一种力平衡器械臂

技术领域

本公开涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种力平衡器械臂。

背景技术

目前，具有不动点的医疗机器人从端器械臂，在其医疗工具导管轴向方向上设置有用于传递运动的连杆组件，为避免运动过程中组件与辅助医疗器械或病人发生干涉，须将组件各连杆长度增大，进而增大了器械臂体积。医疗机器人器械臂可视为悬臂梁结构，当其结构中各连杆长度增大，器械臂运动惯量也会随之增加，各构件运动过程中弹性变形量也会增加，进而医疗工具末端重复定位精度降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种力平衡器械臂，以缓解现有技术中医疗工具末端重复定位精度降低等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种力平衡器械臂，包括：

广义平行四边形机构，一端用于连接医疗器械，所述广义平行四边形机构能够使所述医疗器械在所述广义平行四边形机构所在平面内绕一点转动；

第一臂，一端能够与外部进行连接，另一端与所述广义平行四边形机构的另一端连接，所述第一臂设置有力平衡结构，所述力平衡结构能够将所述广义平行四边形机构从发生转动状态恢复到未发生转动状态。

在本公开实施例中，所述广义平行四边形机构包括：

第二臂，一端与所述第一臂的另一端通过第一轴枢接；

第三臂，一端与所述第二臂的另一端通过第二轴枢接，且所述第一轴与所述第二轴平行设置；

第四臂，一端与所述第三臂的另一端通过第三轴枢接，且所述第二轴与所述第三轴平行设置；

其中，所述第一轴与所述第二轴之间及所述第二轴与所述第三轴之间均设置有同步装置，所述同步装置用于保持所述第一轴、所述第二轴及所述第三轴转动时具有相同的转角，进而使所述第二臂、所述第三臂及所述第四臂形成一个广义平行四边形机构。

在本公开实施例中，所述力平衡结构包括：

弹簧，一端连接于所述第一臂内部的弹簧销上；

钢丝，一端与所述弹簧的另一端连接，所述钢丝的另一端与所述第一轴连接；

所述第一轴旋转能够缠绕所述钢丝，从而拉伸所述弹簧，被拉伸的所述弹簧能够将所述第一轴从发生转动状态恢复到未发生转动状态。

在本公开实施例中，所述第一轴包括：

安装轴，用于为所述第一臂与所述第二臂的转动提供支撑；

回弹丝轮，用于缠绕所述钢丝，所述回弹丝轮与所述第二臂固定连接且套设于所述安装轴上；所述钢丝通过丝扣连接于所述回弹丝轮上设置的槽内。

在本公开实施例中，所述第一臂包括U型结构，所述U型结构能够增大所述广义平行四边形机构的摆动幅度。

在本公开实施例中，所述第一臂还包括连接座，所述连接座一端与所述U型结构连接，所述连接座另一端与外部进行连接。

在本公开实施例中，所述U型结构能够相对于所述连接座旋转，所述U型结构的旋转轴线与所述第一轴的轴线垂直且相交。

在本公开实施例中，所述第二臂与所述第三臂的连接处设置有连接凸台，所述连接凸台能够在所述第一轴的方向上使所述第二臂与所述第三臂分别布置于所述第一臂的两侧。

在本公开实施例中，所述连接凸台设置于所述第二臂或所述第三臂上。

在本公开实施例中，所述第三臂设置有与所述第一臂设置的力平衡结构同样的力平衡结构，所述第三臂设置的力平衡结构用于抵消所述第四臂自身的重力。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种力平衡器械臂至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)可实现器械臂结构具有一个物理不动点，且在该结构下方无其余用于传动的零组件，使得器械臂下方有较大空间用于放置其他医疗工具用于辅助医疗实施，器械臂结构更加紧凑，占用空间更小；

(2)可实现器械臂在受到外力旋转后，并不在对其施加外力情况下，能够通过力平衡结构自动恢复到未旋转的状态；以及

(3)可实现两个绕物理不动点的，U型结构能够增大器械臂的摆动幅度，使实施医疗时更加灵活。

附图说明

图1A为本公开实施例力平衡器械臂应用于辅助微创医疗系统的主手端示意图。

图1B为本公开实施例力平衡器械臂应用于辅助微创医疗系统的从手端示意图。

图2为本公开实施例力平衡器械臂的整体结构的示意图。

图3为本公开实施例力平衡器械臂的医疗器械位置状态的示意图。

图4为本公开实施例力平衡器械臂的第一臂结构的示意图。

图5为本公开实施例力平衡器械臂的第一臂的U型结构旋转的示意图。

图6为本公开实施例力平衡器械臂的广义平行四边形机构位置状态的示意图。

图7为本公开实施例力平衡器械臂的医疗器械绕一点转动的示意图。

图8为本公开实施例力平衡器械臂的几何关系的示意图。

图9为本公开实施例力平衡器械臂的力平衡结构整体的示意图。

图10为本公开实施例力平衡器械臂的力平衡结构分解的示意图。

图11为本公开实施例力平衡器械臂的钢丝与回弹丝轮安装的示意图。

图12为本公开实施例力平衡器械臂的回弹丝轮缠绕钢丝的示意图。

图13为本公开实施例力平衡器械臂的第一臂的力平衡结构拉伸的示意图。

图14为本公开实施例力平衡器械臂的第四臂的力平衡结构初始状态示意图。

图15为本公开实施例力平衡器械臂的第四臂的力平衡结构拉伸状态示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

01 主手端

02 从手端

03 三维图像系统

04 控制系统

011 主操作手

022 器械臂

023 医疗器械

024 内窥镜

201 连接座

202 第一臂

203 第二臂

204 第三臂

205 第四臂

206 器械座

207 弹簧

208 钢丝

209 弹簧销

210 安装轴

211 回弹丝轮

212 丝扣

A 第一轴所在轴线

B 第二轴所在轴线

C 第三轴所在轴线

O 固定点

R1 第一臂旋转

R2 广义平行四边形机构转动

P 医疗器械移动运动

具体实施方式

本公开提供了一种力平衡器械臂，所述力平衡器械臂可实现器械臂结构具有一个物理不动点，且在该结构下方无其余用于传动的零组件，使得器械臂下方有较大空间用于放置其他医疗工具用于辅助医疗实施，器械臂结构更加紧凑，占用空间更小；可实现器械臂在受到外力旋转后，并不在对其施加外力情况下，能够通过力平衡结构自动恢复到未旋转的状态；可实现两个绕物理不动点的，U型结构能够增大器械臂的摆动幅度，使实施医疗时更加灵活，可克服现有的器械臂的主要缺点和不足之处。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种力平衡器械臂，如图1A至图2所示，力平衡器械臂，包括：广义平行四边形机构，一端用于连接医疗器械023，广义平行四边形机构能够使医疗器械023在广义平行四边形机构所在平面内绕一点转动；第一臂202，一端能够与外部进行连接，另一端与广义平行四边形机构的另一端连接，第一臂设置有力平衡结构，力平衡结构能够将广义平行四边形机构从发生转动状态恢复到未发生转动状态。

在本公开实施例中，图1A及图1B所示，机器人辅助微创医疗系统示意图，其包括主手端01、从手端02，主手端01还集成有三维图像系统03和控制系统04。主手端01上设置有主操作手011，主操作手011控制从手端02上设置的器械臂022及医疗器械023。从手端02设置有多个器械臂022，每个器械臂022在医疗时将安装不同功能的医疗器械023，如组织钳、针持、能量工具、超声刀等，以应对不同医疗的术式需要。多个器械臂022中的一个安装有内窥镜024，用于医疗中的图像传输。

在本公开实施例中，在医疗实施过程中，如图1A至图2所示，安装有内窥镜024的器械臂022通过姿态调整，对内窥镜024进行定位和定向。内窥镜024穿过微创切口(戳卡)后进入人体内部，可以采集医疗实施部位三维图像，并将病灶部位三维图像同步传输至主手端01上设置的三维图像系统03，医生通过观看三维图像进行医疗操作，即医生在主手端01处观看三维图像系统03上的病灶部同步图像，同时操作主操作手011，通过调整主操作手011的位姿来控制从手端02上多个器械臂022及医疗器械023的位姿和动作，以完成医疗操作。在上述过程中，医生操纵的主操作手011各关节处设置的编码器能够实时记录关节转动角度数据，可称之为输入参数，数据传输至控制系统04，控制系统04内部的控制器预设置有主操作手011、器械臂022、医疗器械023之间相互映射的运动学数学模型，控制器接收输入参数并计算与不同功能医疗器械023相对应运动学模型的输出参数，并将输出参数传送至从手端02的器械臂022和医疗器械023，实现运动控制。

在本公开实施例中，广义平行四边形机构包括：第二臂，一端与第一臂的另一端通过第一轴枢接；第三臂，一端与第二臂的另一端通过第二轴枢接，且第一轴与第二轴平行设置；第四臂，一端与第三臂的另一端通过第三轴枢接，且第二轴与第三轴平行设置；其中，第一轴与第二轴之间及第二轴与第三轴之间均设置有同步装置，同步装置用于保持第一轴、第二轴及第三轴转动时具有相同的转角，进而使第二臂、第三臂及第四臂形成一个广义平行四边形机构。

在本公开实施例中，如图2所示，器械臂022包括：连接座201、第一臂202、第二臂203、第三臂204、第四臂205、器械座206等。连接座201用于将器械臂022连接于从手端02，其一端固定安装在从手端02上方，另一端与第一臂202转动连接，第一臂202另一端顺次连接有第二臂203、第三臂204、第四臂205。其中第一臂202与第二臂203通过转轴A连接，第二臂203可在第一臂202上绕轴A转动；第二臂203与第三臂204通过转轴B连接，第三臂204可在第二臂203上绕轴B转动；第三臂204与第四臂205通过转轴C连接，第四臂205可在第三臂204上绕轴C转动。轴A、轴B、轴C平行设置。第四臂205前侧设置有滑轨，器械座206安装在滑轨处，器械座206可在滑轨上滑动，进而实现医疗器械023在第四臂205上做移动运动P，如图3所示。医疗器械023做移动运动P过程中，其上设置的外管232经过一点O。器械臂022在空间具有2个运动自由度，分别是绕O点的转动运动R1和绕O点的转动运动R2，R1、R2轴线均通过点O，O点即为器械臂022的远端不动点。

在本公开实施例中，如图4至图5所示，第一臂202具有U型结构，其一端与连接座201转动连接，第一臂202可在连接座201上做绕轴旋转R1的转动。

在本公开实施例中，U型结构能够相对于连接座旋转，U型结构的旋转R1的轴线与第一轴207的轴线垂直且相交。

在本公开实施例中，第一臂202还包括连接座201，连接座一端与U型结构连接，连接座另一端与外部进行连接。

在本公开实施例中，第二臂与第三臂的连接处设置有连接凸台，连接凸台能够在第一轴的方向上使第二臂与第三臂分别布置于第一臂的两侧。

在本公开实施例中，连接凸台设置于第二臂或第三臂上。

如图6和图7并结合图2所示，第二臂203、第三臂204、第四臂205为联动结构，即当第二臂203转动时，第三臂204和第四臂205会同步转动。第二臂203与第三臂204的连接处设置有较长的连接凸台，其目的在于将第二臂203和第三臂204分别布置于第一臂202的两侧，使第一臂202的负载更加均衡。在现有技术中，通常器械臂远端的各转动臂设置在同一侧，这样的布置方式会使第一臂上产生一个沿R1轴的翻转力矩，从而降低器械臂的运动稳定性。由于第一臂202设置为U型结构，所以将第二臂203和第三臂204布置于第一臂202的两侧的结构并不会干涉第二臂203的转动，同时增大其转动范围，医疗器械023绕R2轴转动运动范围可大170°。

如图8结合图2所示，不定点O原理示意。转轴A、转轴B的间距l

如图9和图10结合图2所示，力平衡结构包括弹簧207和用于拉伸弹簧的钢丝208等。弹簧207一端安装在第一臂202内部的弹簧销209上，另一端固定安装有钢丝208，钢丝208另一端缠绕在回弹丝轮211上。回弹丝轮211一端固定安装在第二臂203上，其回转轴与轴A重合设置。第二臂203和回弹丝轮211共同套装在第一臂202上设置的安装轴210上，安装轴210与轴A重合设置。第二臂203与回弹丝轮211可在安装轴210上同步转动。

在本公开实施例中，力平衡结构包括：弹簧，一端连接于第一臂内部的弹簧销上；钢丝，一端与弹簧的另一端连接，钢丝的另一端与第一轴连接；第一轴旋转能够缠绕钢丝，从而拉伸弹簧，被拉伸的弹簧能够将第一轴从发生转动状态恢复到未发生转动状态。

在本公开实施例中，第一轴包括：安装轴，用于为第一臂与第二臂的转动提供支撑；回弹丝轮，用于缠绕钢丝，回弹丝轮与第二臂固定连接且套设于安装轴上；钢丝通过丝扣连接于回弹丝轮上设置的槽内。

如图10至图13所示为钢丝208在回弹丝轮211上安装方式示例。钢丝208一端固定安装有丝扣212，丝扣212卡在回弹丝轮211上设置的槽内。钢丝208的安装方式不限于单一形式。对照图12，当第二臂203带动回弹丝轮211沿箭头方向转动时，钢丝208缠绕在回弹丝轮211上，拉动弹簧207伸长，弹簧207伸长后拉力线性增加，可抵消第二臂203的自身重力，进而提高器械臂的运动灵活性，如图13所示。

在本公开实施例中，第三臂设置有与第一臂设置的力平衡结构同样的力平衡结构，第三臂设置的力平衡结构用于抵消第四臂自身的重力。

如图14至图15所示，在第三臂204内部安装有形同结构的力平衡结构，用于抵消第四臂205的自身重力。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开力平衡器械臂有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种力平衡器械臂，该力平衡器械臂可实现器械臂结构具有一个物理不动点，且在该结构下方无其余用于传动的零组件，使得器械臂下方有较大空间用于放置其他医疗工具用于辅助医疗实施，器械臂结构更加紧凑，占用空间更小；可实现器械臂在受到外力旋转后，并不在对其施加外力情况下，能够通过力平衡结构自动恢复到未旋转的状态；可实现两个绕物理不动点的，U型结构能够增大器械臂的摆动幅度，使实施医疗时更加灵活。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。