一种机械臂构型、机械臂及手术机器人

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种机械臂构型、机械臂及手术机器人。

背景技术

目前市面上的越来越多的手术机器人领域的产品，其中包括：神经外科手术机器人、口腔手术机器人、脊柱手术机器人等，这些手术机器人其目的之一要达到更加精准、微创的目的，例如：神经外科手术机器人所用机械臂均为通用机械臂，通用机械臂适用性广，广泛应用在工业领域，虽然能满足各类型手术的基本要求，但是在神经外科手术所需要的精准性、力控性能、安全性等方面有缺陷的，尤其在内镜手术中需要的高精准、高水平力控性能是欠缺的。

现有技术的不足之处包括：安全性不足，安全隐患大，精度低。

安全性不足：传统机械臂构型的第二、第三关节轴为水平方向，机械臂主体的重量需要由第二、第三关节的电机承担，当系统异常掉电时(例如总线异常)，抱闸和电机同时失电，由于电机断开的时间点和抱闸抱死的时间点之间有时间差，因此机械臂末端会有明显的下沉现象，对精度要求比较高的应用场景(比如手术机器人辅助医生对患者进行手术)是容易造成损伤或其他不利后果。

精度：导航定位类手术机器人需要较高的位置精度。多个转动关节带动连杆会产生误差放大的效应，对于机械臂末端来说，距离越远的关节产生的误差越大。

综上所述，本发明将解决由于机械臂构型不实用而导致的机械臂安全性不足、精度低的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供一种机械臂构型、机械臂及手术机器人，以至少解决由于机械臂构型不实用而导致的机械臂安全性不足、精度低的技术问题，本技术方案能够显著提高安全性和提高精度。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种机械臂构型，该机械臂构型包括：依次连接的第一移动关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节、第六旋转关节，所述第一移动关节运动方向与重力方向平行，所述第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节轴线方向与第一移动关节运动方向平行，所述第五旋转关节轴线与第四旋转关节轴线方向垂直，所述第六旋转关节轴线方向与第五旋转关节轴线方向垂直；

所述第一移动关节与第二旋转关节之间通过第一连杆连接；所述第二旋转关节与第三旋转关节之间通过第二连杆连接；所述第三旋转关节与第四旋转关节之间通过第三连杆连接；

所述第一移动关节带动所述第一连杆沿竖直方向移动，竖直方向指的为与重力方向平行的方向，第一连杆的一端与第一移动关节连接；

所述第二旋转关节带动所述第二连杆绕竖直方向轴转动(即在水平面转动)，第二旋转关节的一端与第二连杆连接，另一端与第一连杆的端部连接；

所述第三旋转关节带动所述第三连杆绕竖直方向轴转动(即在水平面转动)，第三旋转关节一端安装在第二连杆上，另外一端与第三连杆连接。

这样的机械臂构型能够起到将重力集中在第一移动关节上，减少误差。另外可以最大可能的增大机械臂臂长，能够适应更多的手术场景，比如神经外科内镜手术。并且第一移动关节运动方向为竖直方向，与普通的机械臂第一关节为旋转方向相比，具有提高精度，减少误差的作用。

优选地，所述第二连杆与所述第三连杆平行且不相交。使得机械臂运动范围更大，操作者有更大的空间施展手术。

优选地，所述第二连杆长度L2与第三连杆长度L3不相等，这么做的作用为减少奇异位的发生。

优选地，所述第四旋转关节与第五旋转关节之间通过第四连杆连接；所述第五旋转关节与第六旋转关节之间通过第五连杆连接；所述第六旋转关节一端与第六连杆连接；

所述第三连杆长度L3大于等于第四连杆长度L4；

所述第四旋转关节带动第四连杆绕竖直方向轴转动(即在水平面转动)；

所述第五旋转关节带动第五连杆绕水平方向轴旋转运动；

第四连杆与第五连杆相互垂直，第五连杆与第六连杆相互垂直。

优选地，所述第四连杆长度L4大于等于第五连杆长度L5。

优选地，所述第六旋转关节通过第六连杆与末端执行组件连接。

优选地，所述第一移动关节为上下移动的滑台模组，所述第一连杆连接在所述滑台模组上。

优选地，所述第一移动关节包括：旋转电机、导轨、丝杠和滑台，所述丝杠安装在导轨内，滑台安装在丝杠上，第一连杆固定在滑台上，旋转电机的驱动轴通过同步带或齿轮啮合的结构方式驱动丝杠转动，从而带动滑台沿竖直方向移动并带动第一连杆沿着竖直方向移动。

优选地，该机械臂构型还包括基座，所述第一移动关节固定在基座上。

优选地，所述第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节、第六旋转关节均包括：驱动电机(可以采用永磁同步电机或伺服电机或直流无刷电机、直流有刷电机)、编码器、减速器、力矩传感器和抱闸组件，驱动电机、编码器、减速器、力矩传感器和抱闸组件集成驱动单元。

根据本申请的另一个方面，提供一种机械臂，所述机械臂采用上述机械臂构型制成的机械臂。

根据本申请的另一个方面，提供一种手术机器人，将上述机械臂构型制成的机械臂安装在手术机器人上。

优选地，该手术机器人还包括：光学跟踪定位装置，光学跟踪定位装置包括：光学相机和支架，光学相机固定安装在支架上。

优选地，所述手术机器人上还安装有显示器和控制器，显示器与控制器电连接，控制器与机械臂电连接，控制器控制机械臂运动。

光学跟踪定位装置还设有配套的光学导航控制器，光学导航控制器与光学相机连接，光学导航控制器将光学相机采集的信号传输给控制器，并通过控制器在显示器中进行图像显示。

优选地，该手术机器人还包括保护壳，所述保护壳底部安装有移动万向轮，基座固定在保护壳内部，当然最优的保护壳内部还设有安装固定架，基座通过螺栓的方式固定在安装固定架上。

第一移动关节中，所述丝杠可以采用滚珠丝杠。

第一移动关节采用丝杠传动的方式，丝杠传动本身具有自锁特性，滚珠丝杠虽然不能完全自锁，但由于摩擦力的存在，具有类似自锁的特性，向滑块施加同等的重力，其加速度远远小于自由落体。因此异常掉电的情况发生时，第一连杆只会掉落极微小的距离，第二、第三、第四旋转关节旋转轴线由于是竖直方向布置，重力矩由第一移动关节的机械结构来承担，因此不存在下沉的情况。第五、第六旋转关节离负载较近，产生的重力矩较小，由于电机系统本身摩擦力的存在，因此没有下沉或者下降非常轻微，从而提高了精度，并对采用该机械臂的设备(比如手术机器人)提高了安全性。

提高精度。导航定位类手术机器人需要较高的位置精度。转动关节带动连杆会产生误差放大的效应，对于机械臂末端来说，距离越远的关节产生的误差越大。因此对于传统构型来说，一关节、二关节是误差的主要贡献源。本机械臂构型设计中，距离末端最远的一关节是第一移动关节，第一移动关节不会产生误差放大效应，误差会等值传递到末端，因此提高了精度。

通过本申请，解决了由于机械臂构型不实用而导致的机械臂安全性不足、精度低的技术问题，本技术方案能够显著提高安全性和提高精度，能够起到提高安全性和提高精度的技术效果，同时还能够减少奇异位的情况。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例一种机械臂构型结构示意图；

图2是根据本申请实施例一种采用机械臂构型制成的机械臂安装在手术机器人上的结构示意图；

图3是根据本申请实施例一种采用机械臂构型(无第四连杆、第五连杆)的机械臂安装在手术机器人台车上的结构示意图；

图4是根据本申请实施例一种手术机器人整体结构示意图；

其中，图中标号所示表示：1、第一移动关节；10、基座；11、第一连杆；12、旋转电机；13、导轨；14、丝杠；15、滑台；2、第二旋转关节；21、第二连杆；3、第三旋转关节；31、第三连杆；4、第四旋转关节；41、第四连杆；5、第五旋转关节；51、第五连杆；6、第六旋转关节；61、第六连杆；7、末端执行组件；101、光学跟踪定位装置；1011、光学相机；1012、支架；8、保护壳；81、显示器；82、控制器；9、移动万向轮。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含。在本申请中，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的组成部分必须具有特定方位。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1-2所示，本实施例涉及一种机械臂构型、机械臂及手术机器人，该机械臂构型包括：依次连接的第一移动关节1、第二旋转关节2、第三旋转关节3、第四旋转关节4、第五旋转关节5、第六旋转关节6，第一移动关节运动方向与重力方向平行，第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节轴线方向与第一移动关节运动方向平行(即旋转方向为水平面进行旋转)，第五旋转关节轴线与第四旋转关节轴线方向垂直，第六旋转关节轴线方向与第五旋转关节轴线方向垂直；

如图1-2所示，第一移动关节与第二旋转关节之间通过第一连杆11连接；第二旋转关节与第三旋转关节之间通过第二连杆21连接；第三旋转关节与第四旋转关节之间通过第三连杆31连接；

如图1-2所示，第一移动关节带动第一连杆沿竖直方向移动，竖直方向指的为与重力方向平行的方向，第一连杆的一端与第一移动关节连接；

如图1-2所示，第二旋转关节带动第二连杆沿水平方向转动，第二旋转关节的一端与第二连杆连接，另一端与第一连杆的端部连接；

如图1-2所示，第三旋转关节带动第三连杆绕竖直方向轴转动，第三旋转关节一端安装在第二连杆上，另外一端与第三连杆连接。

这样的机械臂构型能够起到将重力集中在第一移动关节上，减少误差。另外可以最大可能的增大机械臂臂长，能够适应更多的手术场景，比如神经外科内镜手术。并且第一移动关节运动方向为竖直方向，与普通的机械臂第一关节为旋转方向相比，具有提高精度，减少误差的作用。

如图1-2所示，第二连杆与第三连杆平行且不相交。使得机械臂运动范围更大，操作者有更大的空间施展手术。

如图1-2所示，第二连杆长度L2与第三连杆长度L3不相等，这么做的作用为减少奇异位的发生。本实施例采用第二连杆长度L2大于第三连杆长度L3，且L2：L3＝9:8，这样的方式可以使得L3沿水平方向绕360°。最优的，L2>L3，L2是L3的1.1～1.5倍。

如图1-2所示，第四旋转关节与第五旋转关节之间通过第四连杆41连接；第五旋转关节与第六旋转关节之间通过第五连杆51连接；第六旋转关节一端与第六连杆61连接；

第三连杆长度L3大于第四连杆长度L4；

第四旋转关节带动第四连杆绕竖直方向轴转动；

第五旋转关节带动第五连杆绕水平方向轴旋转运动；

第四连杆与第五连杆相互垂直，第五连杆与第六连杆相互垂直。

第四连杆长度L4大于等于第五连杆长度L5。图1中第五连杆长度L5小于第六连杆的长度L6。这只是其中一种实施例，当然也可以设计为第五连杆长度L5大于第六连杆长度L6。最优的，可以设计另外一种方式，即第五连杆长度L5是第六连杆长度L6的1.1～1.5倍。

如图1-2所示，第六旋转关节通过第六连杆与末端执行组件7连接。末端执行组件即根据使用场景，通过法兰连接的方式进行连接后，实行场景的操作。比如神经外科内镜手术中，采用适配器与手术探针连接的方式作为末端执行组件。

如图1-2所示，第一移动关节为上下移动的滑台模组，第一连杆连接在滑台模组上。

如图1-2所示，第一移动关节包括：旋转电机12、导轨13、丝杠14和滑台15，丝杠安装在导轨内，滑台安装在丝杠上，第一连杆固定在滑台上，旋转电机的驱动轴通过同步带驱动丝杠转动，从而带动滑台沿竖直方向移动并带动第一连杆沿着竖直方向移动。

旋转电机的驱动轴也可以采用齿轮啮合的结构方式驱动丝杆转动，从而带动滑台沿竖直方向移动并带动第一连杆沿着竖直方向移动。齿轮啮合的方式更加精准一些，同时耐久性更好。齿轮啮合的方式可以作为另外一种实施方式，此处图中未进行显示。

如图1-2所示，该机械臂构型还包括基座10，第一移动关节安装固定在基座上。

第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节、第六旋转关节均包括：驱动电机(可以采用永磁同步电机或伺服电机)、编码器、减速器、力矩传感器和抱闸组件，驱动电机、编码器、减速器、力矩传感器和抱闸组件集成驱动单元，集成驱动单元外部还安装有外壳，用于保护内部结构，集成驱动单元还可以包括散热器用于对驱动电机等部件进行散热。

如图1-2所示，本实施例还提供了一种机械臂，机械臂采用上述机械臂构型制成的机械臂。

本实施例还提供了一种手术机器人，将上述机械臂构型制成的机械臂安装在手术机器人上。

如图1、图2、和4所示，该手术机器人还包括：光学跟踪定位装置101，光学跟踪定位装置包括：光学相机1011和支架1012，光学相机固定安装在支架上。

如图1、图2、和4所示，手术机器人上还安装有显示器81和控制器82，显示器与控制器电连接，控制器与机械臂电连接，控制器控制机械臂运动。

光学跟踪定位装置还设有配套的光学导航控制器(图中未标识)，光学导航控制器与光学相机连接，光学导航控制器将光学相机采集的信号传输给控制器，并通过控制器在显示器中进行图像显示。

如图1、图2、和4所示，该手术机器人还包括保护壳8，保护壳底部安装有移动万向轮9，基座固定在保护壳内部，当然最优的保护壳内部还设有安装固定架，基座通过螺栓的方式固定在安装固定架上。

如图1、图2、和4所示，第一移动关节中，丝杠可以采用滚珠丝杠。

第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节均采用竖直方向布置。

第一移动关节采用丝杠传动的方式，丝杠传动本身具有自锁特性，滚珠丝杠虽然不能完全自锁，但由于摩擦力的存在，具有类似自锁的特性，向滑块施加同等的重力，其加速度远远小于自由落体。因此异常掉电的情况发生时，第一连杆只会掉落极微小的距离，第二、第三、第四旋转关节由于是竖直方向布置，重力矩由第一移动关节的机械结构来承担，因此不存在下沉的情况。第五、第六旋转关节离负载较近，产生的重力矩较小，由于电机系统本身摩擦力的存在，因此没有下沉或者下降非常轻微，从而提高了精度，并对采用该机械臂的设备(比如手术机器人)提高了安全性。

本实施例还具有其他的优势，比如奇异位情况更少，减少奇异位情况的发生。

本构型在计算运动学逆解时的奇异位要少于通用机械臂构型。对于具有六自由度且只由旋转或平移关节组成的开放式机械臂，总结出来机械臂在哪些情形下是奇异位，结合本发明的构型(如图1所示，设定图1为零位)有如下分析

情形1：两旋转轴共线

由图1中可以看出只要机械臂的结构设计使第三连杆的长度L3≠第二连杆的长度L2就不会出现此情形。

情形2：三个旋转轴共面且平行

共有三种情况满足该情形：

(1)当第三旋转关节处于零位时，第二旋转关节、第三旋转关节和第四旋转关节一定会共面且平行，此时会是奇异点。本条可以通过机械臂摆位更贴近手术任务空间规避掉机器臂第三旋转关节处于零点的情况。

(2)当第四旋转关节，第五旋转关节处于零位时，第三旋转关节，第四旋转关节，第六旋转关节一定会共面且平行，此时会是奇异点。

(3)当第三旋转关节不处于零位，第五旋转关节处于零位或180度，且第四旋转关节处于某个角度正好使第二旋转关节，第四旋转关节，第六旋转关节共面且平行，此时会是奇异点。

(2)条和(3)条可以通过提前调整第一移动关节的行程，避免第五旋转关节处于零位或180度的情形。

情形3：四个旋转轴交于一点

由于本构型只有五个旋转轴，且其中三个旋转轴永远平行，所以该情形永远不会出现。

情形4：四个旋转轴共面

当第三旋转关节，第四旋转关节处于零位时，第二、三、四、五旋转关节一定共面，此时会是奇异点。本条可以通过机械臂摆位更贴近手术任务空间规避掉机器臂第三旋转关节、第四旋转关节处于零点的情况。

情形5：六个旋转轴交于一点

由于本构型只有五个旋转轴，所以该情形永远不会出现。

本构型的腕关节(第四、第五、第六旋转关节)根据神外、口腔、脊柱等手术机器人工作空间姿态分布特点设计，能够最大程度规避腕关节奇异位。

本实施例的机械臂构型、机械臂和手术机器人具有显著提高精度的好处。导航定位类手术机器人需要较高的位置精度，转动关节带动连杆会产生误差放大的效应，对于机械臂末端来说，距离越远的关节产生的误差越大。因此对于传统构型来说，第一关节、第二关节是误差的主要贡献源。本机械臂构型设计中，距离末端最远的一关节是第一移动关节，第一移动关节不会产生误差放大效应，误差会等值传递到末端，因此提高了精度。

通过本实施例，解决了由于机械臂构型不实用而导致的机械臂安全性不足、精度低的技术问题，本技术方案能够显著提高安全性和提高精度，能够起到提高安全性和提高精度的技术效果，同时也能够减少奇异位的情况。

本实施例中的机械臂构型的腕关节(第四旋转关节、第五旋转关节、第六旋转关节)根据神外、口腔、脊柱等手术机器人工作空间姿态分布特点设计，能够适应神外、口腔、脊柱等手术机器人适用场景。

需要说明的是，考虑到工程实现上的误差，平行、垂直的工程实现应在±2°内等同视为与本技术方案等同。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。