CN114098982B - 刚柔软并联操作手操控机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚柔软并联操作手操控机构，包括机座、动台、四个柔性杆、球套、心套、上、下柄、辅台和四个手指机构。柔性杆两端与机座和动台铰接；球套与机座球铰接；心套与动台固连，与球套和下柄移动联接，与上柄球铰接；手指机构包括指杆、测力杆、外套、动台、长、短弹片、滑块、杠杆、推拉杆和连杆。测力杆与指杆和动台转动联接，与外套移动联接；动台与杠杆转动联接，与滑块移动联接；短弹片连接外套和动台，长弹片连接指杆、外套和滑块；杠杆两端与滑块和推拉杆啮合；推拉杆与心套移动联接，连杆与推拉杆和辅台铰接，辅台与上柄滑动联接。使用者可通过上、下柄操控并联操作手顺应抓取和操作等运动。

Description

刚柔软并联操作手操控机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种刚柔软并联操作手操控机构。

背景技术

医疗手术机器人是操作机器人中最复杂和最具代表性的机器人，多年来专家学者们对此开展了广泛研究。2000年美国Intuitive Surgical公司研制出世界领先的达芬奇手术机器人。2006年北京301医院引进第一台该机器人，之后中国多地医院引进这种手术机器人，外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术。但在国内实际使用过程中还面临技术卡脖子问题。手术机器人将给临床血管介入手术带来巨大便利，目前中国约有两亿多人患冠心病、脑卒中、心力衰竭等心脑血管疾病，手术机器人具有广阔的产业发展和应用前景。医疗手术机器人所要完成的各种操作，通常需要通过操作手来得以实现。操作手操控机构设计是机器人操作手设计中一个重要的环节，随着机器人技术的发展，出现了多种形式的医疗手术操作手操控机构。尽管手术机器人精度高、能避免病人出血多、医生疲劳手术和手颤，但它的操作手多而分撒、占位大、操控系统复杂、成本过高、医生无法感知操作、操控难度大。故简化手术机器人结构和操控系统，减少体积和成本，掌握核心技术，意义重大。

目前在医疗手术操作手操控机构控制复杂，运动精度较低，手指抓取力较低。专利号201810003033X公开的一种医疗手术机器人机械臂可以应用在微创手术机器人上，包括连接件，固定装置，转动装置，手术器材。专利号2017109552792公开了一种用于医疗机器人的骨钻。专利号2019112960809公开了一种医疗手术机器人手术器械平移单元。专利201911296032X公开了一种医疗手术机器人控制系统。上述医疗手术机器人操作动作过于简单，难以胜任医疗手术复杂运动要求。为了提高手指运动精度和抓取力，人们力求用刚性机构取代多绳牵引驱动机构。公开号为CN102922532B的专利公开了连杆式协同驱动机器人手指装置、公开号为CN103358315B的专利公开了全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构、公开号为CN102935642B的专利公开了连杆键槽式耦合欠驱动双关节机器人手指装置、公开号为CN102717394B的专利公开了锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置、公开号为CN102717393B的专利公开了连杆耦合式灵巧机器人手指装置，上述手指装置主要是模拟人的5个手指运动特性构造成的，但是结构相对复杂，驱动数较多，驱动力较小，控制难度大，而且通常的机械爪都是金属制成的，在操作过程中容易损坏相对脆弱的物品，甚至造成人身伤害。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种刚柔软并联操作手操控机构，该机构操作手集中，且医生可感知操作力，操控系统简单，操控容易，能够有效克服现有技术中存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的刚柔软并联操作手操控机构，包括机座、动台、球套、心套、上柄、下柄、辅台、柔性杆和手指机构；

所述机座为矩形平板，在其左侧面的四个矩形顶角点均设置有球铰座，且其矩形中心设有球面通孔；

所述动台为圆盘，其左侧面设有四个圆周均布且切圆周的通孔，在每个切圆周的通孔内侧均设有轴向通孔，在其右侧面外圆周设有圆周均布且分别与机座上的球铰座对应的四个球铰座；

所述球套包括凸球面体和正交凸球面体的通孔；所述球套的凸球面体与机座的球面通孔球副联接；

所述心套沿轴向依次包括同轴左孔腔、圆柱、右孔腔、拐臂和球铰座，所述左、右孔腔处均设有四个圆周均布的径向长通孔，所述圆柱处设有四个圆周均布的轴向通孔，所述拐臂上部垂直设置在右孔腔末端，且拐臂的底端设有平行通孔，上端右侧设置有球铰座；所述心套的左端与动台中心垂直固连，中部与球套的通孔移动副联接；

所述辅台为圆盘，其设有中心通孔，且左侧面外圆周设置有圆周均布的四个球铰座；

所述上柄沿轴向依次包括球体、圆柱和手柄，其球体与拐臂右侧的球铰座球副联接，其圆柱与辅台的中心通孔移动副联接；所述下柄沿轴向依次包括圆柱和手柄，其圆柱的左端与心套的拐臂通孔固连；

所述柔性杆分别设置在机座和动台之间，且所述柔性杆的两端分别与机座和动台上对应的球铰座球副联接；

所述手指机构设置有四组，呈圆周均布在动台、机座和辅台之间；所述手指机构的前侧与动台左侧面的切圆周通孔转动联接，中部与心套的轴向通孔移动副联接，中部左侧穿过心套左孔腔的径向长通孔后与动台连接，后端穿过心套右孔腔的径向长通孔后与辅台上的球铰座球副联接。

进一步的，所述柔性杆包括活塞、左弹簧、左缸、右弹簧和右缸；所述活塞沿轴向依次包括同轴圆柱和凸圆台；所述左缸沿轴向依次包括同轴通孔、缸腔、圆柱和凸圆台；所述右缸沿轴向依次包括同轴通孔、缸腔和圆柱；所述活塞的圆柱与左缸的通孔移动副联接，所述活塞的凸圆台和左弹簧均设在左缸的缸腔内，所述左弹簧两端分别抵在活塞凸圆台的右端面和左缸缸腔的右端面；所述左缸的圆柱与右缸的通孔移动副联接，所述左缸的凸圆台和右弹簧均设在右缸的缸腔内，所述右弹簧两端分别抵在左缸凸圆台的左端面和右缸缸腔的左端面；所述活塞的圆柱左端与动台上的一个球铰座球副联接，所述右缸的圆柱右端与机座上对应的一个球铰座球副联接。

进一步的，所述手指机构包括指杆、测力杆、外套、长弹片、短弹片、滑块、杠杆、推拉杆和连杆；所述指杆包括圆柱和设置在圆柱右端且垂直圆柱轴线的偏心通孔；所述测力杆的一端与指杆的偏心通孔转动联接，另一端与动台的切圆周通孔转动联接；所述推拉杆一端沿轴向设有齿条，另一端设有拐臂，且推拉杆拐臂外端设有球铰座；所述滑块沿轴向一端设有开槽和正交轴线的通孔，另一端设有齿条；所述杠杆两端分别设有大、小同圆心圆弧齿，且在圆心处设有通孔；所述滑块分别移动副联接在动台的轴向通孔内；所述连杆的两端分别与辅台和推拉杆拐臂上对应的球铰座球副联接；所述外套设置在测力杆的圆周外侧；所述短弹片连接在外套的外侧和动台之间；所述长弹片连接在指杆、外套内侧和滑块之间，所述长弹片右端穿入滑块端部开槽；所述推拉杆与心套的轴向通孔移动副联接；所述动台与杠杆的圆心之间设置有横杆，所述横杆一端与动台固连，另一端与杠杆的圆心转动联接；所述杠杆的大、小圆弧齿轮分别与推拉杆的齿条和滑块的齿条啮合；所述推拉杆的齿条可在心套左孔腔的径向长通孔内自由移动；所述推拉杆的拐臂可在心套右孔腔的径向长通孔内自由移动。

进一步的，所述指杆的圆柱外侧设置有软套。

进一步的，所述测力杆包括长销轴、内套、指弹簧、传感器和短销轴；所述长销轴沿轴向依次包括正交轴线的通孔、同轴圆柱和凸圆台；所述内套沿轴向依次包括同轴的通孔、孔腔和螺纹孔；所述短销轴沿轴向依次包括同轴的螺纹孔和正交轴线的通孔；所述长销轴的圆柱与内套的通孔移动副联接，长销轴的凸圆台和指弹簧均设在内套的孔腔内，所述指弹簧两端分别抵在长销轴凸圆台的右端面和内套孔腔的右端面；所述传感器螺纹连接在内套和短销轴的端部之间。

进一步的，所述传感器为圆柱式拉压传感器，且其两端设置有同轴螺纹柱，两端螺纹柱分别与内套的螺纹孔和短销轴的螺纹孔对应固连。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、操作手集中、占位少，且操控系统简单、成本低；

2、医生可感知操作力，操控容易；

3、克服现有串联机构构成手术机器人带来的固有缺陷：刚度低、惯性质量大、传动机构复杂、驱动器远离机座导致振动和运动精度低等不足；4、有效克服国外手术机器人技术卡脖子的问题。

附图说明

图1是本发明所提出的刚柔软并联操作手操控机构的整体结构示意图；

图2图1中柔性杆的结构示意图；

图3图1中测力杆的结构示意图。

其中，附图标记：1-机座；2-动台；3-球套；4-心套；5-上柄；6-下柄；7-辅台；8-柔性杆；9-手指机构；41-心套拐臂；81-活塞；82-左弹簧；83-左缸；84-右弹簧；85-右缸；91-指杆；911-软套；92-测力杆；921-长销轴；922-内套；923-指弹簧；924-传感器；925-短销轴；93-外套；94-长弹片；95-短弹片；96-滑块；97-杠杆；98-推拉杆；99-连杆。

具体实施方式

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

参见附图1和2，给出了本发明所提出的刚柔软并联操作手操控机构的一个实施例的具体结构。所述机构包括机座1、动台2、球套3、心套4、上柄5、下柄6、辅台7、柔性杆8和手指机构9。

其中，所述机座1为矩形平板结构，在其左侧面的四个矩形顶角点均安装有球铰座，且其矩形中心开设有球面通孔。

所述动台2为圆盘结构，其左侧面设有四个圆周均布且切圆周的通孔，在且每个切圆周通孔的内侧均设有一个轴向通孔，在动台2右侧面外圆周安装有圆周均布的四个球铰座，且机座1左侧面的四个球铰座和动台2右侧面的四个球铰座分别一一对应。

所述球套3包括凸球面体和正交凸球面体的通孔；所述球套3的凸球面体与机座1的球面通孔球副联接。

所述心套4沿轴向依次包括同轴连接的左孔腔、圆柱、右孔腔、拐臂41和球铰座；所述左孔腔和右孔腔处均设有四个圆周均布的径向长通孔，所述圆柱处设有四个圆周均布的轴向通孔，所述心套拐臂41上部垂直设置在右孔腔末端；所述心套拐臂41的底端设有平行通孔，上端右侧面设置有球铰座；所述心套4的左端与动台2中心垂直固连，中部与球套3的通孔移动副联接。

所述辅台7为圆盘，其设有中心通孔，且左侧面外圆周设置有圆周均布的四个球铰座。

所述上柄5沿轴向依次包括球体、圆柱和手柄，所述球体和手柄分别设置在圆柱的左右两端；其球体部分与心套拐臂右侧的球铰座球副联接，其圆柱部分与辅台7的中心通孔移动副联接；所述下柄6沿轴向依次包括圆柱和设置在圆柱右端的手柄，所述下柄6圆柱部分的左端与心套4拐臂底端的平行通孔固连。

所述柔性杆8分别设置在机座1和动台2之间，且所述柔性杆8的两端分别与机座1和动台2上对应的球铰座球副联接；本实施例中，所述柔性杆8包括活塞81、左弹簧82、左缸83、右弹簧84和右缸85。所述活塞81沿轴向依次包括圆柱和同轴连接在圆柱右端的凸圆台。所述左缸83沿轴向依次包括同轴通孔、缸腔、圆柱和凸圆台，所述左缸83左端面开设有同轴通孔，内部设有缸腔，右端面设置同轴圆柱，圆柱右端设置同轴凸圆台。所述右缸85沿轴向依次包括同轴通孔、缸腔和圆柱，所述右缸85左端面设有同轴通孔，内部设有缸腔，右端面设置同轴圆柱；所述活塞81的圆柱与左缸83的通孔移动副联接，所述活塞81的凸圆台和左弹簧82均设在左缸83的缸腔内，所述左弹簧82的两端分别抵在活塞81凸圆台的右端面和左缸83缸腔的右端面上；所述左缸83的圆柱与右缸85的通孔移动副联接，所述左缸83的凸圆台和右弹簧84均设在右缸85的缸腔内，所述右弹簧84的两端分别抵在左缸83凸圆台的左端面和右缸85缸腔的左端面上；所述活塞81的圆柱左端与动台2上的一个球铰座球副联接，所述右缸85的圆柱右端与机座1上对应的球铰座球副联接。

所述手指机构9设置有四组，呈圆周均布在动台2、机座1和辅台7之间；所述手指机构9的前侧与动台2左侧面的切圆周通孔转动联接，中部与心套4的轴向通孔移动副联接，中部左侧穿过心套4左孔腔的径向长通孔后与动台2连接，后端穿过心套4右孔腔的径向长通孔后与辅台7上的球铰座球副联接。

本实施例中，所述手指机构9包括指杆91、测力杆92、外套93、长弹片94、短弹片95、滑块96、杠杆97、推拉杆98和连杆99；所述指杆91包括圆柱和设置在圆柱右端且垂直圆柱轴线的偏心通孔，且所述指杆91的圆柱外侧套有软套911；所述测力杆92的一端与指杆91的偏心通孔转动联接，另一端与动台2的切圆周通孔转动联接；所述推拉杆98左端表面沿轴向设有齿条，右端垂直设置有拐臂，所述拐臂内端与推拉杆98右端连接，且推拉杆98拐臂外端右侧面安装有球铰座；所述滑块96左端沿轴向设有开槽和正交轴线的通孔，右端表面设有齿条；所述杠杆97的两端分别设有大、小同圆心圆弧齿，且在圆心处设有通孔；所述滑块96分别移动副联接在动台2的轴向通孔内；所述连杆99的两端分别与辅台7和推拉杆98拐臂上对应的球铰座球副联接；所述外套93设置在测力杆92的圆周外侧；所述短弹片95连接在外套93外侧和动台2边缘之间；所述长弹片94连接在指杆91根部、外套93内侧和滑块96之间，所述长弹片94右端穿入滑块96左端部开槽；所述推拉杆98与心套4的轴向通孔移动副联接；所述动台2与杠杆97上大、小圆弧齿的圆心所在处之间设置有横杆，所述横杆一端与动台2固连，另一端与杠杆97上大、小圆弧齿的圆心所在处转动联接；所述杠杆97的大圆弧齿齿轮与推拉杆98端部齿条啮合，小圆弧齿齿轮与滑块96端部齿条啮合；所述杠杆97的大圆弧齿可随着推拉杆98的齿条在心套4左孔腔的径向长通孔内自由移动；所述推拉杆98的拐臂可在心套4右孔腔的径向长通孔内自由移动。

其中，所述测力杆92包括长销轴921、内套922、指弹簧923、传感器924和短销轴925；所述长销轴921沿轴向依次包括正交轴线的通孔、同轴圆柱和凸圆台，所述长销轴921的圆柱左端开设正交其轴线的通孔，其凸圆台同轴连接在圆柱的右端；所述内套922的左端面开设有同轴通孔，内部设置有孔腔，右端面开设有同轴螺纹孔；所述短销轴925左端面开设有同轴的螺纹孔，右端开设有正交轴线的通孔；所述长销轴的921的圆柱与内套922的通孔移动副联接，所述长销轴921的凸圆台和指弹簧923均设在内套922的孔腔内，所述指弹簧923的两端分别抵在长销轴921凸圆台的右端面和内套922孔腔的右端面上；所述传感器924为常规的圆柱式拉压传感器，且其两端设置有同轴螺纹柱，其两端螺纹柱分别与内套922的螺纹孔和短销轴925的螺纹孔对应固连。所述长销轴921通过其左端正交轴线的通孔与指杆91的偏心通孔转动联接；所述短销轴925通过其右端正交轴线的通孔与动台2上的切圆周通孔转动联接。

本发明的工作原理在于：人一手握持刚柔软并联操作手操控机构的上柄5，通过辅台7、四个连杆99、四个推拉杆98、四个杠杆97的大小圆弧齿轮驱动四个滑块96相对动台2移动，带动四个手指机构9弯曲抓取。人另一手握持刚柔软并联操作手操控机构的下柄6，通过心套4、机座1和四个柔性杆8驱动动台2和四个手指机构9同步摆动和伸缩。通过测力杆92中的传感器924测量手指机构9的弯曲抓取载荷。

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做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 (5)

1.刚柔软并联操作手操控机构，其特征在于：所述机构包括机座、动台、球套、心套、上柄、下柄、辅台、四个柔性杆和四个手指机构；

所述机座为矩形平板，在其左侧面的四个矩形顶角点均设置有球铰座，且其矩形中心设有球面通孔；

所述动台为圆盘，其左侧面设有四个圆周均布且切圆周的通孔，在每个切圆周的通孔内侧均设有轴向通孔，在其右侧面外圆周设有圆周均布且分别与机座上的球铰座对应的四个球铰座；

所述球套包括凸球面体和正交凸球面体的通孔；所述球套的凸球面体与机座的球面通孔球副联接；

所述心套沿轴向依次包括同轴左孔腔、圆柱、右孔腔、拐臂和球铰座，所述左孔腔、右孔腔处均设有四个圆周均布的径向长通孔，所述圆柱处设有四个圆周均布的轴向通孔，所述拐臂上部垂直设置在右孔腔末端，且拐臂的底端设有平行通孔，上端右侧设置有球铰座；所述心套的左端与动台中心垂直固连，中部与球套的通孔移动副联接；

所述辅台为圆盘，其设有中心通孔，且左侧面外圆周设置有圆周均布的四个球铰座；

所述上柄沿轴向依次包括球体、圆柱和手柄，其球体与拐臂右侧的球铰座球副联接，其圆柱与辅台的中心通孔移动副联接；所述下柄沿轴向依次包括圆柱和手柄，其圆柱的左端与心套的拐臂通孔固连；

所述柔性杆分别设置在机座和动台之间，且所述柔性杆的两端分别与机座和动台上对应的球铰座球副联接；

所述手指机构设置有四组，呈圆周均布在动台、机座和辅台之间；所述手指机构的前侧与动台左侧面的切圆周通孔转动联接，中部与心套的轴向通孔移动副联接，中部左侧穿过心套左孔腔的径向长通孔后与动台连接，后端穿过心套右孔腔的径向长通孔后与辅台上的球铰座球副联接；

所述手指机构包括指杆、测力杆、外套、长弹片、短弹片、滑块、杠杆、推拉杆和连杆；所述指杆包括圆柱和设置在圆柱右端且垂直圆柱轴线的偏心通孔；所述测力杆的一端与指杆的偏心通孔转动联接，另一端与动台的切圆周通孔转动联接；所述推拉杆一端沿轴向设有齿条，另一端设有拐臂，且推拉杆拐臂外端设有球铰座；所述滑块沿轴向一端设有开槽和正交轴线的通孔，另一端设有齿条；所述杠杆两端分别设有大、小同圆心圆弧齿，且在圆心处设有通孔；所述滑块分别移动副联接在动台的轴向通孔内；所述连杆的两端分别与辅台和推拉杆拐臂上对应的球铰座球副联接；所述外套设置在测力杆的圆周外侧；所述短弹片连接在外套的外侧和动台之间；所述长弹片连接在指杆、外套内侧和滑块之间，所述长弹片右端穿入滑块端部开槽；所述推拉杆与心套的轴向通孔移动副联接；所述动台与杠杆的圆心之间设置有横杆，所述横杆一端与动台固连，另一端与杠杆的圆心转动联接；所述杠杆的大圆弧齿、小圆弧齿分别与推拉杆的齿条和滑块的齿条啮合；所述推拉杆的齿条可在心套左孔腔的径向长通孔内自由移动；所述推拉杆的拐臂可在心套右孔腔的径向长通孔内自由移动。

2.根据权利要求1所述刚柔软并联操作手操控机构，其特征在于：所述柔性杆包括活塞、左弹簧、左缸、右弹簧和右缸；所述活塞沿轴向依次包括同轴圆柱和凸圆台；所述左缸沿轴向依次包括同轴通孔、缸腔、圆柱和凸圆台；所述右缸沿轴向依次包括同轴通孔、缸腔和圆柱；所述活塞的圆柱与左缸的通孔移动副联接，所述活塞的凸圆台和左弹簧均设在左缸的缸腔内，所述左弹簧两端分别抵在活塞凸圆台的右端面和左缸缸腔的右端面；所述左缸的圆柱与右缸的通孔移动副联接，所述左缸的凸圆台和右弹簧均设在右缸的缸腔内，所述右弹簧两端分别抵在左缸凸圆台的左端面和右缸缸腔的左端面；所述活塞的圆柱左端与动台上的一个球铰座球副联接，所述右缸的圆柱右端与机座上对应的一个球铰座球副联接。

3.根据权利要求1所述刚柔软并联操作手操控机构，其特征在于：所述指杆的圆柱外侧设置有软套。

4.根据权利要求1所述刚柔软并联操作手操控机构，其特征在于：所述测力杆包括长销轴、内套、指弹簧、传感器和短销轴；所述长销轴沿轴向依次包括正交轴线的通孔、同轴圆柱和凸圆台；所述内套沿轴向依次包括同轴的通孔、孔腔和螺纹孔；所述短销轴沿轴向依次包括同轴的螺纹孔和正交轴线的通孔；所述长销轴的圆柱与内套的通孔移动副联接，长销轴的凸圆台和指弹簧均设在内套的孔腔内，所述指弹簧两端分别抵在长销轴凸圆台的右端面和内套孔腔的右端面；所述传感器螺纹连接在内套和短销轴的端部之间。

5.根据权利要求4所述刚柔软并联操作手操控机构，其特征在于：所述传感器为圆柱式拉压传感器，且其两端设置有同轴螺纹柱，两端螺纹柱分别与内套的螺纹孔和短销轴的螺纹孔对应固连。