CN108635046A - 微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂 - Google Patents
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Abstract
一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，属于医疗手术器械技术领域。包括推车、立柱、大臂、小臂、腕部、手术器械连接件；所述立柱安装在推车上，立柱内部安装有升降轴J1，立柱与大臂一端通过旋转轴J2连接，大臂的另一端与小臂一端通过旋转轴J3连接，小臂的另一端与腕部上端通过旋转轴J4连接，腕部下端与手术器械连接件通过旋转轴J5连接；旋转轴J2、J3、J4均与升降轴J1平行设置，大臂绕旋转轴J2旋转，小臂绕旋转轴J3旋转，旋转轴J5、J4相互垂直，腕部绕旋转轴J4旋转，手术器械连接件绕旋转轴J5旋转。本发明机械臂位姿分离，机械臂定位定姿范围大，四个旋转轴用电机在轴连接处直接驱动，机械臂内部走线，关节结构简单，避免了缠绕和卡线等问题。
Description
技术领域
本发明属于医疗手术器械技术领域，特别是涉及一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂。
背景技术
微创手术机器人因其较高的准确性、可重复性、术后创伤小、恢复快等优点，越来越受到医疗行业和机器人行业的重视。机械臂作为手术机器人的支撑定位定姿部件，其稳定性、可靠性和准确性将直接决定手术的成败，甚至患者的生命安全。目前市场上的手术机器人系统采用手术设备部分和设备支撑部分一体式的传动方式，繁多的机构和传动环节增加了机构的复杂程度和零件数量，不仅会降低系统的可靠性和准确性，还会增加手术机器人的成本，影响手术机器人的普及和应用。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂。本发明的目的是设计一种简单、可靠、定位准确的用于微创手术机器人的悬挂定位定姿机械臂系统，以解决当前医疗机器人产品关节结构复杂、走线混乱以及成本高昂等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，包括推车、立柱、大臂、小臂、腕部、手术器械连接件；所述立柱安装在推车上，立柱内部安装有升降轴J1，立柱与大臂一端通过旋转轴J2连接，大臂的另一端与小臂一端通过旋转轴J3连接，小臂的另一端与腕部上端通过旋转轴J4连接，腕部下端与手术器械连接件通过旋转轴J5连接；所述旋转轴J2、J3、J4均与升降轴J1平行设置，大臂绕旋转轴J2旋转，小臂绕旋转轴J3旋转，旋转轴J5与旋转轴J4相互垂直，腕部绕旋转轴J4旋转，手术器械连接件绕旋转轴J5旋转，调整手术器械连接件位姿。
进一步地，所述升降轴J1包括电缸、导轨及导轨滑块，内立柱安装在推车底板上，内立柱上固定有导轨，导轨滑块安装在外立柱上；所述内立柱内安装有电缸，电缸外壳固定在内立柱上，电缸推杆通过负载连接法兰连接电缸连接法兰，电缸连接法兰置于立柱连接法兰内，与立柱连接法兰内圈连接，立柱连接法兰外圈与外立柱连接。
进一步地，所述立柱连接法兰带有双层阶梯凸台，上层凸台直径小于下层凸台直径，上层凸台上开有固定并支撑交叉滚子轴承的通孔，下层凸台上开有连接外立柱的通孔。
进一步地，所述电缸连接法兰外圈开有立柱连接法兰连接孔，内圈带有走线孔和负载连接法兰连接孔。
进一步地，所述旋转轴J2包括电机I、RV减速机、交叉滚子轴承I；所述电机I安装在大臂上与RV减速机连接，RV减速机的输出轴通过减速机连接法兰与交叉滚子轴承I内圈及立柱连接法兰连接，交叉滚子轴承I外圈与大臂外座连接。
进一步地，所述旋转轴J3包括电机II、谐波减速机I、传动轴I、交叉滚子轴承II；所述电机II安装在大臂内，电机II通过电机连接法兰I与谐波减速机I连接，谐波减速机I的输出轴I通过传动轴I与交叉滚子轴承II内圈一侧连接，交叉滚子轴承II内圈的另一侧与小臂外座连接，交叉滚子轴承II外圈与大臂外座连接。
进一步地，所述旋转轴J4包括电机III、传动轴II、谐波减速机II、交叉滚子轴承III，电机III安装在小臂上，电机III通过电机连接法兰II与谐波减速机II连接，谐波减速机II的输出轴II通过传动轴II与交叉滚子轴承III内圈一侧连接，交叉滚子轴承III内圈的另一侧与腕部外座连接，交叉滚子轴承III外圈与小臂外座连接。
进一步地，所述旋转轴J5包括电机IV、谐波减速机III及交叉滚子轴承IV；所述电机IV置于腕部外座内，其输出轴端伸出腕部外座一端与谐波减速机III连接，腕部外座另一端安装有交叉滚子轴承IV，手术器械连接件分别连接谐波减速机III的输出轴III和交叉滚子轴承IV内圈，交叉滚子轴承IV外圈与腕部外座连接。
进一步地，所述传动轴I、II结构相同，均为一上下圆盘通过连接板连接，圆盘内圈上开有走线孔，外圈上开有连接孔。
本发明的有益效果为：
1.本发明一种微创手术机器人的悬挂定位定姿机械臂系统，四个旋转轴均采用电机在轴连接处直接驱动，电缸负责升降轴的驱动，减少了多余的传动环节，降低了传动误差，提高了传动效率，增加了系统的可靠性和定位精度。
2.本发明传动轴结构设计巧妙，谐波减速机和交叉滚子轴承内圈之间通过带有半圆弧面的传动轴连接，以实现传动；中间设计走线孔，可以使线缆从该轴的旋转中心穿过，实现了内部走线的同时又避免了缠绕和卡线。
3.本发明机械臂自由度分布采用升降轴J1、大臂和小臂分别绕旋转轴J2、J3转动形成摆臂、末端手腕部分旋转轴J4、J5形成两自由度的结构，实现位姿分离，机械臂定位定姿范围大，机械臂的大臂、小臂摆动幅度小。
4.本发明采用手术设备与设备支撑机械臂分离的设计思路，使本发明成为通用型手术机器人悬挂定位定姿系统，在机械臂末端可以接入多种手术设备组成不同的手术机器人。
附图说明
图1为本发明主体结构图。
图2为图1中升降轴J1结构图。
图3为图1中旋转轴J2结构图。
图4为图3中的电缸连接法兰结构图。
图5为图1中旋转轴J3结构图。
图6为图1中旋转轴J4结构图。
图7为图5和图6中传动轴结构图。
图8为图1中旋转轴J5结构图。
其中：10推车，11内立柱，12导轨滑块,13滑块连接法兰，14导轨，15电缸，16外立柱，17负载连接法兰，20立柱，21电缸连接法兰，22立柱连接法兰，23交叉滚子轴承I，24减速机连接法兰，25RV减速机，26电机I，27大臂外座，30大臂，31电机II，32电机连接法兰I，33谐波减速机I，34传动轴I，35交叉滚子轴承II，36小臂外座，37线孔I，40小臂，41电机III，42电机连接法兰II，43谐波减速机II，44传动轴II，45交叉滚子轴承III,46腕部外座，47线孔II，50腕部，51电机IV，52谐波减速机III，53交叉滚子轴承IV，60手术器械连接件，71上圆盘，73下圆盘，72连接板，74走线孔，75连接孔，82半圆走线孔，83负载连接法兰定位孔，84负载连接法兰连接孔，81立柱连接法兰连接孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图1-图5所示，本发明一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂包括：
推车10上安装布置控制系统和立柱20，升降轴J1安装在小车上的保护套内，升降轴J1的内立柱11安装在推车10的底板上，起支撑固定机械臂的作用。控制系统采用现有技术。
升降轴J1结构如图1-图4所示，包括电缸15、导轨14及导轨滑块12，导轨14固定在内立柱11上，导轨滑块12安装在导轨14上，滑块连接法兰13将外立柱16与导轨滑块12连接在一起，从而使外立柱16沿导轨14的方向做升降运动，导轨滑块12和导轨14以及内立柱11构成升降轴J1的导向元件；内立柱11水平截面为U形，电缸15外壳固定在内立柱11内壁上为升降轴J1的驱动元件，电缸推杆通过负载连接法兰17连接电缸连接法兰21，电缸连接法兰21为内圈一侧带有半圆走线孔82，另一侧带有一负载连接法兰定位孔83和四个负载连接法兰连接孔84，外圈开有立柱连接法兰连接孔81，电缸连接法兰21置于立柱连接法兰22内，与立柱连接法兰22内圈连接，立柱连接法兰22外圈与外立柱16连接；立柱连接法兰22带有双层阶梯凸台，上层凸台直径小于下层凸台直径，上层凸台上开有通孔，固定并支撑交叉滚子轴承I23，下层凸台上开有通孔，用来连接外立柱16，外立柱16顶部开有凹槽，用来放置立柱连接法兰22，从而使外立柱16及其连接的所有零部件可以在电缸15的驱动下，通过电缸15推杆带动在竖直方向上(Z轴方向)做升降运动。
旋转轴J2结构如图3所示，包括电机I26、RV减速机25、交叉滚子轴承I23，电机I26安装在大臂30上与RV减速机25连接，RV减速机25安装固定在大臂外座27上，RV减速机25的输出轴通过减速机连接法兰24与交叉滚子轴承I23的内圈连接在一起，交叉滚子轴承I23外圈与大臂外座27连接在一起，这样可以使大臂30相对于立柱20做旋转运动；该轴的工作形式是在电机I26的驱动作用下，交叉滚子轴承I23的外圈和内圈相对转动，从而使大臂30相对于立柱20在X、Y轴构成的平面内绕旋转轴J2做旋转运动。
具体的：旋转轴J1与旋转轴J2之间，负载连接法兰17、电缸连接法兰21、立柱连接法兰22、交叉滚子轴承I23、减速机连接法兰24上均有通孔，依次连接在一起；负载连接法兰17与电缸推杆连接，立柱连接法兰22外圈与外立柱16连接，交叉滚子轴承I23外圈与大臂外座27连接，减速机连接法兰24与减速机25的输出轴连接，线路经过内立柱11向上穿过负载连接法兰17、电缸连接法兰21、立柱连接法兰22、交叉滚子轴承I23、减速机连接法兰24最后连接至大臂30，为避免对线路造成损坏，大臂30的旋转角度为0～180°。
旋转轴J3结构如图5所示，包括电机II31、谐波减速机I33、传动轴I34、交叉滚子轴承II35，所述电机II31安装在大臂30内，电机II31通过电机连接法兰I32与谐波减速机I33相连接，谐波减速机I33的外壳安装在大臂外座27上，谐波减速机I33的输出轴通过传动轴I34与交叉滚子轴承II35的内圈一侧相连接，交叉滚子轴承II35内圈的另一侧与小臂外座36相连接，交叉滚子轴承II35的外圈与大臂外座27连接，线孔I37开在大臂30内侧与传动轴I34平行设置，线路经线孔I37和传动轴I34连接至小臂40，传动轴I34的旋转角度为0～180°；该轴的工作形式是在电机II31的驱动作用下，谐波减速机I33的输出轴通过传动轴I34带动与交叉滚子轴承II35内圈相连接的小臂外座36转动，从而实现小臂40相对于大臂30在X、Y轴构成的平面内绕旋转轴J3旋转运动。
旋转轴J4结构如图6所示，包括电机III41、传动轴II44、交叉滚子轴承III45、谐波减速机II，所述电机III41安装在小臂40上，电机III41通过电机连接法兰II42与谐波减速机II43连接，谐波减速机II43外壳安装在小臂外座36上，谐波减速机II43的输出轴通过传动轴II44与交叉滚子轴承III45的内圈连接，交叉滚子轴承III45内圈的另一侧与腕部外座46相连接，交叉滚子轴承III45外圈与小臂外座36连接，线孔II47开在小臂40内侧与传动轴II44平行设置，线路经线孔II47和传动轴II44连接至腕部50，传动轴II44的旋转角度为0～180°；该轴的工作形式是在电机III41的驱动下，谐波减速机II43的输出轴通过传动轴II44，带动与交叉滚子轴承III45内圈相连接的腕部50转动，从而实现腕部50相对于小臂40绕旋转轴J4旋转。
具体的：如图7所示，传动轴I34、传动轴II44为上圆盘71和下圆盘73，中间部分通过半圆弧面的连接板72连接，下圆盘内圈上有走线孔74，外圈上有连接孔75，方便内部走线不易缠绕。
旋转轴J5结构如图8所示，包括电机IV51、谐波减速机III52及交叉滚子轴承IV53，所述电机IV51连接在腕部外座46内，电机IV51输出轴端部伸出腕部外座一端与谐波减速机III52连接，谐波减速机III52的外壳安装在腕部外座46上，腕部外座46另一侧安装有交叉滚子轴承IV53，手术器械连接件60分别连接谐波减速机III52输出轴和交叉滚子轴承IV53内圈，交叉滚子轴承IV53外圈与腕部外座46连接，起支撑作用；该轴的工作形式是在电机IV51的驱动作用下，谐波减速机52的输出轴带动手术器械连接件60转动，从而实现手术器械连接件60相对于腕部50的旋转运动。
本发明一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂在工作时，先由小车10确定其工作位置，由控制系统控制电缸15升降整个机械臂到适当高度，再由电机I26带动大臂30，电机II31带动小臂40在水平面旋转就位至工作位置，电机III41带动腕部50和手术器械连接件60在水平方向0～180°转动，最后电机IV51带动手术器械连接件60在竖直方向0～180°转动。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：包括推车、立柱、大臂、小臂、腕部、手术器械连接件；所述立柱安装在推车上，立柱内部安装有升降轴J1，立柱与大臂一端通过旋转轴J2连接，大臂的另一端与小臂一端通过旋转轴J3连接，小臂的另一端与腕部上端通过旋转轴J4连接，腕部下端与手术器械连接件通过旋转轴J5连接；所述旋转轴J2、J3、J4均与升降轴J1平行设置，大臂绕旋转轴J2旋转，小臂绕旋转轴J3旋转，旋转轴J5与旋转轴J4相互垂直，腕部绕旋转轴J4旋转，手术器械连接件绕旋转轴J5旋转，调整手术器械连接件位姿。
2.根据权利要求1所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述升降轴J1包括电缸、导轨及导轨滑块，内立柱安装在推车底板上，内立柱上固定有导轨，导轨滑块安装在外立柱上；所述内立柱内安装有电缸，电缸外壳固定在内立柱上，电缸推杆通过负载连接法兰连接电缸连接法兰，电缸连接法兰置于立柱连接法兰内，与立柱连接法兰内圈连接，立柱连接法兰外圈与外立柱连接。
3.根据权利要求2所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述立柱连接法兰带有双层阶梯凸台，上层凸台直径小于下层凸台直径，上层凸台上开有固定并支撑交叉滚子轴承的通孔，下层凸台上开有连接外立柱的通孔。
4.根据权利要求2所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述电缸连接法兰外圈开有立柱连接法兰连接孔，内圈带有走线孔和负载连接法兰连接孔。
5.根据权利要求1所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述旋转轴J2包括电机I、RV减速机、交叉滚子轴承I；所述电机I安装在大臂上与RV减速机连接，RV减速机的输出轴通过减速机连接法兰与交叉滚子轴承I内圈及立柱连接法兰连接，交叉滚子轴承I外圈与大臂外座连接。
6.根据权利要求1所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述旋转轴J3包括电机II、谐波减速机I、传动轴I、交叉滚子轴承II；所述电机II安装在大臂内，电机II通过电机连接法兰I与谐波减速机I连接，谐波减速机I的输出轴I通过传动轴I与交叉滚子轴承II内圈一侧连接，交叉滚子轴承II内圈的另一侧与小臂外座连接，交叉滚子轴承II外圈与大臂外座连接。
7.根据权利要求1所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述旋转轴J4包括电机III、传动轴II、谐波减速机II、交叉滚子轴承III，电机III安装在小臂上，电机III通过电机连接法兰II与谐波减速机II连接，谐波减速机II的输出轴II通过传动轴II与交叉滚子轴承III内圈一侧连接，交叉滚子轴承III内圈的另一侧与腕部外座连接，交叉滚子轴承III外圈与小臂外座连接。
8.根据权利要求1所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述旋转轴J5包括电机IV、谐波减速机III及交叉滚子轴承IV；所述电机IV置于腕部外座内，其输出轴端伸出腕部外座一端与谐波减速机III连接，腕部外座另一端安装有交叉滚子轴承IV，手术器械连接件分别连接谐波减速机III的输出轴III和交叉滚子轴承IV内圈，交叉滚子轴承IV外圈与腕部外座连接。
9.根据权利要求5或6所述的一种微创手术机器人悬挂定位定姿机械臂，其特征在于：所述传动轴I、II结构相同，均为一上下圆盘通过连接板连接，圆盘内圈上开有走线孔，外圈上开有连接孔。
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