CN101862223B - 手术机器人 - Google Patents

Abstract

一种手术机器人，包括基座、第一臂、第二臂、主轴和摆臂，以及第一旋、第二、第三和第四旋转关节；所述基座通过第一旋转关节与所述第一臂轴连接，所述第一臂通过第二旋转关节与所述第二臂轴连接，所述第二臂通过第三旋转关节与所述主轴轴连接，所述主轴通过第四旋转关节与所述摆臂轴连接；所述第一、第二、第三或第四旋转关节的至少一个旋转关节包括电机，以及与电机连接的减速箱；所述电机提供动力，所述减速箱降低所述电机输出的转速和增加力矩，驱动第一臂、第二臂、主轴或摆臂的运动。全新的手术机器人设计，却仅有四个旋转关节连接，结构简单；而且通过对各旋转关节的电机配合减速箱进行控制，进而达到操作简单的手术机器人。

Description

手术机器人

【技术领域】

本发明涉及一种医疗器械领域，尤其涉及一种手术机器人。 

【背景技术】

随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，大量的医疗器械得到推广和应用。在众多的医疗器械中，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。医疗机器人已经在脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除手术、人工关节转换、整形外科、泌尿外科手术等方面得到了广泛的应用，在提高手术效果和精度的同时，也不断向其它领域扩展。 

手术机器人作为医疗器械领域的重要组成部分，它已经广泛的应用于世界各地的许多手术室中，这些机器人在计算机和微电子技术的支持下为手术提供了强有力的帮助。同时，这些机器也需要手术医生来操作它们。 

现有的手术机器人，大多数用于腹腔等高精度的外科手术，它们都是在内窥镜或者显微镜等高精度设备的引导下，由外科医生控制手术机器人完成各种手术操作。著名的手术机器人还有美国的Da Vinci手术机器人、RoboDoc骨科修复机器人和ZEUS机器人，国内的“妙手”显微外科手术机器人和“黎元”脑外科手术辅助机器人。 

然而，上述手术机器人结构复杂，操作困难。 

【发明内容】

基于此，有必要提供一种结构简单、易于操作的手术机器人。 

一种手术机器人，包括基座、第一臂、第二臂、主轴和摆臂，以及第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节和第四旋转关节；所述基座通过第一旋转关节与所述第一臂轴连接，所述第一臂通过第二旋转关节与所述第二臂轴连接，所述第二臂通过第三旋转关节与所述主轴轴连接，所述主轴通过第四旋转关节与所述摆臂轴连接；所述第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节或 第四旋转关节的至少一个旋转关节包括电机，以及与电机连接的减速箱；所述电机提供动力，所述减速箱降低所述电机输出的转速和增加力矩，驱动第一臂、第二臂、主轴或摆臂的运动。 

所述第三旋转关节包括第一驱动装置、第二驱动装置以及执行装置，所述第一驱动装置、第二驱动装置分别通过所述执行装置驱动通过所述第一驱动装置或第二驱动装置的主轴且垂直轴线上下移动和/或围绕该主轴自转；所述执行装置包括：滚珠螺母、花键套以及固定法兰，所述固定法兰固接在第二臂内部，且两端分别设置滚珠螺母和花键套，并包络了滚珠螺母和花键套；所述第一驱动装置、第二驱动装置分别包括依次连接的第一电机、第二电机，第一减速箱、第二减速箱，第一电磁离合器、第二电磁离合器以及第一同步皮带、第二同步皮带；所述第一同步皮带与所述执行装置的滚珠螺母连接，所述第二同步皮带与所述执行装置的花键套连接。 

优选地，所述第一旋转关节、第二旋转关节或第四旋转关节还包括谐波减速器，所述谐波减速器与减速箱连接，降低减速箱输出的转速和增加力矩，且驱动第一臂、第二臂或摆臂的运动。 

优选地，所第一旋转关节、第二旋转关节或第四旋转关节还包括电磁离合器，所述电磁离合器设置在减速箱和谐波减速器之间，控制电机动力的输出。 

优选地，所述第一旋转关节、第二旋转关节或第四旋转关节还包括编码器和控制***，所述编码器设置在电磁离合器和谐波减速器之间，用于检测电磁离合器与谐波减速器的转角位移和角速度，且把检测到的转角位移和角速度转换为电信号，并发送至所述控制***；所述控制***根据接收到的电信号进行处理，根据处理结果，控制电机输出的转速和力矩，以及电磁离合器的断开或闭合。 

优选地，所述第一驱动装置、第二驱动装置分别还包括第一编码器、第二编码器，所述第一编码器、第二编码器分别且对应的设置在第一电磁离合器、第二电磁离合器与第一同步皮带、第二同步皮带之间，用于检测所述第一电磁离合器、第二电磁离合器与第一同步皮带、第二同步皮带的转角位移和角速度。 

优选地，所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的电磁离合器， 及第三旋转关节的第一电磁离合器、第二电磁离合器为分离状态，所述手术机器人在外力作用下所述第一臂、第二臂、主轴或摆臂进行转动。 

优选地，所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的编码器，及第三旋转关节的第一编码器、第二编码器根据记录的第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节和第四旋转关节的转角位移转换为电信号，且发送至所述控制***；所述控制***根据所述转角位移的电信号控制所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的电磁离合器的闭合或断开，控制减速箱和谐波减速器的运行；及第三旋转关节的第一电磁离合器、第二电磁离合器的闭合或断开，第一减速箱、第二减速箱的运行，微调所述手术机器人的位置。 

优选地，所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的电磁离合器、电机，及第三旋转关节的第一电磁离合器、第二电磁离合器及第一电机、第二电机断开电连接；所述减速箱、电机，第一减速箱、第二减速箱及第一电机、第二电机处于锁定状态，所述手术机器人固定在设定位置。 

优选地，所述摆臂的一端设有一夹持部，所述夹持部安装手术器械且执行手术动作。 

该手术机器人通过第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节和第四旋转关节依次把基座、第一臂、第二臂、主轴和摆臂轴连接，该第一、二、三或四旋转关节包括电机，以及与电机连接的减速箱，为该手术机器人的运行提供动力源。全新的手术机器人设计，却仅有四个旋转关节连接，结构简单；而且通过对各旋转关节的电机配合减速箱进行控制，通过减速箱机器人的运行速度低，易于控制，运动精度高，安全可靠，可以精确地在微小范围内调整机器人的位姿。 

另外，优化的手术机器人，结构更加轻巧；拥有五自由度，工作空间大。 

拥有谐波减速器的手术机器人，进一步的使得该手术机器人得到慢速控制，进一步的提高该手术机器人的精确度；同时采用了谐波减速器减少了机器人的负荷，并因此减小机器人的尺寸和重量。 

拥有电磁离合器的手术机器人，能够通过控制***或外接控制装置控制该 电磁离合器的闭合和断开，使得该手术机器人更加便捷。 

拥有编码器的手术机器人，能够通过编码器所检测到的电磁离合器与谐波减速器的转角位移和角速度并转换为电信号，且发送至控制***，该控制***根据该电信号执行相应的动作，使得该手术机器人更加智能化，定位更加精确。 

【附图说明】

图1为一实施例的手术机器人的整体示意图； 

图2为一实施例的手术机器人的结构示意图； 

图3为一实施例的手术机器人的第一旋转机构的结构示意图； 

图4为一实施例的手术机器人的第三旋转机构的结构示意图； 

【具体实施方式】

参阅图1～2，图1为第一实施例的手术机器人的整体示意图；图2为第一实施例的手术机器人的结构示意图。该第一实施例的手术机器人，为依次通过轴连接的基座10、第一臂20、第二臂30、主轴40和摆臂50；完成手术机器人的执行模式，包括被动拖拽模式、微位姿调整模式和定位模式。下面对该第一实施例的手术机器人进行详细说明。 

基座10，基座10的一端设置在工作平台或者是手术室水平工作面上，用于支撑整个手术机器人的重量。 

第一臂20，第一臂20的一端通过第一旋转关节100与基座10的另一端轴连接，用于围绕在该基座10的垂直轴线，且在一水平面上转动。 

第二臂30，第二臂30的一端通过第二旋转关节200与第一臂20的另一端轴连接，用于围绕在该第一臂20的垂直轴线，且在另一水平面上转动。 

主轴40贯穿第二臂30的另一端，通过第三旋转关节300与第二臂30轴连接，用于在该第二臂30的垂直轴线上自转，沿该垂直轴线上下移动，或者是该主轴40自转、上下移动同时执行的耦合运动。该主轴40优选的为滚珠丝杆-花键轴，易于上下移动或者是自转，且精密度更高。该主轴40靠近工作平台的一端设有一矩形平台41。 

摆臂50通过第四旋转关节400与设置在该主轴40的矩形平台41一端的侧面轴连接，且围绕该侧面的垂直轴线旋转。 

在另一实施例中，该摆臂50的一端设有一夹持部，手术器械60通过该夹持部与该摆臂50固接；该夹持部安装不同的手术器械60，可以执行不同的手术动作，完成各种手术任务。 

参阅图3上述第一旋转关节100包括：电机110、减速箱120、电磁离合器130和谐波减速器140。 

电机110内嵌于基座10，且固定安装在基座10内部，并输出动力源；在一实施例中，该电机110优选的为伺服电机，是稳定的动力输出源。 

减速箱120与该电机110连接，具体的为电机110的输出轴与减速箱120的输入轴相连；在一实施例中，该减速箱120为多级减速箱，把该多级减速箱的输出轴的转速分不同级的转速进行降低，增加该输出轴的力矩，使该降低的转速符合手术机器人的工作要求。 

电磁离合器130的一端与该减速箱120固接，另一端与谐波减速器140的一端固接；该谐波减速器140的另一端与该第一臂20的一端固接，且内嵌在该第一臂20一端的内部；进一步的，该谐波减速器140进行第二次的减速，增加力矩，使其转速进一步的符合手术机器人的工作要求，提高第一旋转关节100的性能。当该电磁离合器130在断电时，该电磁离合器130闭合，把电机110通过减速箱120的动力输出于谐波减速器140，该谐波减速器140带动第一臂20围绕在该基座10的垂直轴线，且在一水平面上转动；当该电磁离合器130在通电时，该电磁离合器130断开，断开电机110的动力输出。在另一实施例中，当该电磁离合器130在通电时，该电磁离合器130闭合，进而达到把电机110的动力输出于谐波减速器140，使得第一臂20转动；同理，当该电磁离合器130在断电时，该电磁离合器130断开，断开电机110的动力输出。 

具体的，上述谐波减速器140包括：依次相连的轴波发生器141、轴钢轮142、轴柔轮143。轴波发生器141的一端与电磁离合器130连接，另一端与轴钢轮142的一端连接；该轴钢轮142设置在基座10的内部，且与该基座10固 接，另一端与轴柔轮143连接；轴柔轮143设置在第一臂20一端的内部，且与该第一臂20固接。 

在一实施例中，该手术机器人还包括控制***(图未示)，该控制***与电机110、电磁离合器130连接。同时，上述第一旋转关节100还包括编码器150，该编码器150设置在电磁离合器130和谐波减速器140之间。该编码器150用于检测电磁离合器130与谐波减速器140的转角位移和角速度，且把检测到的转角位移和角速度转换为电信号，并发送至控制***。该控制***根据接收到的电信号进行处理，根据处理结果，控制电机110输出的转速和力矩，以及电磁离合器130的断开或闭合。 

第二旋转关节200、第四旋转关节400与第一旋转关节100的结构相同，区别是安装方式不同。第二旋转关节200轴连接第一臂20与第二臂30，使第二臂30围绕在该第一臂20的垂直轴线，水平转动；该第二旋转关节200的电机内嵌在第二臂30的一端，且与该第二臂30固接；第二旋转关节200的谐波减速器的轴柔轮设置在第一臂20的另一端的内部，且与该第一臂20固接。第四旋转关节400轴连接主轴40的矩形平台41与摆臂50，使摆臂50围绕在该矩形平台41侧面的垂直轴线旋转；该第四旋转关节400的电机内嵌在该矩形平台41的内部，且与该矩形平台41固接；第四旋转关节400的谐波减速器的轴柔轮内嵌在该摆臂50的内部，且与该摆臂50固接。 

参阅图4第三旋转关节300包括内嵌在第二臂30另一端的第一驱动装置310、第二驱动装置320以及执行装置330；第一驱动装置310和第二驱动装置320分别通过该执行装置330驱动通过该驱动装置的主轴40沿该垂直轴线上下移动、围绕该主轴40自转，或者该主轴40上下移动及自转同时执行的耦合运动。 

具体的，该第一驱动装置310包括：第一电机311、第一减速箱312、第一电磁离合器313、第一编码器314以及第一同步皮带315。第一电机311固定安装在第二臂30的内部，并输出动力源；在一实施例中，该第一电机311优选地 为伺服电机，稳定的输出动力源。第一减速箱312与第一电机311连接，具体的为第一电机311的输出轴与第一减速箱312的输入轴相连；在一实施例中，该第一减速箱312为多级减速箱，可以提供多种级别的转速和输出力矩，符合手术机器人的工作要求。第一电磁离合器313的一端与第一减速箱312固接，另一端与第一同步皮带315的一端固接，该第一同步皮带315的另一端与执行装置330的一端固接；该第一电磁离合器313控制第一电机311动力的输出，使得该第一同步皮带315的旋转，输出转速和力矩。 

在一实施例中，该第一电磁离合器313与第一同步皮带315之间设有第一编码器314，该第一编码器314检测该第一电磁离合器313与第一皮带的转角位移和角速度并转换为第一电信号，且发送该第一电信号至控制***，该控制***根据接收到的第一电信号控制第一电机311输出的转速和力矩，以及控制第一电磁离合器313的断开或闭合。 

相似的，第二驱动装置320与该第一驱动装置310有相同的结构，区别是该第二驱动装置320倒置且固定安装在第二臂30内部。该第二驱动装置320的第二同步皮带325一端固接在第二电磁离合器323，该第二同步皮带325的另一端与执行装置330的另一端固接；该第二驱动装置320的第二电磁离合器323控制第二电机321动力的输出，使得该第二同步皮带325的旋转，输出转速和力矩。 

在一实施例中，该第二电磁离合器323与第二同步皮带325之间设有第二编码器324，该第二编码器324检测该第二电磁离合器323与第二皮带的转角位移和角速度并转换为第二电信号，且发送该第二电信号至控制***，该控制***根据接收到的第二电信号控制第二电机321输出的转速和力矩，以及控制第二电磁离合器323的断开或闭合。 

该执行装置330包括：滚珠螺母331、花键套333以及固定法兰332。固定法兰332内嵌在第二臂30内部，且固接；该固定法兰332两端分别设置了滚珠螺母331和花键套333，且包络了滚珠螺母331和花键套333。该滚珠螺母331、花键套333分别的配合连接通过该执行装置330的主轴40，该主轴40优选地为滚珠丝杆-花键轴，提供更高的旋转和移动的精密度。具体的，该滚珠螺母331 与第一同步皮带315的另一端连接，该第一同步皮带315转动，传输第一电机311的动力到该滚珠螺母331，且通过该滚珠螺母331使得该主轴40沿该垂直轴线上下移动。相似的，该花键套333与第二同步皮带325的另一端连接，该第二同步皮带325转动，传输第二电机321的动力到该花键套333，且通过该花键套333使得该主轴40自转。进一步的，通过第一同步皮带315和第二同步皮带325配合的转动，分别通过滚珠螺母331和花键套333的运动耦合，带动主轴40上下移动和自转。 

该手术机器人工作时包括三种工作模式，分别为：被动拖拽模式、微位姿调整模式和定位模式。 

该手术机器人在执行被动拖拽模式时，第一旋转关节100、第二旋转关节200、第四旋转关节400的电磁离合器，及第三旋转关节300的第一电磁离合器313、第二电磁离合器323为分离状态，手术机器人在较小的外力的作用下，第一臂20、第二臂30、主轴40或摆臂50进行转动，可以被动的被拖拽至需要手术操作的大致区域，达到粗定位，可以加快手术的运行速度，提高手术机器人的工作效率。同时在各旋转关节的编码器已经记录各旋转关节的转角位移，且把该记录到的转角位移信号发送至控制***。 

该手术机器人在执行微位姿调整模式时，第一旋转关节100、第二旋转关节200、第四旋转关节400的编码器，及第三旋转关节300的第一编码器314、第二编码器324根据在先记录的各旋转关节的转角位移转换为电信号，且发送至控制***；该控制***根据该转角位移的电信号控制各旋转关节的电磁离合器、第一电磁离合器313和第二电磁离合器323的闭合和断开，同时配合各旋转关节的谐波减速器，及减速箱、第一减速箱312和第二减速箱322的运行，降低手术机器人的运行速度，易于控制，运动的精度高，且安全可靠，可以在微小范围内调整手术机器人的位置。 

该手术机器人在定位模式时，各旋转关节的电磁离合器、电机，及第一电磁离合器313、第二电磁离合器323及第一电机311、第二电机321断开电连接；没有电能供给则减速箱、第一减速箱312、第二减速箱322能够自锁，电机、第 一电机311、第二电机321也处于锁定状态，手术机器人的位置与姿态也被精确固定，然后通过手术器械60执行手术工作。 

上述各旋转关节中的编码器可以根据不同的编码器以及不同的工作方式，安装该编码器在不同的位置，例如安装在各旋转关节的外部等。 

在第二实施例中，其与第一实施例的区别为没有编码器和控制***；即各旋转关节没有编码器或第一编码器314、第二编码器324，以及接受该编码器或第一编码器314、第二编码器324信号的控制***。各旋转关节的电磁离合器或第一电磁离合器、第二电磁离合器323可以通过一外接控制设备，人为的控制闭合或断开。在执行手术的过程中，可以通过外接的控制设备控制离合器或第一电磁离合器、第二电磁离合器323，进而达到动力的输出；进而控制手术机器人的工作。该第二实施例中的手术机器人，在执行精度要求不是很高、手术时间要求比较长的手术则比较有优势，该手术机器人结构简单、成本低、可广泛而推之。 

在第三实施例中，其与第一实施例的区别为没有电磁离合器、第一电磁离合器和第二电磁离合器323；即通过控制***控制各旋转关节的动力输出。通过控制手术机器人的总的电能供给，控制手术机器人的工作移动、微调和定位。 

在第四实施例中，其与第一实施例的区别为没有电磁离合器、第一电磁离合器和第二电磁离合器323，谐波减速器，编码器、第一编码器314和第二编码器324和控制***；即各旋转关节的电机提供动力源，通过减速箱降低电机的输出转速和增加力矩，且驱动第一臂20、第二臂30、主轴40或摆臂50的运动。该第四实施例的手术机器人能够执行较为简单或普遍的手术，而且结构非常简单，易于大量生产和实用，能够较为普遍的提高整个社会的医疗水平。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (9)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括基座、第一臂、第二臂、主轴和摆臂，以及第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节和第四旋转关节；所述基座通过第一旋转关节与所述第一臂轴连接，所述第一臂通过第二旋转关节与所述第二臂轴连接，所述第二臂通过第三旋转关节与所述主轴轴连接，所述主轴通过第四旋转关节与所述摆臂轴连接；

所述第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节或第四旋转关节的至少一个旋转关节包括电机，以及与电机连接的减速箱；所述电机提供动力，所述减速箱降低所述电机输出的转速和增加力矩，驱动第一臂、第二臂、主轴或摆臂的运动；

所述第三旋转关节包括第一驱动装置、第二驱动装置以及执行装置，所述第一驱动装置、第二驱动装置分别通过所述执行装置驱动通过所述第一驱动装置或第二驱动装置的主轴沿垂直轴线上下移动和/或围绕该主轴自转；

所述执行装置包括：滚珠螺母、花键套以及固定法兰，所述固定法兰固接在第二臂内部，且所述固定法兰两端分别设置滚珠螺母和花键套，并包络了滚珠螺母和花键套；

所述第一驱动装置、第二驱动装置分别包括依次连接的第一电机、第二电机，第一减速箱、第二减速箱，第一电磁离合器、第二电磁离合器以及第一同步皮带、第二同步皮带；所述第一同步皮带与所述执行装置的滚珠螺母连接，所述第二同步皮带与所述执行装置的花键套连接。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节或第四旋转关节还包括谐波减速器，所述谐波减速器与减速箱连接，降低减速箱输出的转速和增加力矩，且驱动第一臂、第二臂或摆臂的运动。

3.根据权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节或第四旋转关节还包括电磁离合器，所述电磁离合器设置在减速箱和谐波减速器之间，控制电机动力的输出。

4.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节或第四旋转关节还包括编码器和控制***，所述编码器设置在电磁离合器和谐波减速器之间，用于检测电磁离合器与谐波减速器的转角位移和角速度，且把检测到的转角位移和角速度转换为电信号，并发送至所述控制***；

所述控制***根据接收到的电信号进行处理，根据处理结果，控制电机输出的转速和力矩，以及电磁离合器的断开或闭合。

5.根据权利要求4所述的手术机器人，其特征在于，所述第一驱动装置、第二驱动装置分别还包括第一编码器、第二编码器，所述第一编码器、第二编码器分别且对应的设置在第一电磁离合器、第二电磁离合器与第一同步皮带、第二同步皮带之间，用于检测所述第一电磁离合器、第二电磁离合器与第一同步皮带、第二同步皮带的转角位移和角速度。

6.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的电磁离合器，及第三旋转关节的第一电磁离合器、第二电磁离合器为分离状态，所述手术机器人在外力作用下所述第一臂、第二臂、主轴或摆臂进行转动。

7.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的编码器，及第三旋转关节的第一编码器、第二编码器根据记录的第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节和第四旋转关节的转角位移转换为电信号，且发送至所述控制***；

所述控制***根据所述转角位移的电信号控制所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的电磁离合器的闭合或断开，控制减速箱和谐波减速器的运行；及控制第三旋转关节的第一电磁离合器、第二电磁离合器的闭合或断开，控制第一减速箱、第二减速箱的运行，微调所述手术机器人的位置。

8.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节、第二旋转关节和第四旋转关节的电磁离合器、电机，及第三旋转关节的第一电磁离合器、第二电磁离合器及第一电机、第二电机断开电连接；所述减速箱、电机，第一减速箱、第二减速箱及第一电机、第二电机处于锁定状态，所述手术机器人固定在设定位置。

9.根据权利要求1所述的手术机器人，所述摆臂的一端设有一夹持部，所述夹持部安装手术器械且执行手术动作。

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