手术机器人及其机械臂制造技术

本发明专利技术提供了一种手术机器人及其机械臂；机械臂包括水平移动关节、第一旋转关节、连接臂和竖直移动关节；第一旋转关节包括第一转轴和套设于第一转轴上的第一外筒，第一外筒可绕第一转轴转动；连接臂分别连接第一外筒和竖直移动关节；竖直移动关节包括连接器，并用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；水平移动关节连接第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。本发明专利技术通过一个水平移动关节可实现机械臂的水平运动，并通过一个竖直移动关节可实现机械臂的竖直运动，由于关节数量少，结构关系简化，故缩小了机械臂的外形尺寸，降低了机械臂的整体质量，而且运动控制的精度高，且不会产生额外的运动位移，操作更为简便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医疗器械
，特别涉及一种用于微创伤手术用的机械臂。
技术介绍
微创伤手术是一种利用微小通道进行手术治疗的介入方法，其采用相应的微创伤手术器械，可达到与传统手术一样或更佳的疗效。与传统手术相比，微创伤手术具有创伤小、出血少、恢复快等特点，已成为当代医疗技术发展的一个重要方向。作为微创伤手术的一个部分，利用微创伤手术机器人进行的手术，相较于一般的微创伤手术而言，医生的手术压力小、手术操作更精准、且手术操作也更为灵活。因此，微创伤手术机器人的发展也越加迅猛。微创伤手术机器人不同于传统的工业机器人，其对运动精度、运动空间、运动方式都具有较高的要求。微创伤手术机器人的主要实现方式为：术前定位和术中控制。术前定位是指手术开始前，对手术机器人和患者之间的位置做调整；术中控制是指手术过程中的实时操作及控制。任何手术机器人在进行手术之前都需要通过机械臂对手术器械进行位置的调整，调整的效果会直接影响到手术是否可顺利进行。然而，目前的微创伤手术机器人的机械臂仍存在着一定的缺陷。具体地说，现有的机械臂往往结构复杂，外形尺寸庞大，操作便捷性差，此主要表现在以下两个方面：(1)现有机械臂采用的水平运动多采用多旋转关节的方式来实现，即以多个相互叠加的旋转关节来代替水平移动关节实现水平方向的运动，并以多个旋转关节和一个竖直移动关节实现机械臂的空间运动。这样的设置，一方面扩大了机械臂的外形尺寸，增加了机械臂的质量，继而造成医疗手术机器人整体质量的增加，此不符合医疗手术机器人简洁化、轻量化的需求；另一方面叠加的旋转关节增加了结构的复杂度，同时也降低了运动控制的精度，而且由于旋转关节运动过程中会产生额外方向的位移，造成过多不必要的运动调整，操作繁琐。(2)工业机械臂的各个关节驱动大多采用电机驱动，这样方便控制与操作，但是在医疗机器人行业，机械臂的各个关节较少采用电机作为驱动，因为在手术过程中，机械臂通常需要处于“锁死”状态，而电机会存在一定的故障风险。因而，医疗手术机器人上机械臂多采用人工施力操作，以确保机械臂的可靠性。然而，人工施力最大的问题在于竖直移动机械臂时，需要克服机械臂前端所悬挂的其他结构的重力。目前的做法是将竖直移动关节置于机械臂的后端，并采用重物去平衡重力，但是这样会较大增加手术机器人的质量，同时竖直调整的精度也难以得到保证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种手术机器人及其机械臂，以克服现有技术中存在的机械臂结构复杂、外形尺寸庞大、操作便捷性差等中的一个或者多个问题。为实现上述目的以及其它相关目的，本专利技术提供了一种机械臂，包括：竖直移动关节，包括连接器，所述竖直移动关节用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；第一旋转关节，包括第一转轴以及套设于所述第一转轴上的第一外筒，所述第一外筒可绕所述第一转轴转动；连接臂，分别连接所述第一外筒和竖直移动关节；以及水平移动关节，连接所述第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。优选地，所述机械臂还包括第二旋转关节；所述第二旋转关节，包括第二转轴以及套设于所述第二转轴上的第二外筒，所述第二外筒和第二转轴可相对转动；所述连接臂分别连接所述第一外筒和第二外筒；所述竖直移动关节连接所述第二转轴；所述第二转轴平行于第一转轴。优选地，所述机械臂还包括设置于所述连接臂的重力平衡机构，所述重力平衡机构连接所述竖直移动关节，用以配平所述外部构件和连接器的重量。优选地，所述连接臂具有内腔，所述重力平衡机构置于所述内腔中。优选地，所述重力平衡机构包括恒力弹簧、弹簧接头、转向机构和柔性结构；所述恒力弹簧的一端连接所述连接臂，所述恒力弹簧的另一端连接所述弹簧接头的一端，所述弹簧接头的另一端连接所述柔性结构的一端，所述转向机构分布在所述连接臂的内腔和/或竖直移动关节上，用以改变所述柔性结构的延伸方向；所述柔性结构延伸经过所述转向机构的转向后另一端与所述竖直移动机构的连接器的上端连接。优选地，所述重力平衡机构还包括水平放置的滑动槽，所述弹簧接头设置于所述滑动槽中，以限定所述弹簧接头的运动方向。优选地，所述重力平衡机构还包括一个比例轮，所述比例轮包括同轴安装且同步转动的内轮和外轮；所述柔性结构包括第一柔性结构和第二柔性结构；所述第一柔性结构包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本体、以及与所述第一本体连接的第二端部，所述第一端部连接所述弹簧接头的另一端，所述第二端部与所述内轮连接；所述第二柔性结构包括第一延伸部、第二本体以及第二延伸部，所述第二本体包括第三端部和第四端部，所述第二本体围绕所述外轮的外围并至少部分与所述外轮的外围固连，所述第二本体的第三端部围绕所述外轮的方向与第一柔性体围绕所述内轮的方向相反，所述第一延伸部与第二本体的第三端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的上端连接，所述第二延伸部与第二本体的第四端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的下端连接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器移动时，所述第一延伸部和第二延伸部的位移变化量相等。优选地，除所述连接器，所述竖直移动关节还包括底座、固设于所述底座上的竖直导轨；所述底座之背面与所述第二旋转关节之连接转轴连接，所述竖直导轨沿竖直方向固设于所述底座之正面上，所述连接器滑动设置于所述竖直导轨上。优选地，所述底座之背面具有与所述第二外筒的外周面相配合的表面。优选地，所述底座之背面上设置有一凹槽，所述竖直移动关节通过所述凹槽与所述第二转轴连接。优选地，所述底座为一套筒结构，所述竖直导轨设置于所述底座中。优选地，所述机械臂还包括至少一个制动器；所述制动器设置于所述第一外筒和/或第二外筒内，并围绕所述第一转轴和/或第二转轴，用以将所述第一外筒和/或第二外筒锁接在对应的转轴上而静止。优选地，所述水平移动关节包括N个上下堆叠的水平移动模块，N为大于或等于2的自然数；其中：第一个水平移动模块与外部固定架连接，其余水平移动模块用以沿水平方向运动；所述第一转轴与第N个水平移动模块连接；所述第一个水平移动模块位于底层，所述第N个水平移动模块位于顶层；并且：其中，第m个水平移动模块滑动连接第m-1个水平移动模块，以使第m个水平移动模块可在第m-1个水平移动模块上滑动，m为2至N中的所有自然数。优选地，每个水平移动模块均包括一底块，而且，第m-1个水平移动模块还包括固设于其底块上的水平导轨、以及滑动设置于所述水平导轨上的滑块，第m-1个水平移动模块之滑块与第m个水平移动模块之底块连接。优选地，所述水平移动模块的数量为三个，分别是第一水平移动模块、第二水平移动模块和第三水平移动模块；所述第一水平移动模块固设于手术机器人的基座上，并包括第一底块、固设于所述第一底块上的第一水平导轨、以及滑动设置于所述第一水平导轨上的第一滑块；所述第二水平移动模块包括固设于所述第一滑块上的第二底块、固设于所述第二底块上的第二水平导轨、以及滑动设置于所述第二水平导轨上的第二滑块；所述第三水平移动模块包括固设于所述第二滑块上的第三底块，所述第一转轴连接所述第三底块。优选地，所述机械臂还包括设置于所述第N个水平移动模块上的制动器，并还包括第三柔性结构；所述第三柔性结构包括第三延伸部、第三本体以及第四本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械臂，其特征在于，包括：竖直移动关节，包括连接器，所述竖直移动关节用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；第一旋转关节，包括第一转轴以及套设于所述第一转轴上的第一外筒，所述第一外筒可绕所述第一转轴转动；连接臂，分别连接所述第一外筒和竖直移动关节；以及水平移动关节，连接所述第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。

【技术特征摘要】
1.一种机械臂，其特征在于，包括：竖直移动关节，包括连接器，所述竖直移动关节用以驱动与连接器连接的外部构件沿竖直方向运动；第一旋转关节，包括第一转轴以及套设于所述第一转轴上的第一外筒，所述第一外筒可绕所述第一转轴转动；连接臂，分别连接所述第一外筒和竖直移动关节；以及水平移动关节，连接所述第一转轴，并用以驱动第一旋转关节沿水平方向运动。2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括第二旋转关节；所述第二旋转关节，包括第二转轴以及套设于所述第二转轴上的第二外筒，所述第二外筒和第二转轴可相对转动；所述连接臂分别连接所述第一外筒和第二外筒；所述竖直移动关节连接所述第二转轴；所述第二转轴平行于第一转轴。3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括设置于所述连接臂的重力平衡机构；所述重力平衡机构连接所述竖直移动关节，用以配平所述外部构件和连接器的重量。4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述连接臂具有内腔，所述重力平衡机构设置于所述内腔中。5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述重力平衡机构包括恒力弹簧、弹簧接头、转向机构和柔性结构；所述恒力弹簧的一端连接所述连接臂，所述恒力弹簧的另一端连接所述弹簧接头的一端，所述弹簧接头的另一端连接所述柔性结构的一端，所述转向机构分布在所述连接臂的内腔和/或竖直移动关节上，用以改变所述柔性结构的延伸方向；所述柔性结构延伸经过所述转向机构的转向后另一端与所述竖直移动关节的连接器的上端连接。6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述重力平衡机构还包括水平放置的滑动槽，所述弹簧接头设置于所述滑动槽中，以限定所述弹簧接头的运动方向。7.根据权利要求6所述的机械臂，所述重力平衡机构还包括一比例轮，所述比例轮包括同轴安装且同步转动的内轮和外轮；所述柔性结构包括第一柔性结构和第二柔性结构；所述第一柔性结构包括第一端部、自所述第一端部延伸的第一本体、以及与所述第一本体连接的第二端部；所述第一端部连接所述弹簧接头的另一端，所述第二端部与所述内轮连接；所述第二柔性结构包括第一延伸部、第二本体以及第二延伸部，所述第二本体包括第三端部和第四端部，所述第二本体围绕所述外轮的外围并至少部分与所述外轮的外围固连，所述第二本体的第三端部围绕所述外轮的方向与第一柔性体围绕所述内轮的方向相反，所述第一延伸部与第二本体的第三端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的上端连接，所述第二延伸部与第二本体的第四端部连接后，经过所述转向机构的转向，然后与所述竖直移动关节的连接器的下端连接，且所述第一延伸部和第二延伸部被配置为当连接器移动时，所述第一延伸部和第二延伸部的位移变化量相等。8.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，除所述连接器，所述竖直移动关节还包括底座以及固设于所述底座上的竖直导轨；所述底座之背面与所述第二旋转关...

【专利技术属性】
技术研发人员：何超，李涛，袁帅，王常春，杨捷，
申请(专利权)人：微创上海医疗机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31