CN217938372U - 具有重力补偿位置关节的主操作手 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种具有重力补偿位置关节的主操作手，包括主操作手和设置于主操作手上的位置关节组件，位置关节组件包括基架和分别设置于基架上的J1关节、J2关节和J3关节，J2关节、J3关节和主操作手之间构成第一平行四边形机构；基架上还设置有重力补偿机构，重力补偿机构包括配重块和连杆组件，配重块通过连杆组件分别与J2关节和J3关节连接，使得重力补偿机构、J2关节和J3关节之间形成第二平行四边形结构，第一平行四边形机构和第二平行四边形结构相联动，使得配重块同时对J2关节、J3关节的运动进行重力补偿。本方案采用两个相似平行四边形联动的方式，实现仅需要一个配重就可以补偿两个关节的重力补偿。

Description

具有重力补偿位置关节的主操作手

技术领域

本实用新型涉及力反馈装置技术领域，具体地涉及一种具有重力补偿位置关节的主操作手。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，各种手术机器人在医疗领域的效用越来越明显，应用范围也越来越广泛，机器人不仅可以替代医生完成各种复杂精细的操作，还可以减轻医生长时间手术产生的疲劳，消除人手的操作局限性，进行细小空间内的操作，来减轻患者手术的创伤和痛。

但是面对一些更复杂无法标准化的手术时，需要机器人能够明白医生的想法，并进行自我转换，实现医生目的。这需要具有高精度、高灵活度的主操作手来实现，其可以充当医生和机器人之间的媒介，实现医生的想法和操作，并精确无比的转换到手术末端工具上。

然而目前很多主操作手在各关节位置精度上无法实现闭环，或是无法提供每个关节的力矩反馈，或是结构复杂，操作活动范围小，或是重力补偿方式采用多个配重单独补偿导致***惯量太大，或是采用钢丝绳拉伸弹簧补偿，导致多关节联动耦合和摩擦影响后，实际算法复杂，效果不是很好，另外钢丝绳和弹簧随着疲劳，补偿效果也越来越差。因此，结构简单、精准重力补偿进行灵活操作的操作手是目前急需的。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种具有重力补偿位置关节的主操作手。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

具有重力补偿位置关节的主操作手，包括主操作手和设置于所述主操作手上的位置关节组件，所述位置关节组件包括基架和分别设置于基架上的J1关节、J2关节和J3关节，所述J2关节、J3关节和主操作手之间构成第一平行四边形机构；所述基架上还设置有重力补偿机构，所述重力补偿机构包括配重块和连杆组件，所述配重块通过连杆组件分别与J2关节和J3关节连接，使得所述重力补偿机构、J2关节和J3关节之间形成第二平行四边形结构，所述第一平行四边形机构和第二平行四边形结构相联动，使得所述配重块同时对所述J2关节、J3关节的运动进行重力补偿。

优选的，所述J2关节包括第二圆盘、第二直臂、第二电机、第二绳轮、第二编码器，所述第二圆盘、第二直臂的上端、第二编码器依次通过转接轴同轴设置于所述基架的底部，所述第二电机固设于所述基架内，所述第二绳轮设置于所述第二电机的驱动轴外端并驱动所述第二圆盘旋转，所述第二直臂的下端与所述主操作手枢轴连接。

优选的，述J3关节包括凸轮盘、第三直臂、第三电机、第三绳轮、第三编码器，所述凸轮盘和第三编码器通过转接轴同轴设置于所述基架的底部，所述第三电机固设于所述基架内，所述第三绳轮设置于所述第三电机的驱动轴外端并驱动所述凸轮盘旋转，所述第三直臂的上端枢轴连接于所述凸轮盘的边侧，所述第三直臂的下端与所述主操作手枢轴连接。

优选的，所述第二直臂始终和第三直臂平行，所述第三直臂与所述凸轮盘的轴心之间的连线始终与所述主操作手平行，使得所述主操作手、第二直臂、第三直臂和凸轮盘构成所述第一平行四边形机构。

优选的，所述连杆组件包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆和第二连杆枢轴连接，且所述第一连杆水平设置并与所述配重块的端部固接，所述第二连杆与所述第二圆盘的轴心固接，所述第三连杆的两端分别与所述配重块、凸轮盘的边侧枢轴连接。

优选的，所述第三连杆始终和第二连杆平行，且所述第三连杆与所述凸轮盘的轴心之间的连线始终与所述第一连杆平行，使得所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和所述第二圆盘构成所述第二平行四边形结构。

优选的，所述第三直臂与所述第二连杆平行，所述第一连杆与所述主操作手平行。

优选的，所述J2关节满足公式：【1】M1g×L1+M3g×L5=M2g×L4，其中M1g为主操作手的重量，L1为第三直臂的长度，M3g为第二直臂的重量，L5为第二直臂的重心与第二圆盘的轴心之间的距离，M2g为配重块的重量，L4为第二连杆的长度；

所述J3关节满足公式：【2】M1g×L2=M2g×L3，其中M1g为主操作手的重量，L2为主操作手的长度，M2g为配重块的重量，L3为第一连杆的长度。

优选的，所述J1关节包括第一圆盘、连接支架、第一电机、第一绳轮和第一编码器，所述连接支架与所述基架固接，所述第一电机固设于所述连接支架上，所述第一绳轮设置于所述第一电机的驱动轴外端并驱动所述第一圆盘旋转，所述第一圆盘通过转接轴与所述第一编码器同轴设置于所述基架的顶部。

优选的，所述主操作手的后端设置所述位置关节组件，所述主操作手的前端设置有姿态关节组件，所述姿态关节组件包括相连的J4关节、J5关节、J6关节、J7关节和J8关节。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1、J2关节、J3关节和主操作手、重力补偿机构之间形成第一平行四边形结构和第二平行四边形结构，使得J2关节、J3关节仅需要一个配重块即可实现重力补偿，简化了重力补偿机构并降低了***的惯量，两个平行四边形结构联动，避免出现因为一个关节的位置变化产生的关节重力力矩变化导致另一个关节的重力补偿不准的缺陷，提高重力补偿的精准性；

2、J1关节、J2关节、J3关节分别由第一电机、第二电机和第三电机独立提高驱动力，使得主操作手可以分别通过第一电机、第二电机和第三电机来针对任一位置进行实时重力力矩和摩擦力矩补偿，提高主操作手控制的灵活性并降低人工长时间操作的疲劳感；

3、由于重力补偿机构仅使用一个配重块来实现重力补偿，使得第一电机、第二电机和第三电机无需承担重力补偿，从而无需提供较大扭矩来实现抬高，并且两个平行四边形结构可以降低主操作手抬高时所需的电机驱动力，使得第一电机、第二电机和第三电机可以采用较小尺寸规格的伺服电机，既缩小主操作手的整体结构，又降低整体的制造成本；

4、J1关节、J2关节、J3关节分别由独立的编码器进行闭环控制，可以进一步提高主操作手控制的精准性；

5、主操作手的前后端设置的位置关节组件和姿态关节组件共具有J1关节-J8关节8个自由度的操作，并采用串联的方式来实现对人手的多姿态的运动解耦，尽可能地实现操作的精准性和灵活性，极大方便医生的操作。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

图1：本实用新型实施例的第一方向的示意图；

图2：本实用新型实施例的第二方向的示意图；

图3：本实用新型实施例的第三方向的示意图；

图4：本实用新型实施例的第四方向的示意图；

图5：本实用新型实施例的侧视图；

图6：本实用新型实施例的使用状态示意图；

图7：本实用新型实施例中J2关节重力补偿前后运动模拟分析图；

图8：本实用新型实施例中J3关节重力补偿前后运动模拟分析图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限于本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。

如图1至图8所示，本实用新型揭示了一种具有重力补偿位置关节的主操作手，包括主操作手10和设置于所述主操作手10上的位置关节组件，所述位置关节组件包括基架11和分别设置于基架11上的J1关节100、J2关节200和J3关节300，所述J2关节200、J3关节300和主操作手10之间构成第一平行四边形机构12；所述基架11上还设置有重力补偿机构，所述重力补偿机构包括配重块901和连杆组件，所述配重块901通过连杆组件分别与J2关节200和J3关节300连接，使得所述重力补偿机构、J2关节200和J3关节300之间形成第二平行四边形结构13，所述第一平行四边形机构12和第二平行四边形结构13相联动，使得所述配重块901同时对所述J2关节200、J3关节300的运动进行重力补偿。

本实用新型中的J2关节200、J3关节300和主操作手10、重力补偿机构之间形成第一平行四边形结构和第二平行四边形结构，使得J2关节200、J3关节300仅需要一个配重块901即可实现重力补偿，简化了重力补偿机构并降低了***的惯量，两个平行四边形结构联动，避免出现因为一个关节的位置变化产生的关节重力力矩变化导致另一个关节的重力补偿不准的缺陷，提高重力补偿的精准性。

在优选实施例中，所述J1关节100、J2关节200和J3关节300用于解析人体臂部和肘部的运动。所述J1关节100的关节自由度为竖直旋转，优选设置于所述基架11的顶部，所述J2关节200和J3关节300的关节自由度为水平旋转，分别优选设置于所述基架11的两侧。当然，在其他实施例中所述J1关节100、J2关节200和J3关节300的位置可以设置于其他合适的位置。

具体的如图1-8所示，所述J1关节100包括第一圆盘101、连接支架102、第一电机103、第一绳轮104和第一编码器105，所述连接支架102与所述基架11固接，所述第一电机103固设于所述连接支架102上，所述第一绳轮104设置于所述第一电机103的驱动轴外端并驱动所述第一圆盘101旋转，所述第一圆盘101通过转接轴（图中未示出）与所述第一编码器105同轴设置于所述基架11的顶部。其中所述J1关节100以J1轴为旋转轴进行旋转，为穿过所述第一圆盘101的轴心并与所述第一圆盘101垂直的轴线。所述第一绳轮104通过钢丝绳或钨丝绳等具有较高强度的金属绳来与所述第一圆盘101连接，所述第一电机103通过驱动所述第一绳轮104的转动来带动所述第一圆盘101同步转动，所述第一编码器105用于获得所述J1关节100的角度反馈。

所述J2关节200包括第二圆盘201、第二直臂202、第二电机203、第二绳轮204、第二编码器205，所述第二圆盘201、第二直臂202的上端、第二编码器205依次通过转接轴同轴设置于所述基架11的底部，所述第二电机203固设于所述基架11内，所述第二绳轮204设置于所述第二电机203的驱动轴外端并驱动所述第二圆盘201旋转，所述第二直臂202的下端与所述主操作手10枢轴连接。其中所述J2关节200以J2轴为旋转轴进行旋转，所述J2轴为穿过所述第二圆盘201的轴心并与之垂直的轴线。所述第二绳轮204通过钢丝绳或钨丝绳等具有较高强度的金属绳来与所述第二圆盘201连接，所述第二电机203通过驱动所述第二绳轮204的转动来带动所述第二圆盘201同步转动，所述第二编码器205用于获得所述J2关节200的角度反馈。

所述J3关节300包括凸轮盘301、第三直臂302、第三电机303、第三绳轮304、第三编码器305，所述凸轮盘301和第三编码器305通过转接轴同轴设置于所述基架11的底部，所述第三电机303固设于所述基架11内，所述第三绳轮304设置于所述第三电机303的驱动轴外端并驱动所述凸轮盘301旋转，所述第三直臂302的上端枢轴连接于所述凸轮盘301的边侧，所述第三直臂302的下端与所述主操作手10枢轴连接。其中所述J3关节300以J3轴为旋转轴进行旋转，所述J3轴为穿过所述凸轮盘301的轴心并与之垂直的轴线。所述第三绳轮304通过钢丝绳或钨丝绳等具有较高强度的金属绳来与所述凸轮盘301连接，所述第三电机303通过驱动所述第三绳轮304的转动来带动所述凸轮盘301同步转动，所述第三编码器305用于获得所述J3关节300的角度反馈。

本方案中的J1关节100、J2关节200和J3关节300为较为相似的结构，其中所述J1关节100、J2关节200和J3关节300分别由第一电机103、第二电机203和第三电机303独立提高驱动力，使得所述主操作手10可以分别通过第一电机103、第二电机203和第三电机303来针对任一位置进行实时重力力矩和摩擦力矩补偿的精准控制，从而提高所述主操作手10控制的灵活性并降低人工长时间操作的疲劳感。进一步的，由于本方案中的所述重力补偿机构仅使用一个配重块901来实现重力补偿，使得第一电机103、第二电机203和第三电机303无需承担重力补偿，从而无需提供较大扭矩来实现主操作手10的抬高，并且第一平行四边形机构12和第二平行四边形结构13联动可以降低主操作手10抬高时所需的电机驱动力，使得第一电机103、第二电机203和第三电机303可以采用较小尺寸规格的伺服电机，这样既缩小主操作手的整体结构，又降低整体的制造成本。

本方案中的J1关节100、J2关节200和J3关节300分别具有独立的第一编码器105、第二编码器205和第三编码器305进行闭环控制，这样可以进一步提高主操作手10控制的精准性。所述J1关节100、J2关节200和J3关节300分别可以通过第一电机103、第二电机203、第三电机303和第一编码器105、第二编码器205、第三编码器305进行不同姿态下的力矩补偿，包含剩余的重力矩和摩擦力矩。具有的补偿方法可以具有多种，例如通过测出同一姿态下正反方向匀低速运动时第一电机103、第二电机203、第三电机303的电流，然后进行做差和求和，分别辨识出摩擦力矩和重力力矩电流，依此通过大量位置采样计算数值，拟合补偿方程；也可以通过动力学建模和质心变化矩阵，理论推导补偿方程并进行辨识试验验证等。

进一步的如图5所示，在所述J2关节200和J3关节300中，所述第二直臂202始终和第三直臂302平行，所述第三直臂302与所述凸轮盘301的轴心之间的连线始终与所述主操作手10平行，使得所述主操作手10、第二直臂202、第三直臂302和凸轮盘301构成所述第一平行四边形机构12。

本方案中的所述配重块901通过所述连杆组件与所述J2关节200和J3关节300相连接，如图4、5所示，所述连杆组件包括第一连杆902、第二连杆903和第三连杆904，所述第一连杆902和第二连杆903枢轴连接，且所述第一连杆902水平设置并与所述配重块901的端部固接，所述第二连杆903与所述第二圆盘201的轴心固接，所述第三连杆904的两端分别与所述配重块901、凸轮盘301的边侧枢轴连接。

其中所述第三连杆904始终和第二连杆903平行，且所述第三连杆904与所述凸轮盘301的轴心之间的连线始终与所述第一连杆902平行，使得所述第一连杆902、第二连杆903、第三连杆904和所述第二圆盘201构成所述第二平行四边形结构13。

进一步的，所述J3关节300中的所述第三直臂302与所述第二连杆903保持平行，所述第一连杆902与所述主操作手10保持平行，使得所述第一平行四边形机构12与第二平行四边形结构13二者相联动，来保证所述主操作手10和配重块901的力臂与垂直方向的夹角保持一致。

如图6所示，为了实现所述配重块901对所述J2关节200、J3关节300的重力补偿，假设忽略质量比较轻的细杆件，J2关节200和J3关节300分别旋转α和β角度后，运动根据能量守恒，

所述J2关节200满足公式：

M1g×L1×(1-cosα)+M3g×L5×(1-cosα)=M2g×L4×(1-cosα)，

即公式【1】M1g×L1+M3g×L5=M2g×L4，

其中M1g为主操作手10的重量，L1为第三直臂302的长度，M3g为第二直臂202的重量，L5为第二直臂202的重心与第二圆盘201的轴心之间的距离，M2g为配重块901的重量，L4为第二连杆903的长度。

所述J3关节300满足公式：

M1g×L2×sinβ=M2g×L3×sinβ

即公式【2】M1g×L2=M2g×L3，其中M1g为主操作手10的重量，L2为主操作手10的长度，M2g为配重块901的重量，L3为第一连杆902的长度。

通过上述公式【1】和公式【2】可以确定整个机构的尺寸和重量，来设置适合的配重块901。

如图7、8所示，为重力补偿前后Adams模拟下的所述J2关节200、J3关节300动态扭矩变化值，可以看出在所述第一平行四边形机构12和第二平行四边形结构13下，所述配重块901大大减小了所述J2关节200、J3关节300的关节驱动力矩。

在优选实施例中，所述主操作手10的后端设置所述位置关节组件，来便于所述J1关节100、J2关节200和J3关节300中的组件与机台（图中未示出）的连接，来减轻所述主操作手10前端的负载和质量。

进一步的如图1所示，所述主操作手10的前端设置有姿态关节组件，所述姿态关节组件包括相连的J4关节400、J5关节500、J6关节600、J7关节700和J8关节800。其中所述J4关节400、J5关节500、J6关节600、J7关节700为4个转动自由度，所述J4关节400对应人手肘部运动，所述J5关节500对应腕部弯曲运动，J6关节600对应指部的转动，J7关节700对应腕部的转动。所述J4关节400主动调整所述J5关节500、J6关节600、J7关节700三个腕部自由度的姿态，防止奇异点产生。所述J8关节800为夹持自由度，对应两个手指的张开闭合运动。所述姿态关节组件配合所述位置关节组件使得所述主操作手10共具有J1关节-J8关节 8个自由度的操作，且所述J1关节-J8关节采用串联的方式来实现对人手的多姿态的运动解耦，来达到尽可能地实现操作的精准性和灵活性，极大方便医生的操作的目的。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：包括主操作手（10）和设置于所述主操作手（10）上的位置关节组件，所述位置关节组件包括基架（11）和分别设置于基架（11）上的J1关节（100）、J2关节（200）和J3关节（300），所述J2关节（200）、J3关节（300）和主操作手（10）之间构成第一平行四边形机构（12）；所述基架（11）上还设置有重力补偿机构，所述重力补偿机构包括配重块（901）和连杆组件，所述配重块（901）通过连杆组件分别与J2关节（200）和J3关节（300）连接，使得所述重力补偿机构、J2关节（200）和J3关节（300）之间形成第二平行四边形结构（13），所述第一平行四边形机构（12）和第二平行四边形结构（13）相联动，使得所述配重块（901）同时对所述J2关节（200）、J3关节（300）的运动进行重力补偿。

2.根据权利要求1所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述J2关节（200）包括第二圆盘（201）、第二直臂（202）、第二电机（203）、第二绳轮（204）、第二编码器（205），所述第二圆盘（201）、第二直臂（202）的上端、第二编码器（205）依次通过转接轴同轴设置于所述基架（11）的底部，所述第二电机（203）固设于所述基架（11）内，所述第二绳轮（204）设置于所述第二电机（203）的驱动轴外端并驱动所述第二圆盘（201）旋转，所述第二直臂（202）的下端与所述主操作手（10）枢轴连接。

3.根据权利要求2所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述J3关节（300）包括凸轮盘（301）、第三直臂（302）、第三电机（303）、第三绳轮（304）、第三编码器（305），所述凸轮盘（301）和第三编码器（305）通过转接轴同轴设置于所述基架（11）的底部，所述第三电机（303）固设于所述基架（11）内，所述第三绳轮（304）设置于所述第三电机（303）的驱动轴外端并驱动所述凸轮盘（301）旋转，所述第三直臂（302）的上端枢轴连接于所述凸轮盘（301）的边侧，所述第三直臂（302）的下端与所述主操作手（10）枢轴连接。

4.根据权利要求3所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述第二直臂（202）和第三直臂（302）平行，所述第三直臂（302）与所述凸轮盘（301）的轴心之间的连线与所述主操作手（10）平行，使得所述主操作手（10）、第二直臂（202）、第三直臂（302）和凸轮盘（301）构成所述第一平行四边形机构（12）。

5.根据权利要求4所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述连杆组件包括第一连杆（902）、第二连杆（903）和第三连杆（904），所述第一连杆（902）和第二连杆（903）枢轴连接，且所述第一连杆（902）水平设置并与所述配重块（901）的端部固接，所述第二连杆（903）与所述第二圆盘（201）的轴心固接，所述第三连杆（904）的两端分别与所述配重块（901）、凸轮盘（301）的边侧枢轴连接。

6.根据权利要求5所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述第三连杆（904）始终和第二连杆（903）平行，且所述第三连杆（904）与所述凸轮盘（301）的轴心之间的连线始终与所述第一连杆（902）平行，使得所述第一连杆（902）、第二连杆（903）、第三连杆（904）和所述第二圆盘（201）构成所述第二平行四边形结构（13）。

7.根据权利要求6所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述第三直臂（302）与所述第二连杆（903）平行，所述第一连杆（902）与所述主操作手（10）平行。

8.根据权利要求7所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述J2关节（200）满足公式：【1】M1g×L1+M3g×L5=M2g×L4，其中M1g为主操作手（10）的重量，L1为第三直臂（302）的长度，M3g为第二直臂（202）的重量，L5为第二直臂（202）的重心与第二圆盘（201）的轴心之间的距离，M2g为配重块（901）的重量，L4为第二连杆（903）的长度；

所述J3关节（300）满足公式：【2】M1g×L2=M2g×L3，其中M1g为主操作手（10）的重量，L2为主操作手（10）的长度，M2g为配重块（901）的重量，L3为第一连杆（902）的长度。

9.根据权利要求1所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述J1关节（100）包括第一圆盘（101）、连接支架（102）、第一电机（103）、第一绳轮（104）和第一编码器（105），所述连接支架（102）与所述基架（11）固接，所述第一电机（103）固设于所述连接支架（102）上，所述第一绳轮（104）设置于所述第一电机（103）的驱动轴外端并驱动所述第一圆盘（101）旋转，所述第一圆盘（101）通过转接轴与所述第一编码器（105）同轴设置于所述基架（11）的顶部。

10.根据权利要求1所述的具有重力补偿位置关节的主操作手，其特征在于：所述主操作手（10）的后端设置所述位置关节组件，所述主操作手（10）的前端设置有姿态关节组件，所述姿态关节组件包括相连的J4关节（400）、J5关节（500）、J6关节（600）、J7关节（700）和J8关节（800）。

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