CN104622575A - 一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手，它包括基座、第一关节传动机构、第二关节传动机构、第三关节传动机构、腕部传动机构以及开合机构。本发明采用电机前置至基座的布局形式，电机安装至基座可极大减小主操作手机构各部件的质量，进而减小了主操作手的转动惯量，有益于提高机构刚性；机构前三关节采用钢丝绳传动，有效减小了机构中各部件的体积，使其机构更加紧凑；采用钢丝绳传动，通过适当的张紧，可有效避免回差问题；串联机构以及合理的关节布局，既增大了机构的工作空间又更加符合医生的操作习惯。

Description

一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手

技术领域

本发明涉及手术机器人领域，特别是一种由钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手。

背景技术

微创手术是指通过小切口将细长腹腔镜和手术器械插入患者体内，医生借助图像监视系统进行操作的手术。微创手术机器人主操作手是微创手术机器人的重要组成部分，在手术进行中由医生进行操作，代替人手完成切割、缝合、打结等一系列手术动作。

目前已有产品有瑞士Force dimension公司生产的sigma、omega和delta系列主操作手，该产品主体结构为并联机构，其刚度和精度较高，但并联机构工作空间有限，且加工装配精度要求高，价格昂贵。美国Sensable Technologies公司生产的PHANTOM系列主操作手，能为操作者提供力反馈，但其结构刚性较差，反馈力有限。国内手术机器人起步较晚，目前市场上还没有较成熟国产产品。

申请号为CN201410284253的中国专利公开了一种“全被动型六自由度主操作手”，该主操作手为全被动结构，不依靠驱动电机实现杆件的重力平衡，通过配重块实现全部姿态的重力平衡，但由于没有设置驱动电机，该主操作手无法提供反馈力，操作人员不能感知手术工具末端与病灶的接触，有较大局限性。

申请号为CN201110313771的中国专利公开了一种“具有力反馈的九自由度微创手术机器人主操作手”，该主操作手具有九个自由度并可以通过九组驱动线在九个自由度上分别施加反馈力，该主操作手九个自由度的驱动电机全部前置于底座，导致整个系统过于庞大复杂，可靠性差，不能体现出驱动电机前置的优点，即不能减小杆件惯量、提高灵活性。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种驱动电机前置、惯量小、结构紧凑、回差小、灵活度高并且工作空间大的基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手，它包括基座、第一关节传动机构、第二关节传动机构、第三关节传动机构、腕部传动机构以及开合机构，

所述的第一关节传动机构包括自转体丝轮、安装在所述的基座上的第一关节驱动电机和第一转轴，所述的第一关节驱动电机的电机轴上固定有第一固丝轮，所述的第一转轴一端固定连接有第一丝轮并且另一端连接有第一电位器，在所述的自转体丝轮底部固定有自转体，所述的自转体中心轴线与自转体丝轮轴线彼此垂直设置，自传体丝轮通过第一转动副旋转的安装在基座上，第一转动副轴线与自传体丝轮轴线重合设置，所述的第一关节驱动电机的电机轴、第一转轴以及自转体丝轮的中心轴线彼此平行，第一传动钢丝绳一端与第一固丝轮固定并且另一端绕过第一丝轮、自传体丝轮后绕回第一固丝轮与第一固丝轮固定相连；

所述的第二关节传动机构包括第二关节轴、安装在所述的基座上的第二关节驱动电机和第二转轴，在所述的第二关节驱动电机的电机轴上固定有第二丝轮，在所述的第二转轴的一端固定连接有第二固丝轮并且另一端固定连接有第三固丝轮，第二电位器与第三固丝轮固连，第二关节轴与大臂主动杆一端垂直固连，第二传动钢丝绳一端与第二固丝轮固定相连并且另一端绕过第二丝轮，绕回第二固丝轮并与第二固丝轮固定，第三传动钢丝绳一端与第三固丝轮固定并且另一端绕过第一导向轮组、第二关节轴，绕回第三固丝轮并与第三固丝轮固定相连，所述的第二关节驱动电机的电机轴和第二转轴的中心轴线彼此平行，所述的第二转轴的中心轴线与第二关节轴中心轴线彼此垂直设置，所述的第二关节轴旋转的安装在自转体内一端，第二关节轴轴线与自传体回转轴线重合设置；

所述第三关节传动机构包括第三关节轴、安装在所述的基座上的第三关节驱动电机和第三转轴，在所述的第三关节驱动电机的电机轴上固定有第三丝轮，第三转轴一端固定连接第四固丝轮并且另一端连固定连接第五固丝轮，第三电位器与第五固丝轮固连，大臂辅助杆一端旋转的安装在自转体另一端，大臂主动杆、大臂辅助杆、第二关节轴、自转体共同组成第二转动副，第二转动副轴线与自传体回转轴线重合设置，所述第三关节轴通过轴承旋转的安装在大臂辅助杆上，第四传动钢丝绳一端与第四固丝轮固定并且另一端绕过第三丝轮，绕回第四固丝轮与第四固丝轮固定，第五传动钢丝绳一端与第五固丝轮固定并且另一端顺次绕过第二导向轮组、第三关节轴，绕回第五固丝轮与第五固丝轮固定，第六传动钢丝绳一端与紧丝装置固定并且另一端顺次绕过第三关节轴、第四丝轮与紧丝装置固定；所述的第三关节驱动电机和第三转轴的中心轴线彼此平行，所述的第三转轴的中心轴线与第三关节轴中心轴线彼此垂直设置，所述的第三关节轴中心轴线与第四丝轮轴线彼此平行；

所述腕部传动机构包括小臂杆，小臂杆的两端分别与大臂主动杆的另一端以及大臂辅助杆的另一端通过第三转动副转动连接，所述的第四丝轮与小臂杆一端固连，第一腕部驱动电机固定在小臂杆另一端，第一腕部驱动电机的电机轴与转动安装在小臂杆另一端的第四转轴固定相连，所述的第四转轴与第一腕部连杆的一端固定相连使两者组成第四转动副，所述的第一腕部连杆的另一端固定连接有第二腕部驱动电机，第二腕部驱动电机的电机轴与第二腕部连杆一端固定相连使两者组成第五转动副，第四转动副轴线与第五转动副轴线汇交于一点；

所述的开合机构包括通过第六转动副与第二腕部连杆另一端转动相连的开合驱动电机，所述开合驱动电机的电机轴上固定安装有自转座，所述自转座回转轴线与开合驱动电机的电机轴轴线重合设置，在自转座上固定安装有开合连接座，开合手柄分别旋转的安装在开合连接座上，开合手柄的旋转转动轴线平行设置，两开合手柄之间通过弹性元件连接并保持常开状态，第四电位器与第一开合手柄固连，开合机构通过第六转动副旋转的安装在第二腕部连杆一端，第六转动副轴线与第四转动副轴线、第五转动副轴线汇交于一点。

本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明采用电机前置至基座的布局形式，电机安装至基座可极大减小主操作手机构各部件的质量，进而减小了主操作手的转动惯量，有益于提高机构刚性；

2.机构前三关节采用钢丝绳传动，有效减小了机构中各部件的体积，使其机构更加紧凑；

3.采用钢丝绳传动，通过适当的张紧，可有效避免回差问题；

4.串联机构以及合理的关节布局，既增大了机构的工作空间又更加符合医生的操作习惯。

附图说明

图1是本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手整体结构示意图；

图2是本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手第一关节驱动钢丝绳导向图；

图3是本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手第二关节驱动钢丝绳导向图；

图4是本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手第三关节驱动钢丝绳导向图；

图5是本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手腕部传动机构和开合机构示意图；

图6-1是本发明一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手第一、二、三关节装配示意图；

图6-2是图6-1所示的结构的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明的一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手，它包括基座A、第一关节传动机构、第二关节传动机构、第三关节传动机构、腕部传动机构以及开合机构，

所述的第一关节传动机构包括自转体丝轮1-6、安装在所述的基座上的第一关节驱动电机1-1和第一转轴1-4，所述的第一关节驱动电机1-1的电机轴上固定有第一固丝轮1-2，所述的第一转轴一端固定连接有第一丝轮1-3并且另一端连接有第一电位器1-5，在所述的自转体丝轮1-6底部固定有自转体B，所述的自转体B中心轴线与自转体丝轮1-6轴线彼此垂直设置，自传体丝轮1-6通过第一转动副R1旋转的安装在基座A上，第一转动副R1轴线与自传体丝轮1-6轴线重合设置，所述的第一关节驱动电机1-1的电机轴、第一转轴1-4以及自转体丝轮1-6的中心轴线彼此平行，第一传动钢丝绳1-37一端与第一固丝轮固定并且另一端绕过第一丝轮、自传体丝轮后绕回第一固丝轮与第一固丝轮固定相连；

所述的第二关节传动机构包括第二关节轴1-14、安装在所述的基座A上的第二关节驱动电机1-7和第二转轴1-10，在所述的第二关节驱动电机1-7的电机轴上固定有第二丝轮1-8，在所述的第二转轴1-10的一端固定连接有第二固丝轮1-9并且另一端固定连接有第三固丝轮1-11，第二电位器1-12与第三固丝轮固连，第二关节轴1-14与大臂主动杆1-15一端垂直固连，第二传动钢丝绳1-38一端与第二固丝轮1-9固定相连并且另一端绕过第二丝轮1-8，绕回第二固丝轮并与第二固丝轮固定，第三传动钢丝绳1-39一端与第三固丝轮1-11固定并且另一端绕过第一导向轮组1-13、第二关节轴1-14，绕回第三固丝轮并与第三固丝轮固定相连，所述的第二关节驱动电机的电机轴和第二转轴的中心轴线彼此平行，所述的第二转轴的中心轴线与第二关节轴中心轴线彼此垂直设置，所述的第二关节轴1-14旋转的安装在自转体B内一端，第二关节轴1-14轴线与自传体B回转轴线重合设置；

所述第三关节传动机构包括第三关节轴1-23、安装在所述的基座上的第三关节驱动电机1-16和第三转轴1-19，在所述的第三关节驱动电机1-16的电机轴上固定有第三丝轮1-17，第三转轴一端固定连接第四固丝轮1-18并且另一端连固定连接第五固丝轮1-20，第三电位器1-21与第五固丝轮固连，大臂辅助杆1-24一端旋转的安装在自转体B另一端，大臂主动杆1-15、大臂辅助杆1-24、第二关节轴1-14、自转体B共同组成第二转动副R2，第二转动副R2轴线与自传体B回转轴线重合设置，所述第三关节轴1-23通过轴承旋转的安装在大臂辅助杆1-24上，第三关节轴可在大臂辅助杆1-24的轴孔内可自由转动为钢丝绳导向，起传递驱动力作用，第四传动钢丝绳1-40一端与第四固丝轮固定并且另一端绕过第三丝轮1-17，绕回第四固丝轮1-18与第四固丝轮固定，第五传动钢丝绳1-41一端与第五固丝轮固定并且另一端顺次绕过第二导向轮组1-22、第三关节轴1-19，绕回第五固丝轮与第五固丝轮1-20固定，第六传动钢丝绳1-42一端与紧丝装置1-25固定并且另一端顺次绕过第三关节轴、第四丝轮1-26与紧丝装置固定；所述的第三关节驱动电机1-16和第三转轴1-19的中心轴线彼此平行，所述的第三转轴的中心轴线与第三关节轴中心轴线彼此垂直设置，所述的第三关节轴中心轴线与第四丝轮轴线彼此平行；

所述腕部传动机构包括小臂杆1-27，小臂杆的两端分别与大臂主动杆的另一端以及大臂辅助杆1-2的另一端通过第三转动副R3转动连接，所述的第四丝轮与小臂杆1-27一端固连，第一腕部驱动电机1-28固定在小臂杆另一端，第一腕部驱动电机1-28的电机轴与转动安装在小臂杆另一端的第四转轴1-29固定相连，所述的第四转轴1-29与第一腕部连杆1-30的一端固定相连使两者组成第四转动副R4，所述的第一腕部连杆1-30的另一端固定连接有第二腕部驱动电机1-31，第二腕部驱动电机1-31的电机轴与第二腕部连杆1-32一端固定相连使两者组成第五转动副R5，第四转动副R4轴线与第五转动副R5轴线汇交于一点；

所述的开合机构包括通过第六转动副R6与第二腕部连杆1-32另一端转动相连的开合驱动电机1-33，所述开合驱动电机1-33的电机轴上固定安装有自转座，所述自转座回转轴线与开合驱动电机的电机轴轴线重合设置，在自转座上固定安装有开合连接座，开合手柄1-34、1-35分别旋转的安装在开合连接座上，开合手柄1-34、1-35的旋转转动轴线平行设置，两开合手柄之间通过弹性元件连接并保持常开状态，手指按压开合手柄可闭合，第四电位器1-36与第一开合手柄固连，检测开合手柄的闭合动作。开合机构通过第六转动副R6旋转的安装在第二腕部连杆一端，第六转动副R6轴线与第四转动副R4轴线、第五转动副R5轴线汇交于一点。

对照图2，第一关节传动机构驱动力传递路线为：驱动力由第一关节驱动电机1-1产生，通过第一传动钢丝绳1-37传递至自传体丝轮1-6，带动自传体B绕R1转动，使大臂主动杆1-15、大臂辅助杆1-24绕R1转动。

对照图3，第二关节传动机构驱动力传递路线为：驱动力由第二关节驱动电机1-7产生，通过第二传动钢丝绳1-38传递至第二转轴1-10，再通过第三传动钢丝绳1-39传递至第二关节轴1-14，带动大臂主动杆1-15绕R2转动。

对照图4，第三关节传动机构驱动力传递路线为：驱动力由第三关节驱动电机1-16产生，通过第四传动钢丝绳1-40传递至第三转轴1-19，再通过第五传动钢丝绳1-41传递至第三关节轴1-23，后经过第六传动钢丝绳1-42传递至第四丝轮1-26，带动小臂杆1-27绕R3转动。

对照图6，第四转动副R4、第五转动副R5、第六转动副R6轴线汇交与一点，即所述腕部传动机构为球面机构，可实现开合机构绕空间一点的三自由度转动。

Claims (1)

1.一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手，它包括基座,其特征在于：它还包括第一关节传动机构、第二关节传动机构、第三关节传动机构、腕部传动机构以及开合机构；

所述的第一关节传动机构包括自转体丝轮、安装在所述的基座上的第一关节驱动电机和第一转轴，所述的第一关节驱动电机的电机轴上固定有第一固丝轮，所述的第一转轴一端固定连接有第一丝轮并且另一端连接有第一电位器，在所述的自转体丝轮底部固定有自转体，所述的自转体中心轴线与自转体丝轮轴线彼此垂直设置，自传体丝轮通过第一转动副旋转的安装在基座上，第一转动副轴线与自传体丝轮轴线重合设置，所述的第一关节驱动电机的电机轴、第一转轴以及自转体丝轮的中心轴线彼此平行，第一传动钢丝绳一端与第一固丝轮固定并且另一端绕过第一丝轮、自传体丝轮后绕回第一固丝轮与第一固丝轮固定相连；

所述的第二关节传动机构包括第二关节轴、安装在所述的基座上的第二关节驱动电机和第二转轴，在所述的第二关节驱动电机的电机轴上固定有第二丝轮，在所述的第二转轴的一端固定连接有第二固丝轮并且另一端固定连接有第三固丝轮，第二电位器与第三固丝轮固连，第二关节轴与大臂主动杆一端垂直固连，第二传动钢丝绳一端与第二固丝轮固定相连并且另一端绕过第二丝轮，绕回第二固丝轮并与第二固丝轮固定，第三传动钢丝绳一端与第三固丝轮固定并且另一端绕过第一导向轮组、第二关节轴，绕回第三固丝轮并与第三固丝轮固定相连，所述的第二关节驱动电机的电机轴和第二转轴的中心轴线彼此平行，所述的第二转轴的中心轴线与第二关节轴中心轴线彼此垂直设置，所述的第二关节轴旋转的安装在自转体内一端，第二关节轴轴线与自传体回转轴线重合设置；

所述第三关节传动机构包括第三关节轴、安装在所述的基座上的第三关节驱动电机和第三转轴，在所述的第三关节驱动电机的电机轴上固定有第三丝轮，第三转轴一端固定连接第四固丝轮并且另一端连固定连接第五固丝轮，第三电位器与第五固丝轮固连，大臂辅助杆一端旋转的安装在自转体另一端，大臂主动杆、大臂辅助杆、第二关节轴、自转体共同组成第二转动副，第二转动副轴线与自传体回转轴线重合设置，所述第三关节轴通过轴承旋转的安装在大臂辅助杆上，第四传动钢丝绳一端与第四固丝轮固定并且另一端绕过第三丝轮，绕回第四固丝轮与第四固丝轮固定，第五传动钢丝绳一端与第五固丝轮固定并且另一端顺次绕过第二导向轮组、第三关节轴，绕回第五固丝轮与第五固丝轮固定，第六传动钢丝绳一端与紧丝装置固定并且另一端顺次绕过第三关节轴、第四丝轮与紧丝装置固定；所述的第三关节驱动电机和第三转轴的中心轴线彼此平行，所述的第三转轴的中心轴线与第三关节轴中心轴线彼此垂直设置，所述的第三关节轴中心轴线与第四丝轮轴线彼此平行；

所述腕部传动机构包括小臂杆，小臂杆的两端分别与大臂主动杆的另一端以及大臂辅助杆的另一端通过第三转动副转动连接，所述的第四丝轮与小臂杆一端固连，第一腕部驱动电机固定在小臂杆另一端，第一腕部驱动电机的电机轴与转动安装在小臂杆另一端的第四转轴固定相连，所述的第四转轴与第一腕部连杆的一端固定相连使两者组成第四转动副，所述的第一腕部连杆的另一端固定连接有第二腕部驱动电机，第二腕部驱动电机的电机轴与第二腕部连杆一端固定相连使两者组成第五转动副，第四转动副轴线与第五转动副轴线汇交于一点；

所述的开合机构包括通过第六转动副与第二腕部连杆另一端转动相连的开合驱动电机，所述开合驱动电机的电机轴上固定安装有自转座，所述自转座回转轴线与开合驱动电机的电机轴轴线重合设置，在自转座上固定安装有开合连接座，开合手柄分别旋转的安装在开合连接座上，开合手柄的旋转转动轴线平行设置，两开合手柄之间通过弹性元件连接并保持常开状态，第四电位器与第一开合手柄固连，开合机构通过第六转动副旋转的安装在第二腕部连杆一端，第六转动副轴线与第四转动副轴线、第五转动副轴线汇交于一点。