CN114027988B - 一种三自由度连续体机器人主操作手及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度连续体机器人主操作手，包括：基座，所述基座上设置有扁平伺服电机；水平转动机构，包括圆盘转动平台，通过螺栓与扁平伺服电机的外转子固定连接；前后进给机构，包括滑轨支撑盘，连接圆盘转动平台；偏摆机构，包括连杆结构，所述连杆结构为左右对称设置。所述扁平伺服电机的内转子通过螺栓固定在基座上。本发明通过对连续体操作臂自由度分析，提出了一种具有关节映射关系的主操作手，可实现直觉操作，有效提高操作者的沉浸感。本发明通过关节映射关系，简化主操作手结构，可以有效降低主操作手的加工制造成本。

Description

一种三自由度连续体机器人主操作手及其工作方法

技术领域

本发明涉及微创手术机器人技术领域，特别是涉及一种三自由度连续体机器人主操作手及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在腹腔镜微创手术及自然腔道微创手术实施过程中，由于工作空间狭窄，刚性手术器械难以应用等问题，连续体结构已广泛应用于微创手术器械的开发。但连续体结构操作臂与刚性结构操作臂在控制方式方面具有明显的差异，这造成了现有主操作手在执行连续体操作臂控制时存在很多不足。

当前商业应用的主手大体可分为两类，一类是以touch主操作手为代表的串联型主手，一类是以Omiga.7为代表的delta结构并联主操作手。虽然现有商用主手在自由度配置方面能够覆盖连续体操作臂的控制要求，但是现有主操作手在主从映射时，无法与连续体操作臂形成关节映射，影响操作人员的沉浸感。现有主操作手在进行连续体操作臂控制时，过多的自由度造成了冗余，使的主手设备价格高昂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种三自由度连续体机器人主操作手及其工作方法，其能够在控制过程中形成直观的关节映射关系，提高控制的沉浸感，同时所有力反馈电机与传感器固定于基座，降低操作部的惯量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种三自由度连续体机器人主操作手，包括：

基座，所述基座上设置有扁平伺服电机；

水平转动机构，包括圆盘转动平台，通过螺栓与扁平伺服电机的外转子固定连接；

前后进给机构，包括滑轨支撑盘，连接圆盘转动平台；

偏摆机构，包括连杆结构，所述连杆结构为左右对称设置。

进一步地，所述扁平伺服电机的内转子通过螺栓固定在基座上。

进一步地，所述扁平伺服电机内置绝对值编码器，用于检测圆盘转动平台与基座之间转动角度。

进一步地，所述圆盘转动平台上的转盘轴销孔内设置有螺栓四根滑轨支撑臂，所述螺栓四根滑轨支撑臂与滑轨支撑盘固定连接。

进一步地，所述滑轨支撑盘上下分别设置有上滑轨和下滑轨。

进一步地，所述上滑轨和下滑轨中间设置有手柄，所述手柄、上滑块与下滑块通过转轴连接。

进一步地，所述手柄左右两端分别设置有手柄左连杆和手柄右连杆。

进一步地，所述连杆结构包括左连杆结构，所述左连杆结构包括左臂第一连杆、左臂第二连杆、左臂第三连杆和左臂第四连杆，共同组成平行四边形结构。

进一步地，所述连杆结构还包括右连杆结构，所述右连杆结构包括右臂第一连杆、右臂第二连杆、右臂第三连杆和右臂第四连杆，共同组成平行四边形结构。

第二方面，本发明提供一种三自由度连续体机器人主操作手工作方法，包括：

通过基座固定扁平伺服电机；

通过圆盘转动平台与扁平伺服电机连接，进行水平转动；

通过滑轨支撑盘上的上滑块与下滑块可同步分别在上滑轨和下滑轨内前后运动；

通过扁平伺服电机内置的绝对值编码器，用于检测圆盘转动平台与基座之间转动角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对连续体操作臂自由度分析，提出了一种具有关节映射关系的主操作手，可实现直觉操作，有效提高操作者的沉浸感。

本发明通过关节映射关系，简化主操作手结构，可以有效降低主操作手的加工制造成本。

本发明将所有自由度力反馈电机安装于基座，有效降低了操作部的转动惯量，提高了操作的灵活性。

附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例1提供的主操作手的结构示意图；

图2为本实施例1提供的主操作手的俯视图；

图3为本实施例1提供的连续体操作臂与主操作手自由度对应关系示意图；

其中：1.基座、2.圆盘转动平台、2-1.转盘轴销孔、3.滑轨支撑臂、4.滑轨支撑盘、4-1.支撑盘轴销孔、5.上滑轨、6.下滑块、7.上滑块、8-1.左臂关节2电机、8-2.左臂关节1电机、9-1.右臂关节2电机、9-2.右臂关节1电机、10.手柄、10-1.手柄左连杆、10-2.手柄右连杆、11.左臂第一连杆、12.左臂第二连杆、13.左臂第三连杆、14.下滑轨、15.左臂第四连杆、16、右臂第一连杆、17.右臂第四连杆、18.右臂第二连杆、19.扁平伺服电机、20.连续体操作臂外套管、21.连续体操作臂。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

第一方面，本发明提供一种三自由度连续体机器人主操作手，包括：

基座，所述基座上设置有扁平伺服电机；

水平转动机构，包括圆盘转动平台，通过螺栓与扁平伺服电机的外转子固定连接；

前后进给机构，包括滑轨支撑盘，连接圆盘转动平台；

偏摆机构，包括连杆结构，所述连杆结构为左右对称设置。

所述扁平伺服电机的内转子通过螺栓固定在基座上。

所述扁平伺服电机内置绝对值编码器，用于检测圆盘转动平台与基座之间转动角度。

所述圆盘转动平台上的转盘轴销孔内设置有螺栓四根滑轨支撑臂，所述螺栓四根滑轨支撑臂与滑轨支撑盘固定连接。

所述滑轨支撑盘上下分别设置有上滑轨和下滑轨。

所述上滑轨和下滑轨中间设置有手柄，所述手柄、上滑块与下滑块通过转轴连接。

所述手柄左右两端分别设置有手柄左连杆和手柄右连杆。

所述连杆结构包括左连杆结构，所述左连杆结构包括左臂第一连杆、左臂第二连杆、左臂第三连杆和左臂第四连杆，共同组成平行四边形结构。

所述连杆结构还包括右连杆结构，所述右连杆结构包括右臂第一连杆、右臂第二连杆、右臂第三连杆和右臂第四连杆，共同组成平行四边形结构。

具体的，

一种用于连续体手术机器人的主操作手，包括基座、水平转动机构、前后进给机构和偏摆机构，4个部分共有3个自由度，各个自由度均可以由主动电机提供力反馈。

通过图1与图2说明主操作手的结构，为清楚说明主操作手结构原理，在图2俯视图中隐藏了滑轨支撑臂3。图2中扁平伺服电机19的内转子通过螺栓固定在基座1上，圆盘转动平台2通过螺栓与扁平伺服电机20的外转子固定连接，因此圆盘转动平台2可通过电机相对基座发生转动。因为扁平伺服电机19内置绝对值编码器，因此通过扁平伺服电机19不但可以向操作者提供力反馈，同时可以检测圆盘转动平台2与基座1之间转动角度。

通过转盘轴销孔2-1内的螺栓四根滑轨支撑臂3与圆盘转动平台2固定连接。滑轨支撑盘4上设置有支撑盘轴销孔4-1，通过螺栓四根滑轨支撑臂3与滑轨支撑盘4固定连接。滑轨支撑盘4上下安装有上滑轨5和下滑轨14。上滑块7与下滑块6中间设置有手柄10，手柄10、上滑块7与下滑块6通过转轴连接，因此上滑块7与下滑块6可同步在上下滑轨内前后运动。

如图2俯视图所示，手柄10左右两端设置有手柄左连杆10-1和手柄右连杆10-2，由于主操作手连杆结构为左右对称设置，现就图2所示的下半部分做详细说明。左臂第一连杆11共分为两端，一端设置单孔，一端设置双孔。手柄左连杆10-1通过轴销与左臂第一连杆11单孔端链接，手柄左连杆10-1与左臂第一连杆11间可自由转动。左臂第一连杆11双孔端的次末端孔与左臂第四连杆15一端通过转轴连接，左臂第四连杆15的另一端与左臂关节1电机8-2固定连接。左臂第一连杆11双孔端的末端孔与左臂第二连杆12的一端通过转轴连接，左臂第二连杆12的另外一端与左臂第三连杆13的一端通过转轴连接，左臂第三连杆13的另一端与左臂关节2电机8-1固定连接。左臂第四连杆15两孔间距离与左臂第二连杆12两孔间距离长度相同，左臂第三连杆13两孔间距离与左臂第一连杆11双孔端两孔间距离相同，因此左臂第四连杆15与左臂第二连杆12平行，左臂第三连杆13与左臂第四连杆15平行，左臂第一连杆11、左臂第二连杆12、左臂第三连杆13、左臂第四连杆15构成了平行四边形结构。主操作手右侧具有相同的连杆间传动结构，在此不做赘述。

左臂关节2电机8-1、左臂关节1电机8-2、9-1.右臂关节2电机、9-2.右臂关节1电机均为内置绝对值编码器的伺服电机。左臂第四连杆15与左臂关节1电机8-2为固定连接，则左臂第四连杆15与圆盘转动平台2之间的夹角可通过左臂关节1电机8-2内置编码器检测。左臂第一连杆11、左臂第二连杆12、左臂第三连杆13、左臂第四连杆15构成了平行四边形结构，又左臂第三连杆13与左臂关节2电机8-1固定连接，则左臂第四连杆15与左臂第一连杆11间的夹角可通过左臂关节2电机8-1检测。右侧连杆间角度检测原理相同，在此不做赘述。在各个连杆长度已知情况下，可通过电机检测获取的关节角度，计算手柄10左右偏航角度和前后平移距离。

通过图3说明主操作手与连续体操作臂间关节映射关系。连续体操作臂21可相对于固定安装的连续体操作臂外套管20前后平移(如a所示)，对应于主操作手手柄10的前后平移(如A所示)。连续体操作臂21具备所示上下弯曲自由度(如c所示)，对应于主操作手手柄10的左右偏航角度(如B所示)。连续体操作臂21可绕连续体操作臂外套管20中心轴线旋转(如b所示)，对应于主操作手手柄10绕圆盘转动平台2中心轴线旋转。

实施例2.

第二方面，本发明提供一种三自由度连续体机器人主操作手工作方法，包括：

通过基座固定扁平伺服电机；

通过圆盘转动平台与扁平伺服电机连接，进行水平转动；

通过滑轨支撑盘上的上滑块与下滑块可同步分别在上滑轨和下滑轨内前后运动；

通过扁平伺服电机内置的绝对值编码器，用于检测圆盘转动平台与基座之间转动角度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种三自由度连续体机器人主操作手，其特征在于，包括：

基座，所述基座上设置有扁平伺服电机；

水平转动机构，包括圆盘转动平台，通过螺栓与扁平伺服电机的外转子固定连接；

前后进给机构，包括滑轨支撑盘，连接圆盘转动平台；

偏摆机构，包括连杆结构，所述连杆结构为左右对称设置；

所述扁平伺服电机内置绝对值编码器，用于检测圆盘转动平台与基座之间转动角度；

所述圆盘转动平台上的转盘轴销孔内设置有螺栓四根滑轨支撑臂，所述螺栓四根滑轨支撑臂与滑轨支撑盘固定连接；

所述滑轨支撑盘上下分别设置有上滑轨和下滑轨；

所述上滑轨和下滑轨中间设置有手柄，所述手柄、上滑块与下滑块通过转轴连接；上滑块与下滑块可同步在上下滑轨内前后运动。

2.如权利要求1所述的一种三自由度连续体机器人主操作手，其特征在于，所述扁平伺服电机的内转子通过螺栓固定在基座上。

3.如权利要求1所述的一种三自由度连续体机器人主操作手，其特征在于，所述手柄左右两端分别设置有手柄左连杆和手柄右连杆。

4.如权利要求3所述的一种三自由度连续体机器人主操作手，其特征在于，所述连杆结构包括左连杆结构，所述左连杆结构包括左臂第一连杆、左臂第二连杆、左臂第三连杆和左臂第四连杆，共同组成平行四边形结构。

5.如权利要求4所述的一种三自由度连续体机器人主操作手，其特征在于，所述连杆结构还包括右连杆结构，所述右连杆结构包括右臂第一连杆、右臂第二连杆、右臂第三连杆和右臂第四连杆，共同组成平行四边形结构。

6.基于权利要求1所述的一种三自由度连续体机器人主操作手的一种三自由度连续体机器人主操作手工作方法，其特征在于，包括：

通过基座固定扁平伺服电机；

通过圆盘转动平台与扁平伺服电机连接，进行水平转动；

通过滑轨支撑盘上的上滑块与下滑块可同步分别在上滑轨和下滑轨内前后运动；

通过扁平伺服电机内置的绝对值编码器，用于检测圆盘转动平台与基座之间转动角度。

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