CN113907876A - 一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂及机械人，机械臂包括依次连接的夹持结构、万向传动结构和驱动器，万向传动结构包括至少两仿脊椎连接件，各仿脊椎连接件沿夹持结构向驱动器方向间隔设置，相邻的两仿脊椎连接件之间设置弹性件；驱动器包括若干刚性金属丝，其中一部分刚性金属丝依次穿过其中一仿脊椎连接件、弹性件和另一仿脊椎连接件连接夹持结构面向驱动器的一侧；另一部分刚性金属丝驱动连接夹持结构；驱动器用于分别控制各刚性金属丝，以使万向传动结构伸缩和/或转动驱动夹持结构至指定位置进行作业。本发明提出技术方案中能够解决外科手术过程中狭小空间下的可视操作，特别是深长的空间下的操作和物体抓取。

Description

一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂及手术机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，特别涉及一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂及手术机器人。

背景技术

现有的机械臂一般可以在周向上任意转动，确保机械臂的灵活性，而机械臂前进后退的动作一般是使用的伸缩器来驱动机械臂，在工业上，由于对机械臂的精度要求不是太高，所以使用的伸缩臂成本较低。而在医用上广泛应用于临床中的达芬奇机器人，其结构是刚性结构，由多个机械关节组成，虽然能够实现精确的位置操作，但是由于其体积庞大，特别使各个转动关节和伸缩使用的伸缩臂的其精度要求非常高，这就使得其购置成本非常高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂及手术机器人，旨在解决现有医用机械臂使用高精度伸缩臂，导致购置成本高昂的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，包括依次连接的夹持结构、万向传动结构和驱动器，所述万向传动结构包括至少两仿脊椎连接件，各所述仿脊椎连接件沿所述夹持结构向所述驱动器方向间隔设置，相邻的两所述仿脊椎连接件之间设置弹性件；所述驱动器包括若干刚性金属丝，其中一部分所述刚性金属丝依次穿过其中一所述仿脊椎连接件、所述弹性件和另一所述仿脊椎连接件连接所述夹持结构面向所述驱动器的一侧；另一部分所述刚性金属丝驱动连接所述夹持结构；所述驱动器用于分别控制各所述刚性金属丝，以使所述万向传动结构伸缩和/或转动驱动所述夹持结构至指定位置进行作业。

优选的，所述弹性件包括间隔设置的若干弹性环，各所述弹性环之间设置弹性圈，各所述弹性环的轴向和所述弹性圈的轴向分别平行于各所述刚性金属丝。

优选的，所述仿脊椎连接件包括第一环体和第二环体，所述第一环体和所述第二环体之间至少设置一传动环，各所述传动环沿各所述刚性金属丝的长度方向依次转动连接；靠近所述夹持结构的所述传动环和所述第一环体转动连接，靠近所述驱动器的所述传动环和所述第二环体转动连接；所述第一环体、所述第二环体和各所述传动环分别转动形成转动面，相邻的各转动面垂直设置。

优选的，所述传动环面向所述驱动器的一侧开设两插口，两所述插口之间的距离等于所述传动环的环内直径，所述传动环面向所述夹持结构的一端设置两插块，两所述插口之间的距离等于两所述插块之间的距离，任一所述插口和任一所述插块之间沿所述传动环周向的角度差为90°；相邻两所述传动环中靠近所述驱动器的所述传动环的其中一所述插块和靠近所述夹持结构的所述传动环的其中一所述插口转动连接，相邻两所述传动环中靠近所述驱动的所述传动环的另一所述插块和靠近所述夹持结构的所述传动环的另一所述插口转动连接。

优选的，所述第一环体面向所述驱动器的一侧也开设两所述插口，远离所述驱动器的所述传动环的其中一所述插块和所述第一环体的其中一所述插口转动连接，远离所述驱动器的所述传动环的另一所述插块和所述第一环体的另一所述插口转动连接；所述第二环体面向所述夹持结构的一侧也设置两所述插块，远离所述夹持结构的所述传动环的其中一所述插块和所述第一环体的其中一所述插口转动连接，远离所述夹持结构的所述传动环的另一所述插块和所述第一环体的另一所述插口转动连接。

优选的，所述传动环内分别连接两所述插块的径线和所述传动环转动时的轴向平行；所述传动环面向所述驱动器的一侧开设两下弧面，两所述下弧面之间距离等于两所述插口之间的距离，两所述下弧面用于形成转动间隙。

优选的，所述传动环面向所述夹持结构的一侧开设两上弧面，两所述上弧面之间距离等于两所述插板之间的距离，两所述上弧面用于形成转动间隙。

优选的，所述传动环的内缘设置弹性体。

优选的，所述万向传动结构的外壁面套设弹性套。

一种手术机器人，将上述任一所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂应用于所述手术机器人。

与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

通过驱动器驱动各刚性金属丝移动，使得各仿脊椎连接件弯曲，以及弹性件伸缩，使得结构简化的同时，又保证了机械臂的精度，能够解决外科手术过程中狭小空间下的可视操作，特别是深长的空间下的操作和物体抓取，同时具备弯曲作业操作和自适应伸长操作，具备高刚性的结构和精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂一实施例的结构示意图；

图2为图1去除弹性套和其中一仿脊椎连接件的结构示意图；

图3为传动环的结构示意图；

图4为图3正视的结构示意图；

图5为夹持结构的结构示意图；

图6为弹性件的结构示意图；

图7为本发明一种手术机器人一实施例的结构示意图；

图8为驱控一体关节的结构示意图。

附图标号说明：

1-夹持结构；11-视觉传感器；12-光源；

2-万向传动结构；21-弹性套；

3-仿脊椎连接件；31-第一环体；32-第二环体；33-传动环；34-插口；35-下弧面；36-插块；37-圆板；38-连接板；39-上弧面；

4-弹性件；41-弹性环；42-弹性圈；

5-刚性金属丝；51-弹性体；

6-床体；61-架体；62-滑道；63-电控滑座；64-驱控一体关节；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂。

如图1至图6所示的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，包括依次连接的夹持结构1、万向传动结构2和驱动器(图中未示出)，万向传动结构2包括至少两仿脊椎连接件3，各仿脊椎连接件3沿夹持结构1向驱动器方向间隔设置，相邻的两仿脊椎连接件3之间设置弹性件4；驱动器包括若干刚性金属丝5，其中一部分刚性金属丝5依次穿过其中一仿脊椎连接件3、弹性件4和另一仿脊椎连接件3连接夹持结构1面向驱动器的一侧；另一部分刚性金属丝5驱动连接夹持结构1；驱动器用于分别控制各刚性金属丝5，以使万向传动结构2伸缩和/或转动驱动夹持结构1至指定位置进行作业。

具体的，各仿脊椎连接件3和弹性件4同轴设置。

具体的，远离驱动器的仿脊椎连接件3的其中一端可拆卸连接弹性件4的其中一端，远离驱动器的仿脊椎连接件3的另一端可拆卸连接夹持结构1；远离夹持结构1的仿脊椎连接件3的其中一端可拆卸连接弹性件4的另一端，远离夹持结构1的仿脊椎连接件3的另一端可拆卸连接驱动器。

具体的，驱动器包括六根刚性金属丝5，其中四根刚性金属丝5分别控制各仿脊椎连接件3的其中一转动方向，另外两根刚性金属丝5用于控制夹持结构1进行夹持。

具体的，刚性金属线5为镍钛合金丝，刚性金属丝为高刚性钢线，变形小，两侧的拮抗作用能够提供大的变形。刚性金属丝为TiNi-02，疲劳寿命达1*10的7次方，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其抗腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢。配合驱动器和万向传动结构2的布局保障了驱动力和弯曲的要求，能够保障末端的高刚性和稳定性要求。

具体的，驱动器为直线电机，各刚性金属丝5分别连接一直线电机。

具体的，夹持结构1根据具体的作业任务更换操作工具包含夹爪和切割工具等。

使用时通过驱动控制各仿脊椎连接件3的四根刚性金属丝5向前移动，以使刚性金属丝5推动夹持结构1拉伸弹性件4完成夹持结构1的前进或后退。

具体的，夹持结构1背离驱动器的一侧还分别设置视觉传感器11和光源12，能够保障机械臂在狭小阴暗的空间下的可视化操作。

通过驱动器驱动各刚性金属丝5移动，使得各仿脊椎连接件3弯曲，以及弹性件4伸缩，使得结构简化的同时，又保证了机械臂的精度，能够解决外科手术过程中狭小空间下的可视操作，特别是深长的空间下的操作和物体抓取，同时具备弯曲作业操作和自适应伸长操作，具备高刚性的结构和精确控制。

弹性件4包括间隔设置的若干弹性环41，各弹性环41之间设置弹性圈42，各弹性环41的轴向和弹性圈42的轴向分别平行于各刚性金属丝5。若干弹性环41组成弹性件4，这样提高了弹性件4的使用寿命，避免对机械臂的过多拆卸维护。

具体的，弹性件4为TPU弹性件4(Thermoplastic polyurethanes--名称为热塑性聚氨酯弹性体橡胶)。其硬度在70HRC，比重1.2，伸长率为400，拉力强度为300kg/cm，100％抗拉应力为kg/cm，具备良好的抗疲劳性能，抗腐蚀性能和极高的稳定性，广泛应用于医疗器械。

仿脊椎连接件3包括第一环体31和第二环体32，第一环体31和第二环体32之间至少设置一传动环33，各传动环33沿各刚性金属丝5的长度方向依次转动连接；靠近夹持结构1的传动环33和第一环体31转动连接，靠近驱动器的传动环33和第二环体32转动连接；第一环体31、第二环体32和各传动环33分别转动形成转动面，相邻的各转动面垂直设置。仿脊椎连接件3的多段组合，提高了其传动效果。相邻两传动环33形成的转动面垂直，这样多个传动环33配合，使得仿脊椎连接件3可以随意转动。

传动环33面向驱动器的一侧开设两插口34，两插口34之间的距离等于传动环33的环内直径，传动环33面向夹持结构1的一端设置两插块36，两插口34之间的距离等于两插块36之间的距离，任一插口34和任一插块36之间沿传动环33周向的角度差为90°；相邻两传动环33中靠近驱动器的传动环33的其中一插块36和靠近夹持结构1的传动环33的其中一插口34转动连接，相邻两传动环33中靠近驱动的传动环33的另一插块36和靠近夹持结构1的传动环33的另一插口34转动连接。相邻传动环33的连接结构简单，方便其微型化的制作，降低了传动环33的维护成本。

第一环体31面向驱动器的一侧也开设两插口34，远离驱动器的传动环33的其中一插块36和第一环体31的其中一插口34转动连接，远离驱动器的传动环33的另一插块36和第一环体31的另一插口34转动连接；第二环体32面向夹持结构1的一侧也设置两插块36，远离夹持结构1的传动环33的其中一插块36和第一环体31的其中一插口34转动连接，远离夹持结构1的传动环33的另一插块36和第一环体31的另一插口34转动连接。第一环体31和第二环体32类似于传动环33的结构，这样保证了传动的一致性，有效的保证了控制精度。仿脊椎连接件3整体采用仿生设计-仿脊柱设计，采用四组高刚性钢丝拮抗布局形式驱动，能够保障柔性臂的三自由度偏转运动，为此整体机械臂的自由度达到8个，灵活性进一步提高。

具体的，各插口34面向驱动器的端部为弧面，这样增大了传动环33的转动角度。

传动环33内分别连接两插块36的径线和传动环33转动时的轴向平行；传动环33面向驱动器的一侧开设两下弧面35，两下弧面35之间距离等于两插口34之间的距离，两下弧面35用于形成转动间隙。下弧面35配合各传动环33的转动方向设置，提高了各传动环33的转动角度。

具体的，下弧面35为弧面切口。

具体的，插块36包括圆板37和连接板38，连接板38的其中一段连接圆板37，连接板38的另一端连接传动环33，连接板38沿垂直于刚性金属丝5方向的宽度距离小于圆板37的直径，这样又有效的增加传动环33的转动角度。圆板37、连接板38和传动环33一体成型。

具体的，圆板37的轴向和传动环33转动的轴向重合。

传动环33面向所述夹持结构1的一侧开设两上弧面39，两上弧面39之间距离等于两插板36之间的距离，两上弧面39也用于形成转动间隙。上弧面39配合下弧面35使得，进一步的提高传动环33的转动角度。

传动环33的内缘设置弹性体51。弹性体51能够保证对传动环33足够的支撑强度，同时辅助各传动环33的复位。

具体的，连接夹持结构1的刚性金属丝5穿过各弹性体51，各弹性体51沿刚性金属丝5的长度方向间隔设置。

具体的，弹性体51为柱体，且柱体的轴向平行于刚性金属丝5。

万向传动结构2的外壁面套设弹性套21。弹性套21可以避免外部杂物进入各传动环33的转动间隙。

如图7至图8所示的一种手术机器人，将上述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂应用于手术机器人。

手术机械人包括床体6和架体61，架体61横向设置滑道62，滑道62分别设置两滑道62电控滑座63，各滑道62电控滑座63分别设置驱控一体关节64，各驱控一体关节64分别驱动连接一仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂。

电控滑座63、驱控一体关节64和仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂能够提供精确的运动位置，包含四个自由度、两个旋转运动和两个直线运动。双机械臂组合形式，保障了操作的灵巧性，适用于微创操作和ERAS理念的执行。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，包括依次连接的夹持结构、万向传动结构和驱动器，所述万向传动结构包括至少两仿脊椎连接件，各所述仿脊椎连接件沿所述夹持结构向所述驱动器方向间隔设置，相邻的两所述仿脊椎连接件之间设置弹性件；所述驱动器包括若干刚性金属丝，其中一部分所述刚性金属丝依次穿过其中一所述仿脊椎连接件、所述弹性件和另一所述仿脊椎连接件连接所述夹持结构面向所述驱动器的一侧；另一部分所述刚性金属丝驱动连接所述夹持结构；所述驱动器用于分别控制各所述刚性金属丝，以使所述万向传动结构伸缩和/或转动驱动所述夹持结构至指定位置进行作业。

2.根据权利要求1所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述弹性件包括间隔设置的若干弹性环，各所述弹性环之间设置弹性圈，各所述弹性环的轴向和所述弹性圈的轴向分别平行于各所述刚性金属丝。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述仿脊椎连接件包括第一环体和第二环体，所述第一环体和所述第二环体之间至少设置一传动环，各所述传动环沿各所述刚性金属丝的长度方向依次转动连接；靠近所述夹持结构的所述传动环和所述第一环体转动连接，靠近所述驱动器的所述传动环和所述第二环体转动连接；所述第一环体、所述第二环体和各所述传动环分别转动形成转动面，相邻的各转动面垂直设置。

4.根据权利要求3所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述传动环面向所述驱动器的一侧开设两插口，两所述插口之间的距离等于所述传动环的环内直径，所述传动环面向所述夹持结构的一端设置两插块，两所述插口之间的距离等于两所述插块之间的距离，任一所述插口和任一所述插块之间沿所述传动环周向的角度差为90°；相邻两所述传动环中靠近所述驱动器的所述传动环的其中一所述插块和靠近所述夹持结构的所述传动环的其中一所述插口转动连接，相邻两所述传动环中靠近所述驱动的所述传动环的另一所述插块和靠近所述夹持结构的所述传动环的另一所述插口转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述第一环体面向所述驱动器的一侧也开设两所述插口，远离所述驱动器的所述传动环的其中一所述插块和所述第一环体的其中一所述插口转动连接，远离所述驱动器的所述传动环的另一所述插块和所述第一环体的另一所述插口转动连接；所述第二环体面向所述夹持结构的一侧也设置两所述插块，远离所述夹持结构的所述传动环的其中一所述插块和所述第一环体的其中一所述插口转动连接，远离所述夹持结构的所述传动环的另一所述插块和所述第一环体的另一所述插口转动连接。

6.根据权利要求4所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述传动环内分别连接两所述插块的径线和所述传动环转动时的轴向平行；所述传动环面向所述驱动器的一侧开设两下弧面，两所述下弧面之间距离等于两所述插口之间的距离，两所述下弧面用于形成转动间隙。

7.根据权利要求6所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述传动环面向所述夹持结构的一侧开设两上弧面，两所述上弧面之间距离等于两所述插板之间的距离，两所述上弧面也用于形成转动间隙。

8.根据权利要求4所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述传动环的内缘设置弹性体。

9.根据权利要求1或2任一所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂，其特征在于，所述万向传动结构的外壁面套设弹性套。

10.一种手术机器人，其特征在于，将权利要求1-9中任一所述的一种仿脊柱高刚性直线驱动的机械臂应用于所述手术机器人。

Images