本實用新型涉及醫(yī)療領(lǐng)域，具體涉及一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機器人。

背景技術(shù)：

自1985年第一例由工業(yè)機器人引導(dǎo)的神經(jīng)外科手術(shù)以來，在過去的30年里，機器人手術(shù)已進入了神經(jīng)外科、胸腹腔、泌尿、骨科等幾乎所有的外科領(lǐng)域。早期的機器人手術(shù)大多基于工業(yè)機器人或者工業(yè)機器人的改進型，主要探討機器人在手術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)可行性?？紤]到手術(shù)機器人不僅與醫(yī)生交互，更重要的是對病人進行手術(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)用于臨床的機器人都需要自行設(shè)計。盡管如此，也只有NeroMate，ROSA，Da Vinci，ROBODOC，ACROBOT、MAKO、RIO、Renaissance等為數(shù)不多的機器人進入了市場，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證或者臨床許可之前停止了研發(fā)。從手術(shù)機器人發(fā)展和需求上看，從現(xiàn)有成功商業(yè)化的手術(shù)機器人來看，高安全性和良好人機交互的機器人是當(dāng)前和未來手術(shù)機器人進入臨床的關(guān)鍵。

當(dāng)前的醫(yī)療機器人主要用于增強人的能力，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機器人；或者替代人的操作，如主動型ROBODOC機器人；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)，限制機器人運動范圍，如Renaissance機器人。從醫(yī)生偏好角度，具備協(xié)同交互能力的機器人是外科手術(shù)機器人發(fā)展的一個重要方向。

從協(xié)同交互機器人的技術(shù)實現(xiàn)來看，ROSA就是在工業(yè)機器人基礎(chǔ)上增加了安全控制的內(nèi)容。RIO機器人外形采用工業(yè)機器人，內(nèi)部采用繩驅(qū)動技術(shù)，驅(qū)動和控制都集中在機器人基座處，因此底部較大；并對手術(shù)過程中的關(guān)節(jié)力進行檢測實現(xiàn)所謂的觸角反饋能力，以體現(xiàn)良好的人機協(xié)同能力；Acrobot機器人采用特殊的成自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在機器人末端安裝一力反饋手柄，實現(xiàn)協(xié)同交互。另外，這些協(xié)同交互機器人，都是針對特定應(yīng)用場合，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，更通用化的機器人設(shè)計能夠滿足更多外科手術(shù)場合，當(dāng)前的設(shè)計在通用性上有很大的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的實用新型目的在于提供一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機器人，基于模塊化、通用化設(shè)計思想，提出基于EtherCAT總線通信的控制驅(qū)動一體化關(guān)節(jié)設(shè)計，進而組合成輕量化機器人，并在機器人末端加裝一六維力傳感器，實現(xiàn)人機交互能力。

為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供以下的技術(shù)方案：一種用于外科手術(shù)的協(xié)同交互機器人，包括底座、機械臂、末端夾具以及控制器，所述機械臂包括多個關(guān)節(jié)模塊，每個關(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，其中一個直筒段的自由端構(gòu)成殼體連接端；

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

-動力裝置，其固定設(shè)置在所述殼體中并且傳動連接所述傳動軸；

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

兩個關(guān)節(jié)模塊傳動連接處，每個關(guān)節(jié)模塊的動力輸出連接端與另一關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端傳動連接，每個關(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力輸出連接端傳動連接；

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，所述控制器與每個關(guān)節(jié)模塊的動力裝置連接。

一種實施方式中，所述殼體的兩直筒段互成夾角的角度為90度。

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

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

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

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

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的動力裝置包括驅(qū)動器、電機以及減速器，所述控制器與所述驅(qū)動器連接，所述驅(qū)動器與所述電機連接，所述電機的輸出軸與所述減速器的輸入軸傳動連接，所述減速器的輸出軸與所述傳動軸傳動連接。

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的電機設(shè)有與驅(qū)動器連接的輸入編碼器，以測量電機的輸出速度和加速度，每個關(guān)節(jié)模塊的動力輸出連接端設(shè)有與驅(qū)動器連接的輸出編碼器，以測量關(guān)節(jié)模塊輸出的絕對位置。

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的電機還設(shè)有與驅(qū)動器連接的剎車器，以實現(xiàn)掉電剎車。

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

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的零位位置還設(shè)有與驅(qū)動器連接的零位開關(guān)，以確定每個關(guān)節(jié)模塊的絕對位置。

一種實施方式中，所述電機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)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：

(1)本實用新型基于模塊化關(guān)節(jié)，通過模塊化的組合，實現(xiàn)需要的機器人自由度數(shù)，逐級連接一體化關(guān)節(jié)模塊的殼體連接端、動力輸出連接端即可，通過模塊化設(shè)計，減輕機器人本體重量，實現(xiàn)機器人輕量化；

(2)本實用新型僅在機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，醫(yī)生手持機器人末端手術(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)過程中的運動意圖，并通過醫(yī)生操作力與機器人運動速度之間的柔順控制，從而實現(xiàn)人機協(xié)同交互；

(3)本實用新型關(guān)節(jié)之間通過高性能工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線串行連接，實現(xiàn)與控制器的通信，保障機器人控制區(qū)與驅(qū)動器之間快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)和控制信息通信；

(4)本實用新型在機器人的底座安裝機器人的控制器，使安裝調(diào)試變得簡單，通過EtherCAT總線連接各關(guān)節(jié)模塊的驅(qū)動器，同時通過EtherCAT/Ethernet/USB/RS232/CAN等與人機界面或者控制計算機相連，完成手術(shù)作業(yè)，從而替代一般機器人所需的龐大的控制箱和機器人示教器。

附圖說明

圖1為本實用新型公開的協(xié)同交互機器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型公開的單個關(guān)節(jié)模塊的主視圖；

圖3為本實用新型公開的單個關(guān)節(jié)模塊的俯視圖。

100、底座；

200、機械臂；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)動器；230、電機；240、諧波齒輪減速器；241、動力輸出連接端；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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

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)同交互機器人，包括底座100、機械臂200、末端夾具300以及控制器400，機械臂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，其中一個直筒段的自由端構(gòu)成殼體連接端211；

-驅(qū)動器220，其與控制器400連接；

-電機230，其與驅(qū)動器220連接；

諧波齒輪減速器240，其輸入軸與電機230的輸出軸共同傳動連接在一階梯軸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)成動力輸出連接端241；

其中：

第一關(guān)節(jié)模塊的動力輸出連接端與底座100連接；

第二關(guān)節(jié)模塊的動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)模塊的動力輸出連接端連接；

末端夾具300與第六關(guān)節(jié)模塊的動力輸出端連接；

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，控制器與每個關(guān)節(jié)模塊的驅(qū)動器連接。

基于模塊化關(guān)節(jié)，根據(jù)設(shè)計所需要的自由度數(shù)，逐級連接一體化殼體連接端、動力輸出連接端即可，如本實施例的6自由度機器人，在機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，醫(yī)生手持機器人末端手術(shù)工具，醫(yī)生施加在工具上的力反映到六維力傳感器上，通過力與機器人速度的匹配，傳感器能夠檢測到操作操作的各個方向的力的信息，通過機器人的正逆解，求得機器人關(guān)節(jié)運動角度，完成交互功能，實現(xiàn)機器人柔順控制，從而實現(xiàn)人機協(xié)同交互。

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

驅(qū)動器220連接電機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，實現(xiàn)單個關(guān)節(jié)的集成化控制能力，并且該驅(qū)動器采用工業(yè)高速以太網(wǎng)EtherCAT通信，提高系統(tǒng)可靠性和簡化系統(tǒng)設(shè)計。

電機230作為源動力部件，諧波齒輪減速器240作為動力放大和輸出機構(gòu)，選擇合適傳動比，放大電機驅(qū)動力矩，降低電機速度以適應(yīng)機器人的工作需求，電機230的驅(qū)動器220與控制器400配合，給電機提供電流；驅(qū)動器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，判斷工作情況。

電機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)的電機動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，中空設(shè)計的目的是將EtherCAT通信線和動力電源線穿過機器人關(guān)節(jié)軸，簡化關(guān)節(jié)走線復(fù)雜度。通過控制電機運動，可以控制軸的運動，將電機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。

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的電機230還設(shè)有與驅(qū)動器220連接的剎車器275，以實現(xiàn)掉電剎車。從安全角度考慮，設(shè)計剎車，防止機械臂運行過程中出現(xiàn)意外情況，剎車保護。

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的極限位置還設(shè)有與驅(qū)動器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)動到極限位置，限位開關(guān)將信號發(fā)送到驅(qū)動器，使驅(qū)動器輸出剎車信號，并停止電機轉(zhuǎn)動。

一種實施方式中，每個關(guān)節(jié)模塊的零位位置還設(shè)有與驅(qū)動器連接的零位開關(guān)274，以確定每個關(guān)節(jié)模塊的絕對位置。零位開關(guān)274與輸入值編碼器配合，找到機器人關(guān)節(jié)零位，機器人運行時能夠找到每個關(guān)節(jié)的絕對位置。

以上為對本實用新型實施例的描述，通過對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領(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實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。