机械臂及医疗机器人发明专利.docx

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1、机械臂及医疗机器人技术领域本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种机械臂及医疗机器人。背景技术随着机器人技术的发展，医疗机器人也越来越多，从早期的伊索手术机器人，到现在的达芬奇手术机器人系统，医疗机器人的功能也越来越强大。与此同时，从原先的开放式手术到现在的微创伤手术，手术的形式也在不断的发生着变化。微创伤手术最大的特点是创口非常小，导致医生的手术视野也非常有限，为此，各种功能不同的腹腔镜随之涌现。从腹腔镜到现在的胶囊腹腔镜，腹腔镜在微创伤手术中的地位越来越重要。目前，最先进的机器人系统与手术系统相结合的产物，即达芬奇手术机器人系统，也包含有腹腔镜系统，并且设有一个专门用于扶持腹腔镜的机械臂。

2、机器人与腹腔镜的结合最早是伊索手术机器人系统，用来弥补在手术过程中医生和助手相互配合不协调的问题，使医生可以根据自己的需求，通过机器人系统调整腹腔镜的姿态。持镜机器人在满足上述基本要求的同时还被要求在手术的过程中，如果持镜机器人阻碍到了医生的操作，医生可直接调节机器人的若干关节，使其达到合适位置，在此调节过程中以及调节后，腹腔镜末端的位置和姿态仍然保持不变。并且，由于腹腔镜较小，用于持镜的机器人也应该尽量的体积小，便于携带与运输。但是，目前的持镜机器人不仅体积大，质量重，而且避障能力也不理想。发明内容有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机械臂及医疗机器人，本发明的机械臂从近端到远端，至少依次包括

3、六个转动关节，不仅能够缩小机械臂的体积，降低机械臂的质量，而且还能够使机械臂在调整医疗器械的姿态时较好的约束不动点，且本发明的机械臂较佳地通过七个转动关节形成冗余调整，使机械臂还能够较好的实现避障功能，提升机械臂的安全性和可靠性。因此，根据本发明的一个方面，提供了一种机械臂，末端用于与一医疗器械可拆卸地连接，以驱动所述医疗器械围绕一不动点运动，且从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、第三摆动关节以及用于实现所述医疗器械自转的自转关节；其中，所述第一转动关节的旋转轴线与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直；所述第一摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的

4、旋转轴线相平行；所述第二摆动关节的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直；所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直；所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述第二摆动关节的旋转轴线相平行。此外，根据本发明的另一个方面，还提供了一种医疗机器人，包括所述的机械臂。进一步的，所述机械臂还包括基座、大臂、中臂、前臂、小臂和镜座；所述基座用于与一外部机构固定，并通过所述第一转动关节与所述大臂连接；所述大臂通过所述第一摆动关节与所述中臂连接，所述大臂的轴线与所述中臂的轴线分别与所述第一摆动关节的旋转轴线垂直相交；所述中臂通过所述第二摆动关

5、节与所述前臂连接，所述中臂的轴线与所述前臂的轴线分别与所述第二摆动关节的旋转轴线垂直相交；所述前臂通过所述第二转动关节与所述小臂连；所述小臂通过所述第三摆动关节与所述镜座连接，所述第三摆动关节的旋转轴线与所述小臂的轴线垂直相交；所述自转关节位于所述镜座。进一步的，所述自转关节的旋转轴线、所述第二转动关节的旋转轴线以及所述第三摆动关节的旋转轴线相交于一点。进一步的，所述机械臂还包括一镜座连接件，所述小臂通过所述镜座连接件与所述第三摆动关节连接，且所述镜座连接件的轴线与所述小臂的轴线平行。进一步的，所述第二转动关节的旋转轴线与所述第三摆动关节的旋转轴线垂直相交，所述第二转动关节的旋转轴线与所述自转

6、关节的旋转轴线相交，且所述第三摆动关节的旋转轴线与所述自转关节的旋转轴线垂直且不相交。进一步的，所述机械臂还包括一镜座连接件，所述小臂通过所述镜座连接件与所述第三摆动关节连接，且所述镜座连接件与所述小臂的轴线配置在同一条直线上。进一步的，所述大臂的轴线和所述中臂的轴线相交于所述第一摆动关节的旋转轴线上的一点，且所述中臂的轴线与所述前臂的轴线相交于所述第二摆动关节的旋转轴线上的一点。进一步的，所述中臂的轴线与所述大臂的轴线平行或异面，和/或，所述前臂的轴线与所述中臂的轴线平行或异面。进一步的，所述大臂的轴线与所述前臂的轴线位于所述中臂的轴线的同一侧。进一步的，所述镜座、所述前臂、所述小臂以及所述

7、大臂的轴线在同一个平面内。进一步的，所述机械臂还包括第三转动关节，所述第三转动关节位于所述第一摆动关节和所述第二摆动关节之间，且所述第三转动关节的旋转轴线分别与所述第一摆动关节及所述第二摆动关节的旋转轴线相垂直。进一步的，所述中臂包括同轴布置的中后臂和中前臂；所述中后臂通过所述第一摆动关节与所述大臂连接，并通过所述第三转动关节与所述中前臂连接；所述中前臂通过所述第二摆动关节与所述前臂连接。进一步的，所述第三摆动关节为一不动点机构，用以驱动所述医疗器械围绕所述不动点运动。进一步的，所述不动点机构为一平行四边形结构，所述平行四边形结构包括：第一侧边；与所述第一侧边平行的第二侧边；第三侧边；以及与所

8、述第三侧边平行的第四侧边；所述平行四边形结构的旋转轴线与所述第二转动关节的旋转轴线垂直，所述第二转动关节与所述第一侧边连接；所述自转关节与所述第二侧边转动连接，且所述自转关节的旋转轴线被配置为始终与所述第三侧边相平行。进一步的，所述不动点机构包括弧形导轨和可移动地设置于所述弧形导轨上的滑块；所述弧形导轨连接所述第二转动关节；所述滑块连接所述自转关节，由所述滑块驱动所述自转关节沿所述弧形导轨绕圆心摆动。进一步的，所述机械臂还包括驱动模块，用于驱动所述第二转动关节或所述第三摆动关节。进一步的，所述机械臂还包括控制模块，以及与所述控制模块通信连接的驱动模块；所述控制模块用于根据预设的期望位置和所述不

9、动点的位置获得所述医疗器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望位置；进而所述控制模块用于根据机械臂各个关节的期望位置，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述医疗器械围绕所述不动点运动，并且所述医疗器械的末端运动至期望位置。进一步的，所述机械臂还包括用于测量关节位置的位置传感器，所述位置传感器与所述控制模块通信连接；所述控制模块用于根据所述位置传感器所获取的机械臂各个关节的位置，并利用机械臂正运动学模型获取所述不动点的位置。进一步的，所述控制模块还根据预设的医疗器械期望的笛卡尔速度，通过雅可比矩阵的逆矩阵，获得所述机械臂各个关节的期望速度；进而所述控制模块根据机械臂各

10、个关节的期望速度，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述医疗器械的末端以期望的笛卡尔速度运动至期望位置。进一步的，所述机械臂具有七个自由度，所述驱动模块上设置有与所述控制器通信连接的力矩传感器，所述力矩传感器用于检测每个关节上受到的外部作用力信息并提供给所述控制模块，所述控制模块根据所述力矩传感器反馈回的所述外部作用力信息，确定一冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开一障碍物。进一步的，所述机械臂具有七个自由度，所述机械臂还包括检测装置，所述检测装置与所述控制模块通信连接；所述检测装置用于检测所述驱动模块的电流以获取所述驱动模块输出的力矩信息；所述控制模

11、块进而根据机器人动力学模型获取各个关节的理论关节力矩，并根据所述驱动模块输出的力矩信息以及预设的力矩阈值，确定所述冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开一障碍物。进一步的，所述冗余调整关节做反向运动的速度为：Vr=VO*Sgn(Tr)+kr*r其中：Vr为冗余调整关节速度，V。为预设基础避障速度，sgn()为符号函数，r为冗余关节外部力矩，kr为速度-力矩系数。进一步的，所述控制模块还根据所述冗余调整关节的反向运动的速度，获得冗余调整关节下一控制周期的期望位置，以将七自由度机械臂降维为六自由度机械臂；冗余调整关节下一控制周期的期望位置为：q_cmdr=q

12、_curr+vr*cycletime其中：q_cmdr为下一周期期望位置，q_curr为当前位置，Cycletime为控制模块隹制周期。进一步的，所述镜座包括一内腔，且在远端设有一用于医疗器械通过的通孔；所述自转关节包括设置于所述内腔的传动轮，以驱动所述医疗器械转动，所述传动轮配置为相对于所述镜座转动，且与所述通孔同轴布置；所述机械臂还包括驱动模块，所述驱动模块包括配置于所述内腔的电机和输出轮，所述电机通过所述输出轮驱动所述传动轮转动。进一步的，所述电机与所述输出轮同轴连接；所述输出轮的轴线与所述传动轮平行布置，且传动连接。进一步的，所述驱动模块还包括一减速机构，所述电机通过所述减速机构与所述

13、输出轮连接。进一步的，所述输出轮与所述传动轮通过一柔性结构实现传动连接，或者，所述输出轮与所述传动轮通过齿啮合实现传动连接。综上所述，在本发明提供的机械臂及医疗机器人中，从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节、第一摆动关节、第二摆动关节、第二转动关节、第三摆动关节，以及用于实现医疗器械自转的自转关节，从而通过该六个关节的配合，实现医疗器械的空间位置和姿态的调整。相比于现有，本发明的机械臂的整体尺寸小，质量轻，便于在病床侧安装和使用。在一个优选的实施例中，本发明的机械臂还包括第三转动关节，位于第一摆动关节和第二摆动关节之间，从而通过第三转动关节形成冗余调整，使得机械臂能够完成七个自由度的运

14、动，便于机械臂更灵活的调整诸如腹腔镜等医疗器械的空间位置和姿态，同时还能够使得机械臂较为容易的避开隙碍物，防止机械臂对医生的操作造成干扰，降低医生操作的复杂度和困难度。在另一个优选的实施例中，本发明的机械臂还包括控制模块以及与控制模块通信连接的驱动模块；所述控制模块用于根据预设的期望位置和不动点的位置获得所述医疗器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望位置；进而所述控制模块用于根据机械臂各个关节的期望位置，控制所述驱动模块驱动各个关节，以使所述医疗器械围绕所述不动点运动，并且医疗器械的末端运动至期望位置。相比于现有技术，在术中可以调整不动点的位置，更符合医生的需求，

15、能防止患者受到额外的伤害。在其他优选实施例中，所述驱动模块上设置有与所述控制模块通信连接的力矩传感器，所述力矩传感器用于检测每个关节上受到的外部作用力信息，进而所述控制模块根据力矩传感器反馈回的外部作用力信息，确定受力最大的关节并作为冗余调整关节，同时控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开障碍物。为实现此目的，在另一优选实施例中，所述机械臂还包括检测装置，与所述控制模块通信连接，所述检测装置用于检测所述驱动模块的电流以获取所述驱动模块输出的力矩信息，所述控制模块进而根据机器人动力学模型获取各个关节的理论关节力矩，并根据所述驱动模块输出的力矩信息以及预设的力矩阈值，确定所

16、述冗余调整关节，并控制所述驱动模块驱动所述冗余调整关节做反向运动，以使机械臂绕开障碍物。因此，本发明的机械臂还具有较好的避障功能，即在运动过程中，如果机械臂遇到障碍物，或者受到外力阻碍，再保证末端运动轨迹的前提下，通过冗余关节调整整体构型，避开阻碍物。在其他优选实施例中，由于目前较多内窥镜在手术过程中均是由医生助手扶持，在手术过程中，主手会根据医生的要求改变内窥镜的姿态，这对医生和助手的默契度要求很高，而本发明通过驱动模块驱动自转关节实现医疗器械转动，便于医生独自完成手术操作和握持腹腔镜等医疗器械，以此降低手术操作的难度，避免人力资源的浪费，且驱动模块与自转关节整合在镜座中，结构简单，尺寸小，适于安装和使用。附图说明附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中:图1是本发明实施例一中的六自由度医疗机器人的结构示意图；图2是图1所示的医疗机