手术机器人机械臂连接装置及其手术机器人的制作方法

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种能够获得更大手术空间的手术机器人机械臂的连接装置及其具有机械臂连接结构的手术机器人。

背景技术：

在众多的医疗器械中，各种用途的手术机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。手术机器人作为医疗器械领域的重要组成部分，它已经广泛的应用于世界各地的许多手术室中，例如心胸外科、泌尿外科、妇科和腹部外科等。同时伴随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，大量的医疗器械得到推广和应用。这些机器人在计算机和微电子技术的支持下为手术提供了强有力的帮助。此外，这些机器也需要手术医生来操作它们，在提高手术效果和精度的同时，也不断向其它领域扩展。

现有的手术机器人，大多数用于腹腔等高精度的外科手术，它们都是在内窥镜或者显微镜等高精度设备的引导下，由外科医生控制手术机器人完成各种手术操作。

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，微创手术操作过程中，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；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：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；医生操作方向与所期望的方向相反，协调性差；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；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；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手术机器人来延伸医生手术的能力，以便获得更大的手术空间，使医生能够更容易的完成微创手术操作。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种手术机器人机械臂的连接装置及其手术机器人，能够扩大手术机器人机械臂的活动范围和空间，获得更大的手术空间。

根据本发明提供了一种手术机器人机械臂连接装置，包括：内部中空的第一管段和第二管段，第一管段的一端设有第一法兰盘，第一管段的另一端连接第二管段的一端，第二管段的另一端设有第二法兰盘；其中，所述第一法兰盘连接手术机器人的立柱，所述第二法兰盘连接手术机器人的机械臂。

在一个实施例中，第一管段的中心轴线和第二管段的中心轴线垂直。

在一个实施例中，第一法兰盘包括上法兰盘和下法兰盘，上法兰盘和下法兰盘上下对称，上法兰盘的两端和下法兰盘相对应的两端各形成一个豁口，第一管段分别在两个豁口处各设有一个进线孔。

在一个实施例中，第二法兰盘的上下处各设有一个平台，每一平台的中部设有一个凹槽，每一平台上设有两个螺纹孔并分布在凹槽的两侧，凹槽最低端形成的圆环直径大于第二管段的外径的直径。

在一个实施例中，所述第一法兰盘上设有用于安装螺丝的至少一个安装槽，每一安装槽内具有一个螺栓孔，所述第二法兰盘上也设有至少一个螺栓孔。

在一个实施例中，第一管段、第二管段、第一法兰盘以及第二法兰盘为一体结构。

在一个实施例中，所述第一管段和第二管段的外径的横切面均呈八边形。

提供一种手术机器人，包括所述的手术机器人机械臂连接装置，还包括底座、立柱和机械臂，所述底座上端固定安装所述立柱，所述立柱的侧壁上安装所述机械臂；所述立柱和机械臂之间设有所述机械臂连接装置。

在一个实施例中，所述立柱为横截面呈正方形的柱状结构，立柱的四个侧壁上各设有一个能够上下移动的法兰盘，至少一个法兰盘上安装机械臂连接装置，所述机械臂依靠所述机械臂连接装置能相对立柱上下往复运动。

在一个实施例中，所述立柱相对的两个侧壁上的法兰盘安装有机械臂连接装置。

由以上结构可知，本发明的优点在于：(1)立柱与机械臂之间设有的机械臂连接装置，可以扩大手术机器人的机械臂活动范围的结构形式，此外，机械臂连接装置呈“l”形，两端均带有法兰盘，一端能够连接立柱，一端能够连接机械臂，从而在保证机械臂与立柱连接强度的同时，还能带动机械臂在立柱上上下移动，不仅使机械臂能在向前及左右两侧获得更大的活动范围和空间，而且还方便手术前的机械臂摆位，获得更大的手术空间；(2)立柱为横截面呈正方形的柱状结构，其四面均可以安装机械臂，既可以单独使用一个机械臂，也可以使用两个、三个或者四个同时使用，不同位置以及多种组合的机械臂，满足了不同的安装要求的手术需求。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明手术机器人的一视角立体结构示意图；

图2为本发明手术机器人的另一视角立体结构示意图；

图3为本发明手术机器人内部结构示意图；

图4为本发明手术机器人内部结构另一角度示意图；

图5为本发明机械臂连接装置的一视角立体结构示意图；

图6为本发明机械臂连接装置的另一视角立体结构示意图。

图7为本发明手术机器人驱动离合系统的正面剖视图；

图8为图7中圆圈处的放大图；

图9为本发明立柱上垂直升降系统的结构示意图；

图10为本发明滑动轮系统结构示意图；

图11为图9中圆圈处的放大图。

在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

在本申请中需要说明的是，本申请所用的术语“前部”是指手术机器人靠近病人的部位，同时术语“后部”是指手术机器人远离病人的部位；本申请所用的术语“上端”为手术机器人远离地面的一端，同时术语“下端”为靠近地面的一端。

图1和图2为本发明手术机器人的整体立体图。包括底座1、立柱2、机械臂3以及推手4。立柱2位于底座1上端的中部，推手4位于底座1上端的后部，机械臂3设于立柱1的侧壁上。

图3和图4为本发明手术机器人的内部结构示意图，由图3和图4可知，立柱2与机械臂3之间设有机械臂连接装置7，其中，再由图5和图6所示，机械臂连接装置7包括第一管段71和第二管段72，第一管段71和第二管段72的外壁可以是圆形、方形或多边形，在本实施例中，第一管段71和第二管段72外径的横切面均呈八边形。但第一管段71和第二管段72内部贯通且呈圆形中空状，第一管段71垂直于第二管段72，即，第一管段71的中心轴线和第二管段72的中心轴线垂直，在第一管段71的一端设有第一法兰盘711，第一管段71的另一端则垂直连接第二管段72的一端，在第二管段72的另一端设有第二法兰盘721。第一法兰盘711和第二法兰盘721可以与第一管段71和第二管段72分体设计，也可以为一体设计，第一管段71和第二管段72也可以为一体设计或分体设计，在一个优选的实施例中，第一法兰盘711、第一管段71、第二法兰盘721以及第二管段72为一体设计。

第一法兰盘711连接手术机器人的立柱2，换而言之，第一法兰盘711通过螺栓固定安装在法兰板68上(如图8和图9所示)，第二法兰盘721连接手术机器人的机械臂3。

其中，第一法兰盘711包括上法兰盘7111和下法兰盘7112，上法兰盘7111和下法兰盘7112以第一管段71的水平轴截面上下对称，上法兰盘7111的两端和下法兰盘7112相对应的两端各形成一个豁口7113，第一管段71分别在两个豁口7113处各设有一个进线孔7114。进线孔7114在于用于控制机械臂3的控制线穿过进线孔7114然后进入第一管段71和第二管段72的内部并连接在机械臂3上。

此外，所述第一法兰盘711上设有用于安装螺丝的若干安装槽7115，每一安装槽7115内具有一个螺栓孔7116，在本实施例中，第一法兰盘711具有四个安装槽7115，上法兰盘7111和下法兰盘7112各两个且对称，相应的在法兰板68上设有一个法兰盘安装凹槽682(如图8和图9所示)，法兰盘安装凹槽682呈圆形且大小与第一法兰盘711的大小尺寸相对应，法兰盘安装凹槽682内也设有螺栓孔并与第一法兰盘711上的安装槽7115位置相对应，从而使得机械臂连接装置7利用第一法兰盘711和法兰板68通过螺栓连接固定在立柱2侧面的滑块67上，从而机械臂3能够在立柱的2侧面是实现上下移动。

第二法兰盘721的上下处各设有一个平台7211，每一平台7211的中部均设有凹槽7212，每一平台7211上设有两个螺纹孔7213并分布在凹槽7212的两侧，凹槽7212最低端形成的圆环直径大于第二管段72的外径的直径。所述第二法兰盘721上也设有若干螺栓孔7214。

其中，底座1为由焊接材料构成的主体结构，底座1是可移动的，底座1既可以通过电机驱动也可以通过人力推动，由图3可知，底座1下端的后部设有两个单独的驱动轮系统5，由图4所示，底座1下端的前部设有两个被动的万向轮54，其中，由图3、图10和图11所示，每一驱动轮系统5各设有一个驱动电机51，驱动电机51通过离合器52的离合可以与驱动轮53的轮轴分开或相连；通过两个驱动轮系统5驱动电机51的差速控制，从而控制驱动轮53的方向和转速差，使底座1能够完成前行、后退或转向动作。当需要电机驱动底座1时，驱动电机51通过离合器52的与驱动轮轴连为一体，从而为驱动轮53提供动力；当需要人力对设备进行移动时，驱动电机51与离合器52脱开，使得驱动电机51与驱动轮轴分离，从而人力便能够推动设备。另外，在一个优选的实施例中，驱动电机51可以选择具有反向制动功能的电动机，底座在运行移动的过程中，若需要紧急制动时，对驱动电机51通入反向制动电流，使驱动电机51输出零转速信号，底座1停止运动。

本发明为了能够灵活应用于不同支撑需求的场合，在底座1前端设有支撑腿安装结构55(如图3和图4所示)，在一个优选的实施例中，本发明具有两个支撑腿安装结构55，即底座1前端万向轮54处各设有一个支撑腿安装结构55，支撑腿安装结构55用于安装可活动的支撑腿(图中未显示)，每一支撑腿的一端设有一个万向轮(图中未显示)，支撑腿的另一端与支撑腿安装结构55通过轴孔过盈配合，从而保证支撑腿与底座1足够的连接强度，由于支撑腿通过支撑腿安装结构55能够固定安装在底座1的前端，且每一支撑腿也的前端也设有万象轮，因此底座1通过可加长的活动支撑腿结构，增加了底座1在长度方向的支撑距离，使得本发明能够灵活应用于不同支撑需求的场合。

此外，如图4和图10所示，在底座1的底部还设有三个支撑脚56，三个支撑脚56用于稳定底座1，每一个支撑脚56与底面接触的接触面处设有橡胶垫(图中未显示)，用于增加底座1与接触面的摩擦力，其中，三个支撑脚56的其中两个位于底座下端前部的万向轮54处(如图4所示)，其中一个支撑脚56位于底座1下端后部的两个驱动轮53之间(如图10所示)，在驱动轮53之间的支撑脚处设有一个制动板57(如图1、图和图3所示)，制动板57用于控制每一个支撑脚56的上下伸缩；当底座移1动到指定位置后，踩下制动板57，三个支撑脚56向下伸出并与地面接触，手术机器人通过自身的重量和橡胶垫与地面产生较大的摩擦力，从而防止手术机器人驻停后受其他外力而移动。

底座1的上端固定安装有立柱2，立柱2可以是圆形、正方形、长方形或多边形等柱状结构，在一个优选的实施例中，立柱2为横截面呈正方形的柱状结构，立柱2的四个侧面均可以用于安装机械臂3(如图1和图2所示)。同时，根据手术中实际的要求，可以只选择安装一个机械臂3，也可以选择两个、三个或者四个机械臂3同时安装。此外，机械臂3能够通过垂直升降系统6在立柱2上实现上下移动。

在一个优选的实施例中，垂直升降系统6包括滑动轮系统、机械臂导轨以及配重导轨。

其中，由图3、图4和图7所示，滑动轮系统具有四组且分别设置在立柱2上端的四个方向，每一组滑动轮系统都具有一个定滑轮61、两个动滑轮62和两条钢丝绳63，定滑轮61固定在立柱2的上端面上且定滑轮61的轴线与立柱2上端面的棱边平行，两个动滑轮62位于立柱2的侧面上，定滑轮61的轴线与两个动滑轮62的轴线异面垂直且定滑轮61位于两个动滑轮62中间，两个钢丝绳63的一端共同连接立柱2的内部设有配重64，另一端则绕过定滑轮61(两条钢丝绳63在定滑轮61上相互平行)，再分别绕过相对应的动滑轮62，最后固定在立柱2相对应的绳头座65上。绳头座65固定在立柱2的上端，并分别设置在相对应的动滑轮62的外侧边。

如图3、图4以及图7、图8和图9所示，立柱2四个侧面上各设有一个机械臂导轨66，导轨上设有可以滑动的滑块67，滑块67的外侧面固定设有法兰板68，法兰板68用于连接机械臂3，法兰板68的上端设有连接板681，连接板681分别通过两个螺栓固定在两个动滑轮62的轮轴上，因此机械臂3依靠法兰板68和滑块67能够在机械臂导轨66上上下移动。此外，本发明还设有失电式电磁刹车69，失电式电磁刹车69与定滑轮61同轴设置，此结构可以在发生意外断电、失电刹车耦合时，通过手动方式向上移走机械臂3，同时保证不会向下滑移。保证手术过程中若出现意外断电时，可移开机械臂3从而转移病人。

立柱2为空心状的柱状结构，在立柱2的内侧设有配重导轨，配重导轨用于立柱2中心处配重8的上下移动(如图7所示)，配重8的增减用于配合机械臂3的在机械臂导轨上上下移动。当动滑轮62带动法兰板68上的机械臂3向下移动时，减少配重8；当动滑轮62带动法兰板68上的机械臂3向上移动时，增加配重8。

在一个优选的实施例中，本发明手术机器人的后部设有推手4，推手4位于底座1上端的后部，推手4通过固定在底座1上端后部的一个支架41固定，在一个优选的实施例中，推手4采用底部铸铝结构和顶部注塑件相结合的设计，且推手4的力接触点处为弧形设计，以上推手4结构设计不仅使得推手4底部能够承受足够的推力，同时推手4顶部还能满足一定的造型设计要求。

再由图1和图2所示，本发明实施例中的立柱2为横截面呈正方形的柱状结构，在立柱2的四面均设有机械臂3，四个侧壁上的机械臂3均能依靠滑动轮系统在立柱2上上下移动，其中，在一个优选的实施例中，立柱2的相对的左侧壁和右侧壁的法兰板68上安装机械臂连接装置7，而靠近病人和远离病人相对的两个侧壁不安装机械臂连接装置7，此种结构，使立柱2的左右两个侧壁上的机械臂3能在向前及左右两侧具有更大的活动范围和空间。

因此，由以上内容可知，本发明的优点在于：(1)立柱2与机械臂3之间设有的机械臂连接装置7，可以扩大手术机器人的机械臂3活动范围的结构形式，此外，机械臂连接装置7呈“l”形，两端均带有法兰盘，一端能够连接立柱2，一端能够连接机械臂3，从而在保证机械臂3与立柱2连接强度的同时，还能带动机械臂3在立柱2上上下移动，不仅使机械臂3能在向前及左右两侧获得更大的活动范围和空间，而且还方便手术前的机械臂3摆位，获得更大的手术空间；(2)立柱2为横截面呈正方形的柱状结构，其四面均可以安装机械臂3，既可以单独使用一个机械臂3，也可以使用两个、三个或者四个同时使用，不同位置以及多种组合的机械臂3，满足了不同的安装要求的手术需求。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不分离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。