CN101856273B - 具有五杆球面连杆机构的机器人手臂 - Google Patents

Abstract

具有平行球面五连杆机构(1100)的机器人手臂，该平行球面五连杆机构(1100)包括一个地面连杆(1105)、两个内侧连杆(1101、1104)和两个外侧连杆。各内侧连杆均在旋转轴线(1112、1113)处被连于地面连杆，且具有与旋转轴线隔开的中间轴线(1111、1114)。各外侧连杆均在中间轴线处被转动地连于一内侧连杆。两个外侧连杆在外侧轴线(1115)处被转动地连在一起。约束物限制了第一外侧连杆绕所连内侧连杆的中间轴线的旋转以使连杆间的最大夹角基本小于180°。第二外侧连杆及其所连内侧连杆被构造并组装成使两个中间轴线位于包括外侧轴线和一旋转轴线的平面的同侧。

Description

具有五杆球面连杆机构的机器人手臂

本申请是2007年1月24日提交的名称为：“具有五杆球面连杆机构的机器人手臂”的中国专利申请200780001627.7(PCT/US2007/060950)的分案申请。

技术领域

本发明的实施例一般涉及机器人外科手术系统。更具体地，本发明的实施例涉及机器人手臂中的连杆机构。

背景技术

微创手术(MIS)提供了使用摄像机和细长手术器械通过较小切口对病人进行手术的外科手术技术，所述摄像机和细长手术器械通常通过套管针套筒或套管被引入内部手术部位。手术部位通常包括体腔，如病人的腹部。体腔可任意地使用如注入气体等的透明流体进行扩张。在传统微创手术中，外科医生在视频监视器上观察手术部位时通过启动器械手柄从而使用细长手术器械的末端执行器来操纵组织。

微创手术的一个普通形式是内窥镜检查。腹腔镜检查是内窥镜检查的一种，其在腹腔内执行微创检查和手术。在标准腹腔镜手术中，病人的腹部被充入气体，且套管套筒穿过小切口(一般为1/2英寸或更小)以提供腹腔镜手术器械的入口端口。腹腔镜手术器械一般包括腹腔镜(用于观察手术区)和工作工具。工作工具与常规(开放式)手术中使用的工具相似，除了各工具的工作端或末端执行器是通过工具轴与其手柄分离的。本文使用的术语“末端执行器”指手术器械的实际工作部分，且包括如夹钳、抓钳、剪刀、缝合器、图像捕捉镜头和针固定器等。为执行手术程序，外科医生将工作工具或器械穿过套管套筒至内部手术部位，并从腹部外操纵。外科医生通过监控器的手段监控手术程序，该监视器显示腹腔镜所获手术部位的图像。类似内窥镜技术也用于其它类型的手术，如关节镜检查、后腹膜镜检查、骨盆镜检查、肾镜检查、膀胱镜检查、脑槽镜检查、鼻窦内视镜检查、宫腔镜检查、尿道镜检查等。

发明内容

本发明实施例由后文权利要求综述。

附图说明

图1是使用本发明实施例的手术套件的平面图。

图2是图1所示手术套件的一部分的平面图。

图3是沿图2所示3-3方向的剖视图。

图4是本发明实施例的平面图。

图5是图4所示本发明实施例的侧视图。

图6是图4所示本发明实施例的端视图。

图7是平行五连杆机构的示意图。

图8是平行球面五连杆机构的示意图。

图9是另一平行球面五连杆机构的示意图。

图10是另一平行球面五连杆机构和控制器的示意图。

图11是平行球面五连杆机构的端视图。

图12是图11所示平行球面五连杆机构的示意图。

图13是图11所示平行球面五连杆机构的另一示意图。

图14是包括插入轴线的另一平行球面五连杆机构的示意图。

图15是本发明实施例的示图。

图16是电动机组件的示图。

图17是图15所示实施例细节的示图。

图18是光学编码器的示图。

具体实施方式

详细说明示出了可用于腹腔镜手术的本发明。应理解，这仅是可使用本发明的手术类型的一个示例。本发明不限于腹腔镜检查，也不限于为有助于理解本发明仅作为示例示出的特定结构配置。传统的微创手术要求高度的手术技巧，因为外科医生的手部运动控制距外科医生手部相当远的手术工具，这通常要求不自然且非直觉的手部动作。在机器人辅助外科手术中，外科医生可操作主动控制器以控制处于手术部位的手术器械的动作。伺服机构可基于外科医生对手动输入装置的操纵来移动并铰接手术器械。机器人辅助可允许外科医生更轻松且更精确地控制手术器械的动作。

图1示出了可使用本发明的手术套件(surgical suite)的示意性平面图。病人110位于手术台112上，正在进行机器人辅助腹腔镜手术。外科医生120可使用主动控制器122以观察内部手术部位的视频图像，并通过机器人伺服机构的手段来控制一个或多个手术器械和腹腔镜摄像机。主动控制器122一般包括通过伺服机构被连于手术器械上的一个或多个手动输入装置(如手柄、外骨骼手套等)。

体现本发明的一个或多个机器人手臂100、102可被用于在机器人辅助外科手术期间支承并移动手术部位的手术器械104。需要支承手术器械使得器械的工具轴118绕球面旋转中心转动，该球面旋转中心被定位于沿工具轴长度方向的空间内。附加机器人手臂116可支承并移动腹腔镜摄像机。支承摄像机的机器人手臂116与支承手术器械104的机器人手臂100、102形式不同。

各机器人手臂100、102、116可由铰接安装臂130、132、134支承。安装臂可被附连于手术台112。各安装臂可包括通过接头连接的多个部件，这些接头提供允许机器人手臂在确定动作范围内定位的一个或多个自由度。可提供一个或多个锁定机构以便在机器人手臂处于所需位置时固定安装臂的部件和接头。安装臂可允许机器人手臂100、102相对于手术台与其上病人被固定于任意位置。安装臂上可装备接头角度传感器以允许确定安装臂的姿势及支承的机器人手臂的最终位置。

各机器人手臂100、102可被固定于如下位置：在此位置时，球面旋转的中心基本处于内部手术部位的进入点114(例如，腹腔镜手术期间在腹壁处提供套管针或套管106入口的切口)。可通过随机器人手臂100移动工具轴118的近端来安全定位机器人手臂100支承的手术器械104的末端执行器，而不会向腹壁施加危险的力。

各机器人手臂100、102可支承可从机器人手臂拆除的一个手术器械。单个手术期间，各种手术器械108可取代机器人手臂100上的手术器械104。各机器人手臂100可支承穿过切口114至病人110体内的套管106。手术器械104的工具轴118穿过套管106至内部手术部位。

机器人手臂100可支承手术器械104以便套管106和器械的工具轴118绕定位在沿套管106长度方向的空间内的球面旋转中心转动。球面旋转中心也可被称为球面旋转远程中心，因为它是机器人手臂旋转动作的球面中心同时远离机器人手臂结构。绕球面旋转中心的动作可被描述为球面动作，因为距球面旋转中心一个径向距离的点将在半径为径向距离的球表面上移动。套管106确定插入轴线，该插入轴线穿过如病人110腹壁中切口114等的进入点至内部手术部位。工具轴118沿插入轴线延伸。

各机器人手臂100、102、116可包括一个或多个伺服电动机以移动手臂至所需位置。各机器人手臂可包括一个或多个附加伺服电动机以移动手术器械104和/或手术器械上的末端执行器。一条或多条控制缆线124可在主动控制器122中的计算机123与机器人手臂100、102、116的伺服电动机之间提供信号。主动控制器122可包括计算机123以便基于外科医生的输入和接收到的伺服机构的反馈来提供信号从而控制机器人手臂的伺服机构和手术器械。

图2示出了图1所示部分的放大图，其包括病人110和机器人手臂100、102、116。图3示出了从病人头部至脚部方向所见的机器人手臂100、102的端视图。病人110的示意性剖面所示的是插入套管106的区域。可见，手术器械104的工具轴118从病人110内部的套管106的末端伸出。工具轴118内部末端处的末端执行器300可提供多种手术工具中的任一种，这些手术工具可由机器人手臂100支承的伺服机构200(图2所示)启动。

机器人手臂呈现的具体位置可被称为姿势(pose)。将机器人手臂置于具体位置可被称为给机器人手臂摆姿势。图4、5和6为用于病人右侧且姿势与图1-3所示相同的机器人手臂100的正交图。图4是平面图。图5是侧视图。图6是端视图。

再次参照图2和3，机器人手臂100、102包括支承手术器械104的球面连杆机构，如下文更详细所述。球面连杆机构将插入轴线的动作约束为绕球面旋转远程中心206旋转，该球面旋转远程中心206可沿套管106长度被定位。通过将球面旋转远程中心206置于切口114处或其附近，可移动插入轴线而在切口处没有大幅动作。

末端执行器300沿插入轴线穿过套管106至内部手术部位。末端执行器300由工具轴118支承，且通过工具轴118被连于伺服机构200。伺服机构200可操纵末端执行器300并允许包括各种动作，这些动作可以包括绕插入轴线的旋转和沿插入轴线的平移。末端执行器300的平移可通过平移带工具轴118的手术器械104和所附末端执行器完成。

末端执行器300可通过绕球面旋转远程中心206移动工具轴118从而在两个附加维度内移动。机器人手臂100通过移动工具轴118以改变其在空间的角度定位来控制动作的这两个维度。可使用球面坐标系中插入轴线的位置来描述工具轴118的动作。可使用两个角度和距球面坐标系中心的距离来确定空间中的点。应理解，仅需要两个角度来确定穿过球面坐标系中心的插入轴线。

本发明的机器人手臂100包括平行球面五连杆机构来移动并支承手术器械104以便器械的工具轴118绕定位在沿插入轴线且基本沿套管106长度方向的空间内的球面旋转远程中心206转动。

图7示出了平行五连杆机构700的简化二维示意图。该示例示出了基本在平坦平面内操作的连杆机构。本发明的连杆机构与三维空间内操作相似且将在下文中说明。平行五连杆机构是相互铰接并铰接至固定基底连杆705的四个硬杆或连杆701、702、703、704的系统。该固定基底连杆可被称为地面连杆。应理解，仅在为剩余四个连杆提供固定参照系的意义上，该地面连杆705是固定的。地面连杆705可定位于空间中从而移动整个五连杆机构。

每个连杆均包括两条枢轴线。地面连杆的两条枢轴线712、713可重合，从而形成零长度的地面连杆。剩余的四个连杆中，各连杆的两个枢轴线之间均具有实际距离。所有的枢轴线711、712、713、714、715垂直于公共面。连杆连于枢轴线处，使得连杆可绕其连接处的枢轴线相对彼此旋转。连杆在枢轴线处的可旋转连接可采用将连接的连杆动作限制为绕枢轴线旋转的多种形式中的任一种。说明了平行球面五连杆机构的多个轴线。术语“轴线”可互换使用以指除插入轴线之外的“接头”或“枢轴”。

地面连杆705提供了两个内侧轴线712、713。内侧连杆701、704可转动地连于各内侧轴线713、712。各内侧连杆701、704具有与内侧轴线713、712隔开的中间轴线714、711。各内侧连杆701、704在中间轴线714、711处可转动地连于外侧连杆702、703。各外侧连杆702、703具有与中间轴线714、711隔开的外侧轴线715。两个外侧连杆702、703可转动地连于他们的外侧轴线715处。外侧轴线715可垂直(该二维说明性示例中的)公共面定位于运动范围内任一处，从而在具有两个自由度的外侧轴线715处提供端点动作。如果配备电动机来绕其内侧轴线713、712旋转各内侧连杆701、704，如箭头所示，则可通过旋转带电动机的两个内侧连杆将外侧轴线715定位于动作范围任一处。反过来，外侧轴线715在其动作范围内的运动转换为两个内侧连杆701、704绕其内侧轴线713、712的旋转。

将两个以地面为参照的独立连杆的旋转与轴线的二维运动连接起来的连杆机构是平行连杆机构。两个电动机提供至所述两个内侧连杆的旋转动作可被称为平行旋转动作输入。应理解本文使用的“平行”是指相互独立提供的两个输入，而不是在几何意义上指输入的方向。在平行连杆机构中，两个独立的平行输入在某个远端点作用于同一主体，在该远端点处连于输入的连杆结合以驱动同一物体或连杆。

用于本说明目的的球面连杆机构是上述二维机械连杆机构的三维形式。在三维连杆机构中，所有的枢轴线穿过球面旋转的共同远程中心。“穿过”包括可稍偏离(例如因物理连杆的制造中的微小误差)球面旋转远程中心以容许机器人手臂的结构限制的轴线，这里偏离是足够小的以便连杆机构基本具有相同运动(特征动作)，好像轴线实际包括精确的理论球面旋转远程中心一样。注意，穿过球面旋转远程中心的轴线也垂直于定心在球面旋转远程中心上的球表面。

现参照图7所示原始二维连杆机构，可理解对于外侧轴线的多数可能位置而言，五连杆机构中各内侧连杆701、704有两个可能位置。例如，内侧连杆701也可如虚线701’所示定位。内侧连杆的这个位置一般被认为是不需要的，因为中间轴线714’、711之间的距离减少，且外侧连杆702’、703之间的角度减少。通常需要最大化中间轴线之间的距离，从而为外侧轴线715提供较广的支承基底。通常也需要外侧连杆702’、703相互尽可能接近直角从而支承外侧轴线715。尽管五连杆机构的常规结构为外侧轴线715提供了良好的结构支承，但最终结构要求大量的空间以在其中移动。虚线701’、702’位置所示的可选结构占据面积较小(投影在平面上)，且因而具有更紧凑的机械结构。

图8示出了平行球面五连杆机构800的示意图。与上述平面五连杆机构相同，平行球面五连杆机构800是相互铰接且铰接于固定基底或地面连杆805的四个硬连杆801、802、803、804的系统。当平行五连杆机构以球面形式构造时，所有的枢轴线811、812、813、814、815垂直于公共球表面，并且因此穿过球的球面旋转远程中心820。具体地，外侧轴线815始终穿过其动作范围内的球面旋转远程中心820。因此，平行球面五连杆机构800为手术器械提供了所需的受限动作，以便由连杆机构800的外侧轴线815支承和移动时器械的工具轴绕球面旋转远程中心转动。移动手术器械的电动机被置于地面连杆805的内侧轴线813、812处。这避免了使用串联手臂机构时可能要求的一电动机随另一电动机移动。

如图9示意性所示，已发现平行球面五连杆机构900可受约束以便中间轴线914、911不能采用中间轴线处于其最大可能间隔的常规结构，并令人惊讶地为外侧轴线915提供了良好的结构支承。这使得结构更紧凑，如图1-3中的示例性系统所示，在有限空间内使用两个或两个以上这样的紧邻的手臂时，更适合用作机械手臂支承手术器械。

所示示意性连杆机构900包括地面连杆905、两个内侧连杆901、904和两个外侧连杆902、903。第一内侧连杆901包括第一旋转轴线913和距第一旋转轴线在第一距离处的第一中间轴线914。第一外侧连杆902在第一中间轴线914处可转动地连于第一内侧连杆901。第一外侧连杆902具有距第一中间轴线914在第二距离处的外侧轴线915。

机械档块916可限制第一外侧连杆902绕第一中间轴线914的旋转，以便当第一外侧连杆旋转至机械档块的限制处时，从第一旋转轴线913到外侧轴线915的第三距离基本小于第一距离加上第二距离。在另一实施例(未示出)中，机械档块可为两部分，各自限制两个内侧连杆之一的旋转。

对于为简单弓形部件的连杆，如图9所示连杆901-905，机械档块916约束连杆的动作，使得第一内侧连杆901和第一外侧连杆902之间的角度始终基本小于180°。更一般的，从第一旋转轴线913到第一中间轴线914的线部分与从第一中间轴线914到外侧轴线915之间的线部分之间的角度被约束成基本小于180°。

第二内侧连杆904具有距第一旋转轴线913在第四距离处的第二旋转轴线912和距第二旋转轴线912在第五距离处的第二中间轴线911。第二外侧连杆903在第二中间轴线911处可转动地连于第二内侧连杆904，并在外侧轴线915处可转动地连于第一外侧连杆902。外侧轴线915位于距第二中间轴线911在第六距离处。本发明的球面五连杆机构还被约束成使第一和第二中间轴线914、911位于包括外侧轴线915和第一旋转轴线913或第二旋转轴线912中任一旋转轴线的平面的同侧。该约束物可通过第二内侧连杆904和第二外侧连杆903的结构和组装来实现。

如果第二内侧连杆904和第二外侧连杆903的总长相对第一旋转轴线913和第二旋转轴线912之间的距离足够长，那么第一内侧连杆901和第一外侧连杆902的动作的约束物将约束第二内侧连杆904和第二外侧连杆903从而保持本发明的结构。对于第一内侧连杆901和第一外侧连杆902的给定长度、对第一对连杆901、902之间角度的给定约束物以及第一旋转轴线913和第二旋转轴线912之间的给定距离，从第二旋转轴线912至外侧轴线915具有最大距离。如果第二内侧连杆904和第二外侧连杆903的总长大于该最大距离，则第二对连杆904、903将被约束处于其关于中间轴线914、911的相对位置组装时的结构。

平行球面五连杆机构在其动作上可受限制使得两个中间轴线914、911与对于机器人手臂900的任一给定姿势而言可能的最大间隔相比相对较近。第一对连杆901、902和第二对连杆904、903均有相同的“偏手性(handedness)”。即，两对连杆中间轴线914、911处的“肘部”向手臂的同侧弯曲。因而形成的机器人手臂900根据机械档块916如何设置而具有偏右手或偏左手特性。图9所示示例性实施例可认为是偏右手，因为第一中间接头和第二中间结构保持处于右侧以指向右方。同样，偏左手的机器人手臂会具有处于左侧以指向左方的第一中间接头和第二中间接头。根据上述约束物构造的平行五杆球面连杆机构可被描述为受限在紧凑姿势范围内。

如图9所示实施例所示，可通过使第一旋转轴线913和第二旋转轴线912之间的第四距离基本小于任一活动连杆901、902、903、904上的轴线之间的距离而使机器人手臂900更加紧凑。

图10示出了机器人手臂的平行球面五连杆机构1000的另一实施例。可通过设置连杆机构使得外侧轴线1015的主要动作范围基本位于包括第一旋转轴线1013或第二旋转轴线1012中任一旋转轴线和外侧轴线1015的平面的一侧而使机器人的平行球面五连杆机构1000更加紧凑。

在一些实施例中，如图10所示平行球面五连杆机构1000的实施例，第一旋转轴线1013和第二旋转轴线1012由连于控制器1018的电动机驱动，该控制器1018提供信号至第一和第二电动机。第一电动机旋转第一内侧连杆1001，第二电动机旋转第二内侧连杆1004。控制器1018可限制内侧连杆1001、1004的动作，使得第一和第二中间轴线1014、1011处于包括外侧轴线1015和第一旋转线1013或第二旋转线1012中任一旋转线的平面的同侧。控制器1018可为连杆1001-1004的动作范围提供与机械档块916为图9所示实施例的连杆901-904提供的相同的约束物。

平行球面五连杆机构1000可被用于通过可控制地旋转内侧连杆(如通过使用伺服电动机或步进电动机)来移动外侧轴线至所需位置。在另一实施例中，通过确定操纵外侧轴线造成的两个内侧轴线的方位角(bearing)，平行球面五连杆机构1000可被用于感测外侧轴线的位置。例如，旋转编码器或其它传感器可置于图10所示平行球面五连杆机构的第一旋转线1013和第二旋转线1012处。控制器1018可被替换成连于所述两个旋转编码器以接收各内侧连杆1001、1004方位角的计算机。之后计算机可计算可由手术人员操纵来提供位置输入的外侧轴线的位置。应理解，外侧轴线被约束为绕球面连杆机构的球面旋转远程中心1020旋转。因此，平行球面五连杆机构也可被用于图1所示控制台122以便从外科医生120处接收外侧轴线1015的位置输入。位置输入具有与机器人手臂100的外侧轴线相同的约束动作。

图11示出了包含结构与图1-6所示机器人手臂100相似的本发明的平行球面五连杆机构1100。平行球面五连杆机构1100的结构和姿势与图10所示平行球面五连杆机构1000的示意图相似。四个活动连杆1101-1104旋转所绕的五个枢轴线1111-1115均穿过公共的球面旋转远程中心1120。所示机构包括分别连于第一内侧连杆1101和第二内侧连杆1104的两个电动机1123、1122，以便电动机可绕第一旋转线1113和第二旋转线1112旋转连杆。两个电动机1123、1122连在一起以形成第五连杆1105，即地面连杆。

所示内侧连杆1101基本为弓形。所示其余三个连杆1102、1103、1104为可包括弓形部件的不规则形状，以允许放置转动连接1111、1114和1115，使得连杆和枢轴可相互经过。应理解，连杆可为不影响本发明功能的任何所需形式。连杆机构可用作球面连杆机构，只要转动连接1111、1112、1113、1114、1115的轴线均基本穿过公共的球面旋转远程中心1120。

图12是图11所示平行球面五连杆机构1100的示意性表示，其更清晰地示出了连杆1101、1102、1103、1104、1105和转动连接1111、1112、1113、1114、1115之间的关系。图12示出了弓形的连杆以强调结构的球面属性。图13以示意性形式示出了连杆，表现了图11所示实施例的连杆形式。可以看出，图13所示连杆的不规则形状增加了第一对连杆1101、1102和第二对连杆1104、1103之间的间隔。可以理解，该连杆形式并不重要，只要其能支承枢轴线使其基本穿过球面旋转远程中心1120。

在本发明的平行球面五连杆机构的紧凑结构中，可能需要配置连杆机构以便连接第一旋转轴线1113至外侧轴线1115的第一对连杆1101、1102可自由经过连接第二旋转轴线1112至外侧轴线1115的第二对连杆1104、1103。由于平行球面五连杆机构的唯一要求是所有枢轴线基本穿过公共球面旋转远程中心1120，所以第一对连杆1101、1102和第一中间枢轴1114可被配置成使第一对扫过的第一量与第二对连杆1104、1103和第二中间枢轴1111扫过的第二量不相交。第一量和第二量之间的唯一连接处于外侧轴线1115和地面连杆1105的附近。图11和13所示实施例的连杆形式是允许第一对连杆1101、1102经过第二对连杆1104、1103的结构示例。

图14示出了机器人手臂的平行球面五连杆机构1400的另一实施例。与图10所示连杆机构1000相比，平行球面五连杆机构1400包括外侧连杆，其具有与外侧轴线1415隔开一个偏移距离的插入轴线1419。理想地，插入轴线1419与外侧轴线1415重合。但是可通过分离开插入轴线1419和外侧轴线1415获得机械包装的优势。

插入轴线1419优选位于外侧连杆1402上比外侧轴线1415距中间轴线1414更远的位置。只要插入轴线1419垂直定心于球面旋转远程中心1420上的球的表面，并因而穿过球面旋转远程中心1420，那么插入轴线将具有与平行球面五连杆机构1400的枢轴线1411-1415相同的运动特性。即，插入轴线1419可相对球面旋转远程中心1420移动。插入轴线1419可以或可以不位于由中间轴线1414和外侧轴线1415所限定的平面内。

将插入轴线1419置于平行球面五连杆机构的枢轴线外侧可允许手术工具被支承并被操纵而不会不干涉连杆机构1400的动作。这也可简化套管106及其相关机械连接装置的构造、安装、移除和无菌边界构造。

在具有隔开的插入轴线的一些实施例中，如图14所示，插入轴线1419、外侧轴线1415和中间轴线1414可共面。该配置可简化两个内侧连杆1401、1404位置和外侧轴线1415位置之间的关系。注意插入轴线1419可被置于两个外侧连杆1402、1403中的任一之上。

本发明的平行球面五连杆机构可使用球面几何(即球表面上的平面几何)来说明。尽管本发明的连杆机构的连杆不需要位于同一球表面或任一球表面，但为说明该连杆机构，他们可被投影于公共球表面上。在球面几何中，距离可作为角度被测量，因为球表面上的几何关系不受球半径改变的影响。角距离保持不变，与球半径无关。

地球表面上的导航是球面几何的一个普通示例。全球导航使用的纬度和经度是用于说明球面系统中位置和方向的常见系统。赤道限定了处于纬度为0°处的点。北极限定了纬度90°，南极限定了纬度-90°。经度是在纬度恒定的圆上距任意确定的0°经度线的角距离。经度在常规上表述为0°经度线从西180°至东180°的范围。方位角是某点的方向线，被表述为方位和指向北极的方向线之间角度。以下是根据球面几何表述的本发明的实施例。

参照图14，第一内侧连杆1401的第一旋转轴线1413可被认为处于0°纬度和0°经度。所示第二内侧连杆1404的第二旋转轴线1412处于相同经度和负纬度。

第一中间轴线1414可与第一旋转轴线1413隔开60°。第一外侧轴线1415可与第一中间轴线1414隔开40°。插入轴线1419可与外侧轴线1415隔开30°。第二旋转轴线1412可处于经度为0°且纬度为负18°的固定位置。应记住，固定位置指在连杆机构的球面几何参照系内是固定的，且整个连杆机构及其参照系可自由定位于空间内。第二中间轴线1411可与第二旋转轴线1412隔开45°。第二中间轴线1411可与外侧轴线1415隔开55°。

第一内侧连杆1401绕第一旋转轴线1413的旋转范围可为从80°至-30°的方位角。图1-6所示机器人手臂100的第一内侧连杆具有约为15°的方位角。第一内侧连杆1401和第一外侧连杆1402之间的角度可为从110°至30°。图1-6所示机器人手臂100的第一内侧连杆和第一外侧连杆之间的角度约为75°。

这些尺寸仅用作示例。本发明可使用尺寸基本不同且动作范围基本不同的连杆机构来实施。本发明仅由权利要求所限制。可能需要的是，使用不同尺寸和不同动作范围以使本发明适应对插入轴线的动作范围和装置在其动作范围内占据的空间具有特定要求的特定类型外科手术的需要。

图15示出了机器人手臂1500的实施例，其几何形状与图14所示平行球面五连杆机构1400的示意性几何形状相似。图15中的视图与图14中的视图的联系在于基本从图14的左边向右边所见即为图15所示视图。地面连杆1505可被认为是机器人手臂1500的近端。第一电动机组件1523可在第一电动机的第一旋转轴线1513处被连于地面连杆1505。第二电动机组件1522可在距第一旋转轴线第一距离处的第二电动机的第二旋转轴线1512处被连于地面连杆1505。注意旋转轴线1512、1513位于电动机组件1522、1523内，且以电动机看似透明的方式绘制出轴线，使得这些轴线与本实施例结构的关系更清晰可见。

图16示出了可用于机器人手臂实施例的电动机组件1522。组件可包括电动机1602以提供旋转动作。电动机可连于轴1616上，该轴1616被定心于穿过变速箱1604的内侧连杆的旋转轴线1512上，该变速箱1604可减少电动机1602旋转。制动器1606可连于电动机1602以在不移动时停止并保持电动机。编码器盘1610可连于电动机1602。光学传感器1618可感测编码器盘1610的角动作或位置，并提供信号于可连于机器人手臂的控制器上的电连接器1614。

第一内侧连杆1501在第一旋转轴线1513处被连于地面连杆1505。第一内侧连杆1501具有距第一旋转轴线1513第二距离处的第一中间轴线1514。第一外侧连杆1502在第一中间轴线1514处可转动地连于第一内侧连杆1501。第一外侧连杆1502具有距第一中间轴线1514第三距离处的外侧轴线1515。第一外侧连杆1502还包括与外侧轴线1515和中间轴线1514隔开的插入轴线1519。插入轴线1519位于机器人手臂1500的远端。第一外侧连杆1502可支承定心于插入轴线1519上的套管1506。注意插入轴线1519穿过套管1506，且插入轴线以套管看似透明的方式被绘制出，以便插入轴线与旋转轴线的关系以及本实施例结构更清晰可见。

如图17所示，约束物可限制第一外侧连杆1502绕第一中间轴线1514的旋转。第一电动机1523与地面连杆1505连接处的第一旋转轴线1513和外侧轴线1515之间的最大可变延伸距离被约束为基本小于第一旋转轴线1513至第一中间轴线1514的距离与第一中间轴线1514至外侧轴线1515之间的距离的总和。图17详细示出了将第一内侧连杆1501转动地连接到第一外侧连杆1502的第一中间轴线1514。止动销1716可被连于第一外侧连杆1502使其随第一外侧连杆移动。槽1718可装备在第一内侧连杆1501上，止动销1716被约束于其中，从而限制第一外侧连杆1502绕第一中间轴线1514的旋转。

第二内侧连杆1504在第二旋转轴线1512处被转动地连于地面连杆1505。第二内侧连杆1504具有距第二旋转轴线1512第五距离处的第二中间轴线1511。第二外侧连杆1503在第二中间轴线1511处被转动地连于第二内侧连杆1504。第二外侧连杆1503也在外侧轴线1515处被转动地连于第一外侧连杆1502，从而闭合平行球面五连杆机构。平行球面五连杆机构的所有的枢轴线穿过球面旋转远程中心1520。第一中间轴线1514和第二中间轴线1511位于包括外侧轴线1515和配置有第一和第二电动机1523、1522的第一旋转轴线1513或第二旋转轴线1512中任一旋转轴线的平面的同侧。如果第一中间轴1514和第二中间轴线1511被视为肘部，则在机器人手臂1500的受约束动作范围内，两个肘部保持在相同方向上弯曲。

应理解，本发明的平行球面五连杆机构可体现于有动力的或无动力的结构中。在有动力的实施例中，如伺服电动机等的装置旋转内侧连杆。平行球面五连杆机构将这些旋转转换为外侧轴线的二维运动。在无动力的实施例中，外侧轴线的二维运动通过平行球面五连杆机构被转换为内侧连杆的旋转。如旋转编码器等的装置可感测内侧连杆的方位角，且该信息可被用于计算外侧轴线的位置。在无动力的实施例中，如上所述约束中间轴线的旋转是有利地，因为该约束将外侧轴线的位置限制为符合内侧连杆方位角的两个可能位置之一。

图18示出了可被用于平行球面五连杆机构的无动力实施例的编码器组件。可通过确定因操纵外侧轴线产生的平行球面五连杆机构的所述两个内侧轴线的方位角来感测外侧轴线的位置。编码器盘1810可连于定心于平行球面五连杆机构的所述两个内侧轴线的各旋转轴线1812上的轴1816。编码器盘1810可通过可增加编码器盘的旋转的变速箱1804被连接。光学传感器1818可感测编码器盘1810的角动作或位置。光学传感器1818可提供信号于电连接器1814上。来自两个旋转编码器的信号可被连于计算机以确定各内侧轴线的方位角。

计算机可根据两个方位角确定外侧轴线的位置。应注意，对于内侧连杆的一对给定的方位角，外侧轴线有两个可能位置。可向计算机提供如约束物限制的一外侧连杆绕中间轴线的旋转范围。旋转范围的附加输入可允许计算机唯一确定外侧轴线的位置。

尽管已说明并在附图中示出了特定示意性实施例，但应理解，这些实施例仅用作说明，而不是限制较广的发明，且本发明不限于所示及所述的具体结构和配置，因为对于本领域普通技术人员而言可做出各种其它修改。相反，本发明的实施例应根据所附权利要求来解释。

Claims (22)

1.一种具有球面旋转远程中心的平行球面五连杆机构，该连杆机构包括：

两个内侧连杆，各内侧连杆均具有穿过所述球面旋转远程中心的中间轴线；

两个外侧连杆，各外侧连杆均在所述内侧连杆的中间轴线处被转动地连于所述内侧连杆中的一个，所述两个外侧连杆在与所述中间轴线隔开且穿过所述球面旋转远程中心的外侧轴线处被转动地连在一起；

地面连杆，其具有两条旋转轴线，所述两条旋转轴线的每条穿过所述球面旋转远程中心，每个内侧连杆均在所述两条旋转轴线中的一条处被转动地连接于所述地面连杆，所述两条旋转轴线之间的距离小于所述两个内侧连杆和所述两个外侧连杆中任意连杆上的两条轴线之间的距离；并且

其中所述连杆机构被构造和组装成使得两条中间轴线被约束成处于包括外侧轴线和所述旋转轴线中一条旋转轴线的平面的同侧。

2.根据权利要求1的连杆机构，其中所述两条旋转轴线在所述地面连杆上被隔开。

3.根据权利要求1的连杆机构，其中所述两条旋转轴线在所述地面连杆上重合。

4.根据权利要求1的连杆机构，其中所述外侧连杆中的一个还包括与所述外侧轴线隔开的插入轴线，所述插入轴线穿过所述球面旋转远程中心。

5.根据权利要求1的连杆机构，其中所述外侧连杆中的一个还包括与所述外侧轴线重合的插入轴线，所述插入轴线穿过所述球面旋转远程中心。

6.一种具有球面旋转远程中心的平行球面五连杆机构，该连杆机构包括：

地面连杆，其具有第一旋转轴线和与距所述第一旋转轴线第一距离处的第二旋转轴线；

第一内侧连杆，其在所述第一旋转轴线处被转动地连于所述地面连杆且具有距所述第一旋转轴线第二距离处的第一中间轴线；

第一外侧连杆，其在所述第一中间轴线处被转动地连于所述第一内侧连杆，所述第一外侧连杆具有距所述第一中间轴线第三距离处的外侧轴线；

第二内侧连杆，其在所述第二旋转轴线处被转动地连于所述地面连杆且具有距所述第二旋转轴线第四距离处的第二中间轴线；

第二外侧连杆，其在所述第二中间轴线处被转动地连于所述第二内侧连杆且在所述外侧轴线处被转动地连于所述第一外侧连杆，该外侧轴线距所述第二中间轴线第五距离；且

其中所有轴线穿过所述球面旋转远程中心，并且所述第一距离小于所述第二、第三、第四和第五距离中的每一个，并且两条中间轴线被约束成处于包括外侧轴线和所述旋转轴线中一条旋转轴线的平面的同侧。

7.根据权利要求6的连杆机构，其中所述第一距离是零。

8.根据权利要求6的连杆机构，其中所述外侧连杆中的一个还包括与所述外侧轴线隔开的插入轴线，所述插入轴线穿过所述球面旋转远程中心。

9.根据权利要求6的连杆机构，其中所述外侧连杆中的一个还包括与所述外侧轴线重合的插入轴线，所述插入轴线穿过所述球面旋转远程中心。

10.一种机器人手臂，其包括：

具有第一旋转轴线的第一电动机；

具有第二旋转轴线的第二电动机；

将所述第一电动机连至所述第二电动机的地面连杆；

在所述第一旋转轴线处连于所述第一电动机的第一内侧连杆，所述第一内侧连杆具有与所述第一旋转轴线隔开的第一中间轴线；

在所述第一中间轴线处转动地连于所述第一内侧连杆的第一外侧连杆，所述第一外侧连杆具有与所述第一中间轴线隔开的外侧轴线；

在所述第二旋转轴线处连于所述第二电动机的第二内侧连杆，所述第二内侧连杆具有与所述第二旋转轴线隔开的第二中间轴线；

在所述第二中间轴线处转动地连于所述第二内侧连杆并在所述外侧轴线处转动地连于所述第一外侧连杆的第二外侧连杆；

控制器，其提供信号至第一电动机和第二电动机，从而分别旋转所述第一内侧连杆和所述第二内侧连杆，以便两条中间轴线处于包括外侧轴线和两条旋转轴线中任一条旋转轴线的平面的同侧；

其中五条所述轴线均穿过与所有五个连杆隔开的球面旋转远程中心；以及

其中所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线在所述地面连杆上被固定并且被隔开一距离，该距离小于所述两个内侧连杆和所述两个外侧连杆中任意连杆上的两条轴线之间的距离，并且两条中间轴线被约束成处于包括外侧轴线和所述旋转轴线中一条旋转轴线的平面的同侧。

11.根据权利要求10的机器人手臂，其中所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线在所述地面连杆上重合。

12.根据权利要求10的机器人手臂，其中所述第一外侧连杆还包括支架，该支架支承具有带插入轴线的工具轴的手术器械，所述插入轴线与所述外侧轴线和所述第一中间轴线隔开，所述插入轴线穿过所述球面旋转远程中心。

13.根据权利要求12的机器人手臂，其中所述插入轴线与所述第一中间轴线的间隔大于所述外侧轴线与所述第一中间轴线的间隔。

14.根据权利要求13的机器人手臂，其中所述插入轴线、所述外侧轴线和所述第一中间轴线是共面的。

15.根据权利要求10的机器人手臂，其中所述第一外侧连杆还包括支架，该支架支承具有带插入轴线的工具轴的手术器械，所述插入轴线与所述外侧轴线重合，所述插入轴线穿过所述球面旋转远程中心。

16.一种机器人外科手术系统，其包括：

包括第一平行球面五连杆机构的第一机器人手臂，其具有

两个电动机，每个电动机均具有一条旋转轴线，两条所述旋转轴线在第一球面旋转远程中心处相交，

两个内侧连杆，每个内侧连杆与所述电动机之一连于所述电动机的旋转轴线处，各内侧连杆具有与所述电动机的旋转轴线隔开的中间轴线，两条所述中间轴线穿过所述第一球面旋转远程中心，以及

两个外侧连杆，每个外侧连杆与所述内侧连杆之一转动地连于所述内侧连杆的中间轴线处，所述两个外侧连杆在与所述中间轴线隔开并穿过所述第一球面旋转远程中心的外侧轴线处被转动地连在一起；以及

连接于所述两个电动机的地面连杆，所述电动机的所述两条旋转轴线之间的距离小于所述两个内侧连杆和所述两个外侧连杆中任意连杆上的两条轴线之间的距离；以及

控制器，其使得所述第一机器人手臂的所述两个电动机中的每一个均绕所述电动机的旋转轴线旋转相应的所连内侧连杆，以使所述两条中间轴线被约束成处于包括外侧轴线和所述旋转轴线中一条旋转轴线的平面的同侧。

17.根据权利要求16的机器人外科手术系统，其中所述两条旋转轴线在所述地面连杆上重合。

18.根据权利要求16的机器人外科手术系统，其中所述外侧连杆之一还包括具有与所述外侧轴线隔开的插入轴线的手术器械，所述插入轴线穿过所述第一球面旋转远程中心。

19.根据权利要求18的机器人外科手术系统，其中将包括所述插入轴线的所述外侧连杆之一耦合到所述内侧连杆之一上的中间轴线与所述插入轴线的间隔大于与所述外侧轴线的间隔。

20.根据权利要求19的机器人外科手术系统，其中所述插入轴线、所述外侧轴线和将包括所述插入轴线的所述外侧连杆之一耦合到所述内侧连杆之一上的所述中间轴线是共面的。

21.根据权利要求16的机器人外科手术系统，其中所述外侧连杆之一还包括具有与所述外侧轴线重合的插入轴线的手术器械，所述插入轴线穿过所述第一球面旋转远程中心。

22.根据权利要求16的机器人外科手术系统，其中还包括具有第二平行球面五连杆机构的第二机器人手臂，其包括：

两个电动机，每个电动机均具有一条旋转轴线，所述第二机器人手臂的两条所述旋转轴线在第二球面旋转远程中心处相交，

两个内侧连杆，每个内侧连杆与所述第二机器人手臂的所述电动机之一连于所述电动机的旋转轴线处，各内侧连杆具有与所述电动机的旋转轴线隔开的中间轴线，两条所述中间轴线穿过所述第二球面旋转远程中心，以及

两个外侧连杆，每个外侧连杆在所述第二机器人手臂的所述内侧连杆的中间轴线处被转动地连于所述内侧连杆之一，所述第二机器人手臂的所述两个外侧连杆在与所述中间轴线隔开并穿过所述第二球面旋转远程中心的外侧轴线处被转动地连在一起；以及

连接于所述第二机器人手臂的所述两个电动机的第二地面连杆，所述第二机器人手臂的所述两个电动机的所述两条旋转轴线之间的距离小于所述第二机器人手臂的所述两个内侧连杆和所述两个外侧连杆中任意连杆上的两条轴线之间的距离；

控制器，其使得所述第二机器人手臂的所述两个电动机中的每一个均绕所述电动机的旋转轴线旋转相应所连内侧连杆，以使所述两条中间轴线被约束成处于包括所述第二机器人手臂的所述外侧轴线和所述旋转轴线中一条旋转轴线的平面的同侧。

Images