本發(fā)明涉及醫(yī)療領(lǐng)域，具體涉及一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機(jī)器人。

背景技術(shù)：

自1985年第一例由工業(yè)機(jī)器人引導(dǎo)的神經(jīng)外科手術(shù)以來，在過去的30年里，機(jī)器人手術(shù)已進(jìn)入了神經(jīng)外科、胸腹腔、泌尿、骨科等幾乎所有的外科領(lǐng)域。早期的機(jī)器人手術(shù)大多基于工業(yè)機(jī)器人或者工業(yè)機(jī)器人的改進(jìn)型，主要探討機(jī)器人在手術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)可行性?？紤]到手術(shù)機(jī)器人不僅與醫(yī)生交互，更重要的是對(duì)病人進(jìn)行手術(shù)作業(yè)，其安全性遠(yuǎn)比其它領(lǐng)域要高，因而后來大多數(shù)用于臨床的機(jī)器人都需要自行設(shè)計(jì)。盡管如此，也只有NeroMate，ROSA，Da Vinci，ROBODOC，ACROBOT、MAKO、RIO、Renaissance等為數(shù)不多的機(jī)器人進(jìn)入了市場(chǎng)，絕大多數(shù)研究都因安全的、操作便利性的、或者臨床可接受性的問題在獲得臨床驗(yàn)證或者臨床許可之前停止了研發(fā)。從手術(shù)機(jī)器人發(fā)展和需求上看，從現(xiàn)有成功商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人來看，高安全性和良好人機(jī)交互的機(jī)器人是當(dāng)前和未來手術(shù)機(jī)器人進(jìn)入臨床的關(guān)鍵。

當(dāng)前的醫(yī)療機(jī)器人主要用于增強(qiáng)人的能力，完成人所不能完成的諸如內(nèi)窺鏡下的微創(chuàng)手術(shù)能力，如遙操作Da Vinci機(jī)器人；或者替代人的操作，如主動(dòng)型ROBODOC機(jī)器人；或者和醫(yī)生一起協(xié)同作業(yè)，共同完成手術(shù)，如協(xié)同交互型機(jī)器人ROSA，RIO，Acrobot等；或者考慮安全性，直接采用微型結(jié)構(gòu)，限制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍，如Renaissance機(jī)器人。從醫(yī)生偏好角度，具備協(xié)同交互能力的機(jī)器人是外科手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向。

從協(xié)同交互機(jī)器人的技術(shù)實(shí)現(xiàn)來看，ROSA就是在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上增加了安全控制的內(nèi)容。RIO機(jī)器人外形采用工業(yè)機(jī)器人，內(nèi)部采用繩驅(qū)動(dòng)技術(shù)，驅(qū)動(dòng)和控制都集中在機(jī)器人基座處，因此底部較大；并對(duì)手術(shù)過程中的關(guān)節(jié)力進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)所謂的觸角反饋能力，以體現(xiàn)良好的人機(jī)協(xié)同能力；Acrobot機(jī)器人采用特殊的成自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在機(jī)器人末端安裝一力反饋手柄，實(shí)現(xiàn)協(xié)同交互。另外，這些協(xié)同交互機(jī)器人，都是針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)合，如ROSA用于腦外科和脊柱手術(shù)；RIO，Acrobot用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)等。另一方面，Renaissance從脊柱到神經(jīng)外科，和ROSA從神經(jīng)外科到脊柱的應(yīng)用表明，更通用化的機(jī)器人設(shè)計(jì)能夠滿足更多外科手術(shù)場(chǎng)合，當(dāng)前的設(shè)計(jì)在通用性上有很大的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機(jī)器人，基于模塊化、通用化設(shè)計(jì)思想，提出基于EtherCAT總線通信的控制驅(qū)動(dòng)一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，進(jìn)而組合成輕量化機(jī)器人，并在機(jī)器人末端加裝一六維力傳感器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互能力。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下的技術(shù)方案：一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機(jī)器人，包括底座、機(jī)械臂、末端夾具以及控制器，所述機(jī)械臂包括多個(gè)關(guān)節(jié)模塊，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊包括：

-殼體，其大體呈彎頭狀，包括互成夾角的兩直筒段，其中一個(gè)直筒段的自由端構(gòu)成殼體連接端；

-傳動(dòng)軸，其設(shè)置在另一個(gè)直筒段中并且通過軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接在所述另一直筒段的內(nèi)壁上，所述傳動(dòng)軸的一端向所述另一直筒段的自由端延伸以構(gòu)成動(dòng)力輸出連接端；

-動(dòng)力裝置，其固定設(shè)置在所述殼體中并且傳動(dòng)連接所述傳動(dòng)軸；

其中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端和殼體連接端中，其中一個(gè)與所述底座或所述末端夾具或另一個(gè)關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接，另一個(gè)與另一關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接；

兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接處，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端與另一關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端傳動(dòng)連接，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的的殼體連接端與另一關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端或動(dòng)力輸出連接端傳動(dòng)連接；

所述末端夾具和與其連接的關(guān)節(jié)模塊之間還設(shè)置有多維力傳感器；

所述多維力傳感器與所述控制器連接，所述控制器與每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力裝置連接。

一種實(shí)施方式中，所述殼體的兩直筒段互成夾角的角度為90度。

一種實(shí)施方式中，所述機(jī)械臂包括依次連接的首端關(guān)節(jié)模塊、至少一個(gè)中間關(guān)節(jié)模塊以及末端關(guān)節(jié)模塊；

所述首端關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端和殼體連接端中，其中一個(gè)與所述底座傳動(dòng)連接，另一個(gè)與其中一個(gè)中間關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接；

每個(gè)中間關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端和殼體連接端，其中一個(gè)與所述首端關(guān)節(jié)模塊或所述末端關(guān)節(jié)模塊或另一個(gè)中間關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接，另一個(gè)與另一中間關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接；

所述末端關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端和殼體連接端中，其中一個(gè)與所述末端夾具傳動(dòng)連接，另一個(gè)與其中一個(gè)中間關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)連接。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力裝置包括驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及減速器，所述控制器與所述驅(qū)動(dòng)器連接，所述驅(qū)動(dòng)器與所述電機(jī)連接，所述電機(jī)的輸出軸與所述減速器的輸入軸傳動(dòng)連接，所述減速器的輸出軸與所述傳動(dòng)軸傳動(dòng)連接。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的電機(jī)設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器連接的輸入編碼器，以測(cè)量電機(jī)的輸出速度和加速度，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器連接的輸出編碼器，以測(cè)量關(guān)節(jié)模塊輸出的絕對(duì)位置。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的電機(jī)還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器連接的剎車器，以實(shí)現(xiàn)掉電剎車。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的極限位置還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器連接的限位開關(guān)，以限制關(guān)節(jié)極限位置。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的零位位置還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器連接的零位開關(guān)，以確定每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的絕對(duì)位置。

一種實(shí)施方式中，所述電機(jī)的輸出軸與所述減速器的輸入軸集成為一體結(jié)構(gòu)的階梯軸。

一種實(shí)施方式中，所述階梯軸和所述減速器的輸出軸均為為中空結(jié)構(gòu)，以穿設(shè)EtherCAT通訊線、電源線以及剎車線。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明基于模塊化關(guān)節(jié)，通過模塊化的組合，實(shí)現(xiàn)需要的機(jī)器人自由度數(shù)，逐級(jí)連接一體化關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端、動(dòng)力輸出連接端即可，通過模塊化設(shè)計(jì)，減輕機(jī)器人本體重量，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕量化；

(2)本發(fā)明僅在機(jī)器人末端安裝一多維力傳感器，傳感器輸出端接手術(shù)末端夾具和手術(shù)工具，操作時(shí)，醫(yī)生手持機(jī)器人末端手術(shù)工具，醫(yī)生施加在工具上的力反映到多維力傳感器上，能夠反映醫(yī)生手術(shù)過程中的運(yùn)動(dòng)意圖，并通過醫(yī)生操作力與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度之間的柔順控制，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同交互；

(3)本發(fā)明關(guān)節(jié)之間通過高性能工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線串行連接，實(shí)現(xiàn)與控制器的通信，保障機(jī)器人控制區(qū)與驅(qū)動(dòng)器之間快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)和控制信息通信；

(4)本發(fā)明在機(jī)器人的底座安裝機(jī)器人的控制器，使安裝調(diào)試變得簡(jiǎn)單，通過EtherCAT總線連接各關(guān)節(jié)模塊的驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)通過EtherCAT/Ethernet/USB/RS232/CAN等與人機(jī)界面或者控制計(jì)算機(jī)相連，完成手術(shù)作業(yè)，從而替代一般機(jī)器人所需的龐大的控制箱和機(jī)器人示教器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明公開的協(xié)同交互機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明公開的單個(gè)關(guān)節(jié)模塊的主視圖；

圖3為本發(fā)明公開的單個(gè)關(guān)節(jié)模塊的俯視圖。

100、底座；

200、機(jī)械臂；201、第一關(guān)節(jié)模塊；202、第二關(guān)節(jié)模塊；203、第三關(guān)節(jié)模塊；204、第四關(guān)節(jié)模塊；205、第五關(guān)節(jié)模塊；206、第六關(guān)節(jié)模塊；

210、殼體；211、殼體連接端；2220、驅(qū)動(dòng)器；230、電機(jī)；240、諧波齒輪減速器；241、動(dòng)力輸出連接端；250、階梯軸；260、交叉滾子軸承；271、輸入編碼器；272、輸出編碼器；273、限位開關(guān)；274、零位開關(guān)；275、剎車器

300、末端夾具；

400、控制器；

500、六維傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參見圖1至圖3，如其中的圖例所示，一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機(jī)器人，包括底座100、機(jī)械臂200、末端夾具300以及控制器400，機(jī)械臂200包括依次連接的第一關(guān)節(jié)模塊、第二關(guān)節(jié)模塊、第三關(guān)節(jié)模塊、第四關(guān)節(jié)模塊、第五關(guān)節(jié)模塊以及第六關(guān)節(jié)模塊，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊包括：

-殼體210，其大體呈90度彎頭狀，包括相互垂直的兩直筒段，其中一個(gè)直筒段的自由端構(gòu)成殼體連接端211；

-驅(qū)動(dòng)器220，其與控制器400連接；

-電機(jī)230，其與驅(qū)動(dòng)器220連接；

諧波齒輪減速器240，其輸入軸與電機(jī)230的輸出軸共同傳動(dòng)連接在一階梯軸250上，諧波齒輪減速器240的輸出軸通過交叉滾子軸承260可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接在另一直筒段的內(nèi)壁上，諧波齒輪減速器240的輸出軸向另一直筒段的自由端延伸以構(gòu)成動(dòng)力輸出連接端241；

其中：

第一關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端與底座100連接；

第二關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端與第一關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端連接；

第三關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端與第二關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端連接；

第四關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端與第三關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端連接；

第五關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端與第四關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端連接；

第六關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端與第五關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出連接端連接；

末端夾具300與第六關(guān)節(jié)模塊的動(dòng)力輸出端連接；

末端夾具300和第六關(guān)節(jié)模塊之間還設(shè)置有六維力傳感器500；

六維力傳感器500與控制器400連接，控制器與每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的驅(qū)動(dòng)器連接。

基于模塊化關(guān)節(jié)，根據(jù)設(shè)計(jì)所需要的自由度數(shù)，逐級(jí)連接一體化殼體連接端、動(dòng)力輸出連接端即可，如本實(shí)施例的6自由度機(jī)器人，在機(jī)器人末端安裝一六維力傳感器，傳感器輸出端接手術(shù)末端夾具和手術(shù)工具，操作時(shí)，醫(yī)生手持機(jī)器人末端手術(shù)工具，醫(yī)生施加在工具上的力反映到六維力傳感器上，通過力與機(jī)器人速度的匹配，傳感器能夠檢測(cè)到操作操作的各個(gè)方向的力的信息，通過機(jī)器人的正逆解，求得機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，完成交互功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同交互。

在機(jī)器人底座100部分，安裝機(jī)器人的控制器，用來通過EtherCAT總線連接各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器220，同時(shí)通過EtherCAT/Ethernet/USB/RS232/CAN等與人機(jī)界面或者控制計(jì)算機(jī)相連，完成手術(shù)作業(yè)。

驅(qū)動(dòng)器220連接電機(jī)230、輸入編碼器271、輸出編碼器272、限位開關(guān)273、零位開關(guān)274以及剎車器275等部件，實(shí)現(xiàn)單個(gè)關(guān)節(jié)的集成化控制能力，并且該驅(qū)動(dòng)器采用工業(yè)高速以太網(wǎng)EtherCAT通信，提高系統(tǒng)可靠性和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電機(jī)230作為源動(dòng)力部件，諧波齒輪減速器240作為動(dòng)力放大和輸出機(jī)構(gòu)，選擇合適傳動(dòng)比，放大電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，降低電機(jī)速度以適應(yīng)機(jī)器人的工作需求，電機(jī)230的驅(qū)動(dòng)器220與控制器400配合，給電機(jī)提供電流；驅(qū)動(dòng)器220接受輸入編碼器271、輸出編碼器272、限位開關(guān)273以及零位開關(guān)274發(fā)出的信號(hào)，判斷工作情況。

電機(jī)230的輸出軸與諧波齒輪減速器240的輸入軸集成為一體結(jié)構(gòu)的階梯軸250，電機(jī)230的轉(zhuǎn)子安裝在階梯軸250上，階梯軸250將關(guān)節(jié)內(nèi)的電機(jī)動(dòng)力部件輸出和諧波齒輪減速器240輸入直接連接起來，減少關(guān)節(jié)軸向尺寸。同時(shí)，中空設(shè)計(jì)的目的是將EtherCAT通信線和動(dòng)力電源線穿過機(jī)器人關(guān)節(jié)軸，簡(jiǎn)化關(guān)節(jié)走線復(fù)雜度。通過控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可以控制軸的運(yùn)動(dòng)，將電機(jī)扭矩傳遞到諧波減速器的波發(fā)生器上。諧波減速器鋼輪經(jīng)過柔輪與鋼輪共同作用，將扭矩放大，傳遞到柔輪，使得柔輪扭矩變大、速度減小。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的電機(jī)230還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器220連接的剎車器275，以實(shí)現(xiàn)掉電剎車。從安全角度考慮，設(shè)計(jì)剎車，防止機(jī)械臂運(yùn)行過程中出現(xiàn)意外情況，剎車保護(hù)。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的極限位置還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器220連接的限位開關(guān)273，以限制關(guān)節(jié)極限位置。限位開關(guān)273限制關(guān)節(jié)極限位置，當(dāng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置，限位開關(guān)將信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器，使驅(qū)動(dòng)器輸出剎車信號(hào)，并停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

一種實(shí)施方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的零位位置還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)器連接的零位開關(guān)274，以確定每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的絕對(duì)位置。零位開關(guān)274與輸入值編碼器配合，找到機(jī)器人關(guān)節(jié)零位，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)能夠找到每個(gè)關(guān)節(jié)的絕對(duì)位置。

以上為對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，通過對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。