一种并联RCM机构及微创手术机器人

一种并联rcm机构及微创手术机器人
技术领域
1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种并联rcm机构及微创手术机器人。

背景技术：

2.微创手术是通过微小创口将特殊器械、物理能量或化学药剂送入人体内部，完成对人体内病变、畸形、创伤的灭活、切除、修复或重建等操作而达到目的的外科手术。随着设计和制造技术的进步，机器人在外科手术领域的应用展现出了明显的优势。将机器人技术与传统的微创技术相结合的穿刺针机器人被普遍认为是一种能够有效地解决传统微创技术缺点的方法。
3.穿刺针机器人一般包括机器人手臂、设置在机器人手臂末端的进针装置，进针装置一般包括rcm机构及设在rcm机构上的穿刺针机构。rcm机构利用结构自身的约束实现的微创手术机器人并没有加入多余的自由度，而是依靠特殊设计的机构使机器人的一部分在运动过程中始终通过某一固定点。机器人的手臂可自由移动，用于实现穿刺点的定位，rcm机构则用于对穿刺针的穿刺姿态(穿刺角度)进行调节，穿刺针机构用于最终实现穿刺进行，使穿刺针达到病灶点。
4.目前比较常见的是一种基于双平行四边形的穿刺机器人的进针装置，包括双平行四边形rcm机构及可转动设置在所述双平行四边形rcm机构上的进针机构。通过平行四边形来实现进针方向的改变。但这种rcm机构对于其组成部件中各杆件的加工精度及装配要求都非常高，且由于杠杆作用的存在，驱动末端负载对于相应自由度驱动模块的驱动力要求较高，容易出现进针不稳定和方向转向困难等实际操作问题。
5.进一步的，现行的手术机器人多以串联机械手为主，其要求的运动空间是较大的，无法实现小范围的精准操作。并且串联机器人刚度小、承载力小、误差较大。

技术实现要素：

6.本发明提供一种并联rcm机构及微创手术机器人，用以解决现有技术中并联rcm机构刚度小、承载力小且误差大的缺陷，实现一种高刚度、稳定性高且精度高的rcm机构。
7.本发明提供一种并联rcm机构，包括：动平台、定平台和三个结构相同的运动单元；
8.所述定平台中部位置处设置有圆形镂空部，上表面设置有圆环形导轨，下表面设置有内齿轮，且所述圆环形导轨、所述内齿轮和所述圆形镂空部共轴线设置；
9.所述动平台上设置有三个第一安装孔，所述三个第一安装孔对称分布；
10.所述运动单元包括驱动机构、滚动机构和弧形导轨，所述驱动机构包括电机模块和与电机轴连接的外齿轮，所述外齿轮与所述内齿轮啮合；所述电机模块与所述滚动机构连接用于驱动所述滚动机构沿所述圆环形导轨移动；所述弧形导轨一端与所述滚动机构转动连接，另一端和所述第一安装孔通过球铰机构连接。
11.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述滚动机构包括滚轮组件和滚轮支架，所述滚动机构安装在所述滚轮支架上，所述滚轮支架穿过所述圆形镂空部与所述电机模块固
定连接。
12.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述圆环形导轨内周面上设置有内轨道，外周面上设置有外轨道；
13.所述滚轮组件包括第一滚轮组和第二滚轮组，所述第一滚轮组位于所述内轨道上，所述第二滚轮组位于所述外轨道上。
14.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述第一滚轮组和/或所述第二滚轮组至少包括两个滚轮。
15.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述定平台上位于所述第二滚轮组下方位置处对称设置有三个镂空安装部。
16.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述滚动机构上设置有转动连接件，所述转动连接件包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上或设置在所述弧形导轨一端；
17.三个所述转动连接件的转轴的轴线相交于所述圆环形导轨的轴线上。
18.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述球铰机构包括球头杆和球座杆，所述球头杆的球头端与所述球座杆的球座端连接，所述球头杆的另一端转动安装于所述第一安装孔内，所述球座杆的另一端转动安装于所述弧形导轨的另一端。
19.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述动平台为正三角形且所述正三角形顶点处进行了圆角处理，所述三个第一安装孔分别位于所述正三角形靠近三个顶点处。
20.根据本发明提供的一种并联rcm机构，所述定平台为圆环形且所述定平台的外周设置有固定结构。
21.本发明还提供一种微创手术机器人，包括上述任一种所述并联rcm机构，还包括末端操作器和机械臂：
22.所述末端操作器安装于所述动平台上所述三个第一安装孔构成的三角形的重心位置处；
23.所述机械臂与所述定平台固定连接。
24.本发明提供的并联rcm机构，一方面，三个结构相同的运动单元并联，相较于串联的rcm机构精度和稳定性更高，且提供了三个自由度，提高了rcm机构操作的灵活性；另一方面，通过圆环形导轨和齿轮结构的设置，使得运动单元的运动流畅且更加稳定；进一步的，通过对弧形导轨等部件尺寸的改变，可以改变并联rcm机构远程运动中心的位置。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明提供的并联rcm机构的正视结构示意图；
27.图2是本发明提供的并联rcm机构的立体结构示意图；
28.图3是本发明提供的并联rcm机构的仰视结构示意图；
29.图4是本发明提供的驱动机构和滚动机构连的结构示意图；
30.图5是本发明提供的动平台结构示意图；
31.图6是本发明提供的驱动机构、滚动机构和圆环形导轨的结构示意图。
32.附图标记：
33.101、动平台；102、定平台；103、圆环形导轨；104、内齿轮；105、第一安装孔；106、弧形导轨；107、电机模块；108、外齿轮；109、球铰机构；110、滚动机构；111、镂空安装部；112、转动连接件；113、固定结构。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
37.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
39.下面结合图1-图6描述本发明的并联rcm机构及微创手术机器人。
40.如图1至图6所示，本发明第一方面实施例提供一种并联rcm机构，包括：动平台101、定平台102和三个结构相同的运动单元；所述定平台102中部位置处设置有圆形镂空部，上表面设置有圆环形导轨103，下表面设置有内齿轮104，且所述圆环形导轨103、所述内齿轮104和所述圆形镂空部共轴线设置；所述动平台101上设置有三个第一安装孔105，所述
三个第一安装孔105对称分布；所述运动单元包括驱动机构、滚动机构110和弧形导轨106，所述驱动机构包括电机模块107和与电机轴连接的外齿轮108，所述外齿轮108与所述内齿轮104啮合；所述电机模块107与所述滚动机构110连接用于驱动所述滚动机构110沿所述圆环形导轨103移动；所述弧形导轨106一端与所述滚动机构110转动连接，另一端和所述第一安装孔105通过球铰机构109连接。
41.具体的，驱动机构中，外齿轮108与定平台102上的内齿轮104啮合，外齿轮108在电机模块107的驱动下在内齿轮104内运动，从而可以带动电机模块107运动。而电机模块107的运动会带动与其连接的滚动机构110运动，使得滚动机构110可在圆环形导轨103上移动，此时与滚动机构110连接的弧形导轨106也被带动运动，而弧形导轨106与动平台101通过球铰机构109连接，因此运动平台101也被带动。
42.该机构中动平台101连接有三个结构相同的运动单元，通过对三个运动单元中的电机模块107设置对应的转速和转动方向，便可以使滚动机构110以预设的速度和方向沿圆环形导轨103运动，以此带动弧形导轨106从而可以调整动平台101的姿态。
43.可以理解的是，上述并联rcm机构通过对弧形导轨106的长度、弧度和可运动幅度的调整，可以改变动平台101的运动范围和远程运动中心的位置，应用范围更广。
44.本发明提供的并联rcm机构，一方面，三个结构相同的运动单元并联，相较于串联的rcm机构精度和稳定性更高，且提供了三个自由度，提高了rcm机构操作的灵活性；另一方面，通过圆环形导轨103和齿轮结构的设置，使得运动单元的运动流畅且更加稳定；进一步的，通过对弧形导轨106等部件尺寸的改变，可以改变并联rcm机构远程运动中心的位置。
45.在一个实施例中，如图4和图6中所示，所述滚动机构110包括滚轮组件和滚轮支架，所述滚动机构110安装在所述滚轮支架上，所述滚轮支架穿过所述圆形镂空部与所述电机模块107固定连接。
46.示例性的，滚轮组件可以包括滚轮和滚轴，滚轮通过滚轴安装在滚轮支架上。同时，可以在电机模块107上固定安装电机底座，将滚轮支架与电机底座进行固定连接来达到与电机模块107连接的目的，具体的固定连接的方式可以是焊接，螺栓连接或者粘贴连接，在此不做具体的限定。
47.在一个实施例中，如图6所示，所述圆环形导轨103内周面上设置有内轨道，外周面上设置有外轨道；
48.所述滚轮组件包括第一滚轮组和第二滚轮组，所述第一滚轮组位于所述内轨道上，所述第二滚轮组位于所述外轨道上。
49.可以理解的是，为了提高滚动机构110的滚动稳定性，在圆环形导轨103的内周面和外周面上可以分别设置内轨道和外轨道，并且设置两组滚轮组，使一组滚轮位于内轨道上，一组滚轮位于外轨道上。如此设置，两组滚轮将圆环形导轨103夹持在中间，在一定程度上控制了滚轮组件运动时在圆环形导轨103径向方向上的移动。
50.在一个实施例中，所述第一滚轮组和/或所述第二滚轮组至少包括两个滚轮。
51.具体的，第一滚轮组和第二滚轮组中的至少一组包括的滚轮个数至少是两个。当至少一组具有两个以上的滚轮时，滚轮组件与内轨道和外轨道中的至少一个是两个以上的接触位置，相较于只有一个滚轮的接触，滚动机构110移动时的稳定性更高。示例性的，所述滚轮可以是轴承，滚动时摩擦力较小。
52.在一个实施例中，所述定平台102上位于所述第二滚轮组下方位置处对称设置有三个镂空安装部111。
53.具体的，当有两组滚轮组的情况下，为了便于滚轮的安装，在安装于外轨道的第二滚轮组下方可以设置镂空安装部111，以便于安装操作时可以通过镂空安装部111将第二滚轮组安装在滚轮支架上。由于运动单元有三个，所以可以对称设置三个镂空安装部111。
54.在一个实施例中，如图4所示，所述滚动机构110上设置有转动连接件112，所述转动连接件112包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上或设置在所述弧形导轨106一端；
55.三个所述转动连接件112的转轴的轴线相交于所述圆环形导轨103的轴线上。
56.具体的，转动机构上可以设置专门安装弧形导轨106的转动连接件112，转动连接件112可以包括基座和设置在基座上的转轴，弧形导轨106安装在转轴上且可绕转轴转动；转动件还可以包括基座和设置在弧形导轨106一端的转轴，该转轴与弧形导轨106的弧形面相交，基座上设置有转轴安装孔，转轴在转轴安装孔内转动。其中三个转动机构上的三个转轴的轴线相交于圆环形导轨103的轴线上。
57.在一个实施例中，所述球铰机构109包括球头杆和球座杆，所述球头杆的球头端与所述球座杆的球座端连接，所述球头杆的另一端转动安装于所述第一安装孔105内，所述球座杆的另一端转动安装于所述弧形导轨106的另一端。
58.具体的，球铰机构109包括球头杆和球座杆，球头杆的球头端与球座杆的球座端连接。球头杆位于动平台101靠近定平台102一侧，球头杆另一端安装在第一安装孔105内且在第一安装孔105内以第一安装孔105的轴线为轴可以转动。球座杆位于弧形导轨106的内弧面一侧，球座杆另一端安装在弧形导轨106上且可以在弧形导轨106上的第二安装孔内以第二安装孔的轴线转动。
59.在一个实施例中，如图5所示，所述动平台101为正三角形且所述正三角形顶点处进行了圆角处理，所述三个第一安装孔105分别位于所述正三角形靠近三个顶点处。
60.具体的，将动平台101设置为正三角形且将顶点进行圆角处理，可以使得动平台101在运动时不会对球铰机构109乃至弧形导轨106产生干扰。同时还可以使得动平台101在运动时尽可能避免其顶点对其他物体产生的碰撞损伤。
61.在一个实施例中，所述定平台102为圆环形且所述定平台102的外周设置有固定结构113。
62.具体的，定平台102可以为圆环形，且圆环的外周上可以设置固定结构113用以将并联rcm机构与其他设备如机械臂等进行固定。当固定结构113有多个时可以均匀分布在圆环形定平台102的外周。
63.本发明还提供一种微创手术机器人，包括上述任一种所述并联rcm机构，还包括末端操作器和机械臂：
64.所述末端操作器安装于所述动平台101上所述三个第一安装孔105构成的三角形的重心位置处；
65.所述机械臂与所述定平台102固定连接。
66.具体的，上述微创手术机器人包括并联rcm机构、末端操作器和机械臂。末端操作器安装于并联rcm机构动平台101远离定平台102的一面上三个第一安装孔105构成的三角
形的重心位置处。当末端操作器为穿刺针机构时，所述动平台101上三角形的重心位置处还设置有安装通孔，用于安装穿刺针机构。所述机械臂与所述定平台102固定连接，具体的可以与定平台102上的固定结构113连接。并联rcm机构可确定空间一个不动点，在微创手术中可用于末端操作器的三自由度姿态的调整。
67.本发明提供的微创手术机器人的操作方法为：操作所述机械臂将定平台102至于预设固定位置处；将所述动平台101设置在预设初始位置处；将患者待手术部位运送至所述动平台101远离所述定平台102的一侧；驱动机构驱动所述动平台101使操作面与所述患者待手术部位重合，进行微创手术。
68.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种并联rcm机构，其特征在于，包括：动平台、定平台和三个结构相同的运动单元；所述定平台中部位置处设置有圆形镂空部，上表面设置有圆环形导轨，下表面设置有内齿轮，且所述圆环形导轨、所述内齿轮和所述圆形镂空部共轴线设置；所述动平台上设置有三个第一安装孔，所述三个第一安装孔对称分布；所述运动单元包括驱动机构、滚动机构和弧形导轨，所述驱动机构包括电机模块和与电机轴连接的外齿轮，所述外齿轮与所述内齿轮啮合；所述电机模块与所述滚动机构连接用于驱动所述滚动机构沿所述圆环形导轨移动；所述弧形导轨一端与所述滚动机构转动连接，另一端和所述第一安装孔通过球铰机构连接。2.根据权利要求1所述并联rcm机构，其特征在于，所述滚动机构包括滚轮组件和滚轮支架，所述滚动机构安装在所述滚轮支架上，所述滚轮支架穿过所述圆形镂空部与所述电机模块固定连接。3.根据权利要求2所述并联rcm机构，其特征在于，所述圆环形导轨内周面上设置有内轨道，外周面上设置有外轨道；所述滚轮组件包括第一滚轮组和第二滚轮组，所述第一滚轮组位于所述内轨道上，所述第二滚轮组位于所述外轨道上。4.根据权利要求3所述并联rcm机构，其特征在于，所述第一滚轮组和/或所述第二滚轮组至少包括两个滚轮。5.根据权利要求4所述并联rcm机构，其特征在于，所述定平台上位于所述第二滚轮组下方位置处对称设置有三个镂空安装部。6.根据权利要求1所述并联rcm机构，其特征在于，所述滚动机构上设置有转动连接件，所述转动连接件包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上或设置在所述弧形导轨一端；三个所述转动连接件的转轴的轴线相交于所述圆环形导轨的轴线上。7.根据权利要求1～6任一项所述并联rcm机构，其特征在于，所述球铰机构包括球头杆和球座杆，所述球头杆的球头端与所述球座杆的球座端连接，所述球头杆的另一端转动安装于所述第一安装孔内，所述球座杆的另一端转动安装于所述弧形导轨的另一端。8.根据权利要求6所述并联rcm机构，其特征在于，所述动平台为正三角形且所述正三角形顶点处进行了圆角处理，所述三个第一安装孔分别位于所述正三角形靠近三个顶点处。9.根据权利要求6所述并联rcm机构，其特征在于，所述定平台为圆环形且所述定平台的外周设置有固定结构。10.一种微创手术机器人，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述并联rcm机构，还包括末端操作器和机械臂：所述末端操作器安装于所述动平台上所述三个第一安装孔构成的三角形的重心位置处；所述机械臂与所述定平台固定连接。

技术总结

本发明提供一种并联RCM机构及微创手术机器人，该并联RCM机构包括：动平台、定平台和三个结构相同的运动单元；定平台中部位置处设置有圆形镂空部，上表面设置有圆环形导轨，下表面设置有内齿轮，且圆环形导轨、内齿轮和圆形镂空部共轴线设置；动平台上设置有三个第一安装孔，三个第一安装孔对称分布；运动单元包括驱动机构、滚动机构和弧形导轨，驱动机构包括电机模块和与电机轴连接的外齿轮，外齿轮与内齿轮啮合；电机模块与滚动机构连接用于驱动滚动机构沿圆环形导轨移动；弧形导轨一端与滚动机构转动连接，另一端与第一安装孔通过球铰机构连接。该机构可确定空间一个不动点，用于对安装在其上的末端操作器的三自由度姿态进行调整。调整。调整。