CN114391966A - 一种新型力反馈主手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型力反馈主手，包括横滚机构、俯仰机构、偏航机构、平动‑自转机构、开合机构；俯仰机构与横滚机构并联配置，均固定于基座上，偏航机构、平动‑自转机构、开合机构串联配置，俯仰轴、横滚轴与偏航轴汇交于中心点，实现三维旋转运动的解耦，平动‑自转机构可将直线平移运动转换为旋转运动，实现了围绕中心点的三维转动、直线平移运动和开合运动五个自由度，每个自由度均实现了力反馈功能，俯仰机构与横滚机构采用电机驱动提供反馈力，偏航机构、平动‑自转机构、开合机构采用气压驱动提供反馈力，两种驱动方式的融合，使得主手在获得稳定反馈力前提下，整体结构更加紧凑，具备较高灵活性。

Description

一种新型力反馈主手

技术领域

本发明涉及反馈主手领域，具体涉及一种新型力反馈主手。

背景技术

机器人辅助自然腔道手术因具有创伤小、并发症少、住院时间短等优点，被广泛应用于早期胃肠癌的诊治。手术过程中需要将器械通过人体内部的消化道沿着解剖弯曲的路径进入目标部位，并进行精细操作。手术中，外科医生面临狭窄的运动空间、较差的可视化和缺乏力感应等问题，同时还要克服生理性手颤和疲劳问题，这对机器人辅助自然腔道手术的安全性提出了挑战。

在机器人辅助自然腔道手术中，外科医生操纵一对主机械手，手部动作的信息被记录并映射到从机械手，控制远端从机械手所持器械执行操作。作为医生和手术器械二者之间人机交互的载体，力反馈型主操作手一方面可作为一种输入设备，将医生手部的操作动作传递给从端控制从手器械完成手术操作，另一方面也作为一种反馈力输出设备，把从手端器械与手术环境间的相互作用力传递给医生，为医生提供力/力矩真实临场感，除此之外，力反馈功能对主手位姿识别精度、操作灵活性等问题也能够产生重大的影响。

因此，力反馈主手性能的好坏直接影响到自然腔道手术机器人系统的整体性能，决定了能否将完整准确的医生操作动作舒适的传递给从手，并且使得医生感知从手与患者组织的交互作用力，进而影响到手术的安全性和可靠性。

为保证机器人辅助自然腔道手术过程的安全性和可靠性，并提高手术的准确性和灵活性，研制一款面向自然腔道手术的新型力反馈主手至关重要，对机器人技术性能的提高和功能的完善具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有机器人辅助自然腔道手术过程中的操作与技术要求，提出一种具备高操纵灵活性与力反馈精度的力反馈主手，该反馈主手可实现五自由度的运动与力反馈，同时具有运动惯量小，操作灵巧的特点。

为实现以上所述目的，本发明提供的技术方案是：

一种新型力反馈主手，包括置于基座上的横滚机构、俯仰机构、偏航机构、平动-自转机构、开合机构；横滚机构、俯仰机构、偏航机构分别用于实现主手绕横滚轴、俯仰轴与偏航轴转动；偏航机构串联在横滚机构与俯仰机构之上，横滚轴、俯仰轴与偏航轴垂直相交，实现旋转运动的解耦；

横滚机构包括通过多个旋转副实现铰接形成的并联连杆(2-2)，并联连杆(2-2)一端的连接轴(8-1)与第一电机(M1)的输出轴连接，并联连杆(2-2)另一端的L型连接臂(8-6)与偏航机构的偏航框架(4-1)侧面铰接；第一角度传感器(S1)同轴安装在第一电机(M1)后端，用以检测并联连杆(2-2)绕第一旋转中心(J1)的横滚角度；

固定在偏航框架(4-1)下部的第一气囊制动器(M3)的输出轴与偏航杆件(4-2)固连，偏航杆件(4-2)底部与下部平行四边形机构(5-6)铰接，侧部经固连的弧形连杆(4-3)与偏航导轨(4-4)连接；第一气囊制动器(M3)上同轴安装第三角度传感器(S3)，用以检测偏航框架(4-1)绕第三旋转中心(J3)的偏航角度；

俯仰机构包括在垂直方向上错落布置的第一U型杆(3-3)与第二U型杆(3-4)，第一U型杆(3-3)与底座Ⅱ(3-1)上部转动连接，第二U型杆(3-4)与第二电机(M2)同轴安装并由底座Ⅲ(3-2)支撑，第二电机(M2)后端同轴安装第二角度传感器(S2)，用以检测第一U型杆(3-3)、第二U型杆(3-4)绕旋第二转中心(J2)的俯仰角度；

平动-自转机构用于实现主手直线平移运动，包括安装在偏航框架(4-1)上的平动-自转支架(5-1)，与平动-自转支架(5-1)铰接的上部平行四边形机构(5-2)，上部平行四边形机构(5-2)与第二气囊制动器(M4)的输出轴固连，第二气囊制动器(M4)固定在安装座(5-3)上，水平布置的直线导轨(5-4)固定在安装座(5-3)上；

开合机构竖直布置于偏航机构的一侧，其安装座(5-3)与上部平行四边形机构(5-2)铰接，偏航机构下部的偏航杆件(4-2)与下部平行四边形机构(5-6)铰接，上部平行四边形机构(5-2)与下部平行四边形机构(5-6)在垂直方向上对称布置；

开合机构的下支架(6-5)的下部杆体穿过偏航机构下部的偏航导轨(4-4)的导轨槽后与下部平行四边形机构(5-6)铰接，平动-自转机构的直线导轨(5-4)的导轨槽中的竖直布置的平移杆件(5-5)穿过上部平行四边形机构(5-2)的铰接孔后与开合机构的上支架(6-3)连接；

平移杆件(5-5)沿着直线导轨(5-4)平移，构成平动关节(T4)；上部平行四边形机构(5-2)及下部平行四边形机构(5-6)，可将沿平动关节(T4)的直线运动转化为旋转运动；

第二气囊制动器(M4)上同轴安装第四角度传感器(S4)，用以检测沿直线导轨的直线运动的距离；

与下支架(6-5)同轴连接的上支架(6-3))的径向方向一侧连接有固定捏合杆(6-1)，并对称设置有能通过按压实现相对旋转的活动捏合杆(6-4)，固定捏合杆(6-1)与活动捏合杆(6-4)之间安装W型气囊(6-2)，用来提供活动捏合杆(6-4)开合动作的反馈力；

下支架(6-5)内部安装第五角度传感器(S5)，用于检测活动捏合杆(6-4)相对于固定捏合杆(6-1)的旋转位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过并联连杆，横滚与俯仰两个偏转自由度机构实现了并联式布置，电机为力反馈驱动器，被固定安装在底座上，而非随着各个关节移动；偏航机构与平动-自转机构采用了气囊制动器来提供力反馈，结构轻巧，显著减小了主手可移动部分的重量以及运动惯量。

同时，平动-自转机构中，设计了平行四边形结构，将沿直线导轨的平移运动转换为绕旋转关节的转动，角度传感器直接测量转动角度，与传统转换方式相比，如丝杠、同步带，该设计具备高精度、无回差、低阻尼的特点。

另外，本设计采用气囊制动器代替电机作为偏航机构与平动-自转机构的力反馈驱动元件，设计W型气囊作为开合机构的力反馈元件，作为被动力反馈单元装置，气囊制动器与W型气囊不对外主动做功，为关节的运动提供阻力，同时输出阻力与气压有着良好的线性关系。

附图说明

图1为本发明实施例一种新型力反馈主手的结构示意图。

图2为本发明实施例偏航机构、平动-自转机构与开合机构的结构示意图。

图3-图4分别为本发明实施例气囊制动器的主视及俯视结构示意图。

图5为本发明实施例并联连杆的结构示意图。

图6为本发明实施例偏航机构与U型杆的安装结构示意图。

图7为本发明实施例开合机构内部第五角度传感器的安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，该说明是根据本发明系统目前的优选实施例的描述，不代表本发明可以构成或使用的仅有形式。

本发明实施例中，俯仰机构与横滚机构并联配置，均固定于基座上，偏航机构、平动-自转机构、开合机构串联配置，俯仰轴、横滚轴与偏航轴汇交于中心点，实现三维旋转运动的解耦，平动-自转机构可将直线平移运动转换为旋转运动，实现了围绕中心点的三维转动、直线平移运动和开合运动五个自由度，每个自由度均实现了力反馈功能，俯仰机构与横滚机构采用电机驱动提供反馈力，偏航机构、平动-自转机构、开合机构采用气压驱动提供反馈力，两种驱动方式的融合，使得主手在获得稳定反馈力前提下，整体结构更加紧凑，具备较高灵活性。

如图1、图2所示，一种新型力反馈主手，包括基座1、横滚机构、俯仰机构、偏航机构、平动-自转机构以及开合机构，可实现绕横滚轴、俯仰轴与偏航轴旋转、沿直线导轨平移以及开合的五自由度运动。

其中，所述横滚机构、俯仰机构与偏航机构可分别绕三个相互垂直轴线旋转，实现了运动的解耦。横滚机构与俯仰机构由万向节结构演化而来，通过并联连杆2-2，实现了并联布置；偏航机构通过第一旋转中心J1和第二旋转中心J2连接，串联在两者之上。

对于横滚机构、俯仰机构，采用电机作为力反馈驱动元件，偏航机构与平动-自转机构采用气囊制动器作为力反馈驱动元件。

其中，所述横滚机构包括固定在基座上的底座Ⅰ2-1、并联连杆2-2、第一角度传感器S1与用于为横滚提供力反馈的第一电机M1，所述底座Ⅰ2-1固定在基座1上，第一电机M1固定于底座Ⅰ2-1；并联连杆与第一电机M1固连，并与偏航框架通过第一旋转中心J1铰接；

并联连杆2-2由连接轴8-1、连接桥A8-2、连接桥B8-3、连接桥C8-4、连接桥D8-5、L型连接臂8-6组成，并通过多个旋转副实现铰接；连接轴8-1通过第一旋转中心J1与第一电机M1固定连接，并固定在底座Ⅰ2-1上，第一电机M1用来提供相应的力反馈，同时第一角度传感器S1同轴安装在第一电机M1后，用以检测并联连杆2-2绕第一旋转中心J1的横滚角度，即横滚自由度的转动角度，转动角度限制为：±60°。

其中，所述俯仰机构包括固定在基座上的底座Ⅱ3-1与底座Ⅲ3-2、U型杆3-3、U型杆3-4、第二角度传感器S2与用于提供俯仰自由度的力反馈的第二电机M2；

其中，底座Ⅱ3-1、底座Ⅲ3-2固定在基座1上；U型杆3-3、U型杆3-4通过第二旋转中心J2与第二电机M2同轴安装，并均固定在底座底座Ⅱ3-1、底座Ⅲ3-2上，且通过第二旋转中心J2与偏航框架4-1铰接.为了防止干扰并联连杆2-2的转动，第一U型杆3-3、第二U型杆3-4采取在垂直方向上错落布置的方式；

第二电机M2用来提供力反馈，第二角度传感器S2同轴安装在第二电机M2后，用以检测第一U型杆3-3、第二U型杆3-4绕第二旋转中心J2的俯仰角度，即俯仰自由度的转动角度，限制转动角度为±45°。

俯仰机构与横滚机构采用并联布置的方式，作为力反馈驱动元件第一电机M1与第一电机M2分别固定在底座Ⅰ2-1与底座Ⅲ3-2上。

第一U型杆3-3与第二U型杆3-4通过竖板9-1与9-2实现垂直方向上的错落布置，第一U型杆3-3与阶梯轴9-3、阶梯轴9-4固连，阶梯轴9-3、阶梯轴9-4与偏航框架4-1铰接，实现绕第一旋转中心J1的转动。

其中，所述偏航机构包括偏航框架4-1、偏航杆件4-2、弧形连杆4-3、偏航导轨4-4、第三角度传感器S3、第一气囊制动器M3；

所述偏航框架4-1通过第一旋转中心J1、第二旋转中心J2分别与并联连杆2-2、第二U型杆3-4连接，偏航机构4串联在横滚机构2与俯仰机构3之上，横滚轴、俯仰轴与偏航轴垂直相交，实现旋转运动的解耦。

第一气囊制动器M3通过气室座7-1固定在偏航框架4-1内下部，为偏航自由度提供力反馈；第一气囊制动器M3用来提供力反馈，其输出轴7-3与偏航杆件4-2固连，通过弧形连杆4-3，偏航杆件4-2与偏航导轨4-4连接，施加垂直于偏航导轨的力，实现绕第三旋转中心J3的偏航转动；

第三角度传感器S3同轴安装在第一气囊制动器M3的轴7-3上，用以检测偏航框架4-1绕第三旋转中心J3的偏航角度，即偏航自由度转动角度，转动角度被限制为±60°。

其中，所述平动-自转机构包括平动-自转支架5-1、上部平行四边形机构5-2与下部平行四边形机构5-6、安装座5-3、直线导轨5-4、平移杆件5-5、第四角度传感器S4与第二气囊制动器M4，该机构可将平移运动转化为旋转运动，所述平动-自转支架5-1由两个相对侧板以及一个顶板连接形成倒U形状结构，安装在所述偏航框架4-1上(具体可以是其的两个侧板与偏航框架4-1的两个侧面连接，即与第二U型杆3-4的相对的内侧面相对配合的两个侧面，该两个侧面与连接关联连杆2-2的两个侧面相垂直布置连接，如图6所示，平动-自转支架5-1位于两个相对侧面之间，并与两个相对侧面连接实现安装在偏航框架4-1上)，上部平行四边形机构5-2与安装座5-3铰接，可绕第三旋转中心J3旋转，上部平行四边形机构5-2并与第二气囊制动器M4的输出轴7-3固连；

其中，第二气囊制动器M4通过气室座7-1固定于安装座5-3，上部平行四边形机构5-2与平移杆件5-5铰接，平移杆件5-5沿着直线导轨5-4平移，构成平动关节T4，平移运动量程为100mm；上部平行四边形机构5-2，可将沿平动关节T4直线运动转化为旋转运动，平移杆件5-5下端与开合机构连接；

为了保证运动稳定性，采用了两组平行四边形机构，在垂直方向上对称布置；第四角度传感器S4同轴安装在气囊制动器M4的输出轴7-3上，用以检测沿导轨的直线运动的距离，在平移杆件沿直线导轨做平移运动时，第二气囊制动器M4的输出轴绕第三旋转中心J3转动，第四角度传感器S4记录转动角度，第二气囊制动器M4用来提供反馈力。

其中，所述开合机构包括固定捏合杆6-1、活动捏合杆6-4、上支架6-3、下支架6-5与角度传感器S5，所述上支架6-3与下支架6-5同轴连接；固定捏合杆6-1与上支架6-3固连，活动捏合杆6-4与固定捏合杆6-1通过按压，实现两者的相对旋转，开合角度为40°；

其中，W型气囊6-2作为力反馈元件，用来提供开合动作的反馈力；角度传感器S5安装在下支架6-5内部，同时第五角度传感器S5的输出轴与活动捏合杆6-4固连，用于检测活动捏合杆6-4相对于固定捏合杆6-1的旋转角度，即记录角度变化量。

所述气囊制动器机构包括气室座座7-1、气囊7-2、输出轴7-3，所述气室座7-1用于固定气囊制动器，气囊7-2以螺旋式缠绕在输出轴7-3上，气囊7-2通过阻止输出轴7-3的转动，产生摩擦阻力。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.新型力反馈主手，其特征在于，包括置于基座上的横滚机构、俯仰机构、偏航机构、平动-自转机构、开合机构；横滚机构、俯仰机构、偏航机构分别用于实现主手绕横滚轴、俯仰轴与偏航轴转动；偏航机构串联在横滚机构与俯仰机构之上，横滚轴、俯仰轴与偏航轴垂直相交，实现旋转运动的解耦；

横滚机构包括通过多个旋转副实现铰接形成的并联连杆(2-2)，并联连杆(2-2)一端的连接轴(8-1)与第一电机(M1)的输出轴连接，并联连杆(2-2)另一端的L型连接臂(8-6)与偏航机构的偏航框架(4-1)侧面铰接；第一角度传感器(S1)同轴安装在第一电机(M1)后端，用以检测并联连杆(2-2)绕第一旋转中心(J1)的横滚角度；

固定在偏航框架(4-1)下部的第一气囊制动器(M3)的输出轴与偏航杆件(4-2)固连，偏航杆件(4-2)底部与下部平行四边形机构(5-6)铰接，侧部经固连的弧形连杆(4-3)与偏航导轨(4-4)连接；第一气囊制动器(M3)上同轴安装第三角度传感器(S3)，用以检测偏航框架(4-1)绕第三旋转中心(J3)的偏航角度；

俯仰机构包括在垂直方向上错落布置的第一U型杆(3-3)与第二U型杆(3-4)，第一U型杆(3-3)与底座Ⅱ(3-1)上部转动连接，第二U型杆(3-4)与第二电机(M2)同轴安装并由底座Ⅲ(3-2)支撑，第二电机(M2)后端同轴安装第二角度传感器(S2)，用以检测第一U型杆(3-3)、第二U型杆(3-4)绕旋第二转中心(J2)的俯仰角度；

平动-自转机构用于实现主手直线平移运动，包括安装在偏航框架(4-1)上的平动-自转支架(5-1)，与平动-自转支架(5-1)铰接的上部平行四边形机构(5-2)，上部平行四边形机构(5-2)与第二气囊制动器(M4)的输出轴固连，第二气囊制动器(M4)固定在安装座(5-3)上，水平布置的直线导轨(5-4)固定在安装座(5-3)上；

开合机构竖直布置于偏航机构的一侧，其安装座(5-3)与上部平行四边形机构(5-2)铰接，偏航机构下部的偏航杆件(4-2)与下部平行四边形机构(5-6)铰接，上部平行四边形机构(5-2)与下部平行四边形机构(5-6)在垂直方向上对称布置；

开合机构的下支架(6-5)的下部杆体穿过偏航机构下部的偏航导轨(4-4)的导轨槽后与下部平行四边形机构(5-6)铰接，平动-自转机构的直线导轨(5-4)的导轨槽中的竖直布置的平移杆件(5-5)穿过上部平行四边形机构(5-2)的铰接孔后与开合机构的上支架(6-3)连接；

平移杆件(5-5)沿着直线导轨(5-4)平移，构成平动关节(T4)；上部平行四边形机构(5-2)及下部平行四边形机构(5-6)，可将沿平动关节(T4)的直线运动转化为旋转运动；

第二气囊制动器(M4)上同轴安装第四角度传感器(S4)，用以检测沿直线导轨的直线运动的距离；

与下支架(6-5)同轴连接的上支架(6-3))的径向方向一侧连接有固定捏合杆(6-1)，并对称设置有能通过按压实现相对旋转的活动捏合杆(6-4)，固定捏合杆(6-1)与活动捏合杆(6-4)之间安装W型气囊(6-2)，用来提供活动捏合杆(6-4)开合动作的反馈力；

下支架(6-5)内部安装第五角度传感器(S5)，用于检测活动捏合杆(6-4)相对于固定捏合杆(6-1)的旋转位移。

2.根据权利要求1所述新型力反馈主手，其特征在于，所述横滚机构2包括固定在基座(1)上的底座Ⅰ(2-1)，第一电机(M1)固定于底座Ⅰ(2-1)，并联连杆(2-2)位于底座Ⅰ(2-1)内侧；

其中，连接轴(8-1)的前端通过带孔连接件与连接桥A(8-2)的桥杆连接，连接轴(8-1)的轴向方向与第一电机(M1)的输出轴的轴向方向垂直，连接桥A(8-2)的轴线方向与连接轴(8-1)的轴线方向垂直，连接桥B(8-3)的两端分别与连接桥A(8-2)、连接桥C(8-4)旋转连接且连接桥B(8-3)的轴线方向与连接桥A(8-2)的轴线方向垂直，连接桥D(8-5)的两端分别与连接桥C(8-4)、L型连接臂(8-6)旋转连接，连接桥D(8-5)两端的铰接旋转副以及连接桥C(8-4)与连接桥B(8-3)的铰接旋转副的旋转中心线平行，并与连接桥B(8-3)与连接桥A(8-2)的铰接旋转副的旋转中心线垂直。

3.根据权利要求2所述新型力反馈主手，其特征在于，所述俯仰机构包括相对布置在基座(1)上的底座Ⅱ(3-1)与底座Ⅲ(3-2)；第一U型杆(3-3)与第二U型杆(3-4)布置于底座Ⅱ(3-1)、底座Ⅲ(3-2)之间；

第一U型杆(3-3)与第二U型杆(3-4)通过两个相对布置的竖板(9-1、9-2)实现垂直方向上的错落布置，第一U型杆(3-3)的两个相对端对应地与相对布置的两个阶梯轴(9-3、9-4)连接，两个阶梯轴(9-3、9-4)与偏航框架(4-1)的两个相对侧面铰接，实现绕第一旋转中心(J1)的转动；

两个相对布置的竖板(9-1、9-2)的上部与第二U型杆(3-4)的两端通过两个阶梯轴(9-3、9-4)连接；第一U型杆(3-3)的两端与两个相对布置的竖板(9-1、9-2)的下部连接。

4.根据权利要求3所述新型力反馈主手，其特征在于，所述平移杆件(5-5)与开合机构(6)的同轴布置固定。

5.根据权利要求4所述力反馈主手，其特征在于，所述第五角度传感器(S5)的输出轴与活动捏合杆(6-4)固连。

6.根据权利要求5所述新型力反馈主手，其特征在于，所述第一气囊制动器(M3)、第一气囊制动器(M4)的结构相同，包括用于固定气囊制动器本体的气室座(7-1)、螺旋式布置在输出轴(7-3)外周的气囊(7-2)：输出轴(7-3)与气囊(7-2)相对转动时，产生摩擦阻力。

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