CN108393922A - 一种具有多自由度的机器人器械手指及用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多自由度的机器人器械手指及用途，所述机器人器械手指，由驱动机构、安装支架机构和腕部手指机构三部分组成。驱动机构经安装支架机构与腕部手指机构相连接；可使用在医疗手术、工业操作、远程遥控领域。有益的技术效果：本发明所述的具有多自由度机器人器械手指，具有旋转、俯仰、偏摆和开合4个自由度；驱动柔索初始张紧力20N，误差±2N以内；最小张力不小于7.5N；驱动柔索直线位移范围在0至12mm；旋转关节角度范围在±180°之间；俯仰关节角度范围在±90°之间；偏摆关节角度范围在±75°；开合角度在0至150°之间。

Description

一种具有多自由度的机器人器械手指及用途

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种机器人辅助微创外科手术用医疗设备，应用于微创外科手术机器人执行手术操作，更尤其涉及一种基于弹性柔索驱动方式的4自由度的机器人辅助器械，具体为一种具有多自由度的机器人器械手指及用途。

背景技术

相对于传统外科手术，机器人辅助微创外科手术具有目标定位精确、易于实现微创化、可进行远程手术等优点，为具有微创化和精细化特征的第三代外科手术奠定了技术基础，能够提高手术效率与成功率、减少患者手术痛楚、缩短术后恢复时间等。但当前普遍存在的问题之一是操作器械的力觉感知能力缺失或应用困难。由于在手术器械末端外经通常在10mm以内，在末端直接集成测力传感器的难度大、成本高，且考虑到手术器械的耗材特性，研究可以通过利用自身驱动和控制信息，即可以实现对操作和接触外力进行有效估测的新型手术器械具有十分重要的意义。本发明设计的外科手术机器人器械手指具有旋转、俯仰和偏转3个机构自由度，以及1个通过偏转操作钳交错运动实现的夹持自由度，由于创新性的引入弹性柔索驱动方式，可以实时保证驱动柔索的张紧度，大幅降低柔索驱动的回程误差，并通过光栅尺检测驱动和复位柔索长度的微位移变化量，以及通过磁栅检测旋转关节的微转角变化量，从而能够间接实现对操作钳触碰力和夹持力的估测。因此，本发明在自身力估测手术器械机构设计方面具有良好的创新性，可配套应用于微创外科手术机器人系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有多自由度的机器人器械手指及用途，尤其是一种具有3个机构运动自由度和1个开合自由度，基于弹性柔索驱动方式的4自由度外科手术机器人器械手指。本发明具体如下：

一种具有多自由度的机器人器械手指，由驱动机构1、安装支架机构2和腕部手指机构3三部分组成。驱动机构1经安装支架机构2与腕部手指机构3相连接。由驱动机构1对腕部手指机构3进行俯仰、偏转和/或夹持3个自由度的柔索驱动。由安装支架机构2对腕部手指机构3进行旋转自由度的驱动。腕部手指机构3具有俯仰、偏转和/或开合3个运动自由度。

进一步说，驱动机构1由架体机构1100、柔索牵引机构1200、柔索复位机构1300和柔索导向过轮组件1400所组成。优选的方案是，采用3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400。

其中，架体机构1100由两个半壳体1101、第五层面板1102、第四层面板1103、连接立柱1104、第三层面板1105、第二层面板1106、第一层面板1107所组成。通过3根连接立柱1104和内六角螺钉将第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107逐一连接在一起。进一步说，第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107共线。更进一步说，第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107沿由驱动机构1指向腕部手指机构3的方向排列。即连接立柱1101、第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107共同构成驱动机构1的整体框架。

在第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和/或第一层面板1107上设置有3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400。

在第一层面板1107的上表面、第二层面板1106的上表面和第三层面板1105的下表面上均安装有柔索导向过轮组件1400，用于实现对6根钢丝驱动柔索的导向。

3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300分别通过螺钉安装在第三层面板1103和第四层面板1104之间。同时，由一对柔索牵引机构1200和一个柔索复位机构1300组成一条回路，该回路分别给一对牵引柔索和复位柔索提供驱动拉力。通过柔索导向过轮组件1400实现对腕部手指机构3中的1个俯仰关节和2个偏转关节的6根驱动柔索的导向，从而将6根驱动柔索分别与3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300连接，构成腕部手指3个关节的驱动回路。

进一步说，柔索牵引机构1200包括驱动机构电机1201、驱动机构导轨支架1202、驱动机构导轨1203、丝杠支撑座1204、丝杠支撑端支架1205、驱动机构导轨滑块1206、滚珠丝杠与螺母组件1207、丝杠定位座1208、牵引柔索1209、牵引柔索连接支架1210、驱动机构光栅读数头1211、驱动机构光栅尺安装支架1212、驱动机构光栅尺1213和驱动电机联轴器1214。

其中，驱动机构电机1201安装在第四层面板1103上，尾部穿过第五层面板1102。驱动机构电机1201通过驱动电机联轴器1214与滚珠丝杠与螺母组件1207的丝杠输入轴连接。滚珠丝杠与螺母组件1207中丝杠与丝杠支撑座1204中的深沟球轴承联接。丝杠支撑座1204安装在丝杠支撑端支架1205左侧。牵引柔索连接支架1210上端与牵引柔索1209一端连接。丝杠支撑端支架1205安装在驱动机构导轨支架1202上。滚珠丝杠与螺母组件1207的螺母与牵引柔索连接支架1210连接。牵引柔索连接支架1210安装在驱动机构导轨滑块1206上。驱动机构导轨1203安装在驱动机构导轨支架1202上。滚珠丝杠与螺母组件1207的丝杠另一端与与丝杠定位座1208中的深沟球轴承联接。丝杠定位座1208安装在第三层面板1105上。牵引柔索连接支架1210左侧安装有驱动机构光栅读数头1211。驱动机构光栅尺安装支架1212安装在驱动机构导轨支架1202上。驱动机构导轨支架1202安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。

滚珠丝杠与螺母组件1207中的滚珠丝杠将驱动机构电机1201的旋转运动转换为滚珠丝杠螺母的直线移动，进而带动牵引柔索连接支架1210和驱动机构光栅读数头1211的往复移动，从而实现拉动牵引柔索1209，以及通过光栅尺测量系统对牵引柔索1209牵引段位移量的精确检测。

进一步说，柔索复位机构1300由复位固定柔索1301、复位弹簧1302、复位机构导轨支架1303、复位机构导轨1304、复位柔索连接支架1305、复位机构导轨滑块1306、复位机构光栅尺支架1307、复位机构光栅尺1308、复位机构光栅读数头1309、复位柔索1310和内六角螺钉1311组成。

其中，复位固定柔索1301的一端与复位弹簧1302连接。复位固定柔索1301的另一端与第五层面板1102连接。复位弹簧1302的另一端与连接复位柔索1310连接。复位柔索1310与复位柔索连接支架1305连接。复位柔索连接支架1305上设有复位机构光栅读数头1309。复位柔索连接支架1305安装在复位机构导轨滑块1306上。复位机构导轨1304安装在复位机构导轨支架1303上。复位机构导轨支架1303上设有复位机构光栅尺支架1307。复位机构导轨支架1303通过内六角螺钉1311安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。

进一步说，柔索导向过轮组件1400包括过轮螺钉1401、定位垫圈1402、过轮螺母1403、微型U槽轴承1404、支架螺钉1405和过轮支架1406。

其中，微型U槽轴承1404通过过轮螺钉1401安装在过轮支架1406上。过轮螺钉1401上设有定位垫圈1402，分别在微型U槽轴承1404两侧。过轮螺母1403与过轮螺钉1401连接。过轮支架1406通过支架螺钉1405安装在第三层面板1105、第二层面板1106或第一层面板1107上。

进一步说，通过内六角螺钉将3组柔索驱动机构1200与3组柔索复位机构1300安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。在第一层面板1107的上表面安装有2个柔索导向过轮组件1400，第二层面板1106的上表面安装有4个柔索导向过轮组件1400，在第三层面板1105的下表面安装有6个柔索导向过轮组件1400。进一步说，3组柔索驱动机构1200和3组柔索复位机构1300可以构成3对牵引-复位柔索驱动模块，通过柔索过轮组的导向，从而分别实现对腕部手指机构3中1个俯仰关节和2个偏转关节的转动驱动。

进一步说，安装支架机构2包括中空转轴2001、磁栅读头2002、读头支架2003、磁栅圈体2004、光电开关支架2005、光电开关2006、遮光片2007、轴承内环挡圈轴套2008、轴承端盖2009、毛毡圈2010、深沟球轴承2011、整体安装支架2012、内轴套2013、外轴套2014、同步带2015、同步带从动轮2016、旋转关节驱动电机2017、驱动电机支架2018、同步带主动轮2019、张紧轮支架2020、张紧轮2021、张紧轮支座2022和细钢管2023。

其中，整体安装支架2012是整体机构的底座安装支架。中空转轴2001用于连接驱动机构1和安装支架机构2。中空转轴2001和第五层面板1102连接。中空转轴2001与一对深沟球轴承2011联接。中空转轴2001上设有磁栅圈体2004、轴承内环挡圈轴套2008、内轴套2013、外轴套2014和同步带从动轮2016。轴承内环挡圈轴套2008上安装遮光片2007。光电开关2006安装在光电开关支架2005上。光电开关支架2005安装在整体安装支架2012下部。磁栅读头2002安装在读头支架2003上。读头支架2003安装在整体安装支架2012上部。轴承端盖2009经由毛毡圈2010与整体安装支架2012连接。同步带2015联接同步带从动轮2016和同步带主动轮2019。旋转关节驱动电机2017安装在驱动电机支架2018上。驱动电机支架2018安装在整体安装支架2012右侧。张紧轮2021安装张紧轮支架2020轴上。张紧轮支架2020与张紧轮支座2022连接。张紧轮支座2022安装在整体安装支架2012上。细钢管2023安装在中空转轴2001内部，并通过槽口安装定位。

通过安装在电机减速器输出轴上的同步带主动轮2019带动同步带2015，从而驱动同步带从动轮2016，进而实现中空转轴2001的转动，最终实现腕部手指3的旋转自由度。同时通过磁栅测量系统和光电开关2006分别实现对旋转关节的转角检测、零位与限位测量。

进一步说，腕部手指机构3包括腕关节支座3001、腕关节转动轴3002、俯仰支架第二过轮3003、俯仰支架第二过轮轴3004、俯仰支架第一过轮3005、俯仰支架第一过轮轴3006、操作钳A3007、操作钳B3008、偏转关节轴3009、俯仰支架3010、俯仰关节槽轮3011、俯仰关节驱动柔索3012、偏转关节A驱动柔索3013、偏转关节B驱动柔索3014和腕部偏转关节柔索过轮3015。

其中，腕关节支座3001与细钢管2023联接。腕关节转动轴3002安装在腕关节支座3001上。在腕关节转动轴3002上装有俯仰关节槽轮3011、俯仰支架3010和4个腕部偏转关节柔索过轮3015。设有2个俯仰支架第一过轮3005，俯仰支架第一过轮3005通过俯仰支架第二过轮轴3004分别安装在俯仰支架3010上/两侧。2个俯仰支架第二过轮3003分别通过俯仰支架第一过轮轴3006分别安装在俯仰支架3010上/两侧。操作钳A3007和操作钳B3008与偏转关节轴3009联接。偏转关节轴3009与俯仰支架3010连接。俯仰关节驱动柔索3012、偏转关节A驱动柔索3013和偏转关节B驱动柔索3014均含有牵引柔索1209和复位柔索1310，有3根牵引柔索1209和3根复位柔索1310，共计6根驱动柔索。偏转关节A驱动柔索3013和偏转关节B驱动柔索3014经由俯仰支架第一过轮3005、俯仰支架第二过轮3003和腕部偏转关节柔索过轮3015导向，共计2根牵引柔索1209和2根复位柔索1310进入细钢管2023内部。俯仰关节驱动柔索3012所包含的1根牵引柔索1209和1根复位柔索1310直接穿入细钢管2023内部。6根驱动柔索经由细钢管2023内部，再通过柔索导向过轮组件1400的导向，分别与3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300联接。俯仰支架3010、操作钳A3007、操作钳B3008分别通过连接在各自关节上的1根牵引柔索1209和1根复位柔索1310的张力差获得关节驱动力矩。俯仰支架3010的转动实腕部的俯仰自由度。操作钳A3007和操作钳B3008相同方向转动实现腕部偏摆自由度。操作钳A3007和操作钳B3008相反方向转动实现腕部开合自由度。

采用本发明所述的具有多自由度机器人器械手指的用途：使用在医疗手术、工业操作、远程遥控领域。

本发明所述的具有多自由度机器人器械手指，具有旋转、俯仰、偏摆和开合4个自由度。驱动柔索初始张紧力20N，误差±2N以内。最小张力不小于7.5N。驱动柔索直线位移范围在0至12mm。旋转关节角度范围在±180°之间。俯仰关节角度范围在±90°之间。偏摆关节角度范围在±75°。开合角度在0至150°之间。

为了更好地解释本发明的技术特点，现换一角度继续对本发明的结构特征进行阐述：参见图1，本发明主要由以下三部分组成：驱动机构1、安装支架2、腕部手指机构3。驱动机构1内装备有直流伺服电机、光栅尺与读数头、牵引与复位柔索驱动机构等，实现对腕部手指俯仰、偏转和夹持3个自由度的柔索驱动。安装支架2主要由1个旋转关节和位置检测传感器等组成，主要用以实现器械手指的旋转自由度。腕部手指机构3由1个俯仰关节和2个偏转操作钳组成，用于实现手指的俯仰、偏转和夹持动作。各部分主要组成如下：

驱动机构1由架体机构1100、3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400组成。其中，架体机构1100包括两个半壳体1101、第五层面板1102、第四层面板1103、连接立柱1104、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107。柔索牵引机构1200包括驱动机构电机1201、驱动机构导轨支架1202、驱动机构导轨1203、丝杠支撑座1204、驱动机构导轨滑块1206、滚珠丝杠与螺母组件1207、丝杠定位座1208、牵引柔索1209、牵引柔索连接支架1210、驱动机构光栅读数头1211、驱动机构光栅尺安装支架1212、驱动机构光栅尺1213和驱动电机联轴器1214。柔索复位机构1300包括复位固定柔索1301、复位弹簧1302、复位机构导轨支架1303、复位机构导轨1304、复位柔索连接支架1305、复位机构导轨滑块1306、复位机构光栅尺支架1307、复位机构光栅尺1308、复位机构光栅读数头1309、复位柔索1310和内六角螺钉1311。柔索导向过轮组件1400包括过轮螺钉1401、定位垫圈1402、过轮螺母1403、微型U槽轴承1404、支架螺钉1405和过轮支架1406。

安装支架2包括中空转轴2001、磁栅读头2002、读头支架2003、磁栅圈体2004、光电开关支架2005、光电开关2006、遮光片2007、轴承内环挡圈轴套2008、轴承端盖2009、毛毡圈2010、深沟球轴承2011、整体安装支架2012、内轴套2013、外轴套2014、同步带2015、同步带从动轮2016、旋转关节驱动电机2017、驱动电机支架2018、同步带主动轮2019、张紧轮支架2020、张紧轮2021、张紧轮支座2022和细钢管2023。

腕部手指3包括腕关节支座3001、腕关节转动轴3002、俯仰支架第二过轮3003、俯仰支架第二过轮轴3004、俯仰支架第一过轮3005、俯仰支架第一过轮轴3006、操作钳A3007、操作钳B3008、偏转关节轴3009、俯仰支架3010、俯仰关节槽轮3011和俯仰关节驱动柔索3012。

本发明具有以下特点：

1、本发明结构紧凑，具有旋转、俯仰、偏转和夹持4个自由度，手指运动灵活，姿态运动空间大。

2、本发明的腕部3自由度关节通过弹性柔索驱动方式实现长距传动，能够实现末端俯仰、偏转和夹持动作。

3、本发明的旋转关节采用同步带传动，能够实现腕部的旋转自由度。

4、本发明的弹性柔索驱动回路中采用光栅尺检测驱动柔索和复位柔索的位移，同时旋转关节采用磁栅检测旋转角度，能够大幅提高位置和转角微小变化量的检测精度。

5、本发明的弹性柔索驱动中采用直流伺服电机和微型精密滚珠丝杠的方式实现拉动牵引柔索，同时复位柔索采用高精密线性弹簧提供复位拉力，能够实时保证柔索驱动回路的高张紧度，保证柔索驱动的传动精度和平稳性。

附图说明

图1是本发明的整体机构立体示意图。

图2是图1中驱动机构的立体示意图。

图3是另一角度图2的立体示意图。

图4是图1中驱动机构子模块的立体示意图。

图5是图4中柔索牵引机构1200与柔索复位机构1300的连接示意图与多角度的细节示意图。

图6是图4中柔索导向过轮组件1400的立体示意图。

图7是图4中柔索牵引机构1200的立体示意图。

图8是图4中柔索复位机构1300的立体示意图。

图9是图1中安装支架机构的立体示意图。

图10是图9的另一角度结构示意图。

图11是图9的侧视图。

图12是图11的A-A剖视图。

图13是图1中腕部手指机构的立体示意图。

图14是图13的另一角度示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，并结合附图加以说明。

结合图1、2、4、9和13，一种具有多自由度的机器人器械手指，由驱动机构1、安装支架机构2和腕部手指机构3三部分组成。驱动机构1经安装支架机构2与腕部手指机构3相连接。

由驱动机构1对腕部手指机构3进行俯仰、偏转和/或夹持3个自由度的柔索驱动。

由安装支架机构2对腕部手指机构3进行旋转自由度的驱动。

腕部手指机构3具有俯仰、偏转和/或开合3个运动自由度。

结合图1至8，进一步说，驱动机构1由架体机构1100、3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400所组成。

其中，架体机构1100由两个半壳体1101、第五层面板1102、第四层面板1103、连接立柱1104、第三层面板1105、第二层面板1106、第一层面板1107所组成。通过3根连接立柱1104和内六角螺钉将第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107逐一连接在一起。进一步说，第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107共线。更进一步说，第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107沿由驱动机构1指向腕部手指机构3的方向排列。即连接立柱1101、第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107共同构成驱动机构1的整体框架。

在第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和/或第一层面板1107上设置有3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400。

在第一层面板1107的上表面、第二层面板1106的上表面和第三层面板1105的下表面上均安装有柔索导向过轮组件1400，用于实现对6根钢丝驱动柔索的导向。

3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300分别通过螺钉安装在第三层面板1103和第四层面板1104之间。同时，由一对柔索牵引机构1200和一个柔索复位机构1300组成一条回路，该回路分别给一对牵引柔索和复位柔索提供驱动拉力。通过柔索导向过轮组件1400实现对腕部手指机构3中的1个俯仰关节和2个偏转关节的6根驱动柔索的导向，从而将6根驱动柔索分别与3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300连接，构成腕部手指3个关节的驱动回路。

结合图1、5和7，进一步说，柔索牵引机构1200包括驱动机构电机1201、驱动机构导轨支架1202、驱动机构导轨1203、丝杠支撑座1204、丝杠支撑端支架1205、驱动机构导轨滑块1206、滚珠丝杠与螺母组件1207、丝杠定位座1208、牵引柔索1209、牵引柔索连接支架1210、驱动机构光栅读数头1211、驱动机构光栅尺安装支架1212、驱动机构光栅尺1213和驱动电机联轴器1214。

其中，驱动机构电机1201安装在第四层面板1103上，尾部穿过第五层面板1102。驱动机构电机1201通过驱动电机联轴器1214与滚珠丝杠与螺母组件1207的丝杠输入轴连接。滚珠丝杠与螺母组件1207中丝杠与丝杠支撑座1204中的深沟球轴承联接。丝杠支撑座1204安装在丝杠支撑端支架1205左侧。牵引柔索连接支架1210上端与牵引柔索1209一端连接。丝杠支撑端支架1205安装在驱动机构导轨支架1202上。滚珠丝杠与螺母组件1207的螺母与牵引柔索连接支架1210连接。牵引柔索连接支架1210安装在驱动机构导轨滑块1206上。驱动机构导轨1203安装在驱动机构导轨支架1202上。滚珠丝杠与螺母组件1207的丝杠另一端与与丝杠定位座1208中的深沟球轴承联接。丝杠定位座1208安装在第三层面板1105上。牵引柔索连接支架1210左侧安装有驱动机构光栅读数头1211。驱动机构光栅尺安装支架1212安装在驱动机构导轨支架1202上。驱动机构导轨支架1202安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。

滚珠丝杠与螺母组件1207中的滚珠丝杠将驱动机构电机1201的旋转运动转换为滚珠丝杠螺母的直线移动，进而带动牵引柔索连接支架1210和驱动机构光栅读数头1211的往复移动，从而实现拉动牵引柔索1209，以及通过光栅尺测量系统对牵引柔索1209牵引段位移量的精确检测。

结合图1、5和8，进一步说，柔索复位机构1300由复位固定柔索1301、复位弹簧1302、复位机构导轨支架1303、复位机构导轨1304、复位柔索连接支架1305、复位机构导轨滑块1306、复位机构光栅尺支架1307、复位机构光栅尺1308、复位机构光栅读数头1309、复位柔索1310和内六角螺钉1311组成。

其中，复位固定柔索1301的一端与复位弹簧1302连接。复位固定柔索1301的另一端与第五层面板1102连接。复位弹簧1302的另一端与连接复位柔索1310连接。复位柔索1310与复位柔索连接支架1305连接。复位柔索连接支架1305上设有复位机构光栅读数头1309。复位柔索连接支架1305安装在复位机构导轨滑块1306上。复位机构导轨1304安装在复位机构导轨支架1303上。复位机构导轨支架1303上设有复位机构光栅尺支架1307。复位机构导轨支架1303通过内六角螺钉1311安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。

结合图1、5和6，进一步说，柔索导向过轮组件1400包括过轮螺钉1401、定位垫圈1402、过轮螺母1403、微型U槽轴承1404、支架螺钉1405和过轮支架1406。

其中，微型U槽轴承1404通过过轮螺钉1401安装在过轮支架1406上。过轮螺钉1401上设有定位垫圈1402，分别在微型U槽轴承1404两侧。过轮螺母1403与过轮螺钉1401连接。过轮支架1406通过支架螺钉1405安装在第三层面板1105、第二层面板1106或第一层面板1107上。

结合图1至8，进一步说，通过内六角螺钉将3组柔索驱动机构1200与3组柔索复位机构1300安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。在第一层面板1107的上表面安装有2个柔索导向过轮组件1400，第二层面板1106的上表面安装有4个柔索导向过轮组件1400，在第三层面板1105的下表面安装有6个柔索导向过轮组件1400。进一步说，3组柔索驱动机构1200和3组柔索复位机构1300可以构成3对牵引-复位柔索驱动模块，通过柔索过轮组的导向，从而分别实现对腕部手指机构3中1个俯仰关节和2个偏转关节的转动驱动。

结合图1、9至12，进一步说，安装支架机构2包括中空转轴2001、磁栅读头2002、读头支架2003、磁栅圈体2004、光电开关支架2005、光电开关2006、遮光片2007、轴承内环挡圈轴套2008、轴承端盖2009、毛毡圈2010、深沟球轴承2011、整体安装支架2012、内轴套2013、外轴套2014、同步带2015、同步带从动轮2016、旋转关节驱动电机2017、驱动电机支架2018、同步带主动轮2019、张紧轮支架2020、张紧轮2021、张紧轮支座2022和细钢管2023。

其中，整体安装支架2012是整体机构的底座安装支架。中空转轴2001用于连接驱动机构1和安装支架机构2。中空转轴2001和第五层面板1102连接。中空转轴2001与一对深沟球轴承2011联接。中空转轴2001上设有磁栅圈体2004、轴承内环挡圈轴套2008、内轴套2013、外轴套2014和同步带从动轮2016。轴承内环挡圈轴套2008上安装遮光片2007。光电开关2006安装在光电开关支架2005上。光电开关支架2005安装在整体安装支架2012下部。磁栅读头2002安装在读头支架2003上。读头支架2003安装在整体安装支架2012上部。轴承端盖2009经由毛毡圈2010与整体安装支架2012连接。同步带2015联接同步带从动轮2016和同步带主动轮2019。旋转关节驱动电机2017安装在驱动电机支架2018上。驱动电机支架2018安装在整体安装支架2012右侧。张紧轮2021安装张紧轮支架2020轴上。张紧轮支架2020与张紧轮支座2022连接。张紧轮支座2022安装在整体安装支架2012上。细钢管2023安装在中空转轴2001内部，并通过槽口安装定位。

通过安装在电机减速器输出轴上的同步带主动轮2019带动同步带2015，从而驱动同步带从动轮2016，进而实现中空转轴2001的转动，最终实现腕部手指3的旋转自由度。同时通过磁栅测量系统和光电开关2006分别实现对旋转关节的转角检测、零位与限位测量。

结合图1、13和14，进一步说，腕部手指机构3包括腕关节支座3001、腕关节转动轴3002、俯仰支架第二过轮3003、俯仰支架第二过轮轴3004、俯仰支架第一过轮3005、俯仰支架第一过轮轴3006、操作钳A3007、操作钳B3008、偏转关节轴3009、俯仰支架3010、俯仰关节槽轮3011、俯仰关节驱动柔索3012、偏转关节A驱动柔索3013、偏转关节B驱动柔索3014和腕部偏转关节柔索过轮3015。

其中，腕关节支座3001与细钢管2023联接。腕关节转动轴3002安装在腕关节支座3001上。在腕关节转动轴3002上装有俯仰关节槽轮3011、俯仰支架3010和4个腕部偏转关节柔索过轮3015。设有2个俯仰支架第一过轮3005，俯仰支架第一过轮3005通过俯仰支架第二过轮轴3004分别安装在俯仰支架3010上/两侧。2个俯仰支架第二过轮3003分别通过俯仰支架第一过轮轴3006分别安装在俯仰支架3010上/两侧。操作钳A3007和操作钳B3008与偏转关节轴3009联接。偏转关节轴3009与俯仰支架3010连接。俯仰关节驱动柔索3012、偏转关节A驱动柔索3013和偏转关节B驱动柔索3014均含有牵引柔索1209和复位柔索1310，有3根牵引柔索1209和3根复位柔索1310，共计6根驱动柔索。偏转关节A驱动柔索3013和偏转关节B驱动柔索3014经由俯仰支架第一过轮3005、俯仰支架第二过轮3003和腕部偏转关节柔索过轮3015导向，共计2根牵引柔索1209和2根复位柔索1310进入细钢管2023内部。俯仰关节驱动柔索3012所包含的1根牵引柔索1209和1根复位柔索1310直接穿入细钢管2023内部。6根驱动柔索经由细钢管2023内部，再通过柔索导向过轮组件1400的导向，分别与3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300联接。俯仰支架3010、操作钳A3007、操作钳B3008分别通过连接在各自关节上的1根牵引柔索1209和1根复位柔索1310的张力差获得关节驱动力矩。俯仰支架3010的转动实腕部的俯仰自由度。操作钳A3007和操作钳B3008相同方向转动实现腕部偏摆自由度。操作钳A3007和操作钳B3008相反方向转动实现腕部开合自由度。

进一步说，本发明使用在医疗手术、工业操作、远程遥控领域。

进一步说，本发明具有旋转、俯仰、偏摆和开合4个自由度。驱动柔索初始张紧力20N，误差±2N以内。最小张力不小于7.5N。驱动柔索直线位移范围在0至12mm。旋转关节角度范围在±180°之间。俯仰关节角度范围在±90°之间。偏摆关节角度范围在±75°。开合角度在0至150°之间。

结合图1至图14，对本发明的功能进行总体说明。本发明主要由驱动机构1、安装支架机构2和腕部手指机构3组成，驱动机构1主要装有3对柔索牵引机构1200和柔索复位机构1300等，对应驱动腕部手指3的1个俯仰关节俯仰支架3010和2个偏转关节操作钳A3007和操作钳B3008，可以实现腕部手指的俯仰、偏转、夹持3个自由度的柔索驱动。安装支架机构2主要包括旋转关节直流伺服电机2017、磁栅检测元件2001和2002、同步带传动机构2015、2016、2019、2020、2021等、光电开关检测零位与限位2005、2007等，可以实现腕部手指机构3的旋转自由度。腕部手指3主要俯仰支架3010、操作钳A3007、操作钳B3008和过轮组3003、3005、3015与联接转轴3002、3004、3006、3009组成，其中俯仰支架3010、操作钳A3007和操作钳B3008分别通过1对牵引和复位柔索驱动，对应于驱动机构1中柔索牵引机构1200和柔索复位机构1300。此外，弹性柔索驱动有助于实时保证腕部手指关节柔索驱动的张紧度，从而保证柔索传动精度。当腕部手指受到3维外力或夹持力作用时，由于光栅与磁栅测量系统的引入，能够精确检测柔索位移和旋转关节转角的变化量，再通过在控制系统中设计外力扰动观测器，从而实现对腕部手指3维外力或夹持力的估测。因而本发明由于创新性的引入弹性柔索驱动，并集成光栅和磁栅测量系统，为多自由度的机器人器械手指的外力估测奠定了结构硬件基础。

Claims (10)

1.一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：由驱动机构（1）、安装支架机构（2）和腕部手指机构（3）三部分组成；驱动机构（1）经安装支架机构（2）与腕部手指机构（3）相连接；

由驱动机构（1）对腕部手指机构（3）进行俯仰、偏转和/或夹持3个自由度的柔索驱动；

由安装支架机构（2）对腕部手指机构（3）进行旋转自由度的驱动；

腕部手指机构（3）具有俯仰、偏转和/或开合3个运动自由度。

2.根据权利要求1所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征是：驱动机构（1）由架体机构（1100）、柔索牵引机构（1200）、柔索复位机构（1300）和柔索导向过轮组件（1400）所组成；

其中，架体机构（1100）由两个半壳体（1101）、第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、连接立柱（1104）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）、第一层面板（1107）所组成；通过连接立柱（1104）将第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）和第一层面板（1107）逐一连接在一起；即连接立柱（1101）、第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）和第一层面板（1107）共同构成驱动机构（1）的整体框架；

在第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）和/或第一层面板（1107）上设置有柔索牵引机构（1200）、柔索复位机构（1300）和柔索导向过轮组件（1400）；

在第一层面板（1107）的上表面、第二层面板（1106）的上表面和第三层面板（1105）的下表面上均安装有柔索导向过轮组件（1400），用于实现对驱动柔索的导向；

柔索牵引机构（1200）和柔索复位机构（1300）分别安装在第三层面板（1103）和第四层面板（1104）之间；通过柔索导向过轮组件（1400）实现对腕部手指机构（3）中的1个俯仰关节和2个偏转关节的6根驱动柔索的导向。

3.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索牵引机构（1200）包括驱动机构电机（1201）、驱动机构导轨支架（1202）、驱动机构导轨（1203）、丝杠支撑座（1204）、丝杠支撑端支架（1205）、驱动机构导轨滑块（1206）、滚珠丝杠与螺母组件（1207）、丝杠定位座（1208）、牵引柔索（1209）、牵引柔索连接支架（1210）、驱动机构光栅读数头（1211）、驱动机构光栅尺安装支架（1212）、驱动机构光栅尺（1213）和驱动电机联轴器（1214）；

其中，驱动机构电机（1201）安装在第四层面板（1103）上，尾部穿过第五层面板（1102）；驱动机构电机（1201）通过驱动电机联轴器（1214）与滚珠丝杠与螺母组件（1207）的丝杠输入轴连接；滚珠丝杠与螺母组件（1207）中丝杠与丝杠支撑座（1204）中的深沟球轴承联接；丝杠支撑座（1204）安装在丝杠支撑端支架（1205）左侧；牵引柔索连接支架（1210）上端与牵引柔索（1209）一端连接；丝杠支撑端支架（1205）安装在驱动机构导轨支架（1202）上；滚珠丝杠与螺母组件（1207）的螺母与牵引柔索连接支架（1210）连接；牵引柔索连接支架（1210）安装在驱动机构导轨滑块（1206）上；驱动机构导轨（1203）安装在驱动机构导轨支架（1202）上；滚珠丝杠与螺母组件（1207）的丝杠另一端与与丝杠定位座（1208）中的深沟球轴承联接；丝杠定位座（1208）安装在第三层面板（1105）上；牵引柔索连接支架（1210）左侧安装有驱动机构光栅读数头（1211）；驱动机构光栅尺安装支架（1212）安装在驱动机构导轨支架（1202）上；驱动机构导轨支架（1202）安装在第四层面板（1103）和第三层面板（1105）之间。

4.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索复位机构（1300）由复位固定柔索（1301）、复位弹簧（1302）、复位机构导轨支架（1303）、复位机构导轨（1304）、复位柔索连接支架（1305）、复位机构导轨滑块（1306）、复位机构光栅尺支架（1307）、复位机构光栅尺（1308）、复位机构光栅读数头（1309）、复位柔索（1310）组成；

其中，复位固定柔索（1301）的一端与复位弹簧（1302）连接；复位固定柔索（1301）的另一端与第五层面板（1102）连接；复位弹簧（1302）的另一端与连接复位柔索（1310）连接；复位柔索（1310）与复位柔索连接支架（1305）连接；复位柔索连接支架（1305）上设有复位机构光栅读数头（1309）；复位柔索连接支架（1305）安装在复位机构导轨滑块（1306）上；复位机构导轨（1304）安装在复位机构导轨支架（1303）上；复位机构导轨支架（1303）上设有复位机构光栅尺支架（1307）；复位机构导轨支架（1303）安装在第四层面板（1103）和第三层面板（1105）之间。

5.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索导向过轮组件（1400）包括过轮螺钉（1401）、定位垫圈（1402）、过轮螺母（1403）、微型U槽轴承（1404）、支架螺钉（1405）和过轮支架（1406）；

其中，微型U槽轴承（1404）通过过轮螺钉（1401）安装在过轮支架（1406）上；过轮螺钉（1401）上设有定位垫圈（1402），分别在微型U槽轴承（1404）两侧；过轮螺母（1403）与过轮螺钉（1401）连接；过轮支架（1406）通过支架螺钉（1405）安装在第三层面板（1105）、第二层面板（1106）或第一层面板（1107）上。

6.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索驱动机构（1200）与柔索复位机构（1300）安装在第四层面板（1103）和第三层面板（1105）之间；在第一层面板（1107）的上表面安装有柔索导向过轮组件（1400），第二层面板（1106）的上表面安装有柔索导向过轮组件（1400），在第三层面板（1105）的下表面安装有柔索导向过轮组件（1400）。

7.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：安装支架机构（2）包括中空转轴（2001）、磁栅读头（2002）、读头支架（2003）、磁栅圈体（2004）、光电开关支架（2005）、光电开关（2006）、遮光片（2007）、轴承内环挡圈轴套（2008）、轴承端盖（2009）、毛毡圈（2010）、深沟球轴承（2011）、整体安装支架（2012）、内轴套（2013）、外轴套（2014）、同步带（2015）、同步带从动轮（2016）、旋转关节驱动电机（2017）、驱动电机支架（2018）、同步带主动轮（2019）、张紧轮支架（2020）、张紧轮（2021）、张紧轮支座（2022）和细钢管（2023）；

其中，整体安装支架（2012）是整体机构的底座安装支架；中空转轴（2001）用于连接驱动机构（1）和安装支架机构（2）；中空转轴（2001）和第五层面板（1102）连接；中空转轴（2001）与一对深沟球轴承（2011）联接；中空转轴（2001）上设有磁栅圈体（2004）、轴承内环挡圈轴套（2008）、内轴套（2013）、外轴套（2014）和同步带从动轮（2016）；轴承内环挡圈轴套（2008）上安装遮光片（2007）；光电开关（2006）安装在光电开关支架（2005）上；光电开关支架（2005）安装在整体安装支架（2012）下部；磁栅读头（2002）安装在读头支架（2003）上；读头支架（2003）安装在整体安装支架（2012）上部；轴承端盖（2009）经由毛毡圈（2010）与整体安装支架（2012）连接；同步带（2015）联接同步带从动轮（2016）和同步带主动轮（2019）；旋转关节驱动电机（2017）安装在驱动电机支架（2018）上；驱动电机支架（2018）安装在整体安装支架（2012）右侧；张紧轮（2021）安装张紧轮支架（2020）轴上；张紧轮支架（2020）与张紧轮支座（2022）连接；张紧轮支座（2022）安装在整体安装支架（2012）上；细钢管（2023）安装在中空转轴（2001）内部，并通过槽口安装定位。

8.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：腕部手指机构（3）包括腕关节支座（3001）、腕关节转动轴（3002）、俯仰支架第二过轮（3003）、俯仰支架第二过轮轴（3004）、俯仰支架第一过轮（3005）、俯仰支架第一过轮轴（3006）、操作钳A（3007）、操作钳B（3008）、偏转关节轴（3009）、俯仰支架（3010）、俯仰关节槽轮（3011）、俯仰关节驱动柔索（3012）、偏转关节A驱动柔索（3013）、偏转关节B驱动柔索（3014）和腕部偏转关节柔索过轮（3015）；

其中，腕关节支座（3001）与细钢管（2023）联接；腕关节转动轴（3002）安装在腕关节支座（3001）上；在腕关节转动轴（3002）上装有俯仰关节槽轮（3011）、俯仰支架（3010）和腕部偏转关节柔索过轮（3015）；俯仰支架第一过轮（3005）通过俯仰支架第二过轮轴（3004）安装在俯仰支架（3010）上；俯仰支架第二过轮（3003）通过俯仰支架第一过轮轴（3006）安装在俯仰支架（3010）上；操作钳A（3007）和操作钳B（3008）与偏转关节轴（3009）联接；偏转关节轴（3009）与俯仰支架（3010）连接；俯仰关节驱动柔索（3012）、偏转关节A驱动柔索（3013）和偏转关节B驱动柔索（3014）均含有牵引柔索（1209）和复位柔索（1310）；偏转关节A驱动柔索（3013）和偏转关节B驱动柔索（3014）经由俯仰支架第一过轮（3005）、俯仰支架第二过轮（3003）和腕部偏转关节柔索过轮（3015）导向；俯仰关节驱动柔索（3012）所包含的牵引柔索（1209）和复位柔索（1310）直接穿入细钢管（2023）内部；驱动柔索经由细钢管（2023）内部，再通过柔索导向过轮组件（1400）的导向，分别与柔索牵引机构（1200）和柔索复位机构（1300）联接。

9.根据权利要求1至8任一所述的具有多自由度机器人器械手指的用途，其特征在于，使用在医疗手术、工业操作、远程遥控领域。

10.根据权利要求1至8任一所述的具有多自由度机器人器械手指，其特征在于：具有旋转、俯仰、偏摆和开合4个自由度；驱动柔索初始张紧力20N，误差±2N以内；最小张力不小于7.5N；驱动柔索直线位移范围在0至12mm；旋转关节角度范围在±180°之间；俯仰关节角度范围在±90°之间；偏摆关节角度范围在±75°；开合角度在0至150°之间。