CN113545814B - 一种高力传递性能的2r1t远中心运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高力传递性能的2R1T远中心运动机构，涉及医疗器械技术领域，包括静平台、推力机构、对偶三角形连杆和末端执行器，所述静平台上设有所述推力机构，所述推力机构被配置为作用于所述对偶三角形连杆的底部，所述末端执行器与所述对偶三角形连杆连接。通过本发明的实施，实现了绕远程固定点的整体转动；本装置具有定位精度高、结构紧凑、系统集成度高、运动特性优异、自动化程度高等特点，可实现微创手术中其他机构难以通过远处驱动实现的绕手术器械自身轴线方向的转动自由度。本发明大幅降低了远中心运动机构的系统复杂性，并可在此基础上进行拓展，产生整体机构绕远中心的转动自由度，满足微创手术所需自由度的要求。

Description

一种高力传递性能的2R1T远中心运动机构

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种高力传递性能的2R1T远中心运动机构。

背景技术

远中心运动机构是指一种整体机构可以绕空间中某一固定点做二维转动以及沿过该固定点的轴线方向移动与转动的机构，并且此空间固定点周围没有实际的运动副存在。远中心机构广泛用于微创手术领域，这种机构可以实现安装在末端的手术器械绕微创口进行二维转动以及沿着手术器械轴线方向的转动与移动，从而完成微创手术操作，避免对微创口周围的组织造成伤害。微创手术要求末端医疗器械有3个转动自由度与1个移动自由度，目前的远中心机构往往很难实现绕医疗器械自身轴线方向的转动，因此造成了手术中操作灵活性大大下降。此外，目前的远中心机构往往需要在末端安装附加的驱动器来实现沿轴线方向的转动或移动，使得整体的结构变得复杂。针对这些问题，设计了一种可实现绕远中心整体转动并沿着过远中心的轴线转动与移动的远中心运动机构。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种高力传递性能的2R1T远中心运动机构，整体结构简单可靠。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何解决现有的末端医疗器械需要在末端安装驱动器，导致结构复杂并且难以实现绕过远中心轴线转动的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高力传递性能的2R1T远中心运动机构，包括静平台、推力机构、对偶三角形连杆和末端执行器，所述静平台上设有所述推力机构，所述推力机构北配置为作用于所述对偶三角形连杆的底部，所述末端执行器与所述对偶三角形连杆连接。

进一步地，所述静平台包括：双电机主动座和双电机被动座，所述双电机主动座上固定有两台伺服电机，且所述两台伺服电机分别连接有外一级绕线轴与内一级绕线轴，所述双电机主动座与所述双电机被动座上固定有铝底板，所述铝底板上固定有四个张紧轮系统，所述铝底板上固定有两个连杆基座，用于支撑所述对偶三角形连杆。

进一步地，所述张紧轮系统包括绳张紧座、张紧轮、垫片、张紧螺母和张紧轮轴，所述绳张紧座通过螺栓固定于所述铝底板上，左右两块所述垫片将所述张紧轮轴向限制在所述张紧轮轴上，所述张紧螺母调整所述张紧轮轴的位置并拉紧张紧绳。

进一步地，所述推力机构包括：导轨法兰、导轨滑块、导轨丝杠、导轨挡板、联轴器、电机座和丝杠伺服电机，所述丝杠伺服电机固定于所述电机座上，并配置成通过所述联轴器与所述导轨丝杠相连，驱动所述导轨滑块的平动；所述导轨滑块与所述导轨法兰相连。

进一步地，所述对偶三角形连杆包括上上连杆、上下连杆、下前连杆、下后连杆和侧边平行连杆；所述下后连杆与所述下前连杆分别通过内二级轴、外二级轴与连杆基座相铰接；两个所述下后连杆通过内二级轴、推动传力轴、内三级轴与第一上后轴相连接，所述下前连杆通过外二级轴、推动加固轴与外三级轴相连接，所述上下连杆通过上前轴与所述下前连杆相铰接，所述上上连杆通过第二上后轴与四级轴相连接；所述侧边平行连杆分别连接在所述上上连杆、上下连杆、下前连杆、下后连杆的两侧；所述上上连杆、上下连杆、下前连杆、下后连杆和侧边平行连杆之间通过铝柱铰接。

进一步地，还包括中间平台，所述中间平台由左侧压板平台与右侧压板平台通过四级轴、上前轴与从动连接通轴相连形成。

进一步地，还包括内侧波塞利耶连杆、外侧波塞利耶连杆，所述内侧波塞利耶连杆位于所述中间平台的中间，所述外侧波塞利耶连杆分布于所述中间平台的外侧。

进一步地，所述内侧波塞利耶连杆包括：主动内部连杆、内部弯曲连杆、内部从动摇臂和末端连杆，所述外侧波塞利耶连杆包括：主动外部连杆、外部不弯曲连杆、外部从动摇臂和末端连杆，所述末端连杆的截面为T形。

进一步地，还包括内部绳索驱动系统和外部绳索驱动系统，所述内部绳索驱动系统通过主动内部连杆拉动5号滑轮、7号滑轮、1号滑轮转动，带动主动内部连杆转动，从而驱动内侧波塞利耶连杆运动，实现丝杠轴承座沿末端执行器轴线的平动；所述外部绳索驱动系统通过主动外部连杆拉动5号滑轮、3号滑轮、1号滑轮转动，带动主动外部连杆转动，从而驱动外侧波塞利耶连杆运动，实现丝母座沿末端执行器轴线的平动。

进一步地，所述末端执行器包括滚珠丝杠、滚珠螺母、丝母座、丝杠轴承座和末连接轴，所述末端连杆与所述丝杠轴承座通过所述末连接轴相铰接，所述末端连杆与所述丝母座直接铰接，所述丝母座与所述滚珠螺母通过法兰相对固定，所述滚珠丝杠401的底部螺纹处安装手术器械。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

本发明的推力杆作用于对偶三角形连杆底部，通过导轨滑块的运动推动对偶三角形连杆的整体转动，从而实现绕远程固定点的整体转动；具有定位精度高、结构紧凑、系统集成度高、运动特性优异、自动化程度高等特点，可实现微创手术中其他机构难以通过远处驱动实现的绕手术器械自身轴线方向的转动自由度。本发明大幅降低了远中心运动机构的系统复杂性，并可在此基础上进行拓展，产生整体机构绕远中心的转动自由度，末端执行器可以绕远中心实现2R1T的运动，即整体机构绕远中心的转动，末端执行器绕自身轴线方向的转动与平动。采用上述结构，整个机构占用空间小，结构紧凑，驱动方便，可以实现大多数远中心机构所不能实现的绕自身末端执行器的转动自由度。

本发明采用了2个对称的直线机构，通过差动的方式实现末端执行器的转动与平动，在不考虑重力的条件下，由于直线机构的引入，末端执行器上的丝杠螺母在运动的过程中，外部施加力的压力角为0度，大大节省了驱动螺母所需要的电机扭矩，使得整个远中心机构有较好的力传递性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明中静平台的结构示意图；

图5为本发明中末端执行器的结构示意图；

图6为本发明中张紧系统的结构示意图；

图7为本发明中内侧波塞利耶连杆绳索驱动的绕线图；

图8为本发明中外侧波塞利耶连杆绳索驱动的绕线图；

其中：双电机被动座101；双电机主动座102；联轴器103；伺服电机104；外一级绕线轴105；铝底板106；内一级绕线轴107；导轨法兰201；导轨滑块202；导轨丝杠203；导轨挡板204；联轴器205；电机座206；丝杠伺服电机207；张紧轮系统301；连杆基座302；外二级轴303；1号滑轮304；内二级轴305；2号滑轮306；推力杆307；下后连杆308；下前连杆309；侧边平行连杆310；推动加固轴311；推动传力轴312；侧边平行连杆313；3号滑轮314；4号滑轮315；上下连杆316；内三级轴317；外三级轴318；前短连杆319；第一上后轴320；上上连杆321；第二上后轴322；5号滑轮323；6号滑轮324；四级轴325；上前轴326；外部不弯曲连杆327；主动外部连杆328；从动摇臂329；左侧压板平台330；主动内部连杆331；末顶同步轴332；从动连接通轴333；内部弯曲连杆334；内从动连接轴335；从动连接通轴336；末端连杆337；7号滑轮338；滚珠丝杠401；滚珠螺母402；丝母座403；丝杠轴承座404；末连接轴405；绳张紧座30101；张紧轮30102；垫片30103；张紧螺母30104；张紧轮轴30105。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，所属的对偶三角形连杆，下后连杆308与下前连杆309分别通过内二级轴305、外二级轴303与连杆基座302相铰接。2个下后连杆308通过内二级轴305、推动传力轴312、内三级轴317与第一上后轴320相连接，下前连杆309通过外二级轴303、推动加固轴311与外三级轴318相连接，上下连杆316通过上前轴326与下前连杆相铰接，上上连杆321通过第二上后轴322与四级轴325相连接。侧边平行连杆313分别连接与上述连杆两侧，使得上述连杆可以按照要求的运动模式运动。连杆之间通过铝柱铰接，提升整体机构的刚度。丝杠伺服电机207固定于电机座206上，通过联轴器205与导轨丝杠相连，驱动导轨滑块202的平动。导轨滑块202与导轨法兰201相连，导轨法兰201与推力杆307相连，从而将丝杠伺服电机207的驱动力转化为对偶三角形连杆的运动。

如图1与图2所示，左侧压板平台330与右侧压板平台通过四级轴325、上前轴326与从动连接通轴336相连，使得左侧压板平台330与右侧压板平台形成一个中间平台，从而与内外波塞利耶连杆的连杆相连。内外波塞利耶连杆分别固定于中间平台的内外侧，主动内部连杆331、主动外部连杆328保持同轴，4根从动摇臂329保持同轴，分别位于中间平台的内外两侧。内侧波塞利耶连杆位于中间平台中间，外侧波塞利耶连杆一拆为二，分布与中间平台外侧，通过此种拆分的结构，减少了实现基本运动的连杆数目，使得整体结构更加紧凑。

如图4所示，本实施例2台伺服电机104与双电机主动座102相连接，外一级绕线轴105与内一级绕线轴107分别与2台伺服电机通过联轴器103相连，铝底板106通过螺栓与双电机主动座102、双电机被动座101相互铰接。

如图5所示，末端连杆337与丝杠轴承座404通过末连接轴405相铰接，末端连杆337与丝母座403直接铰接，丝母座403与滚珠螺母402通过法兰相对固定，滚珠丝杠401即为末端执行器，可在其底部螺纹处安装手术器械。

如图6所示，绳张紧座30101通过螺栓固定于铝底板106上，左右两块垫片30103将张紧轮30102轴向限制在张紧轮轴30105上，通过张紧螺母30104调整张紧轮轴30105的位置拉紧张紧绳。

如图7所示，内部绳索驱动系统通过主动内部连杆331拉动5号滑轮323，后带动7号滑轮338，通过左边线路带动1号滑轮304转动，后绕过张紧轮30103与内一级绕线轴107相连，整条绳索长度不变，绕线时会通过绳索带动主动内部连杆331转动，从而驱动内部波塞利耶连杆运动，实现丝杠轴承座404沿末端执行器轴线的平动。

如图8所示，外部绳索驱动系统通过主动外部连杆328拉动5号滑轮323，后带动3号滑轮314，然后直接带动1号滑轮304转动，后绕过张紧轮30103与外一级绕线轴105相连，整条绳索长度不变，绕线时会通过绳索带动主动外部连杆328转动，从而驱动外部波塞利耶连杆运动，实现丝母座403沿末端执行器轴线的平动。

如图5所示，丝母座403与丝杠轴承座404同时沿末端执行器轴线向下平动相同距离时，末端执行器做纯平动，丝母座403与丝杠轴承座404沿末端执行器轴线相反方向移动相同距离时，末端执行器做纯转动，否则，末端执行器会进行转动与平动的耦合运动。

与现有技术相比，本发明实现了绕远程固定点的整体转动；本装置具有定位精度高、结构紧凑、系统集成度高、运动特性优异、自动化程度高等特点，可实现微创手术中其他机构难以通过远处驱动实现的绕手术器械自身轴线方向的转动自由度。本发明大幅降低了远中心运动机构的系统复杂性，并可在此基础上进行拓展，产生整体机构绕远中心的转动自由度，满足微创手术所需自由度的要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高力传递性能的2R1T远中心运动机构，其特征在于，包括静平台、推力机构、对偶三角形连杆和末端执行器，所述静平台上设有所述推力机构，所述推力机构被配置为作用于所述对偶三角形连杆的底部，所述末端执行器与所述对偶三角形连杆连接；

所述运动机构还包括中间平台、内侧波塞利耶连杆、外侧波塞利耶连杆，所述内侧波塞利耶连杆位于所述中间平台的中间，所述外侧波塞利耶连杆分布于所述中间平台的外侧；

所述内侧波塞利耶连杆包括：主动内部连杆、内部弯曲连杆、内部从动摇臂和末端连杆，所述外侧波塞利耶连杆包括：主动外部连杆、外部不弯曲连杆、外部从动摇臂和末端连杆，所述末端连杆的截面为T形；

所述末端执行器包括滚珠丝杠、滚珠螺母、丝母座、丝杠轴承座和末连接轴，所述末端连杆与所述丝杠轴承座通过所述末连接轴相铰接，所述末端连杆与所述丝母座直接铰接，所述丝母座与所述滚珠螺母通过法兰相对固定，所述滚珠丝杠的底部螺纹处安装手术器械；

所述运动机构还包括内部绳索驱动系统和外部绳索驱动系统，所述内部绳索驱动系统通过主动内部连杆拉动5号滑轮、 7号滑轮、 1号滑轮转动，带动主动内部连杆转动，从而驱动内侧波塞利耶连杆运动，实现丝杠轴承座沿末端执行器轴线的平动；所述外部绳索驱动系统通过主动外部连杆拉动5号滑轮、 3号滑轮、1号滑轮转动，带动主动外部连杆转动，从而驱动外侧波塞利耶连杆运动，实现丝母座沿末端执行器轴线的平动。

2.如权利要求1所述的运动机构，其特征在于，所述静平台包括：双电机主动座和双电机被动座，所述双电机主动座上固定有两台伺服电机，且所述两台伺服电机分别连接有外一级绕线轴与内一级绕线轴，所述双电机主动座与所述双电机被动座上固定有铝底板，所述铝底板上固定有四个张紧轮系统，所述铝底板上固定有两个连杆基座，用于支撑所述对偶三角形连杆。

3.如权利要求2所述的运动机构，其特征在于，所述张紧轮系统包括绳张紧座、张紧轮、垫片、张紧螺母和张紧轮轴，所述绳张紧座通过螺栓固定于所述铝底板上，左右两块所述垫片将所述张紧轮轴向限制在所述张紧轮轴上，所述张紧螺母调整所述张紧轮轴的位置并拉紧张紧绳。

4.如权利要求3所述的运动机构，其特征在于，所述推力机构包括：导轨法兰、导轨滑块、导轨丝杠、导轨挡板、联轴器、电机座和丝杠伺服电机，所述丝杠伺服电机固定于所述电机座上，并配置成通过所述联轴器与所述导轨丝杠相连，驱动所述导轨滑块的平动；所述导轨滑块与所述导轨法兰相连。

5.如权利要求4所述的运动机构，其特征在于，所述对偶三角形连杆包括上上连杆、上下连杆、下前连杆、下后连杆和侧边平行连杆；所述下后连杆与所述下前连杆分别通过内二级轴、外二级轴与连杆基座相铰接；两个所述下后连杆通过内二级轴、推动传力轴、内三级轴与第一上后轴相连接，所述下前连杆通过外二级轴、推动加固轴与外三级轴相连接，所述上下连杆通过上前轴与所述下前连杆相铰接，所述上上连杆通过第二上后轴与四级轴相连接；所述侧边平行连杆分别连接在所述上上连杆、上下连杆、下前连杆、下后连杆的两侧；所述上上连杆、上下连杆、下前连杆、下后连杆和侧边平行连杆之间通过铝柱铰接。

6.如权利要求5所述的运动机构，其特征在于，所述中间平台由左侧压板平台与右侧压板平台通过四级轴、上前轴与从动连接通轴相连形成。

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