[发明专利]一种用于外科手术的协同交互机器人

说明书

本发明公开了一种用于外科手术的协同交互机器人，包括底座、机械臂以及末端夹具，机械臂包括多个关节模块，每个关节模块包括壳体、动力装置以及传动轴。壳体呈90度弯头状，传动轴可转动的安装在壳体中，通过轴承与壳体的其中一端连接，传动轴的一端与动力装置传动连接，传动轴的另一端为动力输出连接端，末端夹具和与其连接的关节模块之间还设置有多维力传感器。本发明基于多个模块化关节，在机器人末端安装一多维力传感器，传感器输出端接手术末端夹具和手术工具，操作时，医生手持机器人末端手术工具，医生施加在工具上的力反映到多维力传感器上，通过力与机器人速度的匹配，实现机器人柔顺控制，从而实现人机协同交互。

技术领域

本发明涉及医疗领域，具体涉及一种用于外科手术的协同交互机器人。

背景技术

自1985年第一例由工业机器人引导的神经外科手术以来，在过去的30年里，机器人手术已进入了神经外科、胸腹腔、泌尿、骨科等几乎所有的外科领域。早期的机器人手术大多基于工业机器人或者工业机器人的改进型，主要探讨机器人在手术领域应用的技术可行性。考虑到手术机器人不仅与医生交互，更重要的是对病人进行手术作业，其安全性远比其它领域要高，因而后来大多数用于临床的机器人都需要自行设计。尽管如此，也只有NeroMate，ROSA，Da Vinci，ROBODOC，ACROBOT、MAKO、RIO、Renaissance等为数不多的机器人进入了市场，绝大多数研究都因安全的、操作便利性的、或者临床可接受性的问题在获得临床验证或者临床许可之前停止了研发。从手术机器人发展和需求上看，从现有成功商业化的手术机器人来看，高安全性和良好人机交互的机器人是当前和未来手术机器人进入临床的关键。

当前的医疗机器人主要用于增强人的能力，完成人所不能完成的诸如内窥镜下的微创手术能力，如遥操作Da Vinci机器人；或者替代人的操作，如主动型ROBODOC机器人；或者和医生一起协同作业，共同完成手术，如协同交互型机器人ROSA，RIO，Acrobot等；或者考虑安全性，直接采用微型结构，限制机器人运动范围，如Renaissance机器人。从医生偏好角度，具备协同交互能力的机器人是外科手术机器人发展的一个重要方向。

从协同交互机器人的技术实现来看，ROSA就是在工业机器人基础上增加了安全控制的内容。RIO机器人外形采用工业机器人，内部采用绳驱动技术，驱动和控制都集中在机器人基座处，因此底部较大；并对手术过程中的关节力进行检测实现所谓的触角反馈能力，以体现良好的人机协同能力；Acrobot机器人采用特殊的成自由度结构设计，并在机器人末端安装一力反馈手柄，实现协同交互。另外，这些协同交互机器人，都是针对特定应用场合，如ROSA用于脑外科和脊柱手术；RIO，Acrobot用于关节置换手术等。另一方面，Renaissance从脊柱到神经外科，和ROSA从神经外科到脊柱的应用表明，更通用化的机器人设计能够满足更多外科手术场合，当前的设计在通用性上有很大的缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种用于外科手术的协同交互机器人，基于模块化、通用化设计思想，提出基于EtherCAT总线通信的控制驱动一体化关节设计，进而组合成轻量化机器人，并在机器人末端加装一六维力传感器，实现人机交互能力。

为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种用于外科手术的协同交互机器人，包括底座、机械臂、末端夹具以及控制器，所述机械臂包括多个关节模块，每个关节模块包括：

-壳体，其大体呈弯头状，包括互成夹角的两直筒段，其中一个直筒段的自由端构成壳体连接端；

-传动轴，其设置在另一个直筒段中并且通过轴承可转动的连接在所述另一直筒段的内壁上，所述传动轴的一端向所述另一直筒段的自由端延伸以构成动力输出连接端；

-动力装置，其固定设置在所述壳体中并且传动连接所述传动轴；