[发明专利]机械臂及其工作方法与手术机器人

说明书

本发明提供一种机械臂及其工作方法及手术机器人，用于提升机械臂调整的便利性、安全性和可靠性。机械臂包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动调整臂关节运动的电机，用于调整不动点的位置；所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；所述感知单元用于感知调整臂所受到的笛卡尔作用力并提供给控制单元；所述感知单元设置于调整臂的末端或工具臂上，所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于根据接收到的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个调整臂关节上的电机的输出状态。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人的机械臂及其工作方法。

背景技术

微创伤手术由于其创伤小、恢复快等优点被越来越多的患者所接受，从早期的腹腔镜微创伤手术到现在的脑科微创伤手术，其技术的扩展越来越快速。而作为其中的佼佼者，腹腔镜微创伤手术的发展则更显得迅猛。

伴随着腹腔镜微创伤手术技术发展，腹腔镜用微创伤手术器械技术也得到了长足的进步，从最开始的医生借助腹腔镜和手术钳进行腹腔内部的手术，到现在凭借机器人系统完成腹腔镜微创伤手术。作为现今腹腔镜微创伤手术的最高端技术，达芬奇手术机器人系统在不断的刷新着人们对于机器人、医疗等技术领域的认知。达芬奇手术机器人系统最大的特点在于其多机械臂的操作系统，利用机器人的机械臂代替医生的手作为手术的执行单元，使医生在舒适的环境下操作机器人系统完成手术。多个机械臂是腹腔镜微创伤手术机器人系统通用配置，每个机械臂均可实现不同的功能，一般的使用为：中间臂持内窥镜，两边臂持手术器械，其他臂作为冗余，当某机械臂发生故障时，可替换使用。

特别的，机械臂的运动性能和调整能力直接影响到手术的效果，故对于机械臂的功能要求比较高，但目前腹腔镜手术机器人系统还存在着以下的问题：

(1)机械臂的调整运动模式有限。具体是指机械臂在手术前或手术过程中的调整方式有限。目前，达芬奇手术机器人系统采用的调整模式为被动调整，即外部施加力使机械臂运动，当外部无力的时候，部分的关节无法运动，这种调整模式较大削弱了机械臂的实际功能，机械臂本身应具有全关节驱动能力，可主动的运动；因此，目前较为流行的手术机器人的机械臂的调整能力不足。

(2)机械臂容易产生运动干涉。多机械臂最大的问题在于，在运动过程中，如果机械臂的相对位置控制不准确，则机械臂之间容易发生干涉，影响到调整的效果，更严重的在手术过程中会对患者造成额外的伤害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂及其工作方法与手术机器人，不仅便于机械臂的被动调整，从而减少机械臂在被动调整过程中感知的阻力，而且机械臂各关节之间的运动具备关联性，从而减少了机械臂发生干涉的可能，确保了机械臂的调整效果，降低了在手术过程中对患者造成额外的伤害的风险。

为实现上述目的，本发明提供了一种机械臂，包括相连的调整臂和工具臂；所述工具臂包括多个工具臂关节，用于调整手术器械在不动点处的姿态；所述调整臂包括多个调整臂关节和用于驱动调整臂关节运动的电机，用于调整所述不动点的空间位置；

其中，所述机械臂还包括通讯连接的感知单元和控制单元；

所述感知单元设置于所述工具臂和/或所述调整臂的末端，用于感知所述调整臂所受到的笛卡尔作用力，并将感知到的笛卡尔作用力信息提供给所述控制单元；

所述控制单元与驱动调整臂关节的电机通讯连接，用于在所述工具臂上各个工具臂关节被锁定后，根据接收的笛卡尔作用力信息，通过机械臂的力雅可比变换获得所述调整臂上各个调整臂关节的分力或力矩，进而控制各个所述调整臂关节上的电机的输出状态。

可选的，所述感知单元设置于所述调整臂与所述工具臂相连接处。