CN116408813A - 一种六自由度解耦手术臂随动支架装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗机器人领域，具体为一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，包括立式滑台结构、第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂，其中，所述立式滑台结构带动第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂进行Z轴方向的移动，所述第一转动结构和第二转动结构分别带动六自由度解耦手术臂进行XY轴方向的移动。本发明能够使末端六自由度解耦手术臂在空间内进行大范围的运动；不需要在关节处添加驱动电机，只需要保证可以拖动和锁定即可；本发明在锁定后可以保持刚度较大，使末端机构不晃动；机器人易操作性方面在拖动时，关节阻尼保证速度不会超限，且所需力均匀一致；在末端机构不同质量情况下，能够有效保持拖动灵活性。

Description

一种六自由度解耦手术臂随动支架装置

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，特别是涉及一种随动支架装置，具体为一种六自由度解耦手术臂随动支架装置。

背景技术

在研发六自由度解耦手术臂的过程中，发现手术臂需要进行大范围空间零力拖动和粗略定位，并且粗定位锁定后需要保证一定刚度，另外在实施手术的过程中，需要保证手术臂无明显晃动和累计误差。

因此亟需一种支架装置，既能够带动末端六自由度解耦手术臂在空间内进行大范围运动，又能保证手术臂运动到目标位置后锁定，且保持不动。

发明内容:

为了解决上述背景技术中所述的问题，本发明提供一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，该装置能够保证末端六自由度解耦手术臂在空间内进行大范围运动，且在运动到目标位置后锁定，并保持静止状态。

本发明的技术方案为：一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，包括立式滑台结构、第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂，其中，所述立式滑台结构带动第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂进行Z轴方向的移动，所述第一转动结构和第二转动结构分别带动六自由度解耦手术臂进行XY轴方向的移动。

作为优选，所述立式滑台结构包括：立式滑台、平行光轴、丝杠、滑台、滑台转接板、第一锁定球、立式滑台驱动电机、滑台底座；所述滑台底座设于立式滑台结构的底座，所述滑台底座上方设有立式滑台驱动电机，立式滑台驱动电机上方设有凹槽结构，凹槽内设有平行设置的第一平行光轴、丝杠以及第二平行光轴，所述滑台设有用于第一平行光轴、丝杠以及第二平行光轴穿过的通孔，滑台表面设有一滑台转接板，所述锁定球固定在所述滑台转接板下端面，用于和所述第一转动结构的内部驱动配合锁定。

进一步地，所述滑台转接板与所述滑台固定，所述锁定球和所述滑台转接板可以跟随所述滑台上下移动。

进一步地，所述立式滑台驱动电机带动所述丝杠转动，再带动所述滑台上下运动，进而带动所述第一转动结构和所述第二转动结构上下运动。

进一步地，所述第一转动结构包括：第一顶盖板和第一主体外壳组成的第一转动结构的封闭外壳、以及沿中心分别于两端对称设置的第一驱动电机、第一联轴器、第一光轴座、第二光轴座、第一高强度弹簧、第一锁定球窝、第一锁定球窝球面以及第一光轴。

进一步地，所述第一转动结构沿中心分别于两端对称设置，其中一端的第一锁定球窝球面用于和所述立式滑台结构的所述第一锁定球配合，并且所述第一转动结构可以绕着所述立式滑台结构和所述第一转动结构的连接处水平转动。

进一步地，与所述立式滑台结构连接侧的第一驱动电机带动所述第一联轴器转动，从而带动所述第一高强度弹簧沿着所述第一联轴器轴向运动，调节施加给所述第一锁定球窝的压力，进而调节所述第一锁定球窝球面与所述立式滑台结构中第一锁定球之间的压力，增加摩擦力，从而锁定所述立式滑台结构和所述第一转动结构的转动关节。

进一步地，所述第二转动结构包括：第二顶盖板和第二主体外壳组成的第二转动结构的封闭外壳、第二锁定球、锁定球球杆、第二驱动电机、第二联轴器、第三光轴座、第二高强度弹簧、第四光轴座、第二锁定球窝、第二锁定球窝球面。

进一步地，所述锁定球球杆一端固定在所述第二主体外壳上，另一端与所述第二锁定球固连。

进一步地，所述第二转动结构的第二锁定球与所述第一转动结构一端的第一锁定球窝球面配合，并且所述第二转动结构可以绕着所述第一转动结构和所述第二转动结构的连接处水平转动。

进一步地，当所述第一转动结构中与所述第二转动结构连接的端的第一驱动电机带动所述第一联轴器转动时，会带动所述第一高强度弹簧沿着所述第一联轴器轴向运动，调节施加给所述第一锁定球窝的压力，进而调节所述第一锁定球窝球面与所述第二转动结构中第二锁定球之间的压力，增加摩擦力，从而锁定所述第一转动结构和所述第二转动结构的转动关节。

进一步地，所述六自由度解耦手术臂设有第三锁定球，所述第二转动结构的第二锁定球窝球面与所述六自由度解耦手术臂设有第三锁定球配合，当所述第二锁定球窝球面对所述第三锁定球压力增加时，摩擦力增大，最终所述第二转动结构和所述六自由度解耦手术臂保持锁定，相对静止。

本发明提供了一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，包括四个部分：立式滑台结构、第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂，其中，立式滑台结构可以带动第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂上下运动，第一转动结构和第二转动结构可以带动六自由度解耦手术臂转动，且各部分均带有锁定装置，以保证六自由度解耦手术臂运动到目标位置后锁定，且保持静止状态。从所需自由度的角度分析，本发明能够使末端六自由度解耦手术臂在空间内进行大范围的运动，包括XYZ三个自由度；驱动方式方面，本发明不需要在关节处添加驱动电机，只需要保证可以拖动和锁定即可；机器人刚度方面，本发明在锁定后可以保持刚度较大，使末端机构不晃动；机器人易操作性方面，本发明在拖动时，关节阻尼保证速度不会超限，且所需力均匀一致；负载方面，本发明保持大负载能力，在末端机构不同质量情况下，能够有效保持拖动灵活性。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例在一个角度下的示意图；

图2是本发明实施例立式滑台结构示意图；

图3是本发明实施例第一转动结构示意图；

图4是本发明实施例第二转动结构示意图；

图5是本发明实施例六自由度解耦手术臂。

附图标记说明：1.立式滑台结构；2.第一转动结构；3.第二转动结构；4.六自由度解耦手术臂；101.立式滑台；102.第一光轴座；103.丝杠；104.第二光轴座；105.滑台；106.滑台转接板；107.第一锁定球；108.立式滑台驱动电机；109.滑台底座；201第一顶盖板；202.第一主体外壳；203.第一驱动电机；204.第一联轴器；205.第一光轴座；206.第二光轴座；207.第一高强度弹簧；208第一锁定球窝；209.第一锁定球窝球面；210.光轴；301.第二顶盖板；302.第二主体外壳；303.锁定球；304.锁定球球杆；305.第二驱动电机；306.第二联轴器；307.第三光轴座；308.第二高强度弹簧；309.第四光轴座；310.第二锁定球窝；311.第二锁定球窝球面；401.第三锁定球。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指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，而不是指示或暗示所指的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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例的连接装置进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，包括四个部分：立式滑台结构1、第一转动结构2、第二转动结构3和六自由度解耦手术臂4，其中，立式滑台结构1可以带动第一转动结构2、第二转动结构3和六自由度解耦手术臂4上下运动，第一转动结构2和第二转动结构3可以带动六自由度解耦手术臂4转动。

作为一种可选的实施方式，所述立式滑台结构1、所述第一转动结构2和所述第二转动结构3均带有锁定装置，以保证所述六自由度解耦手术臂4运动到目标位置后锁定，且保持静止状态。

如图2所示，所述立式滑台结构1包括：立式滑台101、第一平行光轴102、第二平行光轴104、丝杠103、滑台105、滑台转接板106、第一锁定球107、立式滑台驱动电机108、滑台底座109；所述滑台底座109设于立式滑台结构1的底座，所述滑台底座上方设有立式滑台驱动电机108，立式滑台驱动电机上方设有凹槽结构，凹槽内设有平行设置的第一平行光轴102、丝杠103以及第二平行光轴104，所述滑台105设有用于第一平行光轴、丝杠以及第二平行光轴穿过的通孔，滑台表面设有一滑台转接板106，所述锁定球107固定在所述滑台转接板下端面，用于和所述第一转动结构2的内部驱动配合锁定；所述滑台转接板与所述滑台固定，所述锁定球和所述滑台转接板可以跟随所述滑台上下移动；述立式滑台驱动电机108带动所述丝杠103转动，再带动所述滑台105上下运动，进而带动所述第一转动结构2和所述第二转动结构3上下运动。

如图3所示，所述第一转动结构包括：第一顶盖板201和第一主体外壳202组成的第一转动结构的封闭外壳、以及沿中心分别于两端对称设置的第一驱动电机203、第一联轴器204、第一光轴座205、第二光轴座206、第一高强度弹簧207、第一锁定球窝208、第一锁定球窝球面209、第一光轴210；所述第一转动结构2内部为中间对称结构；所述第一顶盖板201与所述第一主体外壳202配合作为所述第一转动结构2的封闭外壳；其中一端的所述第一锁定球窝球面209用于和所述立式滑台结构1的所述第一锁定球107配合，并且所述第一转动结构2可以绕着所述立式滑台结构1和所述第一转动结构2的连接处水平转动。

与所述立式滑台结构1连接侧的第一驱动电机203带动所述第一联轴器204转动，从而带动所述第一高强度弹簧207沿着所述第一联轴器204轴向运动，调节施加给所述第一锁定球窝208的压力，进而调节所述第一锁定球窝球面209与所述立式滑台结构1中第一锁定球107之间的压力，增加摩擦力，从而锁定所述立式滑台结构1和所述第一转动结构2的转动关节。

如图4所示，所述第二转动结构3包括：第二顶盖板301和第二主体外壳302组成的第二转动结构的封闭外壳、第二锁定球303、锁定球球杆304、第二驱动电机305、第二联轴器306、第三光轴座307、第二高强度弹簧308、第四光轴座309、第二锁定球窝310、第二锁定球窝球面311；所述锁定球球杆304一端固定在所述第二主体外壳302内，另一端与所述第二锁定球303固连；所述第二转动结构3的第二锁定球303与所述第一转动结构2另一端的第一锁定球窝球面209配合，并且所述第二转动结构3可以绕着所述第一转动结构2和所述第二转动结构3的连接处水平转动。

当所述第一转动结构2中与所述第二转动结构3连接的端的第一驱动电机203带动所述第一联轴器204转动时，会带动所述第一高强度弹簧207沿着所述第一联轴器204轴向运动，调节施加给所述第一锁定球窝208的压力，进而调节所述第一锁定球窝球面209与所述第二转动结构3中第二锁定球303之间的压力，增加摩擦力，从而锁定所述第一转动结构2和所述第二转动结构3的转动关节。

如图1和图5所示，所述第二转动结构3的第一锁定球窝球面311与所述六自由度解耦手术臂4的第三锁定球401配合，当所述第二锁定球窝球面311对所述第三锁定球401压力增加时，摩擦力增大，最终所述第二转动结构3和所述六自由度解耦手术臂4保持锁定，相对静止。

作为一种可选的实施方式，本发明所述的六自由度解耦手术臂为自主研发的一种手术臂，可替换为其他带有锁定球结构的手术臂。

本发明提供了一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，包括四个部分：立式滑台结构、第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂。从所需自由度的角度分析，本发明能够使末端六自由度解耦手术臂在空间内进行大范围的运动，包括XYZ三个自由度；驱动方式方面，本发明不需要在关节处添加驱动电机，只需要保证可以拖动和锁定即可；机器人刚度方面，本发明在锁定后可以保持刚度较大，使末端机构不晃动；机器人易操作性方面，本发明在拖动时，关节阻尼保证速度不会超限，且所需力均匀一致；负载方面，本发明保持大负载能力，在末端机构不同质量情况下，能够有效保持拖动灵活性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

1.一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，包括立式滑台结构、第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂，其中，所述立式滑台结构带动第一转动结构、第二转动结构和六自由度解耦手术臂进行Z轴方向的移动，所述第一转动结构和第二转动结构分别带动六自由度解耦手术臂进行XY轴方向的移动。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述立式滑台结构包括：立式滑台、平行光轴、丝杠、滑台、滑台转接板、第一锁定球、立式滑台驱动电机、滑台底座；所述滑台底座设于立式滑台结构的底座，所述滑台底座上方设有立式滑台驱动电机，立式滑台驱动电机上方设有凹槽结构，凹槽内设有平行设置的第一平行光轴、丝杠以及第二平行光轴，所述滑台设有用于第一平行光轴、丝杠以及第二平行光轴穿过的通孔，滑台表面设有一滑台转接板，所述锁定球固定在所述滑台转接板下端面，用于和所述第一转动结构的内部驱动配合锁定。

3.根据权利要求2所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述滑台转接板与所述滑台固定，所述锁定球和所述滑台转接板可以跟随所述滑台上下移动。

4.根据权利要求2所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述立式滑台驱动电机带动所述丝杠转动，再带动所述滑台上下运动，进而带动所述第一转动结构和所述第二转动结构上下运动。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述第一转动结构包括：第一顶盖板和第一主体外壳组成的第一转动结构的封闭外壳、以及沿中心分别于两端对称设置的第一驱动电机、第一联轴器、第一光轴座、第二光轴座、第一高强度弹簧、第一锁定球窝、第一锁定球窝球面以及第一光轴。

6.根据权利要求5所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述第一转动结构沿中心分别于两端对称设置，其中一端的第一锁定球窝球面用于和所述立式滑台结构的所述第一锁定球配合，并且所述第一转动结构可以绕着所述立式滑台结构和所述第一转动结构的连接处水平转动。

7.根据权利要求1所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，与所述立式滑台结构连接侧的第一驱动电机带动所述第一联轴器转动，从而带动所述第一高强度弹簧沿着所述第一联轴器轴向运动，调节施加给所述第一锁定球窝的压力，进而调节所述第一锁定球窝球面与所述立式滑台结构中第一锁定球之间的压力，增加摩擦力，从而锁定所述立式滑台结构和所述第一转动结构的转动关节。

8.根据权利要求1所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述第二转动结构包括：第二顶盖板和第二主体外壳组成的第二转动结构的封闭外壳、第二锁定球、锁定球球杆、第二驱动电机、第二联轴器、第三光轴座、第二高强度弹簧、第四光轴座、第二锁定球窝、第二锁定球窝球面。

9.根据权利要求8所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述锁定球球杆一端固定在所述第二主体外壳上，另一端与所述第二锁定球固连。

10.根据权利要求8所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述第二转动结构的第二锁定球与所述第一转动结构一端的第一锁定球窝球面配合，并且所述第二转动结构可以绕着所述第一转动结构和所述第二转动结构的连接处水平转动。

11.根据权利要求1所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，当所述第一转动结构中与所述第二转动结构连接的端的第一驱动电机带动所述第一联轴器转动时，会带动所述第一高强度弹簧沿着所述第一联轴器轴向运动，调节施加给所述第一锁定球窝的压力，进而调节所述第一锁定球窝球面与所述第二转动结构中第二锁定球之间的压力，增加摩擦力，从而锁定所述第一转动结构和所述第二转动结构的转动关节。

12.根据权利要求1所述的一种六自由度解耦手术臂随动支架装置，其特征在于，所述六自由度解耦手术臂设有第三锁定球，所述第二转动结构的第二锁定球窝球面与所述六自由度解耦手术臂设有第三锁定球配合，当所述第二锁定球窝球面对所述第三锁定球压力增加时，摩擦力增大，最终所述第二转动结构和所述六自由度解耦手术臂保持锁定，相对静止。

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