一种辅助微创外科手术机器人机械臂的制作方法

本发明涉及一种微创外科手术领域内的医疗设备，它可以夹持手术工具辅助医生实施微创手术操作，尤其涉及一种适合于胸腔和腹腔的微创手术操作的辅助微创外科手术的机器人机械臂。

背景技术：

以腹腔镜手术为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；为此微创外科被广泛的应用于临床手术。微创手术能够为病人带来诸多利益，但对医生的操作增加了一系列难度，如：1)由于体表插入孔的限制，工具的自由度减少至四个，灵活性大大降低；2)器械操作方向与医生的直觉方向相反，协调性差；3)医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大；4)术野为二维平面成像，缺乏深度上的感觉；5)缺乏力感觉。因此，医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操作，即便如此，目前微创手术也仅仅应用在操作相对比较简单的手术过程之中。因此，在微创外科手术领域中迫切需要一种机器人系统来辅助医生能够克服上述缺陷，更容易的完成微创手术操作。目前，能够在临床上使用的微创外科手术机器人系统只有Da Vinci系列和Zeus系统，但它们都有体积庞大、价格昂贵等方面的缺点。小型化和低成本微创手术机器人系统是未来发展趋势。本发明提供了一种传动精准、可靠性高、运动范围大、系统刚度大、使用寿命长的外形简洁、小型化、轻量化的辅助微创外科手术机器人机械臂。

目前，机器人用于夹持手术工具的主动机械臂部分实现微创手术操作要求的方式主要有三种：1)控制关节联动实现，该方式通过对传统的工业机器人进行相关改进后，安装手术工具进行微创手术操作，可以缩短机器人的开发周期。然而，这种方式的安全性较差，目前只运用在实验室中验证某些原理的可行性。2)添加被动关节，这种方式的优点是细长的手术工具可以自动适应切入点的位置变化，被认为是最安全的一种方式。然而，手术过程中体表切口周围的组织会受到手术工具传递的作用力，控制精度也较差。3)机构本身的约束，这种方式是通过开发一些能够夹持手术工具绕体表切口运动的特殊机器人机构实现的，常用的主要有弧形导轨和双平行四边形机构。采用弧形导轨的方法开发的机器人系统有占用体积大，运动耦合等方面的缺陷；双平行四边形机构具有结构精简、体积小、重量轻等方面的优点，是目前应用最为广泛的一种方式，然而它对系统的加工和装配都提出了很高的要求，由于平行四边形的各连杆在长度方向上的精度难以保证，因此极大的影响了机器人的运动精度和刚度。

目前应用于微创外科手术的机械臂动力传递结构主要是丝传动，由于钢丝绳的弹性，使钢丝绳在牵引力作用下易拉伸，使用一段时间后丝传动摩擦力减小或失效，失去传动的功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种传动精准、可靠性高、运动范围大、系统刚度大、使用寿命长的外形简洁、小型化、轻量化的辅助微创外科手术机器人机械臂，它能够夹持手术工具辅助医生实施微创手术操作，该系统能够满足手术工具在手术过程中始终绕体表插入孔运动的要求。

本发明提供了一种传动精准、可靠性高、运动范围大、系统刚度大、使用寿命长的外形简洁、小型化、轻量化的辅助微创外科手术机器人机械臂，具体方案如下：

一种辅助微创外科手术机器人机械臂，包括依次连接的臂I、臂II、臂III；在臂I的自由端设有两个驱动电机I、II，在臂III的自由端连接一个用于连接手术工具的连接座VIII，所述的臂I和臂III的轴线平行，臂II和通过连接座VIII的轴线且与臂II的轴线平行的直线平行，四者构成了“平行四边形”结构；臂I在驱动电机I的驱动下带动“平行四边形”结构摆动；臂I在驱动电机II的驱动下带动整个机械臂以“平行四边形”中与臂I、连接座VIII交叉点相对的点为中心，绕臂I的轴线做摆动运动。

进一步的，所述的臂I包括连杆II、轴II,所述的连杆II固定在连接座I上，轴II一端由电机I驱动其旋转，另一端通过一对齿轮驱动与其相垂直的轴III旋转；在轴III的顶部安装有连接座IV，底部安装连接座III,所述的连接座IV在轴III的驱动下相对于连接座III旋转；所述的连杆II在驱动电机II的驱动下旋转，且连杆II与连接座III固定连接。

进一步的，所述的臂II包括连杆III和轴IV，所述的轴III通过一对齿轮驱动轴IV旋转，轴IV的末端又通过一对齿轮驱动与其相垂直的轴V旋转，在轴V的顶部安装有连接座V，底部安装连接座VI,所述的连接座VI在轴V的驱动下相对于连接座V旋转；所述的连杆III一端与连接座IV固定连接；另一端与连接座V固定连接。

进一步的，所述的臂III包括连杆IV和轴VI,所述的轴V通过一对齿轮驱动轴VI旋转，轴VI的末端又通过一对齿轮驱动与其相垂直的轴VII旋转；在轴VII的顶部安装有连接座VIII，底部安装连接座VII,所述的连接座VIII在轴VII的驱动下相对于连接座VII旋转；所述的连杆IV一端与连接座VI固定连接；另一端与连接座VII固定连接。

进一步的，所述的连接座VIII连接一个快接接头，在所述的快接接头上安装手术工具。

进一步的，所述的电机II通过一对齿轮驱动连杆II旋转；在驱动电机II输出端的齿轮端部固定一个失电制动器I，防止断电情况下，机械臂以固定点O点为中心，绕所述的连杆II的轴线做摆动运动。

进一步的，所述的机械臂还包括一个失电制动器II，其固定在所述的轴VII上与所述的连接座VII上，防止断电情况下机械臂以固定点O点为中心，在所述的连杆II的轴线与所述的连杆III的轴线的平行线、所述的连杆IV的轴线的平行线及所述的连接座VIII的轴线的平行线构成的平面内做“平行四边形”摆动运动。

进一步的，所述的连杆II、连杆III、连杆IV的长度关系应该满足：使连杆III旋转到与连杆II轴线平行的角度时，连接座V和连接座VI均不与连接座I发生干涉；连杆IV旋转到与连杆III“轴线平行”的角度时，连接座VII和连接座VIII均不与连接座III及连接座IV干涉。

进一步的，所述的连杆III与连杆IV能摆动到连杆II的两侧，使连杆IV旋转到连杆II的轴线的平行线与连杆IV轴线的“交点”位于“轴VI与轴V的“交点”及轴VI与轴VII“交点”之间的“线段”上的位置而机械臂自身结构不发生“干涉”。

进一步的，所述的电机I、电机II还能替换为液压马达或气动马达。

本发明的工作过程如下：

所述的连杆II的轴线、连杆III的轴线的平行线、所述的连杆IV的轴线的平行线及所述的连接座VIII的轴线的平行线构成一个平行四边形OPQR，所述的固定点O点为所述的连杆II的轴线与所述的连接座VIII的轴线的平行线的交点。安装固定在所述的连接座VIII上的手术工具的轴线通过固定点O点。

在电机I驱动下，连杆II与连接座I相对静止，轴II驱动连杆III绕P点旋转同时轴IV相对于连杆III自转，轴IV驱动连杆IV绕Q点旋转同时轴VI相对于连杆IV自转，轴VI驱动连接座VIII绕R点旋转，机械臂以固定点O点为中心，在所述的连杆II的轴线与所述的连杆III的轴线的平行线、所述的连杆IV的轴线的平行线及所述的连接座VIII的轴线的平行线构成的平面内做“平行四边形”摆动运动。

在电机II驱动下，连杆II相对于连接座I自转，机械臂以固定点O点为中心，绕所述的连杆II的轴线做摆动运动。

在电机I与电机II的配合驱动下，可使手术工具围绕固定点O点做球形旋转运动。通过使该固定点O点与人体手术部位的切入点“重合”，可以通过机械臂安全地定位手术工具，而不对人体腹壁施加危险的作用力。

本发明的用于辅助微创外科手术机器人机械臂与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明装置通过采用齿轮传动的形式使机构具有传动精准、可靠性高、运动范围大、系统刚度大、使用寿命长、外形简洁、小型化、轻量化的优点；本发明装置具有较大的手术工具的运动范围，缩小了机械臂的尺寸，减轻了其重量。

2.本发明装置通过机构自身的约束实现微创外科手术过程中切入点约束的要求，满足手术工具在手术过程中始终绕体表插入孔运动的要求，没有引入冗余自由度，可以通过机械臂安全地定位手术工具，而不对人体腹壁施加危险的作用力，保证了使用上的安全性；

3.本发明装置具有已经得到应用的双平行四边形机构的优点，但克服了双平行四边形机构对加工装配要求苛刻这一缺点，从而有利于保证机器人的运动精度和系统刚度；

4.本发明装置通过采用齿轮传动的形式使机构具有传动精准、可靠性高、使用寿命长的优点；克服了丝传动方式由于钢丝绳的弹性，使钢丝绳在牵引力作用下易拉伸，使用一段时间后丝传动摩擦力减小或失效，失去传动的功能的缺陷；

5.本发明装置应用领域是面向胸腔和腹腔领域的微创外科手术，有向其它领域如耳鼻喉等领域的手术拓展的潜力；

6.本发明装置通过“平行四边形”布局的臂段夹持手术工具用远处探入到病人身体上方进行微创手术操作，这种结构可以大大节省机器人占用病人身体上方的空间；

7.本发明装置可以快速更换多种配套的手术用具，能够充分满足微创手术操作多样性的要求。

8.本发明装置可以夹持内窥镜辅助微创手术操作，可以将持镜医生从单调、疲劳的持镜工作中解放出来。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图不一定按照比例，仅是示例性地描述本发明，下面描述的附图仅仅是本发明中的一些实施例，不是限制本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的实施例一的主视结构示意图。

图2是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的实施例一的俯视结构示意图。

图3是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的满足手术操作需求的实施例一的极限位置一示意图。

图4是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的满足手术操作需求的实施例一的极限位置二示意图。

图5是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的实施例二的主视结构示意图。

图6是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的实施例二的俯视结构示意图。

图7是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的满足手术操作需求的实施例二的极限位置一示意图。

图8是本发明一种辅助微创外科手术机器人机械臂的满足手术操作需求的实施例二的极限位置二示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1、图2所示，本发明提供了一种传动精准、可靠性高、运动范围大、系统刚度大、使用寿命长的外形简洁、小型化、轻量化的辅助微创外科手术机器人机械臂。其包括依次连接的臂I2、臂II4、臂III6；臂I2和臂II4之间通过连接装置3相连；臂II4和臂III6之间通过连接装置5相连，在臂I2的自由端设有驱动装置1，具体包括两个驱动电机I1-1、II1-2，在臂III6的自由端连接一个用于连接手术工具的连接装置7，所述的臂I和臂III的轴线平行，臂II和通过连接座VIII的轴线且与臂II的轴线平行的直线平行，四者构成了“平行四边形”结构；臂I在驱动电机I的驱动下带动“平行四边形”结构摆动；臂I在驱动电机II的驱动下带动整个机械臂以“平行四边形”中与臂I、连接座VIII交叉点相对的点为中心，绕臂I的轴线做摆动运动。

其中臂I包括连杆II、轴II；臂II包括连杆III和轴IV；所述的臂III包括连杆IV和轴VI；各个部件之间具体的连接关系以及位置关系如下：

所述的电机I1-1安装固定在所述的连接座II2-1上，所述的连接座II1-9安装固定在所述的齿轮I1-5上，所述的齿轮I1-5安装固定在所述的连杆II2-1上。所述的减速器I1-3安装固定在所述的连接座II1-9上，所述的电机I1-1与所述的减速器I1-3相连接，所述的电机I1-1将动力输出到所述的减速器I1-3驱动所述的减速器I1-3旋转，所述的减速器I1-3的输出端通过连接件与所述的轴II2-2固定连接，所述的减速器I1-3将动力输出到所述的轴II2-2驱动所述的轴II2-2旋转，所述的轴II2-2通过轴承及端盖与所述的连杆II2-1配合并轴向固定，所述的轴II2-2可以相对于所述的连杆II2-1绕自身轴线转动。

进一步的，所述的电机II1-2安装固定在所述的连接座I1上，所述的减速器II1-4安装固定在所述的连接座I1上,所述的电机II1-2与减速器II1-4相连接，所述的电机II1-2将动力输出到所述的减速器II1-4驱动所述的减速器II1-4旋转，所述的减速器II1-4的输出端通过连接件与所述的齿轮II1-6固定连接，所述的减速器II1-4将动力输出到所述的齿轮II1-6驱动所述的齿轮II1-6旋转，所述的齿轮II1-6与所述的齿轮I1-5配合，所述的齿轮II1-6将动力输出到所述的齿轮I1-5驱动所述的齿轮I1-5旋转，所述的齿轮I1-5安装固定在所述的连杆II2-1上，所述的齿轮I1-5将动力输出到所述的连杆II2-1驱动所述的连杆II2-1旋转。所述的连杆II2-1通过轴承及端盖与所述的连接座I1配合并轴向固定，所述的连杆II2-1可以相对于所述的连接座I1绕自身轴线转动。

进一步的，所述的连杆II2-1与所述的连接座III3-1固定连接，所述的轴II2-2与所述的齿轮III3-4固定连接，所述的轴II2-2将动力输出到所述的齿轮III3-4驱动所述的齿轮III3-4旋转，所述的齿轮III3-4与所述的齿轮IV3-5配合，所述的齿轮III3-4将动力输出到所述的齿轮IV3-5驱动所述的齿轮IV3-5旋转，所述的齿轮IV3-5安装固定在所述的轴III3-3上，所述的齿轮IV3-5将动力输出到所述的轴III3-3驱动所述的轴III3-3旋转。所述的轴III3-3通过轴承及端盖与所述的连接座III3-1配合并轴向固定，所述的轴III3-3可以相对于所述的连接座III3-1绕自身轴线转动。所述的轴III3-3与所述的连接座IV3-2固定连接，所述的轴III3-3将动力输出到所述的连接座IV3-2驱动所述的连接座IV3-2旋转。所述的连接座IV3-2通过轴承及端盖与所述的连接座III3-1配合并轴向固定，所述的连接座IV3-2可以相对于所述的连接座III3-1绕自身轴线转动。所述的连接座IV3-2与所述的连杆III4-1固定连接。所述的齿轮V3-6安装固定在所述的连接座III3-1上，所述的轴III3-3可以相对于所述的齿轮V3-6绕自身轴线转动。所述的齿轮V3-6与所述的齿轮VI3-7配合，所述的齿轮V3-6将动力输出到所述的齿轮VI3-7驱动所述的齿轮VI3-7旋转，所述的齿轮VI3-7安装固定在所述的轴IV4-2上，所述的齿轮VI3-7将动力输出到所述的轴IV4-2驱动所述的轴IV4-2旋转。所述的轴IV4-2通过轴承及端盖与所述的连杆III4-1配合并轴向固定，所述的轴IV4-2可以相对于所述的连杆III4-1绕自身轴线转动。

所述的连杆III4-1与所述的连接座V5-1固定连接，所述的轴IV4-2与所述的齿轮VII5-4固定连接，所述的轴IV4-2将动力输出到所述的齿轮VII5-4驱动所述的齿轮VII5-4旋转，所述的齿轮VII5-4与所述的齿轮VIII5-5配合，所述的齿轮VII5-4将动力输出到所述的齿轮VIII5-5驱动所述的齿轮VIII5-5旋转，所述的齿轮VIII5-5安装固定在所述的轴V5-3上，所述的齿轮VIII5-5将动力输出到所述的轴V5-3驱动所述的轴V5-3旋转。所述的轴V5-3通过轴承及端盖与所述的连接座V5-1配合并轴向固定，所述的轴V5-3可以相对于所述的连接座V5-1绕自身轴线转动。所述的轴V5-3与所述的连接座VI5-2固定连接，所述的轴V5-3将动力输出到所述的连接座VI5-2驱动所述的连接座VI5-2旋转。所述的连接座VI5-2通过轴承及端盖与所述的连接座V5-1配合并轴向固定，所述的连接座VI5-2可以相对于所述的连接座V5-1绕自身轴线转动。所述的连接座VI5-2与所述的连杆IV6-1固定连接。所述的齿轮IX5-6安装固定在所述的连接座V5-1上，所述的轴V5-3可以相对于所述的齿轮IX5-6绕自身轴线转动。所述的齿轮IX5-6与所述的齿轮X5-7配合，所述的齿轮IX5-6将动力输出到所述的齿轮X5-7驱动所述的齿轮X5-7旋转，所述的齿轮X5-7安装固定在所述的轴VI6-2上，所述的齿轮X5-7将动力输出到所述的轴VI6-2驱动所述的轴VI6-2旋转。所述的轴VI6-2通过轴承及端盖与所述的连杆IV6-1配合并轴向固定，所述的轴VI6-2可以相对于所述的连杆IV6-1绕自身轴线转动。

所述的连杆IV6-1与所述的连接座VII7-1固定连接，所述的轴VI6-2与所述的齿轮XI7-4固定连接，所述的轴VI6-1将动力输出到所述的齿轮XI7-4驱动所述的齿轮XI7-4旋转，所述的齿轮XI7-4与所述的齿轮XII7-5配合，所述的齿轮XI7-4将动力输出到所述的齿轮XII7-5驱动所述的齿轮XII7-5旋转，所述的齿轮XII7-5安装固定在所述的轴VII7-3上，所述的齿轮XII7-5将动力输出到所述的轴VII7-3驱动所述的轴VII7-3旋转。所述的轴VII7-3通过轴承及端盖与所述的连接座VII7-1配合并轴向固定，所述的轴VII7-3可以相对于所述的连接座VII7-1绕自身轴线转动。所述的轴VII7-3与所述的连接座VIII7-2固定连接，所述的轴VII7-3将动力输出到所述的连接座VIII7-2驱动所述的连接座VIII7-2旋转。所述的连接座VIII7-2通过轴承及端盖与所述的连接座VII7-1配合并轴向固定，所述的连接座VIII7-2可以相对于所述的连接座VII7-1绕自身轴线转动。快换接头I安装固定在所述的连接座VIII7-2上，手术工具安装固定在所述的快换接头I上。

所述的失电制动器I1-11安装固定在所述的齿轮II1-6上与所述的连接座I1上，防止断电情况下，机械臂以固定点O点为中心，绕所述的连杆II2-1的轴线做摆动运动。所述的失电制动器II7-9安装固定在所述的轴VII7-3上与所述的连接座VII7-1上，防止断电情况下机械臂以固定点O点为中心，在所述的连杆II2-1的轴线与所述的连杆III4-1的轴线的平行线、所述的连杆IV6-1的轴线的平行线及所述的连接座VIII7-2的轴线的平行线构成的平面内做“平行四边形”摆动运动。

本发明的工作过程如下：

所述的连杆II2-1的轴线、连杆III4-1的轴线的平行线、所述的连杆IV6-1的轴线的平行线及所述的连接座VIII7-2的轴线的平行线构成一个平行四边形OPQR，所述的固定点O点为所述的连杆II2-1的轴线与所述的连接座VIII7-2的轴线的平行线的交点。安装固定在所述的连接座VIII7-2上的手术工具的轴线通过固定点O点。

在电机I1-1驱动下，连杆II2-1与连接座I1相对静止，轴II2-1驱动连杆III4-1绕P点旋转同时轴IV4-2相对于连杆III4-1自转，轴IV4-2驱动连杆IV6-1绕Q点旋转同时轴VI6-2相对于连杆IV6-1自转，轴VI6-2驱动连接座VIII7-2绕R点旋转，机械臂以固定点O点为中心，在所述的连杆II2-1的轴线与所述的连杆III4-1的轴线的平行线、所述的连杆IV6-1的轴线的平行线及所述的连接座VIII7-2的轴线的平行线构成的平面内做“平行四边形”摆动运动。

在电机II1-2驱动下，连杆II2-1相对于连接座I1自转，机械臂以固定点O点为中心，绕所述的连杆II2-1的轴线做摆动运动。

在电机I1-1与电机II1-2的配合驱动下，可使手术工具围绕固定点O点做球形旋转运动。通过使该固定点O点与人体手术部位的切入点“重合”，可以通过机械臂安全地定位手术工具，而不对人体腹壁施加危险的作用力。

作为上述方案的进一步改进，所述的驱动装置可以是电机、液压马达或气动马达。

本发明提出的一种辅助微创外科手术机器人机械臂可以变更为以下另外一种实施例结构，可以使机械臂获得更大的转动范围，以更大范围地满足手术操作要求，更灵活地适应不同的应用场合，如图5和图6，具体如下：

实施例2

在实施例一的技术方案的基础上，将连杆IV6-1与连杆II2-1分别安装在连杆III4-1的“两侧”，连杆II2-1、连杆III4-1、连杆IV6-1设计适当的长度关系，使连杆III4-1旋转到与连杆II2-1“轴线平行”的角度时，连接座V5-1和连接座VI5-2均不与连接座I1发生“干涉”；连杆IV6-1旋转到与连杆III4-1“轴线平行”的角度时，连接座VII7-1和连接座VIII7-2均不与连接座III3-1及连接座IV3-2“干涉”。连杆III4-1与连杆IV6-1可以摆动到连杆II2-1的“两侧”(如图7视图方向)，使连杆IV6-1旋转到连杆II2-1的轴线与连杆IV6-1的轴线的平行线的“交点”位于线段QR两点之间的位置而机械臂自身结构不发生“干涉”，从而使机械臂获得更大的转动范围，以更大范围地满足手术操作要求，更灵活地适应不同的应用场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。