CN107414780A - 七自由度主操作机械手的手持机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种七自由度主操作机械手的手持机构，属于医疗器械技术领域。它解决了现有的微创机器人的夹持结构存在无法自动复位、不能实现主动动作的问题。本七自由度主操作机械手的手持机构，包括支座和穿设于支座内的可绕自身中轴线旋转的转轴，转轴的外端铰接有两相对设置的夹手，转轴的外端部具有沿其轴向延伸的开槽，两夹手对称铰接在开槽内，转轴上设有用于限制两夹手向外旋转最大角度的限位组件，两夹手之间设有当夹手向内旋转后用于使两夹手复位的复位结构。本发明具有自由度高、可自动复位、能实现主动动作等优点。

Description

七自由度主操作机械手的手持机构

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种七自由度主操作机械手的手持机构，特别是一种微创机器人的七自由度主操作机械手的手持机构。

背景技术

为了减少操刀医生在医疗手术过程中繁重的体力劳动，同时达到精准手术的目的，并且实现患者的微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快的目的，用于手术的医疗机器人系统通常使用主从式机械臂。操作者在对主手机械臂（主操作机械手）进行操作时，手部运动会带动主操作机械手随之运动，主操作机械手各关节主要为被动运动，从而可以测量到关节处的运动信息，再通过主从控制算法将主操作手的运动映射到从操作机械手，从而驱动从操作机械手实现相应运动。

例如，中国专利公开了一种微创手术机器人七自由度操作主手[申请公布号为CN106667583A]，包括基座、布置在基座上并绕z轴旋转的转盘、与转盘连接的能绕x轴旋转的连杆、与连杆连接的能绕x轴旋转的一号自转连杆、与一号自转连杆连接的能绕x轴旋转的二号自转连杆和与其连接的夹持机构，夹持机构包括相对旋转的拇指部件和食指部件，通过设置四号角位移传感器实时测量食指部件相对于拇指部件转过的角度。

上述的夹持机构，虽然可实时测量食指部件相对于拇指部件转过的角度，但其依然存在以下问题：1、夹持机构无法在轴向上产生位移，自由度低；2、当食指部件相对于拇指部件旋转后不能自动复位，每次操作完毕后需手动复位，效率低下；3、夹持机构为被动件，只能跟随手指的动作而运动，不能实现主动动作。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种可实现主动动作的七自由度主操作机械手的手持机构。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

本七自由度主操作机械手的手持机构，包括支座和穿设于支座内的可绕自身中轴线旋转的转轴，所述转轴的外端铰接有两相对设置的夹手，其特征在于，所述转轴的外端部具有沿其轴向延伸的开槽，两夹手对称铰接在开槽内，所述的转轴上设有用于限制两夹手向外旋转最大角度的限位组件，两所述的夹手之间设有当夹手向内旋转后用于使两夹手复位的复位结构。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的限位组件包括固定在转轴外端部的端盖，所述的夹手靠近端盖的一端具有端面，所述的端面与夹手外侧面之间形成顶角，当夹手向外旋转一定角度后顶角抵靠在端盖上。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的复位结构包括同轴设于转轴内的定位孔、穿设于定位孔内的推杆和位于推杆与底部之间的弹簧，所述推杆的一端同时作用在两夹手上。

弹簧的一端抵靠在定位孔的底部，其另一端作用在推杆上，在弹簧弹力的作用下，推动推杆的一端同时抵靠在两夹手的内侧上。当两夹手同时向内旋转时，夹手挤压推杆，使推杆产生轴向运动，弹簧被压缩，当作用在夹手上的夹持力消失时，弹簧复位，带动两夹手复位，直到两夹手的顶角抵靠到端盖上。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的推杆靠近两夹手的一端铰接有轴承一，所述的轴承一同时与两夹手的内侧面滚动接触。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的支座内设有精密位移传感器，所述的转轴内同轴设置的其内径小于定位孔内径的导向孔，所述的导向孔内穿设有滑动杆，所述滑动杆的一端与推杆固连，所述滑动杆的另一端与精密位移传感器连接。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的支座内具有沿转轴轴向延伸的横腔和与横腔连通的纵腔，所述的转轴穿设在横腔内，所述的纵腔内设有当转轴旋转后用于使转轴复位的复位组件。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的复位组件包括设于纵腔内的电机，所述转轴的后端设有锥齿轮一，所述电机的输出轴上设有锥齿轮二，锥齿轮一与锥齿轮二啮合。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的电机上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器。

在上述的七自由度主操作机械手的手持机构中，所述的转轴与支座之间设有位于横腔内的轴承二。

在两夹手上施加夹持力时，夹手推动轴承一移动，从而推动推杆和滑动杆做支线运动，弹簧对夹手的下压动作产生阻力，同时由精密位移传感器记录滑动杆所移动的距离，通过对应的几何转换可得知夹手的摆动角度；当夹持力去除时，弹簧推动推杆回弹，带动轴承一回弹，轴承一同时作用在两夹手上使其张开，知道夹手的顶角抵靠到端盖为止。若转轴做旋转运动，则会带动两夹手一起旋转，转轴旋转时带动锥齿轮一旋转，锥齿轮一带动锥齿轮二旋转，从而带动电机转轴旋转，通过编码器可记录电机转轴所旋转的角度；当作用在转轴上的旋转力去除时，电机作为主动力带动锥齿轮二旋转，从而带动锥齿轮一和转轴旋转，此时电机转轴的旋向相反，且回转角度为编码器记录的角度。

电机工作时，能带动转轴进行主动旋转，从而实现主动动作。

与现有技术相比，本七自由度主操作机械手的手持机构具有以下优点：将夹手的摆动角度转化为直线运动，从而通过测量直线位移实现对夹手摆动角度的间接测量，同时采用编码器实现对转轴旋转角度的间接测量，测量方便且精确；当旋转后，可通过复位结构和复位组件进行复位，自动化程度高；转轴既可以直线运动，还可以旋转，自由度高，适用范围广；能实现主动动作，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明提供的一种较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明提供的一种较佳实施例的剖视图。

图中，1、支座；2、转轴；3、夹手；4、开槽；5、端盖；6、顶角；7、定位孔；8、推杆；9、弹簧；10、轴承一；11、精密位移传感器；12、滑动杆；13、横腔；14、纵腔；15、电机；16、轴承二。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示的七自由度主操作机械手的手持机构，包括支座1和穿设于支座1内的可绕自身中轴线旋转的转轴2，转轴2的外端铰接有两相对设置的夹手3，转轴2的外端部具有沿其轴向延伸的开槽4，两夹手3对称铰接在开槽4内，转轴2上设有用于限制两夹手3向外旋转最大角度的限位组件，两夹手3之间设有当夹手3向内旋转后用于使两夹手3复位的复位结构。

如图1和图2所示，限位组件包括固定在转轴2外端部的端盖5，如图2所示，夹手3靠近端盖5的一端具有端面，端面与夹手3外侧面之间形成顶角6，当夹手3向外旋转一定角度后顶角6抵靠在端盖5上。

如图2所示，复位结构包括同轴设于转轴2内的定位孔7、穿设于定位孔7内的推杆8和位于推杆8与底部之间的弹簧9，推杆8的一端同时作用在两夹手3上。弹簧9的一端抵靠在定位孔7的底部，其另一端作用在推杆8上，在弹簧9弹力的作用下，推动推杆8的一端同时抵靠在两夹手3的内侧上。当两夹手3同时向内旋转时，夹手3挤压推杆8，使推杆8产生轴向运动，弹簧9被压缩，当作用在夹手3上的夹持力消失时，弹簧9复位，带动两夹手3复位，直到两夹手3的顶角6抵靠到端盖5上。

如图2所示，推杆8靠近两夹手3的一端铰接有轴承一10，轴承一10同时与两夹手3的内侧面滚动接触。

如图2所示，在支座1内设有精密位移传感器11，转轴2内同轴设置的其内径小于定位孔7内径的导向孔，导向孔内穿设有滑动杆12，滑动杆12的一端与推杆8固连，滑动杆12的另一端与精密位移传感器11连接。

本实施例中，在支座1内具有沿转轴2轴向延伸的横腔13和与横腔13连通的纵腔14，转轴2穿设在横腔13内，纵腔14内设有当转轴2旋转后用于使转轴2复位的复位组件。

如图2所示，复位组件包括设于纵腔14内的电机15，转轴2的后端设有锥齿轮一，电机15的输出轴上设有锥齿轮二，锥齿轮一与锥齿轮二啮合，在电机15上设有用于测量其转轴2旋转角度的编码器。

如图2所示，转轴2与支座1之间设有位于横腔13内的轴承二16。在两夹手3上施加夹持力时，夹手3推动轴承一10移动，从而推动推杆8和滑动杆12做支线运动，弹簧9对夹手3的下压动作产生阻力，同时由精密位移传感器11记录滑动杆12所移动的距离，通过对应的几何转换可得知夹手3的摆动角度；当夹持力去除时，弹簧9推动推杆8回弹，带动轴承一10回弹，轴承一10同时作用在两夹手3上使其张开，知道夹手3的顶角6抵靠到端盖5为止。若转轴2做旋转运动，则会带动两夹手3一起旋转，转轴2旋转时带动锥齿轮一旋转，锥齿轮一带动锥齿轮二旋转，从而带动电机15转轴2旋转，通过编码器可记录电机15转轴2所旋转的角度；当作用在转轴2上的旋转力去除时，电机15作为主动力带动锥齿轮二旋转，从而带动锥齿轮一和转轴2旋转，此时电机15转轴2的旋向相反，且回转角度为编码器记录的角度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种七自由度主操作机械手的手持机构，包括支座（1）和穿设于支座（1）内的可绕自身中轴线旋转的转轴（2），所述转轴（2）的外端铰接有两相对设置的夹手（3），其特征在于，所述转轴（2）的外端部具有沿其轴向延伸的开槽（4），两夹手（3）对称铰接在开槽（4）内，所述的转轴（2）上设有用于限制两夹手（3）向外旋转最大角度的限位组件，两所述的夹手（3）之间设有当夹手（3）向内旋转后用于使两夹手（3）复位的复位结构。

2.根据权利要求1所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的限位组件包括固定在转轴（2）外端部的端盖（5），所述的夹手（3）靠近端盖（5）的一端具有端面，所述的端面与夹手（3）外侧面之间形成顶角（6），当夹手（3）向外旋转一定角度后顶角（6）抵靠在端盖（5）上。

3.根据权利要求1或2所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的复位结构包括同轴设于转轴（2）内的定位孔（7）、穿设于定位孔（7）内的推杆（8）和位于推杆（8）与底部之间的弹簧（9），所述推杆（8）的一端同时作用在两夹手（3）上。

4.根据权利要求3所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的推杆（8）靠近两夹手（3）的一端铰接有轴承一（10），所述的轴承一（10）同时与两夹手（3）的内侧面滚动接触。

5.根据权利要求4所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的支座（1）内设有精密位移传感器（11），所述的转轴（2）内同轴设置的其内径小于定位孔（7）内径的导向孔，所述的导向孔内穿设有滑动杆（12），所述滑动杆（12）的一端与推杆（8）固连，所述滑动杆（12）的另一端与精密位移传感器（11）连接。

6.根据权利要求1或2所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的支座（1）内具有沿转轴（2）轴向延伸的横腔（13）和与横腔（13）连通的纵腔（14），所述的转轴（2）穿设在横腔（13）内，所述的纵腔（14）内设有当转轴（2）旋转后用于使转轴（2）复位的复位组件。

7.根据权利要求6所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的复位组件包括设于纵腔（14）内的电机（15），所述转轴（2）的后端设有锥齿轮一，所述电机（15）的输出轴上设有锥齿轮二，锥齿轮一与锥齿轮二啮合。

8.根据权利要求7所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的电机（15）上设有用于测量其转轴（2）旋转角度的编码器。

9.根据权利要求1或2所述的七自由度主操作机械手的手持机构，其特征在于，所述的转轴（2）与支座（1）之间设有位于横腔（13）内的轴承二（16）。