CN213787763U - 控制端操作臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种控制端操作臂，其解决了现有微创手术机器人中机械臂的转动关节体积较大，关节运动检测装置的测量精度低的技术问题，其包括第一关节臂、基座、转动连接座、第二关节臂、手腕、第一抱闸、第二抱闸、第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮、第五同步带轮、第六同步带轮、连接轴、第一编码器、第二编码器、第三编码器、第二关节轴、连杆座、扭簧。本实用新型广泛用于医疗器械技术领域。

Description

控制端操作臂

技术领域

本实用新型涉及微创外科手术机器技术领域，具体而言，涉及一种控制端操作臂。

背景技术

参考申请公布号为CN109091237A、名称为微创手术器械辅助***的中国发明专利申请，以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。

参考申请公布号为CN109091238A、名称为分体式微创手术器械辅助***的中国发明专利申请，微创外科手术机器人***包括医生操作台，外科医生通过操作医生机械臂来精准地控制患者操作台的器械机械臂上的一个或多个手术器械执行各种手术动作。

外科手术器械是外科手术操作的必备工具，其可以执行不同功能，包括夹持、切除、切割、缝合、吻合等。外科手术器械具有不同的配置，其包括执行末端，腕节、器械杆、器械盒等，外科手术器械被***，穿过开口，以实施远程外科手术。

然而，微创手术机器人在带来诸多益处的同时，也存在一系列技术缺陷，如：1)手术设备结构复杂，体积庞大，占用手术室的空间，微创手术机器人中机械臂的转动关节体积较大；2)手术设备昂贵，手术成本高，难以在国内医院普及；3)机械臂的关节运动检测装置的测量精度低。因此，需要对微创手术机器人结构不断优化，降低成本，缩小体积，以克服上述缺点。

发明内容

本实用新型就是为了解决现有微创手术机器人中机械臂的转动关节体积较大，关节运动检测装置的测量精度低的技术问题，提供了一种体积小，关节运动参数测量更准确的控制端操作臂。

本实用新型提供的控制端操作臂，包括第一关节臂、基座、转动连接座、第二关节臂、手腕、第一抱闸、第二抱闸、第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮、第五同步带轮、第六同步带轮、连接轴、第一编码器、第二编码器、第三编码器、第二关节轴、连杆座、扭簧；

第一抱闸与基座固定连接，第一同步带轮与基座固定连接，连接轴基座固定连接，第一关节臂与连接轴通过轴承转动连接；第一抱闸中抱闸轴的端部与第一关节臂固定连接，抱闸轴的中部通过轴承与基座连接；第一编码器与第一关节臂固定连接，第二同步带轮与第一编码器的转轴连接，第二同步带轮和第一同步带轮之间连接有同步带；

第二抱闸与转动连接座固定连接，第三同步带轮与转动连接座固定连接，转动连接座与第一关节臂通过轴承转动连接；第二抱闸的抱闸轴与第一关节臂固定连接，第二抱闸的抱闸轴的中部通过轴承与转动连接座连接；第二编码器与第一关节臂固定连接，第四同步带轮与第二编码器的转轴连接，第四同步带轮和第三同步带轮之间通过同步带连接；

第二关节轴与转动连接座固定连接，连杆座通过轴承与第二关节轴转动连接，第五同步带轮与第二关节轴固定连接，第三编码器与第二关节臂固定连接，第六同步带轮与第三编码器的转轴连接，第六同步带轮和第五同步带轮之间通过同步带连接；扭簧套在第二关节轴上，扭簧的一端与第二关节轴连接，扭簧的另一端与连杆座连接；第二关节臂与连杆座固定连接；

第二关节臂的前部向第一关节臂方向弯曲一定角度，手腕与第二关节臂的前部连接。

优选地，手腕包括第一L形杆、第二L形杆、腕部固定连杆、开合机构、手柄、第一轴承、第二轴承、第三轴承、第一电机、第二电机、第三电机、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一连接轴、第二连接轴、第四轴承和第三连接轴；

第三连接轴与开合机构固定连接，第三连接轴的一端通过第一轴承与第一L形杆转动连接，第三连接轴的另一端通过第四轴承与手柄转动连接，第一连接轴与第一L形杆固定连接，第一连接轴通过第二轴承与第二L形杆转动连接，第二连接轴与第二L形杆固定连接，第二连接轴通过第三轴承与腕部固定连杆转动连接，第一电机与第一L形杆连接，第一同步带轮与第三连接轴固定连接，第二同步带轮与第一电机的输出轴固定连接，同步带连接于第一同步带轮和第二同步带轮之间，第二电机与第二L形杆连接，第二锥齿轮与第二电机的输出轴固定连接，第一锥齿轮与第一连接轴固定连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第三电机与腕部固定连杆连接，第四锥齿轮与第三电机的输出轴固定连接，第三锥齿轮与第二连接轴固定连接，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合。

本实用新型的有益效果是，具有结构轻巧、易操纵，精度高，体积小，成本低的优势，可实时、准确地反馈机械臂关节运动参数，而且具有锁紧关节的功能。本实用新型尤其适用于低速、轻载的使用条件，如以主从跟随形式操纵的微创手术机器人的医生机械臂转动关节。

本实用新型进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是控制端操作臂的结构示意图；

图2是第一关节臂和基座之间的关节结构示意图；

图3是转动连接座与第一关节臂连接示意图；

图4是第二关节臂与转动连接座连接结构示意图；

图5是手腕的结构示意图；

图6是图5所示结构的剖视图；

图7是图5所示结构的剖视图。

图中符号说明：

1.基座，2.第一关节臂，3.第二关节臂，4.手腕，5.转动连接座， 6.第一抱闸，7.第二抱闸，8.连接轴，9.第一同步带轮，10.第二同步带轮，11.第一编码器，12.同步带，13.第二编码器，14.第三同步带轮， 15.第四同步带轮，16.同步带，17.第二关节轴，18.连杆座，19.扭簧，20.轴承，21.第五同步带轮，22.第六同步带轮，23.第三编码器，24.同步带，25.锁止按钮，26.按钮架；28.第一转动轴线，29.第二转动轴线， 30.第三转动轴线。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示的控制端操作臂，第一关节臂2的后端与基座1通过关节连接，第一关节臂2能够以第一转动轴线28在水平面上转动，第二关节臂3与转动连接座5通过关节连接，第二关节臂3能够以第三转动轴线30在垂直面上转动，转动连接座5与第一关节臂2的前端通过关节连接，转动连接座5能够以第二转动轴线29在水平面上转动。手腕4与第二关节臂3连接。

如图2所示的第一关节臂和基座之间的关节结构，通过螺钉将第一抱闸6固定安装在基座1上，第一同步带轮9与基座1固定连接，连接轴8通过螺钉与基座1固定连接，第一关节臂2与连接轴8通过轴承转动连接，第一关节臂2转动时,连接轴8不动,第一关节臂2绕连接轴8 水平旋转。第一抱闸6的抱闸轴6-1的端部与第一关节臂2通过螺钉固定连接，抱闸轴的中部通过轴承与基座1连接。第一编码器11固定安装在第一关节臂2上，第二同步带轮10与第一编码器11的转轴连接，同步带12连接于第二同步带轮10和第一同步带轮9之间。第一抱闸6设有抱闸块和轴孔，抱闸轴的下部分设于抱闸的轴孔中，并通过平键与抱闸块相连，断电状态下，抱闸块被抱紧，抱闸轴被锁紧而不能转动；通电状态下，抱闸块被释放，抱闸轴能够在下轴承的支撑下转动。当第一关节臂2转动时，抱闸轴随之转动，同步带12带动第二同步带轮10转动，第一编码器11产生信号。抱闸主要作用是在不需要第一关节臂2转动动作的时候将第一关节臂2锁死。

连接轴8可以被安装在手术机器人***的某个支架上。连接轴8安装在医生操作台升降立柱基座上，基座垂直运动可带动手臂整体上下运动。

如图3所示，通过螺钉将第二抱闸7固定安装在转动连接座5上，第三同步带轮14与转动连接座5固定连接，转动连接座5与第一关节臂 2通过轴承转动连接。第二抱闸7的抱闸轴与第一关节臂2通过螺钉固定连接，抱闸轴的中部通过轴承与转动连接座5连接。第二编码器13固定安装在第一关节臂2上，第四同步带轮15与第二编码器13的转轴连接，同步带16连接于第四同步带轮15和第三同步带轮14之间。当第一关节臂2静止不动，转动连接座5转动时，第二编码器13产生信号。

如图3和4所示，第二关节轴17通过螺钉与转动连接座5固定连接，连杆座18通过轴承20与第二关节轴17转动连接，第五同步带轮21与第二关节轴17固定连接，第三编码器23与第二关节臂3固定连接，第六同步带轮22与第三编码器23的转轴连接，同步带14连接于第六同步带轮22和第五同步带轮21之间。扭簧19套在第二关节轴17上，扭簧 19的一端与第二关节轴17连接，扭簧19的另一端与连杆座18连接。第二关节臂3与连杆座18固定连接。通过扭簧19来使第二关节臂3形成平衡力矩，当无人为外力的情况下，第二关节臂3可以在水平方向上保持水平。

第二关节臂3并不是直线型臂，第二关节臂3的前部3-1向第一关节臂2方向弯曲一定角度，第二关节臂3的前部3-1与后部3-2之间存在110-145°的夹角。手腕4与第二关节臂3的前部3-1连接。第二关节臂3的前部3-1弯曲主要是考虑到申请公布号为CN110403700A发明申请中的医生机械臂的不足，现有技术医生机械臂中的第二臂杆604是直线设计，医生手握手腕4时,手与第二臂杆604几乎呈垂直关系,医生的手和小臂不在同一直线上，致使医生的手与小臂始终处于紧绷状态，医生长时间操作设备时会产生疲劳感。本次发明中，医生握住手腕4时，医生的手与小臂呈一条直线状态，可轻松转动第二关节臂3沿第三转动轴线30转动，不会因手与小臂的角度问题产生不必要的疲劳感，能大大增加手术过程中的安全性与手术精准性。

锁止按钮25通过按钮架26安装在第一关节臂2上，锁止按钮25与主控电路板连接，当操作者用手指按下锁止按钮25时控制手臂整体升降，连接轴8安装在操作台立柱升降基座上，当按下锁止按钮25时，立柱花键轴抱闸松开，此时可手动调整手臂整体的高度位置，当松开锁止按钮 25时，抱闸闭合，此时手臂在垂直方向被锁止。

手腕4的具体结构可以采用现有技术，比如专利号为 201720723942.1，名称为“一种主手手腕”的实用新型专利中公开的结构。手腕4也可以采用以下结构：

如图5-7所示，手腕4包括第一L形杆401、第二L形杆402、腕部固定连杆403、开合机构404、手柄405、第一轴承406、第二轴承407、第三轴承408、第一电机409、第二电机410、第三电机411、第一同步带轮412、第二同步带轮413、同步带414、张紧轮415、第一锥齿轮416、第二锥齿轮417、第三锥齿轮418、第四锥齿轮419、第一连接轴420、第二连接轴421、第四轴承422、第三连接轴423、切换按钮424。

第三连接轴423与开合机构404固定连接，第三连接轴423的一端通过第一轴承406与第一L形杆401转动连接，第三连接轴423的另一端通过第四轴承422与手柄405转动连接，第一连接轴420与第一L形杆401固定连接，第一连接轴420通过第二轴承407与第二L形杆402 转动连接，第二连接轴421与第二L形杆402固定连接，第二连接轴421 通过第三轴承408与腕部固定连杆403转动连接，第一电机409固定安装在第一L形杆401上，第一同步带轮412与第三连接轴423固定连接，第二同步带轮413与第一电机409的输出轴固定连接，同步带414连接于第一同步带轮412和第二同步带轮413之间，张紧轮415与第一L形杆401连接，同步带414绕过张紧轮415；第二电机410固定安装在第二 L形杆402上，第二锥齿轮417与第二电机410的输出轴固定连接，第一锥齿轮416与第一连接轴420固定连接，第一锥齿轮416与第二锥齿轮 417啮合，第三电机411固定安装在腕部固定连杆403上，第四锥齿轮 419与第三电机411的输出轴固定连接，第三锥齿轮418与第二连接轴 421固定连接，第三锥齿轮418与第四锥齿轮419啮合。腕部固定连杆 403固定安装在第二关节臂3的前部3-1。

手柄405使用专利号为201921430578.5的实用新型专利中的握手 1412的结构即可。手柄405设有按钮开关405-1。该按钮开关405-1用于控制微创手术机器人***主从手连接关系，当医生手握住手柄405，中指无名指小拇指扣住按钮开关405-1，按下按钮时，接通相应电路，控制端操作臂和手术机器人***的从机械臂连接关系成立，医生操作控制端操作臂运动时，患者操作台的从机械臂随之动作，当松开按钮开关405-1 时，医生操作控制端操作臂动作，从机械臂(即器械机械臂)不跟随运动。

切换按钮424与手柄405的端部连接。切换按钮424的作用是切换手术机器人两种不同用途的从机械臂，实现一只手随时控制两种不同用途的从机械臂。

开合机构404采用专利号为201922031109.2的实用新型专利中的开合部件150的结构即可。

当医生手握住手柄405，拇指和食指捏住开合机构404的两个开合瓣，然后旋转整个开合机构404(开合机构404以第一旋转轴线4011旋转)，第三连接轴423转动通过同步带机构使第一电机409的输出轴转动，第一电机409产生信号并反馈给手术机器人的控制***。

当医生手握住手柄405，并使第一L形杆401以第二旋转轴线4021 转动，第二电机410产生信号并反馈给手术机器人的控制***。

当医生手握住手柄405，并使第二L形杆402以第三旋转轴线4031 转动，第三电机411产生信号并反馈给手术机器人的控制***。

手腕根据人体工学的设计理念，改变现有技术中90°垂直的把握方式，改为110-145°的角度更贴合人体手腕部的运动轨迹，使医生操作时，可以减轻手腕结构反馈给医生的操作滞涩感，操作更灵活，更方便，提高舒适感，保证手术质量。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种控制端操作臂，其特征在于，包括第一关节臂、基座、转动连接座、第二关节臂、手腕、第一抱闸、第二抱闸、第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮、第五同步带轮、第六同步带轮、连接轴、第一编码器、第二编码器、第三编码器、第二关节轴、连杆座、扭簧；

所述第一抱闸与基座固定连接，所述第一同步带轮与基座固定连接，所述连接轴基座固定连接，所述第一关节臂与连接轴通过轴承转动连接；所述第一抱闸中抱闸轴的端部与第一关节臂固定连接，抱闸轴的中部通过轴承与基座连接；所述第一编码器与第一关节臂固定连接，所述第二同步带轮与第一编码器的转轴连接，第二同步带轮和第一同步带轮之间连接有同步带；

所述第二抱闸与转动连接座固定连接，所述第三同步带轮与转动连接座固定连接，所述转动连接座与第一关节臂通过轴承转动连接；所述第二抱闸的抱闸轴与第一关节臂固定连接，第二抱闸的抱闸轴的中部通过轴承与转动连接座连接；所述第二编码器与第一关节臂固定连接，所述第四同步带轮与第二编码器的转轴连接，第四同步带轮和第三同步带轮之间通过同步带连接；

所述第二关节轴与转动连接座固定连接，所述连杆座通过轴承与第二关节轴转动连接，所述第五同步带轮与第二关节轴固定连接，所述第三编码器与第二关节臂固定连接，所述第六同步带轮与第三编码器的转轴连接，所述第六同步带轮和第五同步带轮之间通过同步带连接；所述扭簧套在第二关节轴上，扭簧的一端与第二关节轴连接，扭簧的另一端与连杆座连接；所述第二关节臂与连杆座固定连接；

所述第二关节臂的前部向第一关节臂方向弯曲一定角度，所述手腕与第二关节臂的前部连接。

2.根据权利要求1所述的控制端操作臂，其特征在于，所述手腕包括第一L形杆、第二L形杆、腕部固定连杆、开合机构、手柄、第一轴承、第二轴承、第三轴承、第一电机、第二电机、第三电机、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一连接轴、第二连接轴、第四轴承和第三连接轴；

所述第三连接轴与开合机构固定连接，第三连接轴的一端通过第一轴承与第一L形杆转动连接，第三连接轴的另一端通过第四轴承与手柄转动连接，所述第一连接轴与第一L形杆固定连接，第一连接轴通过第二轴承与第二L形杆转动连接，所述第二连接轴与第二L形杆固定连接，所述第二连接轴通过第三轴承与腕部固定连杆转动连接，所述第一电机与第一L形杆连接，所述第一同步带轮与第三连接轴固定连接，所述第二同步带轮与第一电机的输出轴固定连接，所述同步带连接于第一同步带轮和第二同步带轮之间，所述第二电机与第二L形杆连接，所述第二锥齿轮与第二电机的输出轴固定连接，所述第一锥齿轮与第一连接轴固定连接，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，所述第三电机与腕部固定连杆连接，所述第四锥齿轮与第三电机的输出轴固定连接，所述第三锥齿轮与第二连接轴固定连接，所述第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合。

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