CN107639627A - 平行四边形传动结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平行四边形传动结构，属于医疗器械技术领域。它解决了现有的手术机器人平行四边形的传动结构体积大、重量大且伸展范围小的问题。它包括中段臂和前段臂，中段臂通过铰接轴一铰接在固定臂上，前段臂通过铰接轴二铰接在中段臂远离固定臂的一端，滑动臂通过铰接轴三铰接在前段臂远离中段臂的一端，铰接轴一、铰接轴二和铰接轴三平行，中段臂与前段臂构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手穿过的远心点，中段臂与滑动臂之间设有当中段臂绕铰接轴一旋转时用于带动滑动臂绕铰接轴三旋转的带动组件，在带动组件的作用下器械手始终穿过远心点。本发明具有体积小、重量轻且伸展范围广等优点。

Description

平行四边形传动结构

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种平行四边形传动结构，特别是一种用于手术机器人的平行四边形传动结构。

背景技术

随着机器人技术的应用和发展，特别是计算技术的发展，医用手术机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。微创手术机器人可以减轻医生在手术过程中的体力劳动，同时达到精准手术目的，使患者微创伤、失血少、术后感染少、术后恢复快。微创手术机器人系统通常使用主从式控制模式：操作者在对主手进行操作时，其手部运动会带动主手随之运动，主手关节处传感器可以测量运动信息，再通过主从控制算法将主手的运动映射到从手主动臂，从手主动臂各关节被动运动，带动手术器械实现相应运动。微创手术机器人主动臂关键组成部分主要包括远程运动中心机构和手术器械，其机械结构的设计优劣直接影响了微创手术机器人的性能，也制约着系统中其他部件的研发与设计。

例如，中国专利公开了一种用于支撑微创外科手术器械的机器人本体结构[授权公告号号为CN104224328AB]，主要由平行四杆机构、伸缩体和四杆支撑杆单元组成。平行四杆机构与伸缩体和四杆支撑杆共同组成三个平行四边形，是双平行四边形构型中的一种变形，提供双平行四边形具有的不变的远程运动中心，此本体结构通过对四杆机构中的四杆形状合理设计，使其提供的远程运动中心为手术器械轴线和四杆支撑杆的旋转轴线的交点，因此能为手术器械的安装留有足够的空间，避免传统双平行四边形机构由于手术器械的安装使远程运动中心点发生改变。

上述的结构要实现大运动范围，在收缩时需要各杆重叠，无法形成完好的外壳包裹，并且内部零件外露，无法满足安全性要求；要使其具备较好的刚性，连杆必然设计得较为粗壮，重量和体积较大：体积大会影响布局，为避免各杆相互干涉，手术开口距离比较大；重量大会造成驱动困难，前端手术器械容易抖动。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种伸展运动范围大的平行四边形传动结构。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

平行四边形传动结构，设于手术机器人的固定臂与滑动臂之间，所述的滑动臂上设有带器械手的手术器械，其特征在于，传动结构包括中段臂和前段臂，所述的中段臂通过铰接轴一铰接在固定臂上，所述的前段臂通过铰接轴二铰接在中段臂远离固定臂的一端，所述的滑动臂通过铰接轴三铰接在前段臂远离中段臂的一端，所述的铰接轴一、铰接轴二和铰接轴三平行，所述的中段臂与前段臂构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手穿过的远心点，所述的中段臂与滑动臂之间设有当中段臂绕铰接轴一旋转时用于带动滑动臂绕铰接轴三旋转的带动组件，在带动组件的作用下器械手始终穿过远心点。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的铰接轴一垂直固定在中段臂上，所述的铰接轴二垂直固定在前段臂上，所述的铰接轴一穿设在固定臂内且两者之间设有轴承一，所述的铰接轴二穿设在中段臂内且两者之间设有轴承二，所述的固定臂位于中段臂的一侧，所述的前段臂位于中段臂的另一侧。

铰接轴一由设于固定臂上的动力单元（电机）驱动，在该动力单元的作用下铰接轴可绕自身中轴线旋转，从而带动中段臂摆动。将固定臂和前段臂分别设于中段臂的不同侧，避免在旋转时固定臂与前段臂交涉，从而可大大增加该结构的伸展运动范围。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的带动组件包括固定在固定臂上的与铰接轴一同轴设置的主动轮一、同轴固定在铰接轴二上的与主动轮一对应设置的从动轮一以及张紧在主动轮一与主动轮二之间的传动带一，所述的中段臂上固定有与铰接轴二同轴设置的主动轮二、同轴固定在铰接轴三上的与主动轮二对应设置的从动轮二以及张紧在主动轮二与从动轮二之间的传动带二。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的中段臂内部中空，所述的前段臂内部中空，所述的主动轮一、从动轮一和传动带一位于中段臂内，主动轮二、从动轮二和传动带二位于前段臂内。

在上述的平行四边形传动结构中，所述主动轮一与从动轮一的外径相等，所述主动轮二与从动轮二的外径相等。传动带一呈环形且张紧在主动轮一与从动轮一之间，被张紧的传动带一的两条边平行，传动带二呈环形且张紧在主动轮二和从动轮二之间，被张紧的传动带二的两条边平行。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的主动轮一上具有径向延伸的螺纹孔一，所述的传动带一上具有与螺纹孔一相对设置的通孔一，所述的通孔一内穿设有与螺纹孔一螺纹连接的螺钉一，所述螺钉一的杆头压紧在传动带一上；所述的从动轮一上具有径向延伸的螺纹孔二，所述的传动带一上具有与螺纹孔二相对设置的通孔二，所述的通孔二内穿设有与螺纹孔二螺纹连接的螺钉二，所述螺钉二的杆头压紧在传动带一上，所述的螺纹孔一与螺纹孔二相对设置。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的螺钉一上套设有在螺钉一杆头的作用下压紧在传动带一上的压块一，所述的螺钉二上套设有在螺钉二杆头的作用下压紧在传动带一上的压块二。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的主动轮二上具有径向延伸的螺纹孔三，所述的传动带二上具有与螺纹孔三相对设置的通孔三，所述的通孔三内穿设有与螺纹孔三螺纹连接的螺钉三，所述螺钉三的杆头压紧在传动带二上；所述的从动轮二上具有径向延伸的螺纹孔四，所述的传动带二上具有与螺纹孔四相对设置的通孔四，所述的通孔四内穿设有与螺纹孔四螺纹连接的螺钉四，所述螺钉四的杆头压紧在传动带二上，所述的螺纹孔四与螺纹孔三相对设置。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的螺钉三上套设有在螺钉三杆头的作用下压紧在传动带二上的压块三，所述的螺钉四上套设有在螺钉四杆头的作用下压紧在传动带二上的压块四。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的传动带一为钢带。

在上述的平行四边形传动结构中，所述的传动带二为钢带。

刚带作为传动带一与传动带二的优选，但传动带一和传动带二不局限于钢带，还可以是皮带、同步带、链条或钢丝等。

工作时，动力单元带动铰接轴一旋转，由于铰接轴一垂直固定在中段臂上，所以带动中段臂同方向同角度旋转。由于主动轮一固定在固定臂上，传动带一会随着中段臂的旋转而绕着主动轮一运动，这样从动轮一就会做相同角度的旋转，由于从动轮一垂直固定在前段臂上，会带动前段臂旋转，由于主动轮二固定在中段臂上，传动带二会随着前段臂的旋转而绕着主动轮二运动，这样从动轮二就会做相同角度的旋转，从而带动滑动臂旋转。各臂之间形成了严格的位置对应关系，各臂在摆动过程中，保证器械手始终穿过远心点。

与现有技术相比，本平行四边形传动结构具有以下优点：

将固定臂和前段臂分别设于中段臂的不同侧，为单侧支撑，其体积小，各臂之间不易发生干涉，重量轻，驱动更容易，不易产生抖动，稳定性好，大大增加了伸展运动范围；中段臂、前段臂和滑动臂之间形成了严格的位置对应关系，在摆动过程中，始终保证器械手穿过远心点，避免了手术器械对患者腹壁切口造成非手术性伤害，工作时各臂不会出现摩擦失效打滑，稳定性好。

附图说明

图1是本发明提供的较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明提供的较佳实施例的内部结构示意图。

图3是本发明提供的较佳实施例的剖视图。

图4是本发明提供的图3中A处放大示意图。

图中，1、固定臂；2、滑动臂；3、器械手；4、中段臂；5、前段臂；6、铰接轴一；7、铰接轴二；8、铰接轴三；9、远心点；10、轴承一；11、轴承二；12、主动轮一；13、从动轮一；14、传动带一；15、主动轮二；16、从动轮二；17、传动带二；18、螺钉二；19、压块二。

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所示的平行四边形传动结构，设于手术机器人的固定臂1与滑动臂2之间，滑动臂2上设有带器械手3的手术器械，传动结构包括中段臂4和前段臂5，中段臂4通过铰接轴一6铰接在固定臂1上，前段臂5通过铰接轴二7铰接在中段臂4远离固定臂1的一端，滑动臂2通过铰接轴三8铰接在前段臂5远离中段臂4的一端，铰接轴一6、铰接轴二7和铰接轴三8平行，中段臂4与前段臂5构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手3穿过的远心点9，中段臂4与滑动臂2之间设有当中段臂4绕铰接轴一6旋转时用于带动滑动臂2绕铰接轴三8旋转的带动组件，在带动组件的作用下器械手3始终穿过远心点9。

本实施例中，如图2所示，铰接轴一6垂直固定在中段臂4上，铰接轴二7垂直固定在前段臂5上，如图3所示，铰接轴一6穿设在固定臂1内且两者之间设有轴承一10，铰接轴二7穿设在中段臂4内且两者之间设有轴承二11，固定臂1位于中段臂4的一侧，前段臂5位于中段臂4的另一侧。铰接轴一6由设于固定臂1上的动力单元（电机）驱动，在该动力单元的作用下铰接轴可绕自身中轴线旋转，从而带动中段臂4摆动。将固定臂1和前段臂5分别设于中段臂4的不同侧，避免在旋转时固定臂1与前段臂5交涉，从而可大大增加该结构的伸展运动范围。

如图2和3所示，带动组件包括固定在固定臂1上的与铰接轴一6同轴设置的主动轮一12、同轴固定在铰接轴二7上的与主动轮一12对应设置的从动轮一13以及张紧在主动轮一12与主动轮二15之间的传动带一14，中段臂4上固定有与铰接轴二7同轴设置的主动轮二15、同轴固定在铰接轴三8上的与主动轮二15对应设置的从动轮二16以及张紧在主动轮二15与从动轮二16之间的传动带二17。

本实施例中，如图3所示，中段臂4内部中空，前段臂5内部中空，主动轮一12、从动轮一13和传动带一14位于中段臂4内，主动轮二15、从动轮二16和传动带二17位于前段臂5内。

其中，主动轮一12与从动轮一13的外径相等，主动轮二15与从动轮二16的外径相等。传动带一14呈环形且张紧在主动轮一12与从动轮一13之间，被张紧的传动带一14的两条边平行，传动带二17呈环形且张紧在主动轮二15和从动轮二16之间，被张紧的传动带二17的两条边平行。在合适的传动比下，各臂在摆动过程中，保证器械手3始终穿过远心点9。

主动轮一12上具有径向延伸的螺纹孔一，传动带一14上具有与螺纹孔一相对设置的通孔一，通孔一内穿设有与螺纹孔一螺纹连接的螺钉一，螺钉一的杆头压紧在传动带一14上。如图3和图4所示，从动轮一13上具有径向延伸的螺纹孔二，传动带一14上具有与螺纹孔二相对设置的通孔二，通孔二内穿设有与螺纹孔二螺纹连接的螺钉二18，螺钉二18的杆头压紧在传动带一14上，螺纹孔一与螺纹孔二相对设置。

螺钉一上套设有在螺钉一杆头的作用下压紧在传动带一14上的压块一，如图4所示，螺钉二18上套设有在螺钉二18杆头的作用下压紧在传动带一14上的压块二19。

主动轮二15上具有径向延伸的螺纹孔三，传动带二17上具有与螺纹孔三相对设置的通孔三，通孔三内穿设有与螺纹孔三螺纹连接的螺钉三，螺钉三的杆头压紧在传动带二17上；从动轮二16上具有径向延伸的螺纹孔四，传动带二17上具有与螺纹孔四相对设置的通孔四，通孔四内穿设有与螺纹孔四螺纹连接的螺钉四，螺钉四的杆头压紧在传动带二17上，螺纹孔四与螺纹孔三相对设置。

具体的，在螺钉三上套设有在螺钉三杆头的作用下压紧在传动带二17上的压块三，螺钉四上套设有在螺钉四杆头的作用下压紧在传动带二17上的压块四。

本实施例中，刚带作为传动带一14与传动带二17的优选，但传动带一14和传动带二17不局限于钢带，还可以是皮带、同步带、链条或钢丝等。

工作时，动力单元带动铰接轴一6旋转，由于铰接轴一6垂直固定在中段臂4上，所以带动中段臂4同方向同角度旋转。由于主动轮一12固定在固定臂1上，传动带一14会随着中段臂4的旋转而绕着主动轮一12运动，这样从动轮一13就会做相同角度的旋转，由于从动轮一13垂直固定在前段臂5上，会带动前段臂5旋转，由于主动轮二15固定在中段臂4上，传动带二17会随着前段臂5的旋转而绕着主动轮二15运动，这样从动轮二16就会做相同角度的旋转，从而带动滑动臂2旋转。各臂之间形成了严格的位置对应关系，各臂在摆动过程中，保证器械手3始终穿过远心点9。

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)

1.一种平行四边形传动结构，设于手术机器人的固定臂（1）与滑动臂（2）之间，所述的滑动臂（2）上设有带器械手（3）的手术器械，其特征在于，传动结构包括中段臂（4）和前段臂（5），所述的中段臂（4）通过铰接轴一（6）铰接在固定臂（1）上，所述的前段臂（5）通过铰接轴二（7）铰接在中段臂（4）远离固定臂（1）的一端，所述的滑动臂（2）通过铰接轴三（8）铰接在前段臂（5）远离中段臂（4）的一端，所述的铰接轴一（6）、铰接轴二（7）和铰接轴三（8）平行，所述的中段臂（4）与前段臂（5）构成一平行四边形的两相邻边，两者之间具有位于平行四边形顶点处的供器械手（3）穿过的远心点（9），所述的中段臂（4）与滑动臂（2）之间设有当中段臂（4）绕铰接轴一（6）旋转时用于带动滑动臂（2）绕铰接轴三（8）旋转的带动组件，在带动组件的作用下器械手（3）始终穿过远心点（9）。

2.根据权利要求1所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的铰接轴一（6）垂直固定在中段臂（4）上，所述的铰接轴二（7）垂直固定在前段臂（5）上，所述的铰接轴一（6）穿设在固定臂（1）内且两者之间设有轴承一（10），所述的铰接轴二（7）穿设在中段臂（4）内且两者之间设有轴承二（11），所述的固定臂（1）位于中段臂（4）的一侧，所述的前段臂（5）位于中段臂（4）的另一侧。

3.根据权利要求1或2所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的带动组件包括固定在固定臂（1）上的与铰接轴一（6）同轴设置的主动轮一（12）、同轴固定在铰接轴二（7）上的与主动轮一（12）对应设置的从动轮一（13）以及张紧在主动轮一（12）与主动轮二（15）之间的传动带一（14），所述的中段臂（4）上固定有与铰接轴二（7）同轴设置的主动轮二（15）、同轴固定在铰接轴三（8）上的与主动轮二（15）对应设置的从动轮二（16）以及张紧在主动轮二（15）与从动轮二（16）之间的传动带二（17）。

4.根据权利要求3所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的中段臂（4）内部中空，所述的前段臂（5）内部中空，所述的主动轮一（12）、从动轮一（13）和传动带一（14）位于中段臂（4）内，主动轮二（15）、从动轮二（16）和传动带二（17）位于前段臂（5）内。

5.根据权利要求3所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述主动轮一（12）与从动轮一（13）的外径相等，所述主动轮二（15）与从动轮二（16）的外径相等。

6.根据权利要求3所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的主动轮一（12）上具有径向延伸的螺纹孔一，所述的传动带一（14）上具有与螺纹孔一相对设置的通孔一，所述的通孔一内穿设有与螺纹孔一螺纹连接的螺钉一，所述螺钉一的杆头压紧在传动带一（14）上；所述的从动轮一（13）上具有径向延伸的螺纹孔二，所述的传动带一（14）上具有与螺纹孔二相对设置的通孔二，所述的通孔二内穿设有与螺纹孔二螺纹连接的螺钉二（18），所述螺钉二（18）的杆头压紧在传动带一（14）上，所述的螺纹孔一与螺纹孔二相对设置。

7.根据权利要求6所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的螺钉一上套设有在螺钉一杆头的作用下压紧在传动带一（14）上的压块一，所述的螺钉二（18）上套设有在螺钉二（18）杆头的作用下压紧在传动带一（14）上的压块二（19）。

8.根据权利要求3所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的主动轮二（15）上具有径向延伸的螺纹孔三，所述的传动带二（17）上具有与螺纹孔三相对设置的通孔三，所述的通孔三内穿设有与螺纹孔三螺纹连接的螺钉三，所述螺钉三的杆头压紧在传动带二（17）上；所述的从动轮二（16）上具有径向延伸的螺纹孔四，所述的传动带二（17）上具有与螺纹孔四相对设置的通孔四，所述的通孔四内穿设有与螺纹孔四螺纹连接的螺钉四，所述螺钉四的杆头压紧在传动带二（17）上，所述的螺纹孔四与螺纹孔三相对设置。

9.根据权利要求8所述的平行四边形传动结构，其特征在于，所述的螺钉三上套设有在螺钉三杆头的作用下压紧在传动带二（17）上的压块三，所述的螺钉四上套设有在螺钉四杆头的作用下压紧在传动带二（17）上的压块四。