CN109394343B - 一种全被动型主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全被动型主操作手，位置部分和姿态部分，所述位置部分和所述姿态部分固定连接，所述位置部分包括基座；滑动支撑座设置在所述基座上并绕着所述基座的轴线R6转动；滑动座与所述滑动支撑座连接并绕着所述滑动支撑座的轴线R5转动；花键轴贯穿所述滑动座并绕着所述滑动座的轴线R4转动；所述三轴线R4、R5、R6相交于一点，本发明通过对位置部分的全新的结构设计，整体结构布局沿同一轴线，且位置部分的三轴交于一点，结构集中，体积小，工作空间大且利用充分。

Description

一种全被动型主操作手

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种全被动型主操作手。

背景技术

外科手术中经常会有一些精细操作，这些操作的对象小，形状复杂，且有些手术往往需要很长的时间才能结束，医生很容易疲惫，由此容易造成人手的颤抖导致动作不准确，而机器操作手能够完全避免这些安全隐患，准确地完成一些需要长时间的复杂的手术，因而受到大家的关注，主操作手是主从***中的重要组成单元；

目前，较为成功的主操作手***主要有美国Sensable公司的PHANTOM系列主操作手和瑞士ForceDimension公司的Omega系列主操作手。对PHANTOM和Omega系列的主操作手而言，其机构占用的体积较大、工作空间较小，且不能够由自身实现重力平衡，现有技术中通过在主操作手的姿态部分和位置部分分别设置配重块实现了重力平衡，但是主操作手的位置部分结构设计不合理，占用体积较大，限制了主操作手的应用环境。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种全被动型主操作手，该主操作手通过对位置部分的全新的结构设计，整体结构布局沿同一轴线，且位置部分的三轴交于一点，结构集中，体积小，工作空间大且利用充分。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种全被动型主操作手，位置部分和姿态部分，所述位置部分和所述姿态部分固定连接，所述位置部分包括基座；滑动支撑座设置在所述基座上并绕着所述基座的轴线R6转动；滑动座与所述滑动支撑座连接并绕着所述滑动支撑座的轴线R5转动；花键轴贯穿所述滑动座并绕着所述滑动座的轴线R4转动；所述三轴线R4、R5、R6相交于一点。

较佳的，还包括滑动杆，滑动杆固定在所述花键轴的一端；牵引板固定在与所述滑动杆相对方向的所述花键轴的另一端；滑轮连接板的一端固定在所述滑动座上；第一滑轮设置在所述滑轮连接板的一端内侧；第二滑轮设置在与所述第一滑轮相对方向的所述滑轮连接板的另一端内侧；滑动配重块套接在所述花键轴上并沿所述花键轴的轴向方向滑动；钢丝绳绕过所述第一滑轮和所述第二滑轮，所述钢丝绳的一端与所述牵引板固定连接，所述钢丝绳的另一端与所述滑动配重块固定连接，所述牵引板和所述滑动配重块的运动方向相反。

较佳的，还包括恒力弹簧，恒力弹簧的一端固定在所述滑动座上，所述恒力弹簧的另一端固定连接在所述牵引板上；

其中，所述滑动支撑座、所述滑动座、所述花键轴、所述滑动杆、所述牵引板、所述滑轮连接板，所述第一滑轮、所述第二滑轮、所述滑动配重块、所述钢丝绳和所述恒力弹簧组成主操作手的位置部分。

较佳的，还包括主手夹，所述主手夹沿轴线R0开合运动；所述主夹手的一端固定连接在第一关节上并绕着第一关节的轴线R1转动；第一连杆的一端和所述第一关节固定连接；第一连杆配重块固定在所述第一连杆的另一端；第二关节固定设置在所述第一连杆上；第二连杆的一端固定连接在所述第二关节上并绕着第二关节的轴向R2转动；第二连杆配重块固定在所述第二连杆的另一端；法兰的一端设置所述第二连杆上，所述第二连杆绕着法兰的转轴R3转动，法兰的另一端和所述滑动杆固定连接；

其中，所述主手夹、所述第一关节、所述第一连杆、所述第一连杆配重块、所述第二关节、所述第二连杆配重块和所述法兰组成主操作手的姿态部分。

较佳的，所述滑动座、所述滑动支撑座相对应的轴线R4、R5互相垂直，所述滑动支撑座、所述基座相对应的轴线R5、R6互相垂直，所述第一关节、所述滑动座相对应的轴线R1、R4相交于一点，所述第二关节、所述滑动座相对应的轴线R2、R4共面。

较佳的，所述滑动支撑座通过旋转轴和一对轴承连接到基座上；所述滑动座通过旋转轴和一对轴承连接到滑动支撑座上；所述第一滑轮通过旋转轴和一对轴承连接到滑轮连接板的一端；所述第二滑轮通过旋转轴和一对轴承连接到滑轮连接板的另一端；所述主手夹通过旋转轴和一对轴承连接到第一关节上；所述第二关节通过旋转轴和一对轴承连接到所述第一连杆上。

较佳的，所述第一连杆由第一节杆、第二节杆和第三节杆依次连接一体成型设置而成，所述第一节杆、所述第二节杆和第三节杆相互垂直，所述第一节杆和所述第二节杆形成的平面和所述第二节杆和所述第三节杆形成的平面相互垂直，所述第二连杆的形状为L型。

较佳的，所述花键轴贯穿所述滑动座的部分套接有旋转花键，且所述旋转花键固定设置在所述滑动座的端部，所述滑动杆的外侧套接有外筒，所述外筒的端部和所述旋转花键固定连接。

较佳的，所述第一关节通过螺钉固定在所述第一连杆的一端；所述第二关节通过螺钉固定在第二连杆的一端；所述法兰的一端通过螺钉固定在所述滑动杆的一端；所述法兰的另一端通过螺钉固定在所述第二连杆上；所述第一连杆配重块通过螺钉固定在所述第一连杆的一端，所述第二连杆配重通过螺钉固定在所述第二连杆的一端。

较佳的，所述滑动座的上端设置有拉线编码器，所述拉线编码器的拉线固定连接在所述牵引板上，所述基座的下端设置有旋转编码器。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1，该主操作手通过对位置部分的全新的结构设计，整体结构布局沿同一轴线，且位置部分的三轴交于一点，结构集中，体积小，工作空间大且利用充分。

2，该主操作手通过在花键轴上设置滑动配重块，且牵引板和滑动配重块的运动方向相反，当花键轴在沿轴线R4直线的伸缩运动时，滑动配重块能够做到相同比例的反向伸缩运动，从而实现位置部分沿轴线R4直线运动时的动态重力平衡，减少了配重块的设置，从而减轻主操作手的整体重量。

3，该主操作手通过在滑动座上设置恒力弹簧，且恒力弹簧的一端和牵引板固定，从而抵消位置部分在轴线R4上向下的分力，以使得位置部分在轴线R4上力平衡，避免牵引板带动花键轴向下滑动，使该主操作手的位置部分稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1另一视角结构示意图；

图3是本发明位置部分的剖面图；

图4是本发明的姿态部分的结构示意图。

附图标记说明：

1、基座，2、滑动支撑座，3、滑动座，4、花键轴，5、滑动杆，6、牵引板，7、滑轮连接板，8、第一滑轮，9、第二滑轮，10、滑动配重块，11、钢丝绳，12、恒力弹簧，13、主手夹，14、第一关节，15、第一连杆，151、第一节杆，152、第二节杆，153、第三节杆，16、第一连杆配重块，17、第二关节，18、第二连杆，19、第二连杆配重块，20、法兰，21、旋转花键，22、外筒，23、拉线编码器，24、旋转编码器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

如图1-2所示，一种全被动型主操作手，包括基座1，滑动支撑座2，滑动座3，花键轴4，滑动杆5，牵引板6，滑轮连接板7，第一滑轮8，第二滑轮9，滑动配重块10，钢丝绳11，恒力弹簧12，其中，所述滑动支撑座2、所述滑动座3、所述花键轴4、所述滑动杆5、所述牵引板6、所述滑轮连接板7、所述第一滑轮8、所述第二滑轮9、所述滑动配重块10、所述钢丝绳11和所述恒力弹簧12组成主操作手的位置部分。

本实施例中，所述滑动支撑座2通过旋转轴和一对轴承连接到所述基座1上，滑动支撑座2绕着所述基座1的轴线R6转动，从而实现该主操作手整体的旋转运动；所述基座1的下端设置的旋转编码器24可以测出该主操作手整体的旋转角度，所述滑动座3通过旋转轴和一对轴承连接到所述滑动支撑座2上，从而实现该主操作手整体的俯仰动作。

本实施例中，如图3所示，滑动支撑座2为U型件，滑动支撑座2可一体铸造成型，便于生产加工，且坚固耐用，并且滑动座2设置在U型件上，有较大的转动空间，便于调整主操作手的俯仰姿态，满足手术需要，滑动座3通过转轴安装在U型件的开口处，滑动座3绕着所述滑动支撑座2的轴线R5转动，滑动座3通过在U型件内的转动实现主操作手的俯仰动作，滑动座3整体为长方体结构，滑动座3的内部为空腔结构，进一步减轻主操作手的整体重量，且便于配置零件，滑动座3的一端安装有旋转花键21，旋转花键21为花键和套接在花键外侧的轴承组合而成，旋转花键21的轴承部分和滑动座3固定连接，旋转花键21的花键部分和花键轴相互嵌合，由于花键轴和旋转花键为键槽配合，旋转花键的旋转精度高，有利于姿态部分的位置精准调整，且旋转花键21的轴承部分的端面还和外筒22的端部焊接在一起，外筒22套接在滑动杆的外侧，避免滑动杆5和花键轴4的连接部位裸露在外，避免其内部内部零件受到损伤。

本实施例中，如图3所示，滑动座3的另一端为开口，恒力弹簧12通过转轴安装在此开口处，所述恒力弹簧12的一端固定连接在所述牵引板6上，恒力弹簧12的弹力是恒定的，和其弹片的伸缩长度没有关系，且恒力弹簧12的弹力等于该主操作手的重力沿轴线R4向下分力，从而使主操作手在轴线R4上的力是平衡的，在滑动杆5伸缩调节后，其位置稳定不变。

本实施例中，花键轴4贯穿所述滑动座3并绕着所述滑动座3的轴线R4转动；从而调整主操作手的姿态部分整体的旋转角度，以适应不同位置的手术操作，滑动杆5固定在所述花键轴4的一端；牵引板6固定在与所述滑动杆5相对方向的所述花键轴4的另一端；花键轴4通过轴承连接在牵引板6上，花键轴4和牵引板6可以相对转动，在花键轴4自转动的时候不会影响牵引板6的位置状态，且花键轴4和牵引板6在花键轴4的轴向上不能相对移动，在花键轴4轴向伸缩运动时会带动牵引板6同时移动，进而通过钢丝绳11带动滑动配重块10移动，实现主操作手沿轴线R4直线运动时的动态重力平衡，滑轮连接板7固定在所述滑动座3上；所述第一滑轮8通过旋转轴和一对轴承连接到滑轮连接板7的一端内侧，所述第二滑轮9通过旋转轴和一对轴承连接到所述滑轮连接板7的另一端内侧；滑动配重块10套接在所述花键轴4上并沿所述花键轴4的轴向方向滑动；滑动配重块10通过轴承和花键轴4相连接，花键轴4和滑动配重块10之间可以相对转动，钢丝绳11绕过所述第一滑轮8和所述第二滑轮9，所述钢丝绳11的一端与所述牵引板6固定连接，所述钢丝绳11的另一端贯穿过牵引板的下端与所述滑动配重块10固定连接，钢丝绳11形成闭合的钢丝圈，所述牵引板6和所述滑动配重块10的运动方向相反。

人手把握滑动杆5绕着轴线R4转动，从而调整姿态部分的旋转角度，以适应手术需要，滑动杆5的转动带动花键轴4进行转动，花键轴4的转动不影响位置部分其他构件的运动，由于滑动杆5通过法兰20和姿态部分固定连接，滑动杆5的转动带动姿态部分整体进行转动；人手把握滑动杆5沿着轴线R4伸缩时，滑动杆5带动花键轴4进行伸缩，花键轴4带动牵引板6进行伸缩，牵引板6的位置移动拉动钢丝绳11，钢丝绳11另一端的滑动配重块10在花键轴4上进行移动，由于牵引板6和钢丝圈的上端固定连接，滑动配重块10和钢丝圈的下端固定连接，牵引板6和滑动配重块10的移动方向相反，当滑动杆5缩进时，花键轴4向后端伸长，花键轴4带动牵引板6向后移动，同时滑动配重块10与牵引板6的方向相反向前移动，从而抵消花键轴4向后移动造成的重心后移的倾向，保持该主操作手在轴向R4上的重力平衡，反之同理，从而实现主操作手沿轴线R4直线运动时的动态重力平衡。

实施例2

如图4所示，与上述实施例不同，本实施例中还包括主手夹13，第一关节14，第一连杆15，第一连杆配重块16，第二关节17，第二连杆18，第二连杆配重块19，法兰20，其中，所述主手夹13、所述第一关节14、所述第一连杆15、所述第一连杆配重块16、所述第二关节17、所述第二连杆配重块19和所述法兰20组成主操作手的姿态部分。

所述位置部分与所述姿态部分解耦设置，当主操作手姿态部分的位置发生变化时，不会影响主操作手的位置部分。

本实施例中，所述主手夹13沿轴线R0开合运动；从而夹持物体，所述主手夹13通过旋转轴和一对轴承连接到第一关节14上，所述主夹手13绕着第一关节14的轴线R1转动；所述第一关节14通过螺钉固定在所述第一连杆15的一端，所述第一连杆配重块16通过螺钉固定在所述第一连杆15的一端；所述第二关节17通过旋转轴和一对轴承连接到所述第一连杆15上，第一连杆15通过第二关节实现重力平衡，第一关节14及主手夹13的重力矩施加在第二关节上17，通过第一连杆15另一端的第一连杆配重块16实现重力平衡，使得第一连杆15无论运动到任何位置都能够实现重力平衡，所述第二关节17通过螺钉固定在第二连杆18的一端，第二连杆18绕着第二关节17的轴向R2转动；所述第二连杆配重块19通过螺钉固定在所述第二连杆18的一端，所述法兰20通过螺钉固定在所述滑动杆5的一端，所述法兰20的另一端通过螺钉固定在所述第二连杆18上，滑动杆5的转动带动第二连杆18转动，从而带动姿态部分整体转动，第二连杆18及其附加部件的重力矩施加在法兰20上，通过第二连杆18另一端的第二连杆配重块19实现重力平衡，使得第二连杆18无论运动到任何位置都能实现重力平衡。

实施例3

如图1和图4所示，与上述实施例不同，本实施例中所述滑动座3、所述滑动支撑座2相对应的轴线R4、R5互相垂直，所述滑动支撑座2、所述基座1相对应的轴线R5、R6互相垂直，所述三轴线R4、R5、R6相交于一点，整体结构布局沿同一轴线R4，结构集中，体积小，工作空间大且利用充分，所述第一关节14、所述滑动座3相对应的轴线R1、R4相交于一点，所述第二关节17、所述滑动座3相对应的轴线R2、R4共面，结构紧凑，占用空间小。

实施例4

如图4所示，与上述实施例不同，本实施例中所述第一连杆15由第一节杆151、第二节杆152和第三节杆153依次连接一体成型设置而成，所述第一节杆151、所述第二节杆152和所述第三节杆153相互垂直，所述第一节杆151和所述第二节杆152形成的平面和所述第二节杆152和所述第三节杆153形成的平面相互垂直，所述第二连杆152的形状为L型，第一连杆15和第二连杆18结构的特殊设计可以使姿态部分的重心分布较为集中，减少姿态部分配重块数量，且单个配重块的重量也有所减轻，从而减轻主操作手整体的重量。

实施例5

如图1-3所示，与上述实施例不同，本实施例中所述滑动座3的上端设置有拉线编码器23，所述拉线编码器23的拉线固定连接在所述牵引板6上，牵引板6的移动带动拉线编码器的拉线，从而测出牵引板6的位移数据，进而测出滑动杆5的移动数据。

该主操作手适用于任何主从操作的机器人***中，如医疗设备的领域当中：腹腔镜手术机器人、骨科术机器人、牙科术机器人等主从操作***中的主操作端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种全被动型主操作手，其特征在于，包括：位置部分和姿态部分，所述位置部分和所述姿态部分固定连接，所述位置部分包括：基座（1）；

滑动支撑座（2），滑动支撑座（2）设置在所述基座（1）上并绕着所述基座（1）的轴线R6转动；

滑动座（3），滑动座（3）与所述滑动支撑座（2）连接并绕着所述滑动支撑座（2）的轴线R5转动；

花键轴（4），花键轴（4）贯穿所述滑动座（3）并绕着所述滑动座（3）的轴线R4转动；

三条轴线R4、R5、R6相交于一点；

滑动杆（5），滑动杆（5）固定在所述花键轴（4）的一端；

牵引板（6），牵引板（6）固定在与所述滑动杆（5）相对方向的所述花键轴（4）的另一端；牵引板（6）可相对所述花键轴（4）转动；

滑轮连接板（7），滑轮连接板（7）的一端固定在所述滑动座（3）上；

第一滑轮（8），第一滑轮（8）设置在所述滑轮连接板（7）的一端内侧；

第二滑轮（9），第二滑轮（9）设置在与所述第一滑轮（8）相对方向的所述滑轮连接板（7）的另一端内侧；

滑动配重块（10），滑动配重块（10）套接在所述花键轴（4）上并沿所述花键轴（4）的轴向方向滑动；

钢丝绳（11），钢丝绳（11）绕过所述第一滑轮（8）和所述第二滑轮（9），所述钢丝绳（11）的一端与所述牵引板（6）固定连接，所述钢丝绳（11）的另一端与所述滑动配重块（10）固定连接，所述牵引板（6）和所述滑动配重块（10）的运动方向相反；还包括恒力弹簧（12），恒力弹簧（12）的一端固定在所述滑动座（3）上，所述恒力弹簧（12）的另一端固定连接在所述牵引板（6）上；

其中，所述滑动支撑座（2）、所述滑动座（3）、所述花键轴（4）、所述滑动杆（5）、所述牵引板（6）、所述滑轮连接板（7）、所述第一滑轮（8）、所述第二滑轮（9）、所述滑动配重块（10）、所述钢丝绳（11）和所述恒力弹簧（12）组成主操作手的位置部分。

2.根据权利要求1所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：

还包括主手夹（13），所述主手夹（13）沿轴线R0开合运动；

第一关节（14），所述主手夹（13）的一端固定连接在第一关节（14）上并绕着第一关节（14）的轴线R1转动；

第一连杆（15），第一连杆（15）的一端和所述第一关节（14）固定连接；

第一连杆配重块（16），第一连杆配重块（16）固定在所述第一连杆（15）的另一端；

第二关节（17），第二关节（17）固定设置在所述第一连杆（15）上；

第二连杆（18），第二连杆（18）的一端固定连接在所述第二关节（17）上并绕着第二关节（17）的轴向R2转动；

第二连杆配重块（19），第二连杆配重块（19）固定在所述第二连杆（18）的另一端；

法兰（20），法兰（20）的一端固定设置所述第二连杆（18）上，法兰（20）的另一端和所述滑动杆（5）固定连接；

其中，所述主手夹（13）、所述第一关节（14）、所述第一连杆（15）、所述第一连杆配重块（16）、所述第二关节（17）、所述第二连杆配重块（19）和所述法兰（20）组成主操作手的姿态部分。

3.根据权利要求2所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：所述滑动座（3）、所述滑动支撑座（2）相对应的轴线R4、R5互相垂直，所述滑动支撑座（2）、所述基座（1）相对应的轴线R5、R6互相垂直，所述第一关节（14）、所述滑动座（3）相对应的轴线R1、R4相交于一点，所述第二关节（17）、所述滑动座（3）相对应的轴线R2、R4共面。

4.根据权利要求2所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：所述滑动支撑座（2）通过旋转轴和一对轴承连接到所述基座（1）上；所述滑动座（3）通过旋转轴和一对轴承连接到所述滑动支撑座（2）上；所述第一滑轮（8）通过旋转轴和一对轴承连接到滑轮连接板（7）的一端；所述第二滑轮（9）通过旋转轴和一对轴承连接到所述滑轮连接板（7）的另一端；所述主手夹（13）通过旋转轴和一对轴承连接到第一关节（14）上；所述第二关节（17）通过旋转轴和一对轴承连接到所述第一连杆（15）上。

5.根据权利要求2所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：所述第一连杆（15）由第一节杆（151）、第二节杆（152）和第三节杆（153）依次连接一体成型设置而成，所述第一节杆（151）、所述第二节杆（152）和所述第三节杆（153）相互垂直，所述第一节杆（151）和所述第二节杆（152）形成的平面和所述第二节杆（152）和所述第三节杆（153）形成的平面相互垂直，所述第二连杆（18）的形状为L型。

6.根据权利要求1所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：所述花键轴（4）贯穿所述滑动座（3）的部分套接有旋转花键（21），且所述旋转花键（21）固定设置在所述滑动座（3）的端部，所述滑动杆（5）的外侧套接有外筒（22），所述外筒（22）的端部和所述旋转花键（21）固定连接。

7.根据权利要求2所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：所述第一关节（14）通过螺钉固定在所述第一连杆（15）的一端；所述第二关节（17）通过螺钉固定在第二连杆（18）的一端；所述法兰（20）的一端通过螺钉固定在所述滑动杆（5）的一端；所述法兰（20）的另一端通过螺钉固定在所述第二连杆（18）上，所述第一连杆配重块（16）通过螺钉固定在所述第一连杆（15）的一端，所述第二连杆配重块（19）通过螺钉固定在所述第二连杆（18）的一端。

8.根据权利要求1所述的一种全被动型主操作手，其特征在于：所述滑动座（3）的上端设置有拉线编码器（23），所述拉线编码器（23）的拉线固定连接在所述牵引板（6）上，所述基座（1）的下端设置有旋转编码器（24）。