CN113598958A - 手术机器人主手重力平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于主手重力平衡技术领域，涉及一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，包括主手前臂和主手上臂，主手上臂顶端上方设有固定台，固定台连接一轴顶盘转动，一轴顶盘与连接吊架一端固定连接，连接吊架另一端与水平二轴转动连接，水平二轴与主手上臂顶端固定连接；水平二轴分别连接二轴平衡机构固定和三轴驱动轮，三轴驱动轮上固定有三轴重力配重块，三轴驱动轮一处与前臂拉杆一端铰接，前臂拉杆另一端与主手前臂铰接，三轴驱动轮连接前臂拉杆位置与三轴重力配重块分别位于水平二轴两侧；三轴驱动轮与一轴顶盘之间通过弹簧拉力式平衡机构连接。本发明法提升了重力平衡的效果，能够降低手术过程中的主手能耗。

Description

手术机器人主手重力平衡装置及方法

技术领域

本发明涉及一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，属于主手重力平衡技术领域。

背景技术

手术机器人主手是外科大夫使用手术机器人进行外科手术的关键输入设备。主手的操作柔顺性和轻便性对于缓解外科大夫疲劳、顺利执行有非常大的意义。目前，手术机器人主手的重力平衡方法主要以动力学计算为主。利用动力学模型根据主手的运动实时计算并补偿由主手前臂和主手上臂重力引起的扭矩。这种平衡重力的方法增加运动电机功率消耗，从而增加整个设备的能耗。并且，由于目前补偿模型很难精确的建立，实际操作过程中的补偿效果不是很理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，该手术机器人主手重力平衡装置及方法提升了重力平衡的效果，能够降低手术过程中的主手能耗。

本发明所述的手术机器人主手重力平衡装置，包括主手前臂，主手前臂一端与主手上臂底端通过三轴铰接，主手前臂另一端连接有手柄；主手上臂顶端上方设有固定台，固定台通过竖直转轴与下方的一轴顶盘转动连接，固定台一端设有一轴电机，一轴电机的主轴与一轴顶盘一侧的圆弧曲面组成驱动副，一轴顶盘与连接吊架一端固定连接，连接吊架另一端与水平二轴转动连接，水平二轴与主手上臂顶端固定连接；水平二轴一端与二轴平衡机构固定连接，水平二轴另一端与三轴驱动轮转动连接，三轴驱动轮上固定有三轴重力配重块，三轴驱动轮一处与前臂拉杆一端铰接，前臂拉杆另一端与主手前臂铰接，三轴驱动轮连接前臂拉杆位置与三轴重力配重块分别位于水平二轴两侧；三轴驱动轮与一轴顶盘之间通过弹簧拉力式平衡机构连接；连接吊架上固定有三轴电机，三轴电机的主轴与三轴驱动轮外圈圆弧曲面组成驱动副。

工作过程中，将固定台与设备机架固定，然后进行重力平衡调整，使操纵主手较为轻松。主手前臂、前臂拉杆、主手上臂与前臂拉杆之间的三轴驱动轮和主手前臂行程一个平行四边形。主手前臂和主手上臂通过不同的机构进行重力平衡，主手上臂主要通过二轴平衡机构进行重力平衡；主手前臂重力的平衡包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过三轴重力配重块在三轴驱动轮内以杠杆原理最大限度内平衡主手前臂重力；二级动态平衡通过弹簧拉力式平衡机构实现，平衡主手前臂三轴重力配重块已平衡重力以外的重力。一轴电机和三轴电机分别与一轴顶盘一侧的圆弧曲面和三轴驱动轮外圈圆弧曲面构成驱动副，使操作手柄过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。

优选的，所述的弹簧拉力式平衡机构包括三轴挂耳，三轴挂耳一端与三轴驱动轮中心位置一侧固定连接，三轴挂耳另一端设有三轴导向轮长条式调节槽，三轴导向轮长条式调节槽内设有三轴导向轮；水平二轴正上方的一轴顶盘一侧设有中心导向轮，一轴顶盘上表面一端固定有弹簧导向轮，一轴顶盘上表面另一端与弹簧一端固定，三轴导向轮上挂有拉力线绳的一端，拉力线绳另一端先后绕过中心导向轮和弹簧导向轮后与弹簧另一端连接。

平衡作用原理：当主手前臂绕三轴转动脱离水平位置时，主手前臂重力引起的重力矩发生改变，主手前臂转动带动前臂拉杆动作，前臂拉杆动作带动三轴驱动轮转动，三轴驱动轮转动拉动三轴挂耳，三轴挂耳位置变动拉动拉力线绳，从而拉紧弹簧产生的扭矩；当选择恰当劲度系数的弹簧，并合理调节三轴挂耳与三轴驱动轮之间的相对位置，可以使得重力矩的改变与弹簧力矩的改变产生一致的变化，由于弹簧力矩与重力矩作用方向始终相反，从而使得两种力矩的改变相互抵消，最终实现动态重力平衡。三轴导向轮在三轴导向轮长条式调节槽内的具***置可以根据实际情况进行调节。

优选的，所述的二轴平衡机构包括二轴驱动轮和二轴挂耳，二轴驱动轮中心位置与水平二轴一端固定连接，二轴驱动轮上固定有二轴重力配重块，连接吊架上固定有二轴电机，二轴电机的主轴与二轴驱动轮外圈圆弧曲面组成驱动副；二轴挂耳一端与二轴驱动轮中心位置固定连接，二轴挂耳另一端设有二轴挂耳长条式调节槽，二轴挂耳长条式调节槽内设有滑动杆固定螺栓，一轴顶盘另一侧的水平二轴正上方设有导向杆固定螺栓；滑动杆固定螺栓连接滑动杆的一端，滑动杆的另一端设有多个磁铁安装槽一，磁铁安装槽一内固定有磁铁一；导向杆固定螺栓连接导向杆的一端，导向杆的另一端滑动槽，安装有磁铁一的滑动杆一端***滑动槽中，滑动槽的一侧设有多个磁铁安装槽二，磁铁安装槽二内固定有磁铁二，磁铁一与磁铁二相吸合。

主手上臂重力平衡也包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过二轴重力配重块在二轴驱动轮内以杠杆原理最大限度内平衡主手上臂重力，当主手上臂绕水平二轴转动脱离竖直位置时，二轴重力配重块重心与主手上臂重心偏离，二轴重力配重块重心和主手上臂重心分别位于水平二轴两侧，因此二轴重力配重块能够平衡部分主手上臂重力；二级动态平衡，当主手上臂绕水平二轴转动脱离竖直位置时，主手上臂重力引起的重力矩发生改变，二轴驱动轮转动拉动二轴挂耳，从而驱动滑动杆与导向杆发生相对位移，滑动杆与导向杆之间拉力发生改变，进而改变磁铁一与磁铁二之间拉力在二轴形成的拉力矩。由于磁铁一与磁铁二之间拉力变化与距离变化成反向关系，所以当滑动杆嵌入导向杆越大，则磁铁拉力就越大，形成的拉力矩就越大；此拉力力矩正好与主手上臂与前臂形成的重力矩方向相反。当恰当选择强磁铁和磁铁一与磁铁二的分布位置时，可最大程度上逼近主手上臂和前臂形成的重力矩，从而平衡主手前臂重力。主手上臂处于竖直状态时，二轴重力配重块重心位于主手上臂重心正上方。二轴电机与二轴驱动轮外圈圆弧曲面的配合，使主轴操作过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。磁铁一与磁铁二在磁铁安装槽一或磁铁安装槽二内的分布位置可以根据实际情况进行调整。

优选的，所述的与三轴驱动轮连接的三轴挂耳一端设有多个长圆弧调节孔一，螺栓穿过长圆弧调节孔一将三轴驱动轮和三轴挂耳锁紧固定。三轴挂耳的倾斜角度根据需要进行适当调整，用于调节初始重力平衡位置，起到调节力臂的作用，使弹簧拉力产生的扭矩能更好的对主手前臂重力进行平衡。

优选的，所述的与二轴驱动轮连接的二轴挂耳一端设有多个长圆弧调节孔二，螺栓穿过长圆弧调节孔二将二轴驱动轮与二轴挂耳锁紧固定。二轴挂耳与二轴重力配重块之间的位置关系可以根据需要进行适当调整，用于调节初始重力平衡位置，起到调节力臂的作用，使磁铁一与磁铁二之间的磁铁力能够更好的平衡重力。

优选的，所述的三轴导向轮通过螺栓一与螺母一的配合固定在三轴导向轮长条式调节槽内，与螺母与一相贴紧的三轴导向轮长条式调节槽外周底面为三轴挂耳齿形底面，能够有效防止三轴导向轮位置发生非必要前后移动。

优选的，所述的滑动杆固定螺栓与滑动杆固定螺母配合确定滑动杆固定螺栓在二轴挂耳长条式调节槽内的位置，与滑动杆固定螺母相贴紧的二轴挂耳长条式调节槽外周底面为二轴挂耳齿形底面，能够有效防止滑动杆与导向杆之间发生非必要相对位移。

优选的，所述的三轴重力配重块为扇形环状，并且三轴重力配重块设置在远三轴驱动轮中心端，三轴重力配重块形成的转动惯量大，可以有效降低三轴固有振动频率，从而抑制三轴控制引起的高频振动。

优选的，所述的二轴重力配重块为扇形环状，并且二轴重力配重块设置在远二轴驱动轮中心端，二轴重力配重块形成的转动惯量大，可以有效降低水平二轴固有振动频率，从而抑制水平二轴控制引起的高频振动。

本发明所述的手术机器人主手重力平衡方法，具体步骤如下所述，

步骤一、根据主手前臂重心位置、质量和三轴驱动轮上的安装空间限制计算出合适的三轴重力配重块，基于杠杆原理将主手前臂的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用弹簧拉力式平衡机构进行平衡；

步骤二、根据主手前臂重心位置和三轴驱动轮初步选取拉力弹簧劲度系数，将三轴挂耳安装在与水平线成-45°的位置，适当调节三轴导向轮的位置以使得平衡力矩与实际主手前臂的重力力矩的偏差为最小，然后再调整三轴挂耳位置，使得主手前臂在水平时弹簧拉力矩为最大；当重力平衡效果不理想时，再选择其它劲度系数弹簧，重复本步骤；

步骤三、根据主手上臂重心位置、质量和二轴驱动轮上的安装空间限制计算出合适的二轴重力配重块，基于杠杆原理将主手上臂的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用磁铁拉力式平衡装置进行平衡；

步骤四、初步选取磁铁块并安装在滑动杆和导向杆上；二轴挂耳与竖直方向的夹角需要根据主手上臂的重心与水平二轴的位置关系调整，同时也考虑主手前臂在水平二轴上形成的静力矩；调整滑动杆固定螺栓在二轴挂耳长条式调节槽的位置可以有效调整滑动杆与导向杆之间相对滑动的距离，从而调整磁铁一与磁铁二之间的作用距离；

步骤五、在调整完水平二轴重力平衡后，若三轴平衡出现偏差，需参照步骤2中方法再次调整三轴挂耳的位置和\或三轴导向轮的位置，使三轴平衡效果取得最佳。

以上步骤中提到的判断或测量重力平衡效果，可在主手前臂或主手上臂远端安装弹簧拉力计来计量平衡掉的重力矩。

三轴重力配重块的大小计算：以水平二轴为支点，利用杠杆原理计算主手前臂重力通过前臂拉杆、三轴挂耳给三轴驱动轮形成的重力矩，再根据三轴重力配重块的安装位置计算出相应的质量大小。二轴重力配重块的大小计算：以水平二轴为支点，利用杠杆原理计算主手上臂重力通过二轴挂耳给二轴驱动轮形成的重力矩，再根据二轴配置块的安装位置计算出相应的质量大小。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本发明中三轴处的重力平衡和水平二轴处的重力平衡均分别包括一级静态平衡和二级动态平衡；一级静态平衡是分别通过三轴重力配重块和二轴重力配重块实现的，二级动态平衡分别通过弹簧拉力和磁铁吸力进行平衡的，整个重力平衡过程中没有运动电机功率消耗，降低了整个设备的功率消耗，并且不需要建立补充模型，机械结构调节，重力平衡效果较为理想。

附图说明

图1是手术机器人主手重力平衡装置结构示意图；

图2是三轴驱动轮部分结构示意图；

图3是二轴驱动轮部分结构示意图；

图4是三轴挂耳结构示意图；

图5是二轴挂耳结构示意图；

图6是导向杆结构示意图；

图7是滑动杆结构示意图；

图8是手术机器人主手重力平衡装置后视图；

图9是弹簧力矩形成原理图。

图中：1、固定台；2、转轴；3、一轴电机；4、一轴顶盘；5、二轴电机；6、三轴电机；7、三轴驱动轮；8、三轴重力配重块；9、主手上臂；10、三轴；11、主手前臂；12、前臂拉杆；13、水平二轴；14、手柄；15、拉力线绳；16、连接吊架；17、弹簧；18、中心导向轮；19、弹簧导向轮；20、三轴导向轮；21、三轴导向轮长条式调节槽；22、三轴挂耳；23、导向杆；24、滑动杆；25、滑动杆固定螺栓；26、二轴挂耳；27、二轴重力配重块；28、二轴驱动轮；29、导向杆固定螺栓；30、长圆弧调节孔一；31、三轴挂耳齿形底面；32、长圆弧调节孔二；33、二轴挂耳齿形底面；34、二轴挂耳长条式调节槽；35、磁铁安装槽二；36、磁铁二；37、滑动槽；38、磁铁安装槽一；39、磁铁一。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1和图9，本发明所述的手术机器人主手重力平衡装置，包括主手前臂11，主手前臂11一端与主手上臂9底端通过三轴10铰接，主手前臂11另一端连接有手柄14；主手上臂9顶端上方设有固定台1，固定台1通过竖直转轴2与下方的一轴顶盘4转动连接，固定台1一端设有一轴电机3，一轴电机3的主轴与一轴顶盘4一侧的圆弧曲面组成驱动副，一轴顶盘4与连接吊架16一端固定连接，连接吊架16另一端与水平二轴13转动连接，水平二轴13与主手上臂9顶端固定连接；水平二轴13一端与二轴平衡机构固定连接，水平二轴13另一端与三轴驱动轮7转动连接，三轴驱动轮7上固定有三轴重力配重块8，三轴驱动轮7一处与前臂拉杆12一端铰接，前臂拉杆12另一端与主手前臂11铰接，三轴驱动轮7连接前臂拉杆12位置与三轴重力配重块8分别位于水平二轴13两侧；三轴驱动轮7与一轴顶盘4之间通过弹簧拉力式平衡机构连接；连接吊架16上固定有三轴电机6，三轴电机6的主轴与三轴驱动轮7外圈圆弧曲面组成驱动副。

本实施例中：

弹簧17拉力式平衡机构包括三轴挂耳22，三轴挂耳22一端与三轴驱动轮7中心位置一侧固定连接，三轴挂耳22另一端设有三轴导向轮长条式调节槽21，三轴导向轮长条式调节槽21内设有三轴导向轮20；水平二轴13正上方的一轴顶盘4一侧设有中心导向轮18，一轴顶盘4上表面一端固定有弹簧导向轮19，一轴顶盘4上表面另一端与弹簧17一端固定，三轴导向轮20上挂有拉力线绳15的一端，拉力线绳15另一端先后绕过中心导向轮18和弹簧导向轮19后与弹簧17另一端连接。

平衡作用原理：当主手前臂11绕三轴10转动脱离水平位置时，主手前臂11重力引起的重力矩发生改变，主手前臂11转动带动前臂拉杆12动作，前臂拉杆12动作带动三轴驱动轮7转动，三轴驱动轮7转动拉动三轴挂耳22，三轴挂耳22位置变动拉动拉力线绳15，从而拉紧弹簧17产生的扭矩；当选择恰当劲度系数的弹簧17，并合理调节三轴挂耳22与三轴驱动轮7之间的相对位置，可以使得重力矩的改变与弹簧17力矩的改变产生一致的变化，由于弹簧17力矩与重力矩作用方向始终相反，从而使得两种力矩的改变相互抵消，最终实现动态重力平衡。三轴导向轮20在三轴导向轮长条式调节槽21内的具***置可以根据实际情况进行调节。

二轴平衡机构包括二轴驱动轮28和二轴挂耳26，二轴驱动轮28中心位置与水平二轴13一端固定连接，二轴驱动轮28上固定有二轴重力配重块27，连接吊架16上固定有二轴电机5，二轴电机5的主轴与二轴驱动轮28外圈圆弧曲面组成驱动副；二轴挂耳26一端与二轴驱动轮28中心位置固定连接，二轴挂耳26另一端设有二轴挂耳长条式调节槽34，二轴挂耳长条式调节槽34内设有滑动杆固定螺栓25，一轴顶盘4另一侧的水平二轴13正上方设有导向杆固定螺栓29；滑动杆固定螺栓25连接滑动杆24的一端，滑动杆24的另一端设有多个磁铁安装槽一38，磁铁安装槽一38内固定有磁铁一39；导向杆固定螺栓29连接导向杆23的一端，导向杆23的另一端滑动槽37，安装有磁铁一39的滑动杆24一端***滑动槽37中，滑动槽37的一侧设有多个磁铁安装槽二35，磁铁安装槽二35内固定有磁铁二36，磁铁一39与磁铁二36相吸合。

主手上臂9重力平衡也包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过二轴重力配重块27在二轴驱动轮28内以杠杆原理最大限度内平衡主手上臂9重力，当主手上臂9绕水平二轴13转动脱离竖直位置时，二轴重力配重块27重心与主手上臂9重心偏离，二轴重力配重块27重心和主手上臂9重心分别位于水平二轴13两侧，因此二轴重力配重块27能够平衡部分主手上臂9重力；二级动态平衡，当主手上臂9绕水平二轴13转动脱离竖直位置时，主手上臂9重力引起的重力矩发生改变，二轴驱动轮28转动拉动二轴挂耳26，从而驱动滑动杆24与导向杆23发生相对位移，滑动杆24与导向杆23之间拉力发生改变，进而改变磁铁一39与磁铁二36之间拉力在二轴形成的拉力矩。由于磁铁一39与磁铁二36之间拉力变化与距离变化成反向关系，所以当滑动杆24嵌入导向杆23越大，则磁铁拉力就越大，形成的拉力矩就越大；此拉力力矩正好与主手上臂9与前臂形成的重力矩方向相反。当恰当选择强磁铁和磁铁一39与磁铁二36的分布位置时，可最大程度上逼近主手上臂9和前臂形成的重力矩，从而平衡主手前臂11重力。主手上臂9处于竖直状态时，二轴重力配重块27重心位于主手上臂9重心正上方。二轴电机5与二轴驱动轮28外圈圆弧曲面的配合，使主轴操作过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。磁铁一39与磁铁二36在磁铁安装槽一38或磁铁安装槽二35内的分布位置可以根据实际情况进行调整。

与三轴驱动轮7连接的三轴挂耳22一端设有多个长圆弧调节孔一30，螺栓穿过长圆弧调节孔一30将三轴驱动轮7和三轴挂耳22锁紧固定。三轴挂耳22的倾斜角度根据需要进行适当调整，用于调节初始重力平衡位置，起到调节力臂的作用，使弹簧17拉力产生的扭矩能更好的对主手前臂11重力进行平衡。

与二轴驱动轮28连接的二轴挂耳26一端设有多个长圆弧调节孔二32，螺栓穿过长圆弧调节孔二32将二轴驱动轮28与二轴挂耳26锁紧固定。二轴挂耳26与二轴重力配重块27之间的位置关系可以根据需要进行适当调整，用于调节初始重力平衡位置，起到调节力臂的作用，使磁铁一39与磁铁二36之间的磁铁力能够更好的平衡重力。

三轴导向轮20通过螺栓一与螺母一的配合固定在三轴导向轮长条式调节槽21内，与螺母与一相贴紧的三轴导向轮长条式调节槽21外周底面为三轴挂耳齿形底面31，能够有效防止三轴导向轮20位置发生非必要前后移动。

滑动杆固定螺栓25与滑动杆24固定螺母配合确定滑动杆固定螺栓25在二轴挂耳长条式调节槽34内的位置，与滑动杆24固定螺母相贴紧的二轴挂耳长条式调节槽34外周底面为二轴挂耳齿形底面33，能够有效防止滑动杆24与导向杆23之间发生非必要相对位移。

三轴重力配重块8为扇形环状，并且三轴重力配重块8设置在远三轴驱动轮7中心端，三轴重力配重块8形成的转动惯量大，可以有效降低三轴10固有振动频率，从而抑制三轴10控制引起的高频振动。

二轴重力配重块27为扇形环状，并且二轴重力配重块27设置在远二轴驱动轮28中心端，二轴重力配重块27形成的转动惯量大，可以有效降低水平二轴13固有振动频率，从而抑制水平二轴13控制引起的高频振动。

重力平衡，是平衡掉主手上臂9和主手前臂11自重引起的在水平二轴13和三轴10上力矩，保持主手操作过程中基本不受重力影响。

工作过程中，将固定台1与设备机架固定，然后进行重力平衡调整，使操纵主手14较为轻松。主手前臂11、前臂拉杆12、主手上臂9与前臂拉杆12之间的三轴驱动轮7和主手前臂11行程一个平行四边形。主手前臂11重力的平衡包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过三轴重力配重块8在三轴驱动轮7内以杠杆原理最大限度内平衡主手前臂11重力；二级动态平衡通过弹簧17拉力式平衡机构实现，平衡主手前臂11三轴重力配重块8已平衡重力以外的重力。一轴电机3和三轴电机6分别与一轴顶盘4一侧的圆弧曲面和三轴驱动轮7外圈圆弧曲面的配合，使主轴操作过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。

手术机器人主手14重力平衡方法，具体步骤如下所述，

步骤一、根据主手前臂11重心位置、质量和三轴驱动轮7上的安装空间限制计算出合适的三轴重力配重块8，基于杠杆原理将主手前臂11的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用弹簧17拉力式平衡机构进行平衡；

步骤二、根据主手前臂11重心位置和三轴驱动轮7初步选取拉力弹簧17劲度系数，将三轴挂耳22安装在与水平线成-45°的位置，适当调节三轴导向轮20的位置以使得平衡力矩与实际主手前臂11的重力力矩的偏差为最小，然后再调整三轴挂耳22位置，使得主手前臂11在水平时弹簧17拉力矩为最大；当重力平衡效果不理想时，再选择其它劲度系数弹簧17，重复本步骤；

步骤三、根据主手上臂9重心位置、质量和二轴驱动轮28上的安装空间限制计算出合适的二轴重力配重块27，基于杠杆原理将主手上臂9的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用磁铁拉力式平衡装置进行平衡；

步骤四、初步选取磁铁块并安装在滑动杆24和导向杆23上；二轴挂耳26与竖直方向的夹角需要根据主手上臂9的重心与水平二轴13的位置关系调整，同时也考虑主手前臂11在水平二轴13上形成的静力矩；调整滑动杆固定螺栓25在二轴挂耳长条式调节槽34的位置可以有效调整滑动杆24与导向杆23之间相对滑动的距离，从而调整磁铁一39与磁铁二36之间的作用距离；

步骤五、在调整完水平二轴13重力平衡后，若三轴10平衡出现偏差，需参照步骤2中方法再次调整三轴挂耳22的位置和\或三轴导向轮20的位置，使三轴10平衡效果取得最佳。

步骤二实际是弹簧17拉力平衡重力矩，

当手术机器人主手前臂11绕三轴10轴线转动时拉动前臂拉杆12，从而拉动三轴驱动轮7发生转动，三轴驱动轮7带动三轴挂耳22绕三轴驱动轮7轴线转动；三轴挂耳22通过拉力线绳15将作用力传导到弹簧17上。由于三轴挂耳22的旋转运动导致弹簧17在三轴驱动轮7轴线上的力臂是变化的，同时拉力弹簧17的拉力也是非线性变化的，所以拉力弹簧17形成的力矩也是非线性的。如图9所示，拉力弹簧17形成的力矩可以按下式计算：

其中，T为弹簧17的拉力矩，k为弹簧17的劲度系数，l为弹簧17的伸长量，l₀为弹簧17初始伸长量，r为挂耳导向轮到三轴10轴线的距离，mr为以r为半径的圆顶端至中心导向轮18的距离，θ为三轴挂耳22与水平线之间的夹角。从式可以看出，r越大弹簧17形成的力矩越大。

初始时，当手术机器人主手前臂11中心与三轴10在一个水平面上时，θ为45°时，弹簧17形成最大力矩。当三轴挂耳22偏离这个角度时，不管那个方向力矩都会减小，正好符合主手前臂11偏离水平位置时，其重力形成力矩也减少的规律。因此，选择适当的劲度系数k可以有效平衡主手前臂11形成的力矩。

在实际应用中，主手前臂11的中心一般不会通过三轴10轴线，因此拉力弹簧17形成最大力矩时三轴挂耳22的角度θ也不可能正好在45°上，所以需要用三轴导向轮长条式调节槽21进行角度调整。

在弹簧17选定后，劲度系数k也随之确定，为了更精确调整平衡效果，可以适当调节r以使得平衡力矩与实际主手前臂11的重力力矩的偏差。调节r是通过调节三轴导向轮20的位置完成的。

当完成三轴挂耳22角度和三轴导向轮20位置调整后，就完成了弹簧17拉力式平衡重力矩平衡。

步骤四是水平二轴13磁铁拉力式重力平衡，由于空间限制，手术机器人主手14基本上垂直向下的安装，所以水平二轴13重力矩不能采用弹簧17拉力式平衡方法进行重力矩平衡，因为弹簧17拉力无法与重力形成杠杆作用。因此，本发明选取磁铁拉力式平衡方法，因为磁铁的新引力与距离成反向关系，与弹簧17的拉力与位移成比例关系的现象相反，可以与重力矩形成杠杆作用。

因磁铁之间的作用力相当复杂，所以无法给出相应的计算公式。需根据实际来调整磁铁块的大小和数量以适应主手上臂9的重力平衡需要。二轴挂耳26与竖直方向的夹角需要根据主手上臂9的重心与二轴轴线的位置关系调整，同时也考虑主手前臂11在二轴上形成的静力矩。调整滑动杆固定螺栓25在二轴挂耳长条式调节槽34内的位置可以有效调整滑动杆24与导向杆23之间相对滑动的距离，从而调整磁铁之间的作用距离。

以上步骤中提到的判断或测量重力平衡效果，可在主手前臂11或主手上臂9远端安装弹簧拉力计来计量平衡掉的重力矩。

三轴重力配重块8的大小计算：以水平二轴13为支点，利用杠杆原理计算主手前臂11重力通过前臂拉杆12、三轴挂耳22给三轴驱动轮7形成的重力矩，再根据三轴重力配重块8的安装位置计算出相应的质量大小。二轴重力配重块27的大小计算：以水平二轴13为支点，利用杠杆原理计算主手上臂9重力通过二轴挂耳26给二轴驱动轮28形成的重力矩，再根据二轴重力配重块27的安装位置计算出相应的质量大小。

Claims (10)

1.一种手术机器人主手重力平衡装置，包括主手前臂(11)，主手前臂(11)一端与主手上臂(9)底端通过三轴(10)铰接，主手前臂(11)另一端连接有手柄(14)；主手上臂(9)顶端上方设有固定台(1)，固定台(1)通过竖直转轴(2)与下方的一轴顶盘(4)转动连接，固定台(1)一端设有一轴电机(3)，一轴电机(3)的主轴与一轴顶盘(4)一侧的圆弧曲面组成驱动副，其特征在于：一轴顶盘(4)与连接吊架(16)一端固定连接，连接吊架(16)另一端与水平二轴(13)转动连接，水平二轴(13)与主手上臂(9)顶端固定连接；水平二轴(13)一端与二轴平衡机构固定连接，水平二轴(13)另一端与三轴驱动轮(7)转动连接，三轴驱动轮(7)上固定有三轴重力配重块(8)，三轴驱动轮(7)一处与前臂拉杆(12)一端铰接，前臂拉杆(12)另一端与主手前臂(11)铰接，三轴驱动轮(7)连接前臂拉杆(12)位置与三轴重力配重块(8)分别位于水平二轴(13)两侧；三轴驱动轮(7)与一轴顶盘(4)之间通过弹簧拉力式平衡机构连接；连接吊架(16)上固定有三轴电机(6)，三轴电机(6)的主轴与三轴驱动轮(7)外圈圆弧曲面组成驱动副。

2.根据权利要求1所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：弹簧拉力式平衡机构包括三轴挂耳(22)，三轴挂耳(22)一端与三轴驱动轮(7)中心位置一侧固定连接，三轴挂耳(22)另一端设有三轴导向轮长条式调节槽(21)，三轴导向轮长条式调节槽(21)内设有三轴导向轮(20)；水平二轴(13)正上方的一轴顶盘(4)一侧设有中心导向轮(18)，一轴顶盘(4)上表面一端固定有弹簧导向轮(19)，一轴顶盘(4)上表面另一端与弹簧(17)一端固定，三轴导向轮(20)上挂有拉力线绳(15)的一端，拉力线绳(15)另一端先后绕过中心导向轮(18)和弹簧导向轮(19)后与弹簧(17)另一端连接。

3.根据权利要求1所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：二轴平衡机构包括二轴驱动轮(28)和二轴挂耳(26)，二轴驱动轮(28)中心位置与水平二轴(13)一端固定连接，二轴驱动轮(28)上固定有二轴重力配重块(27)，连接吊架(16)上固定有二轴电机(5)，二轴电机(5)的主轴与二轴驱动轮(28)外圈圆弧曲面组成驱动副；二轴挂耳(26)一端与二轴驱动轮(28)中心位置固定连接，二轴挂耳(26)另一端设有二轴挂耳长条式调节槽(34)，二轴挂耳长条式调节槽(34)内设有滑动杆固定螺栓(25)，一轴顶盘(4)另一侧的水平二轴(13)正上方设有导向杆固定螺栓(29)；滑动杆固定螺栓(25)连接滑动杆(24)的一端，滑动杆(24)的另一端设有多个磁铁安装槽一(38)，磁铁安装槽一(38)内固定有磁铁一(39)；导向杆固定螺栓(29)连接导向杆(23)的一端，导向杆(23)的另一端滑动槽(37)，安装有磁铁一(39)的滑动杆(24)一端***滑动槽(37)中，滑动槽(37)的一侧设有多个磁铁安装槽二(35)，磁铁安装槽二(35)内固定有磁铁二(36)，磁铁一(39)与磁铁二(36)相吸合。

4.根据权利要求2所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：与三轴驱动轮(7)连接的三轴挂耳(22)一端设有多个长圆弧调节孔一(30)，螺栓穿过长圆弧调节孔一(30)将三轴驱动轮(7)和三轴挂耳(22)锁紧固定。

5.根据权利要求3所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：与二轴驱动轮(28)连接的二轴挂耳(26)一端设有多个长圆弧调节孔二(32)，螺栓穿过长圆弧调节孔二(32)将二轴驱动轮(28)与二轴挂耳(26)锁紧固定。

6.根据权利要求2所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：三轴导向轮(20)通过螺栓一与螺母一的配合固定在三轴导向轮长条式调节槽(21)内，与螺母与一相贴紧的三轴导向轮长条式调节槽(21)外周底面为三轴挂耳齿形底面(31)。

7.根据权利要求3所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：滑动杆固定螺栓(25)与滑动杆固定螺母配合确定滑动杆固定螺栓(25)在二轴挂耳长条式调节槽(34)内的位置，与滑动杆固定螺母相贴紧的二轴挂耳长条式调节槽(34)外周底面为二轴挂耳齿形底面(33)。

8.根据权利要求1所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：三轴重力配重块(8)为扇形环状，并且三轴重力配重块(8)设置在远三轴驱动轮(7)中心端。

9.根据权利要求3所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：二轴重力配重块(27)为扇形环状，并且二轴重力配重块(27)设置在远二轴驱动轮(28)中心端。

10.一种手术机器人主手重力平衡方法，应用权利要求1-9所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：具体步骤如下所述，

步骤一、根据主手前臂(11)重心位置、质量和三轴驱动轮(7)上的安装空间限制计算出合适的三轴重力配重块(8)，基于杠杆原理将主手前臂(11)的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用弹簧拉力式平衡机构进行平衡；

步骤二、根据主手前臂(11)重心位置和三轴驱动轮(7)初步选取拉力弹簧(17)劲度系数，将三轴挂耳(22)安装在与水平线成-45°的位置，适当调节三轴导向轮(20)的位置以使得平衡力矩与实际主手前臂(11)的重力力矩的偏差为最小，然后再调整三轴挂耳(22)位置，使得主手前臂(11)在水平时弹簧(17)拉力矩为最大；当重力平衡效果不理想时，再选择其它劲度系数弹簧(17)，重复本步骤；

步骤三、根据主手上臂(9)重心位置、质量和二轴驱动轮(28)上的安装空间限制计算出合适的二轴重力配重块(27)，基于杠杆原理将主手上臂(9)的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用磁铁拉力式平衡装置进行平衡；

步骤四、初步选取磁铁块并安装在滑动杆(24)和导向杆(23)上；二轴挂耳(26)与竖直方向的夹角需要根据主手上臂(9)的重心与水平二轴(13)的位置关系调整，同时也考虑主手前臂(11)在水平二轴(13)上形成的静力矩；调整滑动杆固定螺栓(25)在二轴挂耳长条式调节槽(34)的位置可以有效调整滑动杆(24)与导向杆(23)之间相对滑动的距离，从而调整磁铁一(39)与磁铁二(36)之间的作用距离；

步骤五、在调整完水平二轴(13)重力平衡后，若三轴(10)平衡出现偏差，需参照步骤2中方法再次调整三轴挂耳(22)的位置和\或三轴导向轮(20)的位置，使三轴(10)平衡效果取得最佳。

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