[发明专利]手术机器人主手重力平衡装置及方法

说明书

本发明属于主手重力平衡技术领域，涉及一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，包括主手前臂和主手上臂，主手上臂顶端上方设有固定台，固定台连接一轴顶盘转动，一轴顶盘与连接吊架一端固定连接，连接吊架另一端与水平二轴转动连接，水平二轴与主手上臂顶端固定连接；水平二轴分别连接二轴平衡机构固定和三轴驱动轮，三轴驱动轮上固定有三轴重力配重块，三轴驱动轮一处与前臂拉杆一端铰接，前臂拉杆另一端与主手前臂铰接，三轴驱动轮连接前臂拉杆位置与三轴重力配重块分别位于水平二轴两侧；三轴驱动轮与一轴顶盘之间通过弹簧拉力式平衡机构连接。本发明法提升了重力平衡的效果，能够降低手术过程中的主手能耗。

技术领域

本发明涉及一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，属于主手重力平衡技术领域。

背景技术

手术机器人主手是外科大夫使用手术机器人进行外科手术的关键输入设备。主手的操作柔顺性和轻便性对于缓解外科大夫疲劳、顺利执行有非常大的意义。目前，手术机器人主手的重力平衡方法主要以动力学计算为主。利用动力学模型根据主手的运动实时计算并补偿由主手前臂和主手上臂重力引起的扭矩。这种平衡重力的方法增加运动电机功率消耗，从而增加整个设备的能耗。并且，由于目前补偿模型很难精确的建立，实际操作过程中的补偿效果不是很理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，该手术机器人主手重力平衡装置及方法提升了重力平衡的效果，能够降低手术过程中的主手能耗。

本发明所述的手术机器人主手重力平衡装置，包括主手前臂，主手前臂一端与主手上臂底端通过三轴铰接，主手前臂另一端连接有手柄；主手上臂顶端上方设有固定台，固定台通过竖直转轴与下方的一轴顶盘转动连接，固定台一端设有一轴电机，一轴电机的主轴与一轴顶盘一侧的圆弧曲面组成驱动副，一轴顶盘与连接吊架一端固定连接，连接吊架另一端与水平二轴转动连接，水平二轴与主手上臂顶端固定连接；水平二轴一端与二轴平衡机构固定连接，水平二轴另一端与三轴驱动轮转动连接，三轴驱动轮上固定有三轴重力配重块，三轴驱动轮一处与前臂拉杆一端铰接，前臂拉杆另一端与主手前臂铰接，三轴驱动轮连接前臂拉杆位置与三轴重力配重块分别位于水平二轴两侧；三轴驱动轮与一轴顶盘之间通过弹簧拉力式平衡机构连接；连接吊架上固定有三轴电机，三轴电机的主轴与三轴驱动轮外圈圆弧曲面组成驱动副。

工作过程中，将固定台与设备机架固定，然后进行重力平衡调整，使操纵主手较为轻松。主手前臂、前臂拉杆、主手上臂与前臂拉杆之间的三轴驱动轮和主手前臂行程一个平行四边形。主手前臂和主手上臂通过不同的机构进行重力平衡，主手上臂主要通过二轴平衡机构进行重力平衡；主手前臂重力的平衡包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过三轴重力配重块在三轴驱动轮内以杠杆原理最大限度内平衡主手前臂重力；二级动态平衡通过弹簧拉力式平衡机构实现，平衡主手前臂三轴重力配重块已平衡重力以外的重力。一轴电机和三轴电机分别与一轴顶盘一侧的圆弧曲面和三轴驱动轮外圈圆弧曲面构成驱动副，使操作手柄过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。

优选的，所述的弹簧拉力式平衡机构包括三轴挂耳，三轴挂耳一端与三轴驱动轮中心位置一侧固定连接，三轴挂耳另一端设有三轴导向轮长条式调节槽，三轴导向轮长条式调节槽内设有三轴导向轮；水平二轴正上方的一轴顶盘一侧设有中心导向轮，一轴顶盘上表面一端固定有弹簧导向轮，一轴顶盘上表面另一端与弹簧一端固定，三轴导向轮上挂有拉力线绳的一端，拉力线绳另一端先后绕过中心导向轮和弹簧导向轮后与弹簧另一端连接。

平衡作用原理：当主手前臂绕三轴转动脱离水平位置时，主手前臂重力引起的重力矩发生改变，主手前臂转动带动前臂拉杆动作，前臂拉杆动作带动三轴驱动轮转动，三轴驱动轮转动拉动三轴挂耳，三轴挂耳位置变动拉动拉力线绳，从而拉紧弹簧产生的扭矩；当选择恰当劲度系数的弹簧，并合理调节三轴挂耳与三轴驱动轮之间的相对位置，可以使得重力矩的改变与弹簧力矩的改变产生一致的变化，由于弹簧力矩与重力矩作用方向始终相反，从而使得两种力矩的改变相互抵消，最终实现动态重力平衡。三轴导向轮在三轴导向轮长条式调节槽内的具体位置可以根据实际情况进行调节。