机械臂单元和手术机器人系统的制作方法

本实用新型涉及尤其是用于手术机器人系统的机械臂单元。本实用新型还涉及具有机械臂单元的手术机器人系统。

背景技术：

近来，机器人被广泛用于众多行业、例如医学领域。由于具有高精确度、高灵活度的特点，弥补了医生人手在狭小空间内自由度和灵活度的不足，同时降低了医生手部的震颤，能够潜在地提高手术完成效果，从而医疗机器人得以长足发展。为对医疗机器人系统做进一步的改进，现有技术中进行了大量的研究。

例如，Shang等人以及Clark等人提出了超冗余度的蛇形机器人，如i-Snake机器人(Shang J,Noonan D P,Payne C et al.An articulated universal joint based flexible access robot for minimally invasive surgery.IEEE.2011:1147-1152.Clark J,Sodergren M,Noonan D P et al.A novel articulated robotic laparoscope for single incision and natural orifice surgical applications:preliminary usability trials in a live porcine model.2010Annual Meeting of the Society of American Gastrointestinal and Endoscopic Surgeons.Surg Endosc.2010；24:S690.)。

例如，Simaan等人提出了可伸缩的机器人系统(Simaan N,Xu K,Wei W et al.Design and integration of a telerobotic system for minimally invasive surgery of the throat.Int J Rob Res.2009；28:1134-1153.)。

例如Striegel等人以及Eickhoff等人提出了导航式结肠镜系统(Striegel J,Jakobs R,Van Dam J et al.Determining scope position during colonoscopy without use of ionizing radiation or magnetic imaging:the enhanced mapping ability of the NeoGuide Endoscopy System.Surg Endosc.2011；25:636-640.Eickhoff A,van Dam J,Jakobs R.et al.Computer-assisted colonoscopy(the NeoGuide Endoscopy System):results of the first human clinical trial("PACE study")Am J Gastroenterol.2007；102:261-266.)。

此外，例如Phee等人和Wang等人提出了主从式自由腔道内窥镜机器人(Phee S J,Low S C,Huynh VA.et al.Master and slave transluminal endoscopic robot(MASTER)for natural orifice transluminal endoscopic surgery(NOTES)Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc.2009:1192-1195.Wang Z,Phee S J,Lomanto D.et al.Endoscopic submucosal dissection of gastric lesions by using a master and slave transluminal endoscopic robot:an animal survival study.Endoscopy.2012；44:690-694.)。

另外，在奥林巴斯双通道内窥镜中提出了柔性内窥端部操作机构、如内窥夹钳(Bessler M,Stevens P,Milone L.et al.Transvaginal laparoscopic cholecystectomy:laparoscopically assisted.Surg Endosc.2008；22:1715-1716.Mintz Y,Horgan S,Cullen J et al.NOTES:the hybrid technique.J Laparoendosc Adv Surg Tech.2007；17:402-406.)。

在加利福尼亚Sunnyvale的Intuitive Surgical股份有限公司制造的da微创手术系统(例如美国专利号US9,060,678B2和US8,597,182B2)中，提供了7个自由度的机器人，但机械臂的4个自由度位于人体外，而只有3个自由度在人体内实施。所述机器人或机械臂使得手术必须要在人体中形成至少一个造口或切口，而且还要求较大的手术作业空间。

现有的医疗机器人系统存在有不足之处。例如，上述的da手术机器人系统必须有存在病人体外的自由度。另外，某些现有的手术机器人无法提供完整的全工作空间的灵活性(例如，Phee的手术机器人在患者体内只能达到三维空间中的一个或几个曲面，且在曲面上无法做到自由转动)。再者，还有一些现有的手术机器人操纵力不足，具有较低的末端负载。

因此，仍然存在改进手术机器人系统及其机械臂单元的需求。

技术实现要素：

因此，本实用新型的任务是提供一种改进的手术机器人系统及机械臂单元，其能解决至少一些前述的现有技术问题。

根据本实用新型的一个方案，提供一种机械臂单元，包括串联布置的至少一个臂段、至少一个关节以及连接至在远端的臂段上的端部操作机构，其中在相邻的臂段之间以及在臂段和端部操作机构之间通过各自的关节相铰接，其中各关节被构造为所附连的臂段提供至少一个自由度。所述至少一个关节包括至少一个下述关节：扭转关节，限定出平行于所附连的臂段的纵轴线的扭转轴线，各扭转关节配设有一对细长的执行器，其在扭转轴线两侧固定至从远侧附连至该扭转关节的臂段或端部操作机构；枢转关节，限定出垂直于所附连的臂段的纵轴线的枢转轴线，每个所述枢转关节配设有一对细长的执行器，其在枢转轴线两侧固定至从远侧附连至该枢转关节的臂段或端部操作机构；腕关节，限定出垂直于所附连的臂段的纵轴线的且彼此垂直的第一和第二枢转轴线，所述腕关节包括关节本体、沿所述第一枢转轴线的第一枢转轴和沿所述第二枢转轴线的第二枢转轴，每个所述腕关节配设有第一对细长的执行器和第二对细长的执行器，其中所述第一对细长的执行器在第一枢转轴线两侧固定至该腕关节的关节本体，所述第二对细长的执行器在第二枢转轴线两侧固定至从远侧附连至该腕关节的臂段或端部操作机构。

根据本实用新型的方案的机械臂单元由于采用了本实用新型的关节构造，可以通过细长的执行器、例如拉丝作用在关节远侧的臂段或操纵机构上而为关节运动提供充分且精确的操控力，从而可以减少或消除在患者体外的自由度，而且可以在患者体内具有完整的全空间的灵活性。优选地，通过细长的执行器、如拉丝连接至关节远侧的部件、而不是关节或其轴线本身，能够在操纵关节时提供对各关节变力矩的作用力，从而仅需较小的操控力即可精确且稳定地操控关节。

根据本实用新型的一个优选实施例，在近侧连接至所述枢转关节的臂段限定出一对通道，在远侧连接至该扭转关节的臂段或操作机构限定出一对盲孔，配设于该扭转关节的该对细长的执行器延伸穿过在近侧的臂段中的该对通道并固定至在远侧的臂段或操作机构中的该对盲孔。通过该构造，在操控关节时用于施加操控力的执行器、如拉丝的长度变化(如在通道和盲孔的端部之间延伸的拉丝长度)，从而能够提供有效操控力矩的有利变化，能够进一步改善操纵枢转关节的操控。

根据本实用新型的一个优选实施例，在近侧连接至所述枢转关节的臂段限定出一对通道，在远侧连接至该枢转关节的臂段或操作机构限定出一对盲孔，配设于该枢转关节的该对细长的执行器延伸穿过在近侧的臂段中的该对通道并固定至在远侧的臂段或操作机构中的该对盲孔。通过该构造，在操控关节时用于施加操控力的执行器、如拉丝的长度变化(如在通道和盲孔的端部之间延伸的拉丝长度)，从而能够提供有效操控力矩的有利变化，能够进一步改善操纵枢转关节的操控。

根据本实用新型的一个优选实施例，在近侧连接至所述腕关节的臂段限定出第一对和第二对通道，所述腕关节的关节本体包括一对盲孔，在远侧连接至该腕关节的臂段或操作机构限定出一对盲孔，配设于该腕关节的所述第一对细长的执行器延伸穿过在近侧的臂段中的第一对通道并固定至该腕关节中的该对盲孔，且配设于该腕关节的所述第二对细长执行器延伸穿过在近侧的臂段中的第二对通道并固定至在远侧的臂段或操作机构中的该对盲孔。通过该构造，在操控关节时用于施加操控力的执行器、如拉丝的长度变化(如在通道和盲孔的端部之间延伸的拉丝长度)，从而能够提供有效操控力矩的有利变化，能够进一步改善操纵腕关节的操控。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述臂段具有空心筒体形状。根据本实用新型的一个优选实施例，所述端部操作机构包括空心的筒状主体和末端操作部。借此，用于远端关节的细长的执行器、如拉丝可以延伸穿过该筒状主体，使得机械臂能够保持紧凑的结构。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述扭转关节具有贯穿的轴向孔口。根据本实用新型的一个优选实施例，所述枢转关节具有贯穿的径向孔口。根据本实用新型的一个优选实施例，所述腕关节的关节本体具有空心筒体形状。借此，细长的执行器、如拉丝可以延伸穿过这些关节的贯穿的孔口或关节本体的空心部分以被能够操纵位于这些关节远侧的关节，使得机械臂能够保持紧凑的结构。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述关节的每个自由度构造成由各自的驱动器独立控制。通过将细长的执行器的一端连接到相应关节的远侧部件，另一端连接到相应的驱动器，根据本实用新型的关节能够提供非常灵巧的控制，而且能够提供精确、充分的操控力。

根据本实用新型的一个优选实施例，配设于所述扭转关节的该对细长的执行器由具有转盘的单个驱动器转动驱动并绕转盘的相对侧连接至该单个驱动器的转盘。根据本实用新型的一个优选实施例，配设于所述枢转关节的该对细长的执行器由具有转盘的单个驱动器转动驱动并绕转盘的相对侧连接至该单个驱动器的转盘。根据本实用新型的一个优选实施例，配设于所述腕关节的该第一对细长执行器和/或该第二对细长执行器分别由具有转盘的单个驱动器转动驱动并绕转盘的相对侧连接至该单个驱动器的转盘。

根据本实用新型的一个优选实施例，配设于所述扭转关节的该对细长的执行器由一对具有转盘的驱动器转动驱动并分别连接至该对驱动器各自的转盘。根据本实用新型的一个优选实施例，配设于所述扭转关节的该对细长的执行器由一对具有转盘的驱动器转动驱动并分别连接至该对驱动器各自的转盘。根据本实用新型的一个优选实施例，配设于所述腕关节的该第一对细长执行器由一对具有转盘的驱动器转动驱动并分别连接至该对驱动器各自的转盘和/或该第二对细长执行器由一对具有转盘的驱动器转动驱动并分别连接至该对驱动器各自的转盘。

根据本实用新型的一个优选实施例，各驱动器包括具有转动输出轴的马达和连接至所述转动输出轴的所述转盘，所述转盘具有带执行器固定点的环槽，所述执行器构造成部分地环绕在所述环槽中。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述细长的执行器包括柔性绳和轴向基本不可压缩的柔性护套，其中所述柔性绳以可沿所述柔性护套滑动的方式容纳在所述柔性护套中。

根据本实用新型的一个优选实施例，机械臂单元具有多个所述臂段，具有多个所述关节且每一个所述关节均选自所述扭转关节、所述枢转关节或所述腕关节。根据本实用新型的一个优选实施例，所述多个臂段选择性地通过所述扭转关节、所述枢转关节和/或所述腕关节串联连接以提供1-8个自由度的机械臂单元。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述至少一个臂段包括刚性连接的基部臂段、通过第一扭转关节铰接至所述基部臂段的第一臂段、通过第二枢转关节铰接至所述第一臂段的第二臂段、通过第三枢转关节铰接至第二臂段的第三臂段、通过第四扭转关节铰接至第三臂段的第四臂段，所述端部操作机构通过腕关节铰接至所述第四臂段。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述至少一个臂段包括刚性连接的基部臂段、通过第一扭转关节铰接至所述基部臂段的第一臂段和通过第二枢转关节铰接至所述第一臂段的第二臂段，其中所述端部操作机构通过腕关节铰接至所述第二臂段。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述至少一个臂段包括刚性连接的基部臂段、通过第一腕关节铰接至所述基部臂段的第一臂段、通过第二扭转关节铰接至第一臂段的第二臂段、通过第三枢转关节铰接至第二臂段的第三臂段、通过第四扭转关节铰接至第三臂段的第四臂段，所述端部操作机构通过腕关节铰接至所述第四臂段。

根据本实用新型的一个方案，提供一种手术机器人系统，包括至少一个根据本实用新型的机械臂单元。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述的手术机器人系统包括1-4个独立操作的所述机械臂单元。

本实用新型的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本申请后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：

图1示出了根据本实用新型的一个实施例的用于内窥镜的精确控制的7自由度柔性机械臂单元；

图2非常示意性地示出了根据本实用新型实施例的枢转关节的两个操作位置，以示意性体现根据本实用新型的关节的操控力矩的变化；

图3示出了根据本实用新型实施例的手术机器人系统的枢转关节的一个实施例；

图4示出了根据本实用新型实施例的手术机器人系统的扭转关节的一个实施例；

图5示出了根据本实用新型实施例的手术机器人的腕关节的一个实施例；

图6示出了驱动根据本实用新型实施例的关节的单个驱动器的一个实施例；

图7示出了根据驱动本实用新型实施例的关节的双驱动器的一个实施例；

图8示出了根据本实用新型的一个实施例的机械臂单元；

图9示出了根据本实用新型的又一个实施例的机械臂单元；

图10示出了根据本实用新型的再一个实施例的机械臂单元。

具体实施方式

尽管提供附图是为了呈现本实用新型的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或剖切以更好地示出和解释本实用新型的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

在此，所有方向的用词(例如，上方的、下方的、向上的、向下的、左方的、右方的、向左的、向右的、顶部的、底部的、上面的、下面的、竖直的、横向的、顺时针的和逆时针的)仅用于识别的目的，以便帮助阅读者理解本实用新型，而不是限制，特别是对本实用新型的位置、方向或使用的限制。

此外，本实用新型中所使用的术语“第一”、“第二”及其类似术语，在本实用新型中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。

在本文中，自由度(DOF)是本领域技术人员已知的并具有物理学或机械学的含义，意指限定机械系统或机构的位姿/配置的独立变量的数量。如本领域技术人员已知地，在笛卡尔空间中，笛卡尔自由度可以由三个平移自由度，即横移(sway)或称为沿x轴移动或x-平移、纵移(surge)或称为沿y轴移动或y-平移、升降(heave)或称为沿z轴移动或z-平移；以及三个转动自由度、即回转(roll)或称为绕z轴转动或α-转动、摆转(pitch)或称为绕y轴转动或β-转动、平摆(yaw)或称为绕x轴转动或γ-转动。在手术机器人系统中，关节限定至少一个自由度。例如，扭转关节或枢转关节均限定一个自由度，腕关节限定两个自由度。由此通过选择关节的构造和数目，关节DOF的个数可以多于、等于、或小于六。从而，端部操作机构可以呈现具有相对于近端或基部的少于六(欠自由度)、等于六、或多于六(冗余自由度、例如七自由度或超自由度)的自由度。

根据本实用新型的关节涉及一个或多个转动自由度的机构、例如提供单个转动自由度的转动关节、如扭转关节或枢转关节，或提供两个转动自由度的腕关节。根据本实用新型的机械臂单元或手术机器人系统可以包括至少一个根据本实用新型的关节构造。优选，根据本实用新型的机械臂单元或手术机器人系统的全部关节为根据本实用新型的关节构造。但结合根据本实用新型的关节构造和现有关节的机械臂或手术机器人系统落在本实用新型的范围内。

在本文中，“远”、“远侧”具有本领域技术人员所理解的含义，尤其是医疗或外科手术意义上的含义，例如指患者侧或远离医生的一侧。相应地，“远端”或“远侧末端”意指位于或邻近远侧的端部或端部区域。在本文中，有时“下游”也可以理解为“远侧”方向。在本文中，“近”、“近侧”具有本领域技术人员所理解的含义，尤其是医疗或外科手术意义上的含义，例如指医生侧或远离患者的一侧。相应地，“近端”或“近侧末端”意指位于或邻近近侧的端部或端部区域。在本文中，有时“上游”也可以理解为“近侧”方向。

根据本实用新型的一个实施例提供了用于手术机器人系统的机械臂单元、例如是柔性机械臂单元、例如在一些实施例中的七自由度柔性机械臂单元。在所示出的实施例中，该手术机器人系统或机械臂单元例如构造成用于内窥镜装置1000(图2)、如胃镜装置、腹腔镜装置、结肠镜装置。但是，本领域技术人员可以想到，根据本实用新型的机器人系统或机械臂单元可以用于其它的医疗设备或其它应用，如用于工业机器人行业，这落入本实用新型的范围中。

在本实用新型的一个实施例中，该机械臂单元包括构造成固定至被插入体内的管状件的基部、连接至所述基部的串联布置的多个优选是刚性的、更优选呈刚性筒状或具有刚性筒的臂段、多个关节以及连接至在远端处的臂段上的端部操作机构，其中在所述基部和相邻的臂段之间、在相邻的两个臂段之间以及在端部操作机构和远端的臂段之间通过各自的所述关节相铰接，其中每个关节被构造为所附连的臂段提供至少一个自由度、如一个转动自由度或两个转动自由度。在根据本实用新型的优选实施例中，所述关节包括转动关节。在根据本实用新型的一个优选实施例中，所述关节、例如转动关节例如可包括限定出平行于所附连的臂段的纵轴线的扭转轴线的扭转关节。在根据本实用新型的另一个优选实施例中，所述关节、例如转动关节例如可包括限定出垂直于所附连的臂段的纵轴线的枢转轴线的枢转关节。在一个优选的实施例中，所述关节、例如转动关节例如可包括腕关节，其中所述腕关节限定出垂直于所附连的臂段的纵轴线且彼此垂直的第一和第二枢转轴线。

继续参考图1，示出了根据本实用新型的一个具体实施例的用于手术机器人系统的机械臂单元1、在该实施例中可以为七自由度柔性内窥镜用机械臂单元。根据本实用新型的该机械臂单元可以构造成穿过内窥镜装置的内窥镜、诸如胃镜、腹腔镜或结肠镜，特别是内窥镜导管设置。但可以想到的是，根据本实用新型的机械臂单元或手术机器人系统可以独立于内窥镜设置，例如用作其他类型的手术机器人。

在所示的实施例中，该机械臂单元1包括串联布置，该串联布置包括多个臂段。具体地，该机械臂装置1可包括被固定连接或者说刚性连接的基部臂段11(也可以称作近端臂段或简称基部)、通过第一扭转关节20铰接至所述基部11的第一臂段12或回转臂段。借助于该第一扭转关节20，该第一臂段12可绕基部11和/或第一臂段12的纵轴线(轴心线)或平行于该纵轴线的轴线相对于基部11转动或扭转或称为回转(roll)。该机械臂装置1还可包括通过第二枢转关节21铰接至所述第一臂段12的第二臂段13。借助于该第二枢转关节21，该第二臂段12可绕垂直于第一臂段12和/或第二臂段13的纵轴线(轴心线)的轴线相对于第一臂段12转动或枢转或称为摆转(pitch)。该机械臂装置1还可包括通过第三枢转关节24铰接至第二臂段13的第三臂段14。借助于该第三枢转关节24，该第三臂段14可绕垂直于第二臂段13和/或第三臂段14的纵轴线(轴心线)的轴线相对于第二臂段13转动或枢转或称为摆转。该机械臂装置1还可包括通过第四扭转关节27铰接至第三臂段14的第四臂段15。借助于该第四扭转关节27，该第四臂段15可绕第三臂段14和/或第四臂段15的纵轴线(轴心线)或平行于该纵轴线的轴线相对于第三臂段14转动或扭转或称为回转。

继续参考图1，该机械臂单元1还可包括通过腕关节30铰接至所述第四臂段15的端部操作机构16。借助于该腕关节30，该端部操作机构16可绕垂直于第四臂段15和/或端部操作机构16的纵轴线(轴心线)的第一枢转轴线相对于第四臂段15转动或枢转或称为摆转。该端部操作机构16还可绕垂直于第四臂段15和/或端部操作机构16的纵轴线(轴心线)的第二枢转轴线相对于第四臂段15转动或枢转或称为平转，其中该第二枢转轴线垂直于该第一枢转轴线。在本实用新型的实施例中，所述端部操作机构16可包括灵巧操纵的工具，例如牵开器、剪或夹钳等，但本领域技术人员可以想到端部操作机构也可以包括任何适合的其它操作机构。在所示的实施例中，该端部操作机构16可包括筒状主体17、末端夹持部或夹钳18。在所示的实施例中，筒状主体17通过腕关节30连接至第四臂段15，从而筒状主体17以及相应的末端夹持部18可相对第四臂段绕第一枢转轴线枢转和/或绕第二枢转轴线枢转。该末端夹持部18构造成可相对于该筒状主体17执行夹持动作。

在所示的实施例中，所述基部和/或至少一些或全部臂段为筒状或具有筒状主体。优选地，所述基部和/或至少一些或全部臂段和/或端部操作机构(或其筒状主体)和/或关节、如腕关节(腕关节主体)具有优选具有通道或孔的筒状壁。在下文中，将结合用于机械臂的致动装置描述所述筒状壁的通道或孔。

在下文中，参考图3-7描述根据本实用新型的创新性的关节的一些具体实施例。

在一个优选的实施例中，每个关节可各自配设有柔性的细长执行器和用于操纵所述执行器的驱动器。

在一个优选的实施例中，所述致动装置构造成独立控制每个关节的运动(即在关节远侧的臂段或端部直径机构相对于在关节近侧的基部或臂段的运动)、更优选地独立控制每个自由度。由此，在一个优选的实施例中，优选针对各关节配设有控制关节运动或自由度的细长执行器和操纵所述细长执行器的各自的驱动器。或者说，细长执行器的远端连接至在各自关节远侧的臂段或端部操作机构，细长执行器的近端连接至驱动器或驱动器延伸部或连接部上的固定点。

尽管在优选的实施例中每个关节或每个自由度被独立控制从而例如针对每个关节或每个自由度均配设有主动驱动的驱动器，但在本实用新型的一些实施例中，可以结合现有的一些关节，例如其可以是从动于例如相邻的关节或臂段等部件的。例如，可以提供柔性的细长执行器连接关节两侧的部件(如近侧或上游臂段和远侧或下游臂段)，即不提供专用于该细长执行器的驱动器。

结合参考图1、图2和图3，示出了位于枢转关节21的上下游的部件、如近侧的臂段12和远侧的臂段13。尽管在图3的实施例中，参考第一臂段12、第二臂段13和第二枢转关节21进行描述。但是可以理解，该实施例所示的枢转关节以及与枢转关节附连的部件(如臂段/端部操作机构)以及其它的相关部件的配置和操作也可以相应地适用于本实用新型的其它实施例，例如图1所示的实施例中的第三枢转关节24及其所附连的臂段，这都落入本实用新型的范围中。

如图1和图3所示，枢转关节21包括固定至上游或近侧臂段12的枢转轴22和固定至下游或远侧臂段13的枢转套筒23，该枢转轴22可转动地设置在枢转套筒内23。但人们可以想到上述枢转关节反过来连接或其它的枢转关节的构造。

继续参考图1和图3，在近侧臂段12的筒状壁中具有一对通道42或孔，在远侧臂段13的筒状壁中具有各自限定出固定点的一对孔42’、如盲孔。一对柔性的细长执行器50、52从近侧伸入近侧臂段中的该对通道、在枢转关节21(枢转轴线或枢转轴22)的径向(周向)两侧绕过所述枢转关节(为显示细长执行器的延伸，背侧的执行器52被描绘而未被遮挡)，伸入远侧臂段13的该对孔42’中。优选地，该对执行器50、52的远端固定至所述孔42’中的固定点处。该对执行器50、52的近端例如可以固定至例如关节各自的驱动器上或驱动器延伸部或连接部上的固定点85(图6)或85/85’(图7)处。

结合参考图1和图3，尤其参考图2，描述操纵根据本实用新型的关节时的有效力矩的变化。如图3所示，细长的执行器50在连接关节的近侧部件中的通道42延伸，并固定至连接关节的远侧部件中的盲孔42’，从而在用于该关节的驱动器80(图6)、80/80’(图7)驱动执行器以操纵连接关节的远侧部件时，通道和盲孔端部之间的执行器、例如拉丝的长度变化或者拉丝与远侧或近侧部件之间的夹角(或远侧和近侧部件之间的夹角)变化，即使在驱动力保持不变时，造成有效操纵力矩变化。参考图2的示意性实施例，在远侧部件(远侧臂段)13’和近侧部件12’处于绕枢转轴或轴线22’处于第一、中立位置时，执行器50’、如拉丝与远侧部件之间的夹角为90°-α，执行器50’(操控力F)与有效操控力F_v之间的夹角则为α(在近侧和远侧部件的端部锥角相等的实施例中，近侧和远侧部件之间的夹角为180°-2(90°-α)，即2α)。随着关节被操纵，以使得远侧部件绕枢转轴或轴线22’之间转动至如图虚线示出的第二位置时，通道和盲孔端部间的执行器长度减小，且相应地执行器50”、如拉丝与远侧部件之间的夹角增大至90°-β，执行器50”(操控力F’)与有效操控力F_v’之间的夹角则减小至β(在近侧和远侧部件的端部锥角相等的实施例中，近侧和远侧部件之间的夹角减小为180°-2(90°-α)，即2β)。由此，假设在操控力F(驱动力)保持不变的情况下，有效操控力F_v从第一、中立位置的F·cosα增大至F·cosβ。此时，力矩长度不变，从而有效力矩进一步增大。由此，根据本实用新型的关节能够获得稳定且精确的优选操控力。尽管在根据本实用新型仅示意性地示出了枢转关节的有效操控力的变化，但可以想到，借助于本实用新型的执行器的连接构造，根据本实用新型的扭转关节和腕关节中同样可以存在类似的有效操控力的变化。

结合参考图1、图3和图6来说明用于致动该对执行器的驱动器80及其操作。如图6所示，该对柔性的细长执行器50、52配设有单个共用的驱动器80。该驱动器80可包括具有转动输出轴82的马达81、如伺服电机或任何适合的其它马达和可选的传动机构，如直线电机和变速箱。该驱动器80还可包括连接至所述转动输出轴82的转盘83。在所示的实施例中，所述转盘83具有带执行器固定点85的环槽84，所述执行器构造成部分地环绕在所述环槽中。具体地，在所示的优选实施例中，该执行器固定点85是共用于该对执行器50、52的，并且该对执行器50、52在转盘83的径向(周向)两侧缠绕在环槽84上。从而，当马达81的输出轴82朝一侧转动时，在该第一侧上的执行器(如50)卷绕或缩短，致动或控制关节(或者说在关节远侧的臂段或端部操作机构)朝该第一侧转动，而在相反的第二侧上的执行器(52)被放出或伸长，以允许关节朝上述第一侧枢转，且不构成限制地，还有利于稳定该枢转。相应地，当输出轴82朝相反侧转动时，执行器52卷绕或缩短，执行器50被放出或伸长，以致动或控制关节朝相反侧的转动。

在所示的实施例中，驱动器被示意性地画出支承在T形支撑梁86上，但是可以想到驱动器可以被支承在任何合适的位置和装置上，例如内窥镜系统的固定部件、如弧形架上。

结合参考图1、图3和图7来说明用于致动该对执行器的驱动器80、80’及其操作的另一个实施例。与图6不同的是，图7所示的实施例，该对柔性的细长执行器50、52分别配设有各自的驱动器80、80’以及相应的致动单元固定点85、85’。类似于图6的实施例，每个驱动器80、80’可包括具有转动输出轴82、82’的马达81、81’、如伺服电机或任何适合的其它马达和可选的传动机构，如直线电机和变速箱。每个驱动器80、80’还可包括连接至所述转动输出轴82、82’的转盘83、83’。在图7所示的实施例中，每个转盘83、83’具有带各自执行器固定点85、85’的环槽84、84’，从而该对执行器50、52构造成部分地环绕在各自环槽84、84’中，且连接至各自环槽84、84’中的各自的固定点85、85’。优选地，执行器50、52环绕环槽84、84’的方向相反，且在关节的中立位置，各自的固定点85、85’处于环槽84、84’中的相同位置，例如底端。更优选地，该对马达81、81’(或转动输出轴82、82’)配置成同步转动，从而获得类似于图6所示实施例的关节或自由度运动的致动或控制。

尽管在所示的实施例中采用带环槽的转盘来实现执行器的伸长和缩短以及相应的关节或自由度的运动，但可以想到其它的控制手段，或者转盘的其它设置位置或方式。

继续参考图1和图3，如前所述根据本实用新型的臂段具有筒状壁，即具有空心内孔。且如图3所示，根据本实用新型的枢转关节还可具有贯穿的径向孔口23’。由此，配设用于在该关节21远端的关节的细长的执行器、如拉丝可以延伸穿过连接该关节远侧和近侧的部件、臂段的空心内孔以及该关节21的贯穿径向孔口，该执行器、如拉丝一直延伸到近侧连接至其所操纵的关节的部件时，再延伸进入该部件中的通道，从而根据本实用新型的机械臂具有非常紧凑的结构。

结合参考图1和4，示出了位于扭转关节20的上下游的部件、如近侧的基部11和远侧的臂段12。尽管在图4的实施例中参考基部11、第一臂段112和第一扭转关节20进行描述，但是可以理解，该实施例所示的扭转关节以及与扭转关节附连的部件(如基部/臂段/端部操作机构)以及其它的相关部件的配置和操作也可以相应地适用于本实用新型的其它实施例，例如图1所示的实施例中的第三扭转关节27及其所附连的臂段，这都落入本实用新型的范围中。

如图1和图4所示，扭转关节20包括固定至上游或近侧基部11的扭转轴28(虚线表示)和固定至下游或远侧臂段12的扭转套筒29(虚线表示)，该扭转轴28可转动地设置在扭转套筒内29。但人们可以想到上述扭转关节反过来连接或其它的扭转关节的构造。

继续参考图1和图4，在近侧基部11的筒状壁中具有一对通道44或孔、如通孔，在远侧臂段12的筒状壁中具有各自限定出固定点的一对孔44’、如盲孔。一对柔性的细长执行器54、56从近侧伸入近侧基部中的该对通道、在扭转关节20(扭转轴线或扭转轴28)的径向(周向)两侧(部分)绕过所述扭转关节(因为关节用虚线表示，背侧的执行器被描绘而未被遮挡)，伸入远侧臂段12的该对孔44’中。优选地，该对执行器54、56的远端固定至所述孔44’中的固定点处。该对执行器54、56的近端例如可以固定至各自的驱动器上或驱动器延伸部或连接部上的固定点(未标示)处。

尽管未示出用于致动或操纵配设于该扭转关节的该对细长执行器54、56的驱动器，但是可以想到该对执行器可以类似于图6和图7所示的实施例那样通过共用的(图6)或分别的(图7)的驱动器配置致动或操纵，以通过执行器54、56的相应缩短和伸长来致动或控制关节(在关节远侧的部件)或自由度的运动。

继续参考图1和图4，如前所述根据本实用新型的臂段具有筒状壁，即具有空心内孔。且如图3所示，根据本实用新型的扭转关节还可具有贯穿的轴向孔口28’。由此，例如配设用于在该关节27远端的关节的细长的执行器、如拉丝可以延伸穿过连接该关节远侧和近侧的部件、臂段的空心内孔以及该关节27的贯穿的轴向孔口，该执行器、如拉丝一直延伸到近侧连接至其所操纵的关节的部件时，再延伸进入该部件中的通道，从而根据本实用新型的机械臂具有非常紧凑的结构。

结合参考图1和5，示出了位于腕关节30的上下游的部件、如近侧的臂段15和远侧的端部操作机构16或其筒状主体17。尽管在图3的实施例中，参考第四臂段15、端部操作机构16和腕关节30进行描述。但是可以理解，该实施例所示的腕关节以及与腕关节附连的部件(如基部/臂段/端部操作机构)以及其它的相关部件的配置和操作也可以相应地适用于本实用新型的其它实施例，这都落入本实用新型的范围中。

如图5所示，腕关节30包括关节本体31、第一枢转轴32和垂直于所述第一枢转轴32的第二枢转轴33，其中上游或近侧臂段15固定至第一枢转轴32、下游或远侧端部操作机构16固定至第二枢转轴33，从而腕关节的关节本体31以及下游的端部操作机构16可关于第一枢转轴(轴线)相对于上游或近侧臂段15转动，下游的端部操作机构16可关于第二枢转轴(轴线)相对于上游或近侧臂段15以及腕关节的关节本体31转动。由此，在上游或近侧臂段15和下游的端部操作机构16之间可具有两个自由度。

继续参考图1和图5，在近侧臂段15的筒状壁中具有一对通道46，在腕关节30的关节本体31中具有一对孔46’、如盲孔。第一对柔性的细长执行器58、60从近侧伸入近侧臂段15中的该对通道46、在第一枢转轴32的径向(周向)两侧延伸(为显示细长执行器的延伸，背侧的执行器60被描绘而未被遮挡)，伸入关节本体31的该对孔46’中。优选地，该第一对执行器58、60的远端固定至所述孔46’中的固定点处。该对执行器58、60的近端例如可以固定至例如位于内窥镜导管或其它管状物的近侧的驱动器上或驱动器延伸部或连接部上的固定点(未标示)处。

继续参考图1和图5，在近侧臂段15的筒状壁中具有一对通道或孔、如通孔(未标示)。在腕关节30的关节本体31中具有一对通道或孔、如通孔48。在远侧端部操作机构16的筒状壁中具有各自限定出固定点的一对孔(未标示)、如盲孔。第二对柔性的细长执行器62、64从近侧伸入近侧基部中的该对通道、穿过腕关节30中的该对通道并在腕关节30的第二枢转轴33或第二枢转轴线的径向(周向)两侧(部分)绕过所述第二枢转轴33或第二枢转轴线(背侧的执行器被描绘而未被遮挡)，伸入远侧端部操作机构16的该对孔中。优选地，该第二执行器62、64的远端固定至所述孔中的固定点处。该对执行器62、64的近端例如可以固定至各自的驱动器上或驱动器延伸部或连接部上的固定点(未标示)处。

尽管未示出用于致动或操纵配设于该扭转关节的该第一对细长执行器58、60的驱动器和用于致动或操纵配设于该扭转关节的该第二对细长执行器62、64的驱动器，但是可以想到该第一对执行器58、60可以类似于图6和图7所示的实施例那样通过共用的(图6)或分别的(图7)的驱动器配置致动或操纵，以通过执行器58、60的相应缩短和伸长来致动或控制关节(在关节远侧的部件)或自由度的运动。类似地，该第二对执行器62、64可以配设共用的驱动器或分别的驱动器。

继续参考图1和图5，如前所述根据本实用新型的臂段具有筒状壁，即具有空心内孔。且如图3所示，根据本实用新型的腕关节的关节本体具有空心筒体形状，从而具有空心内孔31’。由此，例如配设用于在该腕关节远端的关节的细长的执行器、如拉丝可以延伸穿过连接该腕关节远侧和近侧的部件、臂段的空心内孔以及该腕关节的空心内孔，该执行器、如拉丝一直延伸到近侧连接至其所操纵的关节的部件时，再延伸进入该部件中的通道，从而根据本实用新型的机械臂具有非常紧凑的结构。

参考图3-7，所述细长执行器中的一些或优选全部可以为拉丝，优选地包括柔性绳66和至少部分地包套所述柔性绳66的护套68。所述细长执行器可采用任何已知或新颖的拉丝。

在本实用新型的优选实施例中，护套68可在径向上具有柔性。例如，所述护套可以弯转以实现装置的柔性传动。优选地，护套68构造成轴向方向上基本不可压缩。不受该理论所约束，据信借助于该护套的径向柔性和轴向的非压缩性，拉丝66能够把电机或其转盘84产生的拉力有效的传递到末端的机器臂关节23上。优选地，拉丝66构造成可相对于护套68滑动。

结合参考图3和图6，示出了细长执行器的根据一个实施例。该细长执行器包括柔性绳66、如拉丝和至少部分地包套所述柔性绳66的护套68。在所示的实施例中，可设置用于该护套68的近端支承点681、681’和远端支承点682。所述护套68构造成可支承、如抵靠在所述支承点681、681’、682上，从而所述护套68在所述支承点681、681’、682之间是大体上不可轴向压缩的。借助于驱动器、如电机81或转盘83，柔性绳66、如拉丝构造成可沿该护套68滑动，以驱动关节远侧的部件绕关节(在所示的实施例中为枢转关节)的运动。在图6所示的实施例中，所述近端支承点681由用于支承驱动器的T形支撑梁86限定或提供。图7所示的实施例类似地示出了护套68的近端和远端支承点683、684，但在该实施例中限定近端支承点683、683’由两个驱动器共用的T形支撑梁86限定或提供。但可以想到提供任何合适的支承件或支承面、例如独立或集成于驱动器的支承件或支承面。例如不同于图7地，为每个驱动器提供各自的T形支撑梁以分别限定该对细长致动器的护套的近端支承点。在所示的实施例中，远端支承点682位于关节近侧部件中的通道的邻近关节的端部附近。但可以想到，远端支承点可以位于通道或关节近侧部件的其它位置。优选地，例如通道42可以在端部处具有允许柔性绳66或拉丝穿过但阻止护套68穿过的小直径部、支承所述护套远端的凸缘、凸起或其它结构以及/或者能提供护套支承或基本阻止护套相对通道运动的护套与通道之间的过盈配合。可以想到的是，可以在通道42或关节近侧部件中设置任何合适的支承护套的支承点。在本实用新型的一个广泛的实施例中，护套68可以构造成至少部分或全部地相对于关节近侧部件或该近侧部件中的通道是基本不可运动的，从而提供至少部分或全部的基本轴向不可压缩性能，以允许柔性绳66或拉丝相对于该护套运动以驱动关节远侧的部件。

尽管在图3和6所示的实施例中针对枢转关节描述了细长执行器、尤其是其护套的支承结构，但可以想到扭转关节的细长执行器、尤其是其护套也可以类似地设置或具有上述针对枢转关节描述的护套的任何合适的特征。例如图4示出了护套68(图4未标示)在通道44的邻近关节的端部处的远端支承点685。

相应地，如图5所示，针对腕关节的第一对细长执行器的护套，在通道46的邻近腕关节的端部处提供远端支承点686。可以想到腕关节的第一对细长执行器、尤其是其护套也可以类似地设置或具有上述针对枢转关节描述的护套的任何合适的特征。针对腕关节的第二对细长执行器的护套，在关节本体31中提供了护套的远端支承点687、例如在关节本体31的孔46’中提供远端支承点。在所示的实施例中，例如关节本体31的孔46’设计成允许柔性绳66或拉丝穿过而不允许护套穿过，从而在孔46’的近端提供支承点。但是可以想到，针对腕关节的第一对和/或第二对细长执行器可以结合、改变或适用上述针对枢转关节或扭转关节描述的用于细长执行器的特征、尤其是针对细长执行器的护套的轴向基本不可压缩性和/或柔性绳66或拉丝沿护套68运动的相关特征。

借助于根据本实用新型实施例的致动装置，根据本实用新型的实施例、例如图1所示实施例的机械臂单元1可被致动或控制。

参考图8，示出了根据本实用新型的另一实施例的机械臂单元1’。该机械臂单元1’的实施例的臂段和关节的连接构造类似于图1的实施例。例如该机械臂单元1’包括串联布置，该串联布置包括多个臂段。具体地，该机械臂装置1’可包括被固定连接或者说刚性连接的基部臂段1、通过第一扭转关节20铰接至所述基部11的第一臂段12或回转臂段。图8的实施例与图1的实施例主要在于图1示出的端部操作机构16具有末端夹持部18。图8的实施例可以类似地具有末端夹持部，但也可以设置任何合适的操作机构。

参考图9，示出了根据本实用新型的另一实施例的机械臂单元100，该机械臂单元可以与本实用新型所公开的其它部分、如机械臂单元、致动装置、手术机器人单元、内窥镜系统及其部件相结合以获得新的实施例。

在图9中，该机械臂单元100可包括在近端的基部101、通过第一扭转关节120铰接至所述基部101的第一臂段102和通过第二枢转关节121铰接至所述第一臂段102的第二臂段103。该机械臂单元100还可包括端部操作机构104(示意性示出)，该端部操作机构104通过腕关节122铰接至所述第二臂段103。

参考图10，示出了根据本实用新型的又一实施例的机械臂单元200，该机械臂单元可以与本实用新型所公开的其它部分、如机械臂单元、致动装置、手术机器人系统及其部件相结合以获得新的实施例。

在图10中，该机械臂单元200可包括在近端的基部201、通过第一腕关节220铰接至所述基部201的第一臂段202、通过第二扭转关节221铰接至第一臂段202的第二臂段203、通过第二枢转关节222铰接至第二臂段203的第三臂段204、通过第三扭转关节223铰接至第三臂段204的第四臂段205。该机械臂单元200还可包括端部操作机构206(示意性示出)，该端部操作机构206通过(第二)腕关节224铰接至所述第四臂段205。

在根据本实用新型的实施例中，还可以提供手术机器人系统，该手术机器人系统可以包括根据本实用新型的一个或多个机械臂单元，优选是包括1-4个机械臂单元。

为了公开的目的且除非有它特别说明，“一”意味着“一个或多个”。就在本说明书和权利要求书中所使用的术语“包括”或“包括的”来说，它将是非遍举的，这一定程度上类似于“包含”，因为那些术语在用作过渡连接词时是解释性的。此外，就所用的术语“或”来说(例如A或B)，它将意味着“A或B或这两者”。当申请人打算表明“仅A或B但非这两者”时，将会使用“仅A或B但非这两者”。因此，术语“或”的使用是包含的而非排他的。参见Bryan.A.Garner的《现代法律用语词典》624页(2d.Ed.1995)。还有就说明书或权利要求书所用的术语“在···中”或“在···内”来说，它们还打算有另外的意思“在····上”或“在····上面”。此外，就说明书或权利要求书中所用的术语“连接”来说，它将不仅意味着“直接连接到”，还意味着“间接连接到”，诸如通过另一部件或多个部件连接。如本文所用的“约”将会为本领域技术人员所理解并且将可根据它所使用的场合在一定程度上变化。如果该术语的使用对于本领域技术人员来说是不清楚的，那么“约”将意味着对特定术语至多加或减10％。从约X至Y将意味着从约X至约Y，在这里X,Y是具体值。

已参考上述实施例具体示出并描述了本实用新型的示例性系统及方法，其仅为实施本系统及方法的最佳模式的示例。本领域的技术人员可以理解的是可以在实施本系统及/或方法时对这里描述的系统及方法的实施例做各种改变而不脱离界定在所附权利要求中的本实用新型的精神及范围。所附权利要求意在界定本系统及方法的范围，故落入这些权利要求中及与其等同的系统及方法可被涵盖。对本系统及方法的以上描述应被理解为包括这里描述的全部的新的及非显而易见的元素的结合，而本申请或后续申请中可存在涉及任何新的及非显而易见的元素的结合的权利要求。此外，上述实施例是示例性的，对于在本申请或后续申请中可以要求保护的全部可能组合中，没有一个单一特征或元素是必不可少的。