CN110897725A - 一种全主动8自由度串联式主操作手 - Google Patents

Abstract

一种全主动8自由度串联式主操作手，涉及微创手术机器人领域。为了解决现有的主操作手无法主动平衡机构操作过程中产生的重力矩，降低操作的舒适性，影响手术效果的问题。本发明包括固定座、肩部关节、大臂体、肘部关节、小臂体、姿态俯仰连杆、姿态偏摆连杆和腕夹，固定座内设有肩部平摆电机用以驱动肩部关节旋转，肩部关节内设有肩部俯仰电机用以驱动大臂体旋转，大臂体内设有肘部旋转电机用以驱动肘部关节旋转，肘部关节内设有肘部平摆电机用以驱动小臂体旋转，小臂体内设有姿态俯仰电机用以驱动姿态俯仰连杆旋转，姿态俯仰连杆内设有偏摆电机用以驱动姿态偏摆连杆旋转，姿态偏摆连杆内设有腕夹旋转电机用以驱动腕夹旋转。本发明主要用于微创手术。

Description

一种全主动8自由度串联式主操作手

技术领域

本发明涉及微创手术机器人领域，尤其涉及一种全主动8自由度串联式主操作手。

背景技术

微创手术具有创口小，出血量少，患者恢复效果好等优点，传统微创手术工具多为可以通过微小切口置入患者体内的长直杆。该手术工具由医生手持，配合医用内窥镜完成手术操作。这种操作方式需要多人配合，且长时间的手术操作会给医生带来疲劳感。同时手术工具也有可能出现干涉等问题，进而影响手术的顺利进行。

微创手术机器人可以避免医生直接操作手术器械，医生通过在机器人的主端操作台进行操作来对手术器械进行运动控制。目前微创手术机器人已经开始从实验室研究阶段走向临床商业应用阶段，微创手术辅助机器人作为一种产业已经成为世界经济新的增长点，因而受到了世界各国的高度重视。微创外科手术机器人的研究有着巨大的科学价值与社会价值。微创手术机器人多采用主从控制系统，其中主操作手是人机交互的接口。主操作手可以检测医生的手部动作，并将其转化为电信号传输至从端手术机械臂控制系统。

微创手术机器人中的主操作手可购买商业化产品或根据功能要求自主设计。但商品化的主操作手并不是针对特定的手术机器人设计的，其部分功能可能不适用于微创手术场景，例如工作空间小、自由度少等。而自主研发的主操作手部分或者全部关节采用被动驱动方式，即没有电机进行驱动。这种方式无法主动平衡机构操作过程中产生的重力矩、惯性力矩、摩擦力矩等，以至于降低操作的舒适性，影响手术效果。除此之外，现有的主操作手自由度较少，导致机构的灵活度不高。基于此需要设计一种全主动型主操作手。

发明内容

本发明是为了解决：

1、现有的主操作手无法主动平衡机构操作过程中产生的重力矩、惯性力矩和摩擦力矩等，以至于降低操作的舒适性，影响手术效果的问题；2、现有的主操作手自由度较少，导致机构的灵活度不高；进而提供一种全主动8自由度串联式主操作手。

本发明采用的技术方案是：

所述的一种全主动8自由度串联式主操作手包括位置调整机构和姿态调整机构，位置调整机构包括固定座、肩部关节、大臂体和肘部关节，姿态调整机构包括小臂体、姿态俯仰连杆、姿态偏摆连杆和腕夹；

固定座内设置有肩部平摆电机，肩部平摆电机的驱动轴与肩部关节固定连接，用以驱动肩部关节水平方向的转动，肩部关节内设置有肩部俯仰电机，肩部俯仰电机的驱动轴与大臂体的一端固定连接，用以驱动大臂体上下摆动，大臂体内设置有肘部旋转电机，肘部旋转电机的驱动轴与肘部关节固定连接，用以驱动肘部关节竖直方向的旋转，肘部关节内设置有肘部平摆电机，肘部平摆电机的驱动轴与小臂体的一端固定连接，用以驱动小臂体水平方向的转动，小臂体的另一端内设置有姿态俯仰电机，姿态俯仰电机的驱动轴与姿态俯仰连杆的一端固定连接，用以驱动姿态俯仰连杆竖直方向的旋转，姿态俯仰连杆的另一端设置有偏摆电机，偏摆电机的驱动轴与姿态偏摆连杆的一端固定连接，用以驱动姿态偏摆连杆水平方向的转动，姿态偏摆连杆的另一端设置有腕夹旋转电机，腕夹旋转电机的驱动轴与腕夹固定连接，用以驱动腕夹竖直方向的旋转。

进一步地，所述的一种全主动8自由度串联式主操作手还包括多个绝对式编码器，固定座、肩部关节、大臂体、肘部关节、小臂体、姿态俯仰连杆和姿态偏摆连杆内分别设置一个绝对式编码器，用以测量关节的旋转角度。

进一步地，所述的姿态俯仰连杆和姿态偏摆连杆均为L形杆件。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明设计的主操作手可以采用关节电机输出力矩来平衡机构的重力矩、惯性力矩和摩擦力矩等，保证医生操作的舒适性和柔顺性；

2、本发明设计的主操作手所有关节均为主动关节，为主操作手的主动运动及实现力反馈提供了可能；

3、本发明的主操作手可实现4个平移自由度，3个旋转自由度和1个夹持自由度，自由度多、具有冗余自由度，与人手臂更加相似，操作灵活度高、更加接近于真实人手的动作，并且具有良好的人机工程学性能和反向驱动性能；

4、本发明设计的主操作手结构简单、易于加工装配、经济性较好，在微创手术机器人及相关领域有很好的应用前景。

附图说明

图1为主操作手的外部结构示意图；

图2为图1中I处的局部放大图。

图3为关节的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，所述的一种全主动8自由度串联式主操作手包括位置调整机构和姿态调整机构，位置调整机构包括固定座1、肩部关节2、大臂体3和肘部关节4，姿态调整机构包括小臂体5、姿态俯仰连杆6、姿态偏摆连杆7和腕夹8；

固定座1内设置有肩部平摆电机，肩部平摆电机的驱动轴与肩部关节2固定连接，用以驱动肩部关节2水平方向的转动，肩部关节2内设置有肩部俯仰电机，肩部俯仰电机的驱动轴与大臂体3的一端固定连接，用以驱动大臂体3上下摆动，大臂体3内设置有肘部旋转电机，肘部旋转电机的驱动轴与肘部关节4固定连接，用以驱动肘部关节4竖直方向的旋转，肘部关节4内设置有肘部平摆电机，肘部平摆电机的驱动轴与小臂体5的一端固定连接，用以驱动小臂体5水平方向的转动，小臂体5的另一端内设置有姿态俯仰电机，姿态俯仰电机的驱动轴与姿态俯仰连杆6的一端固定连接，用以驱动姿态俯仰连杆6竖直方向的旋转，姿态俯仰连杆6的另一端设置有偏摆电机，偏摆电机的驱动轴与姿态偏摆连杆7的一端固定连接，用以驱动姿态偏摆连杆7水平方向的转动，姿态偏摆连杆7的另一端设置有腕夹旋转电机，腕夹旋转电机的驱动轴与腕夹8固定连接，用以驱动腕夹8竖直方向的旋转。

图1中A1、A2、A3、A4、A4、A5、A6和A7分别代表各个关节的旋转轴线，可以看出主操作手其具有4个平移自由度、3个旋转自由度和1个夹持自由度，自由度多、具有冗余自由度，与人手臂更加相似，操作灵活度高、更加接近于真实人手的动作，并且具有良好的人机工程学性能和反向驱动性能；

其中前4个旋转关节共同决定了手持点的位置，后3个旋转关节共同决定了手持点的姿态，因此将前4个关节构成的机构称为位置调整机构，后3个关节构成的机构称为姿态调整机构。

其中固定座1、肩部关节2和大臂体3构成肩部机构，大臂体3、肘部关节4和小臂体5构成肘部机构，小臂体5、姿态俯仰连杆6、姿态偏摆连杆7和腕夹8构成腕部机构，肩部机构和肘部机构均有2个平移自由度，这非常类似人手臂的自由度，能够保证实际操作过程中，调整主手末端位置非常灵活。腕部机构为3轴汇交的机构，具有3个旋转自由度和1个夹持自由度，相当于形成了一个球形关节，此种腕部机构的设计不仅能使主操作手姿态调整机构运动非常灵活，通过设置关节限位可以有效的避开奇异点，同时也可以保证主操作手进行姿态调整时，手持点位置不会发生改变，也就是实现了主操作手位姿的部分解耦。

具体实施方式二：本实施方式中，所述的一种全主动8自由度串联式主操作手还包括多个绝对式编码器，固定座1、肩部关节2、大臂体3、肘部关节4、小臂体5、姿态俯仰连杆6和姿态偏摆连杆7内分别设置一个绝对式编码器，用以测量关节的旋转角度。

固定座1内的绝对式编码器用以测量肩部关节2的旋转角度，肩部关节2内的绝对式编码器用以测量大臂体3的旋转角度，大臂体3内的绝对式编码器用以测量肘部关节4的旋转角度，肘部关节4内的绝对式编码器用以测量小臂体5的旋转角度，小臂体5内的绝对式编码器用以测量姿态俯仰连杆6的旋转角度，姿态俯仰连杆6内的绝对式编码器用以测量姿态偏摆连杆7的旋转角度，姿态偏摆连杆7内的绝对式编码器用以测量腕夹8的旋转角度。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，所述的姿态俯仰连杆6和姿态偏摆连杆7均为L形杆件。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的肩部关节2和肘部关节4结构相同,肩部关节2包括壳体1-1、电机1-2、电机固定块1-3、小齿轮1-4、转轴1-6、大齿轮1-7、转轴座1-8和码盘1-9，电机1-2通过电机固定块1-3水平安装在壳体1-1内，小齿轮1-4套装在电机1-2的输出轴1-5上，转轴1-6通过转轴座1-8竖直安装在壳体1-1内，大齿轮1-7套装在转轴1-6上，且大齿轮1-7与小齿轮1-4相啮合，码盘1-9安装在转轴座1-8的下端。如此设置，结构简单，便于准确实现各关节之间在竖直方向的转动。另外，姿态部分为人手操作部分，其他关节随着人手的变化位置跟着改变。其它组成和连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的肩部关节2还包括压线板1-10，压线板1-10安装在壳体1-1内，电源线1-14的一端与电机连接，电源线1-14的另一端经过压线板1-10压住后与外部连接。如此设置，便于电源线的压紧。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式的肩部关节2还包括限位块1-12和限位柱1-13，限位块1-12套装在转轴1-6上，且限位块1-12位于壳体1-1内侧壁处的转轴1-6上，限位柱1-13竖直安装在壳体1-1内侧壁上端。如此设置，为关节的旋转角度提供限位，保证精确旋转。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

Claims (6)

1.一种全主动8自由度串联式主操作手，其特征在于：它包括位置调整机构和姿态调整机构，位置调整机构包括固定座(1)、肩部关节(2)、大臂体(3)和肘部关节(4)，姿态调整机构包括小臂体(5)、姿态俯仰连杆(6)、姿态偏摆连杆(7)和腕夹(8)；

固定座(1)内设置有肩部平摆电机，肩部平摆电机的驱动轴与肩部关节(2)固定连接，用以驱动肩部关节(2)水平方向的转动，肩部关节(2)内设置有肩部俯仰电机，肩部俯仰电机的驱动轴与大臂体(3)的一端固定连接，用以驱动大臂体(3)上下摆动，大臂体(3)内设置有肘部旋转电机，肘部旋转电机的驱动轴与肘部关节(4)固定连接，用以驱动肘部关节(4)竖直方向的旋转，肘部关节(4)内设置有肘部平摆电机，肘部平摆电机的驱动轴与小臂体(5)的一端固定连接，用以驱动小臂体(5)水平方向的转动，小臂体(5)的另一端内设置有姿态俯仰电机，姿态俯仰电机的驱动轴与姿态俯仰连杆(6)的一端固定连接，用以驱动姿态俯仰连杆(6)竖直方向的旋转，姿态俯仰连杆(6)的另一端设置有偏摆电机，偏摆电机的驱动轴与姿态偏摆连杆(7)的一端固定连接，用以驱动姿态偏摆连杆(7)水平方向的转动，姿态偏摆连杆(7)的另一端设置有腕夹旋转电机，腕夹旋转电机的驱动轴与腕夹(8)固定连接，用以驱动腕夹(8)竖直方向的旋转。

2.根据权利要求1所述的一种全主动8自由度串联式主操作手，其特征在于：所述的一种全主动8自由度串联式主操作手还包括多个绝对式编码器，固定座(1)、肩部关节(2)、大臂体(3)、肘部关节(4)、小臂体(5)、姿态俯仰连杆(6)和姿态偏摆连杆(7)内分别设置一个绝对式编码器，用以测量关节的旋转角度。

3.根据权利要求1所述的一种全主动8自由度串联式主操作手，其特征在于：所述的姿态俯仰连杆(6)和姿态偏摆连杆(7)均为L形杆件。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种全主动8自由度串联式主操作手，其特征在于：肩部关节(2)和肘部关节(4)结构相同,肩部关节(2)包括壳体(1-1)、电机(1-2)、电机固定块(1-3)、小齿轮(1-4)、转轴(1-6)、大齿轮(1-7)、转轴座(1-8)和码盘(1-9)，电机(1-2)通过电机固定块(1-3)水平安装在壳体(1-1)内，小齿轮(1-4)套装在电机(1-2)的输出轴(1-5)上，转轴(1-6)通过转轴座(1-8)竖直安装在壳体(1-1)内，大齿轮(1-7)套装在转轴(1-6)上，且大齿轮(1-7)与小齿轮(1-4)相啮合，码盘(1-9)安装在转轴座(1-8)的下端。

5.根据权利要求4所述的一种全主动8自由度串联式主操作手，其特征在于：肩部关节(2)还包括压线板(1-10)，压线板(1-10)安装在壳体(1-1)内，电源线(1-14)的一端与电机连接，电源线(1-14)的另一端经过压线板(1-10)压住后与外部连接。

6.根据权利要求5所述的一种全主动8自由度串联式主操作手，其特征在于：肩部关节(2)还包括限位块(1-12)和限位柱(1-13)，限位块(1-12)套装在转轴(1-6)上，且限位块(1-12)位于壳体(1-1)内侧壁处的转轴(1-6)上，限位柱(1-13)竖直安装在壳体(1-1)内侧壁上端。

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