CN105397838A - 一种主从式机器人主手操作手腕 - Google Patents

Abstract

一种主从式机器人主手操作手腕，本发明涉及一种主手操作手腕，本发明为了解决现有技术中主手端的机械臂具有一下问题，工作空间比较小，灵活性不高，缺少力和力矩反馈信息，机构过于庞大，缺少力感觉，空间利用率低，其应用场合收到限制，操作不灵活以及控制复杂，不能实现机械臂本身任意位置的力平衡，医生带动主手操作负荷大，易疲劳的问题，它包括臂连接件、第一腕关节组件、第二腕关节组件、第三腕关节组件、第四腕关节组件和夹持机构连接件，第一腕关节组件包括第一驱动器、第一电机、第一联轴器、第一轴、第一绝对式角度编码器、第一壳体和两个第一锥齿轮，本发明用于医疗机器人领域。

Description

一种主从式机器人主手操作手腕

技术领域

本发明涉及一种主手操作手腕，具体涉及一种主从式机器人主手操作手腕。

背景技术

为了实现良好的实时状态反馈，应对在手术过程中的复杂情况，用于手术的医疗机器人系统通常使用主从式机械臂。操作者带动主手末端运动，主手机械臂各关节主要为被动运动，测量得到关节运动信息，映射到从机械臂端，驱动从手实现相应运动。

目前常见用于主手端的机械臂主要有以下几种。美国ComputerMotion公司开发的ZEUS系统机械臂，但其工作空间比较小，灵活性不高，缺少力/力矩反馈信息。IntuitiveSurgical公司研发的daVinci系统功能强大，但行业的垄断带来昂贵的价格，并且机构过于庞大，缺少力感觉，空间利用率低。美国SensAble公司研制的PHANTOM主手不仅具有三维力反馈，还有三维力矩反馈，可以更贴近从手真实的操作情况，是虚拟现实技术中最为理想的力反馈设备。但是其价格非常昂贵，客户也无法根据自身需求编辑软件程序，从而大大限制了其应用场合。瑞士的ForceDimension公司根据delta并联机构原理推出的delta、sigma以及omega系列是当前最为成功的并联型力觉主手，其机械臂采用并联机构，具有运动耦合性高，操作不灵活以及控制复杂等缺点。由天津大学王树新教授课题组牵头，天津医科大学总医院以及南开大学联合研发的MicroHandA(妙手A)主操作手，其手腕关节全是没有驱动系统的被动关节，其自重平衡的设计只能在特定的位置姿态时才能达到平衡，对使用限制较多，结构有待改进。

进口主手机械臂价格非常昂贵，且现在使用的机械臂大多全部是被动关节，不能实现机械臂本身任意位置的力平衡，医生带动主手操作负荷大，易疲劳。现存的从机械臂端可以测量出末端和人体组织接触时的力，但是只能通过图像，声音等转换形式传递给给操作的医生，不直观。传统主手开机后，由于在掉电期间主从手位姿都可能发生了变化，需要调整主手姿态适应从手姿态后再进行连接，这对医生的熟练程度要求较高，而且可能导致主从的不协调。理论计算中连续旋转关节存在奇点，在奇点附近时候灵活性会降低。此时只靠机构自身难以保持一贯的灵活性。针对这些现状，在主手手腕上进行创新性设计可以克服大部分问题，研究一款具有自主知识产权并且能够满足机器人微创手术需要的用于主操作手的机械手腕是非常必要的。

发明内容

本发明为了解决现有技术中主手端的机械臂具有以下问题1、工作空间比较小，灵活性不高，缺少力和力矩反馈信息，2、机构过于庞大，缺少力感觉，空间利用率低，3、其应用场合受到限制，4、操作不灵活以及控制复杂，5、不能实现机械臂本身任意位置的力平衡，医生带动主手操作负荷大，易疲劳的问题，进而提供一种主从式机器人主手操作手腕。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：它包括臂连接件、第一腕关节组件、第二腕关节组件、第三腕关节组件、第四腕关节组件和夹持机构连接件，第一腕关节组件包括第一驱动器、第一电机、第一联轴器、第一轴、第一绝对式角度编码器、第一壳体和两个第一锥齿轮；臂连接件为条形框体，第一壳体为长方形空心壳体，第一壳体的一端与臂连接件的底端固定连接，且第一壳体沿长度方向的中心线与臂连接件沿长度方向的中心线垂直设置，第一驱动器固定安装在第一壳体的侧壁上，第一轴竖直设置在第一壳体的另一端上，第一电机转轴的输出端与第一联轴器的一端固定连接，第一联轴器的另一端套装有一个第一锥齿轮，另一个第一锥齿轮套装在第一轴上，第一绝对式角度编码器固定安装在第一壳体上，且第一绝对式角度编码器的转轴与第一轴的底端固定连接，第一轴的顶端穿过第一壳体并固定安装在第二腕关节组件上，两个第一锥齿轮齿啮合，第一电机、第一联轴器和两个第一锥齿轮固定安装在第一壳体内，第一驱动器通过导线与第一电机连接，第三腕关节组件固定安装在第二腕关节组件上，第四腕关节组件固定安装在第三腕关节组件上，夹持机构连接件固定安装在第四腕关节组件上。

本发明的有益效果是：本发明由第一腕关节组件2、第二腕关节组件3、第三腕关节组件4、第四腕关节组件5串联而成，所述相邻两个旋转关节轴线互相垂直。所述每个旋转关节有独立的电机驱动，分别通过联轴器，锥齿轮，轴和绝对式角度编码器系部件带动关节转动。所述每个电机均有独立的驱动器驱动。所述各关节的轴端安装有绝对式角度编码器。本发明具有力矩补偿和反馈功能具体效果如下：

1、本发明的机构及其控制可以应用于主从式控制机器人的手腕部分，实现更好的人机交换信息传递。

2、本机构具有结构紧凑，刚度好，适应性强，实用性高，功能强大等优点，具有广阔的使用前景。

3、本机构可以根据每个绝对式角度编码器测出的关节姿态计算当前操作机构所需的力和力矩，通过电机输出反向力和力矩进行补偿，实现实时力和力矩的平衡，从而医生可以在没有力负荷的情况下操作，减少医生操作难度，降低疲劳程度。

4、本机构中的各电机可以根据从手端测得的力，实时进行力矩的反向输出，同时排除操作机构本身对力矩大小的影响，使医生可以时刻感受到从手末端接触力的大小，方便医生对病患体内病变组织及器官进行更加准确的手术操作。

5、本机构可以在开机后，根据从手反馈回的位置角度消息，直接由电机驱动各手腕关节旋转，结合角度编码器的测量值自动调整姿态至匹配从手姿态，然后建立连接，减少了原来需要人工进行匹配的复杂过程，降低了对医生操作熟练度的要求。

6、本机构的手腕关节的四自由度中存在冗余自由度，不仅可以提高手腕的灵活性，更能在运动过程中姿态接近不灵活点附近时主动关节进行积极的调整，保证运动灵活性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图，图中R1、R2、R3和R4上的箭头分别代表本发明第一腕关节组件2、第二腕关节组件3、第三腕关节组件4和第四腕关节组件5转动方向，图2是第一腕关节组件2的结构示意图，图3是第一轴2-5安装在第二腕关节组件3的结构示意图，图4是第二轴3-5、第三腕关节组件4、第四腕关节组件5和夹持机构连接件6安装在一起的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，一种主从式机器人主手操作手腕，它包括臂连接件1、第一腕关节组件2、第二腕关节组件3、第三腕关节组件4、第四腕关节组件5和夹持机构连接件6，第一腕关节组件2包括第一驱动器2-1、第一电机2-2、第一联轴器2-3、第一轴2-5、第一绝对式角度编码器2-6、第一壳体2-7和两个第一锥齿轮2-4；臂连接件1为条形框体，第一壳体2-7为长方形空心壳体，第一壳体2-7的一端与臂连接件1的底端固定连接，且第一壳体2-7沿长度方向的中心线与臂连接件1沿长度方向的中心线垂直设置，第一驱动器2-1固定安装在第一壳体2-7的侧壁上，第一轴2-5竖直设置在第一壳体2-7的另一端上，第一电机2-2转轴的输出端与第一联轴器2-3的一端固定连接，第一联轴器2-3的另一端套装有一个第一锥齿轮2-4，另一个第一锥齿轮2-4套装在第一轴2-5上，第一绝对式角度编码器2-6固定安装在第一壳体2-7上，且第一绝对式角度编码器2-6的转轴与第一轴2-5的底端固定连接，第一轴2-5的顶端穿过第一壳体2-7并固定安装在第二腕关节组件3上，两个第一锥齿轮2-4齿啮合，第一电机2-2、第一联轴器2-3和两个第一锥齿轮2-4固定安装在第一壳体2-7内，第一驱动器2-1通过导线与第一电机2-2连接，第三腕关节组件4固定安装在第二腕关节组件3上，第四腕关节组件5固定安装在第三腕关节组件4上，夹持机构连接件6固定安装在第四腕关节组件5上。

具体实施方式二：结合图1-图2说明本实施方式，一种主从式机器人主手操作手腕，所述第二腕关节组件3包括第二驱动器3-1、第二电机3-2、第二联轴器3-3、第二轴3-5、第二绝对式角度编码器3-6、第二壳体3-7和两个第二锥齿轮3-4；第二壳体3-7为‘L’形壳体，第二驱动器3-1安装在第二壳体3-7水平板上，第一轴2-5的顶端固定安装在第二壳体3-7水平板上，第二电机3-2转轴的输出端与第二联轴器3-3的底端固定连接，一个第二锥齿轮3-4固定套装在第二联轴器3-3的顶端上，另一个第二锥齿轮3-4固定套装在第二轴3-5上，第二绝对式角度编码器3-6固定安装在第二壳体3-7竖直板上，且第二绝对式角度编码器3-6的转轴与第二轴3-5的一端固定连接，第二轴3-5的另一端固定安装在第三腕关节组件4上，第二轴3-5水平安装在第二壳体3-7竖直板的顶端，第二电机3-2和第二联轴器3-3竖直安装在第二壳体3-7竖直板内，且两个第二锥齿轮3-4齿啮合，第二驱动器3-1通过导线与第二电机3-2连接，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图2说明本实施方式，一种主从式机器人主手操作手腕，所述第三腕关节组件4包括第三驱动器4-1、第三电机4-2、第三联轴器4-3、第三轴4-5、第三绝对式角度编码器4-6、第三壳体4-7和两个第三锥齿轮4-4；第三壳体4-7为‘L’形壳体，第二轴3-5固定安装在第三壳体4-7的竖直板上，第三驱动器4-1固定安装在第三壳体4-7的竖直板上，第三电机4-2转轴的输出端与第三联轴器4-3的一端固定，一个第三锥齿轮4-4固定套装在第三联轴器4-3的另一端上，且第三绝对式角度编码器4-6固定安装在第三壳体4-7的水平板上，且第三绝对式角度编码器4-6的转轴与第三联轴器4-3固定连接，且第三绝对式角度编码器4-6与第三联轴器4-3同轴设置，第三电机4-2和第三联轴器4-3固定安装在第三壳体4-7内，第三驱动器4-1通过导线与第三电机4-2连接，第三壳体4-7的水平板的上端加工有凸起4-8，第三轴4-5竖直安装在第三壳体4-7水平板的凸起4-8上，第三轴4-5的底端固定套装有一个第三锥齿轮4-4，且两个第三锥齿轮4-4齿啮合，第三轴4-5的顶端固定安装在第四腕关节组件5上，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1-图2说明本实施方式，一种主从式机器人主手操作手腕，所述第四腕关节组件5包括第四驱动器5-1、第四电机5-2、第四联轴器5-3、第四轴5-5、第四绝对式角度编码器5-6、第四壳体5-7和两个第四锥齿轮5-4；第四壳体5-7为‘L’形壳体，第四壳体5-7竖直板靠近底端的侧壁加工有长方体5-8，第四驱动器5-1固定安装在第三壳体4-7的竖直板上，第三轴4-5的顶端固定安装在第四壳体5-7的长方体5-8上，第四电机5-2转轴的输出端与第四联轴器5-3的底端固定连接，一个第四锥齿轮5-4固定套装在第四联轴器5-3的顶端，第四绝对式角度编码器5-6固定安装在第四壳体5-7水平板的顶端上，且第四绝对式角度编码器5-6的转轴固定安装在第四联轴器5-3的顶端上，且第四联轴器5-3和第四联轴器5-3同轴设置，另一个第四锥齿轮5-4固定套装在第四轴5-5的一端，第四电机5-2和第四联轴器5-3竖直固定安装在第四壳体5-7的竖直板内，第四驱动器5-1通过导线与第四电机5-2连接，第四轴5-5安装在第四壳体5-7的水平板内，且两个第四锥齿轮5-4齿啮合，夹持机构连接件6穿过第四壳体5-7的水平板并于第四轴5-5的另一端固定连接，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，一种主从式机器人主手操作手腕，所述第四壳体5-7的长方体5-8上加工有圆形通孔，所述臂连接件1的顶端加工有两个圆形通孔，其它与具体实施方式一相同。

工作原理

将本发明的主手操作手腕固定安装在手臂结构上，R1转动时通过第一驱动器2-1控制第一电机2-2，通过第一电机2-2依次带动第一联轴器2-3和第一联轴器2-3上的一个第一锥齿轮2-4转动，由于两个第一锥齿轮2-4齿啮合，因此带动第一轴2-5和第一绝对式角度编码器2-6的转轴同步转动，通过第一绝对式角度编码器2-6对第二腕关节组件3转动角度进行测量和反馈，进而通过第一轴2-5带动第二腕关节组件3进行转动，同时第二腕关节组件3可以进行自行它转动，通过第二驱动器3-1控制第二电机3-2，通过第二电机3-2依次带动第二联轴器3-3和第二联轴器3-3上的一个第二锥齿轮3-4转动，由于两个第二锥齿轮3-4齿啮合，所以带动第二轴3-5和第二绝对式角度编码器3-6的转轴同步转动，通过第二绝对式角度编码器3-6对第三腕关节组件4转动角度进行测量和反馈，进而通过第二轴3-5带动第三腕关节组件4转动，同时第三腕关节组件4也可进行自身转动，通过第三驱动器4-1控制第三电机4-2，通过第三电机4-2依次带动第三联轴器4-3和第三联轴器4-3上的一个第三锥齿轮4-4转动，由于两个第三锥齿轮4-4齿啮合，进而带动第三轴4-5转动，通过第三轴4-5带动第四腕关节组件5转动，由于第三绝对式角度编码器4-6和第三联轴器4-3固定连接，通过第三绝对式角度编码器4-6对第四腕关节组件5转动角度进行测量和反馈，同时第四腕关节组件5也可进行自身转动，通过第四驱动器5-1控制第四电机5-2，通过第四电机5-2依次控制第四联轴器5-3和第四联轴器5-3上的一个第四锥齿轮5-4转动，由于两个第四锥齿轮5-4齿啮合，因此带动第四轴5-5转动，进而带动夹持机构连接件6转动，通过第四绝对式角度编码器5-6对夹持机构连接件6转动的角度进行测量和反馈，达到本发明的目的。以上示意性地对本发明的结构进行了描述，该描述没有局限性，附图中的形态只是本发明的实施方法之一，实际的机构不限于此。因此受本发明启发在不脱离本发明创造宗旨的情况下采用其他驱动方式、传动类型而没有创新性的设计，均应在本发明的保护范围内。

下面说明一种具有力矩补偿和反馈功能的主手操作手腕的动作实施过程：

1、结构实施方法

本发明为主手操作手腕，作为主手的一个组成部分，一般落座于手臂结构上，末端连接夹持机构方便进行操作。在本发明中，所述夹持机构连接件6连接所需的夹持机构，臂连接件1上预留的空间可以将手腕稳定连接在手臂结构上。操作者通过控制夹持机构，带动手腕进行运动，

2、开机自寻位

接通电源后，根据从手测得的各关节角度信息确定从手姿态，计算出要使主手匹配从手姿态所需要手腕各关节的角度。然后根据所述第一绝对式角度编码器2-6、第二绝对式角度编码器3-6、第三绝对式角度编码器4-6和第四绝对式角度编码器5-6获得当前主手手腕每个关节的位置，确定没开个关节需要旋转的角度。用第一驱动器2-1、第二驱动器3-1、第三驱动器4-1和第四驱动器5-1分别驱动第一电机2-2、第二电机3-2、第三电机4-2和第四电机5-2旋转相应角度，至每个绝对式角度编码器返回信息与目标位置相符合，即可建立主手与从手的匹配，完成开机自寻位过程。

3、操作时的力矩平衡及力矩反馈

医生通过操作结构末端手部带动整个手腕运动，此时除主动关节外其余为被动操作关节。各角度绝对式角度编码器将关节位置信息实时传输给控制中心，控制中心计算当前姿态下，为了平衡力矩各电机所需要反向输出的力矩。同时，根据从手端测得的机械臂和组织接触力的大小，控制中心计算出应当按比例放大给操作者感受到的接触力，并将力转换成电机输出力矩的信号。最终电机反向输出力矩是所述两种力矩的叠加，使医生摆脱操作机械臂需要付出的体力，而能纯粹地感受从手末端和组织接触处力的大小。

4、操作时的灵活性保持

通过理论计算可知，本发明设计结构在一些位置存在奇点，在这些位置会降低灵活性。为了保证一定的灵活性，在这些奇点附近时，主动关节一将在控制算法的控制下，主动调整关节转角，电机将主动运动帮助手腕经过奇点，保证手腕灵活性不会降低。

Claims (5)

1.一种主从式机器人主手操作手腕，其特征在于：它包括臂连接件(1)、第一腕关节组件(2)、第二腕关节组件(3)、第三腕关节组件(4)、第四腕关节组件(5)和夹持机构连接件(6)，第一腕关节组件(2)包括第一驱动器(2-1)、第一电机(2-2)、第一联轴器(2-3)、第一轴(2-5)、第一绝对式角度编码器(2-6)、第一壳体(2-7)和两个第一锥齿轮(2-4)；臂连接件(1)为条形框体，第一壳体(2-7)为长方形空心壳体，第一壳体(2-7)的一端与臂连接件(1)的底端固定连接，且第一壳体(2-7)沿长度方向的中心线与臂连接件(1)沿长度方向的中心线垂直设置，第一驱动器(2-1)固定安装在第一壳体(2-7)的侧壁上，第一轴(2-5)竖直设置在第一壳体(2-7)的另一端上，第一电机(2-2)转轴的输出端与第一联轴器(2-3)的一端固定连接，第一联轴器(2-3)的另一端套装有一个第一锥齿轮(2-4)，另一个第一锥齿轮(2-4)套装在第一轴(2-5)上，第一绝对式角度编码器(2-6)固定安装在第一壳体(2-7)上，且第一绝对式角度编码器(2-6)的转轴与第一轴(2-5)的底端固定连接，第一轴(2-5)的顶端穿过第一壳体(2-7)并固定安装在第二腕关节组件(3)上，两个第一锥齿轮(2-4)齿啮合，第一电机(2-2)、第一联轴器(2-3)和两个第一锥齿轮(2-4)固定安装在第一壳体(2-7)内，第一驱动器(2-1)通过导线与第一电机(2-2)连接，第三腕关节组件(4)固定安装在第二腕关节组件(3)上，第四腕关节组件(5)固定安装在第三腕关节组件(4)上，夹持机构连接件(6)固定安装在第四腕关节组件(5)上。

2.根据权利要求1所述一种主从式机器人主手操作手腕，其特征在于：所述第二腕关节组件(3)包括第二驱动器(3-1)、第二电机(3-2)、第二联轴器(3-3)、第二轴(3-5)、第二绝对式角度编码器(3-6)、第二壳体(3-7)和两个第二锥齿轮(3-4)；第二壳体(3-7)为‘L’形壳体，第二驱动器(3-1)安装在第二壳体(3-7)水平板上，第一轴(2-5)的顶端固定安装在第二壳体(3-7)水平板上，第二电机(3-2)转轴的输出端与第二联轴器(3-3)的底端固定连接，一个第二锥齿轮(3-4)固定套装在第二联轴器(3-3)的顶端上，另一个第二锥齿轮(3-4)固定套装在第二轴(3-5)上，第二绝对式角度编码器(3-6)固定安装在第二壳体(3-7)竖直板上，且第二绝对式角度编码器(3-6)的转轴与第二轴(3-5)的一端固定连接，第二轴(3-5)的另一端固定安装在第三腕关节组件(4)上，第二轴(3-5)水平安装在第二壳体(3-7)竖直板的顶端，第二电机(3-2)和第二联轴器(3-3)竖直安装在第二壳体(3-7)竖直板内，且两个第二锥齿轮(3-4)齿啮合，第二驱动器(3-1)通过导线与第二电机(3-2)连接。

3.根据权利要求2所述一种主从式机器人主手操作手腕腕，其特征在于：所述第三腕关节组件(4)包括第三驱动器(4-1)、第三电机(4-2)、第三联轴器(4-3)、第三轴(4-5)、第三绝对式角度编码器(4-6)、第三壳体(4-7)和两个第三锥齿轮(4-4)；第三壳体(4-7)为‘L’形壳体，第二轴(3-5)固定安装在第三壳体(4-7)的竖直板上，第三驱动器(4-1)固定安装在第三壳体(4-7)的竖直板上，第三电机(4-2)转轴的输出端与第三联轴器(4-3)的一端固定，一个第三锥齿轮(4-4)固定套装在第三联轴器(4-3)的另一端上，且第三绝对式角度编码器(4-6)固定安装在第三壳体(4-7)的水平板上，且第三绝对式角度编码器(4-6)的转轴与第三联轴器(4-3)固定连接，且第三绝对式角度编码器(4-6)与第三联轴器(4-3)同轴设置，第三电机(4-2)和第三联轴器(4-3)固定安装在第三壳体(4-7)内，第三驱动器(4-1)通过导线与第三电机(4-2)连接，第三壳体(4-7)的水平板的上端加工有凸起(4-8)，第三轴(4-5)竖直安装在第三壳体(4-7)水平板的凸起(4-8)上，第三轴(4-5)的底端固定套装有一个第三锥齿轮(4-4)，且两个第三锥齿轮(4-4)齿啮合，第三轴(4-5)的顶端固定安装在第四腕关节组件(5)上。

4.根据权利要求3所述一种主从式机器人主手操作手腕，其特征在于：所述第四腕关节组件(5)包括第四驱动器(5-1)、第四电机(5-2)、第四联轴器(5-3)、第四轴(5-5)、第四绝对式角度编码器(5-6)、第四壳体(5-7)和两个第四锥齿轮(5-4)；第四壳体(5-7)为‘L’形壳体，第四壳体(5-7)竖直板靠近底端的侧壁加工有长方体(5-8)，第四驱动器(5-1)固定安装在第三壳体(4-7)的竖直板上，第三轴(4-5)的顶端固定安装在第四壳体(5-7)的长方体(5-8)上，第四电机(5-2)转轴的输出端与第四联轴器(5-3)的底端固定连接，一个第四锥齿轮(5-4)固定套装在第四联轴器(5-3)的顶端，第四绝对式角度编码器(5-6)固定安装在第四壳体(5-7)水平板的顶端上，且第四绝对式角度编码器(5-6)的转轴固定安装在第四联轴器(5-3)的顶端上，且第四联轴器(5-3)和第四联轴器(5-3)同轴设置，另一个第四锥齿轮(5-4)固定套装在第四轴(5-5)的一端，第四电机(5-2)和第四联轴器(5-3)竖直固定安装在第四壳体(5-7)的竖直板内，第四驱动器(5-1)通过导线与第四电机(5-2)连接，第四轴(5-5)安装在第四壳体(5-7)的水平板内，且两个第四锥齿轮(5-4)齿啮合，夹持机构连接件(6)穿过第四壳体(5-7)的水平板并于第四轴(5-5)的另一端固定连接。

5.根据权利要求1或4所述一种主从式机器人主手操作手腕，其特征在于：所述第四壳体(5-7)的长方体(5-8)上加工有圆形通孔，所述臂连接件(1)的顶端加工有两个圆形通孔。