机械臂及医疗机器人的制作方法

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。

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。

技术实现要素：

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＝v0*sgn(τr)+kr*τr

其中：vr为冗余调整关节速度，v0为预设基础避障速度，sgn()为符号函数，τr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_curr+vr*cycletime

其中：q_cmdr为下一周期期望位置，q_curr为当前位置，cycletime为控制模块控制周期。

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障碍物，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，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所示的医疗机器人的关节组成示意图；

图3a是本发明实施例二中的六自由度偏置布置的医疗机器人的主视图；

图3b是本发明实施例二中的六自由度偏置布置的医疗机器人的俯视图；

图4是本发明实施例三中的六自由度医疗机器人的关节组成示意图，其中末端三个关节不相交于一点；

图5是本发明实施例四中的七自由度医疗机器人的结构示意图；

图6是图5所示的七自由度医疗机器人的关节组成示意图，其中末端三个关节旋转轴线相交于一点；

图7是本发明实施例四中的另一七自由度医疗机器人的关节组成示意图，其中末端三个关节旋转轴线不相交于一点；

图8是本发明实施例五中的七自由度医疗机器人的关节组成示意图，其中第三摆动关节为平行四边形结构；

图9是本发明实施例五中的另一七自由度医疗机器人的关节组成示意图，其中第三摆动关节包括弧形导轨和滑块；

图10是本发明实施例七中的医疗机器人调整腹腔镜姿态的示意图；

图11是本发明实施例七中的医疗机器人实现不动点约束的流程图

图12a是本发明实施例九中的镜座的内部结构示意图；

图12b是本发明实施例九中的镜座的外部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的机械臂及医疗机器人进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以下列举医疗机器人及其机械臂的较优实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。如在所附权利要求书以及说明书中所使用的，“大臂”、“中臂”、“小臂”并非是对这些构件相对尺寸的限定。如在所附权利要求书以及说明书中所使用的“近端”是指远离患者的一端；“远端”是与“近端”相对的一端，具体是指靠近患者的一端。

【实施例一】

如图1及图2所示，在本发明实施例一中，提供一种医疗机器人10，其包括机械臂以及与该机械臂末端可拆卸连接的医疗器械，在本实施例中所述医疗器械为腹腔镜8，所述机械臂用于驱动腹腔镜8围绕一不动点运动。从近端到远端，所述机械臂依次包括第一转动关节101、第一摆动关节102、第二摆动关节103、第二转动关节104、第三摆动关节105，以及用于实现腹腔镜8自转的自转关节106。

其中，第一转动关节101的旋转轴线与所述第一摆动关节102的旋转轴线垂直且相交；第一摆动关节102的旋转轴线与第二摆动关节103的旋转轴线相平行；第二摆动关节103的旋转轴线与第二转动关节104的旋转轴线垂直且相交；第二转动关节104的旋转轴线与第三摆动关节105的旋转轴线相垂直，第三摆动关节105的旋转轴线与自转关节106的旋转轴线相垂直，第二转动关节104的旋转轴线、第三摆动关节105的旋转轴线与自转关节106的旋转轴线相交于一点；且第三摆动关节105的旋转轴线与第二摆动关节103的旋转轴线相平行。

进一步，以上各个关节通过连杆相连接，具体而言，所述机械臂还包括基座1、大臂2、中臂3、前臂4、小臂5、镜座连接件6和镜座7。

所述基座1用于将医疗机器人10与外部机构固定，如固定至手术病床或其他安装对象上。所述基座1的远端设置所述第一转动关节101，所述基座1通过所述第一转动关节101与所述大臂2连接。优选，所述基座1的轴线、大臂2的轴线以及第一转动关节101的旋转轴线配置在同一条直线上。

所述大臂2的远端设置所述第一摆动关节102，所述大臂2通过所述第一摆动关节102与所述中臂3连接。同时，所述大臂2的轴线和所述中臂3的轴线分别与第一摆动关节102的旋转轴线垂直相交。优选，所述大臂2的轴线和所述中臂3的轴线相交于所述第一摆动关节102的旋转轴线上的一点。

所述中臂3的远端设置所述第二摆动关节103，所述中臂3通过所述第二摆动关节103与所述前臂4连接。所述中臂3的轴线以及所述前臂4的轴线分别与所述第二摆动关节103的旋转轴线垂直且相交，优选，所述中臂3的轴线与所述前臂4的轴线相交于所述第二摆动关节103的旋转轴线上的一点。

所述前臂4的远端设置所述第二转动关节104，所述前臂4通过所述第二转动关节104与所述小臂5连接。优选，所述前臂4的轴线、小臂5的轴线以及第二转动关节104的旋转轴线配置在同一条直线上。

所述小臂5的远端设置所述镜座连接件6，所述镜座连接件6与所述小臂5偏置布置，即所述镜座连接件6的轴线与所述小臂5的轴线相平行。所述镜座连接件6与所述小臂5可以是固定连接，例如一体化成型，也可以是可拆卸连接。所述镜座连接件6的远端设置所述第三摆动关节105，所述第三摆动关节105的旋转轴线与小臂5的轴线垂直相交。所述镜座连接件6通过所述第三摆动关节105与所述镜座7连接。所述镜座7上设置所述自转关节106。

其中，为了降低机械臂的运动控制难度，简化运动控制的计算过程，所述第二转动关节104的旋转轴线、第三摆动关节105的旋转轴线以及自转关节106的旋转轴线被配置为相交于一点。具体而言，在本实施例中，由于所述机械臂末端的三个关节的轴线相交于一点，则在调整腹腔镜8的姿态时，可以保持第一转动关节101、第二摆动关节102和第三摆动关节103静止不动，而仅驱动第二转动关节104、第三摆动关节105和自转关节106作相应的运动即可。同样，在调整夹持腹腔镜8的夹持点位置时，只需要调整近端的三个关节即可。这样可以简化机器人运动学方程，降低计算量。

进一步来说，本实施例的机械臂通过上述六个关节，能够完成六个自由度的运动，从而方便调整夹持腹腔镜8的夹持点的空间位置和腹腔镜8姿态。且当手术时，以患者创口位置作为不动点位置，所述腹腔镜8从患者创口位置伸入体内，通过对机械臂末端的调整以及不动点的约束，便可使腹腔镜8能围绕术中不动点进行相应的运动(如转动或伸缩)。并且与现有的机械臂相比，如达芬奇机械臂，本实施例的机械臂整体尺寸小，质量轻，能够方便地在病床侧安装和使用。

本实施例中，以腹腔镜作为医疗器械进行说明，但是医疗器械不限于用于检测的腹腔镜，还包括用于手术操作的手术器械，例如剪刀、电钩等。本发明对手术器械的类型也没有特别的限制。

【实施例二】

本发明实施例的机械臂与实施例一基本相同，以下主要针对不同点来说。

如图3a及图3b所示，在本发明实施例二中，所述机械臂中的部分连杆为偏置连接。具体而言，在图3b所示的俯视角度下，所述中臂3位于大臂2的右侧，且所述前臂4位于中臂3的左侧，即中臂3的轴线与大臂2的轴线不相交，即异面或者平行，前臂4的轴线与中臂3的轴线不相交，即异面或平行。优选，大臂2的轴线与前臂4的轴线位于中臂3的轴线的同一侧。例如，所述大臂2和前臂4均位于中臂3的左侧(但实际中，不限于左侧，还可以是中臂3的右侧)。这里，由于小臂5和前臂4同轴布置，故小臂5也位于中臂3的左侧。除此之外，在图3b所示的俯视角度下，所述镜座连接件6和镜座7均位于小臂5的左侧，同时所述镜座连接件6位于镜座7的左侧。因此，所述镜座连接6、小臂5均布置在中臂3的同一侧，且较佳地镜座7位于机械臂的中间平面上，即在图3b所示的俯视角度下，所述镜座7、前臂4、小臂5以及大臂2的轴线在同一个平面内，这样可以获得整体宽度尺寸较小的机械臂，使得机械臂在运动过程中的占用空间更小，更便于在手术过程中安装和使用。

【实施例三】

本发明实施例的机械臂与实施例一基本相同，以下主要针对不同点来说。

如图4所示，在本发明实施例三中，所述第二转动关节104的旋转轴线、第三摆动关节105的旋转轴线以及自转关节106的旋转轴线不相交于一点，具体为所述第二转动关节104的旋转轴线与第三摆动关节105的旋转轴线垂直且相交，所述第三摆动关节105的旋转轴线与自转关节106的旋转轴线仅垂直而不相交，所述第二转动关节104的旋转轴线与自转关节106的旋转轴线仅相交。

此时，所述镜座连接件6作为可选的方案，即小臂5可直接通过第三摆动关节105与镜座7连接，或小臂5与镜座连接件6固定连接或可拆卸地连接且两者轴线共线设置，然后镜座连接件6通过第三摆动关节105与镜座7连接。这样的机械臂构型亦能完成六个自由度的运动，但在调整腹腔镜8的姿态时，需要六个关节一起配合运动。

【实施例四】

本发明实施例的机械臂与上述实施例基本相同，以下主要针对不同点来说。

如图5和图6所示，在本发明实施例四中，所述机械臂具有七个自由度。具体而言，所述机械臂还包括第三转动关节107，所述第三转动关节位于所述第一摆动关节102和第二摆动关节103之间，且第三转动关节107的旋转轴线分别与所述第一摆动关节102及第二摆动关节103的旋转轴线相垂直。

优选的，所述中臂3包括同轴布置的中后臂31和中前臂32，所述中后臂31通过第一摆动关节102与大臂2连接，并通过第三转动关节107与中前臂32连接；所述中前臂32通过第二摆动关节103与前臂4连接。因此，所述第三转动关节107与第二转动关节104形成冗余设置，使得机械臂能够完成七个自由度的运动，便于机械臂更灵活的调整腹腔镜8的空间位置和姿态，而且使得机械臂能够较为容易的避开障碍物，防止机械臂的运动对医生的操作造成干扰，降低了医生操作的复杂度和困难度。

此外，本实施例中，所述第二转动关节104的旋转轴线、第三摆动关节105的旋转轴线与自转关节106的旋转轴线相交于一点(如图6所示)。或者，如图7所示，所述第二转动关节104的旋转轴线、第三摆动关节105的旋转轴线与自转关节106的旋转轴线不相交于一点。另外，与实施例二类似的，所述大臂2、前臂4、镜座7、镜座连接件6也可位于中臂3的同一侧。

【实施例五】

本发明实施例的机械臂与前述实施例四基本相同，以下针对不同点进行描述。

如图8所示，在本发明实施例五中，所述第三摆动关节105为一不动点机构，用以驱动腹腔镜8围绕所述不动点摆动。所述第三摆动关节105具体为一平行四边形结构，所述平行四边形结构具体由四个摆动铰链组成，包括：第一侧边；与第一侧边平行的第二侧边；第三侧边；与第三侧边平行的第四侧边；通过平行四边形结构可驱动腹腔镜8围绕一固定点运动，该固定点即为不动点fp。具体来说，所述平行四边形结构的旋转轴线与第二转动关节104的旋转轴线垂直，所述第二转动关节104与所述平行四边形结构的第一侧边连接。优选第二转动关节104的旋转轴线与第一侧边共线设置，如此所述平行四边形结构的旋转轴线与第二转动关节104的旋转轴线不仅垂直而且相交。另外，所述自转关节106与所述第一侧边相对的第二侧边转动连接，且所述自转关节106的旋转轴线被配置为始终与所述平行四边形结构的第三侧边相平行。具体的配置方法可以采用丝传动控制所述自转关节106的轴线摆动角度与四个摆动铰链组成的平行四边形结构一致，也可以采用平行四边形结构来实现所述自转关节106的轴线摆动角度与四个摆动铰链组成的平行四边形结构一致，例如以增加一与第一侧边平行的第五侧边，第五侧边分别连接第三侧边以及腹腔镜镜杆，且第五侧边与第二侧边长度相等，如此不动点机构为一多平行四边形结构。所述第一侧边的轴线与所述自转关节106的旋转轴线相交于固定点，即不动点fp。

本实施例的机械臂采用不动点机构实现了医疗器械通过创口进行手术操作或检测，使得机械臂通过机械结构约束腹腔镜等医疗器械围绕不动点运动，提升了机械臂的安全性和可靠性。

进一步，除了平行四边形结构外，还可以采用图9所示的不动点机构，所述第三摆动关节105包括弧形导轨1051以及可移动地设置在弧形导轨1051上的滑块1052。所述弧形导轨1051与第二转动关节104连接。同时所述自转关节106与滑块1052连接，从而由滑块1052驱动自转关节106沿弧形导轨1051绕圆心摆动，且所述自转关节106的旋转轴线亦经过所述弧形导轨1051的圆心。因此，弧形导轨1051的圆心形成为不动点fp。优选，所述第二转动关节104的旋转轴线经过所述弧形导轨1051的圆心。

显而易见，本实施例中的机械臂也可以省去第三转动关节107。由此，所述机械臂可变为具有六个自由度，但是仍然可以实现约束腹腔镜围绕不动点运动。

【实施例六】

在本发明实施例六中，所述机械臂还包括驱动模块，且所述机械臂具有主动调整模式和被动调整模式。通常地，由机械臂上的驱动模块如电机，驱动机械臂关节运动的工作方式即为机械臂的主动调整，与此相对的，由外部力驱动机械臂关节运动的工作方式即为机械臂的被动调整。进一步，在被动调整模式下，机械臂关节上的电机能够作为重力补偿而配合外部力驱动机械臂关节运动，以使得操作者能够克服机械臂上各关节的阻力，从而能够协助操作者使机械臂顺利运动至预定的位置，从而增加了机械臂被动调整操作的舒适度和便捷性。

进一步，在实施例五的机械臂的基础上，所述第二转动关节104可由电机m驱动，或仅用电机m作为重力补偿实现被动调整。在被动调整模式下，通过外部力驱动第二转动关节104转动。此外，所述第三摆动关节105亦可由电机m驱动，或仅用电机m作为重力补偿实现被动调整，在一个实施例中，电机m可处于四个摆动铰链中的任意一个，在另一个实施例中，电机m驱动滑块1052沿着弧形导轨1051围绕圆心运动。

【实施例七】

可见，在本发明实施例五中，采用不动点机构的机械构型即可实现了腹腔镜能够围绕不动点运动的功能，然而，在本发明第一至四实施例中，仅通过机械构型不能实现腹腔镜始终围绕不动点运动的功能，需要通过约束条件来约束每个关节的运动才能实现上述功能。现有的机械臂在术中不能调整不动点的位置，而实际的手术可能会因为机器人的运动偏差或患者的移动，导致不动点位置不准确，对患者造成额外伤害。因此，本实施例的机械臂虽然会增加额外的控制模块等部件，但是这样可以提高各关节的配合能力，保证机械臂调整的灵活性，并且在术中可以实现调整不动点的位置的功能，更符合医生的需求，从而避免对患者造成额外伤害。

首先参阅图10，本实施例的机械臂通过六个或七个关节的配合运动，可使腹腔镜8从姿态a调整到姿态a’或a”，此过程中，所述腹腔镜8始终围绕不动点fp运动。在一些实施例中，将机械臂锁定在主动调整模式，此时，需要通过机器人运动学算法控制各个关节的运动，从而控制腹腔镜围绕不动点运动，例如需要计算出各个关节的期望运动位置，并借助于各个关节上电机的相互配合，才能实现腹腔镜8围绕不动点fp运动。尤其当腹腔镜8的姿态保持不动时，可通过机器人运动学算法控制腹腔镜8进行伸缩，使其可沿着自身的镜管801移动。特别的，对于七自由度的机械臂，当机械臂在术中阻碍了医生操作时，亦可通过机器人运动学算法将机器人推至一侧，在没有影响到腹腔镜8的空间位置和姿态的前提下，一方面使得机械臂能够绕开障碍物，另一方面通过机器人运动学算法实现了不动点的约束。

在本发明本实施例七中，机械臂还包括：控制模块；与控制模块通信连接的驱动模块；以及与控制模块通信连接的位置传感器，位置传感器用以测量各个关节位置；其中，本实施例的机械臂实现不动点约束的工作方式主要包括：

首先，将机械臂锁定为被动调整模式，在此模式下，将腹腔镜8的末端手动调整到患者身上戳卡的位置(此时腹腔镜的末端与患者创口重合)，控制模块根据位置传感器所获取的各个关节位置，利用机械臂正运动学模型获得腹腔镜末端的位置，作为不动点(记为fp)的位置，该不动点在机械臂基坐标系b下的描述为^bpfp＝(xfp,yfp,zfp)；

然后，将腹腔镜8插入戳卡，进一步进入人体内部，此时，便需要将机械臂锁定在主动调整模式，以便于手术过程中通过机器人运动学模型控制腹腔镜8围绕不动点运动。

进一步，根据图11所示的流程对不动点的一种约束方式作进一步的描述。

如图11所示，当腹腔镜插入戳卡并伸入人体内部后，即将机械臂锁定在主动调整模式，控制腹腔镜始终围绕不动点运动。

具体的，本发明实施例的机械臂的控制模块，根据预设的期望位置(步骤401)和上述不动点的位置(步骤402)，获得腹腔镜的期望姿态(步骤403)，之后，控制模块利用机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各关节的期望位置(步骤404)。其中，腹腔镜的期望位置可以由术前的手术规划提供，也可以由其他方式实现，本发明对此没有特别的限制。进而所述控制模块根据机械臂各关节的期望位置(步骤404)，通知各电机驱动机械臂各关节运动(步骤405)，以使机械臂驱动腹腔镜围绕不动点fp运动(步骤406)，并且控制所述腹腔镜末端运动至期望位置(步骤406)。

进一步，在本实施例中，所述腹腔镜的期望姿态包括腹腔镜之期望坐标系的z轴的期望姿态；所述腹腔镜之期望坐标系的z轴的期望姿态的计算如下：

其中，pto为腹腔镜末端的期望位置在机械臂基坐标系下的表示；pf为不动点的位置在机械臂基坐标下的表示；nte为腹腔镜的期望坐标系的z轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示。同时，本发明对腹腔镜的期望坐标系之x轴和y轴的取向不做强制性约束。可根据实际适应情况决定。例如，

所述腹腔镜之期望坐标系的y轴的期望姿态为：

pte＝nte×rtc

所述腹腔镜之期望坐标系的x轴的期望姿态为:

rte＝pte×nte

其中：pte为腹腔镜之期望坐标系的y轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示；rtc为腹腔镜的坐标系的x轴的当前姿态在机械臂基坐标系下的表示；rte为腹腔镜之期望坐标系的x轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示。

在一个优选实施例中，所述控制模块进一步，结合期望笛卡尔运动速度的大小(或者默认速度)，计算各机械臂关节的速度。关节速度具体为：

其中为关节速度，j为雅克比矩阵，v为期望笛卡尔速度。

具体的，所述控制模块根据腹腔镜的期望的笛卡尔速度，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个关节的期望速度，控制电机驱动各个关节运动，以驱动腹腔镜围绕所述不动点运动，并且腹腔镜末端以期望的笛卡尔速度运动至期望位置。这里，本发明根据预设关节速度，来获取姿态调整时实际的关节运动速度，这样可以增加底层速度控制，保证运动平稳性，防止运动过程中产生抖动。

【实施例八】

对于七自由度的机械臂来说，其还具有避障功能，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，在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。

在本实施例中，所述机械臂上各个关节的电机上还设有与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各关节受到的外部作用力并反馈给控制模块。其中，当所述力矩传感器检测到外部作用力时，所述控制模块确定受力最大的关节作为冗余调整关节，并控制电机给予该冗余调整关节一个反向运动速度，从而控制机械臂绕开该障碍物。

可选的，冗余调整关节的反向运动速度为：

vr＝v0*sgn(τr)+kr*τr

其中：vr为避障关节速度，即冗余调整关节速度，v0为预设基础避障速度，sgn()为符号函数，τr为冗余关节外部力矩，kr为速度-力矩系数。

其中，当τr>0时，sgn(τr)＝1；当τr<0时，sgn(τr)＝-1；当τr＝0时，sgn(τr)＝0。

进而，可以得到冗余调整关节下一控制周期的期望位置：

q_cmdr＝q_curr+vr*cycletime

其中：q_cmdr为下一周期期望位置，q_curr为当前位置，cycletime为控制模块控制周期。

因此，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，从而在避开障碍物的同时，能够实现腹腔镜姿态的调整。

在一个替代性实施例中，上述七自由度的机械臂的电机上也可不设置力矩传感器，而是通过一检测装置直接监测电机输出的力矩(电流)，从而对外部作用力进行监测，使得控制模块直接根据监测到的电机输出力矩，确定受力最大的关节并将该关节确定为冗余调整关节，并给冗余调整关节一个反向速度，使机械臂绕开障碍物。

具体的，在获取电机的输出力矩后，所述控制模块判断电机的输出力矩与理论关节力矩的差值是否超过预设的阈值，若超过，则判断机械臂受到外部干扰。

这里，发明人发现，机器人动力学模型通常为：

其中：q为关节的真实位置，为关节的真实速度，为关节的真实加速度；b为惯性矩阵，c为位置速度相关矩阵，g为重力矩阵，fυ为阻尼系数，fs为摩擦力,sgn()为符号函数，τ为理论关节力矩。可见，利用机器人动力学模型以及轨迹规划，可预测各关节运行过程中的驱动力矩，因此，若实际电机的输出力矩超过理论关节力矩达到预设的力矩阈值后，即可判断对应的关节受到外部干扰，为冗余调整关节。

【实施例九】

在本发明实施例九中，如图12a及图12b所示，所述镜座7与所述自转关节106配置关系如下：所述镜座7包括一内腔701，且在远端设有一通孔，用于使内窥镜8通过。所述自转关节106包括设置于所述内腔701的传动轮704，所述传动轮704可以相对于所述镜座7转动，且所述传动轮704与所述通孔同轴布置。相应的，所述腹腔镜8包括一镜管801，所述传动轮704具体可与镜管801连接，以驱动腹腔镜8转动。所述驱动模块包括设置于所述内腔701的电机702和输出轮703，所述电机702通过输出轮703驱动所述传动轮704转动。进一步，所述电机702与所述输出轮703同轴连接；所述输出轮703与所述传动轮704传动连接，且所述输出轮703的轴线与传动轮704平行布置。优选，所述驱动模块还包括减速机构，所述电机702通过所述减速机构与所述输出轮703连接。在一些实施例中，所述输出轮703与传动轮704通过齿啮合实现传动连接，例如通过齿轮之间啮合，或通过链条齿轮啮合。在一些实施例中，所述输出轮703与传动轮704通过柔性结构实现传动连接，比如同步带、钢丝等柔性结构与这些转轮之间的摩擦力来实现传动连接。在优选的实施例中，为减小体积，所述输出轮703与传动轮704通过柔性结构实现传动连接。优选的，所述自转关节106还包括用于锁紧腹腔镜8的锁紧装置，所述锁紧装置包括但不限于制动器。

本实施例的机械臂通过驱动模块驱动自转关节106实现腹腔镜8自转，使得操作者可以根据需求，将腹腔镜8调整到适当的位置，调整更为方便，调整精度更高。现有持镜的机械臂一般采用手动驱动腹腔镜8自转，具体而言，通过阻尼器的转动驱动腹腔镜8自转。由于阻尼器本身在转动过程中会提供阻力，故手动操作腹腔镜8转动后，腹腔镜8能够停留在期望的位置。但是在这种模式下，调整的精度不足，且操作者体验也不佳。为此，本发明可以通过电机等驱动装置驱动腹腔镜转动，调整精度高，医生操作的舒适度更好。此外，本实施例的自转关节106不仅可以由驱动模块来驱动，而且驱动模块和自转关节106整合在所述镜座7中，结构简单，尺寸小，适于安装和使用。

最后，本发明较佳实施例如上所述，但不限于上述实施例公开的范围，例如形成不动点机构的第三摆动关节的结构不限于平行四边形或者弧形导轨和滑轨配合的方式，只要第三摆动关节具有一个固定点，使得第三摆动关节围绕该固定点摆动，且医疗器械的轴线均经过所述固定点即可。

综上所述，在本发明提供的机械臂及医疗机器人中，至少通过六个关节的配合，实现腹腔镜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。另外，本发明通过驱动模块驱动自转关节实现腹腔镜转动，便于医生独自完成手术操作和持镜，以此降低手术操作的难度，避免人力资源的浪费。

此外，本发明的机械臂还较佳地设有第三转动关节，并与第二转动关节形成冗余设置，使得机械臂能够完成七个自由度的运动，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障碍物，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。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。