[发明专利]一种主从式机器人主手操作手腕

说明书

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Computer Motion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。Intuitive Surgical公司研发的da Vinci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Force Dimension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MicroHand A(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。