机械臂及医疗机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种机械臂及医疗机器人，具有体积小、质量轻以及能够较好的实现避障等优点。本发明专利技术的机械臂末端具体与医疗器械可拆卸地连接，以驱动医疗器械围绕不动点运动，且从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、第三摆动关节和用于实现医疗器械自转的自转关节。实际中，自转关节的旋转轴线、第二转动关节的旋转轴线以及第三摆动关节的旋转轴线相交于一点，以此简化机器人的运动控制；在第一摆动关节与第二摆动关节之间较佳地设有第三转动关节，使机械臂具有七个自由度，并通过机器人运动学算法完成不动点的约束功能。

Mechanical arm and medical robot

【技术实现步骤摘要】
机械臂及医疗机器人
本专利技术涉及医疗器械
，特别涉及一种机械臂及医疗机器人。
技术介绍
随着机器人技术的发展，医疗机器人也越来越多，从早期的伊索手术机器人，到现在的达芬奇手术机器人系统，医疗机器人的功能也越来越强大。与此同时，从原先的开放式手术到现在的微创伤手术，手术的形式也在不断的发生着变化。微创伤手术最大的特点是创口非常小，导致医生的手术视野也非常有限，为此，各种功能不同的腹腔镜随之涌现。从腹腔镜到现在的胶囊腹腔镜，腹腔镜在微创伤手术中的地位越来越重要。目前，最先进的机器人系统与手术系统相结合的产物，即达芬奇手术机器人系统，也包含有腹腔镜系统，并且设有一个专门用于扶持腹腔镜的机械臂。机器人与腹腔镜的结合最早是伊索手术机器人系统，用来弥补在手术过程中医生和助手相互配合不协调的问题，使医生可以根据自己的需求，通过机器人系统调整腹腔镜的姿态。持镜机器人在满足上述基本要求的同时还被要求在手术的过程中，如果持镜机器人阻碍到了医生的操作，医生可直接调节机器人的若干关节，使其达到合适位置，在此调节过程中以及调节后，腹腔镜末端的位置和姿态仍然保持不变。并且，由于腹腔镜较小，用于持镜的机器人也应该尽量的体积小，便于携带与运输。但是，目前的持镜机器人不仅体积大，质量重，而且避障能力也不理想。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种机械臂及医疗机器人，本专利技术的机械臂从近端到远端，至少依次包括六个转动关节，不仅能够缩小机械臂的体积，降低机械臂的质量，而且还能够使机械臂在调整医疗器械的姿态时较好的约束不动点，且本专利技术的机械臂较佳地通过七个转动关节形成冗余调整，使机械臂还能够较好的实现避障功能，提升机械臂的安全性和可靠性。因此，根据本专利技术的一个方面，提供了一种机械臂，末端用于与一医疗器械可拆卸地连接，以驱动所述医疗器械围绕一不动点运动，且从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、第三摆动关节以及用于实现所述医疗器械自转的自转关节；其中，所述第一转动关节的旋转轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直；所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行；所述第二摆动关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直；所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直；所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行。此外，根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种医疗机器人，包括所述的机械臂。进一步的，所述机械臂还包括基座、大臂、中臂、前臂、小臂和镜座；所述基座用于与一外部机构固定，并通过所述第一转动关节与所述大臂连接；所述大臂通过所述第一摆动关节与所述中臂连接，所述大臂的轴线与所述中臂的轴线分别与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直相交；所述中臂通过所述第二摆动关节与所述前臂连接，所述中臂的轴线与所述前臂的轴线分别与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直相交；所述前臂通过所述第二转动关节与所述小臂连；所述小臂通过所述第三摆动关节与所述镜座连接，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述小臂的轴线垂直相交；所述自转关节位于所述镜座。进一步的，所述自转关节的旋转轴线、所述第二转动关节的旋转轴线以及所述第三摆动关节的旋转轴线相交于一点。进一步的，所述机械臂还包括一镜座连接件，所述小臂通过所述镜座连接件与所述第三摆动关节连接，且所述镜座连接件的轴线与所述小臂的轴线平行。进一步的，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直相交，所述第二转动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线相交，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直且不相交。进一步的，所述机械臂还包括一镜座连接件，所述小臂通过所述镜座连接件与所述第三摆动关节连接，且所述镜座连接件与所述小臂的轴线配置在同一条直线上。进一步的，所述大臂的轴线和所述中臂的轴线相交于所述第一摆动关节的旋转轴线上的一点，且所述中臂的轴线与所述前臂的轴线相交于所述第二摆动关节的旋转轴线上的一点。进一步的，所述中臂的轴线与所述大臂的轴线平行或异面，和/或，所述前臂的轴线与所述中臂的轴线平行或异面。进一步的，所述大臂的轴线与所述前臂的轴线位于所述中臂的轴线的同一侧。进一步的，所述镜座、所述前臂、所述小臂以及所述大臂的轴线在同一个平面内。进一步的，所述机械臂还包括第三转动关节，所述第三转动关节位于所述第一摆动关节和所述第二摆动关节之间，且所述第三转动关节的旋转轴线分别与所述第一摆动关节及所述第二摆动关节的旋转轴线相垂直。进一步的，所述中臂包括同轴布置的中后臂和中前臂；所述中后臂通过所述第一摆动关节与所述大臂连接，并通过所述第三转动关节与所述中前臂连接；所述中前臂通过所述第二摆动关节与所述前臂连接。进一步的，所述第三摆动关节为一不动点机构，用以驱动所述医疗器械围绕所述不动点运动。进一步的，所述不动点机构为一平行四边形结构，所述平行四边形结构包括：第一侧边；与所述第一侧边平行的第二侧边；第三侧边；以及与所述第三侧边平行的第四侧边；所述平行四边形结构的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直，所述第二转动关节与所述第一侧边连接；所述自转关节与所述第二侧边转动连接，且所述自转关节的旋转轴线被配置为始终与所述第三侧边相平行。进一步的，所述不动点机构包括弧形导轨和可移动地设置于所述弧形导轨上的滑块；所述弧形导轨连接所述第二转动关节；所述滑块连接所述自转关节，由所述滑块驱动所述自转关节沿所述弧形导轨绕圆心摆动。进一步的，所述机械臂还包括驱动模块，用于驱动所述第二转动关节或所述第三摆动关节。进一步的，所述机械臂还包括控制模块，以及与所述控制模块通信连接的驱动模块；所述控制模块用于根据预设的期望位置和所述不动点的位置获得所述医疗器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望位置；进而所述控制模块用于根据机械臂各个关节的期望位置，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述医疗器械围绕所述不动点运动，并且所述医疗器械的末端运动至期望位置。进一步的，所述机械臂还包括用于测量关节位置的位置传感器，所述位置传感器与所述控制模块通信连接；所述控制模块用于根据所述位置传感器所获取的机械臂各个关节的位置，并利用机械臂正运动学模型获取所述不动点的位置。进一步的，所述控制模块还根据预设的医疗器械期望的笛卡尔速度，通过雅可比矩阵的逆矩阵，获得所述机械臂各个关节的期望速度；进而所述控制模块根据机械臂各个关节的期望速度，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述医疗器械的末端以期望的笛卡尔速度运动至期望位置。进一步的，所述机械臂具有七个自由度，所述驱动模块上设置有与所述控制器通信连接的力矩传感器，所述力矩传感器用于检测每个关节上受到的外部作用力信息并提供给所述控制模块，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂，末端用于与一医疗器械可拆卸地连接，以驱动所述医疗器械围绕一不动点运动，其特征在于，从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、第三摆动关节以及用于实现所述医疗器械自转的自转关节；/n其中，所述第一转动关节的旋转轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直；所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行；所述第二摆动关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直；所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直；所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行。/n

【技术特征摘要】
1.一种机械臂，末端用于与一医疗器械可拆卸地连接，以驱动所述医疗器械围绕一不动点运动，其特征在于，从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、第三摆动关节以及用于实现所述医疗器械自转的自转关节；
其中，所述第一转动关节的旋转轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直；所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行；所述第二摆动关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直；所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直；所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行。


2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括基座、大臂、中臂、前臂、小臂和镜座；
所述基座用于与一外部机构固定，并通过所述第一转动关节与所述大臂连接；
所述大臂通过所述第一摆动关节与所述中臂连接，所述大臂的轴线与所述中臂的轴线分别与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直相交；
所述中臂通过所述第二摆动关节与所述前臂连接，所述中臂的轴线与所述前臂的轴线分别与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直相交；
所述前臂通过所述第二转动关节与所述小臂连接；
所述小臂通过所述第三摆动关节与所述镜座连接，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述小臂的轴线垂直相交；
所述自转关节位于所述镜座。


3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述自转关节的旋转轴线、所述第二转动关节的旋转轴线以及所述第三摆动关节的旋转轴线相交于一点。


4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括一镜座连接件，所述小臂通过所述镜座连接件与所述第三摆动关节连接，且所述镜座连接件的轴线与所述小臂的轴线平行。


5.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直相交，所述第二转动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线相交，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直且不相交。


6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括一镜座连接件，所述小臂通过所述镜座连接件与所述第三摆动关节连接，且所述镜座连接件与所述小臂的轴线配置在同一条直线上。


7.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述大臂的轴线和所述中臂的轴线相交于所述第一摆动关节的旋转轴线上的一点，且所述中臂的轴线与所述前臂的轴线相交于所述第二摆动关节的旋转轴线上的一点。


8.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述中臂的轴线与所述大臂的轴线平行或异面，和/或，所述前臂的轴线与所述中臂的轴线平行或异面。


9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述大臂的轴线与所述前臂的轴线位于所述中臂的轴线的同一侧。


10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述镜座、所述前臂、所述小臂以及所述大臂的轴线在同一个平面内。


11.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括第三转动关节，所述第三转动关节位于所述第一摆动关节和所述第二摆动关节之间，且所述第三转动关节的旋转轴线分别与所述第一摆动关节及所述第二摆动关节的旋转轴线相垂直。


12.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述中臂包括同轴布置的中后臂和中前臂；所述中后臂通过所述第一摆动关节与所述大臂连接，并通过所述第三转动关节与所述中前臂连接；所述中前臂通过所述第二摆动关节与所述前臂连接。


13.根据权利要求1或11所述的机械臂，其特征在于，所述第三摆动关节为一不动点机构，用以驱动所述医疗器械围绕所述不动点运动。


14.根据权利要求13所述的机械臂，其特征在于，所述不动点机构为一平行四边形结构，所述平行四边形结构包括：第一侧边；与所述第一侧边平行的第二侧边；第三侧边；以及与第三侧边平行的第四侧边；所述平行四边形结构的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直，所述第二转动关节与所述第一侧边连接；
所述自转关节与所述第二侧边转动连接，且所述自转关节的旋转轴线被配置为始终与所述第三侧边相平行。


15.根据权利要求13所述的机械臂，其特征在于，所述不动点机构包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，何超，宋彬，师云雷，
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