CN104802158A - 球状连杆式机械手臂 - Google Patents

Abstract

一种球状连杆式机械手臂，包含有依序枢接的第一、二弯杆与一器械杆、第一至三比例轮及第一、二挠性绳，且能定义出相交于一球形旋转中心的第一至四假想轴线，第一弯杆及比例轮分别受驱动而以第一、三假想轴线为中心转动，第一挠性绳绕设于第一、二比例轮且固定于第二弯杆，并在第一比例轮转动时带动第二比例轮及弯杆以第二假想轴线为中心转动，第二挠性绳绕设于第二、三比例轮且固定于第一弯杆，并在第二比例轮转动时带动第三比例轮及器械杆以第四假想轴线为中心转动；该机械手臂体积较小、可让操作人员较无阻碍地动作，且工作区间较大。

Description

球状连杆式机械手臂

技术领域

本发明是与机械手臂有关，特别是关于一种球状连杆式机械手臂。

背景技术

请参阅中国台湾专利申请号为102121198的发明专利案，该专利提供一种采用球状五连杆机构的机械手臂，是包含有两两相连接的四弯杆，每一弯杆两端的旋转轴心皆通过同一球形旋转中心。该机械手臂主要是应用于微创手术***，用以安装一微型手术器械，并精准地控制该微型手术器械的摆动方向及摆动角度。

然而，前述的机械手臂因至少包含有四弯杆而具有相当的体积，而微创手术***通常包含有许多机械手臂，以安装许多不同功能的微型手术器械，因此，对于相当有限的手术空间而言，若能减小机械手臂的体积，将有利于微创手术***的空间配置，并可避免对医务人员的动作造成阻碍。

此外，在前述的机械手臂中，由于所述弯杆的动作是相互牵制，且驱动所述弯杆转动的驱动装置也会在空间上造成限制，进而限制了各该弯杆的转动角度，因此该机械手臂仅能带动微型手术器械在相当有限的工作区间内动作。

发明内容

有鉴于上述缺点，本发明的主要目的在于提供一种球状连杆式机械手臂，其体积较小、可让操作人员较无阻碍地动作，且可产生较大的工作区间。

为达成上述目的，本发明所提供的球状连杆式机械手臂包含有一第一弯杆、一第一比例轮、一第二弯杆、一第二比例轮、一第一挠性绳、一器械杆、一第三比例轮，以及一第二挠性绳。该第一弯杆两端分别具有一第一枢接部及一第二枢接部，并能定义出分别通过该第一枢接部及该第二枢接部的一第一假想轴线及一第二假想轴线，该第一假想轴线与该第二假想轴线是相交于一球形旋转中心，该第一弯杆是能受一第一驱动单元驱动而以该第一假想轴线为中心转动。该第一比例轮是能定义出一通过该球形旋转中心的第三假想轴线，并能受一第二驱动单元驱动而以该第三假想轴线为中心转动。该第二弯杆两端分别具有一第三枢接部及一第四枢接部，并能定义出一通过其第四枢接部及该球形旋转中心的第四假想轴线，该第二弯杆是以其第三枢接部与该第一弯杆的第二枢接部枢接。该第二比例轮是固定于该第二弯杆的第三枢接部并与该第一弯杆的第二枢接部枢接。该第一挠性绳是绕设于该第一比例轮及该第二比例轮且固定于该第二弯杆，并在该第一比例轮转动时带动该第二比例轮及该第二弯杆以该第二假想轴线为中心转动。该器械杆及该第三比例轮是相互固定并与该第二弯杆的第四枢接部枢接。该第二挠性绳是绕设于该第二比例轮及该第三比例轮且固定于该第一弯杆，并在该第二比例轮转动时带动该第三比例轮及该器械杆以该第四假想轴线为中心转动。

由此，该球状连杆式机械手臂可用以于该器械杆安装一器械，并能精准地控制该器械绕该球形旋转中心而摆动，而且，相较于现有的具有相同功能的机械手臂，本发明所提供的机械手臂的弯杆数量较少，因而体积较小，并可让出较大的空间供操作人员动作，且各弯杆的转动角度较不受限，因此可让操作人员较无阻碍地动作，并可产生较大的工作区间。

有关本发明所提供的球状连杆式机械手臂的详细构造、特点、组装或使用方式，将于后续的实施方式详细说明中予以描述。然而，在本发明领域中具有通常知识者应能了解，所述详细说明以及实施本发明所列举的特定实施例，仅是用于说明本发明，并非用以限制本发明的专利申请范围。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图，详细说明说明如后，其中：

图1至图3为本发明一较佳实施例所提供的球状连杆式机械手臂从三不同角度观看的立体图；

图4为本发明该较佳实施例所提供的球状连杆式机械手臂的一球状机构的立体示意图；以及

图5是类同于图4，惟图4中该球状机构的第一、三假想轴线是重合，而图5中该球状机构的第一、三假想轴线是不重合。

具体实施方式

申请人首先在此说明，在以下将要介绍的实施例以及附图中，相同的参考号码，表示相同或类似的元件或其结构特征。其次，当述及一元件设置于另一元件上时，代表前述元件是直接设置在该另一元件上，或者前述元件是间接地设置在该另一元件上，亦即，二元件之间还设置有一个或多个其他元件。

请先参阅图1至图4，本发明一较佳实施例所提供的球状连杆式机械手臂10包含有一驱动装置20，以及一球状机构30。

在此需先说明的是，本发明所述的“球状连杆式机械手臂”及“球状机构”中“球状”是指其中每一能转动的部位的旋转轴心(亦即下文中所述的第一、二、三、四假想轴线L1、L2、L3、L4)交会于一球形旋转中心C(center of spherical rotation)，因此，在动作的过程中，各该能转动的部位可视为在以该球形旋转中心C为球心的假想球面上移动。

该球状连杆式机械手臂10是用以在该球状机构30设置一器械装置(图中未示)，该器械装置包含有一用以产生特定功能的器械，例如微型手术器械，且该器械通常会被设置成大概指向该球形旋转中心C或通过该球形旋转中心C。通过该球状机构30带动该器械装置，即可使该器械实质上绕该球形旋转中心C摆动，并可精准地控制该器械的摆动方向及摆动角度。该球状连杆式机械手臂10的结构详述如下。

该驱动装置20包含有一固定座22，以及设置于该固定座22的一第一驱动单元24及一第二驱动单元26。该第一驱动单元24包含有一马达(图中未示)，以及用以将该马达输出的旋转动能传递至该球状机构30的两皮带轮244、245及一皮带246。该第二驱动单元26包含有一马达262，以及用以将该马达262输出的旋转动能传递至该球状机构30的一传动轮264。

该球状机构30包含有一第一弯杆31、一第一比例轮32、一第二弯杆33、一第二比例轮34、一器械杆35、一第三比例轮36、一第一挠性绳37，以及一第二挠性绳38。

该第一弯杆31包含有同步动作的两杆体31A、31B，以及一设置于该杆体31A的张力调整器31C，各该杆体31A、31B两端分别具有一第一枢接部311及一第二枢接部312，并能定义出通过该两第一枢接部311的第一假想轴线L1，以及通过该两第二枢接部312的第二假想轴线L2，该第一假想轴线L1与该第二假想轴线L2是相交于球形旋转中心C。该两第一枢接部311是与该第一驱动单元24的皮带轮245同轴设置，并能受该皮带轮245带动而转动，亦即，该第一弯杆31是能受该第一驱动单元24驱动而以该第一假想轴线L1为中心转动。

该第一比例轮32是能定义出通过该球形旋转中心C的第三假想轴线L3，且是设于该第一弯杆31的该两杆体31A、31B之间。在本实施例中，该第一比例轮32是与该第一弯杆31的第一枢接部311同轴设置，因此，该第三假想轴线L3是与该第一假想轴线L1重合。然而，该第一比例轮32亦可不与该第一弯杆31的第一枢接部311同轴地设置，使得该第三假想轴线L3不与该第一假想轴线L1重合，如图5所示。

该第二弯杆33包含有一设于该第一弯杆31的该两杆体31A、31B之间的杆体33A，以及一设置于该杆体33A的张力调整器33B，该杆体33A两端分别具有一第三枢接部331及一第四枢接部332，该第三枢接部331是与该第一弯杆31的第二枢接部312枢接，且该第三枢接部331是能以该第二假想轴线L2为中心而相对该第二枢接部312转动。此外，该第二弯杆33能定义出通过其第四枢接部332的第四假想轴线L4，且该第四假想轴线L4亦通过该球形旋转中心C。

该第二比例轮34是设于该第一弯杆31的该两杆体31A、31B之间，且通过该第二弯杆33的第三枢接部331，该第二比例轮34是与该第一弯杆31的第二枢接部312枢接，并固定于该第二弯杆33的第三枢接部331，因而可与该第三枢接部331同步转动。

该器械杆35两端分别具有一第五枢接部351及一安装部352，该第五枢接部351是与该第二弯杆33的第四枢接部332枢接，且该第五枢接部351是能以该第四假想轴线L4为中心而相对该第四枢接部332转动。该安装部352是用以与该器械装置连接。

该第三比例轮36是与该第二弯杆33的第四枢接部332枢接，并位于该第四枢接部332与该器械杆35的第五枢接部351之间，而且，该第三比例轮36是固定于该第五枢接部351，因而可与该第五枢接部351同步转动。

各该挠性绳37、38可(但不限于)为钢索，该第一挠性绳37是绕设于该第二驱动装置26的传动轮264、该第一比例轮32及该第二比例轮34且固定于该第二弯杆33的张力调整器33B，该第二挠性绳38是绕设于该第二比例轮34及该第三比例轮36且固定于该第一弯杆31的张力调整器31C。当该传动轮264受该马达262驱动而转动时，该第一挠性绳37会随的转动而带动该第一比例轮32转动，并带动该第二比例轮34及该第二弯杆33以该第二假想轴线L2为中心转动，同时，该第二挠性绳38会随该第二比例轮34转动而带动该第三比例轮36及该器械杆35以该第四假想轴线L4为中心转动，而且，所述比例轮32、34、36的转动角度会依据其外径比值而有特定的比例关系。因此，利用该第二驱动单元26控制该第一比例轮32的转动角度，即可控制该第二弯杆33及该器械杆35的转动角度。

值得一提的是，该两张力调整器31C、33B是分别用以供使用者调整第二挠性绳38及第一挠性绳37的张力，该第一弯杆31及该第二弯杆33亦可不设有张力调整器31C、33B，而使挠性绳37、38固定于杆体33A、31A。

在本实施例中，该第一弯杆31与该第二弯杆33是实质上长度相等，该第一比例轮32的外径是与该第三比例轮36的外径相等，且为该第二比例轮34的外径的两倍，亦即，第一、二、三比例轮的外径比为2∶1∶2，如此一来，该器械杆35在任何情况下，其第五枢接部351都会大概朝向该第一弯杆31的第一枢接部311，使得该安装部352朝向远离该第一枢接部311的方向，如此可避免该器械装置与该球状机构30或该驱动装置20相互碰撞，并简化该球状机构30的控制程序的计算。然而，本发明所提供的球状连杆式机械手臂不限于具有前述的特征。

值得一提的是，本发明所述的“该第一弯杆与该第二弯杆是实质上长度相等”，其中所指该第一弯杆31的长度是定义为第一、二假想轴线L1、L2在第一、二枢接部311、312所位在的假想球面上的距离，亦即第一、二枢接部311、312的中心点在其所在的假想球面上所连成的弧线的长度；同样地，该第二弯杆33的长度是定义为第二、四假想轴线L2、L4在第三、四枢接部331、332所位在的假想球面上的距离，亦即第三、四枢接部331、332的中心点在其所在的假想球面上所连成的弧线的长度。此外，本发明所述的第一、二、三比例轮32、34、36的外径是定义为各该比例轮32、34、36用以供挠性绳37、38缠绕的外周面的曲率半径。

相较于先前技术中所述现有的机械手臂，本发明所提供的机械手臂10不但可产生相同的功能，且该机械手臂10因弯杆数量较少而体积较小，应用于微创手术***中是较现有的机械手臂更有利于空间配置，且可让出较大的空间供操作人员动作，甚至可让左撇子及右撇子的操作人员都能顺畅地动作。此外，该机械手臂10因弯杆数量较少而使得各弯杆的转动角度较不受限，因此可产生较大的工作区间。

最后，必须再次说明，本发明于前揭实施例中所揭露的构成元件，仅为举例说明，并非用来限制本案的范围，其他等效元件的替代或变化，亦应为本案的权利要求范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种球状连杆式机械手臂，包含有：

一第一弯杆，其两端分别具有一第一枢接部及一第二枢接部，并能定义出分别通过该第一枢接部及该第二枢接部的一第一假想轴线及一第二假想轴线，该第一假想轴线与该第二假想轴线相交于一球形旋转中心，该第一弯杆能受一第一驱动单元驱动而以该第一假想轴线为中心转动；

一第一比例轮，能定义出一通过该球形旋转中心的第三假想轴线，并能受一第二驱动单元驱动而以该第三假想轴线为中心转动；

一第二弯杆，其两端分别具有一第三枢接部及一第四枢接部，并能定义出一通过其第四枢接部及该球形旋转中心的第四假想轴线，该第二弯杆以其第三枢接部与该第一弯杆的第二枢接部枢接；

一第二比例轮，固定于该第二弯杆的第三枢接部并与该第一弯杆的第二枢接部枢接；

一第一挠性绳，绕设于该第一比例轮及该第二比例轮且固定于该第二弯杆，并在该第一比例轮转动时带动该第二比例轮及该第二弯杆以该第二假想轴线为中心转动；

一器械杆及一第三比例轮，相互固定并与该第二弯杆的第四枢接部枢接；以及

一第二挠性绳，绕设于该第二比例轮及该第三比例轮且固定于该第一弯杆，并在该第二比例轮转动时带动该第三比例轮及该器械杆以该第四假想轴线为中心转动。

2.如权利要求1所述的球状连杆式机械手臂，其中该第三假想轴线与该第一假想轴线重合。

3.如权利要求1所述的球状连杆式机械手臂，其中该第一弯杆与该第二弯杆长度相等。

4.如权利要求3所述的球状连杆式机械手臂，其中该第一比例轮的外径与该第三比例轮的外径相等，且为该第二比例轮的外径的两倍。

5.如权利要求1所述的球状连杆式机械手臂，其中该第一弯杆设有一张力调整器，该第二挠性绳固定于该第一弯杆的张力调整器。

6.如权利要求1所述的球状连杆式机械手臂，其中该第二弯杆设有一张力调整器，该第一挠性绳固定于该第二弯杆的张力调整器。

7.如权利要求1所述的球状连杆式机械手臂，其中该第一弯杆包含有同步动作的两杆体，该第二弯杆、该第一比例轮及该第二比例轮位于该两杆体之间。