CN217066571U - 手术机器人及其机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种手术机器人及其机械臂，所述机械臂包括基座、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆和操纵臂；基座、第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成不动点机构，且该不动点机构为非共线铰接点连杆构型，从而实现了更大的运动范围，同时也保证了机械臂的刚度并提升了机械臂的安全性。

Description

手术机器人及其机械臂

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人及其机械臂。

背景技术

近年来，随着机器人相关技术的应用和发展，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。其中，微创伤手术机器人系统可以通过介入治疗的方式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，使患者创伤小、失血少、术后感染少、术后恢复快。微创伤手术机器人系统能够使医生在主操控台处通过二维或三维的显示设备观察病人体内的组织特征，并以遥控方式操控从操作机器人上的机械臂及手术工具器械来完成手术的操作。医生能够以与传统手术相同的方式及感觉来完成微创伤手术的操作，大大减轻了医生进行微创伤手术时的困难程度，同时也提高了手术的效率和安全性，并使得远程手术的实现发生了突破性的进展。鉴于手术机器人系统的优越性，世界各国都在积极地做着相关方面的研究，并产生了一些产品及样机。微创伤手术机器人装置和/或系统的研发，不仅使得医生能够以较小创伤的、但与传统开口手术相同的视角与操作感受完成手术。更重要的是，它使医生能够远离病人的地方实施手术，或在病房中病人旁边进行手术操作，或也可以远程通过操作输入装置对远端接受设备进行控制，从而完成手术的操作。

在远程手术中，外科医生使用伺服机构等某种形式的遥控器操作手术器械的移动，而不是直接手持并移动器械。在远程手术系统中，外科医生通过操作主控制装置控制手术工作站，从而对病人执行手术操作，主控制装置又控制伺服机构手术器械的移动。但这种手术方式若要得以实现，必须有系统/装置支撑并带动手术器械运动，上述系统/装置通常为采用不动点机构的机械臂得以实现，具体而言，这种机械臂结构可以对器械的运动产生一定约束，使器械围绕球形旋转中心作枢轴运动，球形旋转中心位于器械轴长度方向上。通过使该旋转中心与患者手术部位的切入点对准(例如，在腹腔镜手术中的戳卡)，可以通过使用具有不动点机构的机械臂来安全地操作手术器械，而不对腹壁施加危险的作用力。例如美国授权专利US8012160B2公开了一种不动点机构，该不动点机构为平行四边形机构，并且存在自由度较少，运动空间有限，灵活性不佳的问题。中国授权专利CN201110197855还公开了一种微创伤机器人机械臂，其采用丝传动实现了不动点的约束需求，然而，该种结构存在结构复杂、刚度不佳的缺点。另有中国授权专利CN201010274701公开了一种具有大运动空间、高结构刚性的机械臂，但是其极限位置之间的运动范围区间很难达到180°。

尽管目前手术机器人已经被证明高效、有利，但进一步改进仍然是必要的。例如，在降低系统总体复杂程度、缩小系统尺寸和减轻系统物理重量的同时提高手术机器人的运动范围和刚度是十分有利的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种手术机器人及其机械臂，通过将机械臂构造为非共线铰接点连杆不动点机构，实现了更大的运动范围，且同时改善了机械臂的刚度和安全性，使手术操作更为安全和可靠。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种机械臂，所述机械臂包括基座、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆和操纵臂；所述基座、所述第一臂、所述第二臂、所述第一连杆和所述第二连杆用于形成不动点机构；

所述第一臂包括三个不共线且不重合的第一臂铰接点，所述第一臂铰接点分别与所述基座、所述第一连杆和所述第二连杆可转动地连接；

所述第二臂包括三个不共线且不重合的第二臂铰接点，所述第二臂铰接点分别与所述基座、所述第一连杆和所述第二连杆可转动地连接；

所述第一臂铰接点与所述第二臂铰接点位于所述基座和所述第一连杆、所述第二连杆上的不同位置处；

所述操纵臂用于安装手术器械并与所述第一连杆及所述第二连杆连接，以使得所述手术器械能够围绕所述机械臂所限定的一不动点运动以进行手术操作。

可选地，所述第一臂铰接点包括第一铰接点A、第三铰接点C和第五铰接点E，所述第二臂铰接点包括第二铰接点B、第四铰接点D和第六铰接点F；

所述操纵臂上设有第七铰接点G和第八铰接点H；

所述第一臂在所述第一铰接点A处与所述基座可转动地连接；所述第二臂在所述第二铰接点B处与所述基座可转动地连接；

所述第一连杆在所述第三铰接点C处与所述第一臂可转动地连接，并在所述第四铰接点D处与所述第二臂可转动地连接，还在所述第七铰接点G处与所述操纵臂可转动地连接；

所述第二连杆在所述第五铰接点E处与所述第一臂可转动地连接，并在所述第六铰接点F处与所述第二臂可转动地连接，还在所述第八铰接点H处与所述操纵臂可转动地连接；

其中：所述第一铰接点A、所述第二铰接点B、所述第六铰接点F和所述第五铰接点E依次连接形成第一平行四边形ABFE；所述第五铰接点E、所述第六铰接点F、所述第四铰接点D和所述第三铰接点C依次连接形成第二平行四边形EFDC；所述第一铰接点A、所述第二铰接点B、所述第四铰接点D和所述第三铰接点C依次连接形成第三平行四边形ABDC；所述第二铰接点B、所述不动点O、所述第八铰接点H和所述第六铰接点F依次连接形成第四平行四边形BOHF；所述第六铰接点F、所述第八铰接点H、所述第七铰接点G和所述第四铰接点D依次连接形成第五平行四边形FHGD；所述第二铰接点B、所述不动点O、所述第七铰接点G和所述第四铰接点D依次连接形成第六平行四边形BOGD。

可选的，所述机械臂满足以下关系：

AE＝AC，BF＝BD，OH＝OG；

其中：AE为第一铰接点A和第五铰接点E的连线的长度；AC为第一铰接点A与第三铰接点C的连线的长度；BF为第二铰接点B和第六铰接点F的连线的长度；BD为第二铰接点B和第四铰接点D的连线；OH为不动点O和第八铰接点H的连线的长度；OG为不动点O和第七铰接点G的连线的长度。

可选的，所述机械臂满足以下关系：

AE＜AB，AC＜AB，BF＜AB，BD＜AB；

其中：AE为第一铰接点A和第五铰接点E的连线的长度；AC为第一铰接点A和第三铰接点C的连线的长度；BF为第二铰接点B和第六铰接点F的连线的长度；BD为第二铰接点B和第四铰接点D的连线的长度；AB为第一铰接点A和第二铰接点B的连线的长度。

可选的，所述机械臂满足以下关系：

∠EAC和∠FBD的取值为[5°，60°]。

可选的，所述机械臂满足以下关系：

∠OBA＝∠HFE＝∠GDC＝θ，θ为(0°，180°]。

可选的，θ的取值为[90°，180°]，更优选的θ为165°。

可选的，所述第一平行四边形ABFE所在的第一平面和所述第四平行四边形BOHF所在的第二平面的夹角为[100°，180°]。

可选的，所述第三铰接点C和所述第五铰接点E之间通过直线或弧线连接，所述第四铰接点D和所述第六铰接点F之间通过直线或弧线连接。

可选的，所述机械臂具有第一极限位置、零位和第二极限位置；

所述机械臂从所述零位朝第一方向运动至所述第一极限位置时的最大角度为145°；

所述机械臂从所述零位朝第二方向运动至所述第二极限位置时的最大角度为145°；

所述第一方向与所述第二方向相反。

可选的，所述机械臂还包括工具臂一号臂，所述工具臂一号臂具有第一转轴，所述第一转轴的轴线通过所述不动点；所述基座与所述工具臂一号臂可转动地连接；

所述机械臂具有第三平面，所述第三平面经过所述不动点且垂直于所述不动点机构上的各个转动轴线；

其中：所述第三平面与所述第一转轴共面，或者，所述第三平面与所述第一转轴成一正夹角或一负夹角，优选的，所述正夹角和所述负夹角为(0°，60°]。

可选的，所述机械臂还包括工具臂二号臂，与所述工具臂一号臂通过第三连杆连接，所述工具臂二号臂具有第二转轴；其中所述第一转轴的轴线、所述第二转轴的轴线和所述操纵臂上的一安装通道的轴线均经过所述不动点，所述安装通道用于安装所述手术器械。

可选的，所述工具臂一号臂为弧形或折线形，以使所述基座与水平面之间成角度布置。

可选的，所述基座相对于所述工具臂一号臂偏置布置。

可选的，所述基座包括L形布置的短基座和长基座，所述短基座与所述工具臂一号臂连接，所述长基座与所述第一臂和所述第二臂可转动地连接。

可选的，所述短基座和所述长基座之间的夹角为(0°，90°]，更优选为[45°， 90°]。

可选的，所述操纵臂的末端设有突出部，所述突出部设有允许所述手术器械穿过的通孔，所述通孔的轴线与所述手术器械的轴线共线设置。

可选的，所述操纵臂包括伸缩关节，所述伸缩关节用于安装所述手术器械，且所述伸缩关节的移动轴线和所述手术器械的轴线均通过所述不动点。

可选的，所述第一连杆和所述第二连杆均包括一个主杆和三个分枝；

所述第一连杆上的三个所述分枝分别与所述第一臂、所述第二臂和所述操纵臂可转动地连接，以分别形成所述第三铰接点C、所述第四铰接点D和所述第七铰接点G，且所述第三铰接点C、所述第四铰接点D和所述第七铰接点G 到所述第一连杆的主杆的垂直距离大于所述第三铰接点C和所述第五铰接点E 之间的垂直距离；

所述第二连杆上的三个所述分枝分别与所述第一臂、所述第二臂和所述操纵臂可转动地连接，以分别形成所述第五铰接点E、所述第六铰接点F和所述第八铰接点H，且所述第五铰接点E、所述第六铰接点F和所述第八铰接点H到所述第二连杆的主杆的垂直距离大于所述第三铰接点C和所述第五铰接点E之间的垂直距离。

可选的，每个所述分枝与对应的主杆之间的夹角为[45°，135°]。

可选的，每个所述分枝为弧形或直线形。

可选的，所述第一连杆、第二连杆和所述操纵臂位于所述基座的同一侧。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种手术机器人，包括支撑机构和任一项所述的机械臂，所述支撑机构与所述机械臂的近端连接，所述机械臂用以在手术过程中驱动所述手术器械围绕不动点运动。

在上述手术机器人及其机械臂中，由于所述不动点机构中的第一臂铰接点既不共线也不重合，以及第二臂铰接点既不共线也不重合，因此实现了非共线铰接点连杆构型，该构型相比于现有技术中铰接点共线的连杆机构能够实现更大的运动范围，使机械臂的灵活性更高，手术操作更为方便。

在上述手术机器人及其机械臂中，由于不动点机构采用连杆构型实现不动点的约束，与采用丝传动的不动点约束相比，结构更为简单，而且刚度更好，使机械臂的运动更为安全和可靠。

附图说明

图1a是本实用新型优选实施例的手术机器人系统中患者端机器人的应用场景整体示意图；

图1b是本实用新型优选实施例的手术机器人系统中控制端的应用场景示意图；

图1c是本实用新型优选实施例的手术机器人系统中工具车的应用场景示意图；

图1d是本实用新型优选实施例的手术机器人系统中图像车的应用场景示意图；

图2是本实用新型优选实施例的患者端机器人的整体示意图；

图3是本实用新型优选实施例的机械臂的结构示意图；

图4是本实用新型优选实施例的机械臂的原理简图；

图4a-1和图4a-2是本实用新型优选实施例的机械臂围绕不动点运动的原理简图；

图5是本实用新型优选实施例的机械臂的分解示意图；

图6是本实用新型优选实施例的机械臂逆时针的运动范围示意图；

图7是本实用新型优选实施例的机械臂的零位状态图；

图8是本实用新型优选实施例的机械臂顺时针的运动范围示意图；

图9是本实用新型优选实施例的机械臂结构侧视图；

图10是本实用新型优选实施例的操纵臂的结构示意图；

图11是本实用新型优选实施例的机械臂的侧视图；

图12是本实用新型优选实施例的机械臂的多种姿态结构示意图；

图13是本实用新型优选实施例的机械臂的侧视图；

图14是本实用新型优选实施例的机械臂的等轴测视图；

图15是本实用新型优选实施例的机械臂示意图。

图中：

1-患者端机器人；11-主台车；12-支撑机构；13-机械臂；14-手术器械；

1301-工具臂一号臂；1302-基座；1302a-短基座；1302b-长基座；1303-第一臂；1304-第二臂；1305-第一连杆；1305a-第一连杆的主杆；1306-第二连杆；1306a- 第二连杆的主杆；1307-操纵臂；1308-伸缩关节；1309-突出部；1310-工具臂二号臂；A-第一铰接点；B-第二铰接点；C-第三铰接点；D-第四铰接点；E-第五铰接点；F-第六铰接点；G-第七铰接点；H-第八铰接点；O-不动点；

R1-第一转轴；P1-第三平面；R2-第二转轴；R3-手术器械的轴线；

101-病床；106-医生控制台；107-主操作手；108-内窥镜；15-无菌板；104- 图像车；105-工具车。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步说明。但可以理解，本实用新型并不局限于下面所描述的具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

应该理解，在以下的描述中，可以基于附图进行关于在各部件“上”和“下”的指代。诸如“在…之下”、“在…下面”、“下面的”、“上面的”等空间术语，目的是容易描述附图中所示的一个部件和另一个部件的位置关系，除图中所示的方位之外，空间关系术语可以包括使用或操作中的装置的各种不同的方位。装置可以以其它方式定位，例如旋转90度或在其它方位，并且通过在此使用的空间关系描述进行相应的解释。

还应理解，在以下的描述中，“近端”和“远端”是从使用该机械臂的医生角度来看相对于彼此的元件或动作的相对方位、相对位置和方向，尽管“近端”和“远端”并非是限制性的，但是“近端”通常指机械臂在正常操作过程中靠近医生的一端，相应地，“远端”和“末端”通常是指机械臂在正常操作过程中靠近患者的一端。此外，“连接”包括系统、组件、零件之间直接连接，也包括系统、组件、零件之间通过一介质实现连接，即间接连接。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三、第四、第五、第六等描述各种部件，这些部件不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个部件与另一个部件。因此，在不脱离本实用新型教导之下，下面讨论的第一可表示为第二，第二可表示为第三等等。

如图1a～图1d和图2所示，本实用新型实施例提供一种手术机器人系统，包括执行端和控制端。所述执行端包括患者端机器人1(即手术机器人)。所述控制端包括医生控制台106和主操作手107，所述主操作手107可活动设置于医生控制台106上。所述手术机器人系统的主要用途是医生通过医生控制台106 及主操作手107远程操作执行端，实现对病床101上的患者的微创伤手术治疗。所述患者端机器人1包括主台车11、支撑机构12、机械臂13和手术器械14。所述机械臂13的末端用于可拆卸地安装手术器械14，以驱使手术器械14围绕不动点O(参阅图6～图8)运动以进行手术操作。所述支撑机构12可以与一个或多个机械臂13的近端连接，从而通过支撑机构12调整机械臂13和手术器械 14的空间位置，并据此调整不动点O的空间位置。所述主台车11与支撑机构 12连接，用于调整支撑机构12和机械臂13的空间位置。

手术准备时，以病床101为中心，首先通过主台车11将患者端机器人1移动到病床101附近，而后根据手术类别判断人体上打孔的位置，然后调节支撑机构12，使机械臂13处于较理想的初始位置(即，使不动点O的位置位于病人打孔位置)，而后调节机械臂13上器械安装通道的指向，在无菌环境准备妥当后即可安装手术器械14。手术器械14通常先放置在工具车105上，方便从工具车105上拿取手术器械14，而后将手术器械14安装在机械臂13的末端。此外，所述主操作手107与执行端中的机械臂13和手术器械14构成主从控制关系，因此在手术过程中，所述机械臂13和手术器械14是根据主操作手107的运动而运动，即根据医生手部的操作而运动。进一步，所述主操作手107还接受人体组织器官对手术器械的作用力信息并反馈至医生手部，以使医生能够更加直观的感受手术操作。

进一步，所述患者端机器人1还包括持镜臂(未标注)，用于挂载内窥镜108。所述内窥镜108用于获取人体组织器官、手术器械、血管以及体液等手术环境信息。所述控制端还包括显示装置，用于接受内窥镜108采集的图像，使操作者根据显示装置显示的图像，通过主操作手107控制机械臂13和手术器械14 运动。所述显示装置一般安装于图像车104上，且所述内窥镜108和手术器械 14分别通过患者身体上的创口进入病患位置。应理解，在实际手术过程中，即臂13上的不动点O与患者身上的创口保持重合。

进一步参阅图3～图4、图4a-1、图4a-2以及图5，所述机械臂13包括基座 1302、第一臂1303、第二臂1304、第一连杆1305、第二连杆1306和操纵臂1307。所述基座1302、第一臂1303、第二臂1304、第一连杆1305和第二连杆 1306构成不动点机构。其中第一臂1303包括三个不共线且不重合的第一臂铰接点，所述第一臂铰接点包括第一铰接点A、第三铰接点C和第五铰接点E，所述第一臂铰接点分别与基座1302、第一连杆1305和第二连杆1306可转动地连接；第二臂1304包括三个不共线且不重合的第二臂铰接点，所述第二臂铰接点包括第二铰接点B、第四铰接点D和第六铰接点F，所述第二臂铰接点分别与基座1302、第一连杆1305和第二连杆1306可转动地连接。所述第一臂铰接点与所述第二臂铰接点位于基座1302和第一连杆1305、第二连杆1306上的不同位置处，即第一臂铰接点中的三个铰接点以及第二臂铰接点中的三个铰接点，该六个铰接点不重合。操纵臂1307用于安装手术器械14并与第一连杆1305及第二连杆1306连接，以使得手术器械14能够围绕机械臂130所限定的不动点O 运动以进行手术操作。

更具体地，所述操纵臂1307上设有第七铰接点G和第八铰接点H。所述第一臂1303在第一铰接点A处与基座1302可转动地连接，也即，在第一铰接点 A处设置有转轴，第一臂1303可转动地安装在基座1302在A处的转轴上。所述第二臂1304在第二铰接点B处与基座1302可转动地连接，同理，在第二铰接点B处设置有转轴，所述第二臂1304可转动地安装在基座1302在B处的转轴上。所述第一连杆1305在第三铰接点C处与第一臂1303可转动地连接，并在第四铰接点D处与第二臂1304可转动地连接，还在第七铰接点G处与操纵臂1307可转动地连接，也即，在第三铰接点C、第四铰接点D和第七铰接点G 处分别设置有转轴，所述第一连杆1305与第一臂1303在C处的转轴可转动地连接，与第二臂1304在D处的转轴可转动地连接，并与操纵臂1307在G处的转轴可转动地连接。所述第二连杆1306在第五铰接点E处与第一臂1303可转动地连接，并在第六铰接点F处与第二臂1304可转动地连接，还在第八铰接点 H处与操纵臂1307可转动地连接，也即，第五铰接点E、第六铰接点F和第八铰接点H处分别设置有转轴，所述第二连杆1306与第一臂1303在E处的转轴可转动地连接，与第二臂1304在F处的转轴可转动地连接，并与操纵臂1307 在H处的转轴可转动地连接。

此外，所述操纵臂1307具有用于安装手术器械14的安装通道，所述安装通道的轴线通过不动点O，使得手术器械14的轴线也通过不动点O。

另外，上述铰接点A、B、C、D、E、F、G、H、O需要满足以下条件：

AB＝CD＝EF，AB∥CD∥EF；

如此，形成ABFE(第一平行四边形结构)、ABDC(第三平行四边形结构) 以及EFDC(第二平行四边形结构)三个平行四边形结构。

因此，AE＝BF，AE∥BF，AC＝BD，AC∥BD；且DG＝FH＝OB，DG∥FH∥OB，如此，形成BOHF(第四平行四边形结构)、BOGD(第六平行四边形结构)以及FHGD(第五平行四边形结构)三个平行四边形结构。

故而，从几何关系可知，在本实施例的构型中，始终存在△OHG≌△BFD≌△AEC关系，即该三个三角形满足全等关系。因此，第一臂1303 上的铰接点A、E、C既不共线，也不重合，第二臂1304上的铰接点B、D、F既不共线，也不重合。即，所述∠EAC与∠FBD的取值范围∈(0°，180°)，从而实现非共线铰接点连杆构型。

如此构造，当△BFD、△AEC(即第一臂1303、第二臂1304)分别围绕第二铰接点B和第一铰接点A转动时，△OHG也始终围绕不动点O转动，即手术器械14始终围绕不动点O前后摆动。这种构造的机械臂13可以实现更大的运动范围，使机械臂的灵活性更高，手术操作更为方便。而且由于不动点机构采用连杆构型实现不动点的约束，与采用丝传动的不动点约束相比，结构更为简单，而且刚度更好，使机械臂的运动更为安全和可靠。本实施例中，机械臂13的运动范围可以达到290°(即，-145°～145°)。

优选，AE＝AC，那么BF＝BD，OH＝OG。其中，AE为第一铰接点A和第五铰接点E的连线的长度；AC为第一铰接点A与第三铰接点C的连线的长度；BF为第二铰接点B和第六铰接点F的连线的长度；BD为第二铰接点B和第四铰接点D 的连线；OH为不动点O和第八铰接点H的连线的长度；OG为不动点O和第七铰接点G的连线的长度。这样做，使得机械臂13在基座1302两侧的运动范围对称，从而更好的满足实际应用的需求。

本实施例对ABO三点、EFH三点、CDG三点是否共线没有特别的限制。

在一些实施例中，A、B、O三点共线、E、F、H三点共线，C、D、G三点共线。在其他实施例中，如图4a-1和图4a-2所示，A、B、O三点不共线，E、 F、H三点不共线，C、D、G三点不共线，此时，∠OBA＝∠HFE＝∠GDC＝θ，θ∈(0°， 180°]，更优选θ∈[90°，180°]，最优选，θ为165°。应理解，当θ不是0°也不是180°时，存在△OBA≌△HFE≌△GDC的关系，即该三个三角形也满足全等关系。此外，由图4a-1和图4a-2可知，机械臂13通过不动点机构可驱动手术器械14围绕不动点O摆动，实现了不动点的约束。

进一步的，本实施例对第一平行四边形ABFE所在的第一平面与第四平行四边形BOHF所在的第二平面的相对位置关系没有特别的限制。优选的，所述第一平面和第二平面的之间的夹角为[100°，180°]。此处，当第一平面和第二平面的夹角为钝角的情况下，机械臂13进一步保证通过不动点机构驱动手术器械 14围绕不动点O摆动，更好地实现不动点的约束。

进一步，所述机械臂13具有三个姿态，分别为逆时针极限位置(第一极限位置)、零位和顺时针极限位置(第二极限位置)。

如图6所示，所述机械臂13从零位朝逆时针方向转动的最大角度可达145°。如图7所示，当第一臂1303、第二臂1304与基座1302平行时，机械臂13即处于零位，此时，手术器械的轴线与AB连线平行。如图8所示，经过零位后，机械臂13从零位朝顺时针方向转动的最大角度可达145°。若以逆时针为负，顺时针为正，则机械臂13的运动范围为[-145°，+145°]。

进一步的，所述机械臂13还包括工具臂一号臂1301，所述工具臂一号臂 1301具有第一转轴R1，所述第一转轴R1的轴线通过不动点O。所述基座1302 与工具臂一号臂1301可转动地连接，且所述工具臂一号臂1301安装在支撑机构12上。如此，通过设置工具臂一号臂1301，使机械臂13增加一个转动自由度，能驱使手术器械14围绕不动点O摆动。优选的，所述工具臂一号臂1301 为弧形或折线形，以使基座1302与水平面之间成角度β布置(可参阅图3)，优选，所述角度β为[5°，90°]，最优选30°。此处，利用基座1302与水平面的夹角使机械臂13相对于病床101上的患者呈一定的姿态，以便进行手术操作。

进一步的，所述机械臂13还具有第三平面P1(图9、图11～图13)，所述第三平面P1经过不动点O且垂直于不动点机构上的各个转轴。在一些实施例中，如图9所示，所述第三平面P1(用虚线或点划线示出)与第一转轴R1共面。在另一些实施例中，如图11和图12所示，所述第三平面P1与第一转轴R1存在正夹角α，所述正夹角α优选为(0°，60°]。在另一些实施例中，如图13和图14所示，所述第三平面P1与第一转轴R1存在负夹角α，所述负夹角α为(0°，60°]。本实施例对夹角α的正负方向没有特别的限定，一般以相对于第一转轴R1的轴线的位置来定义该夹角α的方向，例如在本实施例中，以在第一转轴R1 的轴线的右侧为正，左侧为负。

进一步，所述操纵臂1307包括伸缩关节1308，所述伸缩关节1307的移动轴线通过不动点O。实际应用中，手术器械14安装于伸缩关节1308上，从而使手术器械14的轴线也经过不动点O。于是，机械臂13增加一个移动自由度，能驱使手术器械14通过不动点O移动。优选，所述操纵臂1307的末端还设有突出部1309，所述突出部1309设有通孔(未标注)，所述通孔的轴线与手术器械14的轴线共线，以使手术器械14穿过通孔，从而防止手术器械14的远端窜动。

如图3和图9所示，所述基座1302优选相对于工具臂一号臂1301偏置布置，以保证第一转轴R1的轴线能够过不动点O。在一实施例中，所述基座1302 为弧形，在另一实施例中，所述基座1302为L形状。本实施例中，所述基座1302 呈“L”状，包括短基座1302a和长基座1302b。所述短基座1302a与工具臂一号臂1301连接，所述长基座1302b与第一臂1303和第二臂1304可转动连接。本实施例对短基座1302a和长基座1302b之间的夹角、短基座的长度、长基座的长度没有特别的限制，只要能使手术器械14的轴线通过不动点O即可。优选，所述短基座1302a和长基座1302b之间的夹角为(0°，90°]，优选为[45°，90°]。

进一步的，所述第二连杆1306、第一连杆1305和操纵臂1307布置在基座 1302的同一侧，以保证大的运动范围。

本实施例对第一臂1303和第二臂1304的形状没有特别的限制。为了使机械臂13的形状足够紧凑，所述第一臂1303和第二臂1304优选呈扇形，即C和 E之间通过圆弧连接，F和D之间通过圆弧连接。例如AE＝AC，BF＝BD，所述扇形分别为A点和B点为圆心，以AC和AE以及BF、BD为半径形成。若AE≠AC， BF≠BD，则扇形的圆心不在A点和B点，例如以AE和AC中较长的为半径形成扇形，以及以BF、BD中较长的为半径形成扇形。在其他实施例中，C和E 之间通过直线连接，F和D之间通过直线连接。

进一步的，AE、AC的长度以及BF、BD的长度均应小于AB长度。这样，如图6～图8所示，第二臂1304可以顺利地从基座1302的一侧摆动到另一侧，保证较大的运动范围。进一步，所述∠EAC与∠FBD的取值范围为(0，180°)，优选[5°，60°]。

本实用新型对第一连杆1305、第二连杆1306的形状没有特别的限制。为了增加手术器械14的运动范围，每个摆动臂连杆均包括主杆和三个分枝。所述第一连杆1305上的三个所述分枝分别与第一臂1303、第二臂1304和操纵臂1307 可转动地连接，以分别形成第三铰接点C、第四铰接点D和第七铰接点G。所述第二连杆1306上的三个所述分枝分别与第一臂1303、第二臂1304和操纵臂 1307可转动地连接，以分别形成第五铰接点E、第六铰接点F和第八铰接点H。如图8所示，所述第三铰接点C、第四铰接点D和第七铰接点G到第一连杆1305的主杆1305a的垂直距离大于C E之间的垂直距离(也即大于FD之间的距离以及GH之间的距离)。且所述第五铰接点E、第六铰接点F和第八铰接点H到第二连杆1306的主杆1306a的垂直距离大于CE之间的垂直距离(也即大于FD 之间的距离以及GH之间的距离)。

更详细地，如图3、图6和图8所示，第一连杆1305及第二连杆1306呈树枝状，所述第一连杆1305的主杆1305a远离C、D、G铰接点，并通过分枝与C、 D、G铰接点连接；所述第二连杆1306的主杆1306a远离E、F、H铰接点，并通过分枝与E、F、H铰接点连接。进一步，所述分枝与主杆之间的夹角为[45°， 135°]。进一步的，每个分枝为弧形或直线形状。如果分枝为弧线状，或者主杆为弧线状，以连接点处的切线之间的角度计量分枝与主杆之间的夹角。

进一步如图15所示，所述机械臂13还包括工具臂二号臂1310，与工具臂一号臂1301通过第三连杆连接，所述工具臂二号臂1310具有第二转轴R2，且所述第一转轴R1的轴线、第二转轴R2的轴线以及手术器械的轴线R3(即操纵臂上安装通道的轴线)，该三根轴线同时经过不动点O。为此，使机械臂13又增加了一个运动自由度，进一步提高了机械臂的运动灵活性。

进一步，患者端机器人1还包括无菌装置，用于隔离机械臂13和手术器械 14。进一步参阅图5，所述无菌装置包括无菌板15，用于隔离机械臂13和手术器械14，以避免手术器械14污染机械臂13。

所应理解，本实施例对手术器械14的种类没有限定，例如剪刀、电钩、持针钳等。

以上实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (23)

1.一种机械臂，其特征在于，包括基座、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆和操纵臂；所述基座、所述第一臂、所述第二臂、所述第一连杆和所述第二连杆用于形成不动点机构；

所述第一臂包括三个不共线且不重合的第一臂铰接点，所述第一臂铰接点分别与所述基座、所述第一连杆和所述第二连杆可转动地连接；

所述第二臂包括三个不共线且不重合的第二臂铰接点，所述第二臂铰接点分别与所述基座、所述第一连杆和所述第二连杆可转动地连接；

所述第一臂铰接点与所述第二臂铰接点位于所述基座和所述第一连杆、所述第二连杆上的不同位置处；

所述操纵臂用于安装手术器械并与所述第一连杆及所述第二连杆连接，以使得所述手术器械能够围绕所述机械臂所限定的一不动点运动以进行手术操作。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一臂铰接点包括第一铰接点、第三铰接点和第五铰接点，所述第二臂铰接点包括第二铰接点、第四铰接点和第六铰接点；

所述操纵臂上设有第七铰接点和第八铰接点；

所述第一臂在所述第一铰接点处与所述基座可转动地连接；所述第二臂在所述第二铰接点处与所述基座可转动地连接；

所述第一连杆在所述第三铰接点处与所述第一臂可转动地连接，并在所述第四铰接点处与所述第二臂可转动地连接，还在所述第七铰接点处与所述操纵臂可转动地连接；

所述第二连杆在所述第五铰接点处与所述第一臂可转动地连接，并在所述第六铰接点处与所述第二臂可转动地连接，还在所述第八铰接点处与所述操纵臂可转动地连接；

其中：所述第一铰接点、所述第二铰接点、所述第六铰接点和所述第五铰接点依次连接形成第一平行四边形；所述第五铰接点、所述第六铰接点、所述第四铰接点和所述第三铰接点依次连接形成第二平行四边形；所述第一铰接点、所述第二铰接点、所述第四铰接点和所述第三铰接点依次连接形成第三平行四边形；所述第二铰接点、所述不动点、所述第八铰接点和所述第六铰接点依次连接形成第四平行四边形；所述第六铰接点、所述第八铰接点、所述第七铰接点和所述第四铰接点依次连接形成第五平行四边形；所述第二铰接点、所述不动点、所述第七铰接点和所述第四铰接点依次连接形成第六平行四边形。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂满足以下关系：

AE＝AC，BF＝BD，OH＝OG；

其中：A为第一铰接点，B为第二铰接点，C为第三铰接点，D为第四铰接点，E为第五铰接点，F为第六铰接点，G为第七铰接点，H为第八铰接点，O为不动点；AE为第一铰接点和第五铰接点的连线的长度；AC为第一铰接点与第三铰接点的连线的长度；BF为第二铰接点和第六铰接点的连线的长度；BD为第二铰接点和第四铰接点的连线；OH为不动点和第八铰接点的连线的长度；OG为不动点和第七铰接点的连线的长度。

4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂满足以下关系：

AE＜AB，AC＜AB，BF＜AB，BD＜AB；

其中：A为第一铰接点，B为第二铰接点，C为第三铰接点，D为第四铰接点，E为第五铰接点，F为第六铰接点；AE为第一铰接点和第五铰接点的连线的长度；AC为第一铰接点和第三铰接点的连线的长度；BF为第二铰接点和第六铰接点的连线的长度；BD为第二铰接点和第四铰接点的连线的长度；AB为第一铰接点和第二铰接点的连线的长度。

5.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂满足以下关系：

∠EAC和∠FBD的取值为[5°，60°]；

其中:A为第一铰接点，B为第二铰接点，C为第三铰接点，D为第四铰接点，E为第五铰接点，F为第六铰接点。

6.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂满足以下关系：

∠OBA＝∠HFE＝∠GDC＝θ，θ为(0°，180°]；

其中:A为第一铰接点，B为第二铰接点，C为第三铰接点，D为第四铰接点，E为第五铰接点，F为第六铰接点，G为第七铰接点，H为第八铰接点，O为不动点。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，θ的取值为[90°，180°]。

8.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第一平行四边形所在的第一平面和所述第四平行四边形所在的第二平面的夹角为[100°，180°]。

9.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第三铰接点和所述第五铰接点之间通过直线或弧线连接，所述第四铰接点和所述第六铰接点之间通过直线或弧线连接。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂具有第一极限位置、零位和第二极限位置；

所述机械臂从所述零位朝第一方向运动至所述第一极限位置时的最大角度为145°；

所述机械臂从所述零位朝第二方向运动至所述第二极限位置时的最大角度为145°；

所述第一方向与所述第二方向相反。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括工具臂一号臂，所述工具臂一号臂具有第一转轴，所述第一转轴的轴线通过所述不动点；所述基座与所述工具臂一号臂可转动地连接；

所述机械臂具有第三平面，所述第三平面经过所述不动点且垂直于所述不动点机构上的各个转动轴线；

其中：所述第三平面与所述第一转轴共面，或者，所述第三平面与所述第一转轴成一正夹角或一负夹角。

12.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括工具臂二号臂，与所述工具臂一号臂通过第三连杆连接，所述工具臂二号臂具有第二转轴；其中所述第一转轴的轴线、所述第二转轴的轴线和所述操纵臂上的一安装通道的轴线均经过所述不动点，所述安装通道用于安装所述手术器械。

13.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述工具臂一号臂为弧形或折线形，以使所述基座与水平面之间成角度布置。

14.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述基座相对于所述工具臂一号臂偏置布置。

15.根据权利要求14所述的机械臂，其特征在于，所述基座包括L形布置的短基座和长基座，所述短基座与所述工具臂一号臂连接，所述长基座与所述第一臂和所述第二臂可转动地连接。

16.根据权利要求15所述的机械臂，其特征在于，所述短基座和所述长基座之间的夹角为(0°，90°]。

17.根据权利要求1-9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述操纵臂的末端设有突出部，所述突出部设有允许所述手术器械穿过的通孔，所述通孔的轴线与所述手术器械的轴线共线设置。

18.根据权利要求1-9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述操纵臂包括伸缩关节，所述伸缩关节用于安装所述手术器械，且所述伸缩关节的移动轴线和所述手术器械的轴线均通过所述不动点。

19.根据权利要求2-9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述第一连杆和所述第二连杆均包括一个主杆和三个分枝；

所述第一连杆上的三个所述分枝分别与所述第一臂、所述第二臂和所述操纵臂可转动地连接，以分别形成所述第三铰接点、所述第四铰接点和所述第七铰接点，且所述第三铰接点、所述第四铰接点和所述第七铰接点到所述第一连杆的主杆的垂直距离大于所述第三铰接点和所述第五铰接点之间的垂直距离；

所述第二连杆上的三个所述分枝分别与所述第一臂、所述第二臂和所述操纵臂可转动地连接，以分别形成所述第五铰接点、所述第六铰接点和所述第八铰接点，且所述第五铰接点、所述第六铰接点和所述第八铰接点到所述第二连杆的主杆的垂直距离大于所述第三铰接点和所述第五铰接点之间的垂直距离。

20.根据权利要求19所述的机械臂，其特征在于，每个所述分枝与对应的主杆之间的夹角为[45°，135°]。

21.根据权利要求19所述的机械臂，其特征在于，每个所述分枝为弧形或直线形。

22.根据权利要求1-9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述第一连杆、第二连杆和所述操纵臂位于所述基座的同一侧。

23.一种手术机器人，其特征在于，包括支撑机构和如权利要求1-22中任一项所述的机械臂，所述支撑机构与所述机械臂的近端连接，所述机械臂用以在手术过程中驱动所述手术器械围绕不动点运动。

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