CN105234959B - 主操作手的重力平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主操作手的重力平衡机构，主操作手的重力平衡机构包括支撑部件、摆动部件、悬吊部件以及具备弹性的拉簧配平部件，摆动部件的第一端与支撑部件转动连接以构成转动支点，摆动部件的第二端与悬吊部件连接，拉簧配平部件的第一端连接于支撑部件上，拉簧配平部件的第二端活动连接于摆动部件上，通过调节拉簧配平部件的第二端在摆动部件上的位置，抵消悬吊于支撑部件上的摆动部件、悬吊部件及悬吊部件之后连接的结构等重力做功，以配平主操作手的重力做功。相比采用重物配平的方式，拉簧配平部件的重量较轻，较为有效的提高了应用主操作手装置的配平能力及负载能力，操作准确性、舒适性及安全性。

Description

主操作手的重力平衡机构

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种主操作手的重力平衡机构。

背景技术

主操作手作为遥操作机器人系统实现虚拟现实领域的核心操作输入装置，其直接与操作者接触，因此要求主操作手在满足功能性要求的基础上，满足操作的舒适性、精确性和灵活性要求。这就使得主操作手应满足精度高、质量轻、体积小、可靠度高等要求。

现有串联结构形式的主操作手存在自身重力无法平衡的情况。当主操作手自身重力无法配平时，操作者在操作主操作手时，必须由操作者来承担或克服主操作手的自身重力，但操作者在长时间负重操作主操作手的情况下，会出现疲劳状态，降低了操作的舒适性、准确性及安全性。

为了实现主操作手的重力配平，通常采用重物配平的方式。重物配平的基本原理是杠杆平衡原理。虽然重物配平能够实现一定的配平效果，但添加重物会增加主操作手装置本身的重量，重物配平的关节的转动惯量也会随之增加，从而对主操作手的操作准确性、舒适性及安全性造成了不同程度的影响。

在其他领域也有应用压簧配平的方式实现重力配平，例如专利US7837674B2公开了一种采用压簧结构实现摆动臂运动过程中的重力平衡的装置。但该方式不适用于主操作手的重力配平，其原因在于，压簧的弹性系数较高，压缩行程有限，使得主操作手装置本身的调节范围明显降低，不适用于主操作手的大运动空间调节特性；同时，压簧在压缩过程中，本身处于不平衡状态，极易发生径向侧倾，降低了整体系统的安全性；另外，为了约束压簧运动路径，需要添加导向装置，但是导向装置的添加会增加系统的复杂性，增大摩擦力，不利于减小主操作手的体积与重量，也影响操作惯量与阻力的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主操作手的重力平衡机构，以解决现有技术中实现主操作手重力配平的方式存在的缺陷，提高了主操作手的操作准确性、舒适性及安全性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种主操作手的重力平衡机构，所述主操作手的重力平衡机构包括：

支撑部件、摆动部件、悬吊部件以及具备弹性的拉簧配平部件，所述摆动部件的第一端与所述支撑部件转动连接，所述摆动部件的第二端与所述悬吊部件连接，所述拉簧配平部件的第一端连接于所述支撑部件上，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述摆动部件上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，所述摆动部件包括主骨架结构，所述主骨架结构的第一端与所述支撑部件转动连接，所述主骨架结构的第二端与所述悬吊部件连接，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述主骨架结构上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，所述摆动部件包括主骨架结构及与所述主骨架结构平行设置的副骨架结构，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述主骨架结构或所述副骨架结构上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，所述拉簧配平部件为一拉簧，所述拉簧的一端连接于所述支撑部件上，另一端活动连接于所述摆动部件上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，所述拉簧配平部件包括一柔性连接部件及一拉簧，所述柔性连接部件一端连接于所述支撑部件上，所述拉簧的一端与所述柔性连接部件的另一端连接，所述拉簧的另一端活动连接于所述摆动部件上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，还包括与所述拉簧配平部件的第二端连接的前端位置调节部件，所述拉簧配平部件的第二端通过所述前端位置调节部件活动连接于所述摆动部件上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，还包括连接于所述摆动部件上的后端位置调节部件，所述柔性连接部件绕过所述后端位置调节部件与所述拉簧连接。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，所述后端位置调节部件上装配有丝轮结构，所述柔性连接部件绕过所述丝轮结构与所述拉簧连接。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，所述拉簧配平部件包括一柔性连接部件及一拉簧，所述拉簧的一端连接于所述支撑部件上，所述柔性连接部件的一端与所述拉簧的另一端连接，所述柔性连接部件的另一端活动连接于所述摆动部件上。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，还包括位于支撑部件的中间位置调节部件，所述柔性连接部件绕过所述中间位置调节部件与所述拉簧连接。

可选的，在所述的主操作手的重力平衡机构中，还包括小臂杆件结构，与所述悬吊部件转动连接。

在本发明所提供的主操作手的重力平衡机构中，所述主操作手的重力平衡机构包括支撑部件、摆动部件、悬吊部件以及具备弹性的拉簧配平部件，所述摆动部件的第一端与所述支撑部件转动连接以构成转动支点，所述摆动部件的第二端与所述悬吊部件连接，所述拉簧配平部件的第一端连接于所述支撑部件上，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述摆动部件上，通过调节所述拉簧配平部件的第二端在所述摆动部件上的位置，抵消悬吊于支撑部件上的摆动部件、拉簧配平部件、悬吊部件及悬吊部件之后连接的结构等部件的重力所做的功，以配平所述主操作手的重力，在主操作手运动过程中，重力势能与弹性势能之和保持不变；进一步对拉簧配平部件的调整，以抵消主操作手受到负载变化导致重力做功的变化，从而实现主操作手的重力再次配平。相比采用重物配平的方式，拉簧配平部件的重量较轻，较为有效的提高了应用主操作手装置的配平能力及负载能力，操作准确性、舒适性及安全性。

附图说明

图1是本发明实施例一中主操作手的重力平衡机构的结构示意图；

图2是本发明实施例一中所述悬吊部件与摆动部件转动连接的结构示意图；

图3是本发明实施例一中所述悬吊部件与摆动部件固定连接的结构示意图；

图4a～图4c是本发明实施例二中主操作手的重力平衡机构的几种结构示意图。

图中，支撑部件-1、摆动部件-2；主骨架结构-20；副骨架结构-21；悬吊部件-3、拉簧配平部件-4；拉簧-40；柔性连接部件-41；前端位置调节部件-5；后端位置调节部件-6；中间位置调节部件-7，转轴结构-201，203，211，213；小臂杆件结构-8。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的主操作手的重力平衡机构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在具体说明本发明之前，在此先说明本发明之主要原理与思想，本申请主要根据做功相等原理，通过对拉簧配平部件的配置来抵消主操作手中摆动部件、拉簧配平部件、悬吊部件及悬吊部件之后连接的结构等部件的重力所做的功，实现主操作手的重力配平，在主操作手运动过程中，重力势能与弹性势能之和保持不变；进一步对拉簧配平部件的调整，以抵消主操作手受到负载变化导致重力做功的变化，从而实现主操作手的重力再次配平。

实施例一

请参考图1，其为本发明实施例一中主操作手的重力平衡机构的结构示意图。如图1所示，所述主操作手的重力平衡机构包括：支撑部件1、摆动部件2、悬吊部件3以及具备弹性的拉簧配平部件4，所述摆动部件2的第一端与所述支撑部件1转动连接以构成转动支点，所述摆动部件2的第二端与所述悬吊部件3连接，所述悬吊部件3用于与其他机构连接，所述拉簧配平部件4的第一端连接于所述支撑部件1上(可以固定链接，也可以是活动连接)，所述拉簧配平部件4的第二端活动连接于所述摆动部件2上，通过调节所述拉簧配平部件4第一端在支撑部件1上的位置和第二端在所述摆动部件2上的位置，使所述拉簧配平部件4发生形变时所做的功抵消主操作手的自身重力所做的功，以配平所述主操作手的重力做功(这里所述主操作手的重力做功，在本实施例中应理解为主操作手中摆动部件2、悬吊部件3，拉簧配平部件4的重力所做的功)。具体而言，可以通过调节所述拉簧配平部件4的第一端在支撑部件1上的位置，以降低拉簧配平部件4的理论计算弹性系数与实际弹性系数之间的差异，以及整个主操作手的系统误差；可以通过调节所述拉簧配平部件4在所述摆动部件2上的位置，特别是当拉簧配平部件4的第一端在支撑部件1上的位置发生变化时，需要拉簧配平部件4提供初始拉力，抵消主操作手的自身重力所做的功。

进一步，本实施例中，所述摆动部件2包括主骨架结构20，所述主骨架结构20的第一端与所述支撑部件1转动连接以构成转动支点，所述主骨架结构20的第二端与所述悬吊部件3连接。具体而言，主骨架结构20的两端分别通过转轴结构(201，203)与支撑部件1和悬吊部件3转动连接。所述拉簧配平部件4包括一柔性连接部件41及一拉簧40，所述柔性连接部件41一端连接于所述支撑部件1上，所述拉簧40的一端与所述柔性连接部件41的另一端连接，所述拉簧40的另一端活动连接于所述摆动部件2的主骨架结构20上。优选的，所述柔性连接部件41为丝或绳等本领域常用的柔性细长连接体。其中，所述拉簧40的另一端通过前端位置调节部件5活动连接于所述摆动部件2的主骨架结构20上(例如，所述拉簧40的另一端固定连接于前端位置调节部件5上，且前端位置调节部件5活动连接于所述摆动部件2的主骨架结构上)。

优选，在主骨架结构20靠近所述支撑部件1一端设有后端位置调节部件6，所述柔性连接部件41绕过所述后端位置调节部件6与所述拉簧40连接。所述柔性连接部件41与所述支撑部件1之间的连接，后端位置调节部件6与主骨架结构20之间的连接至少有一个是活动连接，以便于调整降低拉簧配平部件4的理论计算弹性系数与实际弹性系数之间的差异，以及整个主操作手的系统误差。调节好相关位置后，在整个主操作手运动期间不再调整(不考虑弹簧弹性衰减时)。然后调整前端位置调节部件5在主骨架结构20上的位置(即初始拉伸长度)，从而保证主操作手在各个位置时，拉簧的初始弹性势能和主操作手的自身重力势能之和不变。当在主操作手上施加负载时，将破坏原来的配平，需要调整前端位置调节部件5在主骨架结构20上的位置，以实现再次配平。

进一步地，为了降低柔性连接部件41在使用过程中磨损，延长其使用寿命，在所述后端位置调节部件6上装配有丝轮结构，所述柔性连接部件41绕过所述丝轮结构与所述拉簧40连接。

优选的，所述支撑部件1包括转动关节，构成N+1自由度调整构型，即主操作手围绕支撑部件1转动，增加了主操作手的的灵活性以及工作空间。

请参考图2，其为本发明实施例一中所述悬吊部件3与摆动部件2转动连接的结构示意图。如图2所示，所示悬吊部件3通过转轴结构203与摆动部件2转动连接。所示悬吊部件3上安装有与小臂杆件结构8上的轴承安装结构相配合的转轴部件，当悬吊部件3上的转轴部件与轴承安装结构相互配合连接，此时小臂杆件结构8能够绕悬吊结构的转轴部件发生转动，形成转动关节。这里通过小臂杆件结构8连接其他结构或多自由度构型的方式，对主操作手施加负载，以满足不同情况下对于主操作手的需求。

请参考图3，其为本发明实施例一中所述悬吊部件3与摆动部件2固定连接的结构示意图。如图3所示，其与图2结构的区别在于悬吊部件3与摆动部件2固定连接。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于摆动部件2的具体结构，实施例一中摆动部件2为主骨架结构20，而实施例二中摆动部件2为主骨架结构20及与所述主骨架结构20平行设置的副骨架结构21，所述主骨架结构20的第一端和所述副骨架结构21的第一端均与所述支撑部件1转动连接以构成两个转动支点(即转轴结构201和转轴结构211的位置)，所述主骨架结构20的第二端和所述副骨架结构21的第二端均与所述悬吊部件3连接，所述主骨架结构20、所述副骨架结构21、所述支撑部件1及所述悬吊部件3之间依次连接的连接点共同构成平行四边形。本实施例中，主骨架结构20的两端分别通过转轴结构(201，203)与支撑部件1和悬吊部件3转动连接，副骨架结构21的两端分别通过转轴结构(211，213)与支撑部件1和悬吊部件3转动连接，主骨架结构20与副骨架结构21相互平行。所述拉簧配平部件4的一端与所述的支撑部件1连接(优选，活动连接)，另一端活动连接于所述主骨架结构20或所述副骨架结构21上。相比实施例一中不具有平行四边形结构的主操作手的重力平衡机构，本实施例的主操作手的重力平衡机构具有较强的稳固性，在摆动部件2进行摆动调节位置时，由于平行四边形结构的存在，支撑部件1和悬吊部件3始终保持相互平行，避免摆动部件2在运动过程中对于悬吊部件3相连的主操作手部件的影响。应该认识到，本实施例中主骨架结构20与副骨架结构21相互平行为主骨架结构20与副骨架结构21平行设置的一种优化的方案。只要主骨架结构20与支撑部件1和悬吊部件3连接点连线，副骨架结构21与支撑部件1和悬吊部件3连接点连线，两条连线相互平行，即视为主骨架结构20与副骨架结构21平行设置。

具体的，请参考图4a～图4c，其为本发明实施例二中主操作手的重力平衡机构的几种结构示意图；如图中所示，所述拉簧配平部件4包括两种构型，一种为仅有一拉簧40，另一种为一拉簧40和与拉簧40连接的柔性连接部件41。当所述拉簧配平部件4仅为一拉簧40时，请参考图4a，所述拉簧40的一端活动连接于所述支撑部件1上，另一端活动连接于所述摆动部件2上。由于摆动部件2包括主骨架结构20及与所述主骨架结构20平行设置的副骨架结构21，为了实现较好的配平效果，所述拉簧40的另一端可以活动连接于主骨架结构20上或副骨架结构21上，但是需要确保所述拉簧40位于所述支撑部件1上的连接点位于转动支点的上方(若所述拉簧40的另一端可以活动连接于主骨架结构20上，此时转动支点为主骨架结构20与支撑结构转动连接构成的转动支点；若所述拉簧40的另一端可以活动连接于副骨架结构21上，此时转动支点为副骨架结构21与支撑部件1转动连接构成的转动支点)，这样设计的目的是确保主操作手处于不同位置时，拉簧配平部件4的弹性势能和装置各个零件的重力势能之和不变。

当所述拉簧配平部件4为一柔性连接部件41及一拉簧40时，拉簧配平部件4一端连接于所述支撑部件1上，通过位置调节部件(后端位置调节部件6或中间位置调节部件7)后，与前端位置调节部件5连接。请参考图4b,所述柔性连接部件41的一端固定于所述转轴结构211上(也可为活动/固定链接于支撑部件1其他位置)，所述柔性连接部件41的另一端绕过后端位置调节部件6后与所述拉簧40的一端连接，所述拉簧40的另一端活动连接于所述摆动部件2上。如图4b所示，所述拉簧配平部件4与所述摆动部件2之间至少有一个可调节的连接点(即前端位置调节部件5活动连接于摆动部件2，此时，柔性连接部件41活动连接于支撑部件1)，优选有两个可调节的连接点。其具体结构及工作原理与实施例一相同，这里就不再重复阐述。如图4c所示，所示拉簧40的一端固定于所述支撑部件1上，所述柔性连接部件41的一端与所述拉簧40的另一端连接，所述柔性连接部件41的另一端通过中间位置调节部件7后活动连接于所述摆动部件2上。如图4c所示，所述拉簧配平部件4与所述摆动部件2之间至少有一个可调节的连接点(即前端位置调节部件5活动连接于所述摆动部件2上，此时，柔性连接部件41活动连接于支撑部件1)，优选有两个可调节的连接点。

应认识到，本实施例中，所述主骨架结构20、所述副骨架结构21、所述支撑部件1及所述悬吊部件3共同构成平行四边形是一种特例。只要所述主骨架结构20、所述副骨架结构21、所述支撑部件1及所述悬吊部件3的只要连接点转轴结构201、转轴结构211以及转轴结构203、转轴结构213位置处的连线相互平行构成平行四边形，不论主骨架结构20、所述副骨架结构21、所述支撑部件1及所述悬吊部件3的形状如何，均可以实现本实施例的效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

综上，在本发明所提供的主操作手的重力平衡机构中，所述主操作手的重力平衡机构包括支撑部件、摆动部件、悬吊部件以及具备弹性的拉簧配平部件，所述摆动部件的第一端与所述支撑部件转动连接以构成转动支点，所述摆动部件的第二端与所述悬吊部件连接，所述拉簧配平部件的第一端连接于所述支撑部件上，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述摆动部件上，通过调节所述拉簧配平部件的第二端在所述摆动部件上的位置，抵消悬吊于支撑部件上的摆动部件、拉簧配平部件、悬吊部件及悬吊部件之后连接的结构等部件的重力所做的功，以配平所述主操作手的重力，在主操作手运动过程中，重力势能与弹性势能之和保持不变；进一步对拉簧配平部件的调整，以抵消主操作手受到负载变化导致重力做功的变化，从而实现主操作手的重力再次配平。相比采用重物配平的方式，拉簧配平部件的重量较轻，较为有效的提高了应用主操作手装置的配平能力及负载能力，操作准确性、舒适性及安全性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种主操作手的重力平衡机构，其特征在于，包括：支撑部件、摆动部件、悬吊部件以及具备弹性的拉簧配平部件，所述摆动部件的第一端与所述支撑部件转动连接，所述摆动部件的第二端与所述悬吊部件连接，所述拉簧配平部件的第一端连接于所述支撑部件上，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述摆动部件上，所述拉簧配平部件包括一柔性连接部件及一拉簧，所述柔性连接部件一端连接于所述支撑部件上，所述拉簧的一端与所述柔性连接部件的另一端连接，所述拉簧的另一端活动连接于所述摆动部件上；还包括连接于所述摆动部件上的后端位置调节部件，所述柔性连接部件绕过所述后端位置调节部件与所述拉簧连接。

2.如权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，所述摆动部件包括主骨架结构，所述主骨架结构的第一端与所述支撑部件转动连接，所述主骨架结构的第二端与所述悬吊部件连接，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述主骨架结构上。

3.如权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，所述摆动部件包括主骨架结构及与所述主骨架结构平行设置的副骨架结构，所述拉簧配平部件的第二端活动连接于所述主骨架结构或所述副骨架结构上。

4.如权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，所述拉簧配平部件为一拉簧，所述拉簧的一端连接于所述支撑部件上，另一端活动连接于所述摆动部件上。

5.如权利要求4或1中所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，还包括与所述拉簧配平部件的第二端连接的前端位置调节部件，所述拉簧配平部件的第二端通过所述前端位置调节部件活动连接于所述摆动部件上。

6.如权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，所述后端位置调节部件上装配有丝轮结构，所述柔性连接部件绕过所述丝轮结构与所述拉簧连接。

7.如权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，所述拉簧配平部件包括一柔性连接部件及一拉簧，所述拉簧的一端连接于所述支撑部件上，所述柔性连接部件的一端与所述拉簧的另一端连接，所述柔性连接部件的另一端活动连接于所述摆动部件上。

8.如权利要求7所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，还包括位于支撑部件的中间位置调节部件，所述柔性连接部件绕过所述中间位置调节部件与所述拉簧连接。

9.如权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于，还包括小臂杆件结构，与所述悬吊部件转动连接。