CN112754663A - 机械臂及具有其的机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械臂及具有其的机器人，所述机械臂包括至少一个连接臂，所述连接臂构造为杆状，并且具有沿其长度方向延伸的内腔，其中，所述内腔在垂直于所述长度方向上的截面至少部分地为封闭的结构。根据本发明的机械臂，由于连接臂的内腔的截面至少部分地为封闭结构，因此可以保证力流的顺畅传递以及力的连续性，并且该连接臂仅需要较小的壁厚以及较为简单的结构就能满足刚度和扭矩的要求。

Description

机械臂及具有其的机器人
技术领域
本发明涉及机械技术领域，具体而言涉及一种机械臂及具有其的机器人。
背景技术
医疗手术微器械具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和感染等优点，广泛的应用于各种手术中。手术机器人作为医疗手术器械中的一种，在手术过程中，医护人员将病人的病床推到手术机器人跟前，手术机器人的多个机械臂通过控制移动到病人的身体上面，并通过病人皮肤的预置小孔完成相应的手术。手术期间，机械臂能够围绕病人身上的预置小孔转动和***，机器臂绕固定转轴的旋转点被称为RCM(Remotecenter of motion)点。
既往的手术机器人发展出了以机械平行四边形机构约束实现机械臂绕RCM点转动的功能。如通过钢丝或者钢带对连接臂的转动传递和约束，使连接在机械臂的末端的执行器械单元的杆件表现出平行四边形的耦合特性。对于多连接臂串联且很长的机械臂结构中，带传动机械臂的紧凑性及高刚度对手术机器人手术性能有至关重要的影响。
已知的机械臂的连接臂结构，如图1所示，一个连接臂由一个上盖11和一个下底板12通过紧固件连接在一起，上盖11和下底板12之间形成有容纳腔，柔性传动组件容纳在该容纳腔中，这种结构的连接臂对下底板12的刚度要求较高。如果该连接臂设置在机械臂的末端，则在运动和医护人员操作过程中，该连接臂会同时受到较大的弯矩和扭矩。由于上盖11与下底板12的连接处存在缝隙，因此在该缝隙处会发生较大的层移，同时扭矩使得下底板12承受比较大的扭转变形。而这种扭转变形对于多连接臂串联的细长机械臂来说，会在末端产生很大的误差累计，从而降低手术机器人的末端精度。
此外，这种连接臂的结构也给柔性传动组件的维护带来一些困难。一般情况下，柔性传动组件的柔性件通过螺栓等形式拧紧在转动轮的圆弧面上，在转动轮的圆弧面上对应地设置有柔性件张紧机构。在柔性件张紧时，上盖11和下底板12的结构在一定程度上妨碍了螺丝刀或者扳手对张紧螺栓的拧紧操作因此需要在下底板12上设置用于张紧测量和维护操作钢转动轮及钢带的操作口。
为此，本发明提供了一种机械臂及具有其的机器人，以至少部分地解决现有技术中的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的第一个方面，公开了一种机械臂，所述机械臂包括：
至少一个连接臂，所述连接臂构造为杆状，并且具有沿其长度方向延伸的内腔，
其中，所述内腔在垂直于所述长度方向上的截面至少部分地为封闭的结构。
根据本发明的机械臂，由于连接臂的内腔的截面至少部分地为封闭结构，因此可以保证力流的顺畅传递以及力的连续性，并且该连接臂仅需要较小的壁厚以及较为简单的结构就能满足刚度和扭矩的要求。
可选地，所述连接臂为一体化结构。
可选地，所述连接臂的外表面设置有至少一个凹槽。
根据本方案，这些凹槽可以用于容纳机械臂的导线、电路板、传感器、连接法兰等他机械、电气零部件。
可选地，所述内腔包括两个端部开口，所述两个端部开口设置在所述连接臂的长度方向的两端。
根据本方案，柔性传动组件可以通过端部开口进入到内腔中，端部开口可以供扳手在端面实施维护紧固，因此便于安装柔性传动组件以及张紧转动轮，并且便于对转动轮等传动部件进行维护。
可选地，所述内腔还包括两对侧部开口，其中一对所述侧部开口设置在所述长度方向的一端并且相对地设置在所述连接臂的两侧，另外一对所述侧部开口设置在所述长度方向的另一端并且相对地设置在所述连接臂的两侧。
根据本方案，侧部开口可以供带扳手在侧面实施维护紧固，以便于对转动轮等传动部件进行操作和维护。
可选地，所述机械臂包括至少两个连接臂，所述至少两个连接臂首尾相接，并且相邻两个所述连接臂之间可枢转地连接。
可选地，所述机械臂还包括至少两组柔性传动组件和至少两个枢转轴，每一个所述连接臂的所述内腔中设置有至少一组所述柔性传动组件，设置在相邻两个所述连接臂的所述内腔中的所述柔性传动组件经由所述枢转轴连接。
可选地，所述连接臂的所述内腔中设置有一组柔性传动组件，所述一组柔性传动组件包括一对转动轮和张紧在所述一对转动轮上的柔性件，所述一对转动轮分别设置在位于所述内腔的两端的所述侧部开口处，并且用于经由所述端部开口进入到所述内腔，所述枢转轴用于经由所述侧部开口与相邻两个所述连接臂的所述内腔中的所述转动轮相连。
可选地，所述机械臂还包括用于封闭所述端部开口的端遮蔽件和用于封闭所述侧部开口的侧遮蔽件，所述侧遮蔽件设置在所述侧部开口处并且与所述连接臂相连。
根据本发明的第二方面，公开了一种机器人，其包括至少一个根据上述第一方面中任一项所述的机械臂。
根据本发明的机器人，由于连接臂的内腔的截面至少部分地为封闭结构，因此可以保证力流的顺畅传递以及力的连续性，并且该连接臂仅需要较小的壁厚以及较为简单的结构就能满足刚度和扭矩的要求。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为现有技术中的机器人的机械臂的连接臂的立体分解示意图；
图2为根据本发明的一个优选实施方式的机器人的局部结构的立体示意图，其中示出了机械臂和末端执行器械；
图3为图2中的机器人的局部结构的立体示意图，其中示出了机械臂和末端执行器械，并且机械臂的局部结构以分解图示出；
图4为图3中的机械臂的连接臂的立体示意图；
图5为图3中的机械臂的连接臂的另一个立体示意图；
图6为图5中的机械臂的剖视示意图。
附图标记说明：
100：机械臂
10/110：连接臂
11：上盖
12：下底板
111：内腔
112：端部开口
113：侧部开口
114：凹槽
115：支撑部
116：第一支撑筋
117：第二支撑筋
121：转动轮
130：枢转轴
131：端盖部
132：枢转部
140：端遮蔽件
150：侧遮蔽件
170：执行器械
L：连接臂的长度方向
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。需要说明的是，本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。
如图2和图3所示，本发明提供了一种机械臂100及具有其的机器人。该机器人可以为手术机器人、工业机器人、娱乐教学机器人等。在本实施方式中以该机器人为手术机器人为例进行说明。
机器人可以包括至少一个机械臂100以及设置在机械臂100的末端的执行器械170。机械臂100可以驱动执行器械170，使得执行器械170能够***病人皮肤的预置小孔并且转动以完成相应的手术。由于执行器械170为本领域已知的结构，因此不再进行详细的说明。
下面将结合图2至图6对根据本发明的机械臂100进行详细的说明。
机械臂100主要包括至少一个连接臂110，当机械臂100包括至少两个连接臂110时，该至少两个连接臂110首尾相接，并且相邻两个连接臂110之间可枢转地连接。图2和图3中示例性地示出了三个连接臂110，该三个连接臂110首位相接。可以理解，连接臂110的数量可以根据实际需要确定，例如可以为一个、四个或者更多个。
在本实施方式中，连接臂110构造为杆状，并且具有沿其长度方向L延伸的内腔111。如图6所示，内腔111在垂直于连接臂110的长度方向L上的截面至少部分地为封闭的结构，由此可以保证力流的顺畅传递以及力的连续性，并且连接臂110仅需要较小的壁厚以及较为简单的结构就能满足刚度和扭矩的要求。
如图4和图5所示，连接臂110的内腔111包括两个端部开口112和两对侧部开口113。该两个端部开口112设置在连接臂110的长度方向L的两端，并且大致构造为长方形开口。在该两对侧部开口113中，其中一对侧部开口113设置在连接臂110的长度方向L的一端并且相对地设置在连接臂110的两侧，另外一对侧部开口113设置在连接臂110的长度方向L的另一端并且相对地设置在连接臂110的两侧。即侧部开口113靠近端部开口112设置，并且侧部开口113可以构造为圆形开口或者其他任意合适的形状。
机械臂100还包括至少两组柔性传动组件和至少两个枢转轴130，每一个连接臂110的内腔111中设置有至少一组柔性传动组件。在本实施方式中，连接臂110的内腔111中设置有一组柔性传动组件，设置在相邻两个连接臂110的内腔111中的柔性传动组件经由枢转轴130连接。由于本实施方式中的机械臂100包括三个连接臂110，并且每一个连接臂110的内腔111中设置有一组柔性传动组件，因此机械臂100可以包括三组柔性传动组件。可以理解，柔性传动组件的数量可以根据实际需要确定。
具体地，一组柔性传动组件包括一对转动轮121(参见图3)和张紧在一对转动轮121上的柔性件(未示出)。该一对转动轮121分别设置在位于连接臂110的内腔111的两端的侧部开口113处，并且可以经由端部开口112进入到内腔111中。在本实施方式中，柔性传动组件为带传动组件，转动轮121为带轮，并且柔性件为钢带。在一个未示出的实施方式中，柔性传动组件可以为绳传动组件，柔性件可以为柔性绳。
如图3所示，优选地，端部开口112的长度M(参见图5)大于转动轮121的外径，并且端部开口112的宽度N(参见图5)大于转动轮121的厚度，由此便于将转动轮121经由端部开口112装入内腔111中。枢转轴130用于经由侧部开口113与相邻两个连接臂110的内腔111中的转动轮121相连。具体地，相邻两个连接臂110的内腔111中的转动轮121套设在同一枢转轴130上。
如图3所示，枢转轴130包括端盖部131和与端盖部131相连的枢转部132。端盖部131大致构造为圆盘形。枢转部132设置在端盖部131的中心，并且构造为沿垂直于端盖部131的方向延伸的圆柱形。端盖部131设置在相邻两个连接臂110中的一个的侧部开口113处并且与连接臂110相连，具体地，端盖部131设置在相邻两个连接臂110中的远离另一个连接臂110的侧部开口113处。相邻两个连接臂110的内腔111中的转动轮121套设在同一枢转轴130的枢转部132上。
此外，如图3和图5所示，连接臂110还包括设置在侧部开口113中的支撑部115。每一对侧部开口113的至少一个中可以设置有支撑部115。支撑部115包括沿周向延伸的第一支撑筋116和与第一支撑筋116相连的第二支撑筋117。第二支撑筋117构造为沿第一支撑筋116的径向方向从第一支撑筋116向外延伸。枢转轴130的枢转部132延伸穿过第一支撑筋116的内孔，第一支撑筋116可以支撑并且限位枢转部132。
如图2和图3所示，机械臂100还可以包括用于封闭端部开口112的端遮蔽件140和用于封闭侧部开口113的侧遮蔽件150。端遮蔽件140的形状和尺寸与端部开口112的形状和尺寸分别相对应，以能够完全覆盖端部开口112。侧遮蔽件150设置在侧部开口113处并且与连接臂110相连。具体地，侧遮蔽件150可以设置在相邻两个连接臂110中的另一个连接臂110的远离端盖部131的侧部开口113处。通过设置端部开口112和侧部开口113，以便于对转动轮121等传动构件进行操作和维护。
根据本实施方式的连接臂110为一体化结构。具体地，该连接臂110可以一体成型(例如，通过线切割等机械加工成型)，或者可以通过型材拉拔后加工成型，或者可以铸造成型。
此外，连接臂110的外表面还可以设置有至少一个凹槽114。这些凹槽114可以用于容纳导线、电路板、传感器、连接法兰等其他机械、电气零部件。图6中示出了两个凹槽114，其相对地设置在连接臂110的两侧，这两个凹槽114中的至少一个可以用于放置导线。连接臂110还可以包括用于覆盖凹槽114的盖板(未示出)，该盖板能够连接至连接臂110，并且可以遮挡导线。
本发明的连接臂110不仅可以用于如上所述的柔性传动***中，还可用于其它类型的带传动***中或者丝传动***等对型腔小型化有极大需求同时又要求高刚度的场合。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：
至少一个连接臂，所述连接臂构造为杆状，并且具有沿其长度方向延伸的内腔，
其中，所述内腔在垂直于所述长度方向上的截面至少部分地为封闭的结构。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述连接臂为一体化结构。
3.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述连接臂的外表面设置有至少一个凹槽。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述内腔包括两个端部开口，所述两个端部开口设置在所述连接臂的长度方向的两端。
5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述内腔还包括两对侧部开口，其中一对所述侧部开口设置在所述长度方向的一端并且相对地设置在所述连接臂的两侧，另外一对所述侧部开口设置在所述长度方向的另一端并且相对地设置在所述连接臂的两侧。
6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括至少两个连接臂，所述至少两个连接臂首尾相接，并且相邻两个所述连接臂之间可枢转地连接。
7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括至少两组柔性传动组件和至少两个枢转轴，每一个所述连接臂的所述内腔中设置有至少一组所述柔性传动组件，设置在相邻两个所述连接臂的所述内腔中的所述柔性传动组件经由所述枢转轴连接。
8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述连接臂的所述内腔中设置有一组柔性传动组件，所述一组柔性传动组件包括一对转动轮和张紧在所述一对转动轮上的柔性件，所述一对转动轮分别设置在位于所述内腔的两端的所述侧部开口处，并且用于经由所述端部开口进入到所述内腔，所述枢转轴用于经由所述侧部开口与相邻两个所述连接臂的所述内腔中的所述转动轮相连。
9.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括用于封闭所述端部开口的端遮蔽件和用于封闭所述侧部开口的侧遮蔽件，所述侧遮蔽件设置在所述侧部开口处并且与所述连接臂相连。
10.一种机器人，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的机械臂。
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