机器人手腕和手术机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种机器人手腕和手术机器人。
【背景技术】
[0002]腹腔镜外科手术是医学史上的重大进步，它是指医生在病人腹部作I厘米左右的小切口，通过切口插入细长的手术器械，并在腹腔镜的监视下实施的微创伤腹腔手术。由于腹腔镜外科手术可以改善以往开口手术创伤大、出血量多、术后恢复慢和疤痕明显等问题，因此在泌尿外科、心外科、妇产科等许多手术领域得到了广泛的应用。但是，传统的腹腔镜外科手术采用的手术器械自由度少，能够实现的手术动作也少，大大降低了手术操作的灵活性，而且使得很多复杂手术无法应用该项技术。
[0003]微创伤手术机器人的出现改变了这一局面。微创伤手术机器人除了精度高、稳定性好、可按比例缩小医生的手术动作等优点之外，其还可以通过自带手臂上的多个电机，控制前端的手术器械实现多自由度的运动，包括伸长与缩短，绕手术器械轴线进行自转等，因而具有极高的操作灵活性。微创伤机器人手术是由医生的手控制的，其动作都是对医生手部动作的复制与比例缩放，因此其必须有接近甚至超过人手的自由度，其中尤为重要的是让手术器械能够像人的手腕一样实现两个自由度的旋转动作。因此，有必要开发一种具有两自由度旋转功能的机器人手腕和包含该机器人手腕的手术机器人，以保证腹腔镜外科手术能够得到有效实施。
[0004]中国专利CN101791247B中公开了一种两自由度手腕关节，该手腕关节由首尾两端都与虎克铰直接连接的四根钢丝组成平行四边形操控机构，通过该机构将操作端虎克铰的两自由度旋转运动传递到执行端虎克铰，从而实现对前端关节的驱动。
[0005]然而，发明人发现，CN101791247B专利中的手腕关节存在着如下问题:
[0006]1、由于虎克铰的转动角度与钢丝的牵拉量的比值是一变量，这样的驱动方式为非线性驱动，通常难以实现精确控制，控制难度大、控制精度低；
[0007]2、由于在虎克铰转动接近90度时会到达传动的奇异(即传动比接近无穷或零)，造成传动性能的急剧下降，因而，限制了手腕关节的转动角度，转动范围小。
[0008]因此，现有的机器人手腕和手术机器人不仅控制精度低，而且转动范围小，控制难度大。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种机器人手腕和手术机器人，以解决现有技术中手腕关节控制精度低、转动范围小以及控制难度大中的一个或者多个问题。
[0010]为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种机器人手腕，包括基座、虎克铰结构、第一传动机构、第二传动机构和驱动机构，所述虎克铰结构设置于所述基座上，用以固定手术器械，所述驱动机构分别驱动所述第一传动机构和第二传动机构运动，同时所述第一传动机构带动所述虎克铰结构做第一自由度转动，所述第二传动机构带动所述虎克铰结构做第二自由度转动，且所述第一传动机构和第二传动机构中至少一个为线性传动机构，用以线性驱动所述虎克铰结构运动。
[0011]可选的，在所述的机器人手腕中，所述虎克铰结构包括内旋转架、外旋转架、第一转轴和第二转轴;其中，所述第一转轴转动设置于所述基座上，所述外旋转架固定于所述第一转轴上并随所述第一转轴转动，所述第二转轴转动设置于所述外旋转架上，所述内旋转架固定于所述第二转轴上并随所述第二转轴转动，所述内旋转架设置于所述外旋转架的内部，所述手术器械固定于所述内旋转架上;所述第一传动机构在所述驱动机构驱动下运动，并带动所述内旋转架转动，所述第二传动机构在所述驱动机构驱动下运动，并带动所述外旋转架转动。
[0012]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括驱动绳索和驱动轮，所述驱动绳索在所述驱动机构的驱动下带动所述驱动轮运动，所述驱动轮带动所述内旋转架转动。
[0013]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动轮与所述第二转轴固定连接，或者所述驱动轮与所述内旋转架固定连接。
[0014]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括一根驱动绳索和一个驱动轮;其中，所述驱动轮套设在所述第二转轴上，与所述内旋转架固定连接，并位于所述第一转轴的一侧，所述驱动绳索包括本体、所述本体的左端延伸形成的左延伸段、以及所述本体的右端延伸形成的右延伸段，所述本体绕过并固定悬挂在所述驱动轮上，同时，所述左延伸段和右延伸段穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0015]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括两根驱动绳索和两个驱动轮;两个所述驱动轮对称套设在所述第二转轴上，与所述内旋转固定连接，并分别位于所述内旋转架的两侧，所述驱动绳索包括本体、所述本体的左端延伸形成的左延伸段、以及所述本体的右端延伸形成的右延伸段，每根驱动绳索的本体绕过并固定悬挂在一个驱动轮上，并且，每根驱动绳索的左延伸段和右延伸段穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0016]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括驱动绳索、驱动轮和传动轮，所述传动轮用以限制所述驱动绳索的运动方向，所述驱动绳索在所述驱动机构的驱动下经所述传动轮带动所述驱动轮运动，所述驱动轮带动所述内旋转架转动。
[0017]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括一根驱动绳索、一个驱动轮和至少两个传动轮;其中，所述传动轮套设在所述第一转轴上并位于所述外旋转架的两侦U，所述驱动轮套设在所述第二转轴上，与所述内旋转架固定，并位于所述第一转轴的一侦U，所述驱动绳索的本体固定在所述驱动轮上，所述驱动绳索的本体的左端向左延伸形成一左延伸段，所述左延伸段经过所述外旋转架的下方或者上方，绕过其左侧的传动轮后穿过所述基座与所述驱动机构连接，所述驱动绳索的本体的右端向右延伸形成一右延伸段，所述右延伸段经过所述外旋转架的下方或者上方，绕过其右侧的传动轮后穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0018]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动绳索对称布置于所述第二转轴的左右两侧。
[0019]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构在所述驱动机构驱动下还带动所述外旋转架转动。
[0020]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括驱动绳索、驱动轮和传动轮，所述传动轮用以限制所述驱动绳索的运动方向，所述驱动绳索在所述驱动机构的驱动下经所述传动轮带动所述驱动轮运动，所述驱动轮带动所述内旋转架与所述第二转轴一起转动，并且，所述驱动轮还带动所述外旋转架与所述第一转轴一起单向转动。
[0021]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括一根驱动绳索、一个驱动轮和至少两个传动轮;两个所述传动轮对称套设在所述第一转轴上并位于所述外旋转架的两侧，所述驱动轮套设在所述第二转轴上，与所述内旋转架固定，并位于所述第一转轴的一侦U，所述驱动绳索的本体固定在所述驱动轮上，所述驱动绳索的本体的左端向左延伸形成一左延伸段，所述左延伸段经过所述外旋转架的下方或者上方，绕过左侧的传动轮后穿过所述基座与所述驱动机构连接，所述驱动绳索的本体的右端向右延伸形成一右延伸段，所述右延伸段经过所述外旋转架的下方或者上方，绕过右侧的传动轮后穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0022]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动绳索对称布置于所述第二转轴的左右两侧。
[0023]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括驱动绳索，所述驱动绳索在所述驱动机构驱动下直接带动所述外旋转架运动，且转动方向与所述第一传动机构带动所述外旋转架转动的转动方向相反。
[0024]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括一根驱动绳索，所述驱动绳索的一端固定在所述外旋转架上，并位于所述第一转轴的一侧，所述驱动绳索的另一端连接所述驱动机构。
[0025]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括一根驱动绳索，所述驱动绳索的一端固定在所述内旋转架上并位于所述第一转轴的一侧，所述驱动绳索的另一端连接所述驱动机构，并且，所述驱动绳索的一端设置于所述内旋转架沿所述第二转轴的中性面上。
[0026]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括驱动连杆，所述驱动连杆在所述驱动机构驱动下直接带动所述外旋转架转动。
[0027]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括驱动绳索，所述驱动绳索在所述驱动机构的驱动下直接带动所述内旋转架转动。
[0028]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括两根驱动绳索，所述两根驱动绳索分别位于所述第二转轴的两侧，每根驱动绳索的一端均与所述内旋转架连接，每根驱动绳索的另一端均穿过所述基座与一驱动机构连接。
[0029]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括驱动连杆，所述驱动连杆在所述驱动机构的驱动下直接带动所述内旋转架与所述第二转轴一起转动。
[0030]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动连杆的数量为一根，所述驱动连杆的一端穿过所述基座与所述驱动机构连接，所述驱动连杆的另一端与所述内旋转架连接。
[0031 ]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动连杆通过球铰链与所述内旋转架连接。
[0032]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括驱动绳索和驱动轮，所述驱动绳索在所述驱动机构的驱动下带动所述驱动轮运动，所述驱动轮带动所述外旋转架转动。
[0033]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动轮与所述第一转轴固定连接，或者所述驱动轮与所述外旋转架固定连接。
[0034]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括一根驱动绳索和一个驱动轮;其中，所述驱动轮套设在所述第一转轴上，与所述外旋转架固定连接，并位于所述第二转轴的一侧，所述驱动绳索包括本体、所述本体的左端延伸形成的左延伸段、以及所述本体的右端延伸形成的右延伸段，所述本体绕过并固定悬挂在所述驱动轮上，所述左延伸段、右延伸段穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0035]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括两根驱动绳索和两个驱动轮;两个所述驱动轮对称固定于所述第一转轴上，与所述外旋转架固定连接，并分别位于所述外旋转架的两侧，所述驱动绳索包括本体、所述本体的左端延伸形成的左延伸段、以及所述本体的右端延伸形成的右延伸段，每根驱动绳索的本体绕过并固定悬挂在一个驱动轮上，并且，每根驱动绳索的左延伸段和右延伸段穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0036]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括驱动绳索，所述驱动绳索在所述驱动机构的驱动下直接带动所述外旋转架转动。
[0037]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括两根驱动绳索，所述两根驱动绳索分别位于所述第一转轴的两侧，每根驱动绳索的一端均与所述外旋转架连接，每根驱动绳索的另一端均穿过所述基座与所述驱动机构连接。
[0038]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括驱动连杆，所述驱动连杆在所述驱动机构的驱动下直接带动所述外旋转架转动。
[0039]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动连杆的数量为一根，所述驱动连杆的一端穿过所述基座与一驱动机构连接，所述驱动连杆的另一端与所述外旋转架连接。
[0040]可选的，在所述的机器人手腕中，所述驱动连杆通过球铰链与所述外旋转架连接。
[0041]可选的，在所述的机器人手腕中，所述虎克铰结构包括内旋转架、外旋转架、第一转轴和第二转轴;其中，所述第一转轴转动设置于所述基座上，所述内旋转架固定于所述第一转轴上并随所述第一转轴转动，所述第二转轴转动设置于所述内旋转架两侧，所述外旋转架转动设置于所述第二转轴上并随所述第二转轴转动，所述外旋转架设置于所述内旋转架的外部;所述第一传动机构在所述驱动机构驱动下运动，并带动所述内旋转架转动，所述第二传动机在所述驱动机构驱动下运动，并带动所述外旋转架转动。
[0042]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第二传动机构包括两根驱动绳索；其中，所述两根驱动绳索设置在所述第二转轴的两侧，每根驱动绳索的一端穿过所述基座与所述驱动机构连接，每根驱动绳索的另一端与所述外旋转架连接。
[0043]可选的，在所述的机器人手腕中，所述第一传动机构包括两根驱动连杆;其中，所述两根驱动连杆设置在所述第一转轴的两侧，每根驱动连杆的一端穿过所述基座与所述驱动机构连接，每根驱动连杆的另一端与所述内旋转架连接。
[0044]其次，本发明还提供了一种手术机器人，包括如上任意一项所述的机器人手腕。<