CN106667583B - 一种微创手术机器人七自由度操作主手 - Google Patents

Abstract

一种微创手术机器人七自由度操作主手，它涉及一种微创手术机器人，以解决现有微创手术机器人操作手结构复杂、灵活性和通用性较差的问题，它包括基座、布置在所述基座上并绕z轴旋转的转盘、与所述转盘连接的能绕x轴旋转的连杆、与所述连杆连接的能绕x轴旋转的一号自转连杆、与所述一号自转连杆连接的能绕x轴旋转的二号自转连杆以及与所述二号自转连杆连接的夹持机构；所述夹持机构包括相对旋转的拇指部件和食指部件。

Description

一种微创手术机器人七自由度操作主手

技术领域

本发明涉及一种微创手术机器人，具体涉及一种微创手术机器人七自由度操作主手，属于医疗机器人领域。

背景技术

微创手术是指外科医生通过病人身体上的小切口，把手术机械伸入到人体内部，借助于视觉监控设备和灵巧的手术器械，对病灶部位进行诊断或治疗。与传统手术相比，具有损伤小、愈合快、可以为患者带来更理想的手术结果而得到广泛应用。然而微创手术由于操作对象较小，手的灵活性降低，所以手术时间较长时，手术医生容易疲劳引起抖动，由此导致操作不准确。

微创手术机器人是机器人技术在医疗外科方面的成功应用，是微创手术的技术水平产生了质的飞跃。与传统微创手术相比，微创手术机器人准确度高，可靠性高，精度高，具有良好的操控性。同时，控制系统还能滤除医生手部抖动的影响，提高手术操作的稳定性。

现有技术中的微创手术机器人系统普遍采用主—从式遥操作控制方式，即从操作端手术机械臂以有线或无线通讯方式获取主操作端主手的控制信号进行相应的手术操作。

然而现有技术中的微创手术机器人由于具体功能不同而结构形式种类繁杂，都需有各自的操作主手系统，存在只能一一对应使用的问题，缺乏一种通用的主手系统。手术中医生进行微创手术时工作时间较长，对手术医生的体力消耗巨大，可能会因为疲劳而产生误操作或因手部震颤而造成损伤。因此，在遥操作主手系统的统一性和人力工程学方面存在改进空间。

通过对现有技术的检索发现：申请号为201410432249.X的中国专利申请公开了一种“七自由度外骨骼式遥操作主手”，该操作机构包括外骨骼主手部分、驱动单元以及支架组成。外骨骼部分可穿戴于操作者上肢。其结构紧凑，操作灵活，能适应不同操作者上肢尺寸，另外手臂不承担外骨骼质量，不会造成操作者额外的负担。但是其体型巨大，结构复杂，成本较高。

申请号为201510111444.7的中国专利公开了一种“腹腔镜微创手术机器人主从同构式遥操作主手”，该操作主手上各关节自由度与手术执行端一一对应，可直接通过对应关系实现遥操作主手对手术执行端的控制与调整，减小了系统延迟；但缺点是没有更好的适用性，只对应于该特定的腹腔镜微创手术机器人，另外从操作方式来看不能很好的帮助操作者减轻负担，容易使长时间的操作者感到疲劳。

申请号为CN20111031377.1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。优点是自由度高，能完成大多数手术机器人前端的运动匹配；但是缺点是整个系统过于庞大复杂，可靠性差，没有减小杆件惯量、灵活性较差。

发明内容

本发明为解决现有微创手术机器人操作手结构复杂、灵活性和通用性较差的问题，进而提供一种微创手术机器人七自由度操作主手。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种微创手术机器人七自由度操作主手，它包括基座、布置在所述基座上并绕z轴旋转的转盘、与所述转盘连接的能绕x轴旋转的连杆、与所述连杆连接的能绕x轴旋转的一号自转连杆、与所述一号自转连杆连接的能绕x轴旋转的二号自转连杆以及与所述二号自转连杆连接的夹持机构；所述夹持机构包括相对旋转的拇指部件和食指部件；

所述一号自转连杆和二号自转连杆的结构相同，所述一号自转连杆和所述二号自转连杆均包括前段杆、后段杆、四号角位移传感器和若干个轴承；

后段杆为三阶梯式轴杆，前段杆为中空轴杆，后段杆的二阶轴杆上安装有若干个轴承，后段杆的一阶轴杆上安装有四号角位移传感器，前段杆的中空腔室套装在若干个轴承上，前段杆和后段杆对接处的后段杆上安装有阻尼垫片。

本发明的有益效果是：本发明操作主手包含有7个自由度，分别是转盘相对于基座旋转的自由度，连杆绕X轴旋转的旋转自由度，一号自转连杆绕X轴旋转的自由度，一号自转连杆自转的旋转自由度，二号自转连杆绕X轴相对一号自转连杆旋转的旋转自由度，二号自转连杆自转的旋转自由度，拇指部件和食指部件相对旋转的旋转自由度。在上述旋转自由度中各自通过角位移传感器实时测量旋转过的角度，阻尼垫片的作用是防止装置因自身重力的原因产生的误操作。实际操作过程中设置离合器，当医生操作时离合器松开，操作主手自由运动，当医生的手离开操作主手时离合器锁死，操作主手不能运动，防止因装置自身重力的原因而产生误操作同时可以减轻医生手术时的操作强度。

医生进行操作时手肘在桌面上，手肘到食指、拇指的距离约为35cm，手臂与桌面角度约为45度，故理想工作位置距桌面竖直距离为25cm左右。调整该操作主手的结构参数，使其最灵活操作区间，即医生主要操作区间位于与桌面竖直距离25cm处。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为一号旋转关节的结构示意图；

图3为二号旋转关节的结构示意图；

图4为连杆与转盘连接的结构示意图；

图5为固定轴杆与连接杆相对连接的结构示意图；

图6为一号自转连杆和二号自转连杆的结构示意图；

图7为三号旋转关节的结构示意图；

图8为夹持机构的结构示意图；

图9为图8的剖视图；

图10为拇指部件和食指部件连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

结合图1-图10说明，本实施方式的一种微创手术机器人七自由度操作主手，它包括基座31、布置在所述基座31上并绕z轴旋转的转盘32、与所述转盘32连接的能绕x轴旋转的连杆1、与所述连杆1连接的能绕x轴旋转的一号自转连杆21、与所述一号自转连杆21连接的能绕x轴旋转的二号自转连杆22以及与所述二号自转连杆22连接的夹持机构5；

所述夹持机构5包括相对旋转的拇指部件5-1和食指部件5-2。

本实施方式中各个旋转自由度中设置的角位移传感器用于实时测量两部件相对旋转的角度。离合器的设置用于提供适时的锁死功能。

结合图1和图2说明，转盘32与基座31通过布置在二者之间的一号旋转关节j1相对旋转；所述一号旋转关节j1包括一号转轴3-8、一号角位移传感器3-2、一号离合器3-4和两个一号角接触球轴承3-3；

所述一号转轴3-8的上端与所述转盘32的底部连接，所述一号转轴3-8通过设置在所述基座31的上内孔内的两个一号角接触球轴承3-3与基座31转动连接，所述一号角位移传感器3-2布置在所述基座31的下内孔内并与所述基座31连接，所述一号转轴3-8的下端与所述一号角位移传感器3-2的转子轴连接，所述一号离合器3-4布置在位于所述上内孔内的两个所述一号角接触球轴承3-3之间，所述一号离合器3-4安装在所述一号转轴3-8上。如此设置，一号角位移传感器3-2实时测量转盘32相对于基座31旋转过的角度。一号离合器3-4设置在两个一号角接触球轴承3-3之间，提供适时的锁死功能。一号转轴3-8末端与一号角位移传感器3-2通过键连接。最上方的一号角接触球轴承3-3布置在安装在转盘32上的连接轴承端盖33上。

结合图1和图2说明，为了保证转盘32和基座31能很好地相对运转，提高运行的可靠性，一号旋转关节还设置了推力轴承，一号旋转关节j1还包括推力轴承3-7，推力轴承3-7布置在转盘32与基座31之间，推力轴承3-7安装在基座31上。推力轴承的设置极大地保障了转盘能承受轴向载荷。

结合图1-图5说明，所述连杆1与所述转盘32通过布置在二者之间的二号旋转关节j2相对旋转，所述二号旋转关节j2包括轴承座4-1、二号离合器4-2、二号转轴4-6、二号角位移传感器4-7、两个二号轴承端盖4-3和两个二号角接触球轴承4-4；

所述轴承座4-1安装在所述转盘32的上端面上，所述轴承座4-1上安装有两个所述二号角接触球轴承4-4，二号转轴4-6安装在两个所述二号角接触球轴承4-4上，两个所述二号角接触球轴承4-4的外侧分别布置有安装在轴承座4-1上的二号轴承端盖4-3，所述二号转轴4-6的一端与二号离合器4-2的转子轴连接，所述二号转轴4-6的另一端与所述二号角位移传感器4-7连接，所述连杆1的一端布置在两个所述二号角接触球轴承4-4之间并与二号转轴4-6连接，所述连杆1的另一端与所述一号自转连杆21相对转动连接。如此设置，二号离合器4-2的设置实时测量连杆转动的角度，二号转轴4-6与连杆1通过键连接，设置在二号转轴4-6的一端的二号角位移传感器4-7提供适时的锁死功能，以保证连杆1稳定可靠工作。

结合图1和图6说明，为了实现多自由度运行，提高一号自转连杆和二号自转连杆自转的可靠性，一号自转连杆和二号自转连杆设置为相同的结构，一号自转连杆21和二号自转连杆22的结构相同，所述一号自转连杆21和所述二号自转连杆22均包括前段杆2-1、后段杆2-2、四号角位移传感器2-8和若干个轴承2-9；后段杆2-2为三阶梯式轴杆，前段杆2-1为中空轴杆，后段杆2-2的二阶轴杆上安装有若干个轴承2-9，后段杆2-2的一阶轴杆上安装有四号角位移传感器2-8，前段杆2-1的中空腔室套装在若干个轴承2-9上，前段杆2-1和后段杆2-2对接处的后段杆2-2上安装有阻尼垫片2-12。如此设置，一号自转连杆21和二号自转连杆22的后段杆2-2能绕前段杆2-1轴线旋转，实现旋转自由度，并且通过四号角位移传感器实施测量旋转过的角度，阻尼垫片的作用是防止装置因自身重力的产生的误操作，使转动时有阻尼效果。同时，后杆段2-2的二阶轴杆的端部套装有孔用卡簧2-11，以保证轴承2-9稳定可靠的运行。

结合图1和图7说明，所述连杆1与所述一号自转连杆21通过三号旋转关节j3相对旋转，所述一号自转连杆21与所述二号自转连杆22通过三号旋转关节j3相对旋转，所述三号旋转关节j3包括三号转轴2-6、三号角位移传感器2-7、三号离合器2-3、两个三号轴承端盖2-5和两个三号角接触球轴承；

所述连杆1与所述一号自转连杆21通过三号旋转关节j3相对旋转时，所述连杆1的另一端伸出有间隔布置的两个固定轴杆1-1，两个所述固定轴杆1-1内分别安装有一个所述三号角接触球轴承，三号转轴2-6安装在两个所述三号角接触球轴承上，两个所述三号角接触球轴承的外侧分别布置有安装在所述固定轴杆1-1上的三号轴承端盖2-5，所述三号转轴2-6的一端与三号角位移传感器2-7的转子轴连接，所述三号转轴2-6的另一端与所述三号离合器2-3连接，所述一号自转连杆21的前段杆2-1上伸出的连接杆21-1布置在两个所述三号角接触球轴承之间并与所述三号转轴2-6连接；

所述一号自转连杆21与所述二号自转连杆22通过三号旋转关节j3相对旋转时，所述一号自转连杆21的后段杆2-2上伸出有间隔布置的两个连接轴杆21-2，两个所述连接轴杆21-2内分别安装有一个所述三号角接触球轴承，三号转轴2-6安装在两个所述三号角接触球轴承上，两个所述三号角接触球轴承的外侧分别布置有安装在所述连接轴杆21-2上的三号轴承端盖2-5，所述三号转轴2-6的一端与三号角位移传感器2-7的转子轴连接，所述三号转轴2-6的另一端与所述三号离合器2-3连接，所述二号自转连杆22的前段杆2-1布置在所述三号角接触球轴承之间并与所述三号转轴2-6连接；所述二号自转连杆22的后段杆2-2与所述夹持机构5连接。如此设置，四号角位移传感器实时测量三号转轴2-6旋转过的角度，进而实时测量一号自转连杆21和二号自转连杆22各自转过的角度，设置在三号转轴2-6一端的三号离合器2-3提供适时的锁死功能，三号角位移传感器2-7的外壳与基座内孔螺栓连接。

结合图1和图8-图10说明，所述拇指部件5-1和所述食指部件5-2通过布置在二者之间的四号旋转关节j4相对旋转，所述四号旋转关节j4包括四号角位移传感器5-3、四号转轴5-4、四号轴承端盖5-6、螺母5-7和两个四号角接触球轴承5-5；二号自转连杆的后段杆2-2与所述拇指部件5-1固接，所述四号转轴5-4与食指部件5-2固接，所述四号转轴5-4的一端穿过食指部件5-2并通过螺母锁紧，所述四号转轴5-4安装于布置在所述拇指部件5-1的内孔上的两个四号角接触球轴承5-5，四号轴承端盖5-6安装在拇指部件5-1上，所述四号转轴5-4的另一端穿过拇指部件5-1和四号轴承端盖5-6并与四号角位移传感器5-3的转子轴连接。如此设置，所述四号转轴5-4与食指部件5-2通过键连接，四号转轴5-4顶端加工有螺纹与螺母5-7配合，用于食指部件5-2的轴向定位，四号轴承端盖5-6通过螺栓连接安装在拇指部件5-1的外侧，孔用卡簧固定于食指部件5-2，共同作用于四号角接触球轴承5-5的轴向定位。四号角位移传感器5-3的外壳与轴承端盖螺纹连接，四号角位移传感器5-3与四号转轴5-4顶丝连接。实时测量食指部件5-2相对于拇指部件5-1转过的角度。

结合图1-图9说明，优选地，一号离合器3-4、二号离合器4-2和三号离合器2-7均为励磁离合器。如此设置，设计合理，性能优越。

结合图1-图9说明，为了提高位置检测精度和可靠性，优选地，一号角位移传感器3-2、二号角位移传感器4-7、三号角位移传感器2-8和四号角位移传感器5-3均为绝对式角位移传感器。

结合图1和图10说明，优选地，基座31为三角形基座，拇指部件5-1和食指部件5-2构成剪刀式结构。如此设置，结构简单，设计合理，运行稳定可靠。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：它包括基座(31)、布置在所述基座(31)上并绕z轴旋转的转盘(32)、与所述转盘(32)连接的能绕x轴旋转的连杆(1)、与所述连杆(1)连接的能绕x轴旋转的一号自转连杆(21)、与所述一号自转连杆(21)连接的能绕x轴旋转的二号自转连杆(22)以及与所述二号自转连杆(22)连接的夹持机构(5)；

所述夹持机构(5)包括相对旋转的拇指部件(5-1)和食指部件(5-2)；

所述一号自转连杆(21)和二号自转连杆(22)的结构相同，所述一号自转连杆(21)和所述二号自转连杆(22)均包括前段杆(2-1)、后段杆(2-2)、四号角位移传感器(2-8)和若干个轴承(2-9)；

后段杆(2-2)为三阶梯式轴杆，前段杆(2-1)为中空轴杆，后段杆(2-2)的二阶轴杆上安装有若干个轴承(2-9)，后段杆(2-2)的一阶轴杆上安装有四号角位移传感器(2-8)，前段杆(2-1)的中空腔室套装在若干个轴承(2-9)上，前段杆(2-1)和后段杆(2-2)对接处的后段杆(2-2)上安装有阻尼垫片(2-12)。

2.根据权利要求1所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：所述转盘(32)与所述基座(31)通过布置在二者之间的一号旋转关节(j1)相对旋转；所述一号旋转关节(j1)包括一号转轴(3-8)、一号角位移传感器(3-2)、一号离合器(3-4)和两个一号角接触球轴承(3-3)；

所述一号转轴(3-8)的上端与所述转盘(32)的底部连接，所述一号转轴(3-8)通过设置在所述基座(31)的上内孔内的两个一号角接触球轴承(3-3)与基座(31)转动连接，所述一号角位移传感器(3-2)布置在所述基座(31)的下内孔内并与所述基座(31)连接，所述一号转轴(3-8)的下端与所述一号角位移传感器(3-2)的转子轴连接，所述一号离合器(3-4)布置在位于所述上内孔内的两个所述一号角接触球轴承(3-3)之间，所述一号离合器(3-4)安装在所述一号转轴(3-8)上。

3.根据权利要求2所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：所述一号旋转关节(j1)还包括推力轴承(3-7)，推力轴承(3-7)布置在转盘(32)与基座(31)之间，推力轴承(3-7)安装在基座(31)上。

4.根据权利要求2或3所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：所述连杆(1)与所述转盘(32)通过布置在二者之间的二号旋转关节(j2)相对旋转，所述二号旋转关节(j2)包括轴承座(4-1)、二号离合器(4-2)、二号转轴(4-6)、二号角位移传感器(4-7)、两个二号轴承端盖(4-3)和两个二号角接触球轴承(4-4)；

所述轴承座(4-1)安装在所述转盘(32)的上端面上，所述轴承座(4-1)上安装有两个所述二号角接触球轴承(4-4)，二号转轴(4-6)安装在两个所述二号角接触球轴承(4-4)上，两个所述二号角接触球轴承(4-4)的外侧分别布置有安装在轴承座(4-1)上的二号轴承端盖(4-3)，所述二号转轴(4-6)的一端与二号离合器(4-2)的转子轴连接，所述二号转轴(4-6)的另一端与所述二号角位移传感器(4-7)连接，所述连杆(1)的一端布置在两个所述二号角接触球轴承(4-4)之间并与二号转轴(4-6)连接，所述连杆(1)的另一端与所述一号自转连杆(21)相对转动连接。

5.根据权利要求4所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：所述连杆(1)与所述一号自转连杆(21)通过三号旋转关节(j3)相对旋转，所述一号自转连杆(21)与所述二号自转连杆(22)通过三号旋转关节(j3)相对旋转，所述三号旋转关节(j3)包括三号转轴(2-6)、三号角位移传感器(2-7)、三号离合器(2-3)、两个三号轴承端盖(2-5)和两个三号角接触球轴承；

所述连杆(1)与所述一号自转连杆(21)通过三号旋转关节(j3)相对旋转时，所述连杆(1)的另一端伸出有间隔布置的两个固定轴杆(1-1)，两个所述固定轴杆(1-1)内分别安装有一个所述三号角接触球轴承，三号转轴(2-6)安装在两个所述三号角接触球轴承上，两个所述三号角接触球轴承的外侧分别布置有安装在所述固定轴杆(1-1)上的三号轴承端盖(2-5)，所述三号转轴(2-6)的一端与三号角位移传感器(2-7)的转子轴连接，所述三号转轴(2-6)的另一端与所述三号离合器(2-3)连接，所述一号自转连杆(21)的前段杆(2-1)上伸出的连接杆(21-1)布置在两个所述三号角接触球轴承之间并与所述三号转轴(2-6)连接；

所述一号自转连杆(21)与所述二号自转连杆(22)通过三号旋转关节(j3)相对旋转时，所述一号自转连杆(21)的后段杆(2-2)上伸出有间隔布置的两个连接轴杆(21-2)，两个所述连接轴杆(21-2)内分别安装有一个所述三号角接触球轴承，三号转轴(2-6)安装在两个所述三号角接触球轴承上，两个所述三号角接触球轴承的外侧分别布置有安装在所述连接轴杆(21-2)上的三号轴承端盖(2-5)，所述三号转轴(2-6)的一端与三号角位移传感器(2-7)的转子轴连接，所述三号转轴(2-6)的另一端与所述三号离合器(2-3)连接，所述二号自转连杆(22)的前段杆(2-1)布置在所述三号角接触球轴承之间并与所述三号转轴(2-6)连接；所述二号自转连杆(22)的后段杆(2-2)与所述夹持机构(5)连接。

6.根据权利要求5所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：所述拇指部件(5-1)和所述食指部件(5-2)通过布置在二者之间的四号旋转关节(j4)相对旋转，所述四号旋转关节(j4)包括五号角位移传感器(5-3)、四号转轴(5-4)、四号轴承端盖(5-6)、螺母(5-7)和两个四号角接触球轴承(5-5)；二号自转连杆的后段杆(2-2)与所述拇指部件(5-1)固接，所述四号转轴(5-4)与食指部件(5-2)固接，所述四号转轴(5-4)的一端穿过食指部件(5-2)并通过螺母锁紧，所述四号转轴(5-4)安装于布置在所述拇指部件(5-1)的内孔上的两个四号角接触球轴承(5-5)，四号轴承端盖(5-6)安装在拇指部件(5-1)上，所述四号转轴(5-4)的另一端穿过食指部件(5-2)和四号轴承端盖(5-6)并与五号角位移传感器(5-3)的转子轴连接。

7.根据权利要求6所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：一号离合器(3-4)、二号离合器(4-2)和三号离合器(2-3)均为励磁离合器。

8.根据权利要求7所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：一号角位移传感器(3-2)、二号角位移传感器(4-7)、三号角位移传感器(2-7)、四号角位移传感器(2-8)和五号角位移传感器(5-3)均为绝对式角位移传感器。

9.根据权利要求1、2、3、5、6、7或8所述一种微创手术机器人七自由度操作主手，其特征在于：基座(31)为三角形基座，拇指部件(5-1)和食指部件(5-2)构成剪刀式结构。