CN107971997A - 一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手 - Google Patents

Abstract

一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，它涉及机器人技术领域。本发明为解决现有主操作手以被动形式为主，难以达到高度精准的要求，被动主操作手自身不存在动力驱动，无法实现主动运动来对应新的位置和姿态的问题。本发明包括固定座、肩部平摆电机、肩部俯仰电机、肩部关节、大臂机构、水平连杆、姿态冗余连杆、姿态偏摆连杆、姿态俯仰连杆和回转手柄，肩部平摆电机的外壳体与固定座固接，大臂机构的前端与水平电机的外壳体固接，水平连杆的前端与冗余电机的外壳体固接，姿态冗余连杆的另一端与偏摆电机的外壳体固接，姿态偏摆连杆的另一端与俯仰电机的外壳体固接，姿态俯仰连杆的另一端与回转电机的外壳体固接。本发明用于医疗器械。

Description

一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手。

背景技术

机器人在人们生产生活中的应用越来越广泛，多为主从式遥操作结构，人员操作主操作手，通过远程通信和计算机控制从端机构的运动，操作人员与操作目标之间不再有地理上的限制，使操作人员远离危险或不适宜的环境。同时，这种主从式遥操作结构通过软件消除操作人员直接操作器械带来抖动，进而降低医生的操作失误率，提高了精确性、稳定性和安全性。此外，操作人员可以坐在舒适、宜人的控制台上进行操作，极大地降低了疲劳感。

现有的主操作手以被动形式为主，即以人员拖动运动主操作手运动，实现主从对应，其重力平衡的方式也以机械机构如：通过加入配重的方式使关节的重心位于旋转中心来实现关节结构的自平衡，这样就使整体结构的惯量成几倍的增加，这样就很难达到高度精准的机器人系统的要求。

另外也是最重要的一点是：被动主操作手不能够实现主从控制系统的“二次映射”的要求，所谓“二次映射”在腹腔镜手术系统中表现为手术进行中医生的频繁切换从端设备时，主操作手能够主动运动来对应新的位置和姿态，被动主操作手自身不存在动力驱动，也就无法实现这一重要步骤。

发明内容

本发明为了解决现有主操作手以被动形式为主，难以达到高度精准的要求，被动主操作手自身不存在动力驱动，无法实现主动运动来对应新的位置和姿态的问题，进而提出一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手包括固定座、肩部平摆电机、肩部俯仰电机、肩部关节、大臂机构、水平连杆、姿态冗余连杆、姿态偏摆连杆、姿态俯仰连杆、回转手柄、肩部齿轮箱、水平电机、冗余电机、偏摆电机、俯仰电机和回转电机，肩部平摆电机的外壳体与固定座固接，肩部平摆电机的输出轴与肩部关节的后端固接，肩部关节的前端与肩部齿轮箱的外壳体固接，肩部齿轮箱的输入轴与肩部俯仰电机的输出轴固接，肩部齿轮箱的输出轴与大臂机构的后端固接，大臂机构的前端与水平电机的外壳体固接，水平电机的输出轴与水平连杆的后端固接，水平连杆的前端与冗余电机的外壳体固接，冗余电机的输出轴与姿态冗余连杆的一端固接，姿态冗余连杆的另一端与偏摆电机的外壳体固接，偏摆电机的输出轴与姿态偏摆连杆的一端固接，姿态偏摆连杆的另一端与俯仰电机的外壳体固接，俯仰电机的输出轴与姿态俯仰连杆的一端固接，姿态俯仰连杆的另一端与回转电机的外壳体固接，回转电机的输出轴与回转手柄固接。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明的主操作手通过动力驱动，同时各关节均可自主进行主动运动，实现了整体结构动力驱动的重力自平衡。

2、本发明能够确保操作人员不会因为操作主操作手而带来疲劳和对主从系统的精度的影响。

3、本发明实现和确保精准的主从操作“二次映射”重要功能的要求，主操作手能够主动运动来保持某一姿态和对应新的位置与姿态。

4、本发明实现了七个自由度的运动，从而实现主操作手的主动运动，并能够实现主操作手运动空间内任意位置和姿态时能够保持平衡状态，在主从控制需要时，主操作手能够主动运动以对应从端的位置和姿态，即主操作手对应从端结构的状态。

5、本发明实现了精确移动，使主操作手的运动精度可达到1mm。

6、本发明可广泛应用在医疗器械领域，主要应用在腹腔镜手术机器人系统中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中大臂机构5的结构示意图；

图3是本发明中姿态冗余连杆7、姿态偏摆连杆8、姿态俯仰连杆9和回转手柄10的连接结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手包括固定座1、肩部平摆电机2、肩部俯仰电机3、肩部关节4、大臂机构5、水平连杆6、姿态冗余连杆7、姿态偏摆连杆8、姿态俯仰连杆9、回转手柄10、肩部齿轮箱11、水平电机12、冗余电机13、偏摆电机14、俯仰电机15和回转电机16，肩部平摆电机2的外壳体与固定座1固接，肩部平摆电机2的输出轴与肩部关节4的后端固接，肩部关节4的前端与肩部齿轮箱11的外壳体固接，肩部齿轮箱11的输入轴与肩部俯仰电机3的输出轴固接，肩部齿轮箱11的输出轴与大臂机构5的后端固接，大臂机构5的前端与水平电机12的外壳体固接，水平电机12的输出轴与水平连杆6的后端固接，水平连杆6的前端与冗余电机13的外壳体固接，冗余电机13的输出轴与姿态冗余连杆7的一端固接，姿态冗余连杆7的另一端与偏摆电机14的外壳体固接，偏摆电机14的输出轴与姿态偏摆连杆8的一端固接，姿态偏摆连杆8的另一端与俯仰电机15的外壳体固接，俯仰电机15的输出轴与姿态俯仰连杆9的一端固接，姿态俯仰连杆9的另一端与回转电机16的外壳体固接，回转电机16的输出轴与回转手柄10固接。

本实施方式中固定座1作为整个主操作手的固定件，通过肩部平摆电机2的转动，带动肩部关节4以肩部平摆电机2的输出轴为回转中心进行回转，即以g轴作为旋转轴线进行回转，实现肩部平摆自由度的运动；

通过肩部俯仰电机3的转动和肩部齿轮箱11的传动，带动大臂机构5以肩部齿轮箱11的输出轴为回转中心进行回转，即以f轴作为旋转轴线进行回转，实现大臂俯仰自由度的运动；

通过水平电机12的转动，带动水平连杆6以水平电机12的输出轴为回转中心进行回转，即以e轴作为旋转轴线进行回转，实现水平连杆平摆自由度的运动；

通过冗余电机13的转动，带动姿态冗余连杆7以冗余电机13的输出轴为回转中心进行回转，即以d轴作为旋转轴线进行回转，实现姿态冗余俯仰自由度的运动；

通过偏摆电机14的转动，带动姿态偏摆连杆8以偏摆电机14的输出轴为回转中心进行回转，即以c轴作为旋转轴线进行回转，实现姿态偏摆自由度的运动；

通过俯仰电机15的转动，带动姿态俯仰连杆9以俯仰电机15的输出轴为回转中心进行回转，即以b轴作为旋转轴线进行回转，实现姿态俯仰自由度的运动；

通过回转电机16的转动，带动回转手柄10以回转电机16的输出轴为回转中心进行回转，即以a轴作为旋转轴线进行回转，实现姿态回转自由度的运动。

其中当轴线b与d重合时，俯仰自由度与冗余自由度重合，从而避免了俯仰运动中的奇异点，提高整个机构的灵巧度。

原理上本结构创新性的添加了冗余俯仰自由度，解决连杆姿态结构全范围运动中的奇异位形问题，提高了姿态机构的灵活性及操作空间。

结构上对于操作人员的姿态操作运动中避免与手部的干涉碰撞，更加符合人体工学；

俯仰自由度的冗余使得整个姿态结构与位置结构衔接，大大降低冗余自由度关节出结构设计的难度，对于要求主动运动的操作手中就避免了直角传动的设计，简化结构，提高动力传递的效率和准确性。

此种方式提高了水平杆的安装高度，使水平杆的在俯仰自由度轴线上，并且间接的使得姿态结构自身的尺寸增加为水平连杆的长度当中，这样在设计水平杆的时候就可以相应的缩短尺寸，减小整体结构的尺寸、体积。

这种机构克服了现有技术姿态机构时的奇异位形的问题，提高了姿态机构的灵活性及操作空间。在主从操作中，主操作手位置机构和姿态机构之间存在耦合，即当姿态机构运动时，位置机构也会随着运动，这将导致从端手术器械不能在固定位置处进行手术，使准确性和安全性严重降低。为了避免这个缺点，主手冗余姿态机构的4个旋转轴线相交于一点，实现位置机构和姿态机构的解耦，使位置机构和姿态机构的运动彼此不受影响。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述肩部平摆电机2的输出轴竖直设置，肩部齿轮箱11的输出轴水平设置，水平电机12的输出轴竖直设置，冗余电机13的输出轴水平设置，偏摆电机14的输出轴竖直设置，俯仰电机15的输出轴水平设置，回转电机16的输出轴竖直设置。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

如此设计以确定七个自由度的运动方向。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述大臂机构5包括主臂5-1、副臂5-2、前连接耳5-3、后连接耳5-4和四个转轴5-5，主臂5-1和副臂5-2平行设置且主臂5-1与副臂5-2的长度相同，主臂5-1的一端通过转轴5-5与前连接耳5-3铰接，主臂5-1的另一端通过转轴5-5与后连接耳5-4铰接，副臂5-2的一端通过转轴5-5与前连接耳5-3铰接，副臂5-2的另一端通过转轴5-5与后连接耳5-4铰接，前连接耳5-3与水平电机12的外壳体固接，后连接耳5-4与肩部齿轮箱11的输出轴固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

如此设计使主臂5-1和副臂5-2形成一个平行四边形结构，从而当大臂机构5即主臂5-1进行俯仰运动时，前连接耳5-3及其固接的其他构件能够始终保持在水平状态下的上下运动；

具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述姿态冗余连杆7、姿态偏摆连杆8和姿态俯仰连杆9的形状均为L形，姿态冗余连杆7的竖直端与冗余电机13的输出轴固接，姿态冗余连杆7的水平端与偏摆电机14的外壳体固接，姿态偏摆连杆8的水平端与偏摆电机14的输出轴固接，姿态偏摆连杆8的竖直端与俯仰电机15的外壳体固接，姿态俯仰连杆9的竖直端与俯仰电机15的输出轴固接，姿态俯仰连杆9的水平端与回转电机16的外壳体固接。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述姿态冗余连杆7的竖直端、姿态偏摆连杆8的竖直端和姿态俯仰连杆9的竖直端平行设置，姿态冗余连杆7的水平端、姿态偏摆连杆8的水平端和姿态俯仰连杆9的水平端平行设置。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述姿态冗余连杆7竖直端的长度大于姿态偏摆连杆8竖直端的长度，姿态冗余连杆7水平端的长度大于姿态偏摆连杆8水平端的长度。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述肩部齿轮箱11内包括有一组锥齿轮，肩部俯仰电机3的输出轴竖直设置。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四、五或六相同。

如此设计以实现大臂机构5最终运动方向的转换。

具体实施方式八：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述偏摆电机14的输出轴通过一组锥齿轮与姿态偏摆连杆8固接，俯仰电机15的输出轴通过一组锥齿轮与姿态俯仰连杆9固接。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

Claims (8)

1.一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手包括固定座(1)、肩部平摆电机(2)、肩部俯仰电机(3)、肩部关节(4)、大臂机构(5)、水平连杆(6)、姿态冗余连杆(7)、姿态偏摆连杆(8)、姿态俯仰连杆(9)、回转手柄(10)、肩部齿轮箱(11)、水平电机(12)、冗余电机(13)、偏摆电机(14)、俯仰电机(15)和回转电机(16)，肩部平摆电机(2)的外壳体与固定座(1)固接，肩部平摆电机(2)的输出轴与肩部关节(4)的后端固接，肩部关节(4)的前端与肩部齿轮箱(11)的外壳体固接，肩部齿轮箱(11)的输入轴与肩部俯仰电机(3)的输出轴固接，肩部齿轮箱(11)的输出轴与大臂机构(5)的后端固接，大臂机构(5)的前端与水平电机(12)的外壳体固接，水平电机(12)的输出轴与水平连杆(6)的后端固接，水平连杆(6)的前端与冗余电机(13)的外壳体固接，冗余电机(13)的输出轴与姿态冗余连杆(7)的一端固接，姿态冗余连杆(7)的另一端与偏摆电机(14)的外壳体固接，偏摆电机(14)的输出轴与姿态偏摆连杆(8)的一端固接，姿态偏摆连杆(8)的另一端与俯仰电机(15)的外壳体固接，俯仰电机(15)的输出轴与姿态俯仰连杆(9)的一端固接，姿态俯仰连杆(9)的另一端与回转电机(16)的外壳体固接，回转电机(16)的输出轴与回转手柄(10)固接。

2.根据权利要求1所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述肩部平摆电机(2)的输出轴竖直设置，肩部齿轮箱(11)的输出轴水平设置，水平电机(12)的输出轴竖直设置，冗余电机(13)的输出轴水平设置，偏摆电机(14)的输出轴竖直设置，俯仰电机(15)的输出轴水平设置，回转电机(16)的输出轴竖直设置。

3.根据权利要求1或2所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述大臂机构(5)包括主臂(5-1)、副臂(5-2)、前连接耳(5-3)、后连接耳(5-4)和四个转轴(5-5)，主臂(5-1)和副臂(5-2)平行设置且主臂(5-1)与副臂(5-2)的长度相同，主臂(5-1)的一端通过转轴(5-5)与前连接耳(5-3)铰接，主臂(5-1)的另一端通过转轴(5-5)与后连接耳(5-4)铰接，副臂(5-2)的一端通过转轴(5-5)与前连接耳(5-3)铰接，副臂(5-2)的另一端通过转轴(5-5)与后连接耳(5-4)铰接，前连接耳(5-3)与水平电机(12)的外壳体固接，后连接耳(5-4)与肩部齿轮箱(11)的输出轴固接。

4.根据权利要求3所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述姿态冗余连杆(7)、姿态偏摆连杆(8)和姿态俯仰连杆(9)的形状均为L形，姿态冗余连杆(7)的竖直端与冗余电机(13)的输出轴固接，姿态冗余连杆(7)的水平端与偏摆电机(14)的外壳体固接，姿态偏摆连杆(8)的水平端与偏摆电机(14)的输出轴固接，姿态偏摆连杆(8)的竖直端与俯仰电机(15)的外壳体固接，姿态俯仰连杆(9)的竖直端与俯仰电机(15)的输出轴固接，姿态俯仰连杆(9)的水平端与回转电机(16)的外壳体固接。

5.根据权利要求4所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述姿态冗余连杆(7)的竖直端、姿态偏摆连杆(8)的竖直端和姿态俯仰连杆(9)的竖直端平行设置，姿态冗余连杆(7)的水平端、姿态偏摆连杆(8)的水平端和姿态俯仰连杆(9)的水平端平行设置。

6.根据权利要求5所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述姿态冗余连杆(7)竖直端的长度大于姿态偏摆连杆(8)竖直端的长度，姿态冗余连杆(7)水平端的长度大于姿态偏摆连杆(8)水平端的长度。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述肩部齿轮箱(11)内包括有一组锥齿轮，肩部俯仰电机(3)的输出轴竖直设置。

8.根据权利要求7所述一种全主动七自由度姿态冗余型主操作手，其特征在于：所述偏摆电机(14)的输出轴通过一组锥齿轮与姿态偏摆连杆(8)固接，俯仰电机(15)的输出轴通过一组锥齿轮与姿态俯仰连杆(9)固接。