CN102764157B - 骨科手术机器人 - Google Patents
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Abstract
一种骨科手术机器人，包括支架、升降组件、大臂、小臂和旋转臂。升降组件安装于支架，升降组件与大臂通过第一关节转动连接，大臂与小臂通过第二关节转动连接，小臂与旋转臂通过第三关节转动连接。第一关节、第二关节的回转轴线平行于重力方向。第三关节的回转轴线垂直于重力方向。上述骨科手术机器人，可以使手术时，骨科手术器械覆盖所有需要进行手术操作的位置，提高了手术空间利用率。
Description
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种骨科手术机器人。
背景技术
计算机技术、微电子技术以及医学科学的发展是机器人发展的前进动力，医用机器人得到了很大的发展，并有广泛的应用。目前，医疗机器人的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和微型机器人等几个方面。其中，根据结构形式的不同外科手术机器人可分为主动式外科手术机器人、主从式外科手术机器人和遥操作式外科手术机器人。
骨科手术机器人是一种外科手术机器人。传统的骨科手术机器人在手术工作空间利用率低，很难覆盖所有需要进行手术操作的位置。另外，在机器人发生故障或误操作时，机械手臂会因重力的影响沿垂直平面下落，损伤安装于骨科手术机器人端部的手术工具甚至造成医疗事故。
发明内容
基于此，有必要针对传统的骨科手术机器人手术空间利用率低的问题，提供一种手术利用空降较高的骨科手术机器人。
一种骨科手术机器人，包括支架、升降组件、大臂、小臂和旋转臂，所述升降组件安装于支架，所述升降组件与所述大臂通过第一关节转动连接，所述大臂与所述小臂通过第二关节转动连接，所述小臂与所述旋转臂通过第三关节转动连接；所述第一关节、第二关节的回转轴线平行于重力方向；所述第三关节的回转轴线垂直于重力方向。
在其中一个实施例中，所述升降组件包括丝杆、丝杆螺母、连接件和驱动机构，所述丝杆螺母旋于丝杆，所述连接件的一端固定于所述丝杆螺母，另一端与所述大臂转动连接，所述驱动机构安装于所述支架，所述丝杆的一端与所述驱动机构连接，另一端与所述支架转动连接。
在其中一个实施例中，所述第三关节的回转轴线平行于所述小臂的延伸方向。
在其中一个实施例中，还包括腕部组件，所述腕部组件通过第四关节与所述旋转臂远离所述第三关节的一端转动连接。
在其中一个实施例中，所述第四关节的回转轴线垂直于所述旋转臂的延伸方向。
在其中一个实施例中，所述腕部组件包括手术器械安装件和俯仰臂，所述俯仰臂通过所述第四关节与所述旋转臂相连，所述手术器械安装件安装于所述俯仰臂。
在其中一个实施例中，所述腕部组件还包括标识件，所述标识件安装于所述俯仰臂远离所述手术器械安装件的一端。
在其中一个实施例中，所述驱动机构包括联轴器、多级减速箱、伺服电机和编码器，所述丝杠依次通过所述联轴器、多级减速箱与所述伺服电机的输出轴连接，所述编码器安装于所述伺服电机。
在其中一个实施例中，所述编码器与手术机器人的控制***相连接。
上述骨科手术机器人中，第一关节、第二关节的回转轴线平行于重力方向，通过转动第一关节和第二关节以及移动升降组件调整大臂和小臂的位置，可以使手术时，骨科手术器械覆盖所有需要进行手术操作的位置，提高了手术空间利用率。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的立体图；
图2为图1中旋转臂转动时一个角度的姿态图；
图3为图1中旋转臂转动时另一个角度的姿态图；
图4为图1中俯仰臂作俯仰运动时一个角度的姿态图；
图5为图1中俯仰臂作俯仰运动时另一个角度的姿态图。
具体实施方式
针对传统的骨科手术机器人在手术工作空间利用率低，很难覆盖所有需要进行手术操作的位置，以及在机器人发生故障或误操作时，机械手臂会因重力的影响沿垂直平面下落，损伤安装于骨科手术机器人端部的手术工具甚至造成医疗事故的问题，提供了一种骨科手术机器人。
如图1所示，本发明较佳实施例的骨科手术机器人，包括支架110、安装于支架的升降组件120、大臂130、小臂140和旋转臂150。升降组件120安装于支架110，升降组件120与大臂130通过第一关节160转动连接。大臂130与小臂140通过所述第二关节170转动连接。小臂140与旋转臂150通过第三关节180转动连接。第一关节160与第二关节170的回转轴线平行于重力方向，第三关节180的回转轴线垂直于重力方向。
上述骨科手术机器人中，第一关节160、第二关节170的回转轴线平行于重力方向，通过转动第一关节160和第二关节170以及移动升降组件120调整大臂130和小臂140的位置，可以使手术时，骨科手术器械覆盖所有需要进行手术操作的位置，提高了手术空间利用率。
在本实施例中，升降组件120包括丝杆121、丝杆螺母123、连接件125和驱动机构127。丝杆螺母123旋于丝杆121。连接件125的一端固定于丝杆螺母123，另一端与大臂130转动连接。驱动机构127安装于支架110，丝杆121的一端与驱动机构127连接，另一端与支架110转动连接。第三关节180的回转轴线平行于小臂140的延伸方向。
上述实施例中，第一关节160、第二关节170的回转轴线平行于重力方向，第三关节180的回转轴线垂直于重力方向，医生进行操作时，大臂130、小臂140紧沿水平方向移动，旋转臂150沿轴转动。虽然升降组件120的运动沿竖直方向，但是升降组件120中采用了配备有丝杆螺母123的丝杆121作为运动轨道，即使机器人故障或误操作，也不会在重力方向有较大的回落，有效的避免了因机械手臂下落造成的手术工具损伤或医疗事故的发生。
如图2、图3、图4和图5所示，骨科手术机器人还包括腕部组件210。腕部组件210通过第四关节220与旋转臂150远离第三关节180的一端转动连接。第四关节220的回转轴线垂直于旋转臂150的延伸方向。腕部组件210包括手术器械安装件212、俯仰臂214和标识件216。俯仰臂214通过第四关节220与旋转臂150相连，俯仰臂214可以以第四关节为轴作俯仰运动。手术器械安装件212安装于俯仰臂214的一端，标识件216安装于俯仰臂214远离手术器械安装件212的一端。手术器械安装件212用于安装骨科手术器械，标识件216用于在骨科手术机器人运动过程中对骨科手术器械的位置进行定位。
在本实施例中，驱动机构127包括联轴器、多级减速箱、伺服电机和编码器。丝杠依次通过联轴器、多级减速箱与伺服电机的输出轴连接，编码器安装于伺服电机。伺服电机作为动力源，输出力矩和转速，经过多级减速箱减速，以增大驱动机构的输出力矩。联轴器将转速和力矩传递给丝杆，丝杆转动带动丝杆螺母的移动，进而完成升降组件的升降运动。编码器与手术机器人的控制***相连接。编码器检测伺服电机的转角位移和角速度，以电信号的形式反馈给控制***，控制***经过处理，通过伺服电机的驱动电路调整伺服电机的转角位移和角速度。
在本实施例中，第一关节160包括第一编码器、第一伺服电机和第一谐波减速器。第一伺服电机安装于连接件125，第一编码器安装于第一伺服电机。第一谐波减速器包括第一波发生器、第一柔轮和第一钢轮。第一波发生器与第一伺服电机的输出轴连接，第一钢轮固定于连接件125，第一柔轮与大臂130连接。第一伺服电机输出转速和力矩，通过第一谐波减速器的减速，将运动传递给大臂130，实现大臂130的转动。第一编码器与手术机器人的控制***相连接，将第一伺服电机的角速度和角位移转换成电信号并将该电信号传送给控制***。
在本实施例中，第二关节170包括第二编码器、第二伺服电机和第二谐波减速器。第二伺服电机安装于小臂140。第二编码器安装于第二伺服电机。第二谐波减速器包括第二波发生器、第二柔轮和第二钢轮。第二波发生器与第二伺服电机的输出轴连接，第二钢轮固定于小臂140，第二柔轮与大臂130连接。第二伺服电机提供第二关节的转速和转矩，第二谐波减速器降低转速，增大转矩。第二编码器与手术机器人的控制***相连接，将第二伺服电机的角速度和角位移转换成电信号并将该电信号传送给控制***。
在本实施例中，第三关节180和第四关节220均包括驱动件，分别用于驱动旋转臂150转动和俯仰臂212做俯仰运动。
上述骨科手术机器人，设计为平面关节机器人设计形式，第一关节160、第二关节170的回转轴线平行于重力方向，通过转动第一关节160和第二关节170以及移动升降组件120调整大臂130和小臂140的位置，可以使手术时，骨科手术器械覆盖所有需要进行手术操作的位置，提高了手术空间利用率。同时，在拖拽机器人时，机器人的大臂130、小臂140与旋转臂150和地面的距离不变，可以随意拖拽而不会对病人有任何的安全隐患，大大提高了手术的安全性，而且平面关节机器人还有工作空间大，定位精确、操作简单的特点。
另外，骨科手术机器人具有升降组件120、第一关节160、第二关节170、第三关节180和第四关节210五个自由度。其中，升降组件120、第一关节160和第二关节170用于调整骨科手术机器人的末端位置。第三关节180和第四关节210用于调整骨科手术机器人的末端姿态。在配合医生手术时，拖拽方便，五个自由度可以保证将骨科手术器械调整到工作范围内的任何位置，可以实现工作范围内的任何姿态，完全满足医生手术的需求。
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 (7)
1.一种骨科手术机器人，其特征在于，包括支架、升降组件、大臂、小臂和旋转臂，所述升降组件安装于支架，所述升降组件与所述大臂通过第一关节转动连接，所述大臂与所述小臂通过第二关节转动连接，所述小臂与所述旋转臂通过第三关节转动连接；所述第一关节、第二关节的回转轴线平行于重力方向；所述第三关节的回转轴线垂直于重力方向；还包括腕部组件，所述腕部组件通过第四关节与所述旋转臂远离所述第三关节的一端转动连接；所述腕部组件包括手术器械安装件和俯仰臂，所述俯仰臂通过所述第四关节与所述旋转臂相连，所述手术器械安装件安装于所述俯仰臂；所述第三关节和第四关节均包括驱动件，分别用于驱动所述旋转臂转动和所述俯仰臂做俯仰运动。
2.根据权利要求1所述的骨科手术机器人，其特征在于，所述升降组件包括丝杆、丝杆螺母、连接件和驱动机构，所述丝杆螺母旋于丝杆，所述连接件的一端固定于所述丝杆螺母，另一端与所述大臂转动连接，所述驱动机构安装于所述支架，所述丝杆的一端与所述驱动机构连接，另一端与所述支架转动连接。
3.根据权利要求1所述的骨科手术机器人，其特征在于，所述第三关节的回转轴线平行于所述小臂的延伸方向。
4.根据权利要求1所述的骨科手术机器人，其特征在于，所述第四关节的回转轴线垂直于所述旋转臂的延伸方向。
5.根据权利要求1所述的骨科手术机器人，其特征在于，所述腕部组件还包括标识件，所述标识件安装于所述俯仰臂远离所述手术器械安装件的一端。
6.根据权利要求2所述的骨科手术机器人，其特征在于，所述驱动机构包括联轴器、多级减速箱、伺服电机和编码器，所述丝杠依次通过所述联轴器、多级减速箱与所述伺服电机的输出轴连接，所述编码器安装于所述伺服电机。
7.根据权利要求6所述的骨科手术机器人，其特征在于，所述编码器与手术机器人的控制***相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |