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CN111012504B - 一种绳驱动关节解耦机构 - Google Patents

一种绳驱动关节解耦机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种绳驱动关节解耦机构，由两个完全相同的关节组成，每个关节由一对齿轮副约束，保证关节旋转瞬心在中间位置，使每一关节的两根驱动绳相对于关节运动瞬心对称。在第一个关节驱动绳运动时，第二个关节的两根驱动绳保持不动。由于关节二驱动绳经过关节一，关节一的角度改变导致关节二的两根驱动绳在该处长度不一致，此时在关节二驱动绳长保持不变的约束下，关节二相对于关节一做反向运动，并且运动角度与关节一一致，即关节一角度改变导致的后续关节驱动绳长变化由关节二运动进行了补偿，同理，此绳驱动解耦机构的后续关节驱动绳长度也不受这两个关节的运动影响，达到解耦效果。

Description

一种绳驱动关节解耦机构
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种绳驱动关节解耦机构。
背景技术
腔镜手术机器人其操作精准性和灵活性普遍应用于泌尿外科、胸外科、普外科等微创手术。为了同时满足机器人末端空间紧凑性和驱动灵活性要求，机器人一般采用绳驱动形式，将体积庞大笨重的驱动部分置于体外，通过绳驱动体内精巧的末端结构。然而，绳驱动串联关节固有的耦合特性，即前续关节的运动会导致后续关节驱动绳长的变化，进而影响后续关节的运动，导致绳驱动手术机器人的运动控制精度较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种绳驱动关节解耦机构，可有效解决绳驱动串联关节的耦合问题，提高绳驱动手术机器人的运动控制精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种绳驱动关节解耦机构，包括结构相同并串联连接的关节一和关节二，所述关节一包括杆件一、杆件二、铰接件一和齿轮副一，直径相同的所述杆件一和杆件二通过所述铰接件一相连接，所述杆件一和杆件二的连接端分别通过轴一和轴二连接有所述齿轮副一的两个啮合齿轮；
所述关节二包括杆件三、杆件四、铰接件二和齿轮副二，直径相同的所述杆件三和杆件四通过所述铰接件二相连接，所述杆件三和杆件四的连接端分别通过轴三和轴四连接有所述齿轮副二的两个啮合齿轮；
所述关节一和关节二的两根驱动绳分别对称布置在齿轮副二和所述齿轮副一的外侧，两根驱动绳末端固定于所述杆件二的末端，两根驱动绳的另一端与所述关节一的驱动电机相连；所述关节二的两根驱动绳末端固定于杆件四末端，两根驱动绳的另一端与所述关节二的驱动电机相连。
优选的，所述杆件一、杆件二、杆件三和杆件四，除长度可变外，其余尺寸均相同。
优选的，所述齿轮副一和齿轮副二中两个相啮合的齿轮包括一体设置的限位块和齿轮，齿轮用于相互啮合传动，所述限位块位于杆件上的限位槽内用于对齿轮副的转动进行限位。
优选的，所述关节一靠近驱动端，每个关节由一对齿轮副约束，每一关节的两根驱动绳相对于关节运动瞬心对称。
优选的，在所述关节一的驱动绳运动时，所述关节二的驱动绳经过所述关节一，关节一的角度改变导致关节二的两根驱动绳在该处长度不一致，在保持关节二的驱动绳长不变的约束下，关节二相对于关节一做反向运动，且关节二与关节一的运动角度一致。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的绳驱动关节解耦机构，基于绳长不变原理，不需要同时布置复杂的齿轮副和滑轮副，可保证后续关节的驱动绳在经过该关节处不受关节运动状态的影响，始终保持绳长不变，达到绳驱动串联关节解耦的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为绳驱动关节解耦机构整体示意图；
图2为解耦机构部件图；
图3为关节一结构图；
图4为绳驱动关节解耦机构的收起状态图；
图5为展开状态图；
图6为单轴旋转关节组成的绳驱动解耦机构；
其中，1关节一；11杆件一；12铰接件一；13杆件二；14轴一；15轴二；16关节一驱动绳一；17关节一驱动绳二；2关节二；21杆件三；22铰接件二；23杆件四；24轴三；25轴四；26关节二驱动绳一；27关节二驱动绳二；3齿轮副；41后续关节驱动绳一；42后续关节驱动绳二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种绳驱动关节解耦机构，可有效解决绳驱动串联关节的耦合问题，提高绳驱动手术机器人的运动控制精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-6所示，本发明提供一种绳驱动关节解耦机构，由两个完全相同的关节组成，关节一1包括杆件一11，轴一14，铰接件一12，轴二15，杆件二13，关节二2包括杆件三21，轴三24，铰接件二22，轴四25，杆件四23，关节一1和关节二2串联布置，其中关节一1在近驱动端。每一个关节的两个轴均由一对齿轮副3进行约束，使关节旋转瞬心保持在两轴连线的中间位置。各关节均采用两根驱动绳相对于轴中线对称布置，并以“拉-拉”形式驱动关节。其中，关节一1的两根驱动绳末端固定于杆件二13末端，另外一端与关节一驱动电机相连，关节二2的两根驱动绳末端固定于杆件四23末端，另外一端与关节二驱动电机相连。
当关节一1运动时，关节二2电机保持不动，因此关节二驱动绳一26和关节二驱动绳二27的长度均保持不变。假设关节一1向右旋转，由于关节二2的驱动绳经过关节一1，此时关节二驱动绳一26在关节一1处长度变长，关节二驱动绳二27在关节一1处长度变短。由于关节二驱动绳一26和关节二驱动绳二27的总长度均保持不变，因此关节二驱动绳一26在关节二2处长度变短，关节二驱动绳二27在关节二2处长度变长，且变化幅度与关节一1处相等，即关节一1主动运动导致的关节二驱动绳长变化由关节二2被动运动进行了补偿。如果在这两个关节后面串联布置后续关节，其后续关节驱动绳一41和后续关节驱动绳二42在经过关节一1和关节二2的部分长度变化为零，即这两个关节的运动不影响后续关节，达到解耦效果。
关节一1的结构图如图3所示，清晰显示了各关节的驱动绳布置情况。关节二2与关节一1结构相同，由于关节一的驱动绳末端固连于杆件二13末端，因此不再通过关节二2，所以关节二2的关节一驱动绳处只留有通道，不再具有绳结构。
本发明的绳驱动关节解耦机构由两个完全相同的关节组成，每个关节由一对齿轮副3约束，保证关节旋转瞬心在中间位置，使每一关节的两根驱动绳相对于关节运动瞬心对称。在第一个关节驱动绳运动时，第二个关节的两根驱动绳保持不动。由于关节二驱动绳经过关节一1，关节一1的角度改变导致关节二2的两根驱动绳在该处长度不一致，此时在关节二驱动绳长保持不变的约束下，关节二2相对于关节一1做反向运动，并且运动角度与关节一1一致，即关节一1角度改变导致的后续关节驱动绳长变化由关节二2运动进行了补偿，同理，此绳驱动解耦机构的后续关节驱动绳长度也不受这两个关节的运动影响，达到解耦效果。
图4展示了该绳驱动关节解耦机构在单孔腔镜手术机器人的一个应用实例。手术机器人的两个操作臂均由肩关节、肘关节、腕关节和末端器械组成，其中肩关节和肘关节采用本专利提出的绳驱动解耦机构，腕关节和末端器械的驱动绳均经过肩肘关节。在机器人经过人体皮肤入口时，操作臂均处于收起状态，在进入人体腔内并到达目标手术区域时，分别操控肩关节和肘关节形成操作三角形构型，在这个准备过程中，由于肘关节电机并没有锁定，因此肩肘关节组成的解耦机构并没有产生作用。待操作三角形构型调整完毕，腕关节和末端器械也调整至目标姿态，进入操作状态。在操作状态下，肘关节电机锁死，肩肘关节组成的解耦机构开始产生作用。此时，可根据实时手术操作要求，实现仿人的肩肘同步外展和内收动作，如图5所示，同时，腕关节和末端器械的位置不受肩肘关节运动的影响，提高机器人操作准确性。
本发明提出一种用于腔镜手术机器人的绳驱动关节解耦机构，具有以下优点：
1、采用双关节布置，基于绳长不变原理保证后续关节的驱动状态不受前续关节的影响，不需要同时布置复杂的齿轮副和滑轮副，与现有技术相比具有结构简单的优点。
2、关节采用齿轮副约束，保证关节旋转瞬心在中间位置。
3、提出的双关节机构，每一关节均可主动运动，只有在第二关节锁死时，该机构才具有解耦特性。
4、提出的双关节机构，每一关节也可以采用单一旋转关节实现，如图6所示，不影响该机构的解耦特性。
5、本发明应用于单孔腔镜手术机器人的肩肘关节时，可实现仿人的肩肘同步外展和内收动作，后续布置的腕关节和末端器械的位置不受肩肘关节运动的影响，提高机器人操作准确性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种绳驱动关节解耦机构，其特征在于：包括结构相同并串联连接的关节一和关节二，所述关节一包括杆件一、杆件二、铰接件一和齿轮副一，直径相同的所述杆件一和杆件二通过所述铰接件一相连接，所述杆件一和杆件二的连接端分别通过轴一和轴二连接有所述齿轮副一的两个啮合齿轮；
所述关节二包括杆件三、杆件四、铰接件二和齿轮副二，直径相同的所述杆件三和杆件四通过所述铰接件二相连接，所述杆件三和杆件四的连接端分别通过轴三和轴四连接有所述齿轮副二的两个啮合齿轮；
所述关节一和关节二的两根驱动绳分别对称布置在齿轮副二和所述齿轮副一的外侧，两根驱动绳末端固定于所述杆件二的末端，两根驱动绳的另一端与所述关节一的驱动电机相连；所述关节二的两根驱动绳末端固定于杆件四末端，两根驱动绳的另一端与所述关节二的驱动电机相连；所述关节一靠近驱动端，每个关节由一对齿轮副约束，每一关节的两根驱动绳相对于关节运动瞬心对称；
所述齿轮副一和齿轮副二中两个相啮合的齿轮包括一体设置的限位块和齿轮，齿轮用于相互啮合传动，所述限位块位于杆件上的限位槽内用于对齿轮副的转动进行限位；所述关节二驱动电机能够锁死。
2.根据权利要求1所述的绳驱动关节解耦机构，其特征在于：所述杆件一、杆件二、杆件三和杆件四，除长度可变外，其余尺寸均相同。
3.根据权利要求1所述的绳驱动关节解耦机构，其特征在于：在所述关节一的驱动绳运动时，所述关节二的驱动绳经过所述关节一，关节一的角度改变导致关节二的两根驱动绳在该处长度不一致，在保持关节二的驱动绳长不变的约束下，关节二相对于关节一做反向运动，且关节二与关节一的运动角度一致。
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