CN114224499A - 一种主操作手的重力平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主操作手的重力平衡机构，其包括：支撑板；第一摆动件，转动设置于所述支撑板上，其末端设置负载；第二摆动件，与所述第一摆动件同步转动设置于所述支撑板上，其上设有一绕点；配平件，根据所述负载重力提供一使得所述第一摆动件始终处于力平衡状态的恒力；柔性件，与所述配平件连接，并绕经所述第二摆动件上的绕点后沿垂直于地面的方向延伸并与所述第一摆动件转动连接。能够在动态运动过程中始终保持力的平衡，使得医生操作主操作手的操作舒适度更高，提高了操作准确度。

Description

一种主操作手的重力平衡机构

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种主操作手的重力平衡机构。

背景技术

随着科学技术与医疗技术的发展以及医生对手术操作更精准、高效、舒适的需求，采用机器人技术的辅助手术设备和辅助手术系统在微创手术中的应用越来越广泛。辅助手术设备和辅助手术系统多为主从式遥控操作结构，医生操作主操作手，通过远程通信和计算机来控制从端机构的运动从而完成手术。

主操作手作为整个系统的输入端，由医生操作，因此对主操作手的重量、灵活性、舒适性及操作空间的等有较高的要求。因为需要较大的操作空间，所以主操作手的臂长通常较长，由操作者来承担或克服主操作手的自身重力，在长时间负重操作的情况下，会出现疲劳状态，降低了操作的舒适度，影响操作的准确性及安全性。

为了实现提高主操作手的操作舒适性和准确性，通常设置重力平衡机构，常规的设计为采用重物配平。重物配平的原理是杠杆平衡原理，虽然重物平衡能够实现一定的配平效果，但添加重物会增加主操作手装置本身的重量，如果前端重量较大，或者离前端越远的关节，需要的配重重物会越大，导致整个主操作手的重量大大增加，配平的关节的转动惯量也会随之增加，从而对主操作手的操作准确性、舒适性及安全性造成了不同程度的影响。

发明内容

发明目的：为解决上述问题，本发明提供一种操作准确、操作舒适度高的主操作手的重力平衡机构。

技术方案：

一种主操作手的重力平衡机构，包括：支撑板；第一摆动件，转动设置于所述支撑板上，其末端设置负载；第二摆动件，与所述第一摆动件同步转动设置于所述支撑板上，其上设有一绕点；配平件，根据所述负载重力提供一使得所述第一摆动件始终处于力平衡状态的恒力；柔性件，与所述配平件连接，并绕经所述第二摆动件上的绕点后沿垂直于地面的方向延伸并与所述第一摆动件转动连接。

进一步地，还包括检测所述第一摆动件运动参数的检测组件及与所述检测组件连接的控制组件，所述控制组件接收所述检测组件检测到的运动参数并根据该运动参数控制所述第二摆动件同步运动。

进一步地，所述第一摆动件上转动安装有第一导向轮，在所述第二摆动件的绕点处转动安装有第二导向轮，所述柔性件绕经所述第二导向轮后与所述第一向轮转动连接，且所述第一导向轮的中心和所述第二导向轮与所述柔性件竖直段的切点位于同一竖直线上。

进一步地，还包括转动安装于所述支撑板上的第三导向轮，所述柔性件的一端与第一导向轮转动连接、另一端与所述配平件连接、中间段依次绕经第二导向轮和第三导向轮。

进一步地，在所述支撑板上位于各所述导向轮处设置有支撑杆，所述导向轮通过轴承转动安装于所述支撑杆上。

进一步地，设定穿过所述配平件的重心且与所述支撑板平行的平面为第一平面，各导向轮的中心线与所述第一平面的交点及所述配平件的重心构成平行四边形的顶点。

进一步地，所述第一摆动件设有腰型孔，所述第一导向轮的支撑杆滑动安装于该腰型孔内，并调整其位置使其中心线经过所述负载的重心与所述第一摆动件的旋转轴线的连线。

进一步地，所述第一摆动件包括能够围绕其旋转轴线摆动的第一摆杆及将所述第一摆杆可摆动的安装至所述支撑板的第一固定组件，所述检测组件与所述第一摆杆连接。

进一步地，所述第一摆杆包括与所述支撑板转动连接的第一安装部、用于安装所述负载的第二安装部及连接在所述第一安装部和所述第二安装部之间的连接部，所述腰型孔设置于所述连接部。

进一步地，所述支撑板具有第一安装孔，所述第一固定组件包括固定安装在所述第一安装孔内的第一轴承、安装在所述第一轴承内部的转接轴、与所述转接轴固定连接的连接件及与所述支撑板固定连接并包覆所述连接件的保护罩，所述第一摆杆的第一安装部与所述转接轴固定连接，所述保护罩具有容纳空间，所述检测组件与所述连接件固定连接并容纳在所述保护罩的所述容纳空间内。

进一步地，所述第二摆动件包括驱动部、由所述驱动部驱动旋转的第二摆杆及将所述第二摆杆可转动的安装至所述支撑板的第二固定组件，所述绕点设置于所述第二摆杆的末端；所述驱动部与所述控制组件连接并由其控制。

进一步地，所述第二摆杆包括与所述驱动部的输出端固定连接的传动部及与所述传动部连接的摆动部，所述传动部设有与所述驱动部的输出轴以进行动力传输的传动孔。

进一步地，所述支撑板设有第二安装孔，所述第二固定组件包括套设在所述第二摆杆的所述传动部的外围并容纳在所述第二安装孔内的两个第二轴承、设置在两个所述第二轴承之间的隔套及与所述传动部通过螺纹配合连接的锁紧件。

进一步地，所述配平件设计为能够产生恒力的恒力弹簧、氮气弹簧或恒定动力装置。

有益效果：本发明的重力平衡机构通过设置的同步转动的两个摆杆及配平件，能够在动态运动过程中始终为负载所在摆杆提供以垂直向上的力，以与负载重力抵消，始终保持力的平衡，使得医生操作主操作手的操作舒适度更高，提高了操作准确度。

附图说明

图1为本发明的主操作手的重力平衡机构的立体示意图；

图2为图1去除控制组件的另一视角的立体示意图；

图3为图1去除控制组件的爆炸图；

图4为图2的爆炸图；

图5为图3的进一步爆炸图；

图6为图1中沿A-A方向的剖视图；

图7为本发明主操作手重力平衡机构的受力示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。下文描述中所述的“连接”、“安装”、“固定”、“设置”等词，在没有特别说明的情况下，可以是直接连接、安装、固定、设置，也可以是间接连接、安装、固定、设置，即允许有第三方物质介入；术语“第一”、“第二”、“第三”可以在此用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制，此术语仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

参照图1至图5所示，本发明提供一种主操作手的重力平衡机构，其包括：第一摆动组件10、设置于第一摆动组件10的一端的负载20、用于检测第一摆动组件10的运动参数的检测组件30、第二摆动组件40、用于接收检测组件30检测到的运动参数并根据该运动参数控制第二摆动组件40运动的控制组件50、与第一摆动组件10和第二摆动组件40连接的配平组件60及支撑板70，第一摆动组件10、第二摆动组件40及检测组件30设置于支撑板70。

参照图1、3、4所示，第一摆动组件10包括能够围绕垂直于支撑板70的第一轴线Z1摆动的第一摆杆11及将第一摆杆11可摆动的安装至支撑板70的第一固定组件12。

第一摆杆11包括与支撑板70转动连接的第一安装部111、用于安装负载20的第二安装部112及连接在第一安装部111和第二安装部112之间的连接部113。

结合图6所示，第一固定组件12包括固定安装在支撑板70的第一安装孔内的第一轴承121、安装在第一轴承121内部的转接轴122、安装在第一安装孔内并与第一轴承121抵接的轴承压板123、安装在轴承压板123的内孔内并与转接轴122固定连接的连接件124及与支撑板70固定连接并包覆轴承压板123和连接件124的保护罩125。第一摆杆11的第一安装部111与转接轴122固定连接，保护罩125具有容纳空间1251，检测组件30与连接件124固定连接并容纳在保护罩125的容纳空间1251内。

更具体地，在第一安装孔背对第一摆杆11的一侧设置有台阶，轴承压板123安装于该台阶处。

本发明揭示的实施例中，检测组件30为旋转检测传感器，其与转接轴122固定连接而随转接轴122同步转动以检测第一摆杆11的运动参数。

结合图5所示，第二摆动组件40包括驱动部41、由驱动部41驱动旋转的第二摆杆42及将第二摆杆42可转动的安装至支撑板70的第二固定组件43。

第二摆杆42包括与驱动部41的输出端固定连接的传动部421及与传动部421连接的摆动部422。本发明揭示的实施例中，驱动部41为电机，第二摆杆42的传动部421设有容纳电机的输出轴的传动孔，通过电机输出轴与传动孔之间的配合，将电机的转动传输至第二摆杆42。第二固定组件43包括套设在第二摆杆42的传动部421的外围并容纳在支撑板70的安装孔内两端处的两个第二轴承431、设置在两个第二轴承431之间的隔套432及与传动部421末端通过螺纹配合连接以防止传动部421轴向窜动的锁紧螺母433。

控制组件50与检测组件30之间电性连接而接收检测组件30检测到的第一摆杆11的运动信号，根据第一摆杆11的运动信号控制电机的运动。此处的电性连接可以是有线连接，也可以是无线连接，只要能够实现信号传输即可。

结合图5和图6所示，配平组件60包括配平件61、柔性件62及对柔性件62进行限位的三组限位组件63、64、65。每组限位组件63、64、65均包括支撑杆66、套接在支撑杆66外围的轴承67及套接在轴承67外围的导向轮68。

第一组限位组件63的支撑杆66与第一摆杆11的连接部113可相对运动的连接、第二组限位组件64的支撑杆66与第二摆杆42的摆动部422的末端固定连接、第三组限位组件65的支撑杆66与支撑板70固定连接，第一组限位组件63的支撑杆66设置于第一摆杆11的连接部113上位于第二组限位组件64的支撑杆66正下方位置处。柔性件62的一端与配平件61固定连接、另一端形成一个套圈并套接在第一组限位组件63的导向轮68的外围而能够相对该导向轮68转动、其中间段依次与第二组限位组件64和第三组限位组件65的导向轮68搭接，从而使得第一组限位组件63的导向轮68与第二组限位组件64的导向轮68之间的第一段621始终垂直于地面。

具体的，控制组件50接收检测组件30检测到的第一摆杆11的运动信号，根据第一摆杆11的运动信号控制电机的运动，进而控制第二摆杆42实现与第一摆杆11的同步运动，从而保证第一段621始终垂直于地面。更具体地，柔性件62包括第一段621、位于第二组限位组件64和第三组限位组件65之间的第二段622及位于第三组限位组件65与配平件61之间的第三段623，其中，第三段623的末端因与配平件61连接，在重力作用下，第三段623始终垂直于地面，因此第一段621和第三段623始终保持平行且始终垂直于地面。

在本发明具体实施例中，可以通过设置第三段623的长度，使得配平件61的重心与第一限位组件63的连线始终与第二段622平行，设定穿过配平件61的重心且与支撑板70平行的平面为第一平面，则三组限位组件63、64、65的支撑杆66的中心线与第一平面的交点及配平件61的重心始终构成某个平行四边形的顶点，第一摆杆11的第一轴线Z1与第一平面的交点与第一组限位组件63的支撑杆66的中心线与第一平面的交点的第一连线始终与第二段622平行。

更进一步地，第一摆杆11的连接部113设有用于安装第一组限位组件63的支撑杆66的安装槽1131，该安装槽1131为沿竖直方向的腰形槽，其长度大于支撑杆66的直径，因此支撑杆66能够在该腰形槽内运动而使得第一组限位组件63与第一摆杆11之间的相对位置可以根据需要进行调整，从而能够保证第一摆杆11的中心线经过负载20的重心与第一轴线Z1与第一平面的交点的连线。

在使用过程中，操作者向第一摆杆11施加负载20使得第一摆杆11围绕第一轴线Z1摆动，第一摆杆11带动转接轴122转动，转接轴122带动检测组件30旋转使得检测组件30检测到第一摆杆11的运动参数，检测组件30将该运动参数传输给控制组件50，控制组件50根据该运动参数控制电机转动预定角度，电机转动带动第二摆杆42围绕第二轴线摆动，从而调整第二摆杆42的位置、角度、速度等运动参数实现与第一摆杆11的同步运动，第二摆杆42转动带动与第二摆杆42固定连接的第二组限位组件64运动，使得第一限位组件63的支撑杆66的中心线与第二限位组件64的支撑杆66的中心线之间的连线始终与地面垂直，从而使得柔性件62的第一段621和第三段623始终保持平行且垂直于地面、第一连线始终与第二段622平行，由此组成一个动态的平行四边形。

结合图1和图7所示，定义负载20重心到第一轴线Z1的距离为L1、第一限位组件63的支撑杆66的中心线到第一轴线Z1的距离为L2、柔性件62的第一段621与第一摆杆11的连接部113之间的夹角的余角为θ、负载20的重力为G、配平件61产生的拉力为F，则：

G×cosθ×L1＝F×cosθ×L2，

推导得出：F＝G×L1÷L2，在在保证第一段621始终垂直于地面的情况下，负载20的重量、L1、L2已知，那么F为固定参数提供一个恒定的力F即可实现整个机构的重力平衡。

在本发明揭示的实施例中，配平件61为一固定质量重物，在其他实施例中，配平件61可以是恒力弹簧、氮气弹簧、恒定动力装置或其他可以提供恒力的机构。

本发明的重力平衡机构能够在动态运动过程中始终保持力的平衡，使得医生在操作主操作手时始终输出一个恒定的力即可，增加了操作舒适度、提高了操作准确度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种主操作手的重力平衡机构，其特征在于：包括：

支撑板；

第一摆动件，转动设置于所述支撑板上，其末端设置负载；

第二摆动件，与所述第一摆动件同步转动设置于所述支撑板上，其上设有一绕点；

配平件，根据所述负载重力提供一使得所述第一摆动件始终处于力平衡状态的恒力；

柔性件，与所述配平件连接，并绕经所述第二摆动件上的绕点后沿垂直于地面的方向延伸并与所述第一摆动件转动连接。

2.根据权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：还包括检测所述第一摆动件运动参数的检测组件及与所述检测组件连接的控制组件，所述控制组件接收所述检测组件检测到的运动参数并根据该运动参数控制所述第二摆动件同步运动。

3.根据权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述第一摆动件上转动安装有第一导向轮，在所述第二摆动件的绕点处转动安装有第二导向轮，所述柔性件绕经所述第二导向轮后与所述第一向轮转动连接，且所述第一导向轮的中心和所述第二导向轮与所述柔性件竖直段的切点位于同一竖直线上。

4.根据权利要求3所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：还包括转动安装于所述支撑板上的第三导向轮，所述柔性件的一端与第一导向轮转动连接、另一端与所述配平件连接、中间段依次绕经第二导向轮和第三导向轮。

5.根据权利要求3或4所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：在所述支撑板上位于各所述导向轮处设置有支撑杆，所述导向轮通过轴承转动安装于所述支撑杆上。

6.根据权利要求4所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：设定穿过所述配平件的重心且与所述支撑板平行的平面为第一平面，各导向轮的中心线与所述第一平面的交点及所述配平件的重心构成平行四边形的顶点。

7.根据权利要求5所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述第一摆动件设有腰型孔，所述第一导向轮的支撑杆滑动安装于该腰型孔内，并调整其位置使其中心线经过所述负载的重心与所述第一摆动件的旋转轴线的连线。

8.根据权利要求2所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述第一摆动件包括能够围绕其旋转轴线摆动的第一摆杆及将所述第一摆杆可摆动的安装至所述支撑板的第一固定组件，所述检测组件与所述第一摆杆连接。

9.根据权利要求8所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述第一摆杆包括与所述支撑板转动连接的第一安装部、用于安装所述负载的第二安装部及连接在所述第一安装部和所述第二安装部之间的连接部，所述腰型孔设置于所述连接部。

10.根据权利要求8所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述支撑板具有第一安装孔，所述第一固定组件包括固定安装在所述第一安装孔内的第一轴承、安装在所述第一轴承内部的转接轴、与所述转接轴固定连接的连接件及与所述支撑板固定连接并包覆所述连接件的保护罩，所述第一摆杆的第一安装部与所述转接轴固定连接，所述保护罩具有容纳空间，所述检测组件与所述连接件固定连接并容纳在所述保护罩的所述容纳空间内。

11.根据权利要求2所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述第二摆动件包括驱动部、由所述驱动部驱动旋转的第二摆杆及将所述第二摆杆可转动的安装至所述支撑板的第二固定组件，所述绕点设置于所述第二摆杆的末端；所述驱动部与所述控制组件连接并由其控制。

12.根据权利要求11所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述第二摆杆包括与所述驱动部的输出端固定连接的传动部及与所述传动部连接的摆动部，所述传动部设有与所述驱动部的输出轴以进行动力传输的传动孔。

13.根据权利要求12所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述支撑板设有第二安装孔，所述第二固定组件包括套设在所述第二摆杆的所述传动部的外围并容纳在所述第二安装孔内的两个第二轴承、设置在两个所述第二轴承之间的隔套及与所述传动部通过螺纹配合连接的锁紧件。

14.根据权利要求1所述的主操作手的重力平衡机构，其特征在于：所述配平件设计为能够产生恒力的恒力弹簧、氮气弹簧或恒定动力装置。

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