CN102018574B - 一种具有高负载能力的小体积医疗机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高负载能力的小体积医疗机械臂关节，包括用于提供运动基座的大臂底座，所述大臂底座通过大臂关节与第一大臂的一端相连接，所述大臂关节为曲柄滑块机构，从而实现所述第一大臂的摆动；所述第一大臂的另一端通过小臂关节与小臂相连接，所述小臂关节为曲柄滑块带动平行四边形机构，从而实现所述小臂的摆动。本发明采用了平行四边形机构使得整个机械臂关节机构紧凑，从而减小了机械臂关节的体积。同时，本发明采用了丝杠传动，这样一方面可以实现自锁保证机器人定位精度，一方面又可以实现机械臂关节的末端拥有较大的转矩，从而能把持较为承重的末端推进机构。

Description

一种具有高负载能力的小体积医疗机械臂关节

技术领域

本发明涉及一种机械臂关节，特别是用于医疗手术机器人的具有高负载能力的小体积医疗把持机械臂关节。

背景技术

现代医疗中由于其特殊环境，如辐射大，操作空间限制，使得医生很难长时间，高效率在这种环境下工作，而且对于精确度越来越高的现代医疗手术，依靠医生的个人经验和技术往往限制了很大一部分的医疗手术的推广。因此提出用机械臂代替医生进行手术操作，由于手术对机械臂的末端的特殊要求，很大一部分机械臂需要把持一个较为沉重末端推进机构，为了便于操作，机械臂应是体积较小。

图1示出的是当前比较著名的达芬奇手术机器人，该机构拥有四个机械臂，每个操作臂拥有13个自由度。可实现末端位置和位姿的调整。由于自由度较多导致控制算法相当复杂，且其把持关节采用谐波加速器，不能实现断电下的自锁，其采用常规的scara的定位机构导致其末端不能承受高负载，。因此在特殊的需要把持高负载的手术中，不能采用此机械臂关节。

2003年，北京航空航天大学针对脑外科微创手术研制了5自由度被动式医疗机器人，如图3、图4所示，各关节均为被动式。该机构由于各个关节均采用被动式，在治疗中需要手动调整机械臂位置，使得操作十分不便，而且体积庞大，造价昂贵，且末端不能把持较重的推进机构，不能完全满足手术的要求。由此，医疗机器人的把持机构需要尽量降低机构复杂度，简化机构和降低控制难度。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种拥有高负载小体积的把持机构。

本发明通过如下的技术方案实现。

一种机械臂关节，其特征在于，包括

用于提供运动基座的大臂底座，所述大臂底座通过大臂关节与第一大臂的一端相连接，所述大臂关节为曲柄滑块机构；其中，所述大臂底座上可枢转地连接有大臂连杆，所述大臂连杆的另一端能够在所述第一大臂上平动，从而实现所述第一大臂的摆动；

所述第一大臂的另一端通过小臂关节与小臂相连接，所述小臂关节为曲柄滑块带动平行四边形机构；其中，所述小臂上可枢转地连接有小臂连杆，所述小臂连杆的另一端可在与所述第一大臂平行的第二大臂上平动，从而实现所述小臂的摆动。

根据上述技术方案的机械臂关节，其特征在于，所述大臂连杆与所述小臂连杆的平动端分别通过丝杠传动。

与现有技术相比，本发明实现了以下技术效果。

1)该机械臂关节采用全新的定位机构，在小臂关节的设计上采用了平行四边形机构使得整个机械臂机构紧凑，从而减小了机械臂关节的体积，满足机器人在医疗上的应用。

2)该机械臂关节在大臂关节和小臂关节的传动方式采用了丝杠传动，这样一方面可以实现自锁保证机器人定位精度，一方面又可以实现机械臂关节的末端拥有较大的转矩，从而能把持较为承重的末端推进机构。

附图说明

图1是现有技术中的一种医疗机器人；

图2是图1所示的机器人的运动方式示意图；

图3是现有技术中的另一种5自由度医疗机器人；

图4是图3所示的机器人的另一姿态示意图；

图5是本发明的定位臂结构简图；

图6是本发明的定位臂结构变形图；

图7是本发明的机械臂关节的第二关节运动简图；

图8是本发明的机械臂关节的第三关节运动简图；

图9是本发明的机械臂关节的大臂、小臂传动系统示意图；

图10是本发明的机械臂关节的大臂结构设计图；

图10a是本发明的传动螺母和连杆的连接剖视图；

图10b是本发明的两个小臂对边板的中间连接剖视图；

图11a和图11b是本发明的机械臂关节的大臂平剖视图；

图12是典型的定位臂结构及其性能的比较图。

其中各附图标记含义如下：

1.大臂底座

2.大臂下铰销

3.长铰轴轴垫套

4.6008深沟球轴承

5.6202深沟球轴承

6.小臂对边板

7.支撑筒

8.短铰销垫套

9.铰销轴

10.6202深沟球轴承

11.轴承端盖

12.轴用弹性挡圈

13.开槽沉头螺钉

14.大臂短铰座

15.花套

16.圆柱头螺钉

17.螺杆开槽套筒

18.6004深沟球轴承

19.大臂传动丝杠

20.传动螺母

21.螺杆紧固轴套

22.内六角螺钉

23.中间连接套

24.紧定螺钉

25.开槽沉头螺钉

26.电机安装盘

27.沉头螺钉

28.圆柱头螺钉

29.电机组件

30.大臂长铰座

31.小臂连杆

32大臂连杆

33.轴用弹性挡圈

34.大垫片

35.连杆螺母销轴

36.内六角螺钉

37.支撑杆

38.小臂

具体实施方式

为达到一定空间内的任意位置，介入手术机器人定位臂一般应具有3个自由度。其自由度可是P(移动关节)和R(转动关节)组合而成。典型的定位臂结构及其性能的比较如图12所示。

直角坐标型定位臂工作范围小、占据空间大，因此不符合血管介入手术过程。对于圆柱坐标型、SCARA型定位臂，虽然其对姿态影响较小，但考虑到定位臂末端要支撑较重的负载，要求驱动及传动部分结构尺寸很大，因此设计出的整个定位臂结构外观尺寸极大，犹如起重机一样，不符合手术室医用环境。通过查阅资料，虽然关节坐标型定位臂有诸多缺点，但其变形结构可以相应的减少这些缺点，且其变形结构能实现较高定位精度，在达到相同工作空间内，其结构外观尺寸最小，能够较好承受末端支撑负载。所选择的定位臂结构简图及其变形结构简图如图5、图6所示。

在定位臂结构变形图中，定位臂通过曲柄滑块机构将直线运动转化为旋转运动。为实现运动的连贯性，在设计曲柄滑块机构的具体机械结构时，要保证较精确的尺寸链，以使得机构连贯运动。大臂关节为典型的曲柄滑块机构，大臂关节运动简图如图7。其运动简式为：

$\cos d=\frac{a^2+b^2-c^2}{2\mathrm{ab}}$

$d={\cos }^{-1}\left(\frac{a^2+b^2-c^2}{2\mathrm{ab}}\right)$

小臂关节为曲柄滑块带动平行四边形机构，小臂关节运动简图如图8所示。大臂关节、小臂关节与腰关节联动可实现设定工作空间内的任意位置。

依据手术的特点，要求机器人末端要有大转矩输出和整个机构体积小的特点，为此在传动机构必须不同于常规的传动机构，经过分析，该机器人所承受的转矩大部分在大臂和小臂上，因此大小臂的传动机构设计影响到整个机器人的转矩输出。

如果采用谐波减速器传动，要达到指定的转矩输出，其机构尺寸最大可能达到200mm，显然在外观上不合理，而且在断电的情况下，不能保持其位置，若是采用涡轮蜗杆传动，虽然可以解决自锁问题，机构异常庞大，不适合在医疗环境中使用，综合考虑，采用如图所示丝杠传动方式，它具有体积小，转矩大，还能实现自锁，能够满足设计要求，进行机构综合与优化比较后，具体的机构设计如图9所示。

此结构是为了实现小臂38末端在平面内到达任意位置，因此采用一个平行四边形的结构，两条主动边为两个相同的大臂(也就是上面的两个剖面视图，图10a和图10b)，由于要让两条大臂能够在该平面内摆动，所以采用了两个连杆结构(大臂连杆，小臂连杆)，具体的运动过程：位于大臂里的电机带动丝杠转，丝杠的转动带动传动螺母的直线移动，螺母的直线运动带动连杆的摆动(螺母与连杆相连附图10a)，连杆的摆动带动大臂，小臂的摆动，具体体现为图7和图8的运动简图。

如图11a所示，大臂底座提供一个运动基座，其右端孔内侧与6008深沟球轴承外侧相连接，该轴承内侧是大臂下铰销，铰销中段固连大臂长铰座，长铰座的另一端通过螺钉与中间连接套相连，在连接套的里面的电机组件的地盘固定在大臂长铰座上，输出轴通过联轴器与丝杠连接(这是为了保证电机输出轴与丝杠中心一致)，丝杠的另一端由6004深沟球轴承固定，丝杠上套有传动螺母(将丝杠的转动变为螺母的直线运动)，螺母通过如附图10a所示的机构与连杆相连。中间连接套另一端与大臂短铰座通过圆柱头螺钉相连，而短铰座的另一端固定在铰销轴9上，通过6202深沟球轴承固定在小臂上。另一条大臂结构和上述结构一样。

为了实现大小臂能够按照在预定的平形四边形平面内运动，故在大小臂下端(大臂底座的两边)安装了两个小臂对边板，为了防止对边板的变形，在对边板的中间安装了如附图10b的连接机构，增加对边板的刚度。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种机械臂关节，其特征在于，包括

用于提供运动基座的大臂底座，所述大臂底座通过大臂关节与第一大臂的一端相连接，所述大臂关节为曲柄滑块机构；其中，所述大臂底座上可枢转地连接有大臂连杆，所述大臂连杆的另一端能够在所述第一大臂上平动，从而实现所述第一大臂的摆动；

所述第一大臂的另一端通过小臂关节与小臂相连接，所述小臂关节为曲柄滑块带动平行四边形机构；其中，所述小臂上可枢转地连接有小臂连杆，所述小臂连杆的另一端能够在与所述第一大臂平行的第二大臂上平动，从而实现所述小臂的摆动。

2.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于，所述大臂连杆与所述小臂连杆的平动端分别通过丝杠传动。

3.一种医疗机器人，其特征在于，具有根据权利要求1-2之一所述的机械臂关节。

Images