本實用新型涉及一種微創外科手術領域內的醫療設備，它可以夾持手術工具輔助醫生實施微創手術操作，尤其涉及一種適合于胸腔和腹腔的微創手術操作的輔助微創外科手術的機器人機械臂。

背景技術：

以腹腔鏡手術為代表的微創外科被譽為20世紀醫學科學對人類文明的重要貢獻之一，微創手術操作是指醫生利用細長的手術工具通過人體表面的微小切口探入到體內進行手術操作。它與傳統的開口手術相比具有手術切口小、出血量少、術后疤痕小、恢復時間快等優點，這使得病人遭受的痛苦大大減少；為此微創外科被廣泛的應用于臨床手術。微創手術能夠為病人帶來諸多利益，但對醫生的操作增加了一系列難度，如：1)由于體表插入孔的限制，工具的自由度減少至四個，靈活性大大降低；2)器械操作方向與醫生的直覺方向相反，協調性差；3)醫生手部的抖動可能會被細長的手術工具放大；4)術野為二維平面成像，缺乏深度上的感覺；5)缺乏力感覺。因此，醫生必須經過長期訓練才能夠進行微創手術操作，即便如此，目前微創手術也僅僅應用在操作相對比較簡單的手術過程之中。因此，在微創外科手術領域中迫切需要一種機器人系統來輔助醫生能夠克服上述缺陷，更容易的完成微創手術操作。目前，能夠在臨床上使用的微創外科手術機器人系統只有Da Vinci系列和Zeus系統，但它們都有體積龐大、價格昂貴等方面的缺點。小型化和低成本微創手術機器人系統是未來發展趨勢。本實用新型提供了一種傳動精準、可靠性高、運動范圍大、系統剛度大、使用壽命長的外形簡潔、小型化、輕量化的輔助微創外科手術機器人機械臂。

目前，機器人用于夾持手術工具的主動機械臂部分實現微創手術操作要求的方式主要有三種：1)控制關節聯動實現，該方式通過對傳統的工業機器人進行相關改進后，安裝手術工具進行微創手術操作，可以縮短機器人的開發周期。然而，這種方式的安全性較差，目前只運用在實驗室中驗證某些原理的可行性。2)添加被動關節，這種方式的優點是細長的手術工具可以自動適應切入點的位置變化，被認為是最安全的一種方式。然而，手術過程中體表切口周圍的組織會受到手術工具傳遞的作用力，控制精度也較差。3)機構本身的約束，這種方式是通過開發一些能夠夾持手術工具繞體表切口運動的特殊機器人機構實現的，常用的主要有弧形導軌和雙平行四邊形機構。采用弧形導軌的方法開發的機器人系統有占用體積大，運動耦合等方面的缺陷；雙平行四邊形機構具有結構精簡、體積小、重量輕等方面的優點，是目前應用最為廣泛的一種方式，然而它對系統的加工和裝配都提出了很高的要求，由于平行四邊形的各連桿在長度方向上的精度難以保證，因此極大的影響了機器人的運動精度和剛度。

目前應用于微創外科手術的機械臂動力傳遞結構主要是絲傳動，由于鋼絲繩的彈性，使鋼絲繩在牽引力作用下易拉伸，使用一段時間后絲傳動摩擦力減小或失效，失去傳動的功能。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種傳動精準、可靠性高、運動范圍大、系統剛度大、使用壽命長的外形簡潔、小型化、輕量化的輔助微創外科手術機器人機械臂，它能夠夾持手術工具輔助醫生實施微創手術操作，該系統能夠滿足手術工具在手術過程中始終繞體表插入孔運動的要求。

本實用新型提供了一種傳動精準、可靠性高、運動范圍大、系統剛度大、使用壽命長的外形簡潔、小型化、輕量化的輔助微創外科手術機器人機械臂，具體方案如下：

一種輔助微創外科手術機器人機械臂，包括依次連接的臂I、臂II、臂III；在臂I的自由端設有兩個驅動電機I、II，在臂III的自由端連接一個用于連接手術工具的連接座VIII，所述的臂I和臂III的軸線平行，臂II和通過連接座VIII的軸線且與臂II的軸線平行的直線平行，四者構成了“平行四邊形”結構；臂I在驅動電機I的驅動下帶動“平行四邊形”結構擺動；臂I在驅動電機II的驅動下帶動整個機械臂以“平行四邊形”中與臂I、連接座VIII交叉點相對的點為中心，繞臂I的軸線做擺動運動。

進一步的，所述的臂I包括連桿II、軸II,所述的連桿II固定在連接座I上，軸II一端由電機I驅動其旋轉，另一端通過一對齒輪驅動與其相垂直的軸III旋轉；在軸III的頂部安裝有連接座IV，底部安裝連接座III,所述的連接座IV在軸III的驅動下相對于連接座III旋轉；所述的連桿II在驅動電機II的驅動下旋轉，且連桿II與連接座III固定連接。

進一步的，所述的臂II包括連桿III和軸IV，所述的軸III通過一對齒輪驅動軸IV旋轉，軸IV的末端又通過一對齒輪驅動與其相垂直的軸V旋轉，在軸V的頂部安裝有連接座V，底部安裝連接座VI,所述的連接座VI在軸V的驅動下相對于連接座V旋轉；所述的連桿III一端與連接座IV固定連接；另一端與連接座V固定連接。

進一步的，所述的臂III包括連桿IV和軸VI,所述的軸V通過一對齒輪驅動軸VI旋轉，軸VI的末端又通過一對齒輪驅動與其相垂直的軸VII旋轉；在軸VII的頂部安裝有連接座VIII，底部安裝連接座VII,所述的連接座VIII在軸VII的驅動下相對于連接座VII旋轉；所述的連桿IV一端與連接座VI固定連接；另一端與連接座VII固定連接。

進一步的，所述的連接座VIII連接一個快接接頭，在所述的快接接頭上安裝手術工具。

進一步的，所述的電機II通過一對齒輪驅動連桿II旋轉；在驅動電機II輸出端的齒輪端部固定一個失電制動器I，防止斷電情況下，機械臂以固定點O點為中心，繞所述的連桿II的軸線做擺動運動。

進一步的，所述的機械臂還包括一個失電制動器II，其固定在所述的軸VII上與所述的連接座VII上，防止斷電情況下機械臂以固定點O點為中心，在所述的連桿II的軸線與所述的連桿III的軸線的平行線、所述的連桿IV的軸線的平行線及所述的連接座VII I的軸線的平行線構成的平面內做“平行四邊形”擺動運動。

進一步的，所述的連桿II、連桿III、連桿IV的長度關系應該滿足：使連桿III旋轉到與連桿II軸線平行的角度時，連接座V和連接座VI均不與連接座I發生干涉；連桿IV旋轉到與連桿III“軸線平行”的角度時，連接座VII和連接座VIII均不與連接座III及連接座IV干涉。

進一步的，所述的連桿III與連桿IV能擺動到連桿II的兩側，使連桿IV旋轉到連桿II的軸線的平行線與連桿IV軸線的“交點”位于“軸VI與軸V的“交點”及軸VI與軸VII“交點”之間的“線段”上的位置而機械臂自身結構不發生“干涉”。

進一步的，所述的電機I、電機II還能替換為液壓馬達或氣動馬達。

本實用新型的工作過程如下：

所述的連桿II的軸線、連桿III的軸線的平行線、所述的連桿IV的軸線的平行線及所述的連接座VIII的軸線的平行線構成一個平行四邊形OPQR，所述的固定點O點為所述的連桿II的軸線與所述的連接座VIII的軸線的平行線的交點。安裝固定在所述的連接座VIII上的手術工具的軸線通過固定點O點。

在電機I驅動下，連桿II與連接座I相對靜止，軸II驅動連桿III繞P點旋轉同時軸IV相對于連桿III自轉，軸IV驅動連桿IV繞Q點旋轉同時軸VI相對于連桿IV自轉，軸VI驅動連接座VIII繞R點旋轉，機械臂以固定點O點為中心，在所述的連桿I I的軸線與所述的連桿III的軸線的平行線、所述的連桿IV的軸線的平行線及所述的連接座VII I的軸線的平行線構成的平面內做“平行四邊形”擺動運動。

在電機II驅動下，連桿II相對于連接座I自轉，機械臂以固定點O點為中心，繞所述的連桿II的軸線做擺動運動。

在電機I與電機II的配合驅動下，可使手術工具圍繞固定點O點做球形旋轉運動。通過使該固定點O點與人體手術部位的切入點“重合”，可以通過機械臂安全地定位手術工具，而不對人體腹壁施加危險的作用力。

本實用新型的用于輔助微創外科手術機器人機械臂與現有技術相比具有以下有益效果：

1.本實用新型裝置通過采用齒輪傳動的形式使機構具有傳動精準、可靠性高、運動范圍大、系統剛度大、使用壽命長、外形簡潔、小型化、輕量化的優點；本實用新型裝置具有較大的手術工具的運動范圍，縮小了機械臂的尺寸，減輕了其重量。

2.本實用新型裝置通過機構自身的約束實現微創外科手術過程中切入點約束的要求，滿足手術工具在手術過程中始終繞體表插入孔運動的要求，沒有引入冗余自由度，可以通過機械臂安全地定位手術工具，而不對人體腹壁施加危險的作用力，保證了使用上的安全性；

3.本實用新型裝置具有已經得到應用的雙平行四邊形機構的優點，但克服了雙平行四邊形機構對加工裝配要求苛刻這一缺點，從而有利于保證機器人的運動精度和系統剛度；

4.本實用新型裝置通過采用齒輪傳動的形式使機構具有傳動精準、可靠性高、使用壽命長的優點；克服了絲傳動方式由于鋼絲繩的彈性，使鋼絲繩在牽引力作用下易拉伸，使用一段時間后絲傳動摩擦力減小或失效，失去傳動的功能的缺陷；

5.本實用新型裝置應用領域是面向胸腔和腹腔領域的微創外科手術，有向其它領域如耳鼻喉等領域的手術拓展的潛力；

6.本實用新型裝置通過“平行四邊形”布局的臂段夾持手術工具用遠處探入到病人身體上方進行微創手術操作，這種結構可以大大節省機器人占用病人身體上方的空間；

7.本實用新型裝置可以快速更換多種配套的手術用具，能夠充分滿足微創手術操作多樣性的要求。

8.本實用新型裝置可以夾持內窺鏡輔助微創手術操作，可以將持鏡醫生從單調、疲勞的持鏡工作中解放出來。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖不一定按照比例，僅是示例性地描述本實用新型，下面描述的附圖僅僅是本實用新型中的一些實施例，不是限制本實用新型，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的實施例一的主視結構示意圖。

圖2是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的實施例一的俯視結構示意圖。

圖3是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的滿足手術操作需求的實施例一的極限位置一示意圖。

圖4是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的滿足手術操作需求的實施例一的極限位置二示意圖。

圖5是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的實施例二的主視結構示意圖。

圖6是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的實施例二的俯視結構示意圖。

圖7是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的滿足手術操作需求的實施例二的極限位置一示意圖。

圖8是本實用新型一種輔助微創外科手術機器人機械臂的滿足手術操作需求的實施例二的極限位置二示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

實施例1

如圖1、圖2所示，本實用新型提供了一種傳動精準、可靠性高、運動范圍大、系統剛度大、使用壽命長的外形簡潔、小型化、輕量化的輔助微創外科手術機器人機械臂。其包括依次連接的臂I2、臂II4、臂III6；臂I2和臂II4之間通過連接裝置3相連；臂II4和臂III6之間通過連接裝置5相連，在臂I2的自由端設有驅動裝置1，具體包括兩個驅動電機I 1-1、II 1-2，在臂III6的自由端連接一個用于連接手術工具的連接裝置7，所述的臂I和臂III的軸線平行，臂II和通過連接座VIII的軸線且與臂II的軸線平行的直線平行，四者構成了“平行四邊形”結構；臂I在驅動電機I的驅動下帶動“平行四邊形”結構擺動；臂I在驅動電機II的驅動下帶動整個機械臂以“平行四邊形”中與臂I、連接座VIII交叉點相對的點為中心，繞臂I的軸線做擺動運動。

其中臂I包括連桿II、軸II；臂II包括連桿III和軸IV；所述的臂III包括連桿IV和軸VI；各個部件之間具體的連接關系以及位置關系如下：

所述的電機I1-1安裝固定在所述的連接座II2-1上，所述的連接座II1-9安裝固定在所述的齒輪I1-5上，所述的齒輪I1-5安裝固定在所述的連桿II2-1上。所述的減速器I1-3安裝固定在所述的連接座II1-9上，所述的電機I1-1與所述的減速器I1-3相連接，所述的電機I1-1將動力輸出到所述的減速器I1-3驅動所述的減速器I1-3旋轉，所述的減速器I1-3的輸出端通過連接件與所述的軸II2-2固定連接，所述的減速器I1-3將動力輸出到所述的軸II2-2驅動所述的軸II2-2旋轉，所述的軸II2-2通過軸承及端蓋與所述的連桿II2-1配合并軸向固定，所述的軸II2-2可以相對于所述的連桿II2-1繞自身軸線轉動。

進一步的，所述的電機II1-2安裝固定在所述的連接座I1上，所述的減速器II1-4安裝固定在所述的連接座I1上,所述的電機II1-2與減速器II1-4相連接，所述的電機II1-2將動力輸出到所述的減速器II1-4驅動所述的減速器II1-4旋轉，所述的減速器II1-4的輸出端通過連接件與所述的齒輪II1-6固定連接，所述的減速器II1-4將動力輸出到所述的齒輪II1-6驅動所述的齒輪II1-6旋轉，所述的齒輪II1-6與所述的齒輪I1-5配合，所述的齒輪II1-6將動力輸出到所述的齒輪I1-5驅動所述的齒輪I1-5旋轉，所述的齒輪I1-5安裝固定在所述的連桿II2-1上，所述的齒輪I1-5將動力輸出到所述的連桿II2-1驅動所述的連桿II2-1旋轉。所述的連桿II2-1通過軸承及端蓋與所述的連接座I1配合并軸向固定，所述的連桿II2-1可以相對于所述的連接座I1繞自身軸線轉動。

進一步的，所述的連桿II2-1與所述的連接座III3-1固定連接，所述的軸II2-2與所述的齒輪III3-4固定連接，所述的軸II2-2將動力輸出到所述的齒輪III3-4驅動所述的齒輪III3-4旋轉，所述的齒輪III3-4與所述的齒輪IV3-5配合，所述的齒輪III3-4將動力輸出到所述的齒輪IV3-5驅動所述的齒輪IV3-5旋轉，所述的齒輪IV3-5安裝固定在所述的軸III3-3上，所述的齒輪IV3-5將動力輸出到所述的軸III3-3驅動所述的軸III3-3旋轉。所述的軸III3-3通過軸承及端蓋與所述的連接座III3-1配合并軸向固定，所述的軸III3-3可以相對于所述的連接座III3-1繞自身軸線轉動。所述的軸III3-3與所述的連接座IV3-2固定連接，所述的軸III3-3將動力輸出到所述的連接座IV3-2驅動所述的連接座IV3-2旋轉。所述的連接座IV3-2通過軸承及端蓋與所述的連接座III3-1配合并軸向固定，所述的連接座IV3-2可以相對于所述的連接座III3-1繞自身軸線轉動。所述的連接座IV3-2與所述的連桿III4-1固定連接。所述的齒輪V3-6安裝固定在所述的連接座III3-1上，所述的軸III3-3可以相對于所述的齒輪V3-6繞自身軸線轉動。所述的齒輪V3-6與所述的齒輪VI3-7配合，所述的齒輪V3-6將動力輸出到所述的齒輪VI3-7驅動所述的齒輪VI3-7旋轉，所述的齒輪VI3-7安裝固定在所述的軸IV4-2上，所述的齒輪VI3-7將動力輸出到所述的軸IV4-2驅動所述的軸IV4-2旋轉。所述的軸IV4-2通過軸承及端蓋與所述的連桿III4-1配合并軸向固定，所述的軸IV4-2可以相對于所述的連桿III4-1繞自身軸線轉動。

所述的連桿III4-1與所述的連接座V5-1固定連接，所述的軸IV4-2與所述的齒輪VII5-4固定連接，所述的軸IV4-2將動力輸出到所述的齒輪VII5-4驅動所述的齒輪VII5-4旋轉，所述的齒輪VII5-4與所述的齒輪VIII5-5配合，所述的齒輪VII5-4將動力輸出到所述的齒輪VIII5-5驅動所述的齒輪VIII5-5旋轉，所述的齒輪VIII5-5安裝固定在所述的軸V5-3上，所述的齒輪VIII5-5將動力輸出到所述的軸V5-3驅動所述的軸V5-3旋轉。所述的軸V5-3通過軸承及端蓋與所述的連接座V5-1配合并軸向固定，所述的軸V5-3可以相對于所述的連接座V5-1繞自身軸線轉動。所述的軸V5-3與所述的連接座VI5-2固定連接，所述的軸V5-3將動力輸出到所述的連接座VI5-2驅動所述的連接座VI5-2旋轉。所述的連接座VI5-2通過軸承及端蓋與所述的連接座V5-1配合并軸向固定，所述的連接座VI5-2可以相對于所述的連接座V5-1繞自身軸線轉動。所述的連接座VI5-2與所述的連桿IV6-1固定連接。所述的齒輪IX5-6安裝固定在所述的連接座V5-1上，所述的軸V5-3可以相對于所述的齒輪IX5-6繞自身軸線轉動。所述的齒輪IX5-6與所述的齒輪X5-7配合，所述的齒輪IX5-6將動力輸出到所述的齒輪X5-7驅動所述的齒輪X5-7旋轉，所述的齒輪X5-7安裝固定在所述的軸VI6-2上，所述的齒輪X5-7將動力輸出到所述的軸VI6-2驅動所述的軸VI6-2旋轉。所述的軸VI6-2通過軸承及端蓋與所述的連桿IV6-1配合并軸向固定，所述的軸VI6-2可以相對于所述的連桿IV6-1繞自身軸線轉動。

所述的連桿IV6-1與所述的連接座VII7-1固定連接，所述的軸VI6-2與所述的齒輪XI7-4固定連接，所述的軸VI6-1將動力輸出到所述的齒輪XI7-4驅動所述的齒輪XI7-4旋轉，所述的齒輪XI7-4與所述的齒輪XII7-5配合，所述的齒輪XI7-4將動力輸出到所述的齒輪XII7-5驅動所述的齒輪XII7-5旋轉，所述的齒輪XII7-5安裝固定在所述的軸VII7-3上，所述的齒輪XII7-5將動力輸出到所述的軸VII7-3驅動所述的軸VII7-3旋轉。所述的軸VII7-3通過軸承及端蓋與所述的連接座VII7-1配合并軸向固定，所述的軸VII7-3可以相對于所述的連接座VII7-1繞自身軸線轉動。所述的軸VII7-3與所述的連接座VIII7-2固定連接，所述的軸VII7-3將動力輸出到所述的連接座VIII7-2驅動所述的連接座VIII7-2旋轉。所述的連接座VIII7-2通過軸承及端蓋與所述的連接座VII7-1配合并軸向固定，所述的連接座VIII7-2可以相對于所述的連接座VII7-1繞自身軸線轉動。快換接頭I安裝固定在所述的連接座VIII7-2上，手術工具安裝固定在所述的快換接頭I上。

所述的失電制動器I1-11安裝固定在所述的齒輪II1-6上與所述的連接座I1上，防止斷電情況下，機械臂以固定點O點為中心，繞所述的連桿II2-1的軸線做擺動運動。所述的失電制動器II7-9安裝固定在所述的軸VII7-3上與所述的連接座VII7-1上，防止斷電情況下機械臂以固定點O點為中心，在所述的連桿II2-1的軸線與所述的連桿III4-1的軸線的平行線、所述的連桿IV6-1的軸線的平行線及所述的連接座VIII7-2的軸線的平行線構成的平面內做“平行四邊形”擺動運動。

本實用新型的工作過程如下：

所述的連桿II2-1的軸線、連桿III4-1的軸線的平行線、所述的連桿IV6-1的軸線的平行線及所述的連接座VIII7-2的軸線的平行線構成一個平行四邊形OPQR，所述的固定點O點為所述的連桿II2-1的軸線與所述的連接座VIII7-2的軸線的平行線的交點。安裝固定在所述的連接座VIII7-2上的手術工具的軸線通過固定點O點。

在電機I1-1驅動下，連桿II2-1與連接座I1相對靜止，軸II2-1驅動連桿III4-1繞P點旋轉同時軸IV4-2相對于連桿III4-1自轉，軸IV4-2驅動連桿IV6-1繞Q點旋轉同時軸VI6-2相對于連桿IV6-1自轉，軸VI6-2驅動連接座VIII7-2繞R點旋轉，機械臂以固定點O點為中心，在所述的連桿II2-1的軸線與所述的連桿III4-1的軸線的平行線、所述的連桿IV6-1的軸線的平行線及所述的連接座VIII7-2的軸線的平行線構成的平面內做“平行四邊形”擺動運動。

在電機II1-2驅動下，連桿II2-1相對于連接座I1自轉，機械臂以固定點O點為中心，繞所述的連桿II2-1的軸線做擺動運動。

在電機I1-1與電機II1-2的配合驅動下，可使手術工具圍繞固定點O點做球形旋轉運動。通過使該固定點O點與人體手術部位的切入點“重合”，可以通過機械臂安全地定位手術工具，而不對人體腹壁施加危險的作用力。

作為上述方案的進一步改進，所述的驅動裝置可以是電機、液壓馬達或氣動馬達。

本實用新型提出的一種輔助微創外科手術機器人機械臂可以變更為以下另外一種實施例結構，可以使機械臂獲得更大的轉動范圍，以更大范圍地滿足手術操作要求，更靈活地適應不同的應用場合，如圖5和圖6，具體如下：

實施例2

在實施例一的技術方案的基礎上，將連桿IV6-1與連桿II2-1分別安裝在連桿III4-1的“兩側”，連桿II2-1、連桿III4-1、連桿IV6-1設計適當的長度關系，使連桿III4-1旋轉到與連桿II2-1“軸線平行”的角度時，連接座V5-1和連接座VI5-2均不與連接座I1發生“干涉”；連桿IV6-1旋轉到與連桿III4-1“軸線平行”的角度時，連接座VII7-1和連接座VIII7-2均不與連接座III3-1及連接座IV3-2“干涉”。連桿III4-1與連桿IV6-1可以擺動到連桿II2-1的“兩側”(如圖7視圖方向)，使連桿IV6-1旋轉到連桿II2-1的軸線與連桿IV6-1的軸線的平行線的“交點”位于線段QR兩點之間的位置而機械臂自身結構不發生“干涉”，從而使機械臂獲得更大的轉動范圍，以更大范圍地滿足手術操作要求，更靈活地適應不同的應用場合。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍內。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。