CN102764158B - 外科手术机器人 - Google Patents

Abstract

一种外科手术机器人，包括支架、安装于支架的升降组件、大臂、小臂和垂臂。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，小臂与垂臂通过第三关节转动连接。第一关节、第二关节与第三关节的回转轴线平行于重力方向。升降组件包括丝杆、丝杆螺母、连接件和驱动机构。丝杆螺母旋于丝杆，连接件的一端固定于丝杆螺母，另一端与大臂转动连接，驱动机构安装于所述支架，丝杆的一端与驱动机构连接，另一端与支架转动连接。上述外科手术机器人，有效的避免了因机械手臂意外下落造成的手术工具损伤或医疗事故的发生。

Description

外科手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种外科手术机器人。

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，各种用途的医用机器人在医学领域中得到越来越广泛的应用。在外科手术领域，一些手术由于手术时间长、工作强度大，医生往往会因为过度疲劳而产生失误，甚至会造成医疗事故。

外科手术机器人解决了医生人工手术带来的弊端，避免了由于医生过度疲劳所引发的不良后果。但是传统的外科手术机器人，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，损伤安装于外科手术机器人端部的手术工具甚至造成医疗事故。另外，由于传统的外科手术机器人被动功能的设计缺陷，在其配合医生手术时，拖拽不方便，很难满足医生手术的定位需求。

发明内容

基于此，有必要针对传统的外科手术机器人在故障或误操作时，因机械手臂下落造成手术工具损伤或医疗事故的问题，提供一种外科手术机器人。

一种外科手术机器人，包括支架、安装于支架的升降组件、大臂、小臂和垂臂，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，所述小臂与所述垂臂通过第三关节转动连接；所述第一关节、第二关节与第三关节的回转轴线平行于重力方向；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。

在其中一个实施例中，所述第一关节包括第一编码器、第一伺服电机和第一谐波减速器，所述第一伺服电机安装于所述连接件，所述第一编码器安装于所述第一伺服电机，所述第一谐波减速器包括第一波发生器、第一柔轮和第一钢轮，所述第一波发生器与所述第一伺服电机的输出轴连接，所述第一钢轮固定于所述连接件，所述第一柔轮与所述大臂连接。

在其中一个实施例中，所述第二关节包括第二编码器、第二伺服电机和第二谐波减速器，所述第二伺服电机安装于所述小臂，所述第二编码器安装于所述第二伺服电机，所述第二谐波减速器包括第二波发生器、第二柔轮和第二钢轮，所述第二波发生器与所述第二伺服电机的输出轴连接，所述第二钢轮固定于所述小臂，所述第二柔轮与所述大臂连接。

在其中一个实施例中，所述第三关节包括第三编码器、第三伺服电机、第三谐波减速器和连接轴，所述第三伺服电机安装于所述小臂，所述第三编码器安装于所述第三伺服电机，所述第三谐波减速器包括第三波发生器、第三钢轮和第三柔轮，所述连接轴的一端与所述小臂转动连接，另一端与第三波发生器连接，所述第三钢轮固定于小臂，所述第三柔轮与所述垂臂连接，所述第三伺服电机的输出轴与所述连接轴通过同步带传动连接。

在其中一个实施例中，所述垂臂安装有第四伺服电机、从动组件和摇臂，所述第四伺服电机安装有第四编码器，所述第四伺服电机的输出轴和从动组件的回转轴线垂直于所述垂臂，第四伺服电机的输出轴和从动组件通过传送带传动连接，所述摇臂与所述从动组件连接。

在其中一个实施例中，所述从动组件包括从动轴和第四谐波减速器，所述第四谐波减速器包括第四波发生器、第四钢轮和第四柔轮，所述从动轴的一端与第四伺服电机的输出轴传动连接，另一端与所述第四波发生器连接，所述第四钢轮固定于所述垂臂，所述第四柔轮与所述摇臂连接。

在其中一个实施例中，所述第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器均与手术机器人的控制***相连接。

上述外科手术机器人中，第一关节、第二关节与第三关节的回转轴线平行于重力方向，医生进行操作时，大臂、小臂紧沿水平方向移动，垂臂沿轴转动。虽然升降组件的运动沿平行于重力方向，但是升降组件中采用了配备有丝杆螺母的丝杆作为运动轨道，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意外下落造成的手术工具损伤或医疗事故的发生。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的示意图；

图2为图1中支架和升降组件的结构示意图；

图3为图1中第一关节的结构示意图；

图4为图1中第二关节的结构示意图；

图5为图1中第三关节和垂臂的结构示意图；

图6为图1中垂臂的结构示意图。

具体实施方式

由于传统的外科手术机器人，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，损伤安装于外科手术机器人端部的手术工具甚至造成医疗事故。另外，因传统的外科手术机器人被动功能的设计缺陷，在其配合医生手术时，拖拽不方便，很难满足医生手术的定位需求。为了解决上述问题，提供了一种外科手术机器人。

如图1和图2所示，本发明较佳实施例的外科手术机器人，包括支架110、安装于支架的升降组件120、大臂130、小臂140和垂臂150。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与垂臂150通过第三关节180转动连接。第一关节160、第二关节170与第三关节180的回转轴线平行于重力方向。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。

上述外科手术机器人中，第一关节160、第二关节170与第三关节180的回转轴线平行于重力方向，医生进行操作时，大臂130、小臂140紧沿水平方向移动，垂臂150沿轴转动。虽然升降组件120的运动沿平行于重力方向，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意外下落造成的手术工具损伤或医疗事故的发生。

在本实施例中，驱动机构127包括联轴器1272、多级减速箱1274、伺服电机1276和编码器1278。丝杠121依次通过联轴器1272、多级减速箱1274与伺服电机1276的输出轴连接，编码器1278安装于伺服电机1276。伺服电机1276作为动力源，输出力矩和转速，经过多级减速箱1274减速，以增大驱动机构127的输出力矩。联轴器1272将转速和力矩传递给丝杆121，丝杆转动带动丝杆螺母123的移动，进而完成升降组件120的升降运动。编码器1278与手术机器人的控制***相连接。编码器1278检测伺服电机1276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1276的转角位移和角速度。

如图3所示，为图1中第一关节的结构示意图。第一关节160包括第一编码器161、第一伺服电机163和第一谐波减速器165。第一伺服电机163安装于连接件125，第一编码器161安装于第一伺服电机163。第一谐波减速器165包括第一波发生器1652、第一柔轮1656和第一钢轮1654。第一波发生器1652与第一伺服电机163的输出轴连接，第一钢轮1654固定于连接件125，第一柔轮1656与大臂130连接。第一伺服电机163输出转速和力矩，通过第一谐波减速器165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161与手术机器人的控制***相连接，将第一伺服电机163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***。

如图4所示，为图1中第二关节的结构示意图。第二关节170包括第二编码器172、第二伺服电机174和第二谐波减速器176。第二伺服电机174安装于小臂140。第二编码器172安装于第二伺服电机174。第二谐波减速器176包括第二波发生器1761、第二柔轮1765和第二钢轮1763。第二波发生器1761与第二伺服电机174的输出轴连接，第二钢轮1763固定于小臂140，第二柔轮1765与大臂130连接。第二伺服电机174提供第二关节的转速和转矩，第二谐波减速器176降低转速，增大转矩。第二编码器172与手术机器人的控制***相连接，将第二伺服电机174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***。

如图5和图6所示，第三关节180包括第三编码器181、第三伺服电机183、第三谐波减速器185和连接轴187。第三伺服电机183安装于小臂140，第三编码器181安装于第三伺服电机183。第三谐波减速器185包括第三波发生器1852、第三钢轮1854和第三柔轮1856。连接轴187的一端与小臂140转动连接，另一端与第三波发生器1852连接。第三钢轮1854固定于小臂140，第三柔轮1856与垂臂150连接。第三伺服电机183的输出轴与连接轴187通过同步带传动连接。第三伺服电机183通过同步带将转矩和转速传给连接轴187，连接轴187的经第三谐波减速器185带动垂臂150转动。第三谐波减速器185用于较小转速，增大转矩。第三编码器181与手术机器人的控制***相连接，将第三伺服电机183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，垂臂150安装有第四伺服电机191、从动组件193和摇臂195。第四伺服电机191安装有第四编码器197。第四伺服电机191的输出轴和从动组件193的回转轴线垂直于垂臂150，第四伺服电机191的输出轴和从动组件193通过传送带传动连接，摇臂195与从动组件193连接，摇臂用于安装外科手术器械。从动组件193包括从动轴1932和第四谐波减速器1934。第四谐波减速器1934包括第四波发生器、第四钢轮和第四柔轮。从动轴1932的一端与第四伺服电机191的输出轴传动连接，另一端与第四波发生器连接。第四钢轮固定于垂臂150，第四柔轮与摇臂195连接。第四编码器197与手术机器人的控制***相连接，将第四伺服电机191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***。

上述外科手术机器人，设计为平面关节机器人设计形式，在拖拽机器人时，机器人的大臂130、小臂140与垂臂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，外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和从动组件193五个自由度。其中，升降组件120、第一关节160和第二关节170用于调整外科手术机器人的末端位置。第三关节180和从动组件193用于调整外科手术机器人的末端姿态。用于调整位置的自由度和用于调整姿态的自由度之间无相互耦合，方便运动学结算和控制。在配合医生手术时，拖拽方便，五个自由度可以保证将外科手术机器人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定位需求。

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)

1.一种外科手术机器人，其特征在于，包括支架、安装于支架的升降组件、大臂、小臂和垂臂，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，所述小臂与所述垂臂通过第三关节转动连接；所述第一关节、第二关节与第三关节的回转轴线平行于重力方向；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；所述第三关节包括第三编码器、第三伺服电机、第三谐波减速器和连接轴，所述第三伺服电机安装于所述小臂，所述第三编码器安装于所述第三伺服电机，所述第三谐波减速器包括第三波发生器、第三钢轮和第三柔轮，所述连接轴的一端与所述小臂转动连接，另一端与第三波发生器连接，所述第三钢轮固定于小臂，所述第三柔轮与所述垂臂连接，所述第三伺服电机的输出轴与所述连接轴通过同步带传动连接；所述垂臂安装有第四伺服电机、从动组件和摇臂，所述第四伺服电机安装有第四编码器，所述第四伺服电机的输出轴和从动组件的回转轴线垂直于所述垂臂，第四伺服电机的输出轴和从动组件通过传送带传动连接，所述摇臂与所述从动组件连接；

其中，当拖拽所述外科手术机器人时，所述外科手术机器人的大臂、小臂、垂臂和地面的距离不变。

2.根据权利要求1所述的外科手术机器人，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。

3.根据权利要求2所述的外科手术机器人，其特征在于，所述编码器与手术机器人的控制***相连接。

4.根据权利要求1所述的外科手术机器人，其特征在于，所述第一关节包括第一编码器、第一伺服电机和第一谐波减速器，所述第一伺服电机安装于所述连接件，所述第一编码器安装于所述第一伺服电机，所述第一谐波减速器包括第一波发生器、第一柔轮和第一钢轮，所述第一波发生器与所述第一伺服电机的输出轴连接，所述第一钢轮固定于所述连接件，所述第一柔轮与所述大臂连接。

5.根据权利要求4所述的外科手术机器人，其特征在于，所述第二关节包括第二编码器、第二伺服电机和第二谐波减速器，所述第二伺服电机安装于所述小臂，所述第二编码器安装于所述第二伺服电机，所述第二谐波减速器包括第二波发生器、第二柔轮和第二钢轮，所述第二波发生器与所述第二伺服电机的输出轴连接，所述第二钢轮固定于所述小臂，所述第二柔轮与所述大臂连接。

6.根据权利要求5所述的外科手术机器人，其特征在于，所述从动组件包括从动轴和第四谐波减速器，所述第四谐波减速器包括第四波发生器、第四钢轮和第四柔轮，所述从动轴的一端与第四伺服电机的输出轴传动连接，另一端与所述第四波发生器连接，所述第四钢轮固定于所述垂臂，所述第四柔轮与所述摇臂连接。

7.根据权利要求6所述的外科手术机器人，其特征在于，所述第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器均与手术机器人的控制***相连接。