CN219331919U - 机械臂和手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供一种机械臂和手术机器人，其包括第一转动臂，第二转动臂，动力机构以及驱动板。所述动力机构设于所述第一转动臂内，并连接所述第二转动臂，用于驱动所述第一转动臂相对所述第二转动臂绕第一轴线转动；所述驱动板，设于所述第二转动臂内，用于驱动所述动力机构。所述动力机构和驱动板分设于不同的转动臂，从而便于装配维护，并且避免热量聚集以及转动臂尺寸过大。

Description

机械臂和手术机器人

技术领域

本申请涉及机器人领域，特别是涉及一种机械臂和手术机器人。

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。

随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备响应主操作台发送的控制命令，利用机械臂驱动手术器械进行手术。

现有的一种机械臂为方便制造、装配都将电机、驱动板等都集成在一个关节臂内，导致电机工作时热量聚集过高，不利于机器人良好的工作性能。

实用新型内容

基于此，为解决上述问题，本申请提供一种减小关节臂热量聚集，并且方便装配维护的机械臂和手术机器人。

本申请实施例的一方面提供一种机械臂，其包括：

第一转动臂；

第二转动臂；

动力机构，设于所述第一转动臂内，并连接所述第二转动臂，用于驱动所述第一转动臂相对所述第二转动臂绕第一轴线转动；以及

驱动板，设于所述第二转动臂内，用于驱动所述动力机构。

在一具体的实施例中，所述第一转动臂和第二转动臂分别包括横向部分和纵向部分，所述横向部分分别沿所述第一轴线设置，所述纵向部分包括倾斜段和末端段，在机械臂伸直时，所述第一转动臂和第二转动臂的所述末端段位于同一轴线上。

在一具体的实施例中，还包括第一端盖和第二端盖，所述第一转动臂沿所述第一轴线具有背向所述第二转动臂的第一端部，所述动力机构至少部分露出所述第一端部，所述第二转动臂沿所述第一轴线具有背向所述第一转动臂的第二端部，所述驱动板至少部分露出所述第二端部，所述第一端盖、所述第二端盖分别盖设于所述第一端部和所述第二端部。

在一具体的实施例中，还包括穿线套筒，所述第一转动臂还包括贯穿所述第一端部的第一穿线孔和第二穿线孔，所述穿线套筒贯穿所述动力机构并与所述第一穿线孔连通，所述第二穿线孔被配置为供从所述穿线套筒、所述第一穿线孔引出的导线穿出后重新进入所述第一转动臂。

在一具体的实施例中，所述动力机构包括定子、转子和减速机，所述定子与所述第二转动臂相对固定，所述转子可在所述定子中转动，所述减速机包括输入端和输出端，所述输入端与所述转子耦接，所述输出端与所述第一转动臂耦接以使所述第一转动臂和第二转动臂相对转动。

在一具体的实施例中，所述动力机构还包括电机外壳，所述电机外壳与所述第二转动臂固定连接，所述驱动板通过连接柱与所述电机外壳固定连接，所述减速机还包括刚轮，所述输出端为一柔轮，所述输入端为一波发生器，所述刚轮与所述第二转动臂相对固定，所述柔轮与所述第一转动臂相对固定，所述波发生器与所述转子的转轴固定连接并与所述柔轮接触，所述波发生器在所述转轴的带动下转动使所述柔轮与所述刚轮可转动啮合。

在一具体的实施例中，所述转子的转轴末端设有抱闸，所述抱闸与所述电机外壳固定连接，所述抱闸用于在所述动力机构断电时给所述转轴相反的转矩。

在一具体的实施例中，所述第一转动臂的内表面设有第一限位部，所述动力机构上设有与所述定子相对固定的第二限位部，所述第二限位部用于限制所述第一限位部的转动角度，以限制所述第一转动臂相对所述第二转动臂的转动角度。

在一具体的实施例中，所述第一限位部为弧形槽与弧形凸部中的一个，所述第二限位部为设于所述刚轮上的弧形槽与弧形凸部中的另一个。

在一具体的实施例中，还包括第三转动臂和第四转动臂，所述第三转动臂与所述第一转动臂连接，所述第四转动臂与所述第二转动臂连接，所述第一转动臂至第四转动臂中任意相邻的两个转动臂中的一个设有凸台，另一个设有销钉，所述转动臂相对转动到达一预定位置时，凸台与销钉接触以限制继续转动。

在一具体的实施例中，所述凸部和/或凸台设置有缓冲件。

在一具体的实施例中，所述驱动板上设置有第一散热结构，且所述第一转动臂的倾斜段设置有第二散热结构。

本申请实施例的再一方面提供一种手术机器人，其包括主操作设备，和受所述主操作设备控制的从操作设备，所述从操作设备包括上述的机械臂。

本申请的机械臂至少具有以下有益效果：

将驱动板与动力机构分离设置在两个相对运动的关节臂中，避免热量聚集，以及动力机构所在侧的关节臂尺寸过大，而且该两个关节臂内电子构件可以分别装配或维护。

附图说明

图1是本申请的实施例提供的手术机器人的示意图；

图2是本申请的实施例提供的机械臂的示意图；

图3是图2的机械臂的局部爆炸示意图；

图4是图2的机械臂的局部剖示图；

图5是图4的机械臂的动力机构处的结构示意图；

图6是图2的机械臂的局部剖示示意图；

图7是图2的机械臂的限位部示意图。

图中各元件标号如下：

主操作设备10 从操作设备20 机械臂21

第一转动臂212 手术器械23 转动臂211,214

纵向部分212b,213b 第二转动臂213 横向部分212a,213a 第一端盖212e 动力机构215 末端段212d,213d 驱动板216 第二端盖213e 倾斜段212c,213c 减速机215d 定子215a 转子215b

电机外壳215e 输入端(波形发生器)215f 刚轮215h

转轴215c 输出端(柔轮)215g 穿线套筒217

销钉224 抱闸219 凸台223第二限位部222 第一限位部221 缓冲件225

散热鳍片229 第一散热结构226 导热座228

编码器215r 第二散热结构227 轴承215q第二穿线孔218 第一穿线孔218a抱闸219

连接柱230

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“耦合”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所谓的“接合”是指两个元件具有动力传输的联接。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上方”、“下方”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式，应理解的是，这些与空间相关的术语旨在除了附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在操作中的不同取向，例如，如果设备在附图中被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件或特征将被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方两种取向。

本文所使用的术语“远端”、“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。本文所使用的“耦合”可以被广义地理解为其中两个或更多物体以一种方式被连接到任何事件，该方式允许绝对耦合的物体彼此在一起进行操作，使得物体之间至少在一个方向上没有相对移动，例如突出物和凹槽的耦合，两者可以在径向相对移动但不能在轴向相对移动。

术语“器械”在文中被用来描述医疗设备，该医疗设备用于插入患者身体并用于执行外科手术或诊断程序，该器械包括末端执行器，末端执行器可以是用于执行外科手术相关的外科手术工具，例如电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪割器、成像设备，例如内窥镜或超声探头以及类似物。末端执行器还可以提供铰接部件，例如关节组件，使得末端执行器的位置和取向能够以相对于器械轴一个或多个机械自由度被操控而运动。进一步地，末端执行器包括还包括功能性机械自由度，例如打开和闭合的钳夹。器械还可以包括可以被外科手术系统更新的存储信息，借此该存储系统可以提供器械与一个或多个系统元件之间的单向或双向通信。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”和“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请一个实施例的手术机器人如图1所示，手术机器人包括主操作设备10及从操作设备20，主操作设备10位于医生操作者一侧，主操作设备10用于根据操作者的操作向从操作设备20发送控制命令和显示从操作设备20获取的影像，操作者通过图像主机(图未示)或者主操作设备10可以观察到影像系统提供的患者体内的三维立体成像，操作者通过观察患者体内三维的影像，能以沉浸式的感觉通过操作主操作设备控制从操作设备20执行相关操作，例如执行手术或获取患者体内影像。本实施例中，所述主操作设备10为一手柄。

从操作设备20位于患者一侧用于执行外科手术，其中从操作设备20包括一个或多个机械臂21，以及由机械臂21支撑的手术器械23，所述机械臂21接受所述主操作设备的操作控制而对手术器械23的运动进行控制。本实施例中，手术器械23设置在机械臂21输送的导管内。

请参阅图2至图4，一个机械臂21包括相互转动连接的转动臂211～214，以及依据需要可以设置更多的转动臂。本实施例以第一转动臂212和第二转动臂213进行描述。所述第一转动臂212包括横向部分212a和纵向部分212b，所述第二转动臂213包括横向部分213a和纵向部分213b，所述纵向部分212b包括倾斜段212c和末端段212d，所述纵向部分213b包括倾斜段213c和末端段213d。所述横向部分212a和横向部分213a位于同一第一轴线S1上，所述机械臂21伸直时所述末端段212d和末端段214d位于同一第二轴线S2上。

所述第一转动臂212沿所述第一轴线S1具有背离所述第二转动臂213的第一端部，所述第二转动臂213沿所述第一轴线S1具有背离所述第一转动臂212的第二端部，第一端部设置有可拆卸的第一端盖212e，第二端部设置有可拆卸的第二端盖213e，所述第一转动臂212内设置有动力机构215，所述第二转动臂213内设置有用于驱动所述动力机构215的驱动板216，所述第一端盖212e，第二端盖213e可以拆卸下来对所述动力机构215和驱动板216进行安装或维护。具体地，所述动力机构215至少部分露出所述第一端部，如装配螺钉、导线等露出所述第一端部以方便进行安装或维护；所述驱动板216可以整块露出第二端部以方便进行安装或维护。

请参阅图5，所述动力机构215大致位于所述第一转动臂212，但与所述第二转动臂213连接。具体地，所述动力机构215基本地包括定子215a和转子215b。所述定子215a与所述第二转动臂213相对固定，特别地，所述动力机构215可以具有电机外壳215e，所述定子215a固定设置在电机外壳215e的内壁，电机外壳215e通过螺钉固定连接于所述第二转动臂213壁上，如此设置方式使动力机构215与第二转动臂213固定，但动力机构215大体位于第一转动臂212所在空间。所述定子215a可以设置通电线圈。所述转子215b容置在所述定子215a中，且所述转子215b内侧固定连接转轴215c，转子215b上可以设置永磁铁。所述转轴215c穿出所述转子215b两端，并在外壁设置有多个肩台,所述肩台支承在轴承215q上，并在轴承215q上可转动。所述动力机构215通电后，所述定子215a产生磁场，驱动所述转子215b连同所述转轴215c转动。

所述动力机构215还包括编码器215r，通过感测所述转轴215c的转动位置以进行伺服控制。所述转轴215c末端设有抱闸219，所述抱闸219可以与所述电机外壳215e固定连接，所述抱闸219用于在所述动力机构215断电时给转轴215c一个转动方向相反的转矩使转轴215c及时停止转动。所述抱闸219的结构形式可以多种，例如可以通过一个内置的弹簧，在接受到抱闸指令时，弹簧顶推抵持住所述转轴215c而制动所述转轴215c。

本实施例中，所述动力机构215进一步包括减速机215d，所述减速机215d包括输入端215f和输出端215g，具体地，所述减速机215d还包括一个刚轮215h。所述刚轮215h通过螺钉固定在所述电机外壳215e，从而与第二转动臂213相对固定，所述输入端215f为一波形发生器215f，所述输出端215g为一柔轮，所述柔轮215g通过所述螺钉与所述第一转动臂212固定。所述波形发生器215f固定于所述转轴215c上，所述刚轮215h为刚性，所述柔轮215g为柔性，并与所述刚轮215h可转动啮合。所述波形发生器215f的外径略大于所述柔轮215g的内径，当所述波形发生器215f装设入所述柔轮215g的通孔中时迫使柔轮215g撑成椭圆形，从而柔轮215g在长轴方向与刚轮完全啮合，在短轴方向完全分离，其余各处的齿视柔轮回转位置的不同，在啮入和啮出状态之间往复循环。

在相对转动过程中，波形发生器215f先随所述转轴215c沿第一方向转动，波形发生器215f转矩传递给柔轮215g，柔轮215g由于在长轴方向上与刚轮215h啮合，而刚轮215h与第二转动臂213相对固定，从而迫使柔轮215g沿相反的第二方向转动，从而带动第一转动臂212相对第二转动臂213转动。柔轮215g随着波形发生器215f转动过程中，其中一个齿从与刚轮215h的一个齿啮合到再一次与刚轮215h上的这个齿相啮合时，柔轮215g恰好旋转一周，而此时波形发生器215f已旋转很多圈，从而发生减速，该减速的量由该波形发生器215f与柔轮215g旋转圈数之比，即减速比而设定。

所述转轴215c为中空，其内置一个穿线套筒217，所述穿线套筒217贯穿所述转轴215c并与所述第一端部(即第一端盖212e所在处)的外部连通，所述第一转动臂212还包括穿线孔218，所述穿线孔218被配置为供从穿线套筒217引出的导线穿过以从所述第一转动臂212引出。具体地，所述第一转动臂的第一端部具有第一穿线孔218a，所述穿线套筒217贯穿所述动力机构的转轴215c并与所述第一穿线孔218a连通。所述穿线孔218为第二穿线孔，其被配置为供从所述穿线套筒217、所述第一穿线孔218a引出的导线穿出后重新进入所述第一转动臂212。

请一并参阅图6-7，所述第一转动臂212的内表面设有第一限位部221，所述动力机构215上设有与所述定子215a相对固定的第二限位部222，所述第二限位部222用于限制所述第一限位部221的转动角度，以限制所述第一转动臂212相对所述第二转动臂213的转动角度。具体地，所述第一限位部221可以为弧形槽与弧形凸部中的一个，所述第二限位部222可以为设于所述刚轮215h上的弧形槽与弧形凸部中的另一个。

可选或进一步地，所述第一转动臂212和第二转动臂213中的一个设有凸台223，另一个设有销钉224，所述第一转动臂212和第二转动臂213相对转动到达一预定位置时，凸台223与销钉224接触以限制继续转动。

上述凸部和/或凸台外表面可以设置缓冲件225，缓冲件225可以是橡胶等弹性材料，当运动至预定位置时，缓冲件225起到缓冲减震作用，减少冲击力。

所述驱动板216通过连接柱230与所述电机外壳215e固定连接，且所述驱动板216上可以设置第一散热结构226，其可以为驱动板216散热。所述第一转动臂213的倾斜段213c可以设置第二散热结构227，从而从第一转动臂213内靠近第一端盖212e的一侧空间为动力机构215散热，并且充分利用倾斜段213c的空间。所述第一、第二散热结构226，227可以分别包括导热座228，以及形成于导热座上的散热鳍片229，且导热座228可以连接所述第一转动臂212和第二转动臂213上的凸台等位置以将热量传导出去转动臂外。

所述手术机器人可以设置一组上述的第一转动臂212、第二转动臂213，也可以多组上述的第一转动臂212、第二转动臂213，并且组与组之间可以混合别的构型的转动臂，例如第三转动臂211和第四转动臂214为直线构型等，或者还包含第五转动臂、第六转动臂、第七转动臂等共同形成六轴式或七轴式机器人机械臂。

在实际使用中，第一转动臂212和第三转动臂211在位置上相对靠近手术床侧，其中第三转动臂211末端可以装配手术器械；第二转动臂213和第四转动臂214在位置上相对靠近机器人侧，其中第四转动臂214可以连接机器人台车。上述动力机构215带动第一转动臂212相对第二转动臂213转动，通过相同的动力机构与驱动板设置方式使得在位置上靠近手术床侧的转动臂相对相邻的转动臂转动，即第三转动臂211可以相对第一转动臂212转动，第二转动臂213可以相对第四转动臂214转动，如此机器人侧转动臂将动力传输至手术床侧的转动臂。六轴式或七轴式转动臂以此类推。相邻的转动臂构成可相互运动的关节臂，从而整条机械臂便具有多自由度。相邻的转动臂之间，动力机构与驱动板分开，并且上述第二散热结构227可以实质为第三转动臂211的驱动板的散热结构。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种机械臂，其特征在于，其包括：

第一转动臂；

第二转动臂；

动力机构，设于所述第一转动臂内，并连接所述第二转动臂，用于驱动所述第一转动臂相对所述第二转动臂绕第一轴线转动；以及

驱动板，设于所述第二转动臂内，用于驱动所述动力机构。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一转动臂和第二转动臂分别包括横向部分和纵向部分，所述横向部分分别沿所述第一轴线设置，所述纵向部分包括倾斜段和末端段，在机械臂伸直时，所述第一转动臂和第二转动臂的所述末端段位于同一轴线上。

3.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，还包括第一端盖和第二端盖，所述第一转动臂沿所述第一轴线具有背向所述第二转动臂的第一端部，所述动力机构至少部分露出所述第一端部，所述第二转动臂沿所述第一轴线具有背向所述第一转动臂的第二端部，所述驱动板至少部分露出所述第二端部，所述第一端盖、所述第二端盖分别盖设于所述第一端部和所述第二端部。

4.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，还包括穿线套筒，所述第一转动臂还包括贯穿所述第一端部的第一穿线孔和第二穿线孔，所述穿线套筒贯穿所述动力机构并与所述第一穿线孔连通，所述第二穿线孔被配置为供从所述穿线套筒、所述第一穿线孔引出的导线穿出后重新进入所述第一转动臂。

5.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述动力机构包括定子、转子和减速机，所述定子与所述第二转动臂相对固定，所述转子可在所述定子中转动，所述减速机包括输入端和输出端，所述输入端与所述转子耦接，所述输出端与所述第一转动臂耦接以带动所述第一转动臂相对第二转动臂转动。

6.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述动力机构还包括电机外壳，所述电机外壳与所述第二转动臂固定连接，所述驱动板通过连接柱与所述电机外壳固定连接，所述减速机还包括刚轮，所述输出端为一柔轮，所述输入端为一波发生器，所述刚轮与所述第二转动臂相对固定，所述柔轮与所述第一转动臂相对固定，所述波发生器与所述转子的转轴固定连接并与所述柔轮接触，所述波发生器在所述转轴的带动下转动使所述柔轮与所述刚轮可转动啮合。

7.如权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述转子的转轴末端设有抱闸，所述抱闸与所述电机外壳固定连接，所述抱闸用于在所述动力机构断电时给所述转轴相反的转矩。

8.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述第一转动臂的内表面设有第一限位部，所述动力机构上设有与所述定子相对固定的第二限位部，所述第二限位部用于限制所述第一限位部的转动角度，以限制所述第一转动臂相对所述第二转动臂的转动角度。

9.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述驱动板上设置有第一散热结构，且所述第一转动臂的倾斜段设置有第二散热结构。

10.一种手术机器人，其包括主操作设备，和受所述主操作设备控制的从操作设备，所述从操作设备包括权利要求1-9中任一项所述的机械臂。

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