本发明公开了辅助微创外科手术的主从一体式机械臂，该机械臂的主操作端包括其上设置有可旋转的主手关节I轴的主手关节I座，主手关节I轴输出端与主手关节II座相连，主手关节II座内设置有可旋转的主手关节II轴，主手关节II轴上固定有伸缩架，伸缩上座与与伸缩下座之间通过直线机构连接；从操作端包括一端与主操作端相连的基座部分，与基座部分相连的主动机械臂部分，以及安装于主动机械臂上的伸缩部分。工具夹持端包括有固定安装于从手伸缩座的滑块之上的手术工具座，手术工具座的上下表面分别与传动丝的两端固定相连，并能够在传动丝的牵引下沿从手伸缩座的导轨作直线运动。采用本装置简化了系统结构，减小了系统体积，减少了故障率。
1.一种辅助微创外科手术的主从一体式机械臂，它包括主操作端、从操作端、工具夹持端，其特征在于：所述的主操作端(1)包括其上设置有可旋转的主手关节I轴(102)的主手关节I座(100)，主手关节I轴(102)的输出端与其内设置有可旋转的主手关节II轴(105)的主手关节II座(103)相连，所述的主手关节I轴(102)和主手关节II轴(105)的轴线彼此垂直设置，传感器I(101)、传感器II(104)的扭柄分别通过联轴器连接在主手关节I轴(102)及主手关节II轴(105)上，在所述的主手关节II轴上固定有伸缩架(106)，所述的伸缩架(106)的底座与伸缩上座(107)的顶部固定相连；所述的伸缩上座(107)通过直线运动机构与伸缩下座(108)相连以使所述的伸缩下座(108)相对于伸缩上座(107)能够上下移动并通过传感器V(121)记录所述的上下移动，所述的伸缩下座(108)通过轴线沿竖直方向设置的转轴与一个自转座(114)转动相连，一个其轴线与所述的转轴轴线垂直设置的偏转轴(116)安装在所述的自转座(114)上，传感器III(113)和传感器IV(115)的扭柄分别通过联轴器连接在转轴、偏转轴(116)上，在所述的偏转轴(116)上连接有开合座(118)，开合座(118)上安装有开合瓣I(124)和开合瓣II(125)，开合瓣I(124)、开合瓣II(125)之间通过两个连接杆相连，所述的两个连接杆之间通过连接轴相连并且所述的连接轴插在连接在开合座上的直线传感器(117)的开槽中；所述的从操作端包括依次相连的基座部分(4)、主动机械臂部分(5)以及伸缩部分(6)，所述的基座部分(4)包含有基座(210)，所述的基座(210)的一端与主手关节I座的一侧端面相连并且其另一端固定连接有从手关节I座(212)，在所述的从手关节I座(212)内安装有与电机I(211)的输出轴相连的从手关节I轴(213)，在所述的从手关节I座(212)上设置有被动连接面(214)，所述的主动机械臂部分(5)包含与从手关节I轴(213)的输出端固定相连的从手关节II座(221)，丝轮I(223)和丝轮II(224)对称的固定连接在从手关节II座(221)的两侧并且丝轮I(223)和丝轮II(224)的轴线沿与从手关节I轴(213)的输出轴轴线垂直的方向设置，其轴线沿与丝轮I(223)轴线相同方向设置的驱动轴II(225)安装于从手关节II座(221)上，其轴线沿与丝轮I(223)轴线垂直方向设置的驱动轴I(227)通过轴承安装于从手关节II座(221)上，所述的驱动轴I(227)通过联轴器与电机II(226)相连，传感器IV的扭柄与驱动轴I相连；在所述的驱动轴I(227)和驱动轴II(225)之间连接有传动丝I(229)；所述的驱动轴II(225)的两个输出端(222)分别与设置在从手连杆I(230)下端上的两个法兰面(235)固定相连，所述的从手连杆I(230)的上端有三个分支，其中中心孔内设置有轴承的丝轮III(233)和丝轮IV(232)固定连接于从手连杆I(230)的上端中间分支上，从手连杆I(230)的两侧分支上设置有与安装于丝轮III(233)和丝轮IV(232)上的轴承同心的轴承(231)，固定连接于从手连杆II(236)一端的丝轮V(237)、丝轮VI(238)分别通过在其轴心设置的支撑轴(239)与轴承(231)、轴承(234)相连，连杆II输出轴(240)通过轴承安装于从手连杆II(236)的另一端，丝轮VII(242)、丝轮VIII(243)固定连接于连杆II输出座(241)上，连杆II输出座(241)与连杆II输出轴(240)固定相连，传动丝II(252)和传动丝III(253)的一端分别固定于丝轮I(223)、丝轮II(224)的丝槽内，经系列导向轮(254)和张紧轮(255)传递后，另一端分别固定于丝轮V(237)和丝轮VI(238)的丝槽内，传动丝IV(251)和传动丝V(250)的一端分别固定于丝轮III(233)和丝轮IV(232)的丝槽内，经导向轮(254)和张紧轮(255)传递后，另一端分别固定于丝轮VII(242)和丝轮VIII(243)的丝槽内，从手伸缩座(244)与连杆II输出座(241)固定相连；在从手伸缩座(244)上设置有导轨(247)，在所述的导轨(247)上安装有滑块(248)，工具夹持端(3)与滑块(248)固定相连，所述的滑块(248)通过传动机构在所述的导轨(247)上滑动。
2.根据权利要求1所述的辅助微创外科手术的主从一体式机械臂，其特征在于：所述的直线运动机构包括安装在伸缩上座(107)上的共面且轴线彼此相交的上旋转轴I(119)和上旋转轴II(120)，上连杆I(109)的一端和上旋转轴I(119)转动相连，上连杆II(110)的一端和上旋转轴II(120)转动相连，上连杆I(109)的另一端和中间旋转轴I(122)转动相连，上连杆II(110)的另一端和中间旋转轴II(123)转动相连，中间旋转轴I(122)的轴线与上旋转轴I(119)轴线相平行，所述的中间旋转轴II(123)与上旋转轴II(120)轴线相平行，下连杆I(111)的一端与中间旋转轴I(122)相连，下连杆II(112)的一端与中间旋转轴II(123)相连，下连杆I(111)和下连杆II(112)的另一端分别通过安装在伸缩下座(108)上的下旋转轴I(126)、下旋转轴II(127)与伸缩下座(108)相连；下旋转轴I(126)的轴线和下旋转轴II(127)的轴线分别与上旋转轴I(119)的轴线和上旋转轴II(120)的轴线相平行设置，传感器V(121)的扭柄与上旋转轴II(120)通过联轴器相连。
3.根据权利要求1所述的辅助微创外科手术的主从一体式机械臂，其特征在于：所述的传动机构包括电机III，所述的电机III的输出轴与驱动丝轮(246)相连，所述的驱动丝轮(246)上缠绕的传动丝的两端分别通过伸缩导向轮(256)和伸缩支撑轮(257)与工具夹持端的上下两端相连。
一种辅助微创外科手术的主从一体式机械臂
技术领域
[0001] 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。
背景技术
[0002] 以腹腔镜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的。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；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。然而，微创手术为病人带来了诸多利益的同时，却对医生的操作带来了一系列困难，如：1)由于体表小孔的限制，工具的自由度减少至四个，灵活性大大降低；2)医生操作方向与所期望的方向相反，协调性差；3)医生只能通过监视器上的二维图像获得手术场景信息，缺乏深度方向上的感觉；4)医生手部的抖动可能会被细长的手术工具放大，对手术造成不良影响；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，即使如此，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，在微创手术领域中迫切需要一种机器人系统来延伸医生的能力，以便克服上述缺点，使医生能够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系统和Zeus系统，但它们都有结构复杂、体积庞大、价格昂贵等方面的缺点。国际上如美国、法国、德国、英国、波兰、日本、韩国等地都相继开展了微创外科手术机器人的研究，并产生了一系列样机。我国在机器人辅助手术方面尚处于起步阶段，已经存在的机器人系统只能在手术过程中起辅助定位的作用，并不能应用于临床手术。因此开发一套具有自主知识产权的新型微创外科手术机器人系统对填补我国在该领域的空白有着非常重要的意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供辅助微创外科手术的主从一体式机械臂，将机器人的医生操作端和机器人的操作机械臂进行集成，简化了主从式微创手术机器人的结构、体积及控制系统的复杂程度，进而有利于保证手术的安全性。
[0004] 本发明的辅助微创外科手术的主从一体式机械臂它包括主操作端、从操作端、工具夹持端，所述的主操作端包括其上设置有可旋转的主手关节I轴的主手关节I座，主手关节I轴的输出端与其内设置有可旋转的主手关节II轴的主手关节II座相连，所述的主手关节I轴和主手关节II轴的轴线彼此垂直设置，传感器I、II的扭柄分别通过联轴器连接在主手关节I轴及主手关节II轴上，在所述的主手关节II轴上固定有伸缩架，所述的伸缩架的底座与伸缩上座的顶部固定相连；所述的伸缩上座通过直线运动机构与伸缩下座相连以使所述的伸缩下座相对于伸缩上座能够上下移动并通过传感器V记录所述的上下移动，所述的伸缩下座通过轴线沿竖直方向设置的转轴与一个自转座转动相连，一个其轴线与所述的转轴轴线垂直设置的偏转轴安装在所述的自转座上，传感器III和传感器IV的扭柄分别通过联轴器连接在转轴、偏转轴上，在所述的偏转轴上连接有开合座，开合座上安装有开合瓣I和开合瓣II，开合瓣I、开合瓣II之间通过两个连接杆相连，所述的两个连接杆之间通过连接轴相连并且所述的连接轴插在连接在开合座上的直线传感器的开槽中；所述的从操作端包括依次相连的基座部分、主动机械臂部分以及伸缩部分，所述的基座部分包含有基座，所述的基座的一端与主手关节I座的一侧端面相连并且其另一端固定连接有从手关节I座，在所述的从手关节I座内安装有与电机I的输出轴相连的从手关节I轴，在所述的从手关节I座上设置有被动连接面，所述的主动机械臂部分包含与从手关节I轴的输出端固定相连的从手关节II座，丝轮I和丝轮II对称的固定连接在从手关节II座的两侧并且丝轮I和丝轮II的轴线沿与从手关节I轴的输出轴轴线垂直的方向设置，其轴线沿与丝轮I轴线相同方向设置的驱动轴II安装于从手关节II座上，其轴线沿与丝轮I轴线垂直方向设置的驱动轴I通过轴承安装于从手关节II座上，所述的驱动轴I通过联轴器与电机II相连，传感器IV的扭柄与驱动轴I相连；在所述的驱动轴I和驱动轴II之间连接有传动丝I；所述的驱动轴II的两个输出端分别与设置在从手连杆I下端上的两个法兰面固定相连，所述的从手连杆I的上端有三个分支，其中中心孔内设置有轴承的丝轮III和丝轮IV固定连接于从手连杆I的上端中间分支上，从手连杆I的两侧分支上设置有与安装于丝轮III和丝轮IV上的轴承同心的轴承，固定连接于从手连杆II一端的丝轮V、丝轮VI分别通过在其轴心设置的支撑轴与轴承相连，连杆II输出轴通过轴承安装于从手连杆II的另一端，丝轮VII、丝轮VIII固定连接于连杆II输出座上，连杆II输出座与连杆II输出轴固定相连，传动丝II和传动丝III的一端分别固定于丝轮I、丝轮II的丝槽内，经系列导向轮和张紧轮传递后，另一端分别固定于丝轮V和丝轮VI的丝槽内，传动丝IV和传动丝V的一端分别固定于丝轮III和丝轮IV的丝槽内，经导向轮和张紧轮传递后，另一端分别固定于丝轮VII和丝轮VIII的丝槽内，从手伸缩座与连杆II输出座固定相连；在从手伸缩座上设置有导轨，在所述的导轨上安装有滑块，工具夹持端与滑块固定相连，所述的滑块通过传动机构在所述的导轨上滑动。
[0005] 本发明辅助微创外科手术的主从一体式机械臂与现有技术相比具有以下有益效果：
[0006] 1.本发明机械臂将主从式机器人的主操作端和从操作端进行了集成，简化了系统结构，减小了系统体积，进而有利于节省成本，减少了故障率；
[0007] 2.本发明机械臂的主动机械臂部分的丝传动部分为系统的关键环节，因此设计上每个传动环节设置了两组丝，保证了机械臂在使用上的安全性；
[0008] 3.本发明构建的机器人系统，可与目前已广泛应用的传统腹腔镜设备结合使用，可充分利用现有资源，减少手术成本。
附图说明
[0009] 图1是本发明辅助微创外科手术的主从一体式机械臂原理图；
[0010] 图2是本发明辅助微创外科手术的主从一体式机械臂整体结构示意图；
[0011] 图3、图4是本发明辅助微创外科手术的主从一体式机械臂的主操作端部分；
[0012] 图5是本发明的辅助微创外科手术的主从一体式机械臂的从操作端部分；
[0013] 图6是图5所示的从操作端部分的基座结构示意图；
[0014] 图7、8、9、10和11是图5所示的从操作端部分的主动机械臂部分的结构示意图；
[0015] 图12是图5所示的从操作端部分的伸缩部分结构示意图；
[0016] 图13是图12所示的伸缩部分的传动机构的结构示意图；
[0017] 图14描述了基于本发明的机械臂的微创手术机器人系统总体示意图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
[0019] 如图1所示，为本发明的原理图，由主操作端600和从操作端601两大部分组成。主操作端关节I500和从操作端关节I501共线，与主操作端关节I500和从操作端关节I501垂直的主操作端关节II502和从操作端关节II503位于主操作端关节I500和从操作端关节I501的轴线所在的直线上。从操作端关节II503与其他6个旋转运动副构成双平行四边形机构，该机构使得手术工具轴线509在运动过程中始终通过一固定点510。这样，将主操作端600的关节运动信号直接传递至从操作端601控制其各关节运动，可使主操作端参考点505的运动方向与从操作端参考点I507的运动方向完全一致，504为主操作端参考点运动后的位置，506为从操作端参考点II运动后的位置。基于本原理的机器人在控制上不需要复杂的运动控制算法，有利于减少机器人的复杂程度，并降低系统的故障率。将从操作端
601的平行四边形机构用丝传动方式实现，有利于减小系统的体积和重量，并可以降低系统加工制造难度，具体实现方式见后续说明。
[0020] 图2所示为本发明的总体结构示意图，由主操作端1、从操作端2及工具夹持端3三部分组成。
[0021] 图3、图4为本发明的主操作端I的示意图。所述的主操作端1包括其上设置有可旋转的主手关节I轴102的主手关节I座100，主手关节I轴102的输出端与其内设置有可旋转的主手关节II轴105的主手关节II座103相连，所述的主手关节I轴102和主手关节II轴105的轴线彼此垂直设置，传感器II01、II104的扭柄分别通过联轴器连接在主手关节I轴102及主手关节II轴105上。传感器I101、II104分别记录主手关节I轴102在主手关节I座100内及主手关节II轴105在主手关节II座103内的运动信息。在所述的主手关节II轴上固定有伸缩架106，所述的伸缩架106的底座与伸缩上座107的顶部固定相连；所述的伸缩上座107通过直线运动机构与伸缩下座108相连以使所述的伸缩下座108相对于伸缩上座107能够上下移动并通过传感器V121记录所述的上下移动，所述的伸缩下座108通过轴线沿竖直方向设置的转轴与一个自转座114转动相连，一个其轴线与所述的转轴轴线垂直设置的偏转轴116安装在所述的自转座114上，传感器III113和传感器IV115的扭柄分别通过联轴器连接在转轴、偏转轴116上，在所述的偏转轴116上连接有开合座118，开合座118上安装有开合瓣I124和开合瓣II125，开合瓣I124、开合瓣II125之间通过两个连接杆相连，所述的两个连接杆之间通过连接轴相连并且所述的连接轴插在连接在开合座上的直线传感器117的开槽中。开合瓣I124、开合瓣II125可在开合座118上实现开合运动，直线传感器117可用来记录该运动的信息。这样当医生对开合瓣I124、开合瓣II124进行操作时，主操作端1便可以记录医生的运动信息，并将该信息通过控制系统处理后传递至从操作端2和工具夹持端3，用以实现辅助手术操作。
[0022] 所述的直线运动机构优选的包括安装在伸缩上座107上的共面且轴线彼此相交的上旋转轴I119和上旋转轴II120，上连杆I109的一端和上旋转轴I119转动相连，上连杆II110的一端和上旋转轴II120转动相连，上连杆I109的另一端和中间旋转轴I122转动相连，上连杆II110的另一端和中间旋转轴II123转动相连，下连杆I111的一端与中间旋转轴I122相连，中间旋转轴I122的轴线与上旋转轴I119轴线相平行，下连杆II112的一端与中间旋转轴II123相连，所述的中间旋转轴II123与上旋转轴II120轴线相平行，下连杆I111和下连杆II112的另一端分别通过安装在伸缩下座108上的下旋转轴I126、下旋转轴II127与伸缩下座108相连；下旋转轴I126的轴线和下旋转轴II127的轴线分别与上旋转轴I119的轴线和上旋转轴II120的轴线相平行设置，传感器V121的扭柄与上旋转轴II120通过联轴器相连。由伸缩上座107、上旋转轴I119、上旋转轴II120、上连杆I109、上连杆II110、中间旋转轴I122、中间旋转轴II123、下连杆I111、下连杆II112、伸缩下座108所构成的机构使得伸缩下座108相对于伸缩上座107仅存在一个靠近或远离的直线运动自由度；该运动方式也可由导轨-滑块机构或花键-外筒机构实现。由传感器V121的信息，可计算出伸缩下座108相对于伸缩上座107的运动信息。
[0023] 通过轴承安装于伸缩下座108上的自转座114可在伸缩下座108上旋转，传感器III113可用于记录该运动的信息；通过轴承安装与自转座114上的偏转轴116可在自转座114上运动，传感器IV115可用于记录该运动的信息。
[0024] 图5所示为本发明的从操作端2的示意图。从操作端2包括：一端与主操作端1相连的基座部分4，与基座部分4相连的主动机械臂部分5，以及安装于主动机械臂部分5上的伸缩部分6。
[0025] 图6所示为本发明从操作端2的基座部分4的示意图。基座部分4包含有基座210，基座210的一端与主操作端1的主手关节I座100相连，另一端固定连接有从手关节I座212，从手关节I座212上安装有从手关节I轴213，从手关节I轴213可在置于基座部分4内部的电机I211的驱动下旋转。从手关节I座212上设置有被动连接面214，通过被动连接面214可将本发明固定于被动调整架上，所述的被动调整架可采用已公开专利(如专利号：200610129845.6)的形式。
[0026] 图7-图13所示为本发明从操作端2的主动机械臂部分5的示意图。所述的主动机械臂部分5包含与从手关节I轴213的输出端固定相连的从手关节II座221，丝轮I223和丝轮II224对称的固定连接在从手关节II座221的两侧并且丝轮I223和丝轮II224的轴线沿与从手关节I轴213的输出轴轴线垂直的方向设置，其轴线L2沿与丝轮I223轴线相同方向设置的驱动轴II225安装于从手关节II座221上，其轴线L1沿与丝轮I223轴线垂直方向设置的驱动轴I227通过轴承安装于从手关节II座221上，所述的驱动轴I227通过联轴器与电机II226相连，传感器IV228的扭柄与驱动轴I相连；在所述的驱动轴I227和驱动轴II225之间连接有传动丝I229。驱动轴I227可在电机II226的驱动下旋转；连接两驱动轴的传动丝I229将从手关节II驱动轴I227的旋转运动转化为从手关节II的驱动轴II225的旋转运动。所述的驱动轴II225的两个输出端222分别与设置在从手连杆I230下端上的两个法兰面235固定相连，所述的从手连杆I230的上端有三个分支，其中中心孔内设置有轴承的丝轮III233和丝轮IV232固定连接于从手连杆I230的上端中间分支上，从手连杆I230的两侧分支上设置有与安装于丝轮III233和丝轮IV232上的轴承234同心的轴承231，固定连接于从手连杆II236一端的丝轮V237、丝轮VI238分别通过在其轴心设置的支撑轴239与轴承231、234相连，连杆II输出轴240通过轴承安装于从手连杆II236的另一端，丝轮VII242、丝轮VIII243固定连接于连杆II输出座241上，连杆II输出座241与连杆II输出轴240固定相连，传动丝II252和传动丝III253的一端分别固定于丝轮I223、丝轮II224的丝槽内，经系列导向轮254和张紧轮255传递后，另一端分别固定于丝轮V237和丝轮VI238的丝槽内，传动丝IV251和传动丝V250的一端分别固定于丝轮III233和丝轮IV232的丝槽内，经导向轮254和张紧轮255传递后，另一端分别固定于丝轮VII242和丝轮VIII243的丝槽内，从手伸缩座244与连杆II输出座241固定相连；在从手伸缩座244上设置有导轨247，在所述的导轨的上安装有滑块248，工具夹持端3与滑块248固定相连，所述的滑块248通过传动机构在所述的导轨247上滑动。
[0027] 优选的所述的传动机构包括电机III245，所述的电机III的输出轴与驱动丝轮246相连，在所述的驱动丝轮246上缠绕的传动丝的两端258、259分别通过伸缩导向轮256和伸缩支撑轮257与工具夹持端3的上下两端相连。工具夹持端3与滑块248固定相连，工具夹持端3便可以在电机III245和传动丝的牵引下沿导轨247运动。该部分运动如图
13所示。电机III245牵引工具夹持端3的运动也可以由丝杠导轨机构实现。
[0028] 工具夹持端3可采用专利(专利号：200710056701.7)的形式，其详细结构不属于本发明的范畴。
[0029] 图14描述了基于本发明的微创手术机器人系统的示意图。两个本发明的机械臂400安装于被动调整臂401上，内窥镜则安装在内镜臂405上，内镜臂可采用专利(专利号：
200810152765.1)的形式。这样医生402在助手404的配合下，通过观察显示器406传来的病人403体内的手术场景信息，便可以利用本发明辅助对病人403进行微创手术操作。
[0030] 下面说明本发明的辅助微创外科手术的主从一体式机械臂的动作实施过程。
[0031] 当操作者对本发明辅助微创外科手术的主从一体式机械臂的主操作端进行操作时，主操作端各关节的传感器可记录各关节的运动变化信息。由于本发明的特点，主操作端参考点的运动与从操作端参考点的运动完全一致；因此，在控制器接收到主操作端的关节运动信息后，可直接将其传递至从操作端，控制从操作端电机控制各运动关节实时跟踪主操作端的运动，复现主操作端操作者对系统的输入动作。在本发明装置中操作者对主操作端进行操作时，若主操作端关节I的关节角度发生变化，则控制器所读取的传感器I101的值也会发生变化，控制器进而实时地控制电机I转动使从操作端关节I沿主操作端关节I的变化方向运动相同的角度。与此类似，若控制器检测到主操作端关节II的传感器II104的读数发生变化，则控制器会实时控制电机II转动使从操作端关节II沿与主操作端关节II的变化方向运动相同的角度。若控制器通过传感器V121检测到主操作端的直线运动机构发生运动，则控制器会控制从操作端电机III245牵引工具夹持端作出与主操作端的直线运动机构一致的运动，与主从操作端关节I、关节II的完全跟踪运动不同，主操作端的直线运动机构的运动量是按照一定的比例映射到从操作端的工具夹持端，比例系数一般不大于1。当然，本装置在使用过程中在安装手术工具末端的情况下还可以分别通过传感器III113、传感器IV115、直线传感器117检测主操作端的自转、偏转和开合量，然后将自转、偏转和开合量信号通过控制器传递给手术工具末端用以控制手术工具末端的自转、偏转和开合运动。
