CN109500806B - 一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，柔性机械臂由多个具有两个平面弯转自由度的关节首尾串联而成，从而实现柔性机械臂的多自由度；单关节设置多个中空的第一通孔组，并且在柔性机械臂伸直状态下，各单关节对应位置第一通孔组同轴，从而形成柔性机械臂的多个操作通道；单关节设置至少四根驱动丝，将至少四根驱动丝分为两组，同一组驱动丝至少包括两根驱动丝，位于同一组驱动丝一端连接第一子驱动装置，另一组驱动丝一端连接第二子驱动装置，位于同一组驱动丝运动时进退量始终保持相等，使单关节由第一子驱动装置和第一子驱动装置分别驱动两组驱动丝的进退运动从而实现两个方向的弯曲运动，实现单关节上两个平面弯转自由度。

Description

一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统

技术领域

本发明涉及机械设备，具体地，涉及一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统。

背景技术

随着机器人学和机器人技术的不断发展，机器人在工业及科技的各个领域应用都愈加广泛。其中柔性机械臂作为一种新兴的机器人，多个国家已经开始涉足柔性机械臂的研究和开发。我国在柔性机械臂方面的研发与日本、美国等科技发达国家相比虽起步较晚，但是目前也已开展了大量工作，并取得了一定的成绩。

柔性机械臂的一个典型应用是医疗领域，尤其是微创医疗领域。其功能端通常是串联的柔性机械臂，用以代替医生的手工操作来完成特定的操作，例如夹持、取样、异物剪切等。柔性机械臂的另一个典型是工业管道探测领域，用于实现检测工人难以覆盖到的区域的工业探测。

因此，柔性机械臂适用于空间狭小有限且对灵活性要求较高的场合。设计同时满足尺寸和自由度要求并且保证精确性和稳定性的机械机构将是柔性机械臂研发的重点内容，也是一个难点。

经检索，公开号为105313112A、108393924A、103948435A的中国发明专利分别涉及三种多自由度柔性机器人。公开号为105313112A以及103948435A的中国发明专利公开的柔性机器人通过在机械臂末端设置操作工具来完成特定的单一操作，功能有限，并且后者结构较为复杂，成本较高。公开号为108393924A以及103948435A的中国发明专利公开的柔性机器人运动相互耦合，运动控制相对复杂。

因此，目前需要提供一种辅助操作多样、运动控制简单的柔性机械臂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种辅助操作多样、可靠且易于实现的多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，用于空间有限且对灵活度要求较高但受力不大的场合。

根据本发明提供一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，包括柔性机械臂、驱动装置及底板，其中所述底板用于固定所述柔性机械臂和所述驱动装置，其特征在于：

所述柔性机械臂由多个具有两个平面弯转自由度的单关节首尾串联而成，从而实现所述柔性机械臂的多自由度；所述单关节设置多个中空的第一通孔组，并且在所述柔性机械臂伸直状态下，各所述单关节对应位置所述第一通孔组同轴，从而形成所述柔性机械臂的多个操作通道；

相邻所述单关节均通过骨架丝相连，所述骨架丝用于支撑相邻所述单关节，使各所述单关节变形均匀；

所述驱动装置包括多个子驱动装置组，所述子驱动装置组包括第一子驱动装置和第二子驱动装置；

所述单关节设置至少四根驱动丝，将至少四根所述驱动丝分为两组，同一组所述驱动丝包括至少两根所述驱动丝，位于同一组所述驱动丝一端连接所述第一子驱动装置，另一组所述驱动丝一端连接所述第子二驱动装置，位于同一组所述驱动丝运动时进退量始终保持相等，使所述单关节由所述第一子驱动装置和所述第二子驱动装置分别驱动两组所述驱动丝的进退运动从而实现两个方向的弯曲运动，实现所述单关节上两个平面弯转自由度。

通过调整串联的模块化单关节的数量可以有效调整柔性机械臂的自由度数和灵活程度；柔性机械臂内部有多个操作通道，可以通过多个柔性器械完成不同的辅助操作。

单关节通过两个弯曲方向的耦合，即同时驱动两组的四根驱动丝可以使该单关节向预定的方向发生弯曲。

优选地，所述柔性机械臂和所述驱动装置之间设置由多根光轴竖直排列而成的驱动丝变向装置，所述驱动丝通过所述柔性机械臂末端穿出的绕经所述光轴连接所述驱动装置，从而实现所述驱动丝的变向。

优选地，所述单关节均由多个结构相同的关节片沿着其轴向间隔排列组成，其中，上一所述单关节的末端关节片是相邻下一所述单关节的第一关节片，实现相邻所述单关节之间的过渡，所述驱动丝的另一端通过夹紧件固定于位于所述单关节的所述第一关节片上。

优选地，所述关节片设置第二通孔、第三通孔组和第四通孔组，其中，所述第二通孔用于骨架丝穿过，所述第二通孔的轴线与所述关节片的轴线重合；所述第三通孔组包括四个第三通孔，所述第三通孔组用于所述单关节的两组所述驱动丝穿过，用于同一组所述驱动丝穿过的两个所述第三通孔的轴线分别关于所述关节片的轴线对称；所述第四通孔组设置于所述关节片的轴线周围，所述第四通孔组用于穿过相邻上一所述单关节穿出的所述驱动丝。

优选地，所述第三通孔组呈十字状轴对称分布，当所述第一子驱动驱动所述同一组驱动丝运动时，另一组驱动丝所处平面与此时的弯曲平面正交，故另一组驱动丝长度不变，因此，其中一组驱动丝的运动不会影响另一组驱动丝的长度，从而实现所述单关节两个自由度之间的解耦；所述第四通孔组靠近所述关节片的轴线，因此所述单关节的弯曲运动对第四通孔组内驱动丝长度的影响可忽略不计，即不影响由所述单关节上一关节穿出驱动丝的长度，从而用以实现不同所述单关节之间运动的解耦。

优选地，所述驱动装置还包括转轴以及支架，所述子驱动装置组通过第一轴承和第一轴套固定于所述转轴上，所述转轴固定于所述支架上。

优选地，所述第一子驱动装置还包括第一位移放大装置、第一驱动源、第一驱动丝末端固定板；所述第一位移放大装置包括第一上压板、第一下压板、第一推杆，所述第一驱动丝末端固定板设置于所述第一上压板上，所述第一驱动丝末端固定板设置上下对称的驱动丝安装孔，使同一组所述驱动丝运动时进退量始终保持相等；所述第一位移放大装置通过所述第一推杆连接所述第一驱动源；

优选地，所述第一推杆两侧均设置第一滚轮，所述第一滚轮的轴线与所述转轴平行；所述第一上压板、所述第一下压板下部具有向内凹陷的半腔体，可形成一个完整的腔体以容纳所述第一推杆及所述第一滚轮，并使所述第一滚轮可相对腔体滚动，从而将所述第一驱动源驱动所述第一推杆的前后直线运动转换并放大为所述第一上压板和所述第一下压板绕所述转轴的转动，从而带动所述第一驱动丝末端固定板绕所述转轴转动；

优选地，所述第二子驱动装置还包括第二位移放大装置、第二驱动源、第二驱动丝末端固定板；所述第二位移放大装置包括第二上压板、第二下压板、第二推杆，所述第二驱动丝末端固定板设置于所述第二上压板上，所述第二驱动丝末端固定板设置上下对称的驱动丝安装孔，使另一组所述驱动丝运动时进退量始终保持相等；所述第二位移放大装置通过所述第二推杆连接所述第二驱动源；

优选地，所述第二推杆两侧均设置第二滚轮，所述第二滚轮的轴线与所述转轴平行；所述第二上压板、所述第二下压板下部具有向内凹陷的半腔体，可形成一个完整的腔体以容纳所述第二推杆及所述第二滚轮，并使所述第二滚轮可相对腔体滚动，从而将所述第二驱动源驱动所述第二推杆的前后直线运动转换并放大为所述第二上压板和所述第二下压板绕所述转轴的转动，从而带动所述第二驱动丝末端固定板绕所述转轴转动。

优选地，所述子驱动装置组的数量与柔性机械臂的自由度数量相等。

优选地，所述第一驱动源为电动驱动源，包括第一直流电机及其控制系统、第一直线运动模块，所述第一直线运动模块包括第一滚珠丝杠、第一螺母副、第一导向杆、第二轴承、第一螺母副-推杆连接板、第一丝杠安装架、第一安装架端盖以及第一电机安装架，所述第一滚珠丝杠与所述第一螺母副螺旋配合，所述第一螺母副通过第一螺母副-推杆连接板连接所述第一推杆，所述第一导向杆与所述第一滚珠丝杠轴线平行并穿过所述第一螺母副进行导向，所述第一丝杠安装架与第一安装架端盖连接，所述第一滚珠丝杠通过所述第二轴承固定于所述第一丝杠安装架与第一安装架端盖内，所述第一电机安装架与所述第一丝杠安装架端盖连接，所述第一电机安装架用于固定所述第一直流电机，所述第一直流电机轴与所述滚珠丝杠相连。所述第一直流电机驱动所述第一螺母副连同所述第一螺母副-推杆连接板前后直线运动，从而实现所述第一推杆的前后直线运动；

优选地，所述第二驱动源为电动驱动源，包括第二直流电机及其控制系统、第二直线运动模块；所述第二直线运动模块包括第二滚珠丝杠、第二螺母副、第二导向杆、第三轴承、第二螺母副-推杆连接板、第二丝杠安装架、第二安装架端盖以及第二电机安装架，其中，所述第二滚珠丝杠与所述第二螺母副螺旋配合，所述第二螺母副通过第二螺母副-推杆连接板连接所述第二推杆，所述第二导向杆与所述第二滚珠丝杠轴线平行并穿过所述第二螺母副进行导向，所述第二丝杠安装架与第二安装架端盖连接，所述第二滚珠丝杠通过所述第三轴承固定于所述第二丝杠安装架与第二安装架端盖内；所述第二电机安装架与所述第二丝杠安装架端盖连接，所述第二电机安装架用于固定所述第二直流电机，所述第二直流电机轴与所述第二滚珠丝杠相连；所述第二直流电机驱动所述第二螺母副连同所述第二螺母副-推杆连接板前后直线运动，从而实现所述第二推杆的前后直线运动。

优选地，所述柔性机械臂包括2个所述单关节，所述柔性机械臂包括3个所述操作通道，可满足实际应用场合对所述柔性机械臂灵活性的要求。所述操作通道尺寸分别为5.5mm、4.1mm和4.1mm，可供柔性操作器械通过，所述柔性机械臂的最大直径为16mm。在医用领域中，柔性臂的直径越小也意味着手术切口越小，效果越好。

优选地，所述骨架丝及所述驱动丝分别采用镍钛合金丝，镍钛合金丝具有超弹性、耐磨损等优点。

优选地，所述柔性操作器械包括医用柔性活检钳、柔性摄像头、柔性探测仪或医用柔性剪刀。

本发明柔性机械臂单关节单自由度的弯曲运动情况如下：子驱动装置组中的一子驱动装置拉动同一单关节同一组的两根驱动丝，由于两根驱动丝的末端在驱动装置的驱动丝末端固定板上对称分布，因此这两根驱动丝在关节片上的通孔内滑动并实现进退量始终保持相等的伸缩运动；由于驱动丝的一端被夹紧件固定在单关节的第一关节片上，从而带动单关节的第一关节片及其他关节片一起向被拉的一侧发生偏转，处于本关节段的骨架丝受到本单关节运动影响同时发生偏转，此时本单关节发生均匀的弯曲变形，该组的两根驱动丝处于弯曲变形面上，本单关节单自由度的弯曲运动完整形成；由于本单关节的第一关节片是上一单关节的末端关节片，因此上一关节的伸直方向与本单关节第一关节片的方向一致，但本单关节的运动不影响下一单关节的位置和方向；同时，本单关节另一组的两根驱动丝所处平面与变形平面正交解耦，并且供上一关节穿出的驱动丝的通孔靠近骨架丝，因此除了本单关节弯曲变形面上的两根驱动丝外，其余驱动丝及骨架丝与通孔之间无相对滑动，长度也不变。本发明所述单关节通过两个弯曲方向的耦合，即同时驱动两组的四根驱动丝，可以使该单关节向预定的方向发生弯曲。

同时，所述柔性机械臂可以通过所述单关节的串联来获得多个自由度，并通过各串联单关节的弯曲变形使得所述柔性机械臂的末端达到预定的位置和姿态，同时也为操作通道内的柔性器械提供需要的位置和姿态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，整个柔性机械臂由多个模块化的单关节串联而成，结构简单可靠，易于组装及拆卸、更换，操作和维护方便；柔性机械臂各单关节内部以及各单关节之间的运动相互解耦，控制简单；此外，柔性机械臂内部具有多个中空操作通道，可以用于搭载多种柔性工具，完成多种操作，而不仅仅是单一特定的操作，功能更为通用化和多样化。

本发明所述的多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统具有足够多的自由度，尤其是通过调整串联的模块化单关节的数量可以有效调整柔性机械臂的自由度数和灵活程度；柔性机械臂内部有多个操作通道，可以通过多个柔性器械完成不同的辅助操作；柔性机械臂的单关节由多个结构相同的关节片沿着其轴向间隔排列而成，内部设有骨架丝用于关节片的固定和支撑，单关节弯曲运动更加平稳，且可以完成大角度的弯曲，同时单关节的刚度更高；同一单关节内两个自由度方向的运动以及不同单关节之间的运动相互独立解耦，便于控制程序的编写设计；结构简单且内部关节片相同的单关节模块化设计，便于加工和更换，可显著降低制造和维护成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中柔性机械臂系统整体结构立体图；

图2为本发明一实施例中柔性机械臂的平面结构示意图；

图3为本发明一实施例中关节片的通孔分布平面示意图；

图4为本发明一实施例中骨架丝和驱动丝的分布情况图；

图5为本发明一实施例中驱动装置立体图；

图6a为本发明一实施例中第一子驱动装置的组成图；

图6b为本发明一实施例中第一子驱动装置的组成图；

图7a为本发明一实施例中第二子驱动装置的组成图；

图7b为本发明一实施例中第二子驱动装置的组成图；

图8为本发明一实施例中底板及驱动丝变向装置立体图。

图中标记分别表示为：柔性机械臂1、驱动丝变向装置2、驱动装置3、底板4、单关节5、导向头端6、骨架丝7、第一关节片8、中间关节片9、末端关节片10、法兰11、通孔12、通孔13、通孔14、通孔15、通孔16、通孔17、通孔18、通孔19、通孔20、通孔21、通孔22、通孔23、操作通道24、夹紧件25、操作通道26、驱动丝27、驱动丝28、驱动丝29、驱动丝30、操作通道31、驱动丝32、驱动丝33、驱动丝34、驱动丝35、第一子驱动装置36a、第二子驱动装置36b、转轴37、支架38、第一上压板39a、第二上压板39b、轴套40、第一轴承41、第一滚轮42a、第二滚轮42b、第一推杆43a、第二推杆43b、第一螺母副-推杆连接板44a、第二螺母副-推杆连接板44b、第一螺母副45a、第二螺母副45b、第一滚珠丝杠46a、第二滚珠丝杠46b、第一导向杆47a、第二导向杆47b、第一直流电机及其控制系统48a、第二直流电机及其控制系统48b、第一电机安装架49a、第二电机安装架49b、第一安装架端盖50a、第二安装架端盖50b、第一丝杠安装架51a、第二丝杠安装架51b、半腔体52a、半腔体52b、半腔体53a、半腔体53b、第一下压板54a、第二下压板54b、第一驱动丝末端固定板55a、第二驱动丝末端固定板55b、第一驱动丝安装孔56a、第二驱动丝安装孔56b、第一驱动丝安装孔57a、第二驱动丝安装孔57b、光轴安装架58、光轴59、通孔60、通孔61、通孔62、通孔63、通孔64、通孔65。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-8所示，为本发明一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统的一优选实施例的结构示意图，图中包括柔性机械臂1、驱动丝变向装置2、驱动装置3以及底板4，其中：驱动丝变向装置2用于改变驱动丝的方向，底板4用于固定柔性机械臂1、驱动丝变向装置2及驱动装置3。

如图2所示，柔性机械臂1包含多个首尾串联的单关节5、导向头端6、骨架丝7以及末端安装法兰11，其中：单关节5由多个结构相同的关节片沿着其轴向间隔排列而成，关节片可具体分为第一关节片8、中间关节片9和末端关节片10；上一单关节5的末端关节片10是下一个单关节5的第一关节片8，从而实现上下关节之间的过渡；导向头端6与第一个单关节5的第一关节片8连接，末端安装法兰11与最后一个单关节5的末端关节片10连接。

单关节5的关节片上开设有第一通孔组、第二通孔、第三通孔组、第四通孔组。其中，第一通孔组用于形成柔性机械臂的多个操作通道；第二通孔用于穿过骨架丝7，第三通孔组用于单关节5的两组驱动丝穿过；第三通孔组包括四个第三通孔，且用于同一组驱动丝穿过的第三通孔组中两个第三通孔的两条轴线关于关节片的轴线对称；第四通孔组设置于关节片的轴线周围，第四通孔组用于穿过相邻上一关节穿出的驱动丝。

如图3-4所示，图中包括通孔12至通孔23。在柔性机械臂1处于伸直状态时，各关节片对应通孔12至通孔23同轴且其轴线与关节片中心线平行，其中：通孔12、通孔15和通孔21为第一通孔组，通过各个单关节5的第一通孔组分别形成柔性机械臂内部中空操作通道24、操作通道26和操作通道31。通孔18为第二通孔，通孔18用于穿过骨架丝7。用于供驱动丝通过的通孔可分为第三通孔组和第四通孔组两类：通孔14、通孔16、通孔20和通孔23为第三通孔组，分别用于通过本单关节5的驱动丝27、驱动丝28、驱动丝29和驱动丝30，其中，通孔14和通孔20为同一组，穿过一组驱动丝，通孔16和通孔23为同一组，通过另一组驱动丝。通孔13、通孔17、通孔19和通孔22为第四通孔组，分别用于通过上一单关节5穿出的所有驱动丝34、驱动丝35、驱动丝32和驱动丝33，其中，通孔13和通孔19为同一组，穿过一组驱动丝，通孔17和通孔22为同一组，穿过另一组驱动丝。

如图3所示，在一实施例中，供骨架丝7穿过的通孔18位于关节片的中心处；用于驱动丝穿过的两类通孔14、通孔16、通孔20和通孔23以及通孔13、通孔17、通孔19和通孔22，均呈十字状轴对称分布，可实现单关节5两个自由度的解耦。用于供上一单关节5穿出的驱动丝穿过的一类通孔13、通孔17、通孔19和通孔22分布在靠近关节片中心位置处，因此该单关节5弯曲变形时引起上一单关节5穿出驱动丝的长度变化可忽略不计，可实现不同单关节5之间运动的解耦。

如图4所示，驱动丝的另一端通过夹紧件25固定于单关节5的第一关节片8上。驱动丝27、驱动丝28、驱动丝29、驱动丝30与分别与通孔14、通孔16、通孔20和通孔23之间都可产生相对运动；驱动丝32、驱动丝33、驱动丝34、驱动丝35分别通孔13、通孔17、通孔19和通孔22与之间都可产生相对运动，且运动互不干涉；单关节5的骨架丝7用于连接和支撑，单关节5的每个关节片固连在骨架丝7上。

如图5所示，本实施例在具体实施时：驱动装置3包含了两个子驱动装置组、转轴37和支架38。其中一个子驱动装置组包括第一子驱动装置36a、第二子驱动装置36b。子驱动装置组的数量与柔性机械臂1的自由度数量相等；子驱动装置组通过轴套40和第一轴承41固定在转轴37上；转轴37固定在支架38上。

第一子驱动装置36a包括第一位移放大装置、第一驱动丝末端固定板55a、第一驱动源。

如图6a、图6b所示：第一驱动源为电动驱动源，包括第一直流电机及其控制系统48a以及第一直线运动模块；第一直线运动模块包括第一滚珠丝杠46a、第一螺母副45a、第一导向杆47a、第二轴承、第一螺母副-推杆连接板44a、第一丝杠安装架51a及第一安装架端盖50a以及第一电机安装架49a，第一滚珠丝杠46a与第一螺母副45a螺旋配合，第一螺母副45a通过第一螺母副-推杆连接板44a连接第一推杆43a，第一导向杆47a与第一滚珠丝杠46a轴线平行并穿过第一螺母副45a进行导向，第一丝杠安装架51a与第一安装架端盖50a连接，第一滚珠丝杠46a通过第二轴承固定于第一丝杠安装架51a与第一安装架端盖50a内，第一电机安装架49a与第一丝杠安装架51a端盖连接，第一电机安装架49a用于固定第一直流电机，第一直流电机轴与第一滚珠丝杠46a相连；第一直流电机及其控制系统48a驱动第一螺母副45a连同第一螺母副-推杆连接板44a前后直线运动，从而实现第一推杆43a的前后直线运动。

第一位移放大装置包括第一上压板39a、第一下压板54a以及第一推杆43a，第一推杆43a两侧均安装有第一滚轮42a，其轴线与转轴37的轴线始终平行；第一上压板39a下部具有向内凹陷的半腔体52a，第一下压板54a下部具有向内凹陷的半腔体53a，第一上压板39a和第一下压板54a配合连接，可形成一个完整的腔体以容纳第一推杆43a及第一滚轮42a并使第一滚轮42a可相对腔体滚动，从而将第一驱动源驱动第一推杆43a的前后直线运动转换并放大为第一上压板39a、第一下压板54a绕转轴37的转动。第一驱动丝末端固定板55a安装于第一上压板39a上，第一驱动丝末端固定板55a设有上下对称的第一驱动丝安装孔56a和第一驱动丝安装孔57a用于安装同一组驱动丝的末端，可保证同一组的两根驱动丝运动时进退量始终保持相等。第一驱动丝末端固定板55a随第一上压板39a绕转轴37转动，即同一组驱动丝末端绕转轴37转动。

第二子驱动装置36b包括第二位移放大装置、第二驱动丝末端固定板55b、第二驱动源。

如图7a、图7b所示：第二驱动源为为电动驱动源，包括第二直流电机及其控制系统48b以及第二直线运动模块；第二直线运动模块包括第二滚珠丝杠46b、第二螺母副45b、第二导向杆47b、第三轴承、第二螺母副-推杆连接板44b、第二丝杠安装架51b及第二安装架端盖50b以及第二电机安装架49b，第二滚珠丝杠46b与第二螺母副45b螺旋配合，第二螺母副45b通过第二螺母副-推杆连接板44b连接第二推杆43b，第二导向杆47b与第二滚珠丝杠46b轴线平行并穿过第二螺母副45b进行导向，第二丝杠安装架51b与第二安装架端盖50b连接，第二滚珠丝杠46b通过第三轴承固定于第二丝杠安装架51b与第二安装架端盖50b内；第二电机安装架49b与第二丝杠安装架端盖50b连接，第二电机安装架49b用于固定第二直流电机，第二直流电机轴与第二滚珠丝杠51b相连；第二直流电机及其控制系统48b驱动第二螺母副45b连同第二螺母副-推杆连接板44b前后直线运动，从而实现第二推杆43b的前后直线运动。

第二位移放大装置包括第二上压板39b、第二下压板54b以及第二推杆43b，第二推杆43b两侧均安装有第二滚轮42b，其轴线与转轴37的轴线始终平行；第二上压板39b下部具有向内凹陷的半腔体52b，第二下压板54b下部具有向内凹陷的半腔体53b，第二上压板39b和第二下压板54b配合连接，可形成一个完整的腔体以容纳第二推杆43b及第二滚轮42b并使第二滚轮42b可相对腔体滚动，从而将第二驱动源驱动第二推杆43b的前后直线运动转换并放大为第二上压板39b、第二下压板54b绕转轴37的转动。第二驱动丝末端固定板55b安装于第二上压板39b上，第二驱动丝末端固定板55b设有上下对称的第二驱动丝安装孔56b和第二驱动丝安装孔57b用于安装另一组驱动丝的末端，可保证另一组的两根驱动丝运动时进退量始终保持相等。第二驱动丝末端固定板55b随第二上压板39b绕转轴37转动，即同一组驱动丝末端绕转轴37转动。

在部分一优选实施例中，如图6b、7b所示，可设置多组中心距不同的第一驱动丝末端安装孔56a和第一驱动丝末端安装孔57a和第二驱动丝末端安装孔56b和第二驱动丝末端安装孔57b，不同的中心距对应不同的位移放大倍数，从而适应不同的需要。

如图8所示，底板4上开设有多个通孔60至通孔65，其中：通孔60为与工业机器人连接的接口法兰；通孔65为操作通道孔，与关节片上的操作通道孔12、操作通道孔15、操作通道孔21相对应；通孔62用于通过最后一个关节的驱动丝，与关节片上的供驱动丝穿过的通孔14、通孔16、通孔20、通孔23相对应；通孔63用于通过其余关节的驱动丝，与关节片上的供驱动丝穿过的通孔13、通孔17、通孔19、通孔22相对应；通孔64用于安装柔性机械臂1的末端安装法兰11；通孔61用于安装驱动丝变向装置2、驱动装置3。

驱动丝变向装置2包含多根光轴59以及光轴安装架58，光轴59竖直排列并安装在光轴安装架58上，驱动丝经底板4上的供驱动丝穿过的通孔(62/63)后绕经光轴59后固定至驱动丝末端固定板55的安装孔(56/57)上，从而实现驱动丝的变向。优选地，可在光轴59上设置两个滑轮用于减小驱动丝与光轴59之间的摩擦。

在本实施例在实施的过程中，多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统单关节5单自由度的运动情况：

单关节5的子驱动装置组中的第一驱动装置36a将第一直流电机的旋转运动通过第一滚珠丝杠46a、第一螺母副45a、第一导向杆47a以及第一螺母副-推杆连接板44a转化为第一推杆43a的前后直线运动，从而通过第一位移放大装置上的第一驱动丝末端安装板55a拉动同组驱动丝27和29分别进行运动量时刻相等的拉推运动。由于驱动丝27通过夹紧件25固定在单关节5的第一关节片8上且受拉，从而会带动夹紧件25、第一关节8、骨架丝7以及单关节5的上部关节整体向被拉的一侧偏转，同时驱动丝27在各关节片的通孔内滑动；骨架丝7产生弯曲变形，并向单关节5的中间关节片9以及末端关节片10施加弹力，迫使单关节5的中间关节片9以及末端关节片10依次向同一侧发生偏转，最终形成单关节5的均匀变形；驱动丝29在此期间也在各通孔内受迫滑动，方向与驱动丝27的滑动方向相反，单关节5单自由度的弯曲动作完成。

同时，单关节5另一组的两根驱动丝28和驱动丝30所处平面与弯曲变形平面正交解耦，并且供上一关节穿出的驱动丝的通孔靠近骨架丝7，因此除了本单关节5弯曲变形面上的两根驱动丝外，其余驱动丝及骨架丝7与通孔之间无相对滑动，长度也不变。本实施例单关节5通过两个弯曲方向的耦合，即同时驱动两组的四根驱动丝27、驱动丝28、驱动丝29、驱动丝30，可以使该单关节5向预定的方向发生弯曲。同时，柔性机械臂1可以通过单关节5的串联来获得多个自由度，并通过各串联单关节5的弯曲变形使得柔性机械臂1的末端头部6达到预定的位置和姿态，同时也为操作通道24、操作通道26、操作通道31内的柔性器械提供需要的位置和姿态。

本实施例在具体实施时：柔性机械臂的最大尺寸为16mm，对应的操作通道数为3。在通过优化驱动丝和骨架丝7的固定方式以及减少操作通道的数量，可使柔性机械臂尺寸可进一步缩小。在医用领域中，柔性臂的直径越小也意味着手术切口越小，效果越好。多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统的操作通道可搭载柔性医疗器械或者探测仪，适用于空间受限且对自由度要求高的场合，如医用场合或工业管道检测场合。

本发明中驱动丝和骨架丝7的具体固定方式可以按照现有技术实施，只要实现上述的作用和目的即可。骨架丝7的直径可以为1.2mm，驱动丝的直径可以为0.3mm。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，包括柔性机械臂、驱动装置及底板，其中所述底板用于固定所述柔性机械臂和所述驱动装置，其特征在于：

所述柔性机械臂由多个具有两个平面弯转自由度的单关节首尾串联而成，从而实现所述柔性机械臂的多自由度；所述单关节设置多个中空的第一通孔组，并且在所述柔性机械臂伸直状态下，各所述单关节对应位置所述第一通孔组同轴，从而形成所述柔性机械臂的多个操作通道；

相邻所述单关节均通过骨架丝相连，所述骨架丝用于支撑相邻所述单关节，使各所述单关节变形均匀；

所述驱动装置包括多个子驱动装置组，所述子驱动装置组包括第一子驱动装置和第二子驱动装置；

所述单关节设置至少四根驱动丝，将至少四根所述驱动丝分为两组，同一组所述驱动丝包括至少两根所述驱动丝，位于同一组所述驱动丝一端连接所述第一子驱动装置，另一组所述驱动丝一端连接所述第二子驱动装置，位于同一组所述驱动丝运动时进退量始终保持相等，使所述单关节由所述第一子驱动装置和所述第二子驱动装置分别驱动两组所述驱动丝的进退运动从而实现两个方向的弯曲运动，实现所述单关节上两个平面弯转自由度；

所述驱动装置还包括转轴以及支架，所述子驱动装置组通过第一轴承和第一轴套固定于所述转轴上，所述转轴固定于所述支架上；

所述第一子驱动装置还包括第一位移放大装置、第一驱动源、第一驱动丝末端固定板；所述第一位移放大装置包括第一上压板、第一下压板、第一推杆，所述第一驱动丝末端固定板设置于所述第一上压板上，所述第一驱动丝末端固定板设置上下对称的驱动丝安装孔，使同一组所述驱动丝运动时进退量始终保持相等；所述第一位移放大装置通过所述第一推杆连接所述第一驱动源；所述第一推杆两侧均设置第一滚轮，所述第一滚轮的轴线与所述转轴平行；所述第一上压板、所述第一下压板下部具有向内凹陷的半腔体，可形成一个完整的腔体以容纳所述第一推杆及所述第一滚轮，并使所述第一滚轮可相对腔体滚动，从而将所述第一驱动源驱动所述第一推杆的前后直线运动转换并放大为所述第一上压板和所述第一下压板绕所述转轴的转动，从而带动所述第一驱动丝末端固定板绕所述转轴转动；

所述第二子驱动装置还包括第二位移放大装置、第二驱动源、第二驱动丝末端固定板；所述第二位移放大装置包括第二上压板、第二下压板、第二推杆，所述第二驱动丝末端固定板设置于所述第二上压板上，所述第二驱动丝末端固定板设置上下对称的驱动丝安装孔，使另一组所述驱动丝运动时进退量始终保持相等；所述第二位移放大装置通过所述第二推杆连接所述第二驱动源；所述第二推杆两侧均设置第二滚轮，所述第二滚轮的轴线与所述转轴平行；所述第二上压板、所述第二下压板下部具有向内凹陷的半腔体，可形成一个完整的腔体以容纳所述第二推杆及所述第二滚轮，并使所述第二滚轮可相对腔体滚动，从而将所述第二驱动源驱动所述第二推杆的前后直线运动转换并放大为所述第二上压板和所述第二下压板绕所述转轴的转动，从而带动所述第二驱动丝末端固定板绕所述转轴转动。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述柔性机械臂和所述驱动装置之间设置由多根光轴竖直排列而成的驱动丝变向装置，所述驱动丝通过所述柔性机械臂末端穿出的绕经所述光轴连接所述驱动装置，从而实现所述驱动丝的变向。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述单关节均由多个结构相同的关节片沿着其轴向间隔排列组成，其中，上一所述单关节的末端关节片是相邻下一所述单关节的第一关节片，实现相邻所述单关节之间的过渡，所述驱动丝的另一端固定于位于所述单关节的所述第一关节片上。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述关节片设置第二通孔、第三通孔组和第四通孔组，其中：

所述第二通孔用于骨架丝穿过，所述第二通孔的轴线与所述关节片的轴线重合；

所述第三通孔组包括四个第三通孔，所述第三通孔组用于所述驱动丝穿过，用于同一组所述驱动丝穿过的两个所述第三通孔的轴线分别关于所述关节片的轴线对称；

所述第四通孔组设置于所述关节片的轴线周围，所述第四通孔组用于穿过相邻上一所述单关节穿出的所述驱动丝。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述第三通孔组、所述第四通孔组分别呈十字状轴对称分布，以实现所述关节两个自由度之间的解耦；所述第四通孔组靠近所述关节片的轴线，用以实现不同所述单关节之间运动的解耦。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述第一驱动源为电动驱动源，包括第一直流电机及其控制系统、第一直线运动模块，所述第一直线运动模块包括第一滚珠丝杠、第一螺母副、第一导向杆、第二轴承、第一螺母副-推杆连接板、第一丝杠安装架、第一安装架端盖以及第一电机安装架，所述第一滚珠丝杠与所述第一螺母副螺旋配合，所述第一螺母副通过第一螺母副-推杆连接板连接所述第一推杆，所述第一导向杆与所述第一滚珠丝杠轴线平行并穿过所述第一螺母副进行导向，所述第一丝杠安装架与第一安装架端盖连接，所述第一滚珠丝杠通过所述第二轴承固定于所述第一丝杠安装架与第一安装架端盖内，所述第一电机安装架与所述第一丝杠安装架端盖连接，所述第一电机安装架用于固定所述第一直流电机，所述第一直流电机轴与所述第一滚珠丝杠相连；所述第一直流电机驱动所述第一螺母副连同所述第一螺母副-推杆连接板前后直线运动，从而实现所述第一推杆的前后直线运动。

7.根据权利要求1或6所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述第二驱动源为电动驱动源，包括第二直流电机及其控制系统、第二直线运动模块；所述第二直线运动模块包括第二滚珠丝杠、第二螺母副、第二导向杆、第三轴承、第二螺母副-推杆连接板、第二丝杠安装架、第二安装架端盖以及第二电机安装架，其中，所述第二滚珠丝杠与所述第二螺母副螺旋配合，所述第二螺母副通过第二螺母副-推杆连接板连接所述第二推杆，所述第二导向杆与所述第二滚珠丝杠轴线平行并穿过所述第二螺母副进行导向，所述第二丝杠安装架与第二安装架端盖连接，所述第二滚珠丝杠通过所述第三轴承固定于所述第二丝杠安装架与第二安装架端盖内；所述第二电机安装架与所述第二丝杠安装架端盖连接，所述第二电机安装架用于固定所述第二直流电机，所述第二直流电机轴与所述第二滚珠丝杠相连；所述第二直流电机驱动所述第二螺母副连同所述第二螺母副-推杆连接板前后直线运动，从而实现所述第二推杆的前后直线运动。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述柔性机械臂包括2个所述单关节，所述单关节设置四根所述驱动丝，所述柔性机械臂包括3个所述操作通道，供柔性操作器械通过。

9.根据权利要求8所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述柔性操作器械包括医用柔性活检钳、柔性摄像头、柔性探测仪或医用柔性剪刀。

10.根据权利要求1-6任一项所述的一种多自由度多通道辅助操作柔性机械臂系统，其特征在于：所述骨架丝及所述驱动丝分别采用镍钛合金丝。

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