医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂制造技术

本发明专利技术涉及一种医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂。机械臂包括位于机械臂近端的位置调节组件、与位置调节组件连接的姿态调节组件、用于驱动所述位置调节关节运动的驱动组件、位置传感器以及控制器。其中，位置调节组件包括多个位置调节关节，用于调整夹持点位置。姿态调节组件包括多个姿态调节关节，用于调整医疗器械的姿态。位置传感器用于获取位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态。控制器用于根据医疗器械期望的姿态以及远程运动中心的约束获得所述夹持点的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。上述机械臂结构简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂
本专利技术涉及医疗器械技术类领域，特别是涉及一种医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂。
技术介绍
在传统医疗手术中，医生通常需要助手手持一些医疗器械，例如内窥镜等，以辅助医生完成手术。然而在一些大手术中，长时间的手持医疗器械，往往会让助手感到疲惫，难以坚持，还可能会导致手术意外的发生。随着机器人技术的发展，用于医疗领域的机器人也慢慢兴起。持镜机器人即用于在手术中辅助医生夹持医疗器械的机器人。现有一些持镜机器人多采用工业机械臂作为持镜机械臂，然而这些工业机械臂体积大、质量大，难以实现持镜机器人要求的可快速安装和更换。此外，目前持镜机器人的机械臂结构多为主动机械臂，每个关节均含有驱动部分，这使得机械臂的结构变得复杂化，自由度越多，机械臂在控制的时候不稳定因素会出现的越多。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述问题中的至少一个，提供一种医疗机器人及其用于夹持医疗器械的机械臂。一种用于夹持医疗器械的机械臂，包括：位于所述持镜机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节；驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动；位置传感器，用于获取所述位置调节关节、所述姿态调节关节的运动状态；控制器，用于根据医疗器械期望的姿态、远程运动中心的约束获得所述夹持点的期望位置，并根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。上述持镜机械臂通过设置多个位置调节关节以及姿态调节关节，从而使得机械臂能灵活转动。并且持镜机械臂的控制器能根据医疗器械期望的姿态以及远程运动中心的约束来获得所需夹持点的位置，并根据运动学模型的逆解获得位置调节关节的期望运动状态。从而通过控制驱动组件驱动位置关节运动至该期望运动状态即可使得医疗器械达到期望的姿态。由于驱动组件仅用于驱动位置调节关节，而姿态调节关节用于调整医疗器械的姿态，所以姿态调节关节由于夹持点O位置、远程运动中心的约束可以只需跟随医疗器械的姿态改变而被动转动，从而无需在姿态调节关节中设置驱动组件，进而使得持镜机械臂的成本大大低少，相对于传统机器人质量也更为轻盈。在其中一个实施例中，所述位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节，所述基关节的旋转轴线与所述肩关节的旋转轴线相垂直，所述肩关节的旋转轴线与肘关节的旋转轴线相平行。在其中一个实施例中，所述位置调节组件还包括基座、大臂、中臂，其中，所述基座的远端与所述大臂的近端之间通过所述基关节连接；所述大臂的远端与所述中臂的近端之间通过所述肩关节连接；所述中臂的远端与所述肘关节连接。在其中一个实施例中，所述姿态调节关节从近端到远端包括依次连接的小臂自转关节、腕关节以及夹持件自转关节，所述小臂自转关节、所述腕关节以及所述夹持件自转关节的旋转轴线交汇于所述夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。在其中一个实施例中，所述姿态调节组件还包括小臂、前臂、夹持件，其中，所述小臂的远端与所述前臂的近端通过所述小臂自转关节连接；所述前臂的远端与所述夹持件通过所述腕关节连接；所述夹持件自转关节位于所述夹持件，用于实现所述医疗器械自转。在其中一个实施例中，所述前臂包括垂直连接的第一杆以及第二杆，所述第一杆的近端通过所述小臂自转关节与所述小臂可转动连接，所述第二杆的远端通过所述腕关节与所述夹持件可转动连接,所述第二杆的轴线与所述小臂自转关节的旋转轴线平行。在其中一个实施例中，所述医疗器械的期望姿态包括医疗器械的X轴期望姿态，Y轴期望姿态和Z轴期望姿态，所述控制器还用于获取所述远程运动中心的位置，进而获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，用以结合所述医疗器械的Z轴期望姿态获取所述夹持点的期望位置。在其中一个实施例中，所述控制器还用于在所述医疗器械的远离所述夹持点的一端抵接于所述远程运动中心时，根据此时夹持点的位置、所述医疗器械的姿态以及所述医疗器械的轴向长度，运用运动学模型以获取所述远程运动中心的位置。所述控制器还用于在所述医疗器械穿入所述远程运动中心后，根据所述位置传感器获取的所述位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态，并根据运动学模型获取当前的所述夹持点的位置，并结合所述远程运动中心的位置，以获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值。在其中一个实施例中，所述控制器还用于改变夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，以改变所述夹持点的期望位置，并结合医疗器械的姿态，根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，进而实现所述述医疗器械在保持姿态不变的前提下做伸缩运动。在其中一个实施例中，所述驱动组件与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组包括电机、减速机、力矩传感器以及输出法兰，所述减速机与所述电机的输出轴连接，所述力矩传感器分别连接所述减速机以及输出法兰。在其中一个实施例中，所述关节模组还包括用以锁紧所述电机的输出轴的制动器。在其中一个实施例中，所述关节模组还包括可活动连接的第一壳体以及第二壳体；所述第一壳体与所述第二壳体分别与所述机械臂的相邻的两个杆件连接；所述电机设置在所述第一壳体内；所述输出法兰设置在第二壳体内。在其中一个实施例中，所述减速机为谐波传动减速器；其中，所述谐波传动减速器的波发生器与所述电机的输出轴连接，所述谐波传动减速器的钢圈与所述力矩传感器连接；或者，所述谐波传动减速器的波发生器与所述力矩传感器连接，所述谐波传动减速器的钢圈与所述电机的输出轴连接。在其中一个实施例中。所述力矩传感器包括内环、柔顺件、外环、控制单元以及敏感元件，所述内环和所述外环同心设置，所述柔顺件在径向上连接所述内环和所述外环；所述敏感元件设置于所述柔顺件的侧面上，并与所述控制单元通信连接，所述敏感元件用以获取所述柔顺件的形变信息，所述控制单元根据所述形变信息获得所述力矩传感器受到的力矩。在其中一个实施例中，所述力矩传感器的内环与所述输出法兰固定连接，所述外环与所述谐减速器固定连接；或者，所述内环与所述输出法兰固定连接，所述外环与所述谐减速器固定连接。一种用于夹持医疗器械的机械臂，包括：位于所述机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械在夹持点部位的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节，所述姿态调节关节包括夹持件自转关节，所述夹持件自转关节用于实现所述医疗器械自转；驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于夹持医疗器械的机械臂，其特征在于，包括：/n位于所述机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；/n与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节；/n驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动；/n位置传感器，用于获取所述位置调节关节、所述姿态调节关节的运动状态；/n控制器，用于根据医疗器械的期望姿态、远程运动中心的约束获得所述夹持点的期望位置，并根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于夹持医疗器械的机械臂，其特征在于，包括：
位于所述机械臂近端的位置调节组件，用于调整夹持点位置，所述位置调节组件包括多个位置调节关节；
与所述位置调节组件连接的姿态调节组件，用于调整医疗器械的姿态，所述姿态调节组件包括多个姿态调节关节；
驱动组件，仅用于驱动所述位置调节关节运动；
位置传感器，用于获取所述位置调节关节、所述姿态调节关节的运动状态；
控制器，用于根据医疗器械的期望姿态、远程运动中心的约束获得所述夹持点的期望位置，并根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，以通知所述驱动组件驱动所述位置调节关节运动至期望的运动状态。


2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，
所述位置调节关节从近端到远端包括依次连接的基关节、肩关节以及肘关节，所述基关节的旋转轴线与所述肩关节的旋转轴线相垂直，所述肩关节的旋转轴线与肘关节的旋转轴线相平行。


3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，
所述位置调节组件还包括基座、大臂、中臂，
其中，
所述基座的远端与所述大臂的近端之间通过所述基关节连接；
所述大臂的远端与所述中臂的近端之间通过所述肩关节连接；
所述中臂的远端与所述肘关节连接。


4.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，
所述姿态调节关节从近端到远端包括依次连接的小臂自转关节、腕关节以及夹持件自转关节，所述小臂自转关节、所述腕关节以及所述夹持件自转关节的旋转轴线交汇于所述夹持点，且所述小臂自转关节与所述腕关节的旋转轴线相垂直，所述腕关节与所述夹持件自转关节的旋转轴线相垂直。


5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，
所述姿态调节组件还包括小臂、前臂、夹持件，
其中，
所述小臂的远端与所述前臂的近端通过所述小臂自转关节连接；
所述前臂的远端与所述夹持件通过所述腕关节连接；
所述夹持件自转关节位于所述夹持件，用于实现所述医疗器械自转。


6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，
所述前臂包括垂直连接的第一杆以及第二杆，所述第一杆的近端通过所述小臂自转关节与所述小臂可转动连接，所述第二杆的远端通过所述腕关节与所述夹持件可转动连接,所述第二杆的轴线与所述小臂自转关节的旋转轴线平行。


7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，
所述医疗器械的期望姿态包括医疗器械的X轴期望姿态，Y轴期望姿态和Z轴期望姿态，所述控制器还用于获取所述远程运动中心的位置，进而获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，用以结合所述医疗器械的Z轴期望姿态获取所述夹持点的期望位置。


8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，
所述控制器还用于在所述医疗器械的远离所述夹持点的一端抵接于所述远程运动中心时，根据此时夹持点的位置、所述医疗器械的姿态以及所述医疗器械的轴向长度，运用运动学模型以获取所述远程运动中心的位置。


9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，
所述控制器还用于在所述医疗器械穿入所述远程运动中心后，根据所述位置传感器获取的所述位置调节关节以及姿态调节关节的运动状态，并根据运动学模型获取当前的所述夹持点的位置，并结合所述远程运动中心的位置，以获取所述夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值。


10.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，
所述控制器还用于改变夹持点到所述远程运动中心的距离占所述医疗器械的轴向长度的比值，以改变所述夹持点的期望位置，并结合医疗器械的姿态，根据运动学模型的逆解获得所述位置调节关节的期望运动状态，进而实现所述述医疗器械在保持姿态不变的前提下做伸缩运动。


11.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，
所述驱动组件与所述位置调节关节整合形成关节模组，所述关节模组包括电机、减速机、力矩传感器以及输出法兰，所述减速机与所述电机的输出轴连接，所述力矩传感器分别连接所述减速机以及输出法兰。


12.根据权利要求11所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，何超，宋彬，
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