CN107440800A - 七自由度主操作机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种七自由度主操作机械手，属于医疗器械技术领域。它解决了现有的主操作机械手只能实现从动动作而无法实现主动动作的问题。它包括具有支撑臂一的手臂关节和具有支撑臂二的手腕关节，支撑臂一与支撑臂二铰接，手臂关节包括基座、设于基座内的电机一和由电机一驱动的传力轴，传力轴上固定有支撑座，支撑座上设有电机二，支撑臂一的一端垂直固定在电机二的输出轴上，支撑座上还设有当支撑臂二绕其与支撑臂一的铰接点摆动后用于使支撑臂二复位的复位组件。本发明可自动复位与主动动作，降低了医生的劳动强度，可实现七自由度，在机械结构上可使其更加灵活，从而方便操作者使用，在主从算法解算中避免产生奇点，使算法更加优化。
Description
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，特别是一种医疗机器人的七自由度主操作机械手。
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。
现有主操作机械手大多是被动关节，不能实现主操作机械手本身在任意位置的力平衡，医生带动主操作机械手负荷大、易疲劳。在掉电期间主从操作机械手位姿都可能发生了变化，在开机前，需要调整主操作机械手的姿态适应从操作机械手的姿态后再进行连接，这对医生的熟练程度要求较高，可能导致主从操作机械手的不协调。理论计算中连续旋转关节存在奇点，在奇点附近时灵活性会降低，只靠机械手自身难以保持一贯的灵活性。虽然从操作机械手可以测量出末端和人体组织接触时的力，但只能通过图像、声音等转换形式传递给操作的医生，不直观。因此，研究一款具有自主知识产权并且能够满足机器人微创手术需要的主操作机械手是非常有必要的。
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。
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，包括具有支撑臂一的手臂关节和具有支撑臂二的手腕关节，所述的支撑臂一与支撑臂二铰接，其特征在于，所述的手臂关节包括基座、设于基座内的电机一和由电机一驱动的旋转传力轴，所述的传力轴上固定有支撑座，所述的支撑座上设有电机二，所述支撑臂一的一端垂直固定在电机二的输出轴上，所述的支撑座上还设有当支撑臂二绕其与支撑臂一的铰接点摆动后用于使支撑臂二复位的复位组件。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述的复位组件包括设于支撑座上的与电机二同轴相对设置的电机三和一端连接在电机三输出轴上的连杆，所述连杆的另一端铰接在支撑臂二上。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述电机三的输出轴上同轴固连有旋转盘，上述连杆的一端铰接在旋转盘的边缘，所述的连杆与支撑臂一平行设置。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述的电机一上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器一，所述的电机二上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器二，所述的电机三上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器三。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述的手腕关节包括L杆一、位于L杆一内侧的L杆二和位于L杆二内侧的L杆三，所述L杆一的横杆远离其竖杆的一端固定有穿设于支撑臂二内的转轴一，所述L杆二的竖杆远离其横杆的一端固定有穿设于L杆一的竖杆内的转轴二，所述L杆三的横杆远离其竖杆的一端固定有穿设于L杆二的横杆内的转轴三，所述的转轴二穿设在L杆一的竖杆远离其横杆的一端，所述的转轴三穿设在L杆二的横杆远离其竖杆的一端，所述L杆三的竖杆内穿设有转轴四，所述的转轴四上设有夹手。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述L杆一的横杆内侧面至转轴二的距离大于L杆二的横杆外侧面至转轴二的距离。可使L杆二绕转轴二360°旋转，L杆一的横杆不会对其造成干涉。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述的支撑臂二上固定有用于驱动转轴一旋转的电机四，所述的L杆一上设有用于驱动转轴二旋转的电机五，所述的L杆二上设有用于驱动转轴三旋转的电机六，所述的L杆二上设有用于驱动转轴四旋转的电机七。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述的电机五设于L杆一的横杆内且与转轴二传动连接，所述的电机六设于L杆二的竖杆内且与转轴三传动连接，所述的电机七设于L杆三的竖杆内且与转轴四传动连接。
在上述的七自由度主操作机械手中，所述的电机四上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器四，所述的电机五上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器五，所述的电机六上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器六，所述的电机七上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器七。
操作时，操作者手握转轴四的自由端，其手部的动作会引发转轴四的旋转、L杆三绕转轴三旋转、L杆二绕转轴二旋转、L杆一绕转轴一旋转、支撑臂二绕支撑臂一旋转、支撑臂一绕电机二的输出轴旋转以及传力轴的旋转，各部位的旋转信息被各个编码器分别记录，从而可以通过各个部件的旋转角度反映出操作者手部的动作状态，进而可对操作者手部的动作进行数字化，再通过主从控制算法将运动映射到从操作机械手端，从而驱动从操作机械手实现相应运动。需要复位时，各电机根据其转轴所旋转的角度进行回转，为各部件的复位提供了主动力。
另外，各电机可根据设定的程序带动与之传动连接的部件实现主动动作，从而减轻医生的疲劳度，以提高自动化程度。
与现有技术相比，本七自由度主操作机械手具有以下优点：
通过七个电机对七自由度的部件进行复位和实现主动动作，并在每个电机上设置有编码器，不仅可以记录各个部位在被动状态下的转动角度信息，还能在各个部件需要复位时提供主动力，避免医生在启动前需要手动对其进行复位的操作，降低了医生的劳动强度；可实现七自由度，在机械结构上可使其更加灵活，从而方便操作者使用，在主从算法解算中避免产生奇点，使算法更加优化。
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侧视图。
图3是本发明提供的一种较佳实施例的剖视图。
图中，1、支撑臂一；2、支撑臂二；3、基座；4、电机一；5、传力轴；6、支撑座；7、电机二；8、电机三；9、连杆；10、旋转盘；11、L杆一；12、L杆二；13、L杆三；14、转轴一；15、转轴二；16、转轴三；17、转轴四；18、夹手；19、电机四；20、电机五；21、电机六；22、电机七。
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所示的七自由度主操作机械手，包括具有支撑臂一1的手臂关节和具有支撑臂二2的手腕关节，支撑臂一1与支撑臂二2铰接，如图3所示，手臂关节包括基座3、设于基座3内的电机一4和由电机一4驱动的旋转传力轴5，传力轴5上固定有支撑座6，支撑座6上设有电机二7，支撑臂一1的一端垂直固定在电机二7的输出轴上，支撑座6上还设有当支撑臂二2绕其与支撑臂一1的铰接点摆动后用于使支撑臂二2复位的复位组件。
如图1和图2所示，复位组件包括设于支撑座6上的与电机二7同轴相对设置的电机三8和一端连接在电机三8输出轴上的连杆9，连杆9的另一端铰接在支撑臂二2上。
如图1所示，电机三8的输出轴上同轴固连有旋转盘10，连杆9的一端铰接在旋转盘10的边缘，连杆9与支撑臂一1平行设置。
本实施例中，电机一4上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器一，电机二7上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器二，电机三8上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器三。
如图2所示，手腕关节包括L杆一11、位于L杆一11内侧的L杆二12和位于L杆二12内侧的L杆三13，L杆一11的横杆远离其竖杆的一端固定有穿设于支撑臂二2内的转轴一14，L杆二12的竖杆远离其横杆的一端固定有穿设于L杆一11的竖杆内的转轴二15，L杆三13的横杆远离其竖杆的一端固定有穿设于L杆二12的横杆内的转轴三16，转轴二15穿设在L杆一11的竖杆远离其横杆的一端，转轴三16穿设在L杆二12的横杆远离其竖杆的一端，L杆三13的竖杆内穿设有转轴四17，转轴四17上设有夹手18。
本实施例中，L杆一11的横杆内侧面至转轴二15的距离大于L杆二12的横杆外侧面至转轴二15的距离，可使L杆二12绕转轴二15360°旋转，L杆一11的横杆不会对其造成干涉。
如图3所示，支撑臂二2上固定有用于驱动转轴一14旋转的电机四19，L杆一11上设有用于驱动转轴二15旋转的电机五20，L杆二12上设有用于驱动转轴三16旋转的电机六21，L杆二12上设有用于驱动转轴四17旋转的电机七22。具体的，电机五20设于L杆一11的横杆内且与转轴二15传动连接，电机六21设于L杆二12的竖杆内且与转轴三16传动连接，电机七22设于L杆三13的竖杆内且与转轴四17传动连接。
本实施例中，电机四19上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器四，电机五20上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器五，电机六21上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器六，电机七22上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器七。
操作时，操作者手握转轴四17的自由端，其手部的动作会引发转轴四17的旋转、L杆三13绕转轴三16旋转、L杆二12绕转轴二15旋转、L杆一11绕转轴一14旋转、支撑臂二2绕支撑臂一1旋转、支撑臂一1绕电机二7的输出轴旋转以及传力轴5的旋转，各部位的旋转信息被各个编码器分别记录，从而可以通过各个部件的旋转角度反映出操作者手部的动作状态，进而可对操作者手部的动作进行数字化，再通过主从控制算法将运动映射到从操作机械手端，从而驱动从操作机械手实现相应运动。需要复位时，各电机根据其转轴所旋转的角度进行回转，为各部件的复位提供了主动力。
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，包括具有支撑臂一（1）的手臂关节和具有支撑臂二（2）的手腕关节，所述的支撑臂一（1）与支撑臂二（2）铰接，其特征在于，所述的手臂关节包括基座（3）、设于基座（3）内的电机一（4）和由电机一（4）驱动的旋转传力轴（5），所述的传力轴（5）上固定有支撑座（6），所述的支撑座（6）上设有电机二（7），所述支撑臂一（1）的一端垂直固定在电机二（7）的输出轴上，所述的支撑座（6）上还设有当支撑臂二（2）绕其与支撑臂一（1）的铰接点摆动后用于使支撑臂二（2）复位的复位组件。
2.根据权利要求1所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述的复位组件包括设于支撑座（6）上的与电机二（7）同轴相对设置的电机三（8）和一端连接在电机三（8）输出轴上的连杆（9），所述连杆（9）的另一端铰接在支撑臂二（2）上。
3.根据权利要求2所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述电机三（8）的输出轴上同轴固连有旋转盘（10），上述连杆（9）的一端铰接在旋转盘（10）的边缘，所述的连杆（9）与支撑臂一（1）平行设置。
4.根据权利要求1或2或3所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述的电机一（4）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器一，所述的电机二（7）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器二，所述的电机三（8）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器三。
5.根据权利要求1所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述的手腕关节包括L杆一（11）、位于L杆一（11）内侧的L杆二（12）和位于L杆二（12）内侧的L杆三（13），所述L杆一（11）的横杆远离其竖杆的一端固定有穿设于支撑臂二（2）内的转轴一（14），所述L杆二（12）的竖杆远离其横杆的一端固定有穿设于L杆一（11）的竖杆内的转轴二（15），所述L杆三（13）的横杆远离其竖杆的一端固定有穿设于L杆二（12）的横杆内的转轴三（16），所述的转轴二（15）穿设在L杆一（11）的竖杆远离其横杆的一端，所述的转轴三（16）穿设在L杆二（12）的横杆远离其竖杆的一端，所述L杆三（13）的竖杆内穿设有转轴四（17），所述的转轴四（17）上设有夹手（18）。
6.根据权利要求5所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述L杆一（11）的横杆内侧面至转轴二（15）的距离大于L杆二（12）的横杆外侧面至转轴二（15）的距离。
7.根据权利要求6所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述的支撑臂二（2）上固定有用于驱动转轴一（14）旋转的电机四（19），所述的L杆一（11）上设有用于驱动转轴二（15）旋转的电机五（20），所述的L杆二（12）上设有用于驱动转轴三（16）旋转的电机六（21），所述的L杆二（12）上设有用于驱动转轴四（17）旋转的电机七（22）。
8.根据权利要求7所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述的电机五（20）设于L杆一（11）的横杆内且与转轴二（15）传动连接，所述的电机六（21）设于L杆二（12）的竖杆内且与转轴三（16）传动连接，所述的电机七（22）设于L杆三（13）的竖杆内且与转轴四（17）传动连接。
9.根据权利要求7或8所述的七自由度主操作机械手，其特征在于，所述的电机四（19）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器四，所述的电机五（20）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器五，所述的电机六（21）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器六，所述的电机七（22）上设有用于测量其转轴旋转角度的编码器七。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20210125 Address after: 401120 No.18, Cuiping Lane 2, Huixing street, Yubei District, Chongqing Applicant after: CHONGQING JINSHAN MEDICAL ROBOT Co.,Ltd. Address before: 401120 1 office buildings, Jinshan International Industrial City, 18 of Nei sang Road, Hui Xing street, Yubei District, Chongqing. Applicant before: CHONGQING JINSHAN MEDICAL APPLIANCE Co.,Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171208 |