技术领域
[0001] 本
发明涉及一种手术
机器人操作装置，具体涉及一种用于泌尿外科手术操作的机械臂。
背景技术
[0002] 泌尿外科
疾病已成为现代社会影响人类健康的最常见疾病之一。泌尿外科疾病
治疗中经尿道开展的手术占了很大比例，如男性常见疾病
良性前列腺增生(Benign Prostatic Hyperplasia，BPH)的治疗。BPH手术是泌尿外科最常见手术之一，据统计目前全国泌尿外科约30-60％的手术为前列腺增生手术。前列腺手术以微创为主，经尿道前列腺电切或激光
气化是目前治疗BPH的最有效方法。目前该类手术主要依靠医生手工进行操作。
[0003] 由于BPH手术过程中手术工具通常需要实现五个
自由度以上的运动，导致手术过程中医生手臂须频繁变换姿势，因此该手术对外科医师的经验和技术要求较高。此外，由于手术量大，医生长时间持续手术容易疲劳使得手术精准度难以保证，且手工操作不利于手术标准化和远程操作。另一方面，尽管目前市场上出现了用于临床的手术机器人，但现有手术机器人功能全面、结构复杂、使用维护成本高，导致手术
费用昂贵，操作过程复杂，须经专
门培训才可进行操作。可见，现有手术机器人对泌尿外科手术而言针对性较差，有必要研制专门用于泌尿外科手术的机器人机构以模仿医生手臂从而执行手术过程所需要的各种动作。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于泌尿外科手术操作的机械臂，通过控制各机构输出既定的运动可替代手术医生手臂操作手术器具，从而降低医生劳动强度，并且有利于实现手术的精准化、标准化。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006] 一种用于泌尿外科手术操作的机械臂，其包括底座、机械臂
旋转机构、转臂机构、粗管进给机构、粗管旋转机构和细管进给机构，其中，机械臂旋转机构固定在底座上，其上设置有旋转凸台；转臂机构包括第一转臂、第一
电机、第二转臂和第二电机，其中，第一转臂后端通过第一铰接轴与旋转凸台铰接，第一电机用于驱动第一转臂；第二转臂后端通过第二铰接轴与第一转臂前端铰接，第二电机用于驱动第二转臂；第二转臂前端与粗管进给机构铰接；粗管进给机构设置有进给部件，粗管旋转机构固定在该进给部件上；粗管旋转机构设置有粗管，细管进给机构固定在粗管上。
[0007] 优选地，第一转臂后端通过第一铰接轴与旋转凸台铰接，该第一铰接轴与第一电机的
输出轴、第一转臂均固定连接，第一电机固定在旋转凸台上；第二转臂后端通过第二铰接轴与第一转臂前端铰接，该第二铰接轴与第二电机的输出轴、第二转臂均固定连接，第二电机固定在第一转臂前端。
[0008] 优选地，所述粗管进给机构包括
丝杠螺母机构，丝杠螺母机构的螺母座是进给部件。
[0009] 优选地，所述机械臂旋转机构包括旋转电机、旋转凸台、旋转电机座和机械臂旋转
轴承座；其中，旋转电机座和机械臂旋
转轴承座固定在底座上；旋转电机固定在旋转电机座上，旋转凸台安装在机械臂
旋转轴承座内的轴承上，旋转凸台与旋转电机输出轴连接。
[0010] 进一步优选地，所述机械臂旋转机构还包括机械臂旋转
联轴器；机械臂旋转联轴器位于旋转电机座和机械臂旋转轴承座之间，其后端连接旋转电机输出轴，前端连接旋转凸台的轴。
[0011] 进一步优选地，所述底座包括
基座和平板，所述平板固定在基座的上端；旋转电机座和机械臂旋转轴承座固定在平板上。
[0012] 进一步优选地，所述基座包括
水平设置的
基板和竖直的
支撑臂，平板设置在支撑臂上方。
[0013] 优选地，所述粗管进给机构包括
底板、粗管进给电机、丝杠、螺母座、导杆、粗管进给电机座和粗管进给轴承座，其中，底板的后端与第二转臂的前端铰接；底板一端安装有粗管进给电机座，另一端安装有粗管进给轴承座；粗管进给电机安装于粗管进给电机座上，其输出轴通过粗管进给电机座与丝杠一端连接；丝杠的另一端安装在粗管进给轴承座上；导杆与丝杠平行，其两端分别固定在粗管进给电机座和粗管进给轴承座上；螺母座套设在丝杠上，组成丝杠螺母副；导杆穿设在螺母座中；螺母座能沿导杆轴向滑动；粗管旋转机构固定在螺母座上。
[0014] 优选地，粗管旋转机构包括第一连接板、粗管旋转电机和粗管，其中，第一连接板固定在粗管进给机构的进给部件上，其后侧设置粗管旋转电机，其前侧设置粗管。
[0015] 进一步优选地，粗管旋转机构还包括第二连接板和
法兰，所述第二连接板固定在粗管进给机构的进给部件上且位于第一连接板前方；法兰固定在第二连接板前侧面上；法兰内设置可相对于法兰转动的轴；可相对于法兰转动的轴的前端与粗管连接，后端与粗管旋转电机输出轴连接。
[0016] 进一步优选地，粗管旋转机构还包括粗管旋转联轴器；粗管旋转联轴器后端连接粗管旋转电机输出轴，前端连接可相对于法兰转动的轴的后端。
[0017] 优选地，所述细管进给机构包括衬套、托架、细管、细管进给电机、滑
块、
连杆和
曲柄，其中，衬套固定在粗管上，衬套上设置托架；细管进给电机
机身固定在托架上；细管固定在滑块上且与粗管平行。滑块套设在粗管上，连杆一端与滑块铰接，另一端与曲柄一端铰接，曲柄另一端与细管进给电机输出轴铰接。
[0018] 优选地，第一转臂的旋转平面与第二转臂的旋转平面相同。
[0019] 优选地，粗管轴线与第二转臂轴线相交于第二转臂前端与粗管进给机构铰接处。
[0020] 优选地，所述粗管还设置有进线口，该进线口用于手术水管、视频
电缆等的进入。
[0021] 优选地，根据不同的需求，细管内安装电切
电极或激光光纤；电切电极或激光光纤与细管之间的连接是可拆卸的。
[0022] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0023] 本发明提供的用于泌尿外科手术操作的机械臂，其机械臂旋转机构提供了机械臂旋转自由度，转臂机构提供了第一转臂的旋转自由度、第二转臂的旋转自由度，粗管进给机构提供了粗管进给自由度，粗管旋转机构提供了粗管旋转自由度，细管进给机构提供了细管进给自由度。该用于泌尿外科手术操作的机械臂具有了六个主动自由度，真实模拟了目前医生手工操作手术工具的全部动作；由于与现有手术操作动作完全相同，可与手工操作方式无缝对接，操作者的操作习惯不变，更易于熟练操作。机械臂旋转机构使得机械臂可以发生周向的旋转，尤其是旋转凸台的设计，使得机械臂旋转机构与转臂机构之间的连接和转动更为顺畅和平稳。转臂机构采用双转臂结构有效减小了
俯仰/偏摆过程中手术刀具的轴向偏移。该用于泌尿外科手术操作的机械臂通过控制各机构输出既定的运动可替代手术医生手臂操作手术器具，从而降低医生劳动强度，并且有利于实现手术的精准化、标准化。
[0024] 不仅如此，该用于泌尿外科手术操作的机械臂并不限定某一种类的手术器具，根据实际需要，可更换电切电极和激光光纤两种手术器具，通用性更强；其也可以通过设计合适的控制系统实现远程操作。
[0025] 更进一步地，机械臂旋转联轴器的设置，使得机械臂旋转机构制作更为方便，安装简单且运动更为稳定，降低了对安装
精度的要求。
[0026] 更进一步地，平板的设置，使得旋转电机座和机械臂旋转轴承座的设置更为简便和稳固。
[0027] 更进一步地，基座包括水平设置的基板和竖直的支撑臂，如此，基板具有较大的
接触面保证了整个机械臂安放的
稳定性，支撑臂不仅减小了整个底座的重量，而且也可以节省出空间以便机械臂工作的方便。
[0028] 进一步地，粗管进给机构包括丝杠螺母机构，且该螺母通过导杆的引导只能发生沿导杆轴向的运动，而不会发生沿导杆周向的转动。该螺母作为进给机构，其能够前后平稳的滑动保证了粗管进给的平稳。
[0029] 进一步地，第二连接板与第一连接板相互配合，使得粗管旋转机构更为平稳。
[0030] 更进一步地，粗管旋转联轴器的设置使得粗管旋转机构的安装更为方便，运行更为平稳，降低了安装精度的要求。
[0031] 进一步地，曲柄滑块机构的设置可以有效控制细管的进给。一方面，细管进给机构固定在粗管上，其随粗管进给机构的进给动作而进给，这时，粗管与细管的动作是同步的；另一方面，细管进给机构可以独立地控制细管的进给动作，使得细管的动作独立于粗管。
[0032] 进一步地，第一转臂的旋转平面与第二转臂的旋转平面相同。如此，转臂机构的控制方式更为简单，而且可以使得第一电机与第二电机处于同一平面内，避免了电机与旋转臂之间的影响。
[0033] 进一步地，粗管轴线与第二转臂轴线相交于第二转臂前端与粗管进给机构铰接处。第一转臂和第二转臂使得手术工具在俯仰/偏摆过程中第二转臂与粗管进给机构铰接点始终保持在以人体支撑点为圆心的弧线轨迹上运动，将手术工具在俯仰/偏摆过程中末端的轴向偏移干扰降到了最低。
附图说明
[0034] 图1为
实施例描述的一种用于泌尿外科手术操作的机械臂的总体装配图。
[0035] 图2为实施例描述的一种用于泌尿外科手术操作的机械臂的局部结构示意图，其展示了粗管进给机构、粗管旋转机构和细管进给机构。
[0036] 图3为实施例描述的一种用于泌尿外科手术操作的机械臂的局部结构示意图，其展示了细管进给机构。
[0037] 图4为实施例描述的一种用于泌尿外科手术操作的机械臂在竖直平面内的机构原理图。
[0038] 图5为实施例描述的一种用于泌尿外科手术操作的机械臂俯仰/偏摆运动过程示意图。
[0039] 下面对
说明书附图中所用到的标号解释如下：
[0040] 1为底座；2为旋转电机；3为旋转电机座；4为机械臂旋转联轴器；5为机械臂旋转轴承座；6为旋转凸台；7为第一电机；8为第一转臂；9为第二电机；10为第二转臂；11为粗管进给电机；12为粗管进给电机座；13为螺母座；14为丝杠；15为底板；16为粗管进给轴承座；17为导杆；18为粗管旋转电机；19为粗管旋转联轴器；20为法兰；21为衬套；22为托架；23为粗管；24为细管；25为滑块；26为连杆；27为曲柄；28为细管进给电机。
具体实施方式
[0041] 下面结合具体的实施例及图1～5对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0042] 参见图1和图2，一种用于泌尿外科手术操作的机械臂，其包括底座1、机械臂旋转机构、转臂机构、粗管进给机构、粗管旋转机构和细管进给机构，其中，[0043] 机械臂旋转机构固定在底座1上，其设置有旋转凸台6；转臂机构的后端与旋转凸台6连接，转臂机构的前端与粗管进给机构连接；粗管进给机构设置有进给部件，粗管旋转机构固定在粗管进给机构的进给部件上；粗管旋转机构设置有粗管23，细管进给机构固定在粗管旋转机构的粗管23上。
[0044] 其中，所述底座1包括基座和平板，所述基座包括水平设置的基板和竖直的支撑臂，平板设置在支撑臂上方。
[0045] 其中，所述机械臂旋转机构包括旋转电机2、机械臂旋转联轴器4、旋转凸台6、旋转电机座3和机械臂旋转轴承座5；旋转电机座3和机械臂旋转轴承座5固定在平板上，旋转电机2固定在旋转电机座3上，旋转凸台6安装在机械臂旋转轴承座5内的轴承上；机械臂旋转联轴器4位于旋转电机座3和机械臂旋转轴承座5之间，其后端连接旋转电机2输出轴，前端连接旋转凸台6的轴。
[0046] 其中，转臂机构包括第一转臂8、第一电机7、第二转臂10和第二电机9，其中，第一转臂8的后端固定有铰接轴且与旋转凸台6铰接，该铰接处第一转臂8的铰接轴与第一电机7输出轴固定连接；第二转臂10的后端固定有铰接轴且与第一转臂8的前端铰接，该铰接处第二转臂10的铰接轴与第二电机9输出轴固定连接；第二转臂10前端与底板15铰接。第一转臂8的旋转平面与第二转臂10的旋转平面相同。
[0047] 其中，所述粗管进给机构包括底板15、粗管进给电机11、丝杠14、螺母座13、导杆17、粗管进给电机座12和粗管进给轴承座16，其中，底板15的后端与第二转臂10的前端铰接；底板15一端安装有粗管进给电机座12，另一端安装有粗管进给轴承座16；粗管进给电机
11安装于粗管进给电机座12上，其输出轴通过粗管进给电机座12与丝杠14一端连接；丝杠
14的另一端安装在粗管进给轴承座16上；导杆17与丝杠14平行，其两端分别固定在粗管进给电机座12和粗管进给轴承座16上；螺母座13套设在丝杠14上，组成丝杠螺母副；导杆17穿过螺母座13；螺母座13能沿导杆17轴向滑动；粗管旋转机构固定在螺母座13上。
[0048] 其中，粗管旋转机构包括第一连接板、第二连接板、粗管旋转电机18、粗管23、粗管旋转联轴器19和法兰20；其中，螺母座13一侧面在沿丝杠14轴线方向上设了前后两块连接板，即在后的第一连接板和在前的第二连接板；第一连接板后侧固定粗管旋转电机18，第二连接板的前侧面上固定法兰20，法兰20内设置可相对于法兰转动的轴；粗管旋转联轴器19位于两块连接板之间，粗管旋转联轴器19后端连接粗管旋转电机18输出轴，前端连接可相对于法兰转动的轴的后端，可相对于法兰转动的轴的前端与粗管23连接。粗管23的轴线与第二转臂10的轴线相交于第二转臂10前端与底板15铰接处。
[0049] 其中，所述细管进给机构包括托架22、细管24、细管进给电机28、滑块25、连杆26和曲柄27；粗管23靠近法兰20的一端上套有衬套21，衬套21上固定有托架22；粗管23上套有滑块25，滑块25前侧装有与粗管23轴线平行的细管24，后侧与连杆26一端铰接，连杆26另一端与曲柄27一端铰接，曲柄27另一端与细管进给电机28输出轴铰接，细管进给电机28机身固定在托架22上。
[0050] 参见图4和图5，实施例描述的一种用于泌尿外科手术操作的机械臂的工作原理如下：
[0051] 在手术过程中，粗管23中装有进出水管、视频线等各种管线。细管24中放置电切电极或激光光纤。粗管23和细管24在手术过程中插入人体尿道，且根据手术需要可以分别沿自身轴线方向做进给运动。此外，粗管23和细管24末端还需要实现左右偏摆、上下俯仰、绕轴线旋转。
[0052] 粗管23和细管24的整体进给运动通过粗管进给电机11来驱动。当粗管进给电机11顺
时针转动时，驱动丝杠14转动，推动螺母座13向前运动。由于法兰20固定在螺母座13的侧板上，粗管23与法兰20同轴连接，细管24及其驱动机构均安装在粗管23上，因此在螺母座13的带动和导杆17的导引下，粗管23和细管24向前运动。同理，当粗管进给电机11逆时针转动时，驱动丝杠14转动，推动螺母座13向后运动。由于法兰20固定在螺母座13的侧板上，粗管23与法兰20同轴连接，细管24及其驱动机构均安装在粗管23上，因此在螺母座13的带动和导杆17的导引下，粗管23和细管24向后运动。粗管23和细管24的整体进给运动中前进后退速度可以通过调节粗管进给电机11的输出转速来控制。
[0053] 细管24的单独进给运动通过细管进给电机28来驱动。由于细管进给电机28、曲柄27、连杆26和滑块25共同组成了曲柄滑块机构，当细管进给电机28转动时，通过曲柄27推动连杆26将动
力传递到滑块25上推动滑块25前后运动，如图3所示。当曲柄27与连杆26轴线成一条直线且夹
角为180度时，滑块25前进运动到最大位移，其上固定的细管24也前进运动到最大位移。当细管进给电机28转动180度后，曲柄27与连杆26轴线重叠成一条直线且夹角为
0度时，滑块25后退运动到最大位移，其上固定的细管24也后退运动到最大位移。如此反复，细管进给电机28转动一周带动细管24沿粗管23轴向进行一个前后进给运动循环。细管24的单独进给运动中前进后退速度可以通过调节细管进给电机28的输出转速来控制。通过控制细管进给电机28输出合适的转速可以实现连续自动进给。
[0054] 粗管23和细管24末端的上下俯仰运动通过旋转电机2、第一电机7和第二电机9的协调运动来实现。旋转电机2通过机械臂旋转联轴器4带动旋转凸台6转动使得旋转凸台6与第一转臂8的铰接轴线处于水平
位置，由于第一转臂8与第二转臂10、第二转臂10与底板15的铰接轴线和旋转凸台6与第一转臂8的铰接轴线相互平行，于是第一转臂8与第二转臂10、第二转臂10与底板15的铰接轴线也处于水平位置。此时，如附图5所示，当第一电机7驱动第一转臂8顺时针转动时，第二电机9驱动第二转臂10跟随第一转臂8运动，使得第二转臂10与底板15铰接点向上运动。由于粗管23和细管24末端伸入人体内的部分承受着人体组织的支撑和约束，构成了一个滑动转动副，于是第二转臂10与底板15铰接点向上运动后使得粗管23和细管24末端向下运动，从而实现了粗管23和细管24的下俯。当第一电机7驱动第一转臂
8逆时针转动时，第二电机9驱动第二转臂10跟随第一转臂8运动，使得第二转臂10与底板15铰接点向下运动。由于粗管23和细管24末端伸入人体内的部分承受着人体组织的支撑和约束，构成了一个滑动转动副，于是第二转臂10与底板15铰接点向下运动后使得粗管23和细管24末端向上运动，从而实现了粗管23和细管24的上仰。
[0055] 同理，粗管23和细管24末端的左右偏摆运动也通过旋转电机2、第一电机7和第二电机9的协调运动来实现。旋转电机2通过机械臂旋转联轴器4带动旋转凸台6转动使得旋转凸台6与第一转臂8的铰接轴线竖直，由于第一转臂8与第二转臂10、第二转臂10与底板15的铰接轴线和旋转凸台6与第一转臂8的铰接轴线相互平行，此时第一转臂8与第二转臂10、第二转臂10与底板15的铰接轴线也处于竖直位置。此时，如附图5所示，当第一电机7驱动第一转臂8顺时针转动时，第二电机9驱动第二转臂10跟随第一转臂8运动，使得第二转臂10与底板15铰接点向右运动。由于粗管23和细管24末端伸入人体内的部分承受着人体组织的支撑和约束，构成了一个滑动转动副，于是第二转臂10与底板15铰接点向右运动后使得粗管23和细管24末端向左运动，从而实现了粗管23和细管24的左偏。当第一电机7驱动第一转臂8逆时针转动时，第二电机9驱动第二转臂10跟随第一转臂8运动，使得第二转臂10与底板15铰接点向左运动。由于粗管23和细管24末端伸入人体内的部分承受着人体组织的支撑和约束，构成了一个滑动转动副，于是第二转臂10与底板15铰接点向左运动后使得粗管23和细管24末端向右运动，从而实现了粗管23和细管24的右偏。
[0056] 手术过程中，通过控制旋转电机2旋转不同角度可以实现手术工具末端在任意方向上的俯仰与偏摆运动。
[0057] 如附图5所示，本发明通过设置第一转臂8和第二转臂10使得手术工具在俯仰/偏摆过程中第二转臂10与底板15铰接点始终保持在以人体支撑点为圆心的弧线轨迹上运动，将手术工具在俯仰/偏摆过程中末端的轴向偏移干扰降到了最低。同时，为了达到这一目的，第一转臂8轴线和第二转臂10轴线在初始状态下应成一定夹角。
[0058] 粗管23和细管24整体绕粗管23轴线的旋转运动通过粗管旋转电机18来驱动。当粗管旋转电机18顺时针转动时，通过粗管旋转联轴器19带动内置于法兰20的轴顺时针旋转。由于粗管23一端与内置于法兰20的轴相连，粗管23绕自身轴线顺时针转动。细管24及其驱动机构通过滑块25、衬套21和托架22安装在粗管23上，因此在粗管旋转电机18的驱动下粗管23和细管24整体绕粗管23轴线顺时针旋转。当粗管旋转电机18逆时针转动时，通过粗管旋转联轴器19带动内置于法兰20的轴逆时针旋转。由于粗管23一端与内置于法兰20的轴相连，粗管23绕自身轴线逆时针转动。细管24及其驱动机构通过滑块25、衬套21和托架22安装在粗管23上，因此在粗管旋转电机18的驱动下粗管23和细管24整体绕粗管23轴线逆时针旋转。
[0059] 当手术刀具旋转运动对转动中心有较高要求时，可在粗管23和细管24外面套上一个圆管，使得粗管旋转电机18旋转轴线与该圆管中
心轴线重合，即可实现手术刀具整体绕自身轴线做旋转运动。
