CN114027982B - 一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器，包括机械臂、固定在机械臂上的安装架、与安装架相连的连续体柔性关节、与连续体柔性关节相连的手术钳总成以及设置在安装架内的驱动机构；驱动机构包括第五电动推杆与第五柔索、第一电动推杆与第一柔索、第二电动推杆与第二柔索、第三电动推杆与第三柔索、第四电动推杆与第四柔索，手术钳总成在第五柔索的牵引下实现张开或闭合，连续体柔性关节在第一柔索和第三柔索的牵引下实现上下方向的偏转，所述的连续体柔性关节在第二柔索和第四柔索的牵引下实现左右方向的偏转。本发明通过控制电动推杆即可实现手术钳总成的不同的手术状态，具有精度高、操作难度低等优点。

Description

一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器。

背景技术

手术机器人被广泛的应用于微创手术中的各个领域，现在市场上的手术机器人大致可分为两种，刚性杆臂手术机器人和多杆连续体柔性手术机器人，极少见到单杆连续体柔性驱动手术机器人。刚性杆手术机器人缺点是体积大、质量重、操作灵敏度低且不宜使用在腹腔等环境复杂的手术场合；其优点是造价成本低，易于控制。多杆连续体柔性手术机器人又需要大量的弹性构件，其变形模态难以精确测定控制，弹性构件之间的连接使得运动模型的描述难度增加，到目前控制方面仍然是一个待解决的难题；其优点是更加的灵活，适宜运用在环境复杂的手术场合。

公开号为CN210124818U的专利公布了一个分离钳及柔性手术机器人，其为多杆连续柔性体，该发明结构复杂、生产制造成本高、并且难以精确控制。公开号为CN201820330630.9的专利公布了一种具有移动和自转定位关节的单孔手术机器人，该发明专利中采用刚性手术机械手，造价便宜，成本低，但是操作不便，灵活度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器，该手术机器人执行器具有结构轻量化、操作简便、优化的特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括固定在移动底座上的机械臂、固定在机械臂上的安装架、与安装架相连的连续体柔性关节、与连续体柔性关节相连的手术钳总成以及设置在安装架内的驱动机构；所述的驱动机构包括连接手术钳总成与第五电动推杆的第五柔索，还包括连接连续体柔性关节与第一电动推杆的第一柔索、连接连续体柔性关节与第二电动推杆的第二柔索、连接连续体柔性关节与第三电动推杆的第三柔索、连接连续体柔性关节与第四电动推杆的第四柔索，所述的第一柔索、第二柔索、第三柔索及第四柔索依次沿第五柔索的周向均匀间隔布置，上述的各电动推杆均分别驱动与之相连的柔索实现直线往复运动，所述的手术钳总成在第五柔索的牵引下实现张开或闭合，所述的连续体柔性关节在第一柔索和第三柔索的牵引下实现上下方向的偏转，所述的连续体柔性关节在第二柔索和第四柔索的牵引下实现左右方向的偏转。

所述的连续体柔性关节包括整体呈方形的关节本体以及固定在关节本体两端的第二法兰盘和第三法兰盘，其中：第二法兰盘与第一法兰盘连接，第三法兰盘与手术钳总成的底盘连接，所述的连续体柔性关节沿其轴向分别设有与第一柔索、第二柔索、第三柔索、第四柔索、第五柔索相配合的孔洞，所述的关节本体沿其长度方向设有依次交错90°布置的方形槽，所述的方形槽由关节本体的外表面向内垂直开设，所述方形槽的轴向宽度为2.5mm，相邻两个方形槽之间的轴向距离为5mm。

所述的手术钳总成包括与第三法兰盘相固定的底盘、与底盘相连的外壳以及贯穿底盘设置的推杆，所述推杆的一端与第五柔索相固定，且推杆与第五柔索的中心轴线相吻合，所述推杆的另一端与主连接关节的中心点螺纹连接，所述的底盘与主连接关节之间的推杆上套设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端与主连接关节固连，复位弹簧的另一端抵靠在底盘的端面上，所述的手术钳总成还包括对称设置的左钳体组件与右钳体组件，所述的左钳体组件包括左钳体、第一连接关节和第二连接关节，所述第一连接关节的一端与左钳体固连且该端通过螺栓与外壳连接，第一连接关节的另一端与第二连接关节的一端铰接，第二连接关节的另一端与主连接关节的一端铰接；所述的右钳体组件包括右钳体、第三连接关节和第四连接关节，所述的第三连接关节的一端与右钳体固连且该端通过螺栓与外壳连接，第三连接关节的另一端与第四连接关节的一端铰接，第四连接关节的另一端与主连接关节的另一端铰接，初始状态下左钳体与右钳体处于闭合状态，且复位弹簧处于压缩状态。

所述的安装架包括与机械臂相连的底座、与底座相配合连接的筒状壳体、与筒状壳体相配合连接的端盖，还包括连接端盖与连续体柔性关节的延长管，所述的筒状壳体为分体结构，包括卡接配合的第一壳体与第二壳体，所述延长管的一端与端盖上的第一柱状凸起过盈配合，延长管的另一端通过第一法兰盘与连续体柔性关节相连，所述的第一法兰盘上设有与延长管过盈配合的第二柱状凸起，所述的第一柱状凸起及第二柱状凸起上均分别设有供第一柔索、第二柔索、第三柔索、第四柔索、第五柔索穿出的孔洞。

所述的第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆及第五电动推杆均分别通过第一活动耳座固定在安装架的底座上，其中：第五电动推杆固定在底座的中心位置，第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆沿第五电动推杆的周向均匀间隔布置。

所述的安装架内还设有第一导向滑轮组和第二导向滑轮组，所述的第一导向滑轮组包括与第一柔索相配合的第一滑轮、与第二柔索相配合的第二滑轮、与第三柔索相配合的第三滑轮以及与第四柔索相配合的第四滑轮，所述的第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮均分别通过第二活动耳座固定在第一壳体的内壁上，且所述的第一柔索、第二柔索、第三柔索、第四柔索在绕经第一导向滑轮组之前处于平行状态；所述的第二导向滑轮组包括与第一柔索相配合的第五滑轮、与第二柔索相配合的第六滑轮、与第三柔索相配合的第七滑轮以及与第四柔索相配合的第八滑轮，所述的第五滑轮、第六滑轮、第七滑轮、第八滑轮均分别通过第三活动耳座固定在第二壳体的内壁上。

由上述技术方案可知，本发明通过第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆牵引与之对应的柔索来实现连续体柔性关节上下左右方向的弯曲，通过第五电动推杆牵引与之对应的柔索来实现手术钳总成的开合运动，整个执行器通过控制电动推杆即可实现手术钳总成的不同的手术状态，具有精度高、操作难度低等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明安装架的结构示意图。

图3是本发明底座的结构示意图。

图4是本发明筒状壳体的结构示意图。

图5是本发明端盖的结构示意图。

图6是本发明连续体柔性关节的结构示意图。

图7是本发明连续体柔性关节的截面示意图。

图8是本发明连续体柔性关节的主视图。

图9是本发明手术钳总成的结构示意图。

图10是本发明手术钳总成闭合状态时的内部结构示意图。

图11是本发明手术钳总成张开状态时的内部结构示意图。

图12是本发明手术钳总成的结构爆炸图。

图13是本发明驱动机构的结构示意图。

上述附图中的标号为：移动底座1、机械臂2、安装架3、底座31、筒状壳体32、端盖33、延长管34、第一壳体321、第二壳体322、第一柱状凸起331、第一法兰盘35、第一滑轮361、第二滑轮362、第三滑轮363、第四滑轮364、第五滑轮371、第六滑轮372、第七滑轮373、第八滑轮374、第二活动耳座38、第三活动耳座39、连续体柔性关节4、关节本体41、方形槽411、第二法兰盘42、第三法兰盘43、手术钳总成5、底盘51、外壳52、推杆53、主连接关节54、复位弹簧55、左钳体组件56、左钳体561、第一连接关节562、第二连接关节563、右钳体组件57、右钳体571、第三连接关节572、第四连接关节573、第一电动推杆61、第一柔索611、第二电动推杆62、第二柔索621、第三电动推杆63、第三柔索631、第四电动推杆64、第四柔索641、第五电动推杆65、第五柔索651、第一活动耳座66、L形安装板661、直挡板662。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器，包括固定在移动底座1上的机械臂2、固定在机械臂2上的安装架3、与安装架3相连的连续体柔性关节4、与连续体柔性关节4相连的手术钳总成5以及设置在安装架3内的驱动机构。本实施例中的机械臂采用具有六自由度的UR5机械臂，其具体结构参照现有技术。

进一步的，如图2、图3、图4、图5所示，安装架3包括与机械臂2相连的底座31、与底座31相配合连接的筒状壳体32、与筒状壳体32相配合连接的端盖33，还包括连接端盖33与连续体柔性关节4的延长管34。具体的，本实施便中，筒状壳体32与底座31及端盖33的连接方式均采用卡槽连接的方式。筒状壳体32为分体结构，包括卡接配合的第一壳体321与第二壳体322，延长管34的一端与端盖33上的第一柱状凸起331过盈配合，延长管34的另一端通过第一法兰盘35与连续体柔性关节4相连，第一法兰盘35上设有与延长管34过盈配合的第二柱状凸起，第一柱状凸起331及第二柱状凸起上均分别设有供第一柔索611、第二柔索621、第三柔索631、第四柔索641及第五柔索651穿出的孔洞。

更进一步的，安装架3内还设有第一导向滑轮组和第二导向滑轮组。第一导向滑轮组与第二导向滑轮组负责各柔索的引导，保证各柔索与各电动推杆的轴向一致。第一导向滑轮组包括与第一柔索611相配合的第一滑轮361、与第二柔索621相配合的第二滑轮362、与第三柔索631相配合的第三滑轮363以及与第四柔索641相配合的第四滑轮364，第一滑轮361、第二滑轮362、第三滑轮363、第四滑轮364均分别通过第二活动耳座38固定在第一壳体321的内壁上，且第一柔索611、第二柔索621、第三柔索631、第四柔索641在绕经第一导向滑轮组之前处于平行状态；即第一导向滑轮组中的各个滑轮分别与下方对应的电动推杆的轴线相切，以保证电动推杆的轴线和与其相连接的柔索平行。第二导向滑轮组包括与第一柔索611相配合的第五滑轮371、与第二柔索621相配合的第六滑轮372、与第三柔索631相配合的第七滑轮373以及与第四柔索641相配合的第八滑轮374，第五滑轮371、第六滑轮372、第七滑轮373、第八滑轮374均分别通过第三活动耳座39固定在第二壳体322的内壁上。

进一步的，如图6、图7所示，连续体柔性关节4为轴向开孔、径向开槽的连续体结构，具体的，连续体柔性关节4包括整体呈方形的关节本体41以及固定在关节本体两端的第二法兰盘42和第三法兰盘43，其中：第二法兰盘42与第一法兰盘35连接，第三法兰盘43与手术钳总成的底盘51连接，连续体柔性关节4沿其轴向分别设有与第一柔索611、第二柔索621、第三柔索631、第四柔索641、第五柔索651相配合的孔洞，上述孔洞与端盖33上开设的与柔索相配合的孔洞同轴。关节本体41沿其长度方向设有依次交错90°布置的方形槽411，方形槽411由关节本体41的外表面向内垂直开设，如图8所示，方形槽411的轴向宽度L1为2.5mm，相邻两个方形槽411之间的轴向距离L2为5mm。

进一步的，如图9、图10、图11、图12所示，手术钳总成5包括与第三法兰盘43相固定的底盘51、与底盘51相连的外壳52以及贯穿底盘51设置的推杆53，推杆53的一端与第五柔索651相固定，且推杆53与第五柔索651的中心轴线相吻合，推杆53的另一端与主连接关节54的中心点螺纹连接，底盘51与主连接关节54之间的推杆53上套设有复位弹簧55，复位弹簧55的一端与主连接关节54固连，复位弹簧55的另一端抵靠在底盘51的端面上，手术钳总成5还包括对称设置的左钳体组件56与右钳体组件57，左钳体组件56包括左钳体561、第一连接关节562和第二连接关节563，第一连接关节562的一端与左钳体561固连且该端通过螺栓与外壳52连接，第一连接关节562的另一端与第二连接关节563的一端铰接，第二连接关节563的另一端与主连接关节54的一端铰接；右钳体组件57包括右钳体571、第三连接关节572和第四连接关节573，第三连接关节572的一端与右钳体571固连且该端通过螺栓与外壳52连接，第三连接关节572的另一端与第四连接关节573的一端铰接，第四连接关节573的另一端与主连接关节54的另一端铰接，初始状态下左钳体561与右钳体571处于闭合状态，且复位弹簧55处于压缩状态。

进一步的，如图13所示，驱动机构包括连接手术钳总成5与第五电动推杆65的第五柔索651，还包括连接连续体柔性关节4与第一电动推杆61的第一柔索611、连接连续体柔性关节4与第二电动推杆62的第二柔索621、连接连续体柔性关节4与第三电动推杆63的第三柔索631、连接连续体柔性关节4与第四电动推杆64的第四柔索641，第一柔索611、第二柔索621、第三柔索631及第四柔索641依次沿第五柔索651的周向均匀间隔布置，上述的各电动推杆均分别驱动与之相连的柔索实现直线往复运动，手术钳总成5在第五柔索651的牵引下实现张开或闭合，连续体柔性关节4在第一柔索611和第三柔索631的牵引下实现上下方向的偏转，连续体柔性关节4在第二柔索621和第四柔索641的牵引下实现左右方向的偏转。

更进一步的，第一电动推杆61、第二电动推杆62、第三电动推杆63、第四电动推杆64及第五电动推杆65均分别通过第一活动耳座66固定在安装架3的底座31上，其中：第五电动推杆65固定在底座31的中心位置，第一电动推杆61、第二电动推杆62、第三电动推杆63、第四电动推杆64沿第五电动推杆65的周向均匀间隔布置。

本实施例中，第一柔索、第二柔索、第三柔索、第四柔索的安装结构相同，下面以第一柔索为例进行说明：第一柔索的一端固定在第一电动推杆上，第一柔索的另一端依次绕经第一滑轮、第五滑轮涨紧后，再依次穿过第一柱状凸起上相对应的孔洞、延长管、第二柱状凸起上相对应的孔洞、第二法兰盘上相对应的孔洞、关节本体上相对应的孔洞、第三法兰盘上相对应的孔洞后与连续体柔性关节的端部固定。

第五柔索的安装结构为：第五柔索的一端固定在第五电动推杆上，第五柔索的另一端依次穿过第一柱状凸起上相对应的孔洞、延长管、第二柱状凸起上相对应的孔洞、第二法兰盘上相对应的孔洞、关节本体上相对应的孔洞、第三法兰盘上相对应的孔洞后与推杆的端部固定。

本实施例中，第一活动耳座66整体呈U型，由一块L形安装板661和一块直挡板662组成，L形安装板661与底座31为一体式结构，直挡板662与L形安装板之间通过螺栓连接得以固定电动推杆。第二活动耳座38、第三活动耳座39的结构与第一活动耳座66相同，在此不再赘述。

本发明的工作原理及工作过程如下：

在执行手术前，通过移动底座将机械臂移动至需要进行手术的地方，并调整好方向，使执行器接近手术部位。

在手术进行过程中，第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆和第四电动推杆分别给第一柔索、第二柔索、第三柔索和第四柔索提供动力，通过柔索将电机输出端的直线运动转化为连续体柔性关节的上下左右方向的偏转动作，配合第五电动推杆给第五柔索提供动力，实现左钳体与右钳体的开合运动，以完成各类手术。

连续体柔性关节上下方向的偏转运动由第一电动推杆驱动第一柔索向前运动配合第三电动推杆驱动第三柔索向后运动，或者第一电动推杆驱动第一柔索向后运动配合第三电动推杆驱动第三柔索向前运动来实现。

连续体柔性关节左右方向的偏转运动由第二电动推杆驱动第二柔索向前运动配合第四电动推杆206驱动第四柔索向后运动，或者第二电动推杆驱动第二柔索向后运动配合第四电动推杆驱动第四柔索向前运动来实现。

第五电动推杆驱动第五柔索向后运动，即可通过推杆牵引主连接关节向后运动，进而通过外壳上的铰接结构驱动左钳体和右钳体向两侧张开，当第五电动推杆驱动第五柔索向前运动时，复位弹簧的恢复力推动主连接关节向前运动，进而通过外壳上的铰接结构驱动左钳体和右钳体向中间闭合。

本发明的有益效果在于：1）本发明是一种基于连续体构型的单杆柔性手术机器人，采用新型的连续体柔性关节具有3自由度，配合6自由度的UR5机械臂底座可实现9个自由度的转动，满足手术中的功能需求。2）本发明采用新型的连续体柔性关节，相比于刚性杆臂尺寸更小，质量更轻并且更加的灵活，在手术过程中易于实现更高的精度；与多杆连续体柔性驱动手术机器人相比操作更加的精确，控制更加的简单，可使末端手术钳在受限的空间内实现灵活操作及精准抓取，且能实现与环境的安全交互。3）本发明可以根据手术需要进行更换末端操作器械，根据手术的难易程度进行不同数量的机器人的灵活组合，具有设备利用率高和应用领域广泛的优点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器，其特征在于：包括固定在移动底座（1）上的机械臂（2）、固定在机械臂（2）上的安装架（3）、与安装架（3）相连的连续体柔性关节（4）、与连续体柔性关节（4）相连的手术钳总成（5）以及设置在安装架（3）内的驱动机构；所述的驱动机构包括连接手术钳总成（5）与第五电动推杆（65）的第五柔索（651），还包括连接连续体柔性关节（4）与第一电动推杆（61）的第一柔索（611）、连接连续体柔性关节（4）与第二电动推杆（62）的第二柔索（621）、连接连续体柔性关节（4）与第三电动推杆（63）的第三柔索（631）、连接连续体柔性关节（4）与第四电动推杆（64）的第四柔索（641），所述的第一柔索（611）、第二柔索（621）、第三柔索（631）及第四柔索（641）依次沿第五柔索（651）的周向均匀间隔布置，上述的各电动推杆均分别驱动与之相连的柔索实现直线往复运动，所述的手术钳总成（5）在第五柔索（651）的牵引下实现张开或闭合，所述的连续体柔性关节（4）在第一柔索（611）和第三柔索（631）的牵引下实现上下方向的偏转，所述的连续体柔性关节（4）在第二柔索（621）和第四柔索（641）的牵引下实现左右方向的偏转；

所述的连续体柔性关节（4）包括整体呈方形的关节本体（41）以及固定在关节本体两端的第二法兰盘（42）和第三法兰盘（43），其中：第二法兰盘（42）与第一法兰盘（35）连接，第三法兰盘（43）与手术钳总成的底盘（51）连接，所述的连续体柔性关节（4）沿其轴向分别设有与第一柔索（611）、第二柔索（621）、第三柔索（631）、第四柔索（641）、第五柔索（651）相配合的孔洞，所述的关节本体（41）沿其长度方向设有依次交错90°布置的方形槽（411），所述的方形槽（411）由关节本体（41）的外表面向内垂直开设，所述方形槽（411）的轴向宽度为2.5mm，相邻两个方形槽（411）之间的轴向距离为5mm；

所述的手术钳总成（5）包括与第三法兰盘（43）相固定的底盘（51）、与底盘（51）相连的外壳（52）以及贯穿底盘（51）设置的推杆（53），所述推杆（53）的一端与第五柔索（651）相固定，且推杆（53）与第五柔索（651）的中心轴线相吻合，所述推杆（53）的另一端与主连接关节（54）的中心点螺纹连接，所述的底盘（51）与主连接关节（54）之间的推杆（53）上套设有复位弹簧（55），所述复位弹簧（55）的一端与主连接关节（54）固连，复位弹簧（55）的另一端抵靠在底盘（51）的端面上，所述的手术钳总成（5）还包括对称设置的左钳体组件（56）与右钳体组件（57），所述的左钳体组件（56）包括左钳体（561）、第一连接关节（562）和第二连接关节（563），所述第一连接关节（562）的一端与左钳体（561）固连且该端通过螺栓与外壳（52）连接，第一连接关节（562）的另一端与第二连接关节（563）的一端铰接，第二连接关节（563）的另一端与主连接关节（54）的一端铰接；所述的右钳体组件（57）包括右钳体（571）、第三连接关节（572）和第四连接关节（573），所述的第三连接关节（572）的一端与右钳体（571）固连且该端通过螺栓与外壳（52）连接，第三连接关节（572）的另一端与第四连接关节（573）的一端铰接，第四连接关节（573）的另一端与主连接关节（54）的另一端铰接，初始状态下左钳体（561）与右钳体（571）处于闭合状态，且复位弹簧（55）处于压缩状态；

所述的安装架（3）包括与机械臂（2）相连的底座（31）、与底座（31）相配合连接的筒状壳体（32）、与筒状壳体（32）相配合连接的端盖（33），还包括连接端盖（33）与连续体柔性关节（4）的延长管（34），所述的筒状壳体（32）为分体结构，包括卡接配合的第一壳体（321）与第二壳体（322），所述延长管（34）的一端与端盖（33）上的第一柱状凸起（331）过盈配合，延长管（34）的另一端通过第一法兰盘（35）与连续体柔性关节（4）相连，所述的第一法兰盘（35）上设有与延长管（34）过盈配合的第二柱状凸起，所述的第一柱状凸起（331）及第二柱状凸起上均分别设有供第一柔索（611）、第二柔索（621）、第三柔索（631）、第四柔索（641）及第五柔索（651）穿出的孔洞。

2.根据权利要求1所述的基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器，其特征在于：所述的第一电动推杆（61）、第二电动推杆（62）、第三电动推杆（63）、第四电动推杆（64）及第五电动推杆（65）均分别通过第一活动耳座（66）固定在安装架（3）的底座（31）上，其中：第五电动推杆（65）固定在底座（31）的中心位置，第一电动推杆（61）、第二电动推杆（62）、第三电动推杆（63）、第四电动推杆（64）沿第五电动推杆（65）的周向均匀间隔布置。

3.根据权利要求1所述的基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器，其特征在于：所述的安装架（3）内还设有第一导向滑轮组和第二导向滑轮组，所述的第一导向滑轮组包括与第一柔索（611）相配合的第一滑轮（361）、与第二柔索（621）相配合的第二滑轮（362）、与第三柔索（631）相配合的第三滑轮（363）以及与第四柔索（641）相配合的第四滑轮（364），所述的第一滑轮（361）、第二滑轮（362）、第三滑轮（363）、第四滑轮（364）均分别通过第二活动耳座（38）固定在第一壳体（321）的内壁上，且所述的第一柔索（611）、第二柔索（621）、第三柔索（631）、第四柔索（641）在绕经第一导向滑轮组（36）之前处于平行状态；所述的第二导向滑轮组包括与第一柔索（611）相配合的第五滑轮（371）、与第二柔索（621）相配合的第六滑轮（372）、与第三柔索（631）相配合的第七滑轮（373）以及与第四柔索（641）相配合的第八滑轮（374），所述的第五滑轮（371）、第六滑轮（372）、第七滑轮（373）、第八滑轮（374）均分别通过第三活动耳座（39）固定在第二壳体（322）的内壁上。