CN117796917A - 重力平衡装置、医生控制台及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种重力平衡装置、医生控制台及手术机器人，其中，一种重力平衡装置，包括贯通设置于一安装基体内的调节腔，调节腔内或安装基体关于调节腔其中一端开口位置处设有恒力弹簧单元，平衡钢丝绳一端与恒力弹簧单元连接，另一端与转盘连接，本申请实施例中，采用上述的重力平衡装置、医生控制台及手术机器人，通过恒力弹簧单元来提供平衡力，恒力弹簧单元提供的平衡力是恒定的，避免了平衡钢丝绳长度减小对平衡力的影响，保证了平衡效果，减小人手需要提供的力，将平衡钢丝绳直接固定连接在转盘上，即平衡钢丝绳通过恒力弹簧单元直接驱动转盘转动，从而减少了平衡力的损失，提高了平衡效果。

Description

重力平衡装置、医生控制台及手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种重力平衡装置、医生控制台及手术机器人。

背景技术

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。然而，微创手术中微创器械由于受到切口大小的限制，手术操作难度大为增加，且医生在长时间手术过程中的疲劳、颤抖等动作会被放大，这成为制约微创手术技术发展的关键因素。随着机器人技术的发展，一种可以克服缺点、继承优点的微创医疗领域新技术——微创手术机器人技术应运而生。

常见的微创手术机器人由医生控制台、患者侧手推车和显示设备组成，外科医生在医生控制台操作输入装置，并将输入传给与远程操作的外科器械连接的患者侧手推车。医生控制台也称为主手，主手通常设有两个位于左右两侧的机械臂，用于满足操作输入装置的运动自由度要求，而且需要有平衡力调节装置，平衡掉它们的重力矩。而平衡力的调节对于机械臂来说是十分重要的：一来，在主手机械臂的安装调试环节，由于制造误差和装配误差，需要调节平衡力使其正好能够平衡所需平衡的重力矩；二来，在主手使用过程中，平衡钢丝和拉力弹簧由于长期使用发生不可逆形变，需要调节平衡力使其恢复原始的设定值；三来，在手腕组件、横向摆臂等部件发生维修或更换时，需平衡的重力矩可能会发生变化，此时也需要重新调节平衡力

美国发明专利申请US20210145530A1公开了一种直接驱动的机械臂结构，其通过两个空心电机和皮带传动来实现机械臂的转动，并通过弹簧和钢丝绳来实现重力平衡。

然而，上述采用弹簧来提供平衡力的方案，在主手机械臂支臂的平衡力调节过程中，即当支臂转动时，钢丝绳长度减小导致弹簧提供的平衡力也减小，从而导致人手需要提供的力还是很大，平衡效果不佳。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种平衡效果好且稳定性强的重力平衡装置、医生控制台及手术机器人。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现。

首先，本申请提供了一种重力平衡装置，包括：

过渡腔，贯通设置于一安装基体内；

恒力弹簧单元，设置于所述过渡腔内或所述安装基体关于所述过渡腔其中一端开口位置处；

平衡钢丝绳，一端与所述恒力弹簧单元连接，另一端与转盘连接；

所述转盘，转动设置在所述安装基体远离所述恒力弹簧单元一侧端面上且与联杆耦合；

其中，所述平衡钢丝绳自所述过渡腔引出后直接连接在转动圆周面上，所述转动圆周面为与所述转盘转动轴线同轴的环形面。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，所述恒力弹簧单元包括：

恒力弹簧固定座，固定设置在所述安装基体关于所述过渡腔其中一端开口位置处；

恒力弹簧支撑座，固定设置在所述恒力弹簧固定座上；

恒力弹簧绕组，于所述恒力弹簧支撑座上至少设置一个；

其中，所述恒力弹簧绕组具有恒力弹簧引出端，所述恒力弹簧引出端与所述平衡钢丝绳连接。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，所述恒力弹簧绕组于所述恒力弹簧支撑座并列设置有多个，多个所述恒力弹簧绕组轴线平行且具有共同的所述恒力弹簧引出端。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，还包括：

环形圈，固定设置在所述转盘上且与所述转盘的转动轴线同轴；

其中，所述所述平衡钢丝绳自所述过渡腔引出后沿贴并固定在所述环形圈外周面上。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，还包括固定设置在所述转盘上的钢丝联接座，所述钢丝联接座上具有贯通环形圈并延伸至所述环形圈外侧的钢丝固定头；

其中，所述所述平衡钢丝绳自所述过渡腔引出后沿贴所述环形圈外周面并与所述钢丝固定头固定连接。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，所述平衡钢丝绳穿过所述钢丝固定头且于穿出所述钢丝固定头一侧套设有与所述钢丝固定头抵接的管夹。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，还包括：

导轮固定座，固定设置在所述安装基体关于所述过渡腔远离所述恒力弹簧单元一侧开口位置处；

其中，所述导轮固定座远离所述恒力弹簧单元一侧端面上设有导轮，所述导轮固定座上贯通设有过线孔，所述平衡钢丝绳自所述过线孔穿出并由所述导轮导向连接所述转盘。

进一步限定，上述的重力平衡装置，其中，所述平衡钢丝绳自导轮的引出点、于所述转动圆周面上的固定点位于所述转盘轴线的同一垂面上。

其次，本申请提供了一种医生控制台，其特征在于，包括上述任一项的所述重力平衡装置，还包括所述联杆；

其中，所述联杆转动设置于所述安装基体上且与所述重力平衡装置耦合。

最后，本申请提供了一种手术机器人，其特征在于，包括从手以及上述所述的医生控制台。

本发明至少具备以下有益效果：

1、通过恒力弹簧单元来提供平衡力，恒力弹簧单元提供的平衡力是恒定的，避免了平衡钢丝绳长度减小对平衡力的影响，保证了平衡效果，减小人手需要提供的力；

2、将平衡钢丝绳直接固定连接在转盘上，从而减小了平衡力的损失，具体来说，平衡钢丝绳直接绕在环形圈的外周面，并进一步被固定在转盘上，平衡钢丝绳通过恒力弹簧单元直接驱动转盘转动，从而减少了平衡力的损失，提高了平衡效果；

3、采用多个恒力弹簧绕组并列的方式提供平衡力，减小对单个恒力弹簧绕组的拉力和空间要求，避免使用一个恒力弹簧绕组导致的成本增高和占用空间增大问题。

附图说明

图1为本申请实施例手术机器人的结构示意图；

图2为本申请实施例医生控制台“主手机械臂10”部分的具体结构示意图；

图3为本申请实施例医生控制台“主手机械臂10”部分的具体结构示意图；

图4为本申请实施例“主手机械臂10”关于“大臂300”一侧的结构示意图；

图5为本申请实施例“主手机械臂10”中滑轮反馈单元的布置示意图；

图6为本申请实施例“主手机械臂10”关于“联杆400”一侧的结构示意图；

图7为本申请实施例“重力平衡装置”中“钢丝固定头953”部分的放大结构示意图；

图8为本申请实施例“重力平衡装置”中“恒力弹簧单元940”部分的放大结构示意图；

图9为本申请实施例“重力平衡装置”中“钢丝固定头953”部分的结构示意图；

图10为本申请实施例“平衡力调节装置”部分的结构剖视放大图；

图11为本申请实施例“平衡力调节装置”与“重力平衡装置”的水平剖视图；

图12为本申请实施例“平衡力调节装置”中“弹簧拉杆963”部分的剖视放大示意图；

图13为本申请实施例“重力平衡装置”中“恒力弹簧单元940”的结构示意图；

图14为本申请实施例“平衡力调节装置”中“推力轴承966”的结构示意图；

图15为本申请实施例“平衡力调节装置”部分的结构示意图；

图16为本申请实施例“平衡力调节装置”中“弹簧固定座962”的结构示意图；

图17为本申请实施例“平衡力调节装置”中“弹簧张紧器961”的结构示意图；

图18为本申请实施例“平衡力调节装置”中“弹簧拉杆963”的结构示意图；

图19为本申请实施例“平衡力调节装置”中“导轮固定座930”的结构示意图；

图20为本申请实施例“平衡力调节装置”中“钢丝锁固器965”的结构示意图。

附图标记

10-主手机械臂、100-转动组件、200-支座壳体、300-大臂、400-联杆、500-横向摆臂、600-手腕组件、700-固定箱体、800-驱动组件、810-驱动电机、820-联轴器、830-联轴器安装孔、840-绕线轴、841-驱动钢丝绳、850-主轴、851-铝张紧套、860-第一转盘、861-第一环形圈、870-固线器、880-支线板、890-第二转盘、891-第二环形圈、892-联杆安装座、900-平衡组件、910-滑轮固定架、911-静滑轮、912-动滑轮、920-平衡钢丝绳、921-管夹、930-导轮固定座、931-导轮、932-限位块、933-导轴、934-插销、935-第一穿线孔、936-固定耳、937-第二法兰、938-第二嵌套凸起、939-行程腔、940-恒力弹簧单元、941-恒力弹簧支撑座、942-恒力弹簧固定座、943-恒力弹簧引出端、944-固线孔、945-恒力弹簧绕组、951-钢丝联接座、952-连接座、953-钢丝固定头、961-弹簧张紧器、9611-螺纹段、9612-拉杆过孔、9613-调节螺母、9614-卡孔、962-弹簧固定座、9621-螺纹腔、9622-第一法兰、9623-第一嵌套凸起、963-弹簧拉杆、9631-拉杆本体、9632-拉杆帽、9633-第一弹簧连接孔、964-拉力弹簧、965-钢丝锁固器、9651-第二弹簧连接孔、9652-第二穿线孔、966-推力轴承、9661-座套、9662-滚珠、9663-抵套、9664-保持架、967-调节腔、968-过渡腔、20-基座、30-显示器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的重力平衡装置、医生控制台及手术机器人进行详细地说明。

如图1所示，本申请实施例提供了一种微创手术机器人，包括医生控制台(也称主手)、从手(也称患者侧手推车)，医生控制台包括基座20、主手机械臂10及显示器30。

其中，医生控制台用于由医生操作提供输入，从手用于与患者连接并提供根据医生输入而得到的输出，一般的，医生操作主手机械臂10上的主控输入装置，从手的机械臂上的器械或内窥镜等末端组件根据主控输入装置的运动提供相应动作，从而完成摆位、调整视角、手术操作等目的，显示器30用于向医生提供患者体内的手术视野，其图像来自于从手机械臂上的内窥镜。

如图2至图20所示，本申请实施例提供了一种主手机械臂10，主手机械臂10用于适配医生手部的多自由度运动，一般的，主手机械臂10包括左右两个，由于两个结构对称，因此本实施例仅以其中一个为例进行说明。主手机械臂10包括安装在一预定位置以固定该主手机械臂10的转动组件100，转动组件100同时还用于实现该主手机械臂10沿竖直方向转动，本实施例所指的竖直方向特指在该主手机械臂10安装状态下的朝地方向，转动组件100可以带动主手机械臂10整体的顺时针或逆时针的转动，可以理解的是，该转动可以是主动的也可以是被动的，相应的，其主手机械臂10相应的就是主动机械臂或被动机械臂。转动组件100的转动输出端固定设置有固定箱体700，固定箱体700作为一个容纳诸多部件并承上启下的壳体，其整体可以随着转动组件100转动，除此之外没有其他的运动自由度。固定箱体700上罩设有用于防护固定箱体700且能够随固定箱体700转动的支座壳体200，固定箱体700上还设置有大臂300、联杆400以及用于驱动大臂500、联杆400动作的驱动组件800、用于平衡大臂300和联杆400重力的平衡组件900，大臂300上转动设置有横向摆臂500，联杆400与横向摆臂500远离与大臂300连接位置处转动连接，横向摆臂500上设置有用于对使用者动作进行接收感应的手腕组件600。可以理解是，大臂300和联杆400都可以相对于固定箱体700在竖直平面内转动。

可以理解的是，转动组件100与固定箱体700连接且能够设置为电机齿轮传动结构或者伸缩齿板与齿轮的配合结构，只要能够实现固定箱体700的转动驱动即可，对其具体结构不作限制。

在一种较佳的实施方式中，如图3至图6所示，驱动组件800分别用于驱动大臂300和/或联杆400相对于固定箱体700的转动，其包括主轴850、绕线单元、锁紧装置，主轴850贯通且转动设置在固定箱体700关于大臂300、联杆400两侧端面之间，绕线单元包括关于主轴850竖直方向中垂线近似中心对称且分别固定设置在固定箱体700靠近、远离大臂300两侧端面上的两个驱动电机810，驱动电机810动力输出端连接联轴器820动力输入端，联轴器820动力输出端连接绕线轴840，绕线轴840上设置有绕线槽，绕线槽上固定且缠绕设有两条与锁紧装置连接且与大臂300或联杆400耦合的驱动钢丝绳841。可以理解的是，本实施方式中使用驱动钢丝绳841间接地驱动大臂300和/或联杆400，可增加驱动的力臂长度，减小对驱动电机810的力矩要求，从而可以选用更小的驱动电机810，一方面可以满足小型化的需求，另一方面还可以有足够的空间在驱动电机810和绕线轴840之间安装联轴器820，从而起到对驱动电机810的保护作用并且还能降低固定箱体700上的安装孔、绕线轴840等零部件的加工精度。

在一种较佳的实施方式中，固定箱体700上贯通设有转轴孔，主轴850通过转轴孔轴承转动设置在固定箱体700内，驱动电机810上连接设有用于对驱动电机810转动角度进行感应的编码器，驱动电机810动力输出端位于靠近固定箱体700一侧，固定箱体700内关于主轴850竖直方向中垂线近似中心对称设有两个联轴器安装孔830，两个驱动电机810连接的联轴器820嵌设在对应位置联轴器安装孔830内，联轴器安装孔830关于对应位置联轴器820输出端一侧内壁与固定箱体700对应侧端面之间贯通设有轴安装孔，绕线轴840安装在轴安装孔内且与对应位置联轴器820连接，绕线轴840上的绕线槽位于对应位置驱动电机810关于固定箱体700的对侧。在本实施方式中，固定箱体700两侧驱动组件800的零部件大致呈中心对称分布，可以理解的是，也可以仅在固定箱体700一侧使用本实施方式的驱动组件800，而在另一侧使用其他的驱动结构，本申请对此不作限制，同时本实施例中关于固定箱体700两侧大致中心对称的结构布局的描述也不应理解为对本申请的限制。

在一种较佳的实施方式中，绕线轴840上关于绕线槽两个端点位置处分别固定设有两条驱动钢丝绳841，两条驱动钢丝绳841向靠近绕线轴840上绕线槽的中部一侧缠绕且绕线的方向相反，此处绕线方向的参考视角为绕线轴840其中一端，两条驱动钢丝绳841于未交叉状态下从绕线轴840的绕线槽中引出并固定在锁紧装置上。由于绕线轴840上的两条驱动钢丝绳841是从两边向中间的绕线方式，因此轴向引出的位置比较接近，一方面可以使得驱动钢丝绳841在大臂300或联杆400相应的引入位置在轴向上比较接近，不会产生较大的力矩(最理想的情况当然是引入位置在轴向上重合，不会有力矩产生，但实际无法做到)，另一方面也能使得大臂300或联杆400上相应固定驱动钢丝绳841的锁紧装置结构相似，降低加工制造难度。

如图3至图6所示，本申请实施例还提供了一种锁紧装置，包括固定设置在主轴850关于大臂300一侧端且与大臂300连接的第一转盘860、转动设置在主轴850关于联杆400一侧端且与联杆400连接的第二转盘890。本申请实施例通过转盘连接主轴850与大臂300或联杆400，转盘一方面可以为锁紧装置的零部件提供安装空间，另一方面还可以进一步增加驱动钢丝绳841相应的驱动力臂的长度，从而进一步减小对驱动电机810的性能要求，增强前文所述的优点和技术效果。

如图3至图5所示，第一转盘860远离固定箱体700一侧端面上固定设有与主轴850同轴的第一环形圈861，第一转盘860上固定设置有两个固线器870，第一环形圈861外环面与内环面之间关于两个固线器870对应位置贯通设有过线孔，对应位置两条驱动钢丝绳841分别沿第一环形圈861外环面从两个过线孔穿至第一环形圈861内部与对应位置固线器870固定连接。

当驱动电机810带动大臂300对应侧的绕线轴840转动时，对应位置两根驱动钢丝绳841的长度变长或缩短，由于两根驱动钢丝绳841在绕线轴840上的绕线方向相反(此处的绕线方向相反指的是起始位置的相反，一根从外向里绕线，另一根从里向外绕线，但绕线槽的旋向是相同的)，因此两根驱动钢丝绳840一个变长的同时另一个必然是缩短的，进而带动第一转盘860转动，由于大臂300是与第一转盘860连接的，因此大臂300也就跟着转动了，可以理解的是，大臂300可以与第一转盘860固定连接，也可以与第一环形圈861固定连接，又或者与主轴850对应端固定连接，只要能够实现第一转盘860与大臂300的耦合关系即可。当然，为了便于加工制造和装配，优选的，在本实施例中，第一转盘860和第一环形圈861是一体成型的不锈钢部件，大臂300与第一转盘860通过螺栓固定连接。

可以理解的是，该方案中设置两个固线器870是为了适用于第一转盘860转动设置在主轴850上且由两条驱动钢丝绳841带动其进行两个方向转动的工作场景，在其他的工作场景下，如第一转盘860仅需由一根驱动钢丝绳841带动进行一个方向的转动，相应的结构可以简化为一个，如第一转盘860由多根驱动钢丝绳841耦合进行转动控制，同样可以增加相应的结构，此时固线器870的位置根据实际情况进行调整。

本申请实施例中，采用上述的锁紧装置，驱动钢丝绳841贴沿第一环形圈861外环面从过线孔进入第一环形圈861内部并与固线器870相连固定，从而使得第一环形圈861外环面无多余零部件，结构美观且不易堆积灰尘，降低了设备的清洁难度。

在一种较佳的实施方式中，第一转盘860上贯通设有转轴过孔以及用于电线穿过的排线口，第一转盘860远离固定箱体700一侧端面上关于排线口对应位置固定设有支线板880，第一转盘860远离固定箱体700一侧端面上关于转轴过孔对应位置固定设有与转轴过孔同轴的紧固圈，主轴850对应端穿过转轴过孔后通过设置在紧固圈内的铝张紧套851实现与第一转盘860的固定连接，在本实施方式中，第一转盘860与主轴850固定连接，因此第一转盘860被驱动钢丝绳841带动转动时，主轴850也会跟着转动，而为了保证大臂300和联杆400的运动不耦合，可以理解的是，就需要将联杆400侧的第二转盘890与主轴850转动连接，例如通过轴承连接二者，使其各自的转动不影响对方。

在一种较佳的实施方式中，第一转盘860上的两个固线器870关于主轴850与对应侧绕线轴840的连线对称，与之对应的两个过线孔同样关于主轴850与对应侧绕线轴840的连线对称，采用对称的布置方式是为了便于第一转盘860以及第一环形圈861的加工以及提高驱动钢丝绳841的驱动精准度和最大化驱动力臂。

在一种较佳的实施方式中，如图6所示，第二转盘890为圆形且外环面上固定设有与主轴850同轴的第二环形圈891，第二环形圈891的两端面分别凸伸(凸伸是凸起、延伸的意思)出第二转盘890的两侧，第二转盘890上同样固定设置有两个固线器870，第二环形圈891上设置有与对应位置固线器870配合的过线孔，第二转盘890上的固线器870与第一转盘860上固线器870布置位置相似，其区别点在于，于第二转盘890上，两个固线器870虽然位于主轴850与对应侧绕线轴840连线的对称位置处，但两个固线器870的安装方向相反，即两个固线器870分别安装在第二转盘890的两侧端面上，且该固线器870对应的过线孔也分别位于第二环形圈891关于第二转盘890的两侧位置处，对应位置两条驱动钢丝绳841分别沿第二环形圈891外环面从两个过线孔穿至第二环形圈891内部与对应位置固线器870固定连接，其中，第二转盘890上过线孔与固线器870的位置关系、驱动钢丝绳841与固线器870的连接方式均与第一转盘860上的对应结构相同。

可以理解的是，第二环形圈891也可以对称设置两个且分别位于第二转盘890靠近、远离固定箱体700两侧端面上。

同样的，由于第一转盘860与第二转盘890均由对应位置绕线轴840上引出的两条驱动钢丝绳841带动转动，故第一转盘860、第二转盘890上固线器870的布置方式可以互换，同时与固线器870布置的相应结构也进行互换，即两侧驱动钢丝绳841的锁线结构可以互换，在本申请中，之所以大臂300与联杆400侧的锁线结构不同，是为了配合各部件的尺寸，对于第一转盘860上的锁线结构而言，该锁线结构能够使得第一转盘860与固定箱体700的连接更为紧凑，对于第二转盘890上的锁线结构而言，该锁线结构能够扩大第二转盘890与固定箱体700之间的间隙，便于第二转盘890靠近固定箱体700一侧零件的安装、调整。

在一种较佳的实施方式中，第二环形圈891外圆面上固定设有联杆安装座892，联杆400远离横向摆臂500一侧端与联杆安装座892转动连接，第二转盘890上贯通设有与主轴850同轴且呈中空结构的轴承安装座，第二转盘890通过设置于轴承安装座中的轴承与主轴850转动连接，因此第一转盘860的转动和第二转盘890的转动不发生耦合，便于两个驱动电机810对大臂300、联杆400的独立控制。

本申请实施例中，采用上述的医生控制台，使用驱动钢丝绳841直接驱动第一转盘860和第二转盘890转动，从而带动大臂300和联杆400转动，相比于驱动电机810直接驱动的方式，力臂更大(力臂具体大小取决于第一转盘860、第二转盘890的直径)，可以减小对驱动电机810的要求，进一步减小驱动电机810的空间占用。

由于对驱动电机810的要求小，故驱动电机810的尺寸可以更小，因此能够在驱动电机810和绕线轴840之间设置联轴器820，一方面可以对驱动电机810起到保护作用，另一方面也能降低零部件的加工(主要针对绕线轴840和固定箱体700)和装配(主要针对驱动电机810、绕线轴840和固定箱体700)要求。

如图3至图20所示，本申请实施例还提供了一种平衡组件900，用于平衡大臂300、联杆400、横向摆臂500和手腕组件600等的重力，其包括用于平衡大臂300一侧重力的平衡力调节装置以及与平衡力调节装置连接的滑轮反馈单元、用于平衡联杆400一侧重力的重力平衡装置，滑轮反馈单元与第一转盘860连接且通过平衡力调节装置为二者对应部件提供一个恒定的平衡力，重力平衡装置与第二转盘890连接且能够为二者对应部件提供一个变化的平衡力，从而在不同工作姿态下均能够很好地平衡前述部件的重力矩。需要说明的是，此处虽然只说了重力矩，但是其中也有需要平衡掉的各部件的转动的摩擦力矩，由于摩擦力矩相比于重力矩小得多，因此业内往往只说重力矩，但不可忽略摩擦力矩的存在和需要消除，后文不再赘述。

在一种较佳的实施方式中，如图10至图12所示，平衡力调节装置包括贯通设置在固定箱体700靠近、远离大臂300两侧端面上的调节腔967，以大臂300至联杆400一侧方向为参考系，调节腔967位于主轴850竖直方向左侧，调节腔967两端对应的固定箱体700端面上固定设有弹簧固定座962以及导轮固定座930。

弹簧固定座962内螺纹连接设有弹簧张紧器961，弹簧张紧器961上连接设有可与弹簧张紧器961相对转动的弹簧拉杆963，弹簧拉杆963上连接设有拉力弹簧964，拉力弹簧964远离弹簧拉杆963一端连接设有钢丝锁固器965，钢丝锁固器965上连接设有平衡钢丝绳920，导轮固定座930上设置有导轮931，平衡钢丝绳920穿出调节腔967且通过导轮931与滑轮反馈单元连接，平衡钢丝绳920对拉力弹簧964的受力方向与拉力弹簧964的伸缩轴线平行或共线，其中，当平衡钢丝绳920对拉力弹簧964的受力方向与拉力弹簧964的伸缩轴线共线时，拉力弹簧964的受力最为均匀，平衡效果最佳。

本申请实施例中，采用上述的平衡力调节装置，通过转动弹簧张紧器961能够调节弹簧张紧器961与调节腔967的相对位置，从而调节拉力弹簧964的伸缩量，进而实现拉力弹簧964的平衡力变化，而平衡力的调节对于主手机械臂10来说是十分重要的：一来，在主手机械臂10的安装调试环节，由于制造误差和装配误差，需要调节平衡力使其正好能够平衡所需平衡的重力矩；二来，在医生控制台使用过程中，平衡钢丝绳920和拉力弹簧964由于长期使用发生不可逆形变，需要调节平衡力使其恢复原始的设定值；三来，在手腕组件600、横向摆臂500等部件发生维修或更换时，需平衡的重力矩可能会发生变化，此时也需要重新调节平衡力。

可以理解的是，弹簧张紧器961调节拉力弹簧964平衡力的原理在于调节弹簧张紧器961与调节腔967的相对位置关系，同时应保证弹簧张紧器961与调节腔967相对位置关系的稳定，即弹簧张紧器961能够沿拉力弹簧964伸缩方向移动且相对于调节腔967具有多个限位点，而弹簧张紧器961与弹簧固定座962螺纹连接可以理解为弹簧张紧器961相对于调节腔967具有无数个限位点，即二者的相对位置关系为无极调节。

例如，弹簧张紧器961与调节腔967的相对位置关系及相对位置关系的稳定性还能够通过其他连接方式实现，例如弹簧张紧器961与弹簧固定座962滑动连接，在弹簧张紧器961上设置可控制的伸缩卡件，同时在调节腔967内沿拉力弹簧964伸缩方向阵列设置多个与伸缩卡件配合的限制孔，只需控制伸缩卡件回缩即可实现弹簧张紧器961在调节腔967内沿拉力弹簧964伸缩方向的移动，在对应位置的限制孔处控制伸缩卡件伸出嵌入该限制孔即可实现弹簧张紧器961相对调节腔967的限位，此时弹簧张紧器961与调节腔967相对位置关系为多极调节，该调节方式需要预设限位点，对拉力弹簧964的拉力控制精确度不高。

在一种较佳的实施方式中，固定箱体700关于调节腔967两端对应侧端面上分别设置有两个与调节腔967同轴且贯通的嵌套孔，如图16所示，弹簧固定座962内贯通设有螺纹腔9621且外圆面上固定设有第一法兰9622，弹簧张紧器961上设有与螺纹腔9621配合的外螺纹，弹簧固定座962关于第一法兰9622其中一侧的外圆面上设有第一嵌套凸起9623，弹簧固定座962通过第一法兰9622螺栓固定设置在固定箱体700上，第一嵌套凸起9623嵌设在对应位置嵌套孔内。

如图15、图19所示，导轮固定座930其中一侧端面上对称且固定设有两个固定耳936，导轮931转动设置在两个固定耳936之间，导轮固定座930内设有开口向远离导轮931一侧的行程腔939，导轮固定座930靠近导轮931一侧端面与行程腔939对应侧内壁之间贯通设有第一穿线孔935，导轮固定座930远离导轮931一侧的外圆面上固定设有第二法兰937，导轮固定座930关于第二法兰937远离导轮931一侧的外圆面上设有第二嵌套凸起938，导轮固定座930通过第二法兰937螺栓固定设置在固定箱体700上，第二嵌套凸起938嵌设在对应位置嵌套孔内。

其中，螺纹腔9621与行程腔939的直径大于拉力弹簧964的直径，从而使得拉力弹簧964有更长的调节行程空间，且不会与弹簧固定座962或导轮固定座930干涉。

可以理解的是，弹簧固定座962或导轮固定座930也可以取消设置，即弹簧张紧器961直接与调节腔967螺纹连接，导轮931直接设置在固定箱体700关于平衡钢丝绳920的引出位置处，此时同样能够实现上述效果，而之所以设置弹簧固定座962以及导轮固定座930，是为了在简化固定箱体700的同时尽量增加拉力弹簧964的调节行程长度，若不设置弹簧固定座962以及导轮固定座930，为了增加拉力弹簧964的调节行程长度，只能提升调节腔967的长度，即提高固定箱体700关于调节腔967位置处的厚度，或者在固定箱体700关于调节腔967两端位置处的端面上设置凸起以延长调节腔967。

在一种较佳的实施方式中，两个固定耳936之间贯通且转动设有导轴933，导轴933两端分别凸伸出对应位置固定耳936且分别设置限位部，导轮931位于两个固定耳936之间且转动设置在导轴933上。

导轴933两端的限位部分别为限位块932、插销934，限位块932固定设置在端部，插销933沿径向插设在导轴933内。

在一种较佳的实施方式中，如图17所示，弹簧张紧器961包括柱状的螺纹段9611以及位于螺纹段9611其中一端的调节段，外螺纹设置在螺纹段9611上，调节段具体为调节螺母9613，可以理解的是，调节段能够设置为任何便于人工或者工具旋拧的结构。

弹簧张紧器961内设有开口向靠近调节段一侧的卡孔9614，螺纹段9611远离调节段一侧端面与卡孔9614对应侧内壁之间贯通设有拉杆过孔9612，拉杆过孔9612与卡孔9614同轴且直径小于卡孔9614的直径，弹簧拉杆963卡设在卡孔9614内且一端通过拉杆过孔9612延伸至调节腔967内。

在一种较佳的实施方式中，如图18所示，弹簧拉杆963包括拉杆本体9631以及拉杆帽9632，拉杆帽9632直径大于拉杆过孔9612的直径且卡设在卡孔9614内，拉杆本体9631通过拉杆过孔9612延伸至调节腔967内。

拉杆本体9631远离拉杆帽9632一侧端沿径向贯通设有用于安装拉力弹簧964的第一弹簧连接孔9633，拉杆本体9631关于第一弹簧连接孔9633两端的外圆面均切削设置平台，从而缩短第一弹簧连接孔9633的长度，便于拉力弹簧964的安装。

拉杆帽9632与卡孔9614对应侧内壁之间设有推力轴承966，如图14所示，推力轴承966包括座套9661、抵套9663以及位于座套9661、抵套9663之间的保持架9664，保持架9664内环形阵列且滚动设有多个滚珠9662，滚珠9662分别与两侧的座套、抵套抵接。

推力轴承966安装后，拉杆帽9632抵接抵套9663，在拉力弹簧964的拉力作用下，座套9661与卡孔9614靠近拉力弹簧964一侧内壁抵接。

本申请实施例中，采用上述的平衡力调节装置，由于弹簧张紧器961调节过程是旋转的，若弹簧拉杆963跟随弹簧张紧器961转动会导致拉力弹簧964转动，而拉力弹簧964转动会导致平衡钢丝绳920转动带来不利影响，为了防止拉力弹簧964跟随转动，当拉杆帽9632卡设在卡孔9614内且受拉力弹簧964的拉力与推力轴承966抵触时，通过推力轴承966大大减小拉杆帽9632与弹簧张紧器961之间的转动阻力，进而避免弹簧拉杆963在弹簧张紧器961调节转动时跟转。

在一种较佳的实施方式中，如图20所示，钢丝锁固器965其中一端沿径向贯通设有用于安装拉力弹簧964的第二弹簧连接孔9651，钢丝锁固器965关于第二弹簧连接孔9651两端的外圆面均切削设置平台，从而缩短第二弹簧连接孔9651的长度，便于拉力弹簧964的安装。

钢丝锁固器965两端关于轴线贯通设有第二穿线孔9652，平衡钢丝绳920起始端固定设置锁套，锁套的直径大于第二穿线孔9652的直径，平衡钢丝绳920从钢丝锁固器965靠近拉力弹簧964一侧穿过第二穿线孔9652并延伸至与滑轮反馈单元连接后，平衡钢丝绳920起始端的锁套受到第二穿线孔9652的限制并与钢丝锁固器965抵接。

本申请实施例中，采用上述的医生控制台，使用拉力弹簧964和平衡钢丝绳920平衡大臂300、横向摆臂500以及手腕组件600的重力，相比于电机平衡的方式，本方案采用纯机械结构，不仅结构简单，而且无电控系统，即使在断电的情况下也不会发生平衡失效，确保了结构的安全性。

在一种较佳的实施方式中，如图5所示，滑轮反馈单元包括设置在固定箱体700关于大臂300一侧的滑轮固定架910、静滑轮911、动滑轮912，滑轮固定架910固定设置在固定箱体700靠近大臂300一侧端面上，动滑轮912设置在第一转盘860上，静滑轮911设置在滑轮固定架910上，自大臂300一侧导轮931引出的平衡钢丝绳920绕过静滑轮911后与动滑轮912固定连接。

需要说明的是，其中滑轮的动静定义指的是相对于固定箱体700是动还是静，此处的定义也适用于全文其他部分。不论是静滑轮911还是动滑轮912，只要是固定平衡钢丝绳920的滑轮，其自身就是不转动的，而过线平衡钢丝绳920的滑轮，其自身是转动的，例如动滑轮912可以跟随第一转盘860转动，其自身固定在第一转盘860上且不可转动，静滑轮911设置在滑轮固定架910上且可转动。

在一种较佳的实施方式中，如图5所示，自大臂300至联杆400方向上(即大臂300侧)，动滑轮912位于第一转盘860左下角位置处，静滑轮911位于第一转盘860右上角位置处，自大臂300一侧导轮931引出的平衡钢丝绳920绕过静滑轮911后与动滑轮912固定连接，在大臂300竖直的状态下，动滑轮912与静滑轮911之间的平衡钢丝绳920过主轴850的轴线，动滑轮912可以跟随第一转盘860转动，其自身固定在第一转盘860上且不可转动，静滑轮911固定在滑轮固定架910上且可转动，平衡钢丝绳920的该走线方式能够给第一转盘860一个变化的转矩，从而平衡掉需要平衡的重力矩。

其中，平衡钢丝绳920绕过静滑轮911的方向可以是从静滑轮911的顺时针方向，也可以是从静滑轮911的逆时针方向。

本申请实施例中，采用上述的滑轮反馈单元，在大臂300竖直的状态下，动滑轮912和静滑轮911之间的平衡钢丝绳920穿过主轴850轴线，此时平衡力最大，但是由于力经过主轴850轴线，因此不会对大臂300产生转矩，而在大臂300左右转动带动动滑轮912绕主轴850转动的时候，平衡钢丝绳920偏离主轴850轴线，从而产生变化的平衡力，即当第一转盘860顺逆时针转动时，平衡钢丝绳920长度减少，平衡力也相应减小。具体来说，大臂300(也可以说第一转盘860)顺时针转动时，平衡钢丝绳920给动滑轮912的力会产生一个顺时针的转矩；而大臂300逆时针转动时，平衡钢丝绳920给动滑轮912的力会产生一个逆时针的转矩，从而平衡掉所需平衡的重力矩，降低医生手部的操作负担。

可以理解的是，动滑轮912与静滑轮911的布置不局限于上述形式，只要满足动滑轮912与静滑轮911之间的平衡钢丝绳920过主轴850轴线，且平衡钢丝绳920的走线方式能够给第一转盘860一个顺时针的转矩即可。

在一种较佳的实施方式中，如图6至图9、图11所示，重力平衡装置包括贯通设置在固定箱体700靠近、远离大臂300两侧端面上的过渡腔968，以联杆400至大臂300一侧方向为参考系，过渡腔968位于主轴850竖直方向左侧，过渡腔968两端对应的固定箱体700端面上固定设有恒力弹簧单元940以及导轮固定座930，导轮固定座930上设置有导轮931，与恒力弹簧单元940连接的平衡钢丝绳920穿出过渡腔968且通过对应位置导轮931与第二转盘890连接。

导轮固定座930的结构、过渡腔968与导轮固定座930的配合结构均与上述调节腔967对应位置的导轮固定座930相同，调节腔967与过渡腔968对应设置的导轮固定座930位置相反，即在大臂300至联杆400的方向上，靠近大臂300一侧的导轮固定座930位于恒力弹簧单元940的左侧，在联杆400至大臂300的方向上，靠近联杆400一侧的导轮固定座930位于弹簧固定座962的左侧。

在一种较佳的实施方式中，如图13所示，恒力弹簧单元940包括与固定箱体700固定连接的恒力弹簧固定座942，恒力弹簧固定座942远离固定箱体700一侧端面上固定设有恒力弹簧支撑座941，恒力弹簧支撑座941上并列设置有两个恒力弹簧绕组945，两个恒力弹簧绕组945轴线平行且具有共同的恒力弹簧引出端943，恒力弹簧引出端943穿过恒力弹簧固定座942并延伸至过渡腔968内，恒力弹簧引出端943上贯通设有位于过渡腔968内的固线孔944，平衡钢丝绳920一端通过固线孔944与恒力弹簧引出端943连接且另一端穿出过渡腔968。

可以理解的是，恒力弹簧单元940的位置不局限于上述一种，例如恒力弹簧单元940还可以直接设置在过渡腔968内，但是该设置方式会导致恒力弹簧引出端943的拉伸行程空间减小。

在主手机械臂10中，联杆400的平衡力至关重要，如采用拉力弹簧来提供平衡力，人手需要提供的力还是很大(即平衡效果不佳)，进一步研究发现，当联杆400转动时，平衡钢丝绳920长度减小导致拉力弹簧提供的平衡力也减小，从而造成上述问题，本申请实施例中，采用上述的重力平衡装置，使用恒力弹簧绕组945来提供平衡力，具体来说，将原先拉力弹簧的位置替换成恒力弹簧绕组945，恒力弹簧绕组945提供的平衡力是恒定的，因此，在联杆400转动过程中，平衡力不会减小，保证了平衡效果。

具体的，恒力弹簧绕组945设置为相互并列的两个，其弹力输出端通过固线孔944与平衡钢丝绳920固定在一起，从而给平衡钢丝绳920提供一个恒定的拉力，可以理解的是，使用两个恒力弹簧绕组945并列是因为可以减小单个恒力弹簧绕组945的拉力和空间要求，避免使用一个恒力弹簧绕组945导致的成本增高和占用空间增大问题。

可以理解的是，如果需要的平衡力不是很大，也可以使用一个恒力弹簧绕组945，同样的，也可以根据需要进一步增加恒力弹簧绕组945的数量。

在一种较佳的实施方式中，如图11所示，固定箱体700关于过渡腔968两端对应侧端面上分别设置有两个与过渡腔968同轴且贯通的嵌套孔，恒力弹簧固定座942嵌设在对应位置嵌套孔内且与固定箱体700通过螺栓固定连接。

在一种较佳的实施方式中，如图6至图7、图9所示，恒力弹簧单元940还包括固定设置在第二转盘890上的连接座952，连接座952上固定设有钢丝联接座951，钢丝联接座951上具有贯通第二环形圈891并延伸至第二环形圈891外侧的钢丝固定头953，与恒力弹簧单元940连接的平衡钢丝绳920绕过对应位置导轮931后与钢丝固定头953固定连接。

可以理解的是，连接座952主要用于钢丝联接座951的安装拆卸，其结构不局限于上述一种，例如可以使用与固线器870相同的结构来固定平衡钢丝绳920，当钢丝联接座951与第二转盘890之间采用直接固定的连接方式时，如钢丝联接座951直接焊接在第二转盘890上，此时连接座952可以舍弃，同理，钢丝联接座951也仅用于钢丝固定头953的连接定位，只要能够保证平衡钢丝绳920与第二转盘890的连接关系，钢丝联接座951的结构不局限于上述一种，若将钢丝固定头953直接固定设置在第二环形圈891外周面上，则钢丝联接座951能够舍弃，若平衡钢丝绳920直接固定设置在第二环形圈891外周面上，则钢丝固定头953也同样能够舍弃，本申请实施例之所以采用上述结构，一是为了降低第二转盘890的加工难度，二是为了增大平衡钢丝绳920对第二转盘890的力臂。

在一种较佳的实施方式中，如图7所示，自联杆400至大臂300一侧方向上，钢丝固定头953位于第二环形圈891的右上方，与恒力弹簧单元940连接的平衡钢丝绳920自钢丝固定头953的逆时针方向穿过钢丝固定头953且于钢丝固定头953的顺时针方向上套设有与钢丝固定头953抵接的管夹921。

本申请实施例中，采用上述的重力平衡装置，将平衡钢丝绳920直接固定连接在第二转盘890上，从而减小了平衡力的损失，具体来说，与恒力弹簧单元940连接的平衡钢丝绳920直接绕在第二环形圈891的外周面，并进一步被固定在第二转盘890上，平衡钢丝绳920通过恒力弹簧单元940直接驱动第二转盘890(即联杆400)转动，从而减少了平衡力的损失，提高了平衡效果。

可以理解的是，平衡钢丝绳920自导轮931的引出点、于钢丝固定头953的固定点位于第二转盘890轴线的同一垂面上，从而保证平衡钢丝绳920对第二转盘890施加的平衡力仅沿第二转盘890的径向，而在第二转盘890轴向上无多余分力，进一步提升了平衡效果。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种重力平衡装置，其特征在于，包括：

过渡腔，贯通设置于一安装基体内；

恒力弹簧单元，设置于所述过渡腔内或所述安装基体关于所述过渡腔其中一端开口位置处；

平衡钢丝绳，一端与所述恒力弹簧单元连接，另一端与转盘连接；

所述转盘，转动设置在所述安装基体远离所述恒力弹簧单元一侧端面上且与联杆耦合；

其中，所述平衡钢丝绳自所述过渡腔引出后直接连接在转动圆周面上，所述转动圆周面为与所述转盘转动轴线同轴的环形面。

2.据权利要求1所述的重力平衡装置，其特征在于，所述恒力弹簧单元包括：

恒力弹簧固定座，固定设置在所述安装基体关于所述过渡腔其中一端开口位置处；

恒力弹簧支撑座，固定设置在所述恒力弹簧固定座上；

恒力弹簧绕组，于所述恒力弹簧支撑座上至少设置一个；

其中，所述恒力弹簧绕组具有恒力弹簧引出端，所述恒力弹簧引出端与所述平衡钢丝绳连接。

3.据权利要求2所述的重力平衡装置，其特征在于，所述恒力弹簧绕组于所述恒力弹簧支撑座并列设置有多个，多个所述恒力弹簧绕组轴线平行且具有共同的所述恒力弹簧引出端。

4.据权利要求1所述的重力平衡装置，其特征在于，还包括：

环形圈，固定设置在所述转盘上且与所述转盘的转动轴线同轴；

其中，所述所述平衡钢丝绳自所述过渡腔引出后沿贴并固定在所述环形圈外周面上。

5.据权利要求1或4所述的重力平衡装置，其特征在于，还包括固定设置在所述转盘上的钢丝联接座，所述钢丝联接座上具有贯通环形圈并延伸至所述环形圈外侧的钢丝固定头；

其中，所述所述平衡钢丝绳自所述过渡腔引出后沿贴所述环形圈外周面并与所述钢丝固定头固定连接。

6.据权利要求5所述的重力平衡装置，其特征在于，所述平衡钢丝绳穿过所述钢丝固定头且于穿出所述钢丝固定头一侧套设有与所述钢丝固定头抵接的管夹。

7.据权利要求1所述的重力平衡装置，其特征在于，还包括：

导轮固定座，固定设置在所述安装基体关于所述过渡腔远离所述恒力弹簧单元一侧开口位置处；

其中，所述导轮固定座远离所述恒力弹簧单元一侧端面上设有导轮，所述导轮固定座上贯通设有过线孔，所述平衡钢丝绳自所述过线孔穿出并由所述导轮导向连接所述转盘。

8.据权利要求1或7所述的重力平衡装置，其特征在于，所述平衡钢丝绳自导轮的引出点、于所述转动圆周面上的固定点位于所述转盘轴线的同一垂面上。

9.一种医生控制台，其特征在于，包括上述权利要求1至8任一项的所述重力平衡装置，还包括所述联杆；

其中，所述联杆转动设置于所述安装基体上且与所述重力平衡装置耦合。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括从手以及上述权利要求9所述的医生控制台。