CN117428818B - 低转动惯量的主手手腕、主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了低转动惯量的主手手腕、主操作手，低转动惯量的主手手腕包括第一关节、第二关节和第三关节，第一关节的轴线、第二关节的轴线以及第三关节的轴线相交于一点，第一关节的一端连接有夹持组件，夹持组件与第一关节共轴设置，第一关节与第二关节通过第一斜臂直连，第一关节、夹持组件以及第一斜臂共同绕第二关节的轴线转动，其运动轨迹呈圆台型，第二关节的负载质心始终位于该圆台型的运动轨迹之内，第二关节与第三关节通过第二斜臂直连，第一关节、夹持组件、第一斜臂和第二关节共同绕第三关节的轴线转动，第二斜臂绕第三关节的轴线转动，其运动轨迹呈圆台型。本发明提高了主手手腕的精细度、稳定性和灵敏性以及手术操作时的舒适性。

Description

低转动惯量的主手手腕、主操作手

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，具体地涉及一种低转动惯量的主手手腕、主操作手。

背景技术

微创手术机器人系统是一种通过微创方法实现复杂外科手术的主从式高级机器人平台。该系统可以简单的分为主操作手、从机械臂以及内窥镜图像系统三个部分。在微创手术系统中，外科医生通常在查看手术部位的三维图像时，同时通过主动操作装置录入外科医生的操作信息，并控制机器人器械的运动，进而对患者进行外科手术，这种操作方式如授权公告号为CN108882968B的中国专利所揭示。

现有的主操作手结构中，主手手腕各个关节间的连接结构通常采用正交垂直的L型结构，参考如申请公布号为CN116098713A的中国专利和授权公告号为CN111265303B的中国专利所揭示的主操作手结构，上述主操作手的主手手腕结构中的任意两个相连的旋转关节之间均由两个相互垂直的连杆连接，这种结构便于布置各关节之间的传动结构，尤其如授权公告号为CN111265303B的中国专利中所揭示的锥齿轮组传动结构，当关节之间的连接壳体不是正交结构时，锥齿轮组的装配难度极高。

这种结构的问题在于，各关节之间多余的连杆设计使得壳体体积和重量增加，容易导致医生在长时间的手术操作中感到疲劳，各结构之间的传动距离以及转动惯量也会影响整个结构的灵敏度和稳定性；现有技术的解决方式如申请公布号为CN116098713A的中国专利所示，是在壳体内提供额外的力矩补偿机构，以补偿旋转力矩的方式实现以较小的驱动力带动转动关节的效果，从而减小末端惯性的作用，但是，这种方式需进一步增加壳体结构的体积，还需要额外增加设备重量，使主手手腕中各活动结构的运动轨迹范围进一步增加时，相应的整个结构所需占用的空间也应增加，否则在操作时易与其他部件发生碰撞。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种低转动惯量的主手手腕、主操作手。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种低转动惯量的主手手腕，包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节的轴线、第二关节的轴线以及第三关节的轴线相交于一点，所述第一关节的一端连接有夹持组件，所述夹持组件与所述第一关节共轴设置，所述第一关节与第二关节通过第一斜臂直连，所述第一关节、夹持组件以及第一斜臂共同绕第二关节的轴线转动，其运动轨迹呈圆台型，所述第二关节的负载质心始终位于该圆台型的运动轨迹之内，所述第二关节与第三关节通过第二斜臂直连，所述第一关节、夹持组件、第一斜臂以及第二关节共同绕第三关节的轴线转动，所述第二斜臂绕第三关节的轴线转动，其运动轨迹呈圆台型。

优选的，还包括第四关节，所述第三关节与所述第四关节之间设置有第三斜臂，所述第三斜臂绕第四关节的轴线转动，其运动轨迹呈圆台型，所述第四关节的轴线与所述第三关节的轴线垂直，且所述第四关节的轴线与所述第一关节的轴线、第二关节的轴线以及第三关节的轴线共同相交于一点。

优选的，所述第一斜臂与第二关节的夹角、第二斜臂与第三关节的夹角以及第三斜臂与第四关节的夹角度数相同。

优选的，所述第一关节内共轴设置有第一转轴，所述第一斜臂内设置有第二转轴，所述第一转轴在靠近第一斜臂的一端设置有第一绳轮，所述第二转轴再靠近第一关节的一端设置有第二绳轮，所述第一绳轮和第二绳轮之间缠绕有钢丝，并通过钢丝实现动力传输。

优选的，所述第一转轴为空心轴，所述第二转轴为电机轴。

优选的，所述第二绳轮的两侧设置有第一导向轮和第二导向轮，所述钢丝经过导向轮后缠绕在所述第二绳轮上。

优选的，所述钢丝包括第一钢丝和第二钢丝，所述第一钢丝和第二钢丝各自在第一绳轮和第二绳轮上缠绕多圈，且所述第一钢丝和第二钢丝的绕线方向相反，所述第一钢丝绕过所述第一导向轮，所述第二钢丝绕过所述第二导向轮。

优选的，所述第一绳轮和第二绳轮的表面设置有螺旋槽，所述导向轮的外周设置有环形槽，所述钢丝缠绕在所述螺旋槽和环形槽内。

优选的，所述第一钢丝和第二钢丝的一端固定在第一绳轮上，另一端固定在第二绳轮上，通过改变第一钢丝和/或第二钢丝在第一绳轮和第二绳轮上的缠绕量实现第一转轴和第二转轴的相对转动。

机器人主操作手，包括如上所述的低转动惯量的主手手腕。

本发明的有益效果主要体现在：

1、相对于现有技术中各关节间的正交垂直的连杆结构，本发明中关节之间均由斜臂直连，一方面减少了整体机械机构的体积和重量，另一方面，第二关节、第三关节和第四关节的负载质心均靠近其轴线，负载质心的内收以及壳体重量的减少也使各关节处的转动惯量变小，从而使整个主手手腕结构的精细度、稳定性和灵敏性发生改变，也同步提高了医生手术操作时的舒适性；

2、本发明使用斜臂替换现有技术中L型的连杆结构，由于主手手腕结构中具有多个自由度，使得各结构的运动轨迹所在范围变小，使整个主手手腕结构得空间占用减少，同时可避免与其他结构之间发生碰撞，同时，由于各个关节的旋转力矩变小，提高了关节间转动控制的灵敏度，因此，减少了对电机扭矩的要求，可选择更小更轻的电机，进一步减少主手手腕结构的质量，同时也降低了机器人外部主体关节的电机补偿要求；

3、在改变主手手腕的外壳结构的基础上，将各关节间的传动结构进行改变，采用绳轮结构实现各关节之间的力矩传动，便于实现斜边直连的连接结构，同时，斜边直连的连接、传动方式缩小了传动距离，提高了传动结构的灵敏性，此外，绳轮结构还具备结构简单、布置空间小等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：现有技术中主手手腕的使用状态示意图；

图2：低转动惯量的主手手腕的使用状态示意图；

图3：低转动惯量的主手手腕在第一视角的立体图；

图4：低转动惯量的主手手腕在第二视角的立体图，且部分为剖视结构；

图5：图4中A部分的放大图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。在方案的描述中，需要说明的是，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。

一种低转动惯量的主手手腕，如图2、图3所示，包括第一关节1、第二关节2和第三关节3，所述第一关节1的轴线J1、第二关节2的轴线J2以及第三关节3的轴线J3相交于一点J0J0，所述第一关节1的一端连接有夹持组件5，所述夹持组件5与所述第一关节1共轴设置，并绕所述第一关节1的轴线J1转动，所述夹持组件5的两侧设置有指套501，医生在进行手术操作时将手指穿过指套501并控制夹持组件5，此为现有技术，在此不作赘述。

所述第一关节1与第二关节2通过第一斜臂6直连，所述第一关节1、夹持组件5以及第一斜臂6共同绕第二关节2的轴线J2转动，其运动轨迹整体呈圆台型，所述第二关节2的负载质心始终位于该圆台型的运动轨迹之内，请对照图1和图2，其中，图2为本发明所揭示的低转动惯量的主手手腕，当第二关节2转动时，同时带动第一关节1、夹持组件5以及第一斜臂6转动，因此第一关节1、夹持组件5以及第一斜臂6的质心MC为第二关节2的负载质心，图1采用现有技术中正交垂直的壳体结构，其他部分结构与本发明一致，其中，第一关节1、夹持组件5以及第一关节1与第二关节2之间的L型连杆共同绕其第二关节2的轴线J2转动，其运动你轨迹呈圆柱型，此时第二关节2的负载质心Mc’始终位于该圆柱型的运动轨迹之内，第一关节1、夹持组件5以及第一关节1与第二关节2之间的两根连杆的质心MC’为第二关节2的负载质心；一方面，图1相对于图2，正交垂直的连杆结构导致重量增加，同时第二关节2的负载质心MC’后移（也即向远离第二关节2的轴线J2的方向偏移），此时，第二关节2的力臂L’（负载质心到第二关节2的轴线J2的距离）变大，已知力矩等于力乘以力臂，由于壳体重量（重力）增加，力臂L’延长，因此第二关节2的负载力矩也会增加，当医生操作带动关节转动时，由于质量和质心到转轴距离的变大，运动轨迹的范围变大，整个转动惯量（I=mr²）也在变大，在手术过程中，容易造成医生手部疲劳，从而影响手术的精细度和稳定性；另一方面，图1相对于图2，第一关节1与第二关节2之间的连接长度也相对增加，因此两个关节之间的传动距离也随之增加，因此图1中的正交垂直的连杆结构会降低关节间操作的灵敏性；同理可得，图1的结构相对于图2的结构，第三关节3和第四关节4的负载质心以及整个结构的运动轨迹均会因关节间的连接结构的变化而产生差异，从而导致整个主手手腕结构的精细度、稳定性和灵敏性发生改变；同时，主手手腕中各活动结构的运动轨迹范围较大时，整个结构所需占用的空间也应增加，否则在操作时易与其他部件发生碰撞。

本发明与图1中的结构相比，绕第二关节2的轴线J2转动的各结构的运动轨迹范围明显变小，且图2中第二关节2的负载质心所在位置相对于图1中第二关节2的负载质心Mc’所在位置更靠近第二关节2的轴线J2，因此图2中，第二关节2负载质心Mc到转轴的力臂L明显小于图1中第二关节2的负载质心Mc’到转轴的力臂L’，同时，对比图1和图2，本发明利用斜臂替代L型连杆，使壳体部分的体积和重量降低，因此图2与图1中的结构相比，第二关节2的负载力矩较小，转动惯量也较小，因此，医生在手术操作时更加灵活和轻松，减少医生手部的疲劳，提供了手术的精细度。

其中，所述第二关节2与第三关节3通过第二斜臂7直连，所述第一关节1、夹持组件5、第一斜臂6以及第二关节2共同绕第三关节3的轴线J3转动，所述第二斜臂7绕第三关节3的轴线J3转动，其运动轨迹整体呈圆台型，同理可知，用第二斜臂7替换现有的L型连杆，使第三关节3的负载力矩和转动惯量变小。

在一些实施例中，还包括第四关节4，其中，第四关节4用于将主手手腕可转动地，安装到主手手臂上，所述第三关节3与所述第四关节4之间设置有第三斜臂8，所述第三斜臂8绕第四关节4的轴线J4转动，并带动主手手腕上的其他各结构同时绕第四关节4的轴线J4转动，所述第三斜臂8运动轨迹整体呈圆台型，所述第四关节4的轴线J4与所述第三关节3的轴线J3垂直，且所述第四关节4的轴线J4与所述第一关节1的轴线J1、第二关节2的轴线J2以及第三关节3的轴线J3共同相交于一点J0，同理可知，第四关节4的负载力矩较小，转动惯量小。

在一些实施例中，所述第一斜臂6与第二关节2的夹角、第二斜臂7与第三关节3的夹角以及第三斜臂8与第四关节4的夹角度数相同，确保各斜臂的运动互不干涉，其中，所述第一斜臂6与第二关节2的夹角、第二斜臂7与第三关节3的夹角以及第三斜臂8与第四关节4的夹角度数优选为45°-60°。

在一些实施例中，所述第一关节1与第一斜臂6之间的传动结构如图4、图5所示，在本发明中，第二关节2与第二斜臂7、第三关节3与第三斜臂8之间的传动结构也采用如此结构，后文不再赘述。

其中，所述第一关节1内共轴设置有第一转轴9，所述第一斜臂6内设置有第二转轴10，所述第二转轴10与第一斜臂6的倾斜角度相同，所述第一转轴9在靠近第一斜臂6的一端设置有第一绳轮11，所述第二转轴10再靠近第一关节1的一端设置有第二绳轮12，所述第一绳轮11与第一转轴9固定设置，且第一转轴9固定设置在第一关节1内，所述第二绳轮12与第二转轴10固定设置，且第二转轴10固定设置在第一斜臂6内，确保第一绳轮11、第一转轴9与第一关节1同步转动，第二绳轮12、第二转轴10与第一斜臂6同步转动；所述第一绳轮11和第二绳轮12之间缠绕有多圈钢丝，并通过钢丝在两个绳轮之间缠绕和退绕实现第一转轴9和第二转轴10间的相对转动，从而实现二者间的转动动力传输。

如图5所示，所述第二绳轮12的两侧设置有用于对钢丝进行限位导向和收紧的第一导向轮13和第二导向轮14，所述钢丝经过导向轮后缠绕在所述第二绳轮12上，所述钢丝包括第一钢丝15和第二钢丝16，所述第一钢丝15和第二钢丝16各自在第一绳轮11和第二绳轮12上缠绕多圈，且所述第一钢丝15和第二钢丝16的绕线方向相反，所述第一钢丝15绕过所述第一导向轮13，所述第二钢丝16绕过所述第二导向轮14, 其中，为避免第一钢丝15和第二钢丝16之间相互干涉，第一钢丝15和第二钢丝16缠绕在第一绳轮和第二绳轮的不同位置，所述第一导向轮13和第二导向轮14的位置也可根据第一钢丝15和第二钢丝16的缠绕位置进行调整；在一实施例中，所述第一钢丝15缠绕在第一绳轮11和第二绳轮12的近端，所述近端为第一绳轮和第二绳轮相靠近的一端，所述第二钢丝16缠绕在第一绳轮11和第二绳轮12的远端，所述远端为第一绳轮和第二绳轮相远离的一端，所述第二导向轮14相对于第一导向轮13靠近第一绳轮11和第二绳轮12的远端设置，便于第二钢丝16绕过，所述第一导向轮13靠近第一绳轮11和第二绳轮12的近端，便于第一钢丝15绕过。

所述第一钢丝15和第二钢丝16的一端固定在第一绳轮11上，另一端固定在第二绳轮12上，通过改变第一钢丝15和/或第二钢丝16在第一绳轮11和第二绳轮12上的缠绕量实现第一转轴9和第二转轴10的相对转动。

在一实施例中，所述第一绳轮11和第二绳轮12上分别设置有两个用于固定第一钢丝15和第二钢丝16的定位孔18，其中，所述第一钢丝15和第二钢丝16的两端分别用毛细管压紧，先将其中一端穿过第一绳轮11上对应设置的定位孔18内，用螺钉锁紧，并在第一绳轮11上缠绕多圈后再分别缠绕在各自对应的导向轮上和第二绳轮12上，最后将另一端穿过第二绳轮12上对应设置的定位孔18内，并用螺钉锁紧。

其中，所述第一转轴9为空心轴，用于传递电信号或数字信号的线缆在其内穿设，便于各个关节间走线，所述第二转轴10为电机轴，当机器人手术系统的机器人遇到负载或者阻力的时候，第二转轴10会相应模拟提供一个与之关节相匹配的力，并进行转动，与此同时，第二绳轮12上的第一钢丝15和第二钢丝16分别根据第二转轴10的转动角度在第二绳轮12上进行卷绕或者退绕，由于两个钢丝的长度是固定的，并且同时在第一绳轮11和第二绳轮12上可活动地缠绕多圈，因此，两根钢丝随第二转轴10移动的同时会将力矩传递到第一绳轮11上，实现力的反馈，从而使第一转轴9实现相对转动，进而将力反馈给医生的手部，让医生可以真实感觉到手术过程中各种组织、器官带来的阻力，以便让医生可以保护病人，减少伤害。

在一些实施例中，所述第一绳轮11和第二绳轮12的表面设置有螺旋槽17，所述导向轮的外周设置有环形槽，所述钢丝缠绕在所述螺旋槽17和环形槽内，在一优选实施例中，所述第一绳轮11和第二绳轮12上的定位孔18分别位于其表面设置的螺旋槽17的两个端部。

机器人主操作手，包括如上所述的低转动惯量的主手手腕。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.低转动惯量的主手手腕，包括第一关节（1）、第二关节（2）和第三关节（3），所述第一关节（1）的轴线（J1）、第二关节（2）的轴线（J2）以及第三关节（3）的轴线（J3）相交于一点（J0），所述第一关节（1）的一端连接有夹持组件（5），所述夹持组件（5）与所述第一关节（1）共轴设置，其特征在于：所述第一关节（1）与第二关节（2）通过第一斜臂（6）直连，所述第一关节（1）、夹持组件（5）以及第一斜臂（6）共同绕第二关节（2）的轴线（J2）转动，其运动轨迹呈圆台型，所述第二关节（2）的负载质心（Mc）始终位于该圆台型的运动轨迹之内，所述第二关节（2）与第三关节（3）通过第二斜臂（7）直连，所述第一关节（1）、夹持组件（5）、第一斜臂（6）以及第二关节（2）共同绕第三关节（3）的轴线（J3）转动，所述第二斜臂（7）绕第三关节（3）的轴线（J3）转动，其运动轨迹呈圆台型，还包括第四关节（4），所述第三关节（3）与所述第四关节（4）之间设置有第三斜臂（8），所述第三斜臂（8）绕第四关节（4）的轴线（J4）转动，其运动轨迹呈圆台型，所述第四关节（4）的轴线（J4）与所述第三关节（3）的轴线（J3）垂直，且所述第四关节（4）的轴线（J4）与所述第一关节（1）的轴线（J1）、第二关节（2）的轴线（J2）以及第三关节（3）的轴线（J3）共同相交于一点（J0），所述第一斜臂（6）与第二关节（2）的夹角、第二斜臂（7）与第三关节（3）的夹角以及第三斜臂（8）与第四关节（4）的夹角度数相同，所述第一关节（1）内共轴设置有第一转轴（9），所述第一斜臂（6）内设置有第二转轴（10），所述第一转轴（9）在靠近第一斜臂（6）的一端设置有第一绳轮（11），所述第二转轴（10）在靠近第一关节（1）的一端设置有第二绳轮（12），所述第一绳轮（11）和第二绳轮（12）之间缠绕有钢丝，并通过钢丝实现动力传输，所述第一转轴（9）为空心轴，所述第二转轴（10）为电机轴，所述第二绳轮（12）的两侧分别设置有第一导向轮（13）和第二导向轮（14），所述钢丝包括第一钢丝（15）和第二钢丝（16），所述第一钢丝（15）和第二钢丝（16）各自在第一绳轮（11）和第二绳轮（12）上缠绕多圈，且所述第一钢丝（15）和第二钢丝（16）的绕线方向相反，所述第一钢丝（15）绕过所述第一导向轮（13）后缠绕在所述第二绳轮上，所述第二钢丝（16）绕过所述第二导向轮（14）后缠绕在所述第二绳轮上，所述第一钢丝（15）和第二钢丝（16）的一端固定在第一绳轮（11）上，另一端固定在第二绳轮（12）上，通过改变第一钢丝（15）和/或第二钢丝（16）在第一绳轮（11）和第二绳轮（12）上的缠绕量实现第一转轴（9）和第二转轴（10）的相对转动，所述第二关节（2）与第二斜臂（7）之间的传动结构、所述第三关节（3）与第三斜臂（8）之间的传动结构和所述第一关节（1）与第一斜臂（6）之间的传动结构相同。

2.根据权利要求1所述的低转动惯量的主手手腕，其特征在于：所述第一绳轮（11）和第二绳轮（12）的表面设置有螺旋槽（17），所述第一导向轮（13）和第二导向轮（14）的外周分别设置有环形槽，所述钢丝缠绕在所述螺旋槽（17）和环形槽内。

3.机器人主操作手，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的低转动惯量的主手手腕。