CN104546147A - 一种腹腔镜微创手术机器人机械臂rcm机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ、直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ、转动输出机构与手术器械，六根连杆组成双平行四边形机构，分别通过直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ及转动输出机构的驱动作用，对应实现手术器械直线位移自由度T、偏转自由度P及旋转自由度Y的运动；通过双平行四边形机构及将旋转自由度Y的旋转中心轴与连杆Ⅱ间形成一定夹角θ的方式，降低了各自由度对驱动机构力/扭矩的要求；通过直线运动输出机构II直接推拉连杆III，减小了对该自由度驱动机构的输出力/力矩要求，实现了腹腔镜微创手术机器人机械臂的轻量化与小型化。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构。
背景技术
遥操作微创手术机器人***可以协助医生完成更精细的手术动作，减少手术时由于疲劳或手部震颤造成的损伤。同时手术损伤小、愈合快为患者带来更理想的手术结果。目前，美国的达芬奇微创手术机器人***(da Vinci System)已在临床广泛应用。小型化和低成本微创手术机器人***是未来的发展趋势，同时触觉力反馈在微创外科手术中发挥着极其重要的作用。手术机器人***的小型化可以节省操作空间，安装运行方便，但是也为手术机器人***机械臂小型化提出了更高要求。
在腹腔镜微创手术机器人技术中，一个极其重要的关键部分就是它的远端运动中心(Remote Center of Motion，简称RCM)机构。RCM机构的作用在于提供一个远端运动中心点，该远端运动中心点与微创手术切口重合，可确保在微创手术过程中手术器械与病人的手术切口不发生拉扯，保证了手术安全。由于RCM机构本身的小型化也将附带着术前摆位臂的小型化，因此RCM机构的大小很大程度上影响着腹腔镜微创手术机器人***的体积大小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、且具有小型化、轻量化的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ、直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ、转动输出机构与手术器械；所述直线运动输出机构Ⅰ设置在连杆Ⅵ上，所述连杆Ⅰ、连杆Ⅱ及连杆Ⅴ相平行，所述连杆Ⅲ、连杆Ⅳ及连杆Ⅵ相平行，所述连杆Ⅰ与连杆Ⅱ一端分别铰接在连杆Ⅵ两端，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ一侧，所述连杆Ⅰ的空置端与连杆Ⅲ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ的空置端与连杆Ⅳ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ与连杆Ⅲ铰接，且各连杆铰接后形成双平行四边形机构；所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ另一侧，所述直线运动输出机构Ⅱ两端分别铰接在连杆Ⅲ与连杆Ⅴ上，所述手术器械设置在直线运动输出机构Ⅰ上。
进一步，所述连杆Ⅴ为异形连杆，包括直杆部及弯折部，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别 铰接在连杆Ⅴ的直杆部一侧，所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ的弯折部一侧。
进一步，所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ上对应设有直线运动部件Ⅰ与直线运动部件Ⅱ，所述手术器械设置在直线运动部件Ⅰ上，所述直线运动部件Ⅱ的伸出端铰接在连杆Ⅲ上，直线运动输出机构Ⅱ底部铰接在连杆Ⅴ上。
进一步，所述转动输出机构为液压马达或气动马达。
进一步，所述转动输出机构为伺服电机。
进一步，所述伺服电机与连杆Ⅴ间设有减速器与制动器。
进一步，所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ为电动缸或液压缸或气动缸或直线滑台。
本发明的有益效果在于：
(1)转动自由度Y的旋转中心轴与连杆Ⅱ形成一定夹角θ，当该旋转中心轴与重力方向不一致时，旋转中心轴两侧重量形成的转矩部分抵消，降低了对转动输出机构的输出扭矩要求；
(2)转动自由度Y的旋转中心轴与连杆II成一定夹角θ，可减小转动自由度Y运动过程中的转动惯量，与该旋转中心轴与连杆II平行相比情况，降低了该自由度的制动要求；
(3)由直线运动输出机构Ⅱ推拉连杆Ⅲ，与电机直接驱动偏转自由度P转轴的情况相比，该结构构成了较大的力臂，降低了对该自由度驱动机构输出力/力矩的要求；
(4)降低了各自由度对驱动机构力/扭矩的要求，不仅降低了成本投入，还进一步实现腹腔镜微创手术机器人机械臂的轻量化与小型化。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为直线位移自由度T的运动示意图；
图3为偏转自由度P的运动示意图；
图4为旋转自由度Y的运动示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，本发明中的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，包括连杆Ⅰ1、连杆 Ⅱ2、连杆Ⅲ3、连杆Ⅳ4、连杆Ⅴ5、连杆Ⅵ6、转动输出机构7、直线运动输出机构Ⅱ8、直线运动输出机构Ⅰ9与手术器械10；所述直线运动输出机构Ⅰ9设置在连杆Ⅵ6上，所述连杆Ⅰ1、连杆Ⅱ2及连杆Ⅴ5相平行，所述连杆Ⅲ3、连杆Ⅳ4及连杆Ⅵ6相平行，所述连杆Ⅰ1与连杆Ⅱ2一端分别铰接在连杆Ⅵ6两端，所述连杆Ⅲ3与连杆Ⅳ4一端分别铰接在连杆Ⅴ5一侧，所述连杆Ⅰ1的空置端与连杆Ⅲ3的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ2的空置端与连杆Ⅳ4的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ2与连杆Ⅲ3铰接，且各连杆铰接后形成双平行四边形机构；所述转动输出机构7设置在连杆Ⅴ5另一侧，所述直线运动输出机构Ⅱ8两端分别铰接在连杆Ⅲ3与连杆Ⅴ5上，所述手术器械10设置在直线运动输出机构Ⅰ9上。
本实施例中，六根连杆组成双平行四边形机构，通过直线运动输出机构Ⅱ8的驱动作用，实现双平行四边形机构的联动，最终带动手术器械10实现偏转。其基本原理为：直线运动输出机构Ⅰ9驱动手术器械10实现直线位移自由度T的运动，直线运动输出机构Ⅱ8通过连杆组成的双平行四边形机构驱动手术器械10实现偏转自由度P的运动，转动输出机构7通过连杆Ⅴ5实现旋转自由度Y的运动。旋转自由度Y、偏转自由度P和直线位移自由度T三者轴线相交于一点，构成远端运动中心点11(Remote Center of Motion，简称RCM)机构。
具体的，双平行四边形机构形成一个确定的运动中心点11，转动输出机构7驱动连杆Ⅴ5旋转时，连杆Ⅴ5上形成一个通过运动中心点11的旋转中心轴12，安装时只要保证直线运动输出机构Ⅰ9上的手术器械10的轴线17穿过运动中心点11，即可实现远端运动中心点的确定，保证末端工具能以该中心点为中心产生大范围的角度调整。连杆Ⅴ5为异形连杆，包括直杆部51及弯折部52，所述连杆Ⅲ3与连杆Ⅳ4一端分别铰接在连杆Ⅴ5的直杆部51一侧，所述转动输出机构7设置在连杆Ⅴ5的弯折部52一侧；采用该结构的连杆Ⅴ5，可使旋转中心轴12与连杆Ⅱ2之间具有夹角θ，该夹角θ可减小转动自由度Y运动过程中的转动惯量，降低该自由度的制动要求；同时，因为旋转中心轴12两侧重量产生的扭矩部分抵消，也降低了旋转自由度Y对转动输出机构7的输出扭矩要求。
在本实施例中，所述直线运动输出机构Ⅰ9与直线运动输出机构Ⅱ8上对应设有直线运动部件Ⅰ16与直线运动部件Ⅱ14，所述手术器械10设置在直线运动部件Ⅰ16上，所述直线运动部件Ⅱ14的伸出端通过转动轴15铰接在连杆Ⅲ3上，直线运动输出机构Ⅱ8底部通过转动轴13铰接在连杆Ⅴ5上。具体的，如图2所示，直线运动输出机构Ⅰ9驱动直线运动部件Ⅰ16，直线运动部件Ⅰ16带动手术器械10沿轴线17上下移动，实现手术器械10直线位移自由度T的运动；如图3所示，直线运动输出机构Ⅱ8驱动直线运动部件Ⅱ14，直线运动部件Ⅱ14牵拉双平行四边形机构使其进行偏摆运动，摆动的双平行四边形机构牵拉直线运动输出 机构Ⅰ9，进而实现手术器械10偏转自由度P的运动；如图4所示，转动输出机构7驱动连杆Ⅴ5绕旋转中心轴12旋转，连杆Ⅴ5带动与其相连接的其他部分同时进行旋转运动，进而实现手术器械10旋转自由度Y的运动。
作为上述方案的进一步改进，所述转动输出机构7为液压马达或气动马达或伺服电机，采用伺服电机时，连杆Ⅴ5与转动输出机构7之间可根据实际情况配设减速器与制动器，以适应不同的应用情况。
作为上述方案的进一步改进，所述直线运动输出机构Ⅰ9与直线运动输出机构Ⅱ8为电动缸或液压缸或气动缸或直线滑台，本实施例中，直线运动输出机构Ⅰ9采用直线滑台，直线运动输出机构Ⅱ8采用液压缸，安装方便，易于调控；当然，也可根据实际使用情况进行同类产品的替换。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ、直线运动输出机构Ⅰ、直线运动输出机构Ⅱ、转动输出机构与手术器械；所述直线运动输出机构Ⅰ设置在连杆Ⅵ上，所述连杆Ⅰ、连杆Ⅱ及连杆Ⅴ相平行，所述连杆Ⅲ、连杆Ⅳ及连杆Ⅵ相平行，所述连杆Ⅰ与连杆Ⅱ一端分别铰接在连杆Ⅵ两端，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ一侧，所述连杆Ⅰ的空置端与连杆Ⅲ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ的空置端与连杆Ⅳ的空置端相铰接，所述连杆Ⅱ与连杆Ⅲ铰接，且各连杆铰接后形成双平行四边形机构；所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ另一侧，所述直线运动输出机构Ⅱ两端分别铰接在连杆Ⅲ与连杆Ⅴ上，所述手术器械设置在直线运动输出机构Ⅰ上。
2.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述连杆Ⅴ为异形连杆，包括直杆部及弯折部，所述连杆Ⅲ与连杆Ⅳ一端分别铰接在连杆Ⅴ的直杆部一侧，所述转动输出机构设置在连杆Ⅴ的弯折部一侧。
3.根据权利要求2所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ上对应设有直线运动部件Ⅰ与直线运动部件Ⅱ，所述手术器械设置在直线运动部件Ⅰ上，所述直线运动部件Ⅱ的伸出端铰接在连杆Ⅲ上，直线运动输出机构Ⅱ底部铰接在连杆Ⅴ上。
4.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述转动输出机构为液压马达或气动马达。
5.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述转动输出机构为伺服电机。
6.根据权利要求5所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述伺服电机与连杆Ⅴ间设有减速器与制动器。
7.根据权利要求1所述的腹腔镜微创手术机器人机械臂RCM机构，其特征在于：所述直线运动输出机构Ⅰ与直线运动输出机构Ⅱ为电动缸或液压缸或气动缸或直线滑台。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150429 |