电流值组成的电流信息。

在S120中，控制器根据所采集到的电流信息，结合预设的算法，获得该机械臂当前所受到的外力的大小，该过程具体地可以如下所述。

电机电气驱动：

在s复数域内，如下描述电枢的电平衡方程组：

Va＝(Ra+s*La)*Ia+Vg； ①

Vg＝kv*Om； ②

其中Va和Ia分别是电枢电压和电流，Ra和La分别是电枢电阻和电感系数， Vg表示反电动势，它通过电压常数kv和角速度Om成正比，kv由电机具体结构和线圈磁通量决定。

力学平衡由下列方程描述：

Cm＝(s*Im+Fm)*Om+C1； ③

Cm＝kt*Ia； ④

其中Cm和C1分别表示驱动力矩和负载转矩，Im和Fm分别为转动惯性和电机轴上的粘滞摩擦系数，转矩常数kt在标准国际单位上与补偿电机的kv数值相等。

利用牛顿-欧拉公式，用前向递推计算基座连杆到末端执行器的速度和加速度后，再后向递推得出力，具体来说，只要给出he＝[fn+1T un+1T](最终he＝0), 式(7.87)中用于迭代的牛顿公式如下：

fi＝fi+1+mi*Ci； ⑤

重力加速度分量已经包含在Ci中，且欧拉公式为：

ui＝-fi X(ri-1,I+ri,ci)+ui+1+f i+1X ri,ci+i*wi+wi X(i*wi)+ kr,i+1i+1Imi+1zmi+1+kr,i+1i+1Imi+1wi X zmi+1 ⑥

ui：连杆i-1对连杆i关于坐标系i-1原点的力矩；

fi：连杆i-1对连杆i施加的作用力；

fi+1：连杆i+1对连杆i施加的作用力；

ui+1：连杆i+1对连杆i关于坐标系i原点的力矩；

ri,ci：坐标系i的原点到质心Ci的向量；

Ci：质心Ci的线加速度；

Imi：转子的转动惯量；

i：扩展连杆的惯性张量；

Ci：质心加速度；

i+1：关节i+1加速度；

i+1：关节i+1速度；

wi：关节i角速度。

作用在关节上的广义力为：

Ti＝uiT*zi-1+kri Imi miT zmi+Fvi I+Fsi sgn(Qi)；

其中包含了关节粘滞转矩和库伦摩擦转矩。

因此，通过⑤⑥式及每个关节的线速度，加速度可以计算出每个关节的受力 f0–f5及相应的力矩u0–u5，通过④式可以计算出驱动转矩，再通过③式计算出负载输出转矩，负载输出转矩与力矩(期望输出转矩)的差值即为转矩的波动情况，最终通过力矩＝力*力臂得到力的大小，通过力矩和力的变化均能够检测系统是否受到外部的作用力。

在S130中，控制器将该外力大小与预设的外力阈值作比较，由于机械臂在发生碰撞时，关节电机的电流值会急速增大，使得相应的外力大小也会增大。若该外力大小大于预设的外力阈值，则控制器判断该机械臂3当前处于碰撞状态，则此时控制器指示所述机械臂的所有关节电机停止旋转，从而组织了机械臂的进一步运动。

可选地，控制器可以指示切断电源，使所述关节电机由于断电而停止旋转。

优选地，每个关节电机内部均设置电机锁死装置，控制器可以向该电机锁死装置发送指令，指示其对相应关节电机实施紧急锁死，从而阻止机械臂的进一步运动。

具体地，当机械臂3发生碰撞时，其内部的各个关节处的关节电机的电流会随着外部阻力(外部负载)的增大而急速增大。电流检测器检测到该电流增大后，向控制器发送指令，控制器在接收到该指令后转而向关节电机锁死机构发送锁死指令，指示关节电机锁死机构将关节电机锁死，从而阻止了机械臂3的进一步运动。

优选地，S920还包括：电流检测器将检测到的电流与安全电流阈值对比。该安全电流阈值可以提前设置好，也就是说，机械臂3的各个关节处的电流只有超过该安全电流阈值以后，控制器才会发出锁死指令。通过该方式，能够避免医务人员的误操作导致的电机卡顿而使机械臂错误地急停的情况发生。

优选地，该外力阈值为50～100N，更优选地，该外力阈值为100N。

本实用新型通过手术机器人中的电流检测器检测机械臂的关节电机的电流，在机械臂发生碰撞时，该电流会瞬间急速增大，控制器判断机械臂发生碰撞，并控制关节电机锁死机构将关节电机抱死，避免了机械臂的继续运动而导致的不利后果。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种具有机械臂的手术机器人，包括控制器、台车以及与所述台车连接的至少一个所述机械臂，所述机械臂包括多个关节，其特征在于，每个所述关节包括关节电机和用于检测所述关节电机电流的电流检测器，所述控制器用于采集每个驱动电机的电流信息并根据所述电流信息判断手术机械臂的碰撞状态，所述台车包括台车底座和设置在所述台车底座上的立柱。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述控制器还用于指示所述机械臂的全部关节电机停止转动。

3.根据权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述关节还包括电机锁死装置以对手术关节电机进行紧急锁死。

4.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述机械臂具有至少六个自由度。

5.根据权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述机械臂包括末端关节以及分别与第一连臂和第二连臂相连的中间关节，所述末端关节包括与所述台车相连的第一关节以及与滑台相连的第六关节。

6.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述中间关节包括与所述第一关节转动连接的第二关节、连接所述第一连臂和所述第二连臂的第三关节、与所述第二连臂转动连接的第四关节以及分别与所述第四关节和所述第六关节转动连接的第五关节。

7.根据权利要求6所述的手术机器人，其特征在于，所述第一关节的旋转轴与所述台车的高度方向平行，并与所述第二关节的旋转轴垂直。

8.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述台车侧部安装有伸缩臂，所述伸缩臂的一端与所述机械臂连接。