CN219940791U - 一种手术机器人的机械臂 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种手术机器人的机械臂，机械臂具有摆动联动装置，该摆动联动装置包括一个直线运动臂和一个摆臂，所述直线运动臂包括导轨和滑块，所述滑块可滑动地安装在所述导轨上，所述摆臂的近端与所述滑块连接，所述摆臂被配置为可相对于所述直线运动摆转动以改变所摆臂远端在竖直方向的位置；手术机器人的控制装置被配置为在所述摆臂摆动时，控制所述滑块沿所述导轨运动，以维持所述摆臂的远端在水平方向上的位置不变。

Description

一种手术机器人的机械臂

技术领域

本申请涉及医疗领域，特别是涉及一种外科手术机器人的机械臂及具有该机械臂的手术机器人。

背景技术

微创医疗技术是指利用腹腔镜、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或进行活检的一种医疗方式。相比传统手术方式，微创医疗技术具有创伤小、疼痛轻、恢复快，减轻患者的不适并且减少有害的副作用等优势。

随着科技的进步，微创医疗手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术医疗机器人通常包括主控制台及从操作设备，医生通过控制主控制台的输入设备控制从操作设备，从操作设备用于响应主控制台发送的控制命令，并执行相应的手术操作。器械与从操作设备的驱动装置连接，用于执行外科手术，器械的远端包括用于执行手术操作的末端装置和与末端装置连接的可以多个自由度动作的关节组件。

在使用手术机器人进行手术前，需要将手术机器人的机械臂调整到合适的位置，以方便手术机器人开展手术，其中机械臂的高度调整是术前准备中的一个重要环节，现有技术主要采用直线升降关节来实现机械臂的高度调整，直线升降关节的本身会占用一定的高度空间，其对机械臂的高度调整的效率。

发明内容

基于此，本申请在第一方面提供了一种手术机器人的机械臂，其包括至少一个直线运动臂和一个摆臂；

所述直线运动臂包括导轨和滑块，所述滑块可滑动地安装在所述导轨上；

所述摆臂包括：

第一轮，所述第一轮与所述滑块固定连接；

连杆；

第二轮，所述连杆的第一端与所述第一轮转动连接，所述连杆的第二端与所述第二轮转动连接，

柔性件，所述柔性件连接于所述第一轮和所述第二轮之间。

在一个具体的实施例中，所述柔性件包括第一柔性件和第二柔性件，所述第一柔性件和所述第二柔性件在所述第一轮和所述第二轮之间的部分相互平行。

在一个具体的实施例中，所述机械臂还包括一个驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述连杆相对于所述第一轮转动。

在一个具体的实施例中，所述机械臂还包括竖臂，所述竖臂与第二轮固定连接。

在一个具体的实施例中，所述机械臂还包括一个平行四边形机构和手术器械，所述平行四边机构的近端与竖臂转动连接，所述平行四边形机构限定出一个远程运动中心，所述手术器械可拆卸地安装在所述平行四边形机构上并可围绕所述远程运动中心旋转，所述直线运动臂和所述摆臂联动以改变所述远程运动中心在竖直方向的位置，而维持所述远程运动中心在水平方向的位置不变。

在一个具体的实施例中，所述机械臂还包括一个L型连杆，所述L型连杆连接于所述平行四边形机构与所述竖臂之间。

本申请在第二方面提供了一种手术机器人，其包括摆动联动装置和控制装置，所述摆动联动装置包括一个直线运动臂和一个摆臂，所述直线运动臂包括导轨和滑块，所述滑块可滑动地安装在所述导轨上；

所述摆臂的近端与所述滑块连接，所述摆臂被配置为可相对于所述直线运动臂转动以改变所摆臂远端在竖直方向的位置；

所述控制装置被配置为在所述摆臂摆动时，控制所述滑块沿所述导轨运动，以维持所述摆臂的远端在水平方向上的位置不变。

在一个具体的实施例中，所述摆臂包括：

第一轮，所述第一轮与所述滑块固定连接；

连杆；

第二轮，所述连杆的第一端与所述第一轮转动连接，所述连杆的第二端与所述第二轮转动连接，

柔性件，所述柔性件连接于所述第一轮和所述第二轮之间。

在一个具体的实施例中，还包括竖臂，所竖臂与所述摆臂的远端相连接，所述摆臂包括：

第一连杆，所述第一连杆的近端所述滑块转动连接，所述第一连杆的远端与所述竖臂转动连接；

第二连杆，所述第二连杆的近端与所滑块转动连接，所述第二连杆的远端与所述竖臂转动连接；

所述第一连杆与所述滑块、所述竖臂的连接点，以及、所述第二连杆与所述滑块、所述竖臂的连接点位于一个平行四边形的四个顶点上。

在一个具体的实施例中，所述摆臂摆动远端的方向与所述滑块沿所述导轨运动的方向相互垂直。

在一个具体的实施例中所述摆臂还包括检测装置，所述检测装置用于检测所述摆臂相对于所述直线运动臂转过的角度，所述控制装置根据所述检测装置检测的数据控制所述滑块沿所述导轨相应的距离。

附图说明

图1A为本申请一个实施例的手术机器人辅助医疗系统的俯视示意图；

图2为本申请一个实施例的手术机器人的主控制台的示意图；

图3为本申请一个实施例的手术器械的示意图；

图4为本申请一个实施例的手术机器人的从操作设备的示意图；

图5为本申请一个实施例的平行四边形机构的示意图；

图6A为本申请一个实施例的机械臂的摆动联动装置示意图；

图6B为图6A所示的实施例的摆动联动装置被致动时的示意图；

图7A为本申请一个实施例的机械臂的摆动联动装置示意图；

图7B为图7A所示的实施例的摆动联动装置被致动时的示意图；

图8A为本申请一个实施例的机械臂的摆动联动装置示意图；

图8B为图8A所示的实施例的摆动联动装置被致动时的示意图。

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，并非对本申请的限制。

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，也可指两个元件通过信号进行交互相连。当一个元件被认为是“耦合”/“耦接”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，也可指两个元件通过信号进行交互。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外科医生的一端，“近端”表示手术过程中靠近外科医生的一端。本文所使用的术语“多个”包括两个及两个以上。

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器械，例如活检针、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。本申请实施例中使用的一些器械进一步包括为末端执行器提供了铰接部件(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辅助医疗系统如图1所示，手术机器人辅助医疗系统包括主控制台20和从操作设备10，主控制台20远程通信地连接到从操作设备10，外科医生S可在主控制台20上远程操作控制从操作设备10。主控制台20被配置为根据外科医生S的操作向从操作设备10发送控制信号和显示从操作设备10获取的影像，外科医生S通过主控制台10可以观察到影像系统提供的患者体内的三维立体成像，外科医生S通过观察患者体内三维的影像，能以沉浸式的感觉控制从操作设备10执行相关操作(例如执行手术或获取患者体内影像)。

从操作设备10包括控制装置和多个机械臂11，控制装置可以设置在从操作设备10的底座中，也可以设置在各个机械臂上，在一个实施例中，控制装置用于控制驱动机械臂11的关节运动。

在一个实施例中，手术机器人辅助医疗系还包括气体吹入装置、管腔组和一个或多个套管(图未示出)，管腔组将套管与气体吹入装置流体连通。一个或多个套管连接于多个机械臂11的远端，套管插入躺在手术床T的患者P的体腔上。

在一个实施例中，外科医生S通过主控制台10可控制气体吹入装置的工作模式，例如将气源中的气体注入患者P的体腔中，以形成人工气腹，或从患者P的体腔中抽吸气体。助手A根据手术状况将手术器械40安装到机械臂11上，或从机械臂11更换手术器械40。外科医生S、助手A以及麻醉师B组成基本的外科手术团队。手术器械40可以是用于执行手术操作的电烧灼器、钳夹器、吻合器、超声刀等手术器械，也可以是获取影像的图像装置(例如内窥镜)或者其他外科工具。

主控制台10还远程通信地与电子设备推车30连接，电子设备推车30远程通信地与从操作设备10，电子设备推车30可包括能量发生装置、图像信号处理装置及上述气体吹入装置等设备。本实施例中，主控制台10与从操作设备10和电子设备推车30之间采用有线以太网通讯方式进行远程通信，但远程通信并不限于有线以太网通讯，也可以是其他有线方式，例如包括但不限于串口、CAN、RS485、RS232、USB、SPI等，或者以及无线通讯方式，例如包括但不限于WiFi、NB、Zigbee、蓝牙、RFID等。

在一个实施例中，如图2所示，主控制台20包括显示装置21、扶手22、输入装置23、观察装置24及控制信号处理系统25，其中，显示装置21用于显示上述影像系统所获取图像。扶手23用于放置操作者的胳膊及/或手部，以使操作者更舒适地操作输入装置2，观察装置21用于观察显示装置所显示的所述图像。根据实际需要，也可以省略扶手；或省略观察装置21，此时可直接观察。操作者通过操作输入装置23控制从操作设备10的手术器械运动，主控制台20的控制信号处理系统处理输入装置22的输入信号后向从操作设备发出控制命令，从操作设备10响应主控制台20的控制命令，并进行相应的操作，在一些实施例中，控制信号处理系统25也可以设置在从操作设备10中，例如设置在从设操作设备10的底座中。控制信号处理系统25可以和上述的控制装置是一个装置。

手术机器人通常还包括使操作者能够从患者身体外部观察手术部位的影像系统部分(未示出)。该影像系统不同通常包括具有视频图像采集功能(例如具有图像获取功能的器械40)和用于显示被采集图像的一个或多个视频显示设备。一般地，具有图像获取能的器械40包括将获取患者身体内图像的一个或多个成像传感器(例如CCD或CMOS传感器)的光学器件。该一个或多个成像传感器可以被放置在的具有图像获取能的器械40远端处，并且该一个或多个传感器产生的信号可以沿电缆或通过无线传输以在视频显示设备上处理和显示。

如图3所示，器械40包括器械盒41、长轴42及末端执行器43，器械40可拆卸的安装在从操作设备10的机械臂11的远端上，器械盒41内具有传动装置(图未示出)，传动装置包括多个传动单元(例如绞盘)，传动单元通过多个缆绳与末端装置43相连接，多个传动单元分别耦合到机械臂11的多个驱动单元(例如马达)，并被驱动单元所驱动。驱动单元接收来自控制装置的控制指令，并根据该控制指令通过驱动传动单元运动从而驱动末端执行器43运动，控制装置可以设置在主控台20内，也可以设置在从操作设备10内。例如，驱动单元通过驱动传动单元转动从而对缆绳进行收/拉以对末端执行器进行运动控制。末端执行器43能执行多个笛卡尔自由度的动作，例如平移(包括横移和/或纵移)、俯仰、偏摆等，可以理解的是，平移和俯仰、平移和偏摆即可以独立运动也同时运动。末端执行器43用于执行与外科手术相关的操作，根据手术操作的需求不同，末端执行器43可以是电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪刀、超声刀、相机、成像装置等，其中相机或成像装置用于获取人体内部影像。

在一个实施例中，如图4所示，手术机器人的从操作设备100包括底座110，立柱120、大臂130、定向平台140以及与定向平台140连接的4个机械臂11，在其他的一些实施例中，从操作设备100也可以包括其他数量的机械臂11，例如1个或2等。

立柱120与底座110固定连接，立柱120可以沿竖直方向升降。大臂130与立柱120通过旋转关节71相连接，大臂130包括一个直线运动关节，大臂130可沿水平方向伸缩。大臂130和定向平台140通过旋转关节72相连接，定向平台通过四个旋转关节73分别与四个机械臂11相连接。

在一个实施例中，机械臂11包括摆动联动装置80、竖臂170、L型连杆180以及平四边形机构190，摆动联动装置80包括彼此联动地直线运动臂150和摆臂152，直线运动臂150的近端通过旋转关节73与定向平台140连接，直线运动臂150包括一个直线运动关节，直线运动臂150可沿水平方向伸缩。

摆臂160的近端与直线运动臂150的远端连接，摆臂160的远端与竖臂170的近端相连接，摆臂160可相对于直线运动臂150沿竖直方向摆动，以改变与摆臂160远端相连的结构的在竖直方向上的高度。

竖臂170通过旋转关节74与L型连杆180相连接，L型L连杆与平行四边形机构190通过旋转关节75相连接。

在一个实施例中，如图5所示，平行四边形机构190包括平行四边形基座191、第一连杆192、第二连杆193及持械臂194，平行四边形基座191的与旋转关节75相连接，第一连杆192、第二连杆193及持械臂194限定出一个平行四边形，远程运动中心R位于该平行四边形的一个顶点上，并且旋转关节75的旋转轴线穿过远程运动中心R，手术器械40可拆卸地安装在持械臂194上，在平行四边形机构190运动时，手术器械40围绕远程远中心R运动。

摆动联动装置80被配置为致动时，可以改变远程运动中心R在竖直方向上的位置，而维持远程运动中心R在水平方向上的位置不变。

在一个实施例中，如图6A所示，摆动联动装置80包括直线运动臂150和摆臂160，直线运动臂150包括连杆151、导轨153和滑块155，连杆151可以是直线摆动臂150的壳体，导轨153固定在连杆151上，滑块155可滑动地安装在导轨153上。

摆臂160包括：

第一轮162，该第一轮162与直线运动臂150的滑块155固定连接；

连杆161，在一些实施例中，连杆161为摆臂160的壳体；

第二轮164，连杆161的第一端(近端)与第一轮162转动连接，连杆162的第二端(远端)与第二轮164转动连接，

柔性件163，柔性件163连接于第一轮162和第二轮164之间。

柔性件163包括第一柔性163a和第二柔性件163b，第一柔性件163a和第二柔性件163b在第一轮162和第二轮164之间的部分相互平行。在一些实施例中，柔性件163为钢带或缆绳。

竖臂170与第二轮164固定连接。

如图6B所示，在摆臂160在逆时针旋转时(竖直摆动)，由于第一轮162与滑块155固定而不能旋转，使得第一柔性件163a缠绕在第一轮162上的长度减少，第二柔性件163b缠绕在第一轮162上的长度增加，即相对于第一轮162，第一柔性件163a被释放，第二柔性件163b被收拉，使得第二轮164在柔性件163的作用下顺时针旋转，摆臂160构成了一种平行四边形运动机构，从而在摆臂160摆动的过程中维持与第二轮164连接的远端机构(例如竖臂170)的姿态不变。例如在摆臂160摆动的过程中，旋转关节74的转动轴线74a与旋转关节73的转动轴线73a始终维持平行。摆臂160的摆动可以是助手A手动摆动摆臂160来调整竖臂170的高度，也可以是摆动连接装置80内的驱动装置驱动摆动160摆动，也可以是助手A施加给摆臂160作用力，驱动装置根据该作用力驱动摆臂160摆动。

在一个实施例中，在摆臂160在逆时针旋转时，控制装置111控制直线运动臂150的滑块155沿导轨153向左移动，并且其向左移动的距离刚好抵消掉第二轮164因摆臂160摆动而向右的偏移量，从而使得摆臂160摆动时，与第二轮164连接的远端机构(例如竖臂170)在水面方向上的位置不变,即旋转关节73的轴线73a与旋转关节74的轴线74a之间的距离L维持不变。反之，摆臂160顺时针旋转的同时，控制装置111控制滑块155沿导轨153向右移动，以抵消第二轮164向左的偏移量。

在一个实施例中，摆臂160上设有检测装置(图未示出)，检测装置用于检测摆臂160摆动的角度。例如，检测装置为编码器，其可以检测连杆161的近端转过的角度。控制装置111根据检测装置检测到的摆臂160摆动的角度，计算出滑块155需要滑动的距离，以抵消第二轮164因连杆161摆动而沿水平方向的移动量。

在一个实施例中，如图7A所示，摆动联动装置80的摆臂260包括相互平行的第一连杆261和第二连杆262，第一连杆261的两端分别与滑块155和竖臂170转动连接，第二连杆262的两端分别与滑块155和竖臂170转动连接，第一连杆261与滑块155、竖臂170的连接点261a、261b，及第二连杆262与滑块155、竖臂170的连接点262a、262b，四个连接点261a,261b,262a,262b构成一个平行四边形机构的四个顶点。

在一个实施例中，第一连杆261为摆臂260的外壳。

在摆臂260摆动的过程中，第一连杆261和第二连杆262构成的机械平行四边机构使竖臂170仅位置改变，而姿态不变。

如图7B所示，在摆臂260逆时针摆动时，控制装置111控制滑块155沿导轨153向左运动，以抵消掉竖臂170因摆臂260摆动而向右的偏移量。反之，摆臂260顺时针摆动时，控制装置111控制滑块155向右运动，以抵消掉竖臂17向左的偏移量。

在一个实施例中，摆臂260还包括检测装置(图未示出)，检测装置用于检测摆臂260的摆动角度，例如检测装置为编码器，其检测第一连杆261或第二连杆262转过的角度。控制装置111根据检测装置检测到的摆臂260摆动的角度，计算出滑块155需要滑动的距离，以抵消竖臂170因摆臂260摆动而沿水平方向的移动量。

如图8A所示，在一个实施例中，摆动联动装置80的摆臂360包括一个连杆361,连杆361的第一端361a与滑块155转动连接，连杆361的第二端361b与竖臂170转动连接。

摆动联动装置80还包括一个驱动装置363，在摆臂360的连杆361摆动时，驱动装置363驱动竖臂170反向旋转，使得旋转关节74的轴线74a与旋转关节73的轴线73a平行。

在摆臂360摆动的同时，滑块155沿导轨153左右滑动，以维持与连杆361的第二端361b连接的远端结构的姿态在水平方向的位置不变。如图8B所示，在摆动臂360逆时针旋转时，滑块155沿导轨153向左滑动，以抵消因摆臂360摆动而引起的竖臂170在水平方向的位置的变化，使得旋转关节73的轴线73a和旋转关节74的轴线74a之间的距离不变。

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 (6)

1.一种手术机器人的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括至少一个直线运动臂和一个摆臂；

所述直线运动臂包括导轨和滑块，所述滑块可滑动地安装在所述导轨上；

所述摆臂包括：

第一轮，所述第一轮与所述滑块固定连接；

连杆；

第二轮，所述连杆的第一端与所述第一轮转动连接，所述连杆的第二端与所述第二轮转动连接，

柔性件，所述柔性件连接于所述第一轮和所述第二轮之间。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述柔性件包括第一柔性件和第二柔性件，所述第一柔性件和所述第二柔性件在所述第一轮和所述第二轮之间的部分相互平行。

3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括一个驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述连杆相对于所述第一轮转动。

4.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括竖臂，所述竖臂与第二轮固定连接。

5.如权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括一个平行四边形机构和手术器械，所述平行四边形机构的近端与竖臂转动连接，所述平行四边形机构限定出一个远程运动中心，所述手术器械可拆卸地安装在所述平行四边形机构上并可围绕所述远程运动中心旋转，所述直线运动臂和所述摆臂联动以改变所述远程运动中心在竖直方向的位置，而维持所述远程运动中心在水平方向的位置不变。

6.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括一个L型连杆，所述L型连杆连接于所述平行四边形机构与所述竖臂之间。