外科手術機器人的製作方法
2023-05-18 04:39:26 1
專利名稱：外科手術機器人的製作方法
外科手術機器人
技術領域：
本發明涉及一種醫療器械，特別是涉及一種外科手術機器人。
背景技術：
隨著計算機和微電子技術以及醫學科學的迅猛發展，各種用途的醫用機器人正在醫學領域中得到越來越廣泛的應用。目前，醫療機器人的研究主要集中在外科手術機器人、康復機器人、護理機器人和微型機器人等幾個方面。外科手術中，微創手術工作空間小，但要求機器人更靈巧性、定位精度更高，常用的外科手術機器人很難勝任。另外，進行腦外科手術所使用的腦外科手術機器人的工作空間為球形，現有常用的腦外科機器人構型多為關節型，串聯結構形式使得各個臂受重力影響尤其明顯，降低了機器人的可靠性。
發明內容
基於此，本發明提供一種外科手術機器人，該外科手術機器人靈活度高，受重力影響小而具有較高的可靠性。一種外科手術機器人，包括支架；直線運動單元，固定於所述支架上；第一旋轉關節，固定於所述直線運動單元上；第一連杆，與所述第一旋轉關節固定連接；第二旋轉關節，固定於所述第一連杆上；第二連杆，與所述第二旋轉關節固定連接；第三旋轉關節，固定於所述第二連杆上；第三連杆，與所述第三旋轉關節固定連接；及末端旋轉關節，固定於所述第三連杆上；所述第一旋轉關節與第二旋轉關節的旋轉軸與直線運動單元的運動方向平行，末端旋轉關節包括第四旋轉關節與第五旋轉關節，所述第四旋轉關節與所述第五旋轉關節的旋轉軸線正交。在優選的實施例中，所述直線運動單元採用絲杆傳動或者帶傳動。在優選的實施例中，所述直線運動單元、第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節和第五旋轉關節上裝設有位置探測裝置。在優選的實施例中，所述第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節和第五旋轉關節中的部分或者全部為有源驅動旋轉關節。在優選的實施例中，所述有源驅動旋轉關節包括上級連杆、下級連杆、動力源、減速裝置和制動裝置，所述動力源、減速裝置和制動裝置固定在上級連杆與下級連杆之間。在優選的實施例中,所述動力源為電動裝置、氣動裝置或者液動裝置。在優選的實施例中，所述第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節和第五旋轉關節中的部分或者全部為無源驅動旋轉關節。在優選的實施例中，所述無源驅動旋轉關節包括上級連杆、下級連杆及固定在上級連杆與下級連杆之間的制動裝置。在優選的實施例中，所述末端旋轉關節上設置有光學標誌點。在優選的實施例中，所述末端旋轉關節上固定有一個平移運動單元。該外科手術機器人包括一個移動自由度以及五個旋轉自由度，末端旋轉關節包括第四旋轉關節與第五旋轉關節，第四旋轉關節與第五旋轉關節的旋轉軸線正交，因此該外科手術機器人在第一、第二、第三旋轉關節調整到位後，末端旋轉關節還能靈活轉動，具有較高的靈活性。又由於該外科手術機器第一、第二旋轉關節的旋轉軸線垂直地面，所以可以減少重力對該外科手術機器人的影響，提高了該外科手術機器人可靠性。
圖I為本發明一個實施例外科手術機器人的原理圖；圖2為圖I所示外科手術機器人的結構圖；
圖3為本發明一個實施例外科手術機器人末端旋轉關節增加光學標誌點的結構圖；圖4為本發明一個實施例外科手術機器人直線運動單元的結構圖；圖5為本發明一個實施例外科手術機器人有源驅動旋轉關節的示意圖；圖6為本發明一個實施例外科手術機器人無源驅動旋轉關節的示意圖；圖7為本發明一個實施例外科手術機器人在末端增加一個平移運動單元時的原理圖；圖8為圖7所示外科手術機器人的工作示意圖；支架10，直線運動單元11，第一旋轉關節12，第一連杆13，第二旋轉關節14，第二連杆15，第三旋轉關節16，第三連杆17，第四旋轉關節18，第五旋轉關節19，末端旋轉關節20，平移運動單元211，工作點212，光學標誌點213，上級連杆35，下級連杆31，動力源32，減速裝置36，位置探測裝置33，制動裝置34，上級連杆44，下級連杆41，位置探測裝置42，制動裝置43，絲杆傳動裝置61，帶傳動裝置62。
具體實施方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。請同時參閱圖I與圖2，本發明較佳實施方式的外科手術機器人包括支架10、直線運動單元11、第一旋轉關節(肩關節)12、第一連杆(大臂)13、第二旋轉關節(肘關節)14、第二連杆(小臂)15、第三旋轉關節16、第三連杆(末端連杆)17及末端旋轉關節(腕關節)20。其中，直線運動單元11固定於支架10上；第一旋轉關節12固定於直線運動單元11上；第一連杆13與第一旋轉關節12固定連接；第二旋轉關節14固定於第一連杆13上；第二連杆15與第二旋轉關節14固定連接；第三旋轉關節16固定於第二連杆15上；第三連杆17與第三旋轉關節16固定連接；末端旋轉關節20固定於第三連杆17上。第一旋轉關節12與第二旋轉關節14的旋轉軸與直線運動單元11的運動方向平行，末端旋轉關節20包括第四旋轉關節18與第五旋轉關節19，第四旋轉關節18與第五旋轉關節19的旋轉軸線正交。該外科手術機器人的末端旋轉關節20上固定有一個末端執行器210，該末端執行器210可以是各種手術工具，以適用於做各種手術。直線運動單元11可以完成整個臂體的升降，並連同支架10起固定作用，以支撐整個機器人的重量。第一旋轉關節12連接直線運動單元11和大臂13，並使大臂13繞第一旋轉關節12的旋轉軸線轉動。第二旋轉關節14連接大臂13和小臂15，並使大臂13和小臂15以第二旋轉關節14的旋轉軸線為中心，相對旋轉。第三旋轉關節16連接小臂15和末端連杆17，並使末端連杆17繞小臂15的旋轉軸線旋轉。第四旋轉關節18與第五旋轉關節19的旋轉軸線正交，並可以進一步與第三旋轉關節16的旋轉軸線相交於一點，固定於末端旋轉關節20上的末端執行器210可以繞第三旋轉關節16、第四旋轉關節18與第五旋轉關節19的旋轉軸線進行旋轉。該外科手術機器人具有一個移動自由度(直線運動單元11)和五個旋轉自由度(旋轉關節12、14、16、18、19)，且第四旋轉關節18與第五旋轉關節19的旋轉軸線正交以保證末端執行器210可以調整至各種角度，因此該外科手術機器人具有很高的靈活性，能夠適應不同的工作環境。另外，由於該外科手術機器人第一旋轉關節12與第二旋轉關節14的旋轉軸與直線運動單元11的運動方向平行，當使用該外科手術機器人時，直線運動單元11 的運動方向將會與地面垂直，即第一旋轉關節12與第二旋轉關節14的旋轉軸與地面垂直，因此可以減少重力對該外科手術機器人的影響，從而提高該外科手術機器人的安全性和可靠性。請參考圖3，該外科手術機器人的末端旋轉關節20上設置有光學標誌點213。末端旋轉關節20的設置可以使掛載在末端執行器210上面的光學標誌點213在手術過程中改變朝向。末端旋轉關節20使得末端執行器210帶動光學標誌點213轉過一定角度，在手術中就可以實時改變光學標誌點213的朝向，更好的對完成對外科手術機器人導航。在一個實施例中，該外科手術機器人的直線運動單元11、第一旋轉關節(肩關節)12、第二旋轉關節(肘關節)14、第三旋轉關節16及末端旋轉關節(腕關節)20上安裝有位置探測裝置(圖中未繪示)，該位置探測裝置能夠記錄直線遠動單元11與各旋轉關節的位移和各旋轉關節旋轉的角度，然後通過運動學計算方法，通過控制直線運動單元與各個旋轉關節的位移和旋轉角度來控制末端執行器210的位置和姿態。請參考圖4，該外科手術機器人直線運動單元11的傳動形式可以是，但不局限於絲槓傳動形式、帶傳動形式。圖4中的直線運動單元採用的是絲槓傳動裝置61、帶傳動裝置62。該外科手術機器人的第一旋轉關節12、第二旋轉關節14、第三旋轉關節16、第四旋轉關節18和第五旋轉關節19中的部分或者全部為有源驅動旋轉關節；或者該外科手術機器人的第一旋轉關節12、第二旋轉關節14、第三旋轉關節16、第四旋轉關節18和第五旋轉關節19中的部分或者全部為無源驅動旋轉關節；或者該外科手術機器人的第一旋轉關節12、第二旋轉關節14、第三旋轉關節16、第四旋轉關節18和第五旋轉關節19中的部分為有源驅動旋轉關節，另一部分為無源驅動旋轉關節。請參考圖5，有源驅動旋轉關節包括上級連杆35、下級連杆31、動力源32、減速裝置36和制動裝置34，所述動力源32、減速裝置36和制動裝34置固定在上級連杆35與下級連杆31之間。其中，動力源32可以是但不局限於電動裝置、氣動裝置或者液動裝置，例如電機、液壓馬達、氣動馬達等。動力源32用來提供旋轉的動力，通過減速裝置36將旋轉運動傳遞給下級連杆31。該有源驅動旋轉關節還包括位置探測裝置33，位置探測裝置33用於測量下級連杆31和上級連杆35之間的轉動角度。制動裝置34可用來在掉電情況或需要鎖緊的情況下來鎖定上級連杆35與下級連杆31之間的相對位置。工作時，可以通過一個控制裝置來控制各個有源驅動旋轉關節的動作，位置探測裝置33檢測到有源驅動旋轉關節旋轉到位後停止動作。此時末端執行器210的位置就定好了。請參考圖6，無源驅動旋轉關節包括上級連杆44、下級連杆41及固定在上級連杆44與下級連杆41之間的制動裝置43。該制動裝置43可以是但不局限於電控制動裝置、液壓制動裝置、氣動制動裝置或者機械鎖緊制動裝置。該無源驅動旋轉關節上還可以設置位置探測裝置42。工作時，操作者首先鬆開制動裝置43，使上級連杆41和下級連杆44可以相對運動。位置測量裝置42測量運動位置是否達到指定值。達到指定值後，操作者鎖緊制動裝置43，將上級連杆41和下級連杆44的相對位置固定。所有旋轉關節都調整好後，末端執行器210的位置就定好了。請參考圖7與圖8，在一個實施例中，該外科手術機器人的末端旋轉關節20固定有一個平移運動單元211，該平移運動單元211為該外科手術機器人的末端添加了一個直線平移運動自由度，此時該外科手術機器人則衍生為七自由度機器人。該平移運動單元211可以在手術定位過程中用來精確調整末端執行器210的高度。該平移運動單元211可以實現在純被動操作模式時，末端執行器210的尖端與工作點212離開一段距離。這樣在該外 科手術機器人調整過程中，末端執行器210不會與病人身體有碰撞，避免造成傷害。當其餘旋轉關節調整完畢後，末端執行器210的方向已經位於指定方向，平移運動單元211的尖端距離工作點212有一定距離，再調節平移運動單元211，將平移運動單元211的尖端移動到工作點，完成定位。該外科手術機器人的第一、第二旋轉關節的旋轉軸線垂直地面，使得該外科手術機器人受重力影響明顯減小，提高機器人可靠性與安全性。另外該外科手術機器人的工作空間為圓柱形，更利於覆蓋病人身體，空間利用率高，同時具有工作空間大，定位精確等特點。該外科手術機器人包括一個移動自由度以及五個旋轉自由度，末端旋轉關節包括第四旋轉關節與第五旋轉關節，第四旋轉關節與第五旋轉關節的旋轉軸線正交，因此該外科手術機器人在第一、第二、第三旋轉關節調整到位後，末端旋轉關節還能靈活轉動，具有較高的靈活性，操作方便。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種外科手術機器人，其特徵在於，包括 支架； 直線運動單元，固定於所述支架上； 第一旋轉關節，固定於所述直線運動單元上； 第一連杆，與所述第一旋轉關節固定連接； 第二旋轉關節，固定於所述第一連杆上； 第二連杆，與所述第二旋轉關節固定連接； 第三旋轉關節，固定於所述第二連杆上； 第三連杆，與所述第三旋轉關節固定連接；及 末端旋轉關節，固定於所述第三連杆上； 所述第一旋轉關節與第二旋轉關節的旋轉軸與直線運動單元的運動方向平行，末端旋轉關節包括第四旋轉關節與第五旋轉關節，所述第四旋轉關節與所述第五旋轉關節的旋轉軸線正交。
2.根據權利要求I所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述直線運動單元採用絲杆傳動或者帶傳動。
3.根據權利要求I所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述直線運動單元、第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節和第五旋轉關節上裝設有位置探測裝置。
4.根據權利要求I所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節和第五旋轉關節中的部分或者全部為有源驅動旋轉關節。
5.根據權利要求4所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述有源驅動旋轉關節包括上級連杆、下級連杆、動力源、減速裝置和制動裝置，所述動力源、減速裝置和制動裝置固定在上級連杆與下級連杆之間。
6.根據權利要求5所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述動力源為電動裝置、氣動裝置或者液動裝置。
7.根據權利要求I所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節和第五旋轉關節中的部分或者全部為無源驅動旋轉關節。
8.根據權利要求7所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述無源驅動旋轉關節包括上級連杆、下級連杆及固定在上級連杆與下級連杆之間的制動裝置。
9.根據權利要求I所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述末端旋轉關節上設置有光學標誌點。
10.根據權利要求I所述的外科手術機器人，其特徵在於，所述末端旋轉關節上固定有一個平移運動單元。
全文摘要
一種外科手術機器人，包括支架、直線運動單元、第一旋轉關節、第一連杆、第二旋轉關節、第二連杆、第三旋轉關節、第三連杆及末端旋轉關節。共包括一個移動自由度以及五個旋轉自由度。其中末端旋轉關節的第四旋轉關節與第五旋轉關節的旋轉軸線正交，使該外科手術機器人在第一、第二、第三旋轉關節調整到位後，末端旋轉關節還能靈活轉動，具有較高的靈活性。並且該外科手術機器第一、第二旋轉關節的旋轉軸線垂直地面，可以減少重力對該外科手術機器人的影響，提高了該外科手術機器人可靠性。
文檔編號A61B19/00GK102764156SQ20111040155
公開日2012年11月7日 申請日期2011年12月6日 優先權日2011年12月6日
發明者張建偉, 張朋, 李峰, 田偉, 胡穎, 靳海洋 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院