机械臂及手术机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种机械臂及手术机器人，所述机械臂的末端用于夹持一医疗器械，所述机械臂包括从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、移动关节和用于实现所述医疗器械自转的自转关节，通过该六个关节的配合，可实现医疗器械的空间位置和姿态的调整，并实现围绕一远程运动中心运动。相比于现有，本发明专利技术的机械臂的整体尺寸小，质量轻，便于安装和使用。另外，本发明专利技术通过移动关节和自转关节驱动内窥镜移动和自转，便于医生独自完成手术操作和持镜，以此降低手术操作的难度，避免人力资源的浪费。

Manipulator and surgical robot

【技术实现步骤摘要】
机械臂及手术机器人
本专利技术涉及医疗器械领域，特别涉及一种机械臂及手术机器人。
技术介绍
内窥镜外科手术是医学史上的一次重大进步，但目前绝大部分的内窥镜手术仍需专门的医护人员来把持内窥镜。对很多医院而言，常常会出现人手不足的情况，包括比较有经验的持镜手在内，为此，在对腹腔的某些部位进行观察时，持镜手长若时间保持一个姿势，其手臂常常会因酸累而导致持镜困难，影响手术操作。由此，在国外出现了达芬奇手术机器人，内窥镜是由一个机械臂把持。虽然达芬奇手术机器人有很多优势，但整个机械臂系统体积较大。而且，为了便于术前调整，需要被动臂具有四个自由度，因此导致悬臂梁较长，整机刚度降低。此外，现在大多数的手术器械装置是通过电机驱动，这样往往使得驱动电机布置在平台的上部，导致头重脚轻，增大了关节的驱动力矩，使得机械臂系统容易产生振动。因此，有必要提出一种使用简单、成本低廉的用于夹持医疗器械的机械臂及手术机器人，以克服现有达芬奇手术机器人的机械臂系统所存在的一个或多个问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机械臂及手术机器人，可以避免外科医生长时间手术带来的疲劳，以及外科医生在手术操作过程中发生的手臂颤动，从而提高手术的精度、稳定性和安全性，解决机械臂结构笨重、精度低、灵活性差及稳定性低等问题。且各个部件之间结构紧凑小巧，占用空间小，重量轻，增强了机械臂的灵活性和可操作性。因此，根据本专利技术的一个方面，提供了一种机械臂，其末端用于夹持一医疗器械，所述机械臂包括：从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、移动关节和用于实现所述医疗器械自转的自转关节；其中，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转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，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直，所述移动关节的移动轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直，所述移动关节的移动轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直且异面，所述自转关节的旋转轴线与所述移动关节的移动轴线相平行或共线设置；所述机械臂还包括控制模块、与控制模块通信连接的驱动模块，所述驱动模块用于驱动所述机械臂的关节运动，所述控制模块包括主动运动模式，在主动运动模式下，所述控制模块控制所述驱动模块驱动所述机械臂的各个关节运动，以驱使所述医疗器械围绕一远程运动中心运动。可选的，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转动关节的旋转轴线相交，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交，所述移动关节的移动轴线与所述第二转动关节的旋转轴线相交，所述自转关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线相交。可选的，所述机械臂还包括：从近端到远端依次分布的基座、第一连杆、第二连杆、第三连杆、伸缩结构和夹持结构；其中，所述基座用以与外部机构固定；所述第一连杆通过所述第一转动关节与所述基座连接；所述第二连杆的近端通过所述第一摆动关节与所述第一连杆连接，远端通过所述第二摆动关节与所述第三连杆的近端连接，所述伸缩结构通过所述第二转动关节与所述第三连杆的远端连接，所述夹持结构与所述伸缩结构连接，所述移动关节位于所述伸缩结构与所述第三连杆相对的一侧，所述夹持结构设置于所述移动关节上，所述自转关节位于所述夹持结构。可选的，所述基座的轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线相交；所述第一连杆的轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线相交；所述第一连杆的轴线与第二连杆的轴线相交或异面；所述第二连杆的轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交；所述第三连杆的轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交；所述第二连杆的轴线与所述第三连杆的轴线相交或异面。可选的，所述第一连杆与第三连杆位于所述第二连杆同侧。可选的，所述机械臂还包括第四连杆和第三摆动关节；所述伸缩结构通过所述第三摆动关节与所述第四连杆的远端连接，所述第四连杆的近端与第二转动关节连接，所述第二转动关节与所述第三连杆的远端连接；其中，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第二摆动关节的旋转轴线相平行，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述移动关节的移动轴线垂直且异面，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异面。可选的，所述第三摆动关节的轴线与所述第二转动关节的轴线垂直相交。可选的，所述伸缩结构包括支撑板，所述驱动模块包括传动件和驱动件；所述移动关节包括导轨和滑块；其中，所述导轨设置于所述支撑板，所述滑块相对于所述导轨移动；所述传动件分别与所述驱动件和所述滑块连接，所述驱动件通过所述传动件驱动所述滑块沿着所述导轨限制的方向运动。可选的，所述第一转动关节的轴线与所述第二转动关节的轴线相交于一点。可选的，在主动运动模式下，所述控制模块还用于根据预设的期望位置和所述远程运动中心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远程运动中心运动，并且所述医疗器械的末端运动至期望位置。可选的，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远程运动中心的位置。可选的，所述控制模块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。可选的，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模块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，所述控制模块根据所述力矩传感器反馈回的所述外部作用力信息，确定一冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使所述机械臂绕开一障碍物。可选的，所述机械臂具有七个自由度，所述机械臂还包括检测装置，所述检测装置与所述控制模块通信连接；所述检测装置用于检测所述驱动模块的电流以获取所述驱动模块输出的力矩信息；所述控制模块进而根据机器人动力学模型获取各个关节的理论输出力矩，并根据所述驱动模块输出的力矩信息以及预设的力矩阈值，确定一冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使所述机械臂绕开一障碍物。可选的，所述冗余调整关节做反向运动的速度为：vr＝v0*sgn(τr)+kr*τr其中：vr为冗余调整关节速度，v0为预设基础避障速度，sgn()为符号函数，τr为冗余关节外部力矩，kr为速度-力矩系数。可选的，所述控制模块还根据所述冗余调整关节的反向运动的速度，获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂，其末端用于夹持一医疗器械，其特征在于，包括：/n从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、移动关节和用于实现所述医疗器械自转的自转关节；/n其中，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转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，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直，所述移动关节的移动轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直，所述移动关节的移动轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直且异面，所述自转关节的旋转轴线与所述移动关节的移动轴线相平行或共线设置；/n所述机械臂还包括控制模块、与控制模块通信连接的驱动模块，所述驱动模块用于驱动所述机械臂的关节运动，所述控制模块包括主动运动模式，在主动运动模式下，所述控制模块控制所述驱动模块驱动所述机械臂的各个关节运动，以驱使所述医疗器械围绕一远程运动中心运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种机械臂，其末端用于夹持一医疗器械，其特征在于，包括：
从近端到远端依次分布的第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、移动关节和用于实现所述医疗器械自转的自转关节；
其中，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转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，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直，所述移动关节的移动轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直，所述移动关节的移动轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直且异面，所述自转关节的旋转轴线与所述移动关节的移动轴线相平行或共线设置；
所述机械臂还包括控制模块、与控制模块通信连接的驱动模块，所述驱动模块用于驱动所述机械臂的关节运动，所述控制模块包括主动运动模式，在主动运动模式下，所述控制模块控制所述驱动模块驱动所述机械臂的各个关节运动，以驱使所述医疗器械围绕一远程运动中心运动。


2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第一转动关节的旋转轴线相交，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交，所述移动关节的移动轴线与所述第二转动关节的旋转轴线相交，所述自转关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线相交。


3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，还包括：
从近端到远端依次分布的基座、第一连杆、第二连杆、第三连杆、伸缩结构和夹持结构；
其中，所述基座用以与外部机构固定；所述第一连杆通过所述第一转动关节与所述基座连接；所述第二连杆的近端通过所述第一摆动关节与所述第一连杆连接，远端通过所述第二摆动关节与所述第三连杆的近端连接，所述伸缩结构通过所述第二转动关节与所述第三连杆的远端连接，所述夹持结构与所述伸缩结构连接，所述移动关节位于所述伸缩结构与所述第三连杆相对的一侧，所述夹持结构设置于所述移动关节上，所述自转关节位于所述夹持结构。


4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，
所述基座的轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线相交；
所述第一连杆的轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线相交；
所述第一连杆的轴线与第二连杆的轴线相交或异面；
所述第二连杆的轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交；
所述第三连杆的轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相交；
所述第二连杆的轴线与所述第三连杆的轴线相交或异面。


5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述第一连杆与第三连杆位于所述第二连杆同侧。


6.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，还包括第四连杆和第三摆动关节；所述伸缩结构通过所述第三摆动关节与所述第四连杆的远端连接，所述第四连杆的近端与第二转动关节连接，所述第二转动关节与所述第三连杆的远端连接；
其中，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第二摆动关节的旋转轴线相平行，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述移动关节的移动轴线垂直且异面，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异面。


7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述第三摆动关节的轴线与所述第二转动关节的轴线垂直相交。


8.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述伸缩结构包括支撑板，所述驱动模块包括传动件和驱动件；所述移动关节包括导轨和滑块；
其中，所述导轨设置于所述支撑板，所述滑块相对于所述导轨移动；所述传动件分别与所述驱动件和所述滑块连接，所述驱动件通过所述传动件驱动所述滑块沿着所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，倪飞箭，何超，
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