CN109363772A - 一种柔性单孔微创手术机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性单孔微创手术机器人。该机器人系统包括：多个(编号1至20)柔性单元体、21柔性单元体底座、22顶盘、23导轨、24‑1轴承座、25镍钛合金丝、26螺栓、27‑1丝杆、28‑1丝杆法兰螺母、29‑1法兰螺母座、30螺栓、31‑1轴承座、32、半球壳、33‑1电机、34‑1轴承座支撑架、35‑1联轴器、36底座、多个(编号37至55)弹簧组(每组3个)；本发明机器人关节单元包含的两个旋转轴之间的夹角具有可调功能。本发明的机器人关节灵活性好，柔性部分硬度高，运动灵活多变。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性单孔微创手术机器人，属于机器人技术领域，具体为机器人结构设计。
背景技术
当前，多关节柔性机器人的运动模式分为两类，二维平面式和三维空间式。二维平面式多关节柔性机器人的弯曲所采用的原理主要为：外形平面曲线是由多个子模块之间的相对转动实现。二维平面式多关节柔性机器人的主要问题是：该类机器人只能在一个特定的平面内运动，应用场合有限。三维空间式多关节柔性机器人的弯曲所采用的原理主要为：前后顺次连接的转动关节旋转轴正交，即前后相邻两个旋转轴互相垂直，且该结构固定。这种机器人结构形式的问题之一在于，当机器人在平面内运动时，前后顺次连接的两个转动轴只有一个可以旋转，降低了机动能力。同时，为了保证机器人的灵活度，柔性部分硬度较低，如施加一定的力会导致柔性部分的变形从而降低运动精度。
核心参考文献：作者＝{A.Transeth,R.Leine,C.Glocker,and K.Pettersen},论文题目＝{3-D snake robot motion:Nonsmooth modeling,simulations,andexperiments},期刊名称＝{IEEE Transactions on Robotics},年份＝{2008},卷＝{2},页码＝{361–376},期＝ {24}。
发明内容
本发明提出一种柔性单孔微创手术机器人，具有该结构特征的机器人前后两个单元之间的旋转轴位于两个不同平面内，且两个旋转轴所在空间直线间夹角可以在一定角度内任意调整，通过拉动连接在单元体之间的镍钛合金丝来实现该单元化多关节柔性机器人的运动。
一种柔性单孔微创手术机器人，包括多个柔性单元体、镍钛合金丝、弹簧、柔性单元体底座、半球壳、顶盘、导轨、轴承座、丝杆、丝杆法兰螺母、法兰螺母座、轴承座支撑架、联轴器、底座、电机。一种柔性单孔微创手术机器人由多个前后依次相连的柔性单元体，以及柔性单元体底座和弹簧、镍钛合金丝构成。任意两个依次相连的柔性单元体中，靠近底座的柔性单元体的顶部圆球面与前一个柔性单元体的底部凹陷面相契合，两个柔性单元体之间放置六个弹簧，镍钛合金丝通过柔性单元体底部的六个小孔穿过六个弹簧的中心，将弹簧卡在两个柔性单元体中间，镍钛合金丝与动力部分直接相连。柔性单元体底座头部内含一个圆球面，与一个柔性单元体的凹陷面相配合，镍钛合金丝通过此柔性单元体的六个小孔从底座内部伸出与动力部分相连，底座与半球壳固定连接，半球壳与动力部分顶盘固定连接，半球壳上有六道对称分布的圆弧凹陷，用于束缚镍钛合金丝的运动轨迹。
动力部分的电机出轴通过联轴器与丝杆连接，电机出轴与丝杆转动始终保持一致，电机与底座固定连接，丝杆两端装有两个轴承座，上部轴承座与顶盘固定连接，下部轴承座与轴承座支撑架固定连接，轴承座支撑架与底座固定连接。丝杆上装有法兰螺母，法兰螺母与螺母座固定连接，镍钛合金丝系于螺母的一个空中。丝杆一侧装有一条导轨，用于限制螺母的旋转，减少螺母运动时的自由度，导轨与顶盘固定连接，导轨与底座固定连接。
本发明的优点在于：
(1)相邻两个柔性单元体旋转轴之间的夹角可在一定角度内任意调节；
(2)可以通过增加或减少柔性单元体的数量来实现该类多关节柔性机器人长度的调节；
(3)柔性部分硬度较高，保证灵活性的同时可施加更大的力。
(4)使用丝杆控制，精度更高，柔性部分操作过程中可以进行细微的方向调节。
附图说明
图1是本发明的柔性多关节机器人的总体结构示意图；
图2是本发明的柔性多关节机器人的部分结构示意图；
图3是本发明的柔性多关节机器人的柔性部分总体结构示意图；
图4是本发明的柔性多关节机器人的柔性部分局部结构示意图；
图5是本发明的柔性多关节机器人的柔性部分局部结构示意图；
其中：1柔性单元体、2柔性单元体、3柔性单元体、4柔性单元体、5柔性单元体、 6柔性单元体、7柔性单元体、8柔性单元体、9柔性单元体、10柔性单元体、11柔性单元体、12柔性单元体、13柔性单元体、14柔性单元体、15柔性单元体、16柔性单元体、17柔性单元体、18柔性单元体、19柔性单元体、20柔性单元体、21柔性单元体底座、22顶盘、23导轨、24-1轴承座、25镍钛合金丝、26螺栓、27-1丝杆、28-1丝杆法兰螺母、29-1法兰螺母座、30螺栓、31-1轴承座、32、半球壳、33-1电机、34-1轴承座支撑架、35-1联轴器、36底座、37弹簧组(每组3个)、38弹簧组(每组3个)、39 弹簧组(每组3个)、40弹簧组(每组3个)、41弹簧组(每组3个)、42弹簧组(每组3个)、43弹簧组(每组3个)、44弹簧组(每组3个)、45弹簧组(每组3个)、 46弹簧组(每组6个)、47弹簧组(每组6个)、48弹簧组(每组6个)、49弹簧组 (每组6个)、50弹簧组(每组6个)、51弹簧组(每组6个)、52弹簧组(每组6个)、 53弹簧组(每组6个)、54弹簧组(每组6个)、55弹簧组(每组6个)。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种柔性单孔微创手术机器人，如图1所示，包括1柔性单元体、2柔性单元体、3柔性单元体、4柔性单元体、5柔性单元体、6柔性单元体、7柔性单元体、 8柔性单元体、9柔性单元体、10柔性单元体、11柔性单元体、12柔性单元体、13柔性单元体、14柔性单元体、15柔性单元体、16柔性单元体、17柔性单元体、18柔性单元体、19柔性单元体、20柔性单元体、21柔性单元体底座、22顶盘、23导轨、24-1 轴承座、25镍钛合金丝、26螺栓、27-1丝杆、28-1丝杆法兰螺母、29-1法兰螺母座、 30螺栓、31-1轴承座、32、半球壳、33-1电机、34-1轴承座支撑架、35-1联轴器、36 底座、37弹簧组(每组3个)、38弹簧组(每组3个)、39弹簧组(每组3个)、40弹簧组(每组3个)、41弹簧组(每组3个)、42弹簧组(每组3个)、43弹簧组(每组 3个)、44弹簧组(每组3个)、45弹簧组(每组3个)、46弹簧组(每组6个)、47弹簧组(每组6个)、48弹簧组(每组6个)、49弹簧组(每组6个)、50弹簧组(每组 6个)、51弹簧组(每组6个)、52弹簧组(每组6个)、53弹簧组(每组6个)、54弹簧组(每组6个)、55弹簧组(每组6个)。
一种柔性单孔微创手术机器人柔性部分由多个前后依次相连的柔性单元体1-20，以及镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6、弹簧、柔性单元体底座21和半球壳32构成。任意两个依次相连的柔性单元体中，靠近柔性单元体底座21的柔性单元体的顶部圆球面与靠近首端的柔性单元体的底部凹陷面相契合，1-10相邻两个柔性单元体之间分别放置三个弹簧，镍钛合金丝25-1、25-2、25-4通过柔性单元体底部的三个小孔穿过三个弹簧的中心，将弹簧压在两个柔性单元体中间，10-20相邻两个柔性单元体之间分别放置六个弹簧，镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6通过柔性单元体底部的六个小孔穿过六个弹簧的中心，将弹簧压在两个柔性单元体中间，镍钛合金丝 25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6与动力部分直接相连。柔性单元体底座21头部内含一个圆球面，可以与柔性单元体的凹陷面相配合，镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、 25-5、25-66通过此柔性单元体的六个小孔从柔性单元体底座21内部伸出与动力部分相连，柔性单元体底座21与半球壳32通过螺栓固定连接，半球壳32与动力部分顶盘22 通过螺栓固定连接，半球壳32上有六道对称分布的圆弧凹陷，用于束缚镍钛合金丝 25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6的运动轨迹。
动力部分的电机33-1出轴通过联轴器35-1与丝杆27-1连接，电机33-1出轴与丝杆27-1转动始终保持一致，电机33-1与底座36通过螺丝固定连接，丝杆27-1两端各装有轴承，上部轴承座24-1与顶盘22通过螺栓固定连接，下部轴承座31-1与轴承座支撑架 34-1通过螺栓固定连接，轴承座支撑架34-1与底座36通过螺丝固定连接。丝杆27-1 上装有丝杆法兰螺母28-1，丝杆法兰螺母28-1与法兰螺母座29-1通过螺丝固定连接，镍钛合金丝25-1穿过丝杆法兰螺母28-1的孔，并且再次穿过法兰螺母座29-1的孔，通过两个螺栓顶住镍钛合金丝使其固定。丝杆27-1一侧装有一条导轨23-1，用于限制丝杆法兰螺母28-1的旋转，减少丝杆法兰螺母28-1运动时的自由度，导轨23-1与顶盘22 通过螺栓固定连接，导轨23-1与底座36通过螺丝固定连接。电机33-1通过螺丝与底座 36固定连接。
所述的单元化多关节柔性机器人，保持结构形式不变的情况下，通过更改结构参数，实现对机器人相邻两个柔性单元体之间旋转轴最大夹角的调整。
所述的柔性单元体1-20选用材料聚四氟乙烯，利用其自润滑的特点保证前后两柔性单元体接触面的光滑程度满足要求，柔性单元体1-20柔性单元体底座21、半球壳32 的结构尺寸，包括外直径，内直径和长度均可以调整，以满足机器人整体长度和灵活性的要求。
所述的镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6可选择合适的粗细和长度，弹簧可选择合适的弹性系数，以满足柔性部分的整体协调性。
所述的丝杆27-1、丝杆法兰螺母28-1、法兰螺母座29-1的结构尺寸，包括丝杆直径、螺距、长度均可以调整，以满足机器人动力传输的要求。
所述轴承座24-1、31-1及其内含的轴承可根据实际使用的丝杆27-1的尺寸做调整，所选的轴承座为立式轴承座，在轴承座31-1和底座36之间装配一个轴承座支撑架34-1，是为了固定轴承座31-1，同时避免轴承座31-1与联轴器35-1的直接接触导致联轴器35-1的松动。
所述的联轴器35-1用于固定连接丝杆27-1和电机33-1出轴，可根据丝杆27-1的外径和电机33-1出轴的内径而更换，需保证两者转动始终一致。
所述的电机33-1为28式步进电机，可根据实际工作的需要选择合适扭矩的其他电机。
工作过程：
机器人上电工作，通过程序控制动力部分六个电机的转动，电机通过联轴器带动丝杆的转动，由于丝杆一侧导轨的限制，与丝杆相连的丝杆法兰螺母和螺母座只有一个自由度，丝杆的转动使得丝杆法兰螺母和螺母座在竖直方向上运动，螺母上连有镍钛合金丝，螺母竖直运动时拉动镍钛合金丝，镍钛合金丝与柔性部分直接相连，镍钛合金丝被拉动后，卡在柔性单元体之间的弹簧会被拉伸或者压缩，从而使整个柔性部分弯曲或者回复。
同时，由于该机器人一共有六组动力结构以及六组弹簧镍钛合金丝的组合，通过六组电机的协调配合，可以使机器人柔性部分在空间内任一方向弯曲运动。
按照用户设计的运动控制算法，合理协调机器人的电机运动，将会导致机器人柔性部分按照预期的方向弯曲运动。
Claims (12)
1.一种柔性单孔微创手术机器人，其特征在于，包括1柔性单元体、2柔性单元体、3柔性单元体、4柔性单元体、5柔性单元体、6柔性单元体、7柔性单元体、8柔性单元体、9柔性单元体、10柔性单元体、11柔性单元体、12柔性单元体、13柔性单元体、14柔性单元体、15柔性单元体、16柔性单元体、17柔性单元体、18柔性单元体、19柔性单元体、20柔性单元体、21柔性单元体底座、22顶盘、23导轨、24-1轴承座、25镍钛合金丝、26螺栓、27-1丝杆、28-1丝杆法兰螺母、29-1法兰螺母座、30螺栓、31-1轴承座、32、半球壳、33-1电机、34-1轴承座支撑架、35-1联轴器、36底座、37弹簧组(每组3个)、38弹簧组(每组3个)、39弹簧组(每组3个)、40弹簧组(每组3个)、41弹簧组(每组3个)、42弹簧组(每组3个)、43弹簧组(每组3个)、44弹簧组(每组3个)、45弹簧组(每组3个)、46弹簧组(每组6个)、47弹簧组(每组6个)、48弹簧组(每组6个)、49弹簧组(每组6个)、50弹簧组(每组6个)、51弹簧组(每组6个)、52弹簧组(每组6个)、53弹簧组(每组6个)、54弹簧组(每组6个)、55弹簧组(每组6个)。
一种柔性单孔微创手术机器人柔性部分由多个前后依次相连的柔性单元体1-20，以及镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6、弹簧、柔性单元体底座21和半球壳32构成。任意两个依次相连的柔性单元体中，靠近柔性单元体底座21的柔性单元体的顶部圆球面与靠近首端的柔性单元体的底部凹陷面相契合，1-10相邻两个柔性单元体之间分别放置三个弹簧，镍钛合金丝25-1、25-2、25-4通过柔性单元体底部的三个小孔穿过三个弹簧的中心，将弹簧压在两个柔性单元体中间，10-20相邻两个柔性单元体之间分别放置六个弹簧，镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6通过柔性单元体底部的六个小孔穿过六个弹簧的中心，将弹簧压在两个柔性单元体中间，镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6与动力部分直接相连。柔性单元体底座21头部内含一个圆球面，可以与柔性单元体的凹陷面相配合，镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-66通过此柔性单元体的六个小孔从柔性单元体底座21内部伸出与动力部分相连，柔性单元体底座21与半球壳32通过螺栓固定连接，半球壳32与动力部分顶盘22通过螺栓固定连接，半球壳32上有六道对称分布的圆弧凹陷，用于束缚镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6的运动轨迹。
动力部分的电机33-1出轴通过联轴器35-1与丝杆27-1连接，电机33-1出轴与丝杆27-1转动始终保持一致，电机33-1与底座36通过螺丝固定连接，丝杆27-1两端各装有轴承，上部轴承座24-1与顶盘22通过螺栓固定连接，下部轴承座31-1与轴承座支撑架34-1通过螺栓固定连接，轴承座支撑架34-1与底座36通过螺丝固定连接。丝杆27-1上装有丝杆法兰螺母28-1，丝杆法兰螺母28-1与法兰螺母座29-1通过螺丝固定连接，镍钛合金丝25-1穿过丝杆法兰螺母28-1的孔，并且再次穿过法兰螺母座29-1的孔，通过两个螺栓顶住镍钛合金丝使其固定。丝杆27-1一侧装有一条导轨23-1，用于限制丝杆法兰螺母28-1的旋转，减少丝杆法兰螺母28-1运动时的自由度，导轨23-1与顶盘22通过螺栓固定连接，导轨23-1与底座36通过螺丝固定连接。电机33-1通过螺丝与底座36固定连接。
机器人可以通过控制电机33-1的转动，可以使机器人柔性部分在空间内任一方向弯曲运动。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的单元化多关节柔性机器人，保持结构形式不变的情况下，通过更改结构参数，实现对机器人相邻两个柔性单元体之间旋转轴最大夹角的调整。
3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的柔性单元体1-20选用材料聚四氟乙烯，利用其自润滑的特点保证前后两柔性单元体接触面的光滑程度满足要求，柔性单元体1-20、柔性单元体底座21、半球壳32的结构尺寸，包括外直径，内直径和长度均可以调整，以满足机器人整体长度和灵活性的要求。
4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的镍钛合金丝25-1、25-2、25-3、25-4、25-5、25-6可选择合适的粗细和长度，弹簧17可选择合适的弹性系数，以满足柔性部分的整体协调性。
5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的丝杆27-1、丝杆法兰螺母28-1、法兰螺母座29-1的结构尺寸，包括丝杆27-1直径、螺距、长度均可以调整，以满足机器人动力传输的要求。
6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的导轨23-1的长度可根据丝杆27-1的长度而改变，导轨用于限制法兰螺母座29-1的转动，使得法兰螺母座29-1只能在竖直方向运动。
7.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，轴承座24-1、31根据实际使用的丝杆27-1的尺寸可做调整，所选的轴承座为立式轴承座，在轴承座31-1和底座36之间装配一个轴承座支撑架34-1，是为了固定轴承座31-1，同时避免轴承座31-1与联轴器35-1的直接接触导致联轴器35-1的松动。
8.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的联轴器35-1用于固定连接丝杆27-1和电机33-1出轴，可根据丝杆27-1的外径和电机33-1出轴的内径而更换，需保证两者转动始终一致。
9.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的电机33-1为28式步进电机，可根据实际工作的需要选择合适扭矩的其他电机。
10.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的电机控制系统可根据用户需求设定，使得机器人柔性部分按照用户期望弯曲运动。
11.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的三根钢丝绳为一组，可以控制其转动特定的角度，本专利运用了两组。
12.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的弹簧组37～45为每组3个弹簧，46～55为每组6个弹簧，可根据实际需求改变组数和每组弹簧的数量。
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