机械臂及其工作方法与手术机器人技术

本发明专利技术提供一种机械臂及其工作方法及手术机器人，用于提升机械臂调整的便利性、安全性和可靠性。机械臂包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动调整臂关节运动的电机，用于调整不动点的位置；所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；所述感知单元用于感知调整臂所受到的笛卡尔作用力并提供给控制单元；所述感知单元设置于调整臂的末端或工具臂上，所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于根据接收到的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个调整臂关节上的电机的输出状态。

Manipulator and its working method and operation robot

The invention provides a mechanical arm and a working method and a surgical robot for lifting the convenience, safety and reliability of the manipulator adjustment. A manipulator consists of a connected adjustment arm and a tool arm; the tool arm comprises a plurality of arm joints to adjust the posture of the surgical instrument at the fixed point; the adjustment arm includes a plurality of adjustable arm joints and an electric motor used to adjust the movement of the arm joint to adjust the position of the fixed point; the manipulator also includes communication. The sensing unit and the control unit are used to perceive the Descartes force received by the adjusting arm and provide the control unit; the sensing unit is set at the end of the adjusting arm or on the arm of the tool. The control unit is connected with the motor that drives the adjusting arm joint to be used in accordance with the received Descartes. With the force information, the force or torque of the adjustable arm joints is obtained by the force Jacobian transformation of the manipulator, and then the output state of the motor on the adjustable arm joints is controlled.

【技术实现步骤摘要】
机械臂及其工作方法与手术机器人
本专利技术涉及医疗器械
，特别涉及一种手术机器人的机械臂及其工作方法。
技术介绍
微创伤手术由于其创伤小、恢复快等优点被越来越多的患者所接受，从早期的腹腔镜微创伤手术到现在的脑科微创伤手术，其技术的扩展越来越快速。而作为其中的佼佼者，腹腔镜微创伤手术的发展则更显得迅猛。伴随着腹腔镜微创伤手术技术发展，腹腔镜用微创伤手术器械技术也得到了长足的进步，从最开始的医生借助腹腔镜和手术钳进行腹腔内部的手术，到现在凭借机器人系统完成腹腔镜微创伤手术。作为现今腹腔镜微创伤手术的最高端技术，达芬奇手术机器人系统在不断的刷新着人们对于机器人、医疗等
的认知。达芬奇手术机器人系统最大的特点在于其多机械臂的操作系统，利用机器人的机械臂代替医生的手作为手术的执行单元，使医生在舒适的环境下操作机器人系统完成手术。多个机械臂是腹腔镜微创伤手术机器人系统通用配置，每个机械臂均可实现不同的功能，一般的使用为：中间臂持内窥镜，两边臂持手术器械，其他臂作为冗余，当某机械臂发生故障时，可替换使用。特别的，机械臂的运动性能和调整能力直接影响到手术的效果，故对于机械臂的功能要求比较高，但目前腹腔镜手术机器人系统还存在着以下的问题：(1)机械臂的调整运动模式有限。具体是指机械臂在手术前或手术过程中的调整方式有限。目前，达芬奇手术机器人系统采用的调整模式为被动调整，即外部施加力使机械臂运动，当外部无力的时候，部分的关节无法运动，这种调整模式较大削弱了机械臂的实际功能，机械臂本身应具有全关节驱动能力，可主动的运动；因此，目前较为流行的手术机器人的机械臂的调整能力不足。(2)机械臂容易产生运动干涉。多机械臂最大的问题在于，在运动过程中，如果机械臂的相对位置控制不准确，则机械臂之间容易发生干涉，影响到调整的效果，更严重的在手术过程中会对患者造成额外的伤害。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机械臂及其工作方法与手术机器人，不仅便于机械臂的被动调整，从而减少机械臂在被动调整过程中感知的阻力，而且机械臂各关节之间的运动具备关联性，从而减少了机械臂发生干涉的可能，确保了机械臂的调整效果，降低了在手术过程中对患者造成额外的伤害的风险。为实现上述目的，本专利技术提供了一种机械臂，包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动调整臂关节运动的电机，用于调整所述不动点的空间位置；其中，所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；所述感知单元设置于所述工具臂和/或所述调整臂的末端，用于感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元；所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。可选的，所述感知单元设置于所述调整臂与所述工具臂相连接处。可选的，所述机械臂具有主动调整模式；在主动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出；可选的，所述机械臂具有被动调整模式；在被动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机进行输出。可选的，所述控制单元包括处理单元和判断单元，所述处理单元用于根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，所述判断单元用于在接收所述笛卡尔作用力信息后，判断所述笛卡尔作用力是否为干扰值；在主动调整模式下，若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力是干扰值，所述处理单元控制所有所述调整臂关节上的电机减小输出；若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力不是干扰值，所述处理单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。可选的，所述控制单元还包括一存储单元，所述存储单元存储阈值，所述阈值包括作用力阈值和/或时间阈值；所述判断单元将所述笛卡尔作用力的大小与一作用力阈值进行比较，和/或，将所述笛卡尔作用力的作用时间与一时间阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。可选的，所述感知单元为三维力传感器，或者六维力传感器。可选的，所述工具臂还包括执行单元，所述执行单元与所述控制单元通讯连接；所述控制单元控制执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节，或所述控制单元控制所述执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节和所述调整臂上的各个调整臂关节。可选的，所述调整臂包括依次连接的第一旋转关节、水平移动关节、摆动关节和第二旋转关节，所述第一旋转关节的旋转轴线垂直于所述水平移动关节的移动轴线，所述摆动关节的旋转轴线同时与所述第一旋转关节的旋转轴线以及所述水平移动关节的移动轴线相垂直，所述第二旋转关节的旋转轴线被配置为与所述第一旋转关节的旋转轴线平行；其中，所述第一旋转关节用于与外部机构连接，所述第二旋转关节与所述工具臂连接，所述感知单元设置于所述第二旋转关节与所述工具臂连接处。可选的，所述感知单元设置在所述第二旋转关节与所述工具臂相连接部位的内部和/或外部。可选的，所述摆动关节包括四个铰链形成的第一平行四边形结构，所述第一平行四边形结构的近端与所述第一旋转关节的旋转轴线平行，所述第一平行四边形的远端与所述第二旋转关节连接，且与所述第二旋转关节的旋转轴线平行。可选的，所述调整臂还包括一转动连接所述摆动关节和所述第二旋转关节的连接杆，一用于测量所述摆动关节摆动角度的测量装置以及一驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机；所述测量装置与驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机通讯连接，驱动所述第二旋转关节与所述连接杆相对摆动的第二电机根据所述测量装置传输的所述摆动关节摆动的角度驱动所述第二旋转关节摆动，以使所述第二旋转关节的旋转轴线与所述第一旋转关节的旋转轴线相平行。可选的，所述工具臂还包括一基关节和一第三平行四边形结构；所述基关节围绕第一轴线摆动，以驱使所述手术器械围绕所述第一轴线摆动，并且所述基关节的近端与所述调整臂连接，远端与所述第三平行四边形结构连接；所述第三平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述第三平行四边形结构的远端与所述手术器械连接，且所述手术器械被配置为所述手术器械的轴线与所述远端杆的轴线相平行，以使所述第三平行四边形结构驱动所述手术器械围绕一第二轴线转动；所述不动点位于所述第一轴线和所述第二轴线的交点。可选的，所述工具臂还包括一基关节、一第二平行四边形结构和一伸缩关节；所述基关节围绕一第一轴线摆动，以驱使所述手术器械围绕所述第一轴线摆动，并且所述基关节的近端与所述调整臂连接，远端与所述第二平行四边形结构连接；所述第二平行四边形结构包括相互平行的近端杆和远端杆，所述第二平行四边形结构用于使所述第二平行四边形结构驱动所述手术器械围绕一第二轴线转动；所述伸缩关节与所述第二平行四边形结构的所述远本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂，其特征在于，包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动所述调整臂关节运动的电机，用于调整所述不动点的空间位置；其中，所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；所述感知单元，设置于所述调整臂的末端和/或工具臂上，用于感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元；所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收到的所述笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上的各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。

【技术特征摘要】
1.一种机械臂，其特征在于，包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动所述调整臂关节运动的电机，用于调整所述不动点的空间位置；其中，所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；所述感知单元，设置于所述调整臂的末端和/或工具臂上，用于感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元；所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收到的所述笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上的各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述感知单元设置于所述调整臂与所述工具臂相连接处。3.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂具有主动调整模式；在主动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。4.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂具有被动调整模式；在被动调整模式下，所述控制单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机进行输出。5.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元包括处理单元和判断单元，所述处理单元用于根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，所述判断单元用于在接收所述笛卡尔作用力信息后，判断所述笛卡尔作用力是否为干扰值；在主动调整模式下，若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力是干扰值，所述处理单元控制所有所述调整臂关节上的电机减小输出；若所述判断单元判定所述笛卡尔作用力不是干扰值，所述处理单元在获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩后，进而控制所有分力或力矩大于预设的标定值的调整臂关节上的电机停止输出。6.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元还包括一存储单元，所述存储单元存储阈值，所述阈值包括作用力阈值和/或时间阈值；所述判断单元将所述笛卡尔作用力的大小与一作用力阈值进行比较，和/或，将所述笛卡尔作用力的作用时间与一时间阈值进行比较，并根据比较结果确定所述笛卡尔作用力是否为干扰值。7.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述感知单元为三维力传感器，或者六维力传感器。8.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述工具臂还包括执行单元，所述执行单元与所述控制单元通讯连接；所述控制单元控制所述执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节，或所述控制单元控制所述执行单元解锁或锁定所述工具臂上的各个工具臂关节和所述调整臂上的各个调整臂关节。9.如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述调整臂包括依次连接的第一旋转关节、水平移动关节、摆动关节和第二旋转关节，所述第一旋转关节的旋转轴线垂直于所述水平移动关节的移动轴线，所述摆动关节的旋转轴线同时与所述第一旋转关节的旋转轴线以及所述水平移动关节的移动轴线相垂直，所述第二旋转关节的旋转轴线被配置为与所述第一旋转关节的旋转轴线平行；其中，所述第一旋转关节用于与外部机构连接，所述第二旋转关节与所述工具臂连接，所述感知单元设置于所述第二旋转关节与所述工具臂连接处。10.如权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述感知单元设置在所述第二旋转关节与所述工具臂相连接部位的内部和/或外部。11.如权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述摆动关节包括四个铰链形成的第一平行四边形结构，所述第一平行四边形结构的近端与所述第一旋转关节的旋转轴线平行，所述第一平行四边形的远端与所述第二旋转关节连接，且与所述第二旋转关节的旋转轴线平行。12.如权利要求9所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，师云雷，何超，姜逸之，
申请(专利权)人：微创上海医疗机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31