CN110169825A - 一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，包括基座、位置调整机构、姿态调整机构和夹持机构，所述位置调整机构的一端与所述基座相连接，所述位置调整机构的另一端与所述姿态调整机构相连接，所述夹持机构设置在所述姿态调整机构上，所述位置调整机构包括平行四边形机构，所述平行四边形机构的一端设置有位置补偿机构，本发明所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手实现了机构末端位置和姿态的完全解耦，可独立调整夹持机构的位置和姿态，提高了操作的舒适性和直观性。

Description

一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手。

背景技术

现有的微创手术机器人主操作手从结构上主要可以分为3类：并联型、串-并联混合型以及串联型。并联型和串-并联混合型主操作手工作空间相对较小、灵活性较差、机构复杂度更高。对于串联型主操作手，夹持机构的位置和姿态不是完全解耦的，影响医生操作的舒适性和直观性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，以解决夹持机构的位置和姿态不是完全解耦的，影响医生操作的舒适性和直观性的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，包括基座、位置调整机构、姿态调整机构和夹持机构，所述位置调整机构的一端与所述基座相连接，所述位置调整机构的另一端与所述姿态调整机构相连接，所述夹持机构设置在所述姿态调整机构上，所述位置调整机构包括平行四边形机构，所述平行四边形机构的一端设置有位置补偿机构，所述平行四边形机构用于使所述夹持机构俯仰运动过程中相对于基坐标系的俯仰角保持不变，所述位置补偿机构用于使所述夹持机构水平移动过程中相对于基坐标系偏摆角保持不变，所述平行四边形机构和所述位置补偿机构的共同作用，使所述夹持机构的位置和姿态实现完全解耦。

进一步的，所述平行四边形机构包括第三驱动机构、第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆的一端和所述第三驱动机构固定连接，所述第一连接杆的另一端和所述位置补偿机构转动连接，所述第二连接杆的两端分别和所述第三驱动机构和所述位置补偿机构转动连接，所述第一连接杆和所述第二连接杆在转动过程中保持平行。

进一步的，所述第三驱动机构包括第三驱动电机，所述第三驱动电机的端部设置有行星齿轮减速机，所述行星齿轮减速机的输出轴通过钢丝和丝传动从动轮连接，所述行星齿轮减速机通过钢丝驱动所述丝传动从动轮转动。

进一步的，所述第三驱动电机的端部设置有抱闸。

进一步的，所述位置调整机构还包括第一关节机构和第二关节机构，所述第一关节机构与所述基座固定连接，所述第二关节机构的一端与所述第一关节机构相固定连接，所述第二关节机构的另一端与所述平行四边形机构连接。

进一步的，所述第一关节机构包括第一编码器、第一驱动电机和第一关节杆，所述第一驱动电机安装在所述基座上，所述第一编码器安装在所述第一驱动电机的端部，所述第一关节杆与所述第一驱动电机的输出轴相连接。

进一步的，所述第二关节机构包括第二编码器、第二驱动电机和第二关节杆，所述第二驱动电机安装在所述第一关节杆上，所述第二编码器安装在所述第二驱动电机的端部，所述第二关节杆的一端与所述第二驱动电机的输出轴相连接，所述第二关节杆的另一端和所述第三驱动机构连接。

进一步的，所述位置补偿机构包括补偿电机，所述补偿电机的输出轴连接有补偿关节杆，所述补偿关节杆的端部设置有第四编码器，所述补偿电机旋转角数值等于第一关节机构和第二关节机构的偏摆角度之和，方向相反。

进一步的，所述姿态调整机构包括第五关节杆、第六关节杆、第七关节杆和第八关节杆，所述第五关节杆由第五驱动电机驱动，且所述第五驱动电机和所述补偿关节杆相连接，所述第六关节杆由第六驱动电机驱动，第七关节杆由第七驱动电机驱动，第八关节杆由第八驱动电机驱动，所述第五关节杆、第六关节杆、第七关节杆和第八关节杆的轴线均交汇于一点。

进一步的，所述夹持机构包括夹持电机，所述夹持电机的输出轴设置有夹持器。

相对于现有技术，本发明所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手具有以下优势：

本发明所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手实现了机构末端位置和姿态的完全解耦，可独立调整夹持机构的位置和姿态，提高了操作的舒适性和直观性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的俯仰运动姿态一的侧视图；

图3为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的俯仰运动姿态二的侧视图；

图4为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的局部结构示意图一；

图5为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的局部结构示意图二；

图6为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的俯视图；

图7为本发明实施例所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手的立体结构示意图。

附图标记说明：

1、基座，2、位置调整机构，21、平行四边形机构，211、第三驱动机构，2111、第三驱动电机，2112、行星齿轮减速机，2113、钢丝，2114、丝传动从动轮，212、第一连接杆，213、第二连接杆，22、位置补偿机构，221、补偿电机，222、补偿关节杆，23、第一关节机构，231、第一关节杆，24、第二关节机构，241、第二关节杆，3、姿态调整机构，31、第五关节杆，32、第六关节杆，33、第七关节杆，34、第八关节杆，4、夹持机构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，包括基座1、位置调整机构2、姿态调整机构3和夹持机构4，所述位置调整机构2的一端与所述基座1相连接，所述位置调整机构2的另一端与所述姿态调整机构3相连接，所述夹持机构4设置在所述姿态调整机构3上，该主操作手整体为串联型，具有更大的运动空间和更高的操作灵活性能，所述位置调整机构2控制夹持机构4在三维空间中的位置，所述姿态调整机构3控制夹持机构4在三维空间中的姿态，所述位置调整机构2包括平行四边形机构21，由于平行四边形机构21的约束，主操作手在进行俯仰运动时第一连接杆212始终平行第二连接杆213，即ab始终平行于cd，这保证了主操作手运动过程中姿态调整机构3始终保持水平，所述平行四边形机构21的一端设置有位置补偿机构22，位置补偿机构22通过主动运动，保证补偿电机221的旋转角数值等于主操作手第一关节机构23和第二关节机构24偏摆角度之和，方向相反，从而对因第一关节机构23和第二关节机构24位置调整造成的夹持机构4的角度偏摆进行补偿，通过位置补偿机构22的主动调整，保证夹持机构4相对于基础坐标系的偏摆角将不随着主操作手位置调整机构的运动而改变，所述平行四边形机构21用于使所述夹持机构4俯仰运动过程中保持水平，所述位置补偿机构22用于使所述夹持机构4水平移动过程中偏摆角度保持不变，所述平行四边形机构21和所述位置补偿机构22共同作用，使所述夹持机构4的位置和姿态实现完全解耦。

实施例2

如图2-5所示，所述平行四边形机构21包括第三驱动机构211、第一连接杆212和第二连接杆213，第一连接杆212的一端和第三驱动机构的丝传动从动轮一体成型，所述第一连接杆212的另一端和所述位置补偿机构22通过转轴转动连接，所述第二连接杆213的两端分别和所述第三驱动机构211和所述位置补偿机构22通过转轴转动连接，位置补偿机构22的补偿电机221的侧面固定设置有槽钢，第一连接杆212和第二连接杆213均通过转轴和槽钢转动连接，所述第一连接杆212和所述第二连接杆213在转动过程中保持平行，保证了主操作手运动过程中夹持机构4始终保持水平。

所述第三驱动机构211包括第三驱动电机2111，所述第三驱动电机2111的端部设置有行星齿轮减速机2112，所述行星齿轮减速机2112的输出轴通过钢丝2113和丝传动从动轮2114连接，为了提高关节的输出力矩，现有的主要采用齿轮减速机来实现较大的减速比，但这种方式会增大关节的摩擦力矩，影响主操作手运动的柔顺性，本发明综合利用丝传动机构和行星齿轮减速机来减小关节运动的摩擦力矩，在提高关节输出力矩的同时，保证主操作手运动的柔顺性，所述丝传动从动轮2114为半圆盘结构，占用体积较小，便于钢丝驱动转动，钢丝2113在行星齿轮减速机2112的输出轴上缠绕几圈后，钢丝2113的两端分别固定在丝传动从动轮2114上，所述行星齿轮减速机2112通过所述钢丝2113驱动所述丝传动从动轮2114转动，丝传动从动轮2114的转动带动第一连接杆212转动，由于平行四边形机构21的约束，第一连接杆212和第二连接杆213一起绕着各自的转轴进行转动，从而实现对位置补偿机构及姿态调整机构的俯仰运动调节，且能够保证在姿态调整机构3的杆件不运动时，夹持机构4的姿态在俯仰方向上始终保持不变，所述丝传动从动轮2114和所述第一连接杆212固定连接，且所述丝传动从动轮2114和所述第二连接杆213通过转轴转动连接。

所述第三驱动电机2111的端部设置有抱闸，当突然断电时，抱闸可将第三驱动电机2111的电机轴夹紧锁住，实现断电制动功能，避免断电时主操作手的姿态调整机构3跌落到桌面上导致损坏。

实施例3

如图6所示，所述位置调整机构2还包括第一关节机构23和第二关节机构24，所述第一关节机构23与所述基座1固定连接，所述第二关节机构24的一端与所述第一关节机构23固定连接，所述第二关节机构24的另一端与所述平行四边形机构21连接。

所述第一关节机构23包括第一编码器、第一驱动电机和第一关节杆231，所述第一驱动电机安装在所述基座1上，所述第一编码器安装在所述第一驱动电机的端部，所述第一关节杆231与所述第一驱动电机的输出轴相连接。

所述第二关节机构24包括第二编码器、第二驱动电机和第二关节杆241，所述第二驱动电机安装在所述第一关节杆231上，所述第二编码器安装在所述第二驱动电机的端部，所述第二关节杆241的一端与所述第二驱动电机的输出轴相连接，所述第二关节杆241的另一端和所述第三驱动机构211连接，所述行星齿轮减速机和第二关节杆固定连接，所述丝传动从动轮和第二关节杆通过转轴转动连接，所述丝传动从动轮和第二关节杆之间转轴的端部设置有第三编码器。

实施例4

如图1所示，所述位置补偿机构22包括补偿电机221，所述补偿电机221的输出轴连接有补偿关节杆222，所述补偿关节杆222的端部设置有第四编码器，所述补偿电机221旋转角数值等于所述第一关节机构23和所述第二关节机构24的偏摆角度之和，方向相反，补偿电机对第一关节机构和第二关节机构的偏摆角度主动进行补偿，保证夹持机构相对于基础坐标系的偏摆角将不随着主操作手位置调整机构的运动而改变。

如图6所示，位置补偿机构的运动原理：ZP₁，ZP₂和ZP₄分别代表第一关节杆，第二关节杆和补偿关节杆的零位位置；q₁和q₂分别代表第一关节杆和第二关节杆的旋转角度，位置补偿机构通过主动运动，保证其旋转角数值等于主操作手第一关节杆和第二关节杆偏摆角度之和，但是方向相反，从而保证在姿态调整机构3的杆件不运动时，夹持机构4的姿态在偏摆方向上始终不变，在这种情况下，夹持机构4的姿态只由姿态调整机构3决定而与位置调整机构2无关，实现夹持机构的位置调整和姿态调整完全解耦。

所述姿态调整机构3包括第五关节杆31、第六关节杆32、第七关节杆33和第八关节杆34，所述第五关节杆31由第五驱动电机驱动，且所述第五驱动电机和所述补偿关节杆222相连接，第五关节驱动电机的位置信息由第五编码器测量，所述第六关节杆32由第六驱动电机驱动，第六驱动电机的位置信息由第六编码器测量，第七关节杆33由第七驱动电机驱动，第七驱动电机的位置信息由第七编码器测量，第八关节杆34由第八驱动电机驱动，第八驱动电机的位置信息由第八编码器测量，第五驱动电机和补偿关节杆固定连接，第五关节杆和第六驱动电机固定连接，第六关节杆和第七驱动电机固定连接，第七关节杆和第八驱动电机固定连接，第八关节杆和夹持电机固定连接，所述第五关节杆31、第六关节杆32、第七关节杆33和第八关节杆34的轴线均交汇于一点，从而不仅使主操作手姿态调整机构运动非常灵活，同时也可以保证主操作手进行姿态调整时，夹持机构4的位置不会发生改变，也就是实现了主操作手位姿的部分解耦，所述夹持机构4包括夹持电机，所述夹持电机的输出轴设置有夹持器，夹持电机固定设置在第八关节杆上。

图7为主操作手结构示意图并建立了D-H坐标系。在图7中，坐标轴Z_i与第i个关节旋转轴重合，为了更清晰的描述平行四边形机构的运动原理，在主操作手D-H坐标系中建立了虚拟坐标系{X₄,Y₄,Z₄}。D-H法利用4个参数(α_i-1,a_i-1,θ_i和d_i)来描述第i-1个杆件与第i个杆件之间的几何关系。表1为主操作D-H参数表，其中q_i表示第i个关节相对于零位的旋转角。

表1主操作手D-H参数表。

根据主操作手D-H参数表及D-H坐标系，关联第i-1个杆件和第i个杆件的变换矩阵可以定义为：

根据上文对平行四边形机构21及位置补偿机构22运动原理的分析可知：q₄＝-q₃和q₅＝-q₁-q₂。从基坐标系到工具坐标系的变换矩阵可以表示为：

R—3×3旋转矩阵；

P—3×1位移矢量；

根据表1所示的D-H参数表以及公式(1)和(2)，可将夹持机构4的位置和姿态表示为如下的形式。

上述公式中sq_i和cq_i分别代表sin(q_i)和cos(q_i)的缩写，由公式(3)和(4)可知：夹持机构4姿态仅由各关节转角(q₆，q₇，q₈和q₉)决定；持机构4位置仅由主操作手杆件尺寸(a₁，a₃，a₅，d₂，d₃和d₆)及肩部和肘部关节转角(q₁，q₂和q₃)决定。也就是说主操作手的位置和姿态可以分别独立的进行调整，实现了手持点位姿的完全解耦。

微创手术过程中有时需要主从进行二次映射，即主操作手根据从端机械臂的位姿来调整自身的位姿，此时需要进行主操作手逆运动学求解。假设主操作手工具坐标系相对于基坐标系的变换矩阵已知，并可以表示为如下的形式。

由于本发明所设计的主操作手可以实现手持点位姿完全解耦，那么可以用手持点位置矢量P来求解位置调整机构关节角度(q₁，q₂和q₃)，用手持点姿态矢量R来求解姿态调整机构关节角度(q₆，q₇，q₈和q₉)。联立(3)和(5)可得：

p_x-a₁cq₁＝d₃c(q₁+q₂)+a₃cq₃s(q₁+q₂) (6)

p_y-a₁sq₁+a₅＝d₃s(q₁+q₂)-a₃cq₃c(q₁+q₂) (7)

p_z＝d₆-d₂-a₃sq₃ (8)

根据(8)可以得到：

对(6)和(7)两边同时取平方，然后将结果相加可以得到：

根据(10)以及三角函数特性，可得包含q₁的表达式如下：

(a-bsq₁)²+s²q₁＝1 (11)

q₁的数值可由下面公式(12)和(13)给出。

联立公式(6)和(7)，我们可以得到sin(q₁+q₂)和cos(q₁+q₂)，进而可以得到tan(q₁+q₂)的表达式如下：

根据式(14)，可以得到q₂的表达式如下：

至此，位置调整机构2各关节转角全部获得。根据上文的分析可知，夹持机构的姿态仅由姿态调整机构的关节决定，那么夹持机构的旋转矩阵可以表示为：

将式(16)等式两边同时乘以我们可以得到公式(17)。

将式(17)展开，可以得到：

根据式(18)以及三角函数的性质，可以得到如下的表达。

联立式(18)和(19)可得：

nxozcq₆-nzoxcq₆+nyozsq₆-nzoysq₆＝axsq₆-aycq₆ (20)

将式(16)两边同时乘以我们可以得到公式(22)的表达式。

将式(22)两边展开，可以得到如下的表达式。

根据式(23)，可以得到q₇，q₈和q₉的正弦函数表达式如下：

根据式(24)，可以得到q₇，q₈和q₉的表达式。

根据上文的分析可知，当给定主操所手工具坐标系相对于基坐标系的变换矩阵时，主操作手各个关节转角可以很容易的得到。接下来分析主操作手的克比矩阵，根据雅克比矩阵的定义可得：

v₃×1—机构末端点相对于基坐标系的线速度；

w_3×1—机构末端点相对于基坐标系的角速度；

—关节旋转角速度。

假设和是的4个列向量。那么相对雅克比矩阵的第i列可以表示为：

根据工具坐标系和基坐标系之间的变换关系，可以得到相对于基坐标系的雅克比矩阵^BJ(q)和相对于工具坐标系的雅克比矩阵^TJ(q)之间的关系如下：

根据式(26)和(28)，可以得到夹持机构相对于基坐标系的线速度和角速度。

式(29)中的和属于辅助变量，它们不是独立的而且不能反映机构的运动。由上文对平行四边形机构和位置补偿机构的分析可知：q₄＝-q₃，q₅＝-q₁-q₂，那么有所以式(29)可以改写成如下的形式：

根据上文的分析，可以得到J(q)与^BJ(q)之间的关系如下：

J(q)＝[^BJ₁(q)-^BJ₅(q),^BJ₂(q)-^BJ₅(q),^BJ₃(q)-^BJ₄(q),^BJ₆(q),^BJ₇(q),^BJ₈(q),^BJ₉(q)] (31)

联立(27)、(28)和(31)可得：

从式(32)、(33)和(34)可以知道，本发明所设计的主操作手机构的线速度仅由位置调整机构决定，角速度仅由姿态调整机构决定，因此本发明设计的主操作手极大的降低了主操作手正、逆运动学及雅克比分析运算的复杂性，提高了控制系统的实时性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，包括基座(1)、位置调整机构(2)、姿态调整机构(3)和夹持机构(4)，所述位置调整机构(2)的一端与所述基座(1)相连接，所述位置调整机构(2)的另一端与所述姿态调整机构(3)相连接，所述夹持机构(4)设置在所述姿态调整机构(3)上，其特征在于，所述位置调整机构(2)包括平行四边形机构(21)，所述平行四边形机构(21)的一端设置有位置补偿机构(22)，所述平行四边形机构(21)用于使所述夹持机构(4)俯仰运动过程中相对基坐标系俯仰角保持不变，所述位置补偿机构(22)用于使所述夹持机构(4)水平移动过程中相对基坐标系偏摆角保持不变，所述平行四边形机构(21)和所述位置补偿机构(22)共同作用，使所述夹持机构(4)的位置和姿态实现完全解耦。

2.根据权利要求1所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述平行四边形机构(21)包括第三驱动机构(211)、第一连接杆(212)和第二连接杆(213)，所述第一连接杆(212)的一端和所述第三驱动机构(211)固定连接，所述第一连接杆(212)的另一端和所述位置补偿机构(22)转动连接，所述第二连接杆(213)的两端分别和所述第三驱动机构(211)和所述位置补偿机构(22)转动连接，所述第一连接杆(212)和所述第二连接杆(213)在转动过程中保持平行。

3.根据权利要求2所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述第三驱动机构(211)包括第三驱动电机(2111)，所述第三驱动电机(2111)的端部设置有行星齿轮减速机(2112)，所述行星齿轮减速机(2112)的输出轴通过钢丝(2113)和丝传动从动轮(2114)连接，所述行星齿轮减速机(2112)通过所述钢丝(2113)驱动所述丝传动从动轮(2114)转动。

4.根据权利要求3所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述第三驱动电机(2111)的端部设置有抱闸。

5.根据权利要求4所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述位置调整机构(2)还包括第一关节机构(23)和第二关节机构(24)，所述第一关节机构(23)与所述基座(1)固定连接，所述第二关节机构(24)的一端与所述第一关节机构(23)连接，所述第二关节机构(24)的另一端与所述平行四边形机构(21)连接。

6.根据权利要求5所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述第一关节机构(23)包括第一驱动电机和第一关节杆(231)，所述第一驱动电机安装在所述基座(1)上，所述第一关节杆(231)与所述第一驱动电机的输出轴相连接。

7.根据权利要求6所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述第二关节机构(24)包括第二驱动电机和第二关节杆(241)，所述第二驱动电机安装在所述第一关节杆(231)上，所述第二关节杆(241)的一端与所述第二驱动电机的输出轴相连接，所述第二关节杆(241)的另一端和所述第三驱动机构(211)连接。

8.根据权利要求5所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述位置补偿机构(22)包括补偿电机(221)，所述补偿电机(221)的输出轴连接有补偿关节杆(222)，所述补偿关节杆(222)的端部设置有第四编码器，所述补偿电机(221)旋转角数值等于所述第一关节机构(23)和所述第二关节机构(24)的偏摆角度之和，方向相反。

9.根据权利要求8所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述姿态调整机构(3)包括第五关节杆(31)、第六关节杆(32)、第七关节杆(33)和第八关节杆(34)，所述第五关节杆(31)由第五驱动电机驱动，且所述第五驱动电机和所述补偿关节杆(222)相连接，所述第六关节杆(32)由第六驱动电机驱动，第七关节杆(33)由第七驱动电机驱动，第八关节杆(34)由第八驱动电机驱动，所述第五关节杆(31)、第六关节杆(32)、第七关节杆(33)和第八关节杆(34)的轴线均交汇于一点。

10.根据权利要求1所述的适用于微创手术机器人的九自由度串联主操作手，其特征在于，所述夹持机构(4)包括夹持电机，所述夹持电机的输出轴设置有夹持器。