机械臂、从操作设备及手术机器人的制作方法

1.本技术属于医疗器械技术领域，更具体地说，是涉及一种机械臂、从操作设备及具有该从操作设备的手术机器人。


背景技术：

2.微创手术是指利用腹腔镜，胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小，疼痛轻，恢复快等优势。
3.随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作控制台及从操作设备，主操作控制台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作控制台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。
4.从操作设备包括机器臂和设置在机械臂远端的制动装置。机械臂一般包括大臂、小臂和执行端，传统执行端的驱动结构都是靠近负载端，比如电机直接放置在执行端的关节处，这样会使得执行端的重量大，且惯性大。而对于操作者来说，执行端的重量越小、惯性越小，操作就越轻松，因此，现有的结构设计会导致操作者操作负担大，操作不便。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的在于提供一种机械臂、机械臂及手术机器人，以解决现有技术中存在的执行端的驱动结构靠近执行端导致操作者操作不便的技术问题。
6.第一方面，为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种机械臂，包括机架、执行端及至少一个驱动臂，所述机架、至少一个所述驱动臂及所述执行端依次连接；
7.所述机械臂还包括用于驱动所述执行端的驱动结构，所述驱动结构包括驱动件及传动机构，所述传动机构传动连接于所述驱动件及所述执行端之间；
8.其中，所述驱动件设于与所述执行端连接的驱动臂上远离所述执行端的一端；或者所述驱动件设于其他所述驱动臂上；或者所述驱动件设于所述机架上。
9.在可能的实施例中，所述机械臂包括两个所述驱动臂，分别为大臂和小臂，所述大臂与所述机架之间设有第一转动关节，所述小臂与所述大臂之间设有第二转动关节，所述执行端与所述小臂之间设有第三转动关节；
10.所述大臂通过第一转轴转动设于所述机架上，所述大臂和所述小臂通过第二转轴转动连接，所述执行端通过第三转轴转动设于执行端小臂上。
11.在可能的实施例中，所述传动机构为钢丝传动机构。
12.在可能的实施例中，所述驱动件设于所述第一转动关节上。
13.在可能的实施例中，所述传动机构包括第一传动组件及第二传动组件，所述第一传动组件在所述第一转动关节及所述第二转动关节之间形成第一闭合传动链，所述第二传动组件在所述第二转动关节及所述第三转动关节之间形成第二闭合传动链，且所述第一传动组件与第二传动组件在所述第二转动关节处通过第二转轴同步运动。
14.在可能的实施例中，所述第一传动组件包括第一丝轮、第二丝轮及第一传动件，所述第一丝轮固定套在所述第一转轴上，所述第二丝轮固定套在所述第二转轴一端上，所述第一传动件分别缠绕于所述第一丝轮和所述第二丝轮上；
15.所述第二传动组件包括第三丝轮、第四丝轮及第二传动件，所述第三丝轮固定套在所述第二转轴的另一端上，所述第四丝轮固定套在所述第三转轴上，所述第二传动件分别缠绕于所述第三丝轮和所述第四丝轮上。
16.在可能的实施例中，所述第一丝轮与所述第二丝轮之间的第一传动件交叉设置。
17.在可能的实施例中，所述小臂中设有两组导向轮组，两组所述导向轮组分别靠近所述第三丝轮及第四丝轮设置。
18.在可能的实施例中，所述导向轮组包括两相对设置的导向轮，两组所述导向轮组中的两个导向轮间距相等，所述第二传动件分别与各所述导向轮导向连接。
19.在可能的实施例中，所述第一传动组件还包括用于调节所述第一传动件的张紧力的第一张紧装置；
20.所述第二传动组件还包括用于调节所述第二传动件的张紧力的第二张紧装置。
21.在可能的实施例中，所述传动机构在所述第一转动关节、第二转动关节及第三转动关节之间形成第三闭合传动链，并在所述第二转动关节处进行换向。
22.在可能的实施例中，所述驱动件设于所述机架上。
23.在可能的实施例中，所述传动机构包括第三传动组件及第四传动组件；
24.所述第三传动组件在所述驱动件的输出轴、所述第一转动关节及所述第二转动关节之间形成第四闭合传动链，并在所述第一转动关节处进行换向；
25.所述第四传动组件在所述第二转动关节及所述第三转动关节之间形成第五闭合传动链；
26.所述第三传动组件与第四传动组件在所述第二转动关节处通过第二转轴同步运动。
27.在可能的实施例中，所述传动机构在所述驱动件的输出轴、第一转动关节、第二转动关节及第三转动关节之间形成第六闭合传动链，并在所述第一转动关节及第二转动关节处分别进行换向。
28.在可能的实施例中，所述驱动件设于所述第二转动关节上。
29.在可能的实施例中，所述传动机构在所述第二转动关节与所述第三转动关节之间形成第七闭合传动链。
30.在可能的实施例中，所述驱动件设于所述大臂上，并位于所述第一转动关节与所述第二转动关节之间。
31.本技术提供的机械臂的有益效果在于：本技术实施例提供的机械臂，通过将驱动件设于远离执行端的位置，并通过传动机构将驱动件传动连接至执行端，则可以通过远处的驱动件来驱动执行端运动。同时，驱动件远离执行端设置，使得执行端的重量大大减小了，则执行端的惯性也相对减小，从而使得操作者操作更加轻松，进而提高了手术的成功率。
32.第二方面，本技术还提供了一种从操作设备，包括上述机械臂。
33.本技术提供的从操作设备通过上述机械臂的设置，使得该从操作设备便于操作。
34.第三方面，本技术还提供了一种手术机器人，包括上述从操作设备。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
36.图1为本技术实施例提供的主操作控制台的立体示意图，其中，机械臂未示出；
37.图2为本技术实施例提供的从操作设备的立体示意图；
38.图3为本技术实施例提供的机械臂的立体示意图；
39.图4为图3中大臂、小臂及执行端的部分结构示意图；
40.图5为图4的侧视示意图；
41.图6为图5中a
‑
a的剖视示意图；
42.图7为本技术实施例一提供的驱动件、钢丝传动机构及执行端的结构示意图；
43.图8为图7中驱动装置的侧面简化示意图；
44.图9为本技术实施例二提供的驱动件、钢丝传动机构及执行端的结构示意图；
45.图10为本技术实施例三提供的驱动件、钢丝传动机构及执行端的结构示意图；
46.图11为本技术实施例四提供的驱动件、钢丝传动机构及执行端的结构示意图；
47.图12为本技术实施例五提供的驱动件、钢丝传动机构及执行端的结构示意图；
48.图13为本技术实施例六提供的驱动件、钢丝传动机构及执行端的结构示意图。
49.其中，图中各附图标记：
50.100、从操作设备；200、主操作控制台；300、手术器械；10、机械臂；20、致动装置；11、机架；12、大臂；13、小臂；14、执行端；15、驱动件；16、钢丝传动机构；161、第一传动组件；1611、第一丝轮；1612、第二丝轮；1613、第一传动件；1614、张紧轮；162、第二传动组件；1621、第三丝轮；1622、第四丝轮；1623、第二传动件；1624、张紧螺母；1625、导向轮组；17、第一转动关节；171、第一转轴；18、第二转动关节；181、第二转轴；19、第三转动关节；191、第三转轴；161a、第五丝轮；162a、第六丝轮；163a、第七丝轮；164a、第三钢丝；161b、第三传动组件；162b、第四传动组件；p1、第一闭合传动链；p2、第二闭合传动链；p3、第三闭合传动链；p4、第四闭合传动链；p5、第五闭合传动链；p6、第六闭合传动链；p7、第七闭合传动链；p8、第八闭合传动链。
具体实施方式
51.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
52.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”，“水平的”，“左”，“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。本文所使用的术
语“远端”，“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。
53.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
54.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
55.微创手术机器人一般包括从操作设备和主操作控制台，图1所示为本技术一实施例的主操作控制台200，图2所示为本技术一实施例的从操作设备100，外科医生在主操作控制台200上进行对从操作设备100的相关控制操作，从操作设备100根据主操作控制台200的输入指令执行对人体的外科手术，主操作控制台200和从操作设备100可以置于一个手术室内，也可以置于不同的房间，甚至主操作控制台200和从操作设备100可以相距很远，例如主操作控制台200和从操作设备100分别位于不同的城市，主操作控制台200与从操作设备100可以通过有线的方式进行数据的传输，也可以通过无线方式进行数据的传输。
56.从操作设备100包括机械臂10和设置在机械臂10远端的致动装置20，用于执行外科手术的手术器械300与致动装置20相连接，致动装置20通过其内部的多个致动器驱动手术器械运动。一个致动装置20上可以连接多个手术器械300，多个手术器械300的远端通过一个切口进入人体，从而可以减少手术切口的数量，使术后恢复更加快速。
57.如图3所示，本技术一实施例的机械臂10包括机架11、执行端14及至少一个驱动臂，机架11、至少一个驱动臂及执行端14依次连接；其中，驱动臂的数量可以根据实际执行需求来定，例如当需要执行的运动较为简单，则可以选择一个驱动臂即可，则驱动臂一端与机架11连接，驱动臂另一端与执行端14连接，再如当需要执行的运动较为复杂，则可以选择两个或两个以上的驱动臂，驱动臂越多，自由度就越高，可以执行更加复杂的操作。
58.请参阅图3至图8，机械臂10还包括用于驱动执行端14的驱动结构，驱动结构包括驱动件15及传动机构，传动机构传动连接于驱动件15及执行端14之间。其中，传动机构可以是绳传动机构、皮带传动机构及链条传动结构等，其中，绳传动是指靠紧绕在槽轮上的绳索与槽轮件的摩擦力来传递动力和运动的机械传动。绳传动机构一般有钢丝传动机构16、棉传动机构、麻传动机构及涤纶传动机构，本技术可以根据实际需求及各绳传动的特点来选择。
59.其中，本技术中的传动机构为钢丝传动机构16，钢丝绳具有能够传递长距离负载，承载安全系数大，使用安全可靠，具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度和抗冲击韧性、耐磨、抗震、运转稳定性好等优点，适合应用于本技术中来驱动执行端14。
60.特别地，本技术中的驱动件15远离执行端14设置，具体的，驱动件15可以设于与执行端14连接的驱动臂上远离执行端14的一端；或者驱动件15设于其他驱动臂上；或者驱动件15设于机架11上。其中，驱动件15具体设置在哪个位置，可以根据实际设计需求来设定。例如，当驱动臂的数量为一个时，驱动件15可以设于该驱动臂远离执行端14的一端，也可以
设于机架11上；再如，当驱动臂的数量为多个时，则驱动件15可以设于与执行端14连接的驱动臂上远离执行端14的一端；或者驱动件15设于其他驱动臂上；或者驱动件15设于机架11上。
61.综上所述，在本技术中，通过将驱动件15设于远离执行端14的位置，并通过传动机构将驱动件15传动连接至执行端14，则可以通过远处的驱动件15来驱动执行端14运动，且驱动件15远离执行端14设置，使得执行端14的重量大大减小了，则执行端14的惯性也相对减小，从而使得操作者操作更加轻松，进而提高了手术的成功率。
62.实施例一：
63.请参阅图4至图7，在本实施例中，机械臂10包括两个驱动臂，分别是大臂12和小臂13，也即是机械臂10包括两个驱动臂。其中，大臂12与机架11之间设有第一转动关节17，小臂13与大臂12之间设有第二转动关节18，执行端14与小臂13之间设有第三转动关节19。具体的，大臂12通过第一转轴171转动设于机架11上，大臂12和小臂13通过第二转轴181转动连接，执行端14通过第三转轴191转动设于小臂13上，第一转轴171与第二转轴181相互平行，第二转轴181与第三转轴191在空间上相互垂直。可以理解地，在本技术的其他实施例中，根据机械臂10的实际设计需求，机械臂10也可以只包括一个驱动臂，或者包括三个及三个以上驱动臂，且各驱动臂之间也可以是直线伸缩结构，而不是转动连接，此处不做特别限定。
64.驱动件15为能够输出旋转运动的电机。当然，在其他实施例中，驱动件15也可以是旋转气缸、直线电机或直线气缸等，此处不做唯一限定。
65.请参阅图6及图7，驱动件15设于第一转动关节17上，具体是驱动件15固定于大臂12远离执行端14的一端上，钢丝传动机构16分别传动连接于驱动件15与执行端14之间，从而将大臂12一端的驱动件15传动至执行端14，其不仅能够驱动执行端14，同时能够将重量较大的驱动件15远离执行端14，有效减小执行端14负载，从而使得执行端14操作起来更加轻盈。
66.具体的，请参阅图7及图8，传动机构包括第一传动组件161及第二传动组件162，第一传动组件161在第一转动关节17及第二转动关节18之间形成第一闭合传动链p1，第二传动组件162在第二转动关节18及第三转动关节19之间形成第二闭合传动链p2。第一传动组件161与第二传动组件162在第二转动关节18处通过第二转轴181同步运动，也即是第一传动组件161为一级钢丝传动，第二传动组件162为二级钢丝传动，且一级钢丝传动在第二转轴181处将运动传递给二级钢丝传动，从而带动执行端14运动。
67.更具体的，第一传动组件161包括第一丝轮1611、第二丝轮1612及第一传动件1613，第一丝轮1611固定套在第一转轴171上，第一丝轮1611能够跟随驱动件15旋转，第二丝轮1612固定套在第二转轴181一端上，第一传动件1613分别缠绕于第一丝轮1611和第二丝轮1612上，第一传动件1613用于将第一丝轮1611的旋转运动传递至第二丝轮1612上。第二传动组件162包括第三丝轮1621、第四丝轮1622及第二传动件1623，第三丝轮1621固定套在第二转轴181的另一端上，第四丝轮1622固定套在第三转轴191上，第二传动件1623分别缠绕于第三丝轮1621和第四丝轮1622上，第二传动件1623用于将第三丝轮1621的旋转运动传动至第四丝轮1622上，从而带动第三转轴191旋转，进而带动执行端14运动。
68.其中，第一传动件1613和第二传动件1623均为钢丝。
69.为了保证第一传动件1613和第二传动件1623在运动过程中的张紧力，本技术还对应设有第一张紧装置和第二张紧装置。其中，第一张紧装置用于调节第一传动件1613的张紧度，第二张紧装置用于调节第二传动件1623的张紧度。
70.具体的，第一张紧装置为张紧轮1614，第二张紧装置为张紧螺母1624。其中，张紧轮1614套设于第一转轴171上，张紧螺母1624设于第二传动件1623上。可以理解地，在本技术的其他实施例中，当第一传动件1613与第二传动件1623位于同一个闭合传动链中，则只需在第一传动件1613和第二传动件1623中设置一个张紧装置即可；此外，第一传动件1613也可以通过张紧螺母来调节张紧力，第二传动件1623也可以通过张紧轮来调节张紧力，此处不做唯一限定。
71.请参阅图7及图8，第一丝轮1611与第二丝轮1612之间的第一传动件1613交叉设置，这样使得第一传动件1613在大臂12中占用的空间尽可能减小，从而避免第一传动件1613与大臂12中的结构产生干涉。
72.请参阅图8，小臂13中设有两组导向轮组1625，两组导向轮组1625分别靠近第三丝轮1621及第四丝轮1622设置；导向轮组1625包括两相对设置的导向轮，两组导向轮组1625中的两个导向轮间距相等，第二传动件1623分别与各导向轮导向连接。如图8所示，通过四个导向轮的设置，第二传动件1623的两根钢丝在四个导向轮之间能够保持间隔不变的传动，从而保证第二传动件1623在小臂13中传动平稳，同时还占用空间小，不会与小臂13中的其他结构产生干涉。
73.实施例二：
74.本实施例中机械臂的全部技术特征与实施例一中机械臂的全部技术特征基本相同，本实施例中的驱动件15同样设于第一转动关节17上，具体是驱动件15固定于大臂12远离执行端14的一端上，其区别在于：请参阅图9，在本实施例中，传动机构在第一转动关节17、第二转动关节18及第三转动关节19之间形成第三闭合传动链p3，并在第二转动关节18处进行换向。也就是整个传动机构在一个闭合传动链中，则在该实施例中，只需要设置一个张紧装置即可，也即是该实施例相对于实施例一可以减少张紧装置的设置。
75.具体的，请参阅图9，传动机构包括第五丝轮161a、第六丝轮162a、第七丝轮163a及第三钢丝164a，第五丝轮161a固定于第一转轴171上、第六丝轮162a固定于第二转轴181上，第七丝轮163a固定于第三转轴191上，第三钢丝164a分别缠绕于第五丝轮161a及第七丝轮163a上，并在第六丝轮162a上通过缠绕多圈进行换向，从而通过第三钢丝164a能够将驱动件15的运动传动至执行端14上，其结构简单，且只需设置一个张紧装置即可。
76.实施例三：
77.本实施例中机械臂的全部技术特征与实施例一中机械臂的全部技术特征基本相同，其区别在于：请参阅图10，在本实施例中，驱动件15设于机架11上，也即是驱动件15不会设于大臂12或小臂13上，从而能够进一步减小执行端14的负载，使得执行端14操作起来更加轻盈。
78.具体的，传动机构包括第三传动组件161b及第四传动组件162b；第三传动组件161b在驱动件15的输出轴、第一转动关节17及第二转动关节18之间形成第四闭合传动链p4，并在第一转动关节17处进行换向；第四传动组件162b在第二转动关节18及第三转动关节19之间形成第五闭合传动链p5；第三传动组件161b与第四传动组件162b在第二转动关节
18处通过第二转轴181同步运动。也即是在该实施例中，所述钢丝传动机构16分为两级钢丝传动，第一级将驱动件15的运动传递至第二转轴181，第二级将第二转轴181的运动传递至执行端14。
79.其中，第三传动组件161b及第四传动组件162b的具体结构均是包括两个丝轮及钢丝，此处不做重复说明。
80.此外，为了保证第三传动组件161b及第四传动组件162b的传动稳定性，第三传动组件161b及第四传动组件162b中均设有张紧装置，同时根据结构设计需求也可以对应设置导向轮组。
81.实施例四：
82.本实施例中机械臂的全部技术特征与实施例三中机械臂的全部技术特征基本相同，本实施例中的驱动件15同样设于机架11上，其区别在于：请参阅图11，在本实施例中，传动机构在驱动件15的输出轴、第一转动关节17、第二转动关节18及第三转动关节19之间形成第六闭合传动链p6，并在第一转动关节17及第二转动关节18处分别进行换向。也就是整个传动机构在一个闭合传动链中，则在该实施例中，只需要设置一个张紧装置即可，也即是该实施例相对于实施例三可以减少张紧装置的设置。
83.实施例五：
84.本实施例中机械臂的全部技术特征与实施例一中机械臂的全部技术特征基本相同，其区别在于：在本实施例中，请参阅图12，驱动件15设于第二转动关节18上，这样不仅减小执行端14的负载，便于执行端14操作，同时还能够减少传动机构涉及的关节数量，可以避免减少传动机构与第二转动关节18产生耦合现象。
85.具体的，传动机构在第二转动关节18与第三转动关节19之间形成第七闭合传动链p7，其结构简单，且占用空间小。更具体的，驱动件15的输出轴与第二转轴181固定连接，传动机构的具体结构与第二传动组件162的结构相同，此处不再重复说明。
86.实施例六：
87.本实施例中机械臂的全部技术特征与实施例一中机械臂的全部技术特征基本相同，其区别在于：在本实施例中，请参阅图13，驱动件15设于大臂12上，并位于第一转动关节17与第二转动关节18之间。
88.具体的，钢丝传动机构16在所述驱动件15的输出端、所述第二转动关节18及所述第三转动关节19之间形成第八闭合传动链p8。同样能够减少执行端14的负载，便于执行端14运动。
89.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。