CN111067627A - 一种手术机器人用七自由度主操手 - Google Patents

Abstract

一种手术机器人用七自由度主操手，它涉及一种主操手。本发明为了解决现有的主操作手存在无法实现重力平衡，对医生的手部运动产生负担，使医生易于疲劳的问题。本发明的腕部偏摆关节、肩关节和腰关节在竖直方向转动，肩关节和腰关节之间通过连接杆连接，腕部俯仰关节和肘关节在水平方向转动，腕部偏摆关节与腕部俯仰关节之间通过连杆连接，腕部俯仰关节和肘关节之间通过连杆连接，配重块安装在肘关节的末端，腕部翻滚关节通过夹持机构与腕部偏摆关节连接，腕部俯仰关节、腕部偏摆关节和腕部翻滚关节的轴线相交于一点。本发明可采集操作者(医生)手部的位姿信息及两指间的开和角度。本发明用于医疗器械领域。

Description

一种手术机器人用七自由度主操手

技术领域

本发明涉及一种七自由度主操手，具体涉及一种手术机器人用七自由度主操手，可采集操作者(医生)手部的位姿信息及两指间的开和角度。属于医疗器械领域。

背景技术

机器人辅助微创手术系统相比于传统微创手术，具有诸多优势，发展前景大。主操作手作为一种人机交互接口，是机器人辅助微创手术系统中的重要组成部分，用于采集操作者(医生)手部运动信息，具体的说就是操作者手部位姿信息和两指间的开合角度。然而，目前国内现有的机器人辅助微创手术系统用的主手多无电机驱动，无法实现这重力平衡，那么主手自身的重力便会对医生的手部运动产生负担，使医生易于疲劳。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的主操作手存在无法实现重力平衡，对医生的手部运动产生负担，使医生易于疲劳的问题。进而提供一种手术机器人用七自由度主操手。

本发明的技术方案是：一种手术机器人用七自由度主操手包括腰关节、肩关节、肘关节、腕部俯仰关节和腕部偏摆关节，腕部偏摆关节、腕部俯仰关节、肘关节、肩关节和腰关节顺次连接，其中腕部偏摆关节、肩关节和腰关节在竖直方向转动，肩关节和腰关节之间通过连接杆连接，腕部俯仰关节和肘关节在水平方向转动，腕部偏摆关节与腕部俯仰关节之间通过连杆连接，腕部俯仰关节和肘关节之间通过连杆连接，它还包括夹持机构、腕部翻滚关节和配重块，配重块安装在肘关节的末端，腕部翻滚关节通过夹持机构与腕部偏摆关节连接，腕部俯仰关节、腕部偏摆关节和腕部翻滚关节的轴线相交于一点。

进一步地，夹持机构包括L形连杆、驱动器、电机、编码器、编码器支架、夹持轴承、旋转轴、预紧盘、预紧螺钉、丝筒和钢丝，L形连杆的水平段与腕部偏摆关节连接，驱动器安装在L形连杆的竖直段上，电机水平安装在驱动器上方的L形连杆竖直段上，电机的输出轴与丝筒连接，编码器支架安装在L形连杆竖直段的上端，编码器安装在编码器支架内，旋转轴通过夹持轴承水平转动安装在L形连杆竖直段上端的编码器支架上，旋转轴与编码器连接，预紧盘通过预紧螺钉安装在旋转轴内，钢丝缠绕在丝筒和旋转轴上。

进一步地，钢丝以8字环绕的形式缠绕在丝筒和旋转轴上。

更进一步地，夹持机构还包括限位螺钉，旋转轴上开设不完全圆弧的旋转凹槽，限位螺钉穿过所述旋转凹槽与L形连杆连接。

进一步地，腕部翻滚关节包括上壳体、右指板组件、基体组件、下壳体、左指板组件、差分转接板和夹轴连接体，上壳体和下壳体盖装在基体组件上，差分转接板安装在夹轴连接体上，夹轴连接体安装在基体组件的一端，左指板组件和右指板组件分别安装在基体组件的左右两侧。

进一步地，基体组件包括本体、两个轴承预紧螺钉、两个轴端挡板、四个基体轴承、两个齿轮轴、旋转编码器、调整垫圈、旋转编码器支架和两个紧定螺钉，两个齿轮轴竖直安装在本体的一侧，且两个齿轮轴相互啮合，左指板组件和右指板组件分别通过一个紧定螺钉安装在两个齿轮轴上，左指板组件和右指板组件的上端和下端各安装有一个基体轴承，每个齿轮轴的上端安装有一个轴端挡板，两个轴承预紧螺钉安装在两个齿轮轴的上端，旋转编码器通过旋转编码器支架安装在其中一个齿轮轴的下端，调整垫圈安装在旋转编码器支架上调整旋转编码器与读数头之间的距离。

进一步地，右指板组件包括右指板连杆和右指板，右指板安装在右指板连杆的外侧端面上。

进一步地，左指板组件包括左指板和左指板连接杆，左指板安装在左指板连接杆的外侧端面上。

进一步地，腕部翻滚关节还包括弹性元件，弹性元件安装在本体内，且弹性元件的两端分别与右指板组件和左指板组件连接。

优选地，弹性元件为“W”形弹簧。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明在肘关节5的末端增加了一个配重块，可以平衡腕部组件的一部分质量，从而可以降低肘关节5的电机输出力矩，减轻肘关节5的电机负担；残余的不平衡力矩通过电机进行精确的补偿，故可以实现任意位姿下的重力平衡。

2、本发明的腕部关节(腕部俯仰关节4、腕部偏摆关节3和腕部翻滚关节2)轴线相交于一点，利于机器人逆运动学解析解的求解，而非数值解，没有迭代运算过程，简化运算。

3、本发明的手臂的肩关节6和腰关节7为垂直轴，能够有效的省去重力项的补偿，从而简化控制系统的复杂度。

4、本发明的各关节处，均采用钢丝传动，并设计专门的钢丝预紧结构，可极大的减小传动误差，降低摩擦力。

5、本发明的腕部翻滚关节具有结构简单，体积小巧。为增强控制夹开合角度信号在远程传输时的稳定性，设计差分转接板，将控制夹输出的单端信号转换为差分信号，可抵消共模干扰和对外辐射的电磁场，故极大的增强了控制夹开合角度信号抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是夹持机构1和腕部翻滚关节2连接后的轴侧图。图3是夹持机构1的关节轴系传动结构示意图。图4是钢丝预紧结构图。图5是夹持机构1的限位结构示意图。图6(a)是钢丝预紧原理主视图。图6(b)是钢丝预紧原理主视图。图7是腕部翻滚关节2的整体结构示意图。图8是图7是分解图。图9是图7的轴系传动图。图10是图7的组件轴系示意图。图11是图7处于自然状态下的最大张合角度图。图12是图7处于夹紧状态下的最小张合角度图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式的一种手术机器人用七自由度主操手包括腰关节7、肩关节6、肘关节5、腕部俯仰关节4和腕部偏摆关节3，腕部偏摆关节3、腕部俯仰关节4、肘关节5、肩关节6和腰关节7顺次连接，其中腕部偏摆关节3、肩关节6和腰关节7在竖直方向转动，肩关节6和腰关节7之间通过连接杆连接，腕部俯仰关节4和肘关节5在水平方向转动，腕部偏摆关节3与腕部俯仰关节4之间通过连杆连接，腕部俯仰关节4和肘关节5之间通过连杆连接，它还包括夹持机构1、腕部翻滚关节2和配重块8，配重块8安装在肘关节5的末端，腕部翻滚关节2通过夹持机构1与腕部偏摆关节3连接，腕部俯仰关节4、腕部偏摆关节3和腕部翻滚关节2的轴线相交于一点。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的夹持机构1包括L形连杆1-1、驱动器1-2、电机1-3、编码器1-4、编码器支架1-5、夹持轴承1-6、旋转轴1-7、预紧盘1-8、预紧螺钉1-9、丝筒1-10和钢丝1-12，L形连杆1-1的水平段与腕部偏摆关节3连接，驱动器1-2安装在L形连杆1-1的竖直段上，电机1-3水平安装在驱动器1-2上方的L形连杆1-1竖直段上，电机1-3的输出轴与丝筒1-10连接，编码器支架1-5安装在L形连杆1-1竖直段的上端，编码器1-4安装在编码器支架1-5内，旋转轴1-7通过夹持轴承1-6水平转动安装在L形连杆1-1竖直段上端的编码器支架1-5上，旋转轴1-7与编码器1-4连接，预紧盘1-8通过预紧螺钉1-9安装在旋转轴1-7内，钢丝1-12缠绕在丝筒1-10和旋转轴1-7上。如此设置，电机轴线与旋转轴轴线相互平行，并通过钢丝绳传动将电机动力传递给旋转轴。本实施方式通过相对旋转预紧盘和旋转轴可实现钢丝绳的预紧，并通过端面预紧螺钉将旋转预紧盘和旋转轴相互固结。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的旋转轴1-7经过轴承1-6支撑，并通过预紧螺母对轴承1-6进行预紧，实现轴向的定位。旋转轴1-7末端装有旋转编码器，其与旋转轴同步运动。编码器支架1-5与基体连接，此时，固定在编码器支架1-5上的编码器读头1-4可测的旋转编码器转动的角度，即旋转轴的角度。调整编码器支架下方的垫圈用于调整旋转编码器与旋转编码器读头1-4之间的距离，使其满足编码器的安装精度要求。

具体实施方式三：结合图8说明本实施方式，本实施方式的钢丝1-12以8字环绕的形式缠绕在丝筒1-10和旋转轴1-7上。如此设置，钢丝的预紧牢固可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的电机1-3与L型连杆1-1固结，并与旋转轴1-7轴线平行放置，在电机输出轴上装有丝筒1-10，并通过紧定螺钉与电机输出轴进行固连。丝筒1-10与旋转轴1-7由两端钢丝绳进行连接传动，绕钢丝的方式为8字环绕。更具体的说，两段钢丝的其中一端均固定在图6中丝筒的①、②两个位置上，两段钢丝绳的另外一端穿过旋转轴1-7的孔洞③、④，其中穿过③或者④的钢丝绳需在旋转轴1-7内部打结，而穿过④或者③的钢丝还需穿过预紧盘1-8上的孔洞，再在预紧盘1-8的内部打结。此时，相对旋转旋转轴1-7和预紧盘1-8，便可实现钢丝绳的预紧，最后通过预紧螺钉1-9将旋转轴与预紧盘端面紧密贴合，通过摩擦力使得两者相互固结。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式的夹持机构1还包括限位螺钉1-11，旋转轴1-7上开设不完全圆弧的旋转凹槽，限位螺钉1-11穿过所述旋转凹槽与L形连杆1-1连接。如此设置，在L型连杆装有限位销钉，旋转轴上设有一不完全圆弧的旋转凹槽，进而实现关节的限位。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

为限制关节旋转角度的最大范围，设计机械限位结构；在旋转轴1-7的两轴承中部设有一不完全圆弧的旋转凹槽，限位销1-11与L型连杆1-1固连，并部分深入不完全圆弧凹槽，当旋转轴旋转到极限位置时，限位销1-11会与凹槽边界相撞，从而实现关节限位功能。

本实施方式还包括罩体1-12，罩体1-12罩在电机1-3和编码器支架1-5上。

具体实施方式五：结合图1至图2、图7至图12说明本实施方式，本实施方式的腕部翻滚关节2包括上壳体2-1、右指板组件2-2、基体组件2-3、下壳体2-4、左指板组件2-5、差分转接板2-6和夹轴连接体2-7，上壳体2-1和下壳体2-4盖装在基体组件2-3上，差分转接板2-6安装在夹轴连接体2-7上，夹轴连接体2-7安装在基体组件2-3的一端，左指板组件2-5和右指板组件2-2分别安装在基体组件2-3的左右两侧。如此设置，防止两个切割刀2在转动时发生干涉，两个切割刀2之间的间距为3-8mm。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

本实施方式外形美观，总体呈类锥型，符合人机工程学。能够提供一可采集操作者(医生)手部运动信息(位姿及两指间开合角度)的七自由度主操作手。

本实施方式的上壳体、下壳体、夹轴连接体2-7均通过两螺纹孔与基体组件连接。右指板组件、左指板组件通过紧定螺钉与基体组件中的齿轮轴连接，使得指板带动齿轮轴同步运动。

本实施方式的控制夹的基体组件2-3设计为末端圆润，前端窄小的类锥形外形。

具体实施方式六：结合图1至图2、图7至图12说明本实施方式，本实施方式的基体组件2-3包括本体2-3-9、两个轴承预紧螺钉2-3-1、两个轴端挡板2-3-2、四个基体轴承2-3-3、两个齿轮轴2-3-4、旋转编码器2-3-5、调整垫圈2-3-6、旋转编码器支架2-3-7和两个紧定螺钉2-3-8，两个齿轮轴2-3-4竖直安装在本体2-3-9的一侧，且两个齿轮轴2-3-4相互啮合，左指板组件2-5和右指板组件2-2分别通过一个紧定螺钉2-3-8安装在两个齿轮轴2-3-4上，左指板组件2-5和右指板组件2-2的上端和下端各安装有一个基体轴承2-3-3，每个齿轮轴2-3-4的上端安装有一个轴端挡板2-3-2，两个轴承预紧螺钉2-3-1安装在两个齿轮轴2-3-4的上端，旋转编码器2-3-5通过旋转编码器支架2-3-7安装在其中一个齿轮轴2-3-4的下端，调整垫圈2-3-6安装在旋转编码器支架2-3-7上调整旋转编码器2-3-5与读数头之间的距离。如此设置，便于采集操作者(医生)手部运动信息。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的齿轮轴上部穿过两轴承，通过轴承预紧螺钉压紧轴端挡板实现轴向的定位。

本实施方式的齿轮轴下部装有旋转编码器，其与指板做同步运动。旋转编码器支架与基体连接。

具体实施方式七：结合图10说明本实施方式，本实施方式的右指板组件2-2包括右指板连杆2-2-1和右指板2-2-2，右指板2-2-2安装在右指板连杆2-2-1的外侧端面上。如此设置，复位快速。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图10说明本实施方式，本实施方式的左指板组件2-5包括左指板2-5-1和左指板连接杆2-5-2，左指板2-5-1安装在左指板连接杆2-5-2的外侧端面上。如此设置，给复位赋予柔性。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。

具体实施方式九：结合图10说明本实施方式，本实施方式的腕部翻滚关节2还包括弹性元件2-8，弹性元件2-8安装在本体2-3-9内，且弹性元件2-8的两端分别与右指板组件2-2和左指板组件2-5连接。如此设置，本实施方式的右指板组件、左指板组件与弹性元件连接。弹性元件用于使夹子恢复到初始位置，即最大开合角。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图10说明本实施方式，本实施方式的弹性元件2-8为“W”形弹簧。如此设置，本实施方式的弹性元件形状可以是任意的，特别地，诸如弹簧片，扭簧等。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

结合图1至图12说明本发明的工作原理：

本发明在实际使用时，医生手部的两指放入控制夹的指板处，并根据自身意愿任意拖动主手，则主手各关节做跟随运动，且由于本发明可实现重力平衡，故主手对医生手部运动几乎无阻碍作用。

为增强控制夹开合角度信号在远程传输时的稳定性，设计差分转接板，将控制夹输出的单端信号转换为差分信号，增强抗干扰能力。这里，圆形的差分转接板安装在夹轴连接体中，可充分利用剩余空间，无需增加多余空间，减少整体尺寸。

右指板组件、左指板组件通过紧定螺钉与基体组件中的齿轮轴连接，使得指板带动齿轮轴同步运动。而齿轮轴上部穿过两轴承，通过轴承预紧螺钉压紧轴端挡板实现轴向的定位。齿轮轴下部装有旋转编码器，其与指板做同步运动。旋转编码器支架与基体连接，此时，固定在旋转编码器支架上的编码器读头可测的旋转编码器转动的角度，即指板开合角度。调整垫圈用于调整旋转编码器与旋转编码器读头之间的距离，使其满足编码器的安装精度要求。

右指板组件、左指板组件与弹性元件连接。在自然状态下，弹性元件使左、/右指板连杆运动到最大角度alpha度(此角度是相对于中心轴线测量的结果)，此时，指板连杆末端平面与基体末端平面接触。这里alpha可根据不同使用情境要求进行特殊设计。当操作人员将两指板间夹角运动到最小角度beta度时，指板连杆前端平面与基体侧面平面接触，从而实现了机械限位的功能。当指板处于最大角度alpha时，弹性元件变形量最小；当指板处于最小角度beta时，弹性元件变形量最大，施加给操作者一定的反馈力。此处弹性元件形状可以是任意的，特别地，诸如弹簧片，扭簧等。

控制夹的基体组件设计为末端圆润，前端窄小的类锥形外形。末端圆润使得操作者虎口处舒适，前端窄小是的控制夹的开和角度范围有所增大，不至于alpha度过大而造成的操作不适。根据最大角度alpha和最小角度beta，计算的到单边指板运动范围为0-(alpha-beta)，最终机器人辅助微创手术系统用主手控制夹的整体开合角度范围为0-2*(alpha-beta)，特别地此范围可为0-60°。旋转编码器检测到的角度为单边指板角度，而输出到机器人辅助微创手术系统从操作端的角度为双边角度。映射到从操作端的器械夹持开合角度的分辨率为旋转编码器真实分辨率的一半。特别地，若旋转编码器真实分辨率为360°/(2¹³)，则映射到从操作端的器械夹持开合角度的分辨率为360°/(2¹²)。

Claims (10)

1.一种手术机器人用七自由度主操手，它包括腰关节(7)、肩关节(6)、肘关节(5)、腕部俯仰关节(4)和腕部偏摆关节(3)，腕部偏摆关节(3)、腕部俯仰关节(4)、肘关节(5)、肩关节(6)和腰关节(7)顺次连接，其中腕部偏摆关节(3)、肩关节(6)和腰关节(7)在竖直方向转动，肩关节(6)和腰关节(7)之间通过连接杆连接，腕部俯仰关节(4)和肘关节(5)在水平方向转动，腕部偏摆关节(3)与腕部俯仰关节(4)之间通过连杆连接，腕部俯仰关节(4)和肘关节(5)之间通过连杆连接，其特征在于：它还包括夹持机构(1)、腕部翻滚关节(2)和配重块(8)，配重块(8)安装在肘关节(5)的末端，腕部翻滚关节(2)通过夹持机构(1)与腕部偏摆关节(3)连接，腕部俯仰关节(4)、腕部偏摆关节(3)和腕部翻滚关节(2)的轴线相交于一点。

2.根据权利要求1所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：夹持机构(1)包括L形连杆(1-1)、驱动器(1-2)、电机(1-3)、编码器(1-4)、编码器支架(1-5)、夹持轴承(1-6)、旋转轴(1-7)、预紧盘(1-8)、预紧螺钉(1-9)、丝筒(1-10)和钢丝(1-12)，

L形连杆(1-1)的水平段与腕部偏摆关节(3)连接，驱动器(1-2)安装在L形连杆(1-1)的竖直段上，电机(1-3)水平安装在驱动器(1-2)上方的L形连杆(1-1)竖直段上，电机(1-3)的输出轴与丝筒(1-10)连接，编码器支架(1-5)安装在L形连杆(1-1)竖直段的上端，编码器(1-4)安装在编码器支架(1-5)内，旋转轴(1-7)通过夹持轴承(1-6)水平转动安装在L形连杆(1-1)竖直段上端的编码器支架(1-5)上，旋转轴(1-7)与编码器(1-4)连接，预紧盘(1-8)通过预紧螺钉(1-9)安装在旋转轴(1-7)内，钢丝(1-12)缠绕在丝筒(1-10)和旋转轴(1-7)上。

3.根据权利要求2所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：钢丝(1-12)以8字环绕的形式缠绕在丝筒(1-10)和旋转轴(1-7)上。

4.根据权利要求3所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：夹持机构(1)还包括限位螺钉(1-11)，旋转轴(1-7)上开设不完全圆弧的旋转凹槽，限位螺钉(1-11)穿过所述旋转凹槽与L形连杆(1-1)连接。

5.根据权利要求4所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：腕部翻滚关节(2)包括上壳体(2-1)、右指板组件(2-2)、基体组件(2-3)、下壳体(2-4)、左指板组件(2-5)、差分转接板(2-6)和夹轴连接体(2-7)，上壳体(2-1)和下壳体(2-4)盖装在基体组件(2-3)上，差分转接板(2-6)安装在夹轴连接体(2-7)上，夹轴连接体(2-7)安装在基体组件(2-3)的一端，左指板组件(2-5)和右指板组件(2-2)分别安装在基体组件(2-3)的左右两侧。

6.根据权利要求5所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：基体组件(2-3)包括本体(2-3-9)、两个轴承预紧螺钉(2-3-1)、两个轴端挡板(2-3-2)、四个基体轴承(2-3-3)、两个齿轮轴(2-3-4)、旋转编码器(2-3-5)、调整垫圈(2-3-6)、旋转编码器支架(2-3-7)和两个紧定螺钉(2-3-8)，

两个齿轮轴(2-3-4)竖直安装在本体(2-3-9)的一侧，且两个齿轮轴(2-3-4)相互啮合，左指板组件(2-5)和右指板组件(2-2)分别通过一个紧定螺钉(2-3-8)安装在两个齿轮轴(2-3-4)上，左指板组件(2-5)和右指板组件(2-2)的上端和下端各安装有一个基体轴承(2-3-3)，每个齿轮轴(2-3-4)的上端安装有一个轴端挡板(2-3-2)，两个轴承预紧螺钉(2-3-1)安装在两个齿轮轴(2-3-4)的上端，

旋转编码器(2-3-5)通过旋转编码器支架(2-3-7)安装在其中一个齿轮轴(2-3-4)的下端，调整垫圈(2-3-6)安装在旋转编码器支架(2-3-7)上调整旋转编码器(2-3-5)与读数头之间的距离。

7.根据权利要求6所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：右指板组件(2-2)包括右指板连杆(2-2-1)和右指板(2-2-2)，右指板(2-2-2)安装在右指板连杆(2-2-1)的外侧端面上。

8.根据权利要求7所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：左指板组件(2-5)包括左指板(2-5-1)和左指板连接杆(2-5-2)，左指板(2-5-1)安装在左指板连接杆(2-5-2)的外侧端面上。

9.根据权利要求8所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：腕部翻滚关节(2)还包括弹性元件(2-8)，弹性元件(2-8)安装在本体(2-3-9)内，且弹性元件(2-8)的两端分别与右指板组件(2-2)和左指板组件(2-5)连接。

10.根据权利要求9所述的一种手术机器人用七自由度主操手，其特征在于：弹性元件(2-8)为“W”形弹簧。

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