[发明专利]一种用于激光切除微创手术的从动机械臂

说明书

本发明公开了一种用于激光切除微创手术的从动机械臂，包括基座、机身、旋转连杆和末端执行器。本发明具有四个旋转自由度，第一个自由度用于机身整体的旋转，第二个自由度采用平行连杆使末端执行器实现绕一个定点旋转的远心运动，前两个自由度控制末端执行器的整体方向；第三个自由度实现末端执行器沿人体切入点轴线的进给运动，第四个自由度实现了末端执行器沿人体切入点轴线的旋转运动，后两个自由度具体控制了末端执行器的激光区域的方向和位置。本发明对手术需求进行了完全的机械限位，四个电机无论如何转动会经过远心点，且运动解算相互独立，控制简单。本发明机构简单，加工成本低，能有效降低前列腺增生激光切除微创手术的难度和成本。

【技术领域】

本发明属于手术机器人技术领域，涉及激光切除微创手术，尤其是一种用于激光切除微创手术的从动机械臂。

【背景技术】

近年来，微创手术技术取得了极大的发展，在很多领域取代了传统的开腹手术方式。前列腺增生是当代中老年人常见的一种疾病，具有发病率高、发病数量多的特点，所以针对前列腺增生的手术有较大需求。前列腺增生激光切除微创手术是一种新型的手术方式，手术设备经过自然腔道(尿道)伸入前列腺病变点，无需对人体进行外部切口，对人体伤害较小；手术设备末端为激光的工作端，医生操作手术器械寻找到病变点之后，使用激光能高温切除掉病变点，整个手术创口小、对人体伤害低。

随着机器人技术的进展，在外科手术的很多领域使用机器人已经可以代替医生进行手术，并有更好的效果。使用机器人代替医生进行手术操作可以排除医生手术操作过程中的手部颤动对手术效果造成的不良影响，并且可以减轻医生的工作负担。主从控制的机械臂是一种常用于微创手术的机械臂类型，医生在手术时操作主动机械臂，而另一端的从动机械臂可以复现医生的手术操作。在手术中，从动机械臂的末端执行器插入人体的自然腔道，有一个切入点，为不使病人受到二次伤害，此切入点必须固定不变，从动机械臂的末端执行器无论如何都要经过该固定点，该固定点称为远心点，这样的机构称为远心机构。从动机械臂的末端执行器的工作空间为以远心点为端点的一圆锥体，末端执行器必须能达到该空间的所有点，需要两个绕远心点的旋转自由度与沿末端执行器轴线方向的进给自由度。此外，末端执行器需要沿末端轴线方向的旋转运动，方便调整手术激光工作端的方向。

现在常用于微创手术的从动机械臂结构主要分为以下三类：1.并联型机械臂，主要使用并联结构，通过各并联连杆的驱动电机的运动的相互配合实现远心运动和手术操作，结构和运动控制较为复杂；2.串联型机械臂，主要使用机器人领域最为常用的串联结构，通过运动控制实现远心运动和手术操作，结构简单但运动控制十分复杂；3.平行四边形机械臂，机身主要使用串联结构，末端主要使用平行四边形结构，通过平行四边形实现一个自由度的远心运动定位，然后整体旋转平行四边形实现另一个自由度的运动，两个自由度结合实现远心运动和手术操作；还有一种变型的平行四边形机械臂结构，与上述方案相同，通过平行四边形实现一个自由度的远心运动定位，但另一个自由度是直接旋转以一定角度连接在平行四边形远心定位轴的末端执行器，使执行器的工作空间为一个圆锥体的侧面，两个自由度结合实现远心运动和手术操作；这两种平行四边形机械臂相比前两种结构增加了手术远心点的机械结构限位，可靠性较高，但在控制时还是需要注意两个自由度驱动角度的配合，并非完全机械限位，不当的运动角度驱动配合可能使末端执行器超出手术的圆锥体工作空间。

现有的一些外科微创手术机器人多为综合型的手术机器人，其体积庞大、机器昂贵、手术成本高。设计专用于某一种手术的手术机器人可以有效降低成本，目前专门针对前列腺增生激光切除微创手术的手术机械臂较少，需要设计针对前列腺增生激光切除微创手术的手术主从机械臂。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于激光切除微创手术的从动机械臂，该机械臂结构简单，尺寸小巧，对微创手术所需求的远心点进行了完全的机械限位，可在主机械臂的外部遥控下复现前列腺增生激光切除微创手术的动作，实现代替医生进行手术的目的。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：