CN104027172B - 一种全被动型六自由度主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全被动型六自由度主操作手，包括支撑架，第一关节固定在支撑架上；第一连杆与第一关节连接并绕着第一关节转动；第二关节固定在第一连杆的一端；第三关节设置在第二关节的上并绕着第二关节转动；第二连杆与第三关节连接并绕着第三关节转动；第二连杆配重块固定在所述第二连杆上；第四关节固定在第二连杆的一端；第三连杆与第四关节连接并绕着第四关节转动；第三连杆配重块固定在所述第三连杆上；第五关节固定在第三连杆上；第四连杆的一端与所述第五关节连接，第四连杆绕着第五关节转动；第六关节固定在第四连杆上；夹持盖板与第六关节相连接并绕着第六关节转动；夹持盖板配重块固定在夹持盖板的自由端处。

Description

一种全被动型六自由度主操作手

技术领域：

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的说涉及一种六自由度主操作手。

背景技术：

外科手术中经常会有一些精细操作，这些操作的对象小，形状复杂，且有些手术往往需要很长的时间才能结束，医生很容易疲惫，由此容易造成人手的颤抖导致动作不准确，而机器操作手能够完全避免这些安全隐患，准确地完成一些需要长时间的复杂的手术，因而受到大家的关注。目前，较为成功的主操作手系统主要有美国Sensable公司的PHANTOM系列主操作手和瑞士ForceDimension公司的Omega系列主操作手。对PHANTOM和Omega系列的主操作手而言，其机构占用的体积较大、工作空间较小，且不能够由自身实现重力平衡，很大程度上限制了主操作手的应用范围。因此，为了避免现有技术中存在的问题予以改进。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术之不足，而提供一种全被动型六自由度主操作手，该主操作手在不依赖电机的情况下通过自身的结构实现重力平衡，结构紧凑，占用空间小，节能环保。

本发明的技术解决措施如下：一种全被动型六自由度主操作手，包括支撑架，第一关节固定在所述支撑架上；第一连杆的一端与所述第一关节连接，所述第一连杆绕着第一关节的轴线R1转动；第二关节固定在与第一关节相对方向的第一连杆的另一端；第三关节设置在所述第二关节的上方并绕着第二关节的轴线R2转动；第二连杆与所述第三关节连接并绕着第三关节的轴线R3转动；第二连杆配重块固定在所述第二连杆的一端；第四关节固定在与第二连杆配重块相对方向的第二连杆的另一端；第三连杆与所述第四关节连接并绕着第四关节的轴线R4转动；第三连杆配重块固定在所述第三连杆的一端；第五关节固定在第三连杆的另一端；第四连杆的一端与所述第五关节连接，所述第四连杆绕着第五关节的轴线R5转动；第六关节固定在第四连杆的另一端；夹持盖板与第六关节相连接并绕着第六关节的轴线R6转动；夹持盖板配重块固定在所述夹持盖板的自由端处；

所述的第一关节通过旋转轴和一对轴承连接到第一连杆上；所述第二关节通过旋转轴和一对轴承连接到第三关节上；所述第三关节通过旋转轴和一对轴承连接到第二连杆上；所述第四关节通过旋转轴和一对轴承连接到第三连杆上；所述第五关节通过旋转轴和一对轴承连接到第四连杆上；所述第六关节通过旋转轴和一对轴承连接到夹持盖板上；

其中，所述第一连杆、第二连杆、第一关节、第二关节、第三关节和第二连杆配重块组成主操作手的位置部分；第三连杆、第四连杆、第四关节、第五关节、第六关节、第三连杆配重块、夹持盖板和夹持盖板配重块组成主操作手的姿态部分；

所述的第一关节的轴线R1和第二关节的轴线R2相互平行，第三关节的轴线R3垂直于所述轴线R1、R2；所述第四关节、第五关节、第六关节相对应的轴线R4、R5、R6互相垂直，且所述第四关节、第五关节、第六关节相对应的轴线R4、R5、R6相交于一点。

作为上述技术方案的优选，所述的第一连杆和第二连杆的形状为直条状；所述第三连杆和第四连杆的形状为弧线状。

作为上述技术方案的优选，所述的第三连杆和第四连杆的弧线形状接近半“U”型。

作为上述技术方案的优选，所述的第一关节通过螺钉固定在支撑架上；所述第二关节通过螺钉固定在第一连杆一端的底端面上；所述第四关节通过螺钉固定在第二连杆的一端；第五关节通过螺钉固定在第三连杆的一端；第六关节通过螺钉固定在第四连杆的一端。

作为上述技术方案的优选，所述的第二连杆配重块通过螺钉固定在第二连杆的一端；第三连杆配重块通过螺钉固定在第三连杆的一端；夹持盖板配重块通过螺钉固定在夹持盖板的自由端处。

作为上述技术方案的优选，所述的第二连杆配重块、第三连杆配重块和夹持盖板配重块的材料均为黄铜。

作为上述技术方案的优选，所述的夹持盖板配重块上设置有矩形的复位沟槽。

作为上述技术方案的优选，所述的位置部分与所述姿态部分解耦设置。

本发明的有益效果在于：主操作手的第一连杆通过第一关节实现重力平衡，第一连杆的重力矩施加在第一关节上，通过第一关节上的螺钉受力使得第一连杆的重力得到平衡；第二连杆通过第二连杆配重块实现重力平衡，由于第二连杆配重块的平衡作用，使得第二连杆无论运动到任何位置都能够实现重力平衡；所述第一连杆、第二连杆、第一关节、第二关节、第三关节和第二连杆配重块组成主操作手的位置部分；第三连杆、第四连杆、第四关节、第五关节、第六关节、第三连杆配重块、夹持盖板和夹持盖板配重块组成主操作手的姿态部分，所述主操作手的姿态部分通过第三连杆配重块和夹持盖板配重块实现重力平衡，当主操作手运动到任何姿态时，由于第三连杆配重块和夹持盖板配重块的平衡作用，使姿态部分一直保持重力平衡，所述的主操作手的位置部分和姿态部分是解耦的，当主操作手的姿态发生变化时，不会影响主手的位置；主操作手的归零复位通过夹持盖板配重块上的复位沟槽以机械方式实现，归零方式简单可靠，本发明整体结构紧凑，占用空间小，节能环保。

附图说明：

图1为本发明全被动型六自由度主操作手的正面结构示意图；

图2为本发明全被动型六自由度主操作手的反面结构示意图；

图中，10、第一连杆；20、第一关节；21、第二关节；22、第三关节；23、第四关节；24、第五关节；25、第六关节；30、第二连杆；31、第二连杆配重块；40、第三连杆；41、第三连杆配重块；50、第四连杆；60、夹持盖板；61、夹持盖板配重块；70、支撑架。

具体实施方式：

实施例：以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，本实施例中提到的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等描述是为了区分各个关节与连杆；所述连杆的“一端”和“另一端”是指连杆的两头，即头部和尾部的区别，这些表示方位的词汇仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，也当视为本发明可实施的范畴。

见图1至图2所示，本发明的全被动型六自由度主操作手包括第一连杆10、第一关节20、第二关节21、第三关节22、第四关节23、第五关节24、第六关节25、第二连杆30、第二连杆配重块31、第三连杆40、第三连杆配重块41、第四连杆50、夹持盖板60、夹持盖板配重块61、支撑架70；所述第一连杆10、第二连杆30、第一关节20、第二关节21、第三关节22和第二连杆配重块31组成主操作手的位置部分；第三连杆40、第四连杆50、第四关节23、第五关节24、第六关节25、第三连杆配重块41、夹持盖板60和夹持盖板配重块61组成主操作手的姿态部分，所述位置部分与所述姿态部分解耦设置，解耦设置的优点是当主操作手姿态部分的位置发生变化时，不会影响主操作手的位置部分。

第一关节20通过螺钉固定在所述支撑架70上，第一连杆10的一端与所述第一关节20连接，第一关节20通过旋转轴和一对轴承连接到第一连杆10上，所述第一连杆10绕着第一关节20的轴线R1转动，第一连杆10通过第一关节20实现重力平衡，第一连杆10的重力矩施加在第一关节20上，通过第一关节20上的螺钉受力使得第一连杆10的重力得到平衡。

第二关节21通过螺钉固定在与第一关节20相对方向的第一连杆10的另一端的底端面上，所述第二关节21通过旋转轴和一对轴承连接到第三关节22上，第三关节22设置在所述第二关节21的上方并绕着第二关节21的轴线R2转动。

第二连杆30与所述第三关节22连接并绕着第三关节22的轴线R3转动，所述第二连杆30和第三关节22之间通过旋转轴和一对轴承连接的，即第三关节22通过旋转轴和一对轴承连接到第二连杆30上，第二连杆配重块31通过螺钉固定在所述第二连杆30的一端，所述第二连杆配重块31材质优选为黄铜；第二连杆30通过第二连杆配重块31实现重力平衡，由于第二连杆配重块31的平衡作用，使得第二连杆30无论运动到任何位置都能够实现重力平衡。

在主操作手的位置部分中所述的第一连杆10和第二连杆30的形状为直条状，所述第一关节20的轴线R1和第二关节21的轴线R2相互平行，第三关节22的轴线R3垂直于所述轴线R1和R2。下面叙述主操作手的姿态部分：

第四关节23通过螺钉固定在与第二连杆配重块31相对方向的第二连杆30的另一端，所述第四关节23通过旋转轴和一对轴承连接到第三连杆40上，第三连杆40绕着第四关节23的轴线R4转动，第三连杆配重块41通过螺钉固定在所述第三连杆40的一端，第三连杆配重块41的材质优选为黄铜。

第五关节24通过螺钉固定在第三连杆40的另一端，第四连杆50的一端与所述第五关节24连接，第四连杆50和第五关节24之间通过旋转轴和一对轴承连接，即所述第五关节24通过旋转轴和一对轴承连接到第四连杆50上，第四连杆50绕着第五关节24的轴线R5转动。

第六关节25通过螺钉固定在第四连杆50的另一端，第六关节25与夹持盖板60相连接，所述第六关节25通过旋转轴和一对轴承连接到夹持盖板60上，所述夹持盖板60绕着第六关节25的轴线R6转动；所述夹持盖板60的自由端处设置有夹持盖板配重块61，所述夹持盖板配重块61通过螺钉固定在所述夹持盖板60的自由端处，夹持盖板配重块61的材质优选为黄铜，所述夹持盖板配重块61上设置有矩形的复位沟槽，主操作手的归零复位通过夹持盖板配重块61上的沟槽以机械方式实现，归零方式简单可靠，可使主手的编码器在初始化时全部完成复位归零操作。

所述主操作手的姿态部分通过第三连杆配重块41和夹持盖板配重块61实现重力平衡，当主操作手运动到任何姿态时，由于第三连杆配重块41和夹持盖板配重块61的平衡作用，使姿态部分一直保持重力平衡的状态。其中，所述姿态部分的第三连杆40和第四连杆50的形状为弧线状，所述的弧线形状接近半“U”型，所述第四关节23、第五关节24、第六关节25相对应的轴线R4、R5、R6互相垂直，且所述三轴线相交于一点。

本发明的一种全被动型六自由度主操作手的六个自由度分别为：所述第一连杆10绕着第一关节20的转动和第二连杆30绕着第二关节21、第三关节22的转动组成了主操作手的3个位置自由度；第三连杆40绕着第四关节23的转动，第四连杆50绕着第五关节24的转动，夹持盖板60绕着第六关节25的转动构成了主操作手的3个姿态自由度。主操作手通过3个位置自由度和3个姿态自由度，可以对从端手术器械的位置和姿态进行控制。在手术过程中，通过第一关节20、第二关节21和第三关节22的转动可以使从端手术器械到达期望的位置，通过第四关节23、第五关节24、第六关节25的转动可以控制从端手术器械的姿态，满足实际手术过程中的不同操作要求。本发明的全被动是指在不依赖电机的情况下实现机构本身的自平衡，本发明结构紧凑，占用空间小。

所述实施例用以例示性说明本发明，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对所述实施例进行修改，因此本发明的权利保护范围，应如本发明的权利要求所列。

Claims (8)

1.一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于，包括：

支撑架(70)；

第一关节(20)，第一关节(20)固定在所述支撑架(70)上；

第一连杆(10)，第一连杆(10)的一端与所述第一关节(20)连接，所述第一连杆(10)绕着第一关节(20)的轴线R1转动；

第二关节(21)，第二关节(21)固定在与第一关节(20)相对方向的第一连杆(10)的另一端；

第三关节(22)，第三关节(22)设置在所述第二关节(21)的上方并绕着第二关节(21)的轴线R2转动；

第二连杆(30)，第二连杆(30)与所述第三关节(22)连接并绕着第三关节(22)的轴线R3转动；

第二连杆配重块(31)，第二连杆配重块(31)固定在所述第二连杆(30)的一端；

第四关节(23)，第四关节(23)固定在与第二连杆配重块(31)相对方向的第二连杆(30)的另一端；

第三连杆(40)，第三连杆(40)与所述第四关节(23)连接并绕着第四关节(23)的轴线R4转动；

第三连杆配重块(41)，第三连杆配重块(41)固定在所述第三连杆(40)的一端；

第五关节(24)，第五关节(24)固定在第三连杆(40)的另一端；

第四连杆(50)，第四连杆(50)的一端与所述第五关节(24)连接，所述第四连杆(50)绕着第五关节(24)的轴线R5转动；

第六关节(25)，第六关节(25)固定在第四连杆(50)的另一端；

夹持盖板(60)，夹持盖板(60)与第六关节(25)相连接并绕着第六关节(25)的轴线R6转动；

夹持盖板配重块(61)，夹持盖板配重块(61)固定在所述夹持盖板(60)的自由端处；

其中，所述第一连杆(10)、第二连杆(30)、第一关节(20)、第二关节(21)、第三关节(22)和第二连杆配重块(31)组成主操作手的位置部分；第三连杆(40)、第四连杆(50)、第四关节(23)、第五关节(24)、第六关节(25)、第三连杆配重块(41)、夹持盖板(60)和夹持盖板配重块(61)组成主操作手的姿态部分；

所述第一关节(20)通过旋转轴和一对轴承连接到第一连杆(10)上；所述第二关节(21)通过旋转轴和一对轴承连接到第三关节(22)上；所述第三关节(22)通过旋转轴和一对轴承连接到第二连杆(30)上；所述第四关节(23)通过旋转轴和一对轴承连接到第三连杆(40)上；所述第五关节(24)通过旋转轴和一对轴承连接到第四连杆(50)上；所述第六关节(25)通过旋转轴和一对轴承连接到夹持盖板(60)上；

所述第一关节(20)的轴线R1和第二关节(21)的轴线R2相互平行，第三关节(22)的轴线R3垂直于所述轴线R1、R2；所述第四关节(23)、第五关节(24)、第六关节(25)相对应的轴线R4、R5、R6互相垂直，且所述第四关节(23)、第五关节(24)、第六关节(25)相对应的轴线R4、R5、R6相交于一点。

2.根据权利要求1所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述第一连杆(10)和第二连杆(30)的形状为直条状；所述第三连杆(40)和第四连杆(50)的形状为弧线状。

3.根据权利要求2所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述第三连杆(40)和第四连杆(50)的弧线形状接近半“U”型。

4.根据权利要求1所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述第一关节(20)通过螺钉固定在支撑架(70)上；所述第二关节(21)通过螺钉固定在第一连杆(10)一端的底端面上；所述第四关节(23)通过螺钉固定在第二连杆(30)的一端；第五关节(24)通过螺钉固定在第三连杆(40)的一端；第六关节(25)通过螺钉固定在第四连杆(50)的一端。

5.根据权利要求1所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述第二连杆配重块(31)通过螺钉固定在第二连杆(30)的一端；第三连杆配重块(41)通过螺钉固定在第三连杆(40)的一端；夹持盖板配重块(61)通过螺钉固定在夹持盖板(60)的自由端处。

6.根据权利要求5所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述第二连杆配重块(31)、第三连杆配重块(41)和夹持盖板配重块(61)的材料均为黄铜。

7.根据权利要求6所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述夹持盖板配重块(61)上设置有矩形的复位沟槽。

8.根据权利要求1所述的一种全被动型六自由度主操作手，其特征在于：所述位置部分与所述姿态部分解耦设置。