CN219109734U - 机械臂限位机构、主手及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了机械臂限位机构、主手及手术机器人，其中，机械臂限位机构，包括沿大臂、横向摆臂相对转动轴线周向设置在横向摆臂上的限位弧槽以及设置在大臂上且能够在限位弧槽内滑动的限位销柱，本申请实施例中，采用上述的机械臂限位机构、主手及手术机器人，当第一臂杆与第二臂杆之间发生相对转动时，通过限位销柱与限位弧槽配合以限制第一臂杆与第二臂杆之间的相对转动角度，避免由于第一臂杆与第二臂杆之间相对转动角度过大导致的与其他部件碰撞干涉，同时限位弧槽对应的圆心角小于180°，避免其中一个臂杆关于另一臂杆的臂杆长度方向出现对称位点，从而消除控制逻辑冲突问题，提高机械臂的操作可靠性。

Description

机械臂限位机构、主手及手术机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，尤其涉及机械臂限位机构、主手及手术机器人。

背景技术

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。然而，微创手术中微创器械由于受到切口大小的限制，手术操作难度大为增加，且医生在长时间手术过程中的疲劳、颤抖等动作会被放大，这成为制约微创手术技术发展的关键因素。随着机器人技术的发展，一种可以克服缺点、继承优点的微创医疗领域新技术——微创手术机器人技术应运而生。

常见的微创手术机器人由医生控制台、患者侧手推车和显示设备组成，外科医生在医生控制台操作输入装置，并将输入传给与远程操作的外科器械连接的患者侧手推车。基于在医生控制台的外科医生的输入，远程操作的外科器械在患者侧手推车处被致动以对患者动手术，从而产生医生控制台和在患者侧手推车的外科器械之间的主从控制关系。医生控制台通常也称为主手，其具备多自由度的操作输入机构(腕部组件)以及机械臂，通过助力机构来辅助机械臂的转动并且设置重力平衡机构来优化医生的使用感受，重力平衡机构用于平衡相应零部件的重力矩，减轻对电机的压力，现有技术中，由于驱动助力机构的电机一般没有限位功能，而且重力平衡组件内部就是弹簧，也无限位的功能，因此，机械臂可能会出现支臂运动得太靠上而发生与固定箱体碰撞的问题，也可能会出现横向摆臂超过大臂的臂轴线而到达对称位置导致控制困难。

中国发明专利申请CN107440800A中公开了一种七自由度主操作机械手，包括具有支撑臂一的手臂关节和具有支撑臂二的手腕关节，支撑臂一与支撑臂二铰接，手臂关节包括基座、设于基座内的电机一和由电机一驱动的旋转传力轴，传力轴上固定有支撑座，支撑座上设有电机二，支撑臂一的一端垂直固定在电机二的输出轴上，支撑座上还设有当支撑臂二绕其与支撑臂一的铰接点摆动后用于使支撑臂二复位的复位组件，复位组件包括设于支撑座上且与电机二同轴相对设置的电机三以及一端连接在电机三输出轴上的连杆，连杆的另一端铰接在支撑臂二上。

然而，在上述专利方案中同样存在前述问题，当连杆活动到上方时可能与基座碰撞，而且支撑臂二向下活动时可能会超过支撑臂一的臂轴线，从而导致支撑臂二关于支撑臂一的臂轴线具有对称位点，进而导致了支撑臂二的控制问题，虽然上述问题通过医生的操作以及经验能够一定程度的避免，但是现有技术中未针对该问题进行针对性设计，仍存在出现上述问题的操作隐患。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种结构简单且操作稳定性强的机械臂限位机构、主手及手术机器人。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现。

本申请提供了一种机械臂限位机构，包括：

限位弧槽，呈圆弧状，设置在第一臂杆上且与参考轴线同轴；

限位销柱，设置在第二臂杆上且能够于所述限位弧槽内滑动；

其中，所述限位弧槽所对应的圆心角小于180°，所述第一臂杆与所述第二臂杆转动连接，所述参考轴线为所述第一臂杆与所述第二臂杆之间的相对转动轴线。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，所述第一臂杆具体为大臂，所述第二臂杆具体为横向摆臂；或所述第一臂杆具体为横向摆臂，所述第二臂杆具体为大臂。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，所述限位弧槽所对应的圆心角不小于90°且不大于120°。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，于所述第一臂杆与所述第二臂杆垂直时，所述限位销柱位于所述限位弧槽的中间位置。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，所述第二臂杆上设有用于安装所述限位销柱的销柱安装孔。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，所述限位销柱包括：

嵌入部，用于与所述第二臂杆固定连接；

滑动部，与所述嵌入部连接且用于与所述限位弧槽滑动配合。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，所述滑动部为柱状或球状。

进一步限定，上述的机械臂限位机构，其中，所述嵌入部与销柱安装孔过盈配合；

或者所述限位销柱还包括旋拧部，与嵌入部、滑动部连接且用于所述限位销柱的整体旋拧，所述嵌入部与所述销柱安装孔螺纹连接。

本申请还提供了一种主手，包括主手机械臂，所述主手机械臂采用上述任一项所述的机械臂限位机构。

本申请还提供了一种手术机器人，包括从手以及上述所述的主手。

本实用新型至少具备以下有益效果：

当第一臂杆与第二臂杆之间发生相对转动时，限位销柱于限位弧槽内滑动，当限位销柱滑动至限位弧槽的两端时将受到限位弧槽内壁的抵触限位，从而限制第一臂杆与第二臂杆之间的相对转动角度，避免由于第一臂杆与第二臂杆之间相对转动角度过大导致的与其他部件碰撞干涉，同时限位弧槽对应的圆心角小于180°，避免其中一个臂杆关于另一臂杆的臂杆长度方向出现对称位点，从而消除控制逻辑冲突问题，提高机械臂的操作可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例主手部分的结构示意图；

图2为本申请实施例主手部分的结构示意图；

图3为本申请实施例主手“大臂200”、“横向摆臂300”、“支臂500”之间的连接示意图；

图4为本申请实施例主手“大臂200”、“横向摆臂300”之间的连接示意图；

图5为本申请实施例主手“限位机构800”部分的结构放大示意图；

图6为本申请实施例主手“大臂200”、“横向摆臂300”部分的结构爆炸示意图；

图7为本申请实施例主手“大臂200”的结构示意图；

图8为本申请实施例主手“横向摆臂300”的结构示意图；

图9为本申请实施例主手“横向摆臂300”的局部结构示意图；

图10为本申请实施例主手“限位销柱810”的结构示意图；

图11为本申请实施例主手“限位销柱810”的结构示意图；

图12为本申请实施例主手“大臂200”、“横向摆臂300”之间的运动状态示意图。

附图标记

支座-100、固定箱体-110、大臂-200、大臂主体-210、连接部-220、第一转轴部-230、销柱安装孔-240、横向摆臂-300、摆臂主体-310、转接部-320、第二转轴部-330、手腕组件-400、支臂-500、驱动助力组件-600、驱动钢丝绳-610、重力平衡组件-700、平衡钢丝绳-710、限位机构-800、限位销柱-810、嵌入部-811、旋拧部-812、滑动部-813、限位弧槽-820。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的机械臂限位机构、主手及手术机器人进行详细地说明。

本申请实施例提供了一种手术机器人，包括主手(也称医生控制台)、从手(也称患者侧手推车)，其中主手用于由医生操作提供输入，从手用于与患者连接并提供根据医生输入而得到的输出。

本申请实施例提供了一种主手，包括基座、主手机械臂及显示器，医生操作主手机械臂上的主控输入装置，从手机械臂上的器械或内窥镜等末端组件根据主控输入装置的运动提供相应动作，从而完成摆位、调整视角、手术操作等目的，显示器用于向医生提供患者体内的手术视野，其图像来自于从手机械臂上的内窥镜。

在一种较佳的实施方式中，如图1、图2所示，主手机械臂包括用于安装在一预定位置以固定该主手机械臂的支座100，支座100内设置有固定箱体110，固定箱体110上设置有大臂200、支臂500以及用于驱动大臂200、支臂500动作的驱动助力组件600、用于平衡大臂200和横向摆臂300重力的重力平衡组件700，大臂200上转动设置有横向摆臂300，支臂500用于实现横向摆臂300及后端部件的重力平衡且与横向摆臂300远离与大臂200连接位置处转动连接，横向摆臂300上设置有用于对使用者动作进行接收感应的手腕组件400。

可以理解是，大臂200和支臂500都可以相对于支座100在竖直平面内转动，当然，本实施例所指的竖直方向特指在该主手机械臂安装状态下的朝地方向。

在一种较佳的实施方式中，如图2所示，驱动助力组件600采用驱动钢丝绳610实现对大臂200、支臂500的驱动，具体来说，固定箱体110内关于大臂200、支臂500对应位置设有驱动电机，驱动钢丝绳610设有两根且沿相反方向缠绕设置在驱动电机的转动输出端上，两根驱动钢丝绳610的另一端分别固定连接于大臂200或支臂500的转动周向上。

本申请实施例中，采用上述的主手机械臂，当驱动电机启动时，由于两根驱动钢丝绳610在驱动电机转动输出端上的绕线方向相反(此处的绕线方向相反指的是起始位置的相反，一根从外向里绕线，另一根从里向外绕线)，因此两根驱动钢丝绳610一个变长的同时另一个必然是缩短的，从而带动大臂200或支臂500转动。

在一种较佳的实施方式中，重力平衡组件700包括设置在固定箱体110内的重力平衡装置以及与重力平衡装置通过平衡钢丝绳710连接的滑轮反馈单元，滑轮反馈单元与大臂200或支臂500连接，重力调节装置用于通过平衡钢丝绳710、滑轮反馈单元向大臂200或支臂500提供平衡力，从而平衡前述部件的重力矩，减轻人手上的负担(最理想的情况是人手移动手腕组件400时，感受不到任何阻力)。

需要说明的是，此处虽然只说了重力矩，但是其中也有需要平衡掉的各部件的转动的摩擦力矩，由于摩擦力矩相比于重力矩小得多，因此业内往往只说重力矩，但不可忽略摩擦力矩的存在和需要消除，本实施例在此不做具体赘述。

在一种较佳的实施方式中，如图4至图9所示，大臂200与横向摆臂300之间设有限位机构800，限位机构800包括沿大臂200、横向摆臂300相对转动轴线周向设置在横向摆臂300上的限位弧槽820、沿大臂200、横向摆臂300相对转动轴线周向设置在大臂200上且能够在限位弧槽820内滑动的限位销柱810。

本申请实施例中，采用上述的主手机械臂，当大臂200与横向摆臂300之间发生相对转动时，限位销柱810于限位弧槽820内滑动，当限位销柱810滑动至限位弧槽820的两端时将受到限位弧槽820内壁的抵触限位，从而限制大臂200与横向摆臂300之间的相对转动角度，既避免横向摆臂300向上转动时转动范围过大导致支臂500触碰支座100，又避免横向摆臂300向下转动时超过大臂200的臂轴线出现对称位点，进而消除控制问题，提高主手的使用可靠性。

可以理解的是，限位机构800也能够设置为限位弧槽820沿大臂200、横向摆臂300相对转动轴线周向设置在大臂200上、限位销柱810沿大臂200、横向摆臂300相对转动轴线周向设置在横向摆臂300上且能够在限位弧槽820内滑动，即限位销柱810、限位弧槽820于大臂200、横向摆臂300上的设置位置可以互换，在空间允许的情况下，只要形成限位销柱810与限位弧槽820的配合关系并能够实现大臂200与横向摆臂300之间的限位效果即可。

在一种较佳的实施方式中，如图7所示，大臂200包括呈中空结构的大臂主体210以及设置在大臂主体210其中一端且用于转动连接固定箱体110的连接部220，具体的，大臂主体210为底板与盖板组合的中空结构，其内部用于走线和安装编码器等部件，连接部220与驱动助力组件600、重力平衡组件700连接，从而实现大臂200的驱动以及重力平衡。

大臂主体210远离连接部220一端贯通设有第一转轴部230，第一转轴部230用于安装关节空心转轴，从而与横向摆臂300转动连接，大臂主体210上关于第一转轴部230周向设有用于安装限位销柱810的销柱安装孔240。

在一种较佳的实施方式中，如图8所示，横向摆臂300包括呈中空结构的摆臂主体310，摆臂主体310其中一端用于安装手腕组件400，摆臂主体310远离手腕组件400一端上贯通设有第二转轴部330，第一转轴部230用于安装关节空心转轴，从而与大臂200转动连接，第一转轴部230与手腕组件400之间设有转接部320，转接部320相对靠近第一转轴部230且用于与支臂500转动连接。

限位弧槽820沿第二转轴部330周向设置在摆臂主体310上，当大臂200与横向摆臂300通过关节空心转轴转动连接时，限位销柱810刚好于限位销柱810内滑动。

在一种较佳的实施方式中，如图10所示，限位销柱810包括依次同轴连接的嵌入部811、旋拧部812、滑动部813，其中，嵌入部811用于与大臂200上的销柱安装孔240配合固定连接，滑动部813能够在横向摆臂300上的限位弧槽820内滑动以实现大臂200与横向摆臂300之间的转动角度范围限制。

嵌入部811与销柱安装孔240设置为螺纹连接，旋拧部812用于限位销柱810的整体旋拧，从而实现嵌入部811与销柱安装孔240的螺纹连接，可以理解的是，旋拧部812能够设置为任何便于人工或者器械旋拧的结构，对其具体结构不作具体限制，如图10所示，旋拧部812能够设置为正六边体状，其轴向切面为正六边形且轮廓位于滑动部813的轴向切面圆内部，当然，旋拧部812的轴向切面还能够设置为其他正多边形结构，如图11所示，旋拧部812能够设置为圆柱形，其轴向切面为圆形且轮廓包围滑动部813的轴向切面圆，如此一来能够增大旋拧部812的手动受力面积，便于采用人工进行旋拧安装工作。

可以理解的是，限位销柱810与大臂200的连接方式不局限于上述一种，例如能够将嵌入部811与销柱安装孔240设置为过盈配合，在安装过程中对限位销柱810施加力使得嵌入部811嵌入销柱安装孔240内即可实现二者的固定连接，当然，采用该连接方式时旋拧部812能够相应的舍去。

在一种较佳的实施方式中，如图4至图9所示，限位弧槽820为与第二转轴部330同轴的圆弧形槽，如图10至图11所示，滑动部813具体为圆柱状，限位弧槽820的槽宽略大于滑动部813的直径，从而实现对限位弧槽820的容置，另一方面，滑动部813的圆柱状结构便于在限位弧槽820内的滑动。

可以理解的是，滑动部813的结构不局限于上述一种，例如滑动部813也能够设置为球状或者其他柱状结构，只要能够实现在限位弧槽820内的滑动并保证限位稳定性即可，其中，采用圆柱状或者球状结构能够一定程度的减小与限位弧槽820内壁的摩擦，从而减小噪音，提高用户体验。

在一种较佳的实施方式中，如图4所示，当大臂200与横向摆臂300垂直时(零位)，限位销柱810位于限位弧槽820内的中间位置，如图9所示，限位弧槽820所对应的圆心角为120°，当限位销柱810滑动至限位弧槽820的两端时，分别对应大臂200与横向摆臂300之间的最大角度120°、最小角度30°，该活动角度限制在180°范围内，保证了横向摆臂300不会关于大臂200出现对称位点，便于控制，最小角度的限制又防止了支臂500与支座100的碰撞。

可以理解的是，限位弧槽820所对应的圆心角不局限于设置为上述一种，例如还能够将其圆心角设置为小于180°且大于实际使用需求角度的任意角度，其中实际使用需求角度指的是主手机械臂在满足实际使用需求下的最小角度。

可以理解的是，实际使用需求角度通常设置为不小于90°，如果角度太小，会导致主手机械臂的活动范围过小，医生拨动离合(使主手和从手的控制分离)并调整主手位置的次数就会增多，影响手术体验。

同时，若限位弧槽820所对应的圆心角太大，则会提升主手机械臂的高度，使得医生在使用过程中手需要举得高，影响医生的使用感受，故本实施例中将限位弧槽820所对应的圆心角设置为120°，以保证医生的使用体验。

在一种较佳的实施方式中，如图12所示，大臂200与固定箱体110之间也设有限位组件，该限位组件用于限制大臂200与固定箱体110之间的相对转动角度范围，可以理解的是，该限位组件能够设置为限位机构800的结构，也能够设置为其他形式的转动限位结构。

大臂200与固定箱体110之间的转动限制角度范围设置为120°，当大臂200竖直向下时(零位)，其顺、逆时针均能够转动60°，同样的，大臂200与固定箱体110之间的限制角度范围基于主手机械臂的实际使用需求制定，在此不做具体限制

本申请实施例中，采用上述的主手机械臂，通过大臂200与固定箱体110之间、大臂200与横向摆臂300之间的相对转动限制，使得主手机械臂在使用过程中操作更为可靠，避免出现由于限位不当导致的部件干涉，同时有效避免了控制方面的逻辑冲突问题，从而提高了用户操作体验。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种机械臂限位机构，其特征在于，包括：

限位弧槽，呈圆弧状，设置在第一臂杆上且与参考轴线同轴；

限位销柱，设置在第二臂杆上且能够于所述限位弧槽内滑动；

其中，所述限位弧槽所对应的圆心角小于180°，所述第一臂杆与所述第二臂杆转动连接，所述参考轴线为所述第一臂杆与所述第二臂杆之间的相对转动轴线。

2.根据权利要求1所述的机械臂限位机构，其特征在于，所述第一臂杆具体为大臂，所述第二臂杆具体为横向摆臂；或所述第一臂杆具体为横向摆臂，所述第二臂杆具体为大臂。

3.根据权利要求1或2所述的机械臂限位机构，其特征在于，所述限位弧槽所对应的圆心角不小于90°且不大于120°。

4.根据权利要求1或2所述的机械臂限位机构，其特征在于，于所述第一臂杆与所述第二臂杆垂直时，所述限位销柱位于所述限位弧槽的中间位置。

5.根据权利要求1或2所述的机械臂限位机构，其特征在于，所述第二臂杆上设有用于安装所述限位销柱的销柱安装孔。

6.根据权利要求1所述的机械臂限位机构，其特征在于，所述限位销柱包括：

嵌入部，用于与所述第二臂杆固定连接；

滑动部，与所述嵌入部连接且用于与所述限位弧槽滑动配合。

7.根据权利要求6所述的机械臂限位机构，其特征在于，所述滑动部为柱状或球状。

8.根据权利要求6或7所述的机械臂限位机构，其特征在于，所述嵌入部与销柱安装孔过盈配合；

或者所述限位销柱还包括旋拧部，与嵌入部、滑动部连接且用于所述限位销柱的整体旋拧，所述嵌入部与所述销柱安装孔螺纹连接。

9.一种主手，其特征在于，包括主手机械臂，所述主手机械臂采用上述权利要求1至8任一项所述的机械臂限位机构。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括从手以及上述权利要求9所述的主手。

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