CN116492061A - 一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，包括旋转轴固定臂、负载臂和弹性件。固定臂与旋转轴转动连接，其转动轴线与旋转轴的轴线重合。固定臂上设有驱动部，驱动部的输出端与旋转轴连接。负载臂与旋转轴固定连接，与固定臂绕旋转轴的轴线转动连接。负载臂用于安装后端负载。弹性件的第一端与固定臂连接，第二端与旋转轴偏心连接或与旋转轴的等效轴偏心连接，旋转轴的等效轴为与旋转轴平行且同步转动的轴。弹性件具有在其第一端和第二端所在直线方向上收缩的弹性力，弹性件的弹性力产生作用于旋转轴的弹性扭矩，弹性扭矩配合驱动部的驱动扭矩用于平衡负载臂及后端负载的整体重力作用于旋转轴的重力扭矩。

Description

一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节。

背景技术

在医疗手术机器人中，经常会使用到一些由医生驱动的机械臂，在这些机械臂中，会有一些关节轴线为水平方向或近似于水平方向的旋转关节，这类旋转关节的后端(也就是靠近医生操作的一端)整体负载在重力作用下会自然下垂。当医生需要提起后端时，若无电机助力，则需要克服后端整体负载的重力作用，使得医生会感觉到手感沉重，长时间操作十分容易疲惫。

为此，在现有技术中一般为设计一个与后端整体负载产生的重力扭矩相当输出能力的电机，这个电机需要较高的功率，使得其体积和质量较大，这使得前端(也就是远离医生操作的一端)关节需要具备更大的负载能力，最终导致整个机械臂庞大笨重。

也有一些解决方案为使用一个与后端整体负载相对于关节轴线对称的重力负载去平衡后端整体负载，这虽然可以很好的平衡掉后端整体负载，但这样不仅会大大增加该旋转关节的体积，还会成倍增加前端关节的负载，同样导致整个机械臂体积庞大，且相对而言外观更不美观。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，以解决现有技术中旋转关节为平衡后端整体负载产生的重力扭矩而使得体积庞大的问题。

本发明的技术方案为：

一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，包括：

旋转轴；

固定臂，与所述旋转轴转动连接，其转动轴线与所述旋转轴的轴线重合；所述固定臂上设有驱动部，所述驱动部的输出端与所述旋转轴连接；

负载臂，与所述旋转轴固定连接，与所述固定臂绕所述旋转轴的轴线转动连接；所述负载臂用于安装后端负载；

弹性件，第一端与所述固定臂连接，第二端与所述旋转轴偏心连接或与所述旋转轴的等效轴偏心连接，所述旋转轴的等效轴为与所述旋转轴平行且同步转动的轴；

所述弹性件具有在其第一端和第二端所在直线方向上收缩的弹性力，所述弹性件的弹性力产生作用于所述旋转轴的弹性扭矩，所述弹性扭矩配合所述驱动部的驱动扭矩用于平衡所述负载臂及后端负载的整体重力作用于所述旋转轴的重力扭矩。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述弹性件的第二端与所述旋转轴的等效轴连接；

所述等效轴的轴线与所述旋转轴的轴线位于同一竖直平面内，且所述等效轴设于所述旋转轴靠近所述驱动部的一侧。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，当所述弹性件的弹性力方向为竖直方向时，所述重力扭矩的力臂方向为非竖直方向。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述弹性件的弹性力所在直线与所述旋转轴的轴线垂直或异面垂直。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述弹性件的第二端通过辅助件与所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴偏心设置；

所述辅助件的一端与所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴连接，另一端设有与所述旋转轴平行设置的连接柱；所述弹性件的第二端连接有一拉绳的第一端，所述拉绳的第二端形成绳套套设于所述连接柱，且所述拉绳处于拉直状态。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述辅助件连接于所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴的端面，以防止所述拉绳的运动与所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴产生干涉。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述弹性件的第二端与所述旋转轴的等效轴偏心连接，所述等效轴转动连接于所述固定臂；

所述旋转轴和所述等效轴之间通过直齿轮组连接，所述直齿轮组包括第一直齿轮和第二直齿轮，所述第一直齿轮套设于所述旋转轴并与所述旋转轴同轴固定连接，所述第二直齿轮套设于所述等效轴并与所述等效轴同轴固定连接，所述第一直齿轮和所述第二直齿轮啮合。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述驱动部为电机，所述电机固连于所述固定臂，所述电机的输出轴通过锥齿轮组与所述旋转轴连接；

所述锥齿轮组包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第一锥齿轮套设于所述旋转轴并与所述旋转轴同轴固定连接，所述第二锥齿轮与所述电机的输出轴同轴固定连接。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述旋转轴的轴向第一端与所述负载臂连接，所述旋转轴的轴线第二端与所述固定臂之间设有角位移传感器，所述角位移传感器用于检测所述旋转轴相对所述固定臂的转动角度；

所述弹性件的第二端与所述旋转轴的等效轴偏心连接。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述弹性件为弹簧。

某一实施例中的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，所述弹性件的第一端和所述固定臂之间的连接位置可调节，以调节所述机械臂关节初始状态时所述弹性件的弹性力大小。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明提供的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，由弹性件的弹性力产生的作用于旋转轴的弹性扭矩，能够平衡一部分后端整体负载产生的作用于旋转轴的重力扭矩，剩余重力扭矩再由驱动部产生的驱动扭矩平衡，弹性件和驱动部共同作用，平衡掉后端整体负载产生的全部重力扭矩，使医生操作起来感觉轻巧灵敏。因此，相对于现有技术可采用更低功率的驱动部，从而使得驱动部的体积和质量降低，进而减小关节体积。其中，后端整体负载产生的作用于旋转轴的重力扭矩即为负载臂和后端负载整体的重力作用于旋转轴产生的重力扭矩。

同时，重力扭矩的力臂在经过竖直方向时会换向，因此需要平衡机构产生的扭矩的力臂也具有换向的能力。而本发明中弹性件的第二端与旋转轴偏心连接或与和旋转轴的等效轴偏心连接，因此，当旋转轴旋转一周时，弹性件的第二端会随之绕旋转轴的轴线转动一周或绕旋转轴的等效轴的轴线转动一周，这使得弹性件的弹性力作用于旋转轴产生的弹性扭矩的力臂在经过竖直方向时也会变换方向，符合换向能力的要求。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节的工作原理示意图(图中的负载臂为示意，并非实际结构形状)；

图2为本发明的一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节在连接柱位于最上方位置时的示意图；

图3为本发明的一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节在负载臂和固定臂的夹角度数为零时的示意图；

图4为本发明的一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节在连接柱位于最下方位置时的示意图。

附图标记说明：

1：旋转轴；2：负载臂；3：第一壳体；4：电机；5：第一锥齿轮；6：第二锥齿轮；7：第一直齿轮；8：第二直齿轮；9：辅助件；10：等效轴；11：拉绳；12：弹性件；13：角位移传感器；14：调节块。

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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

参看图1至图4，本实施例提供一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，用于腹腔镜主从型辅助手术机器人的遥操作主手中。具体，该遥操作主手包括串联的位置调整机构、姿态调整机构和控制夹，分别与从端的机械臂、执行工具和执行工具的工具头对应；而本实施例提供的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节作为姿态调整机构中的某一关节。当然，在其他实施例中，弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节可用作位置调整机构中的旋转关节或其他主从型辅助手术机器人的遥操作主手中的旋转关节，此处不做限制。

为便于说明，在下文中将弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节简称为机械臂关节。在本文中，后端指的是靠近医生操作的一端，前端指的是远离医生操作的一端。

主要参看图1，本实施例提供的机械臂关节包括旋转轴1、固定臂、负载臂2和弹性件12。旋转轴1穿设固定臂并与固定臂转动连接，其转动轴线与旋转轴1的轴线重合。负载臂2与旋转轴1的轴向第一端固定，从而实现负载臂2与固定臂转动连接；且负载臂2和固定臂的转动轴线与所述旋转轴1的轴线重合。需说明的是，本实施例提供的机械臂关节的理想工作状态为：固定臂的长度方向为竖直方向，旋转轴1的轴线位于水平面内。

旋转轴1的轴向第二端连接有角位移传感器13。角位移传感器13设置在旋转轴1和固定臂之间，用于检测旋转轴1相对固定臂的旋转角度，从而得到负载臂2相对固定臂的转动角度。当然，在其他实施例中可以不设置角位移传感器13，通过其他方式得到负载臂2相对固定臂的转动角度。

负载臂2用于安装后端负载，负载臂2及后端负载的整体重力作用于旋转轴1的重力扭矩会影响医生的操作手感，为此设置了驱动部和弹性件12对重力扭矩进行平衡。下文中提供的所有重力扭矩均为负载臂2及后端负载的整体重力作用于旋转轴1的重力扭矩。

驱动部设置在固定臂上，其输出端与旋转轴1连接。具体，驱动部为电机4，电机4固连于固定臂，电机4的输出端也就是输出轴通过锥齿轮组与旋转轴1连接。锥齿轮组包括第一锥齿轮5和第二锥齿轮6，第一锥齿轮5套设于旋转轴1并与旋转轴1同轴固定连接，第二锥齿轮6与电机4的输出轴同轴固定连接。锥齿轮组传递电机4的输出扭矩，从而形成作用于旋转轴1的驱动扭矩。

弹性件12的第一端与固定臂连接，第二端与旋转轴1偏心连接或与旋转轴1的等效轴10偏心连接。旋转轴1的等效轴10为与旋转轴1平行且同步转动的轴，此处的同步转动指的是，旋转轴1转动一周时等效轴10正好也转动一周。

弹性件12具有在其第一端和第二端所在直线方向上收缩的弹性力，弹性件12的弹性力产生作用于旋转轴1的弹性扭矩，弹性扭矩配合驱动部的驱动扭矩用于平衡负载臂2及后端负载的整体重力作用于旋转轴1的重力扭矩。即，弹性件12的弹性力对应的弹性扭矩能够平衡一部分重力扭矩，剩余重力扭矩再由驱动部对应的驱动扭矩平衡；弹性件12和驱动部的共同作用能够平衡全部的重力扭矩，使医生操作起来感觉轻巧灵敏。而且，由于本实施例中重力扭矩的部分由弹性件12平衡，从而降低了对电机功率的要求，使得可以采用相比于现有技术中更小功率、更小体积和质量的电机。

同时，在负载臂2相对固定臂转动的整个行程中，弹性件12产生的弹性扭矩、负载臂2及后端负载的整体重力产生的重力扭矩、驱动部产生的驱动扭矩，三者共同作用，使得负载臂2可在行程中的任意位置保持平衡，即在无外力作用下可以停在任意位置。

弹性件12的第二端通过辅助件9与旋转轴1或旋转轴1的等效轴10偏心设置。具体，辅助件9的一端与旋转轴1或旋转轴1的等效轴10连接，另一端设有与旋转轴1平行设置的连接柱；弹性件12的第二端连接有一拉绳11的第一端，拉绳11的第二端形成绳套套设于连接柱，且拉绳11处于拉直状态。

由于旋转轴1旋转一周时，弹性件12的第二端也会绕旋转轴1或旋转轴1的等效轴10一周，因此，拉绳11和连接柱的连接处会经过旋转轴1或旋转轴1的等效轴10上方。所以，辅助件9需要连接于旋转轴1的端面或连接于旋转轴1的等效轴10的端面，从而防止拉绳11的运动与旋转轴1或旋转轴1的等效轴10产生干涉。

由于在本实施例中，旋转轴1的两个端面都已经分别设置了角位移传感器13和负载臂2，因此本实施例中需要设置等效轴10，辅助件9设置在等效轴10轴向端面。具体，等效轴10的轴线与旋转轴1的轴线位于同一竖直平面内，且等效轴10设于旋转轴1靠近电机4的一侧；等效轴10转动连接于固定臂，旋转轴1和等效轴10之间通过直齿轮组连接。直齿轮组包括第一直齿轮7和第二直齿轮8，第一直齿轮7套设于旋转轴1并与旋转轴1同轴固定连接，第二直齿轮8套设于等效轴10并与等效轴10同轴固定连接，第一直齿轮7和第二直齿轮8啮合。辅助件9的设置将弹性件12的弹性力变换为作用于等效轴10的扭矩，该扭矩经过直齿轮组的传递，形成作用于旋转轴1的弹性扭矩。优选的，弹性件12的弹性力所在直线与旋转轴1的轴线垂直或异面垂直，如此，弹性件12不会产生沿旋转轴1轴线方向的分力。

当然，在其他实施例中，如果旋转轴1上无需安装角位移传感器13或角位移传感器为中空型(即旋转轴1可穿过角位移传感器，使角位移传感器不占用端面位置)，即可不设置等效轴10和直齿轮组，辅助件9直接设置在旋转轴1的轴向第二端(也就是不连接负载臂2的一端)。或者也可以将辅助件9和角位移传感器13对换，即，将角位移传感器13安装在等效轴10上、将辅助件9安装在旋转轴1的轴向第二端；但如此设置，整个机械臂关节的体积一般会比本实施例中的更大。

辅助件9在不同位置时，对应负载臂2的位置分别如图2至图4所示。从图中可以看出，当拉绳11处于竖直状态(也就是辅助件9上的连接柱位于最上和最下位置)时，负载臂2不在竖直位置，这是因为弹性件12对应的弹性扭矩的力臂比重力扭矩的力臂短很多，因而平衡时弹性件12的弹性力比重力大很多。如果两个力在竖直位置相遇，根据极限原理，此时力臂近似相等，而两个力的大小相差数倍，会导致越过竖直点前后，弹性件12对应的弹性扭矩会比重力扭矩大很多，打破平衡，产生很大角加速度，不利于平滑过渡。因此，当弹性件12的弹性力方向为竖直方向时，重力扭矩的力臂方向为非竖直方向。

弹性件12可以采用弹簧，当然在其他实施例中可以采用弹性柱等其他弹性构件，此处不作限制。弹簧的两端分别与拉绳11和固定臂连接，弹簧与固定臂之间的位置可调节，从而调节机械臂关节初始状态时弹簧的弹性力大小。

具体，固定臂可包括第一壳体3和第二壳体，电机4设于第一壳体3内部，弹簧、等效轴10、辅助件9等可以设置在第二壳体内部。弹簧与固定臂连接的一端连接有调节块14，在第一壳体3上设置沿固定臂长度方向排列的多个安装位，调节块14通过紧固件安装于其中一个安装位上。通过改变调节块14安装的安装位，可以调节弹簧在机械臂关节初始状态时的弹性力大小。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，包括：

旋转轴；

固定臂，与所述旋转轴转动连接，其转动轴线与所述旋转轴的轴线重合；所述固定臂上设有驱动部，所述驱动部的输出端与所述旋转轴连接；

负载臂，与所述旋转轴固定连接，与所述固定臂绕所述旋转轴的轴线转动连接；所述负载臂用于安装后端负载；

弹性件，第一端与所述固定臂连接，第二端与所述旋转轴偏心连接或与所述旋转轴的等效轴偏心连接，所述旋转轴的等效轴为与所述旋转轴平行且同步转动的轴；

所述弹性件具有在其第一端和第二端所在直线方向上收缩的弹性力，所述弹性件的弹性力产生作用于所述旋转轴的弹性扭矩，所述弹性扭矩配合所述驱动部的驱动扭矩用于平衡所述负载臂及后端负载的整体重力作用于所述旋转轴的重力扭矩。

2.根据权利要求1所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述弹性件的第二端与所述旋转轴的等效轴连接；

所述等效轴的轴线与所述旋转轴的轴线位于同一竖直平面内，且所述等效轴设于所述旋转轴靠近所述驱动部的一侧。

3.据权利要求1或2所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，当所述弹性件的弹性力方向为竖直方向时，所述重力扭矩的力臂方向为非竖直方向。

4.根据权利要求1所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述弹性件的弹性力所在直线与所述旋转轴的轴线垂直或异面垂直。

5.根据权利要求1所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述弹性件的第二端通过辅助件与所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴偏心设置；

所述辅助件的一端与所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴连接，另一端设有与所述旋转轴平行设置的连接柱；所述弹性件的第二端连接有一拉绳的第一端，所述拉绳的第二端形成绳套套设于所述连接柱，且所述拉绳处于拉直状态。

6.根据权利要求5所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述辅助件连接于所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴的端面，以防止所述拉绳的运动与所述旋转轴或所述旋转轴的等效轴产生干涉。

7.根据权利要求1或5所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述弹性件的第二端与所述旋转轴的等效轴偏心连接，所述等效轴转动连接于所述固定臂；

所述旋转轴和所述等效轴之间通过直齿轮组连接，所述直齿轮组包括第一直齿轮和第二直齿轮，所述第一直齿轮套设于所述旋转轴并与所述旋转轴同轴固定连接，所述第二直齿轮套设于所述等效轴并与所述等效轴同轴固定连接，所述第一直齿轮和所述第二直齿轮啮合。

8.根据权利要求1所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述驱动部为电机，所述电机固连于所述固定臂，所述电机的输出轴通过锥齿轮组与所述旋转轴连接；

所述锥齿轮组包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第一锥齿轮套设于所述旋转轴并与所述旋转轴同轴固定连接，所述第二锥齿轮与所述电机的输出轴同轴固定连接。

9.根据权利要求1所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述旋转轴的轴向第一端与所述负载臂连接，所述旋转轴的轴线第二端与所述固定臂之间设有角位移传感器，所述角位移传感器用于检测所述旋转轴相对所述固定臂的转动角度；

所述弹性件的第二端与所述旋转轴的等效轴偏心连接。

10.根据权利要求1所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述弹性件为弹簧。

11.根据权利要求10所述的弹性力辅助可换向平衡的机械臂关节，其特征在于，所述弹性件的第一端和所述固定臂之间的连接位置可调节，以调节所述机械臂关节初始状态时所述弹性件的弹性力大小。