一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構的製作方法

2023-05-14 18:47:06 2

專利名稱：一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉動機構，更特別地說，是指一種具有虛擬遠程運動中心的二維轉動機構，一般應用於微創手術輔助機器人的末端腕部結構。
背景技術：
本發明設計的機構實現的是一構件可繞空間上的一固定點進行轉動，此固定點處不存在實際的轉動副，而且該虛擬的固定點在機構遠端。這種機構可以稱為虛擬遠程運動中心(Remote Center of Motion，RCM)機構。近年來，對少自由度機構的研究已成為機構學領域研究熱點之一。這是因為一旦明確了應用背景需求之後，專用機構的方案一般比通用結構更簡單、易於控制和低廉。本發明所描述的機構就是這樣一類具有特殊功用的新型少自由度機構，它越來越被認為有很廣闊的應用背景。

發明內容
本發明的目的是提供一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，該轉動機構可以使需要進行手術的工具繞著空間上的O點進行二維轉動，且兩個轉動軸基座旋轉軸線與旋轉軸線互相垂直；基座單元可繞X軸旋轉，鋼絲繩傳動部件使第一條連接板與手術工具平行，第二條連接板與基座平行，使得手術工具繞Y軸旋轉。本發明結構簡單，體積小，運動範圍大，重量輕，成本低。可用於機器人輔助微創手術等領域，從而不需要對複雜的多自由度系統進行控制，同時也無需精密的圖像校準裝置確保手術套針的插入點位置固定，減少設備及調試成本，減小對患者手術切口處傷害的概率，有助於微創手術的實施，使手術過程更為安全可靠。
本發明是一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，由基座單元、第一關節組、第二關節組和未端夾持單元組成；所述第一關節組由第一連接板、滑輪A、滑輪B、滑輪C、滑輪D、鋼絲繩、第一關節軸、第一關節軸承座構成，滑輪A與滑輪B平行安裝在第一連接板的一端上，滑輪C與滑輪D平行安裝在第一連接板的另一端上，鋼絲繩的一端通過螺釘固定在驅動軸承座上，第一鋼絲繩的另一端順次經過滑輪A、滑輪C、第一關節軸、滑輪D、滑輪B後通過螺釘固定在驅動軸承座上，第一關節軸安裝在第一關節軸承座上，第一關節軸上設有供鋼絲繩放置或滑動的導向槽；第一連接板的一端安裝在驅動軸上，另一端安裝在第一關節軸上，位與第一關節軸和第一關節軸承座之間；第一鋼絲繩的兩端分別通過螺釘固定於驅動軸承座上，第一鋼絲繩中間段固定在第一關節軸上；所述第二關節組由第二連接板、滑輪E、滑輪F、滑輪G、滑輪H、鋼絲繩、第二關節軸、第二關節軸承座構成，滑輪E與滑輪F平行安裝在第二連接板的一端上，滑輪G與滑輪H平行安裝在第二連接板的另一端上，鋼絲繩的一端通過螺釘固定在第一關節軸承座上，鋼絲繩的另一端順次經過滑輪E、滑輪G、第二關節軸、滑輪H、滑輪F後通過螺釘固定在第一關節軸承座上，第二關節軸安裝在第二關節軸承座上，第二關節軸上設有供鋼絲繩放置或滑動的導向槽；第二連接板的一端通過螺釘安裝在軸承E上，另一端通過螺釘安裝在軸承B上；第二鋼絲繩的兩端分別通過螺釘固定於第一關節軸承座上，第二鋼絲繩中間段固定在第二關節軸上；所述未端夾持單元由壓板、未端夾持件構成，未端夾持件的中部設有供夾緊手術未端工具用的V形槽，壓板通過螺釘與未端夾持件連接，未端夾持件固定在第二關節組的第二關節軸承座上；所述基座單元包括基座外殼、支撐板、電機A、電機B、帶輪A、帶輪B、皮帶、軸承座、軸承、支撐軸、傘齒輪A和傘齒輪B、輸出軸構成；支撐板的背面端部設有供輸出軸通過的通孔B，支撐板的側板面的端部設有供安裝軸承的通孔A；電機A、電機B水平安裝在支撐板的背面上，電機A的輸出軸穿過連接板端部的溝槽後與帶輪A連接，連接板固定在支撐板的側板面上；軸承座固定在支撐板的側板面的通孔A處，且帶輪B安裝在支撐軸上，支撐軸的一端安裝在軸承的中心孔內，皮帶安裝在帶輪A、帶輪B上，支撐軸的另一端穿過基座外殼上的通孔C；電機B的輸出軸連接有傘齒輪B，輸出軸的一端連接有傘齒輪A，傘齒輪A與傘齒輪B嚙合，輸出軸的另一端與驅動軸連接；支撐板端部的上板面上固定有驅動軸承座，驅動軸承座上設有供第一鋼絲繩放置的導向槽；支撐板與基座外殼通過螺釘裝配在一起。
所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其手術工具的中軸線與第一連接板平行；第二連接板與基座旋轉軸線平行。
所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其基座單元繞基座旋轉軸線實現360°旋轉；安裝在未端夾持單元上的手術工具繞旋轉軸線實現-180°到180°旋轉。
所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其遠程運動中心點O進行二維轉動，基座旋轉軸線與旋轉軸線互相垂直。
本發明繩驅動的二維虛擬中心轉動機構的特點在於(1)使用兩套鋼絲繩驅動裝置，減輕結構重量，同時減少了轉動副的數量；(2)為了保證運動精度，鋼絲繩不能打滑，鋼絲繩在末端和中間段採用了螺釘固定方式；(3)機構轉動包括一套傘齒輪驅動裝置驅動連接杆繞Y軸(旋轉軸線8)轉動，另一套同步齒形帶驅動裝置驅動基座單元繞X軸(基座旋轉軸線7)旋轉；(4)第一連接板201和第二連接板301的長度可以根據實際工作空間需要確定，兩個連接板的長度可以不相等。對於不同的連接板長度，只需更換連接板，重新繞線，機構其他部件不需要改變。


圖1是本發明繩驅動的二維虛擬中心轉動機構的摺疊後的結構圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
圖3是基座單元的分解圖。
圖4是第一關節組與第二關節組的連接示圖。
圖5是手術工具與本發明繩驅動的二維虛擬中心轉動機構的運動關係示圖。
圖中 1.基座單元 101.基座外殼102.支撐板 103.電機A104.電機B 105.帶輪A 106.皮帶107.帶輪B108.軸承座109.軸承110.連接板 111.傘齒輪A 112.傘齒輪B 113、支撐軸114.輸出軸 115.驅動軸承座 116.驅動軸 117.軸承A119.側板面120.通孔A 121.背面122.通孔B 123.通孔C2.第一關節組201.第一連接板 202.第一關節軸 203.第一關節軸承座204.第一鋼絲繩 205.滑輪A 206.滑輪B 207.滑輪C208.滑輪D209.導向槽 210.軸承B3.第二關節組301.第二連接板 302.第二關節軸 303.第二關節軸承座304.第二鋼絲繩 305.滑輪E 306.滑輪F 307.滑輪G308.滑輪H309.導向槽 310.軸承C4.未端夾持單元 401.壓板402.未端夾持件 403.V形槽5.手術工具 6.中軸線 7.基座旋轉軸線 8.旋轉軸線
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，由基座單元1、第一關節組2、第二關節組3和未端夾持單元4組成，如圖1所示。
請參見圖4所示，所述第一關節組2由第一連接板201、四個滑輪(滑輪A 205、滑輪B 206、滑輪C 207、滑輪D 208)、鋼絲繩204、第一關節軸202、第一關節軸承座203構成，滑輪A 205與滑輪B 206平行安裝在第一連接板201的一端上，滑輪C 207與滑輪D 208平行安裝在第一連接板201的另一端上，鋼絲繩204的一端通過螺釘固定在驅動軸承座115上，鋼絲繩204的另一端順次經過滑輪A205、滑輪C 207、第一關節軸202、滑輪D 208、滑輪B 206後通過螺釘固定在驅動軸承座115上，第一關節軸202安裝在第一關節軸承座203上，第一關節軸202上設有供鋼絲繩204放置或滑動的導向槽209；第一連接板201的一端安裝在驅動軸116上，另一端安裝在第一關節軸202上，位與第一關節軸202和第一關節軸承座203之間；滑輪A 205、滑輪B 206、滑輪C 207和滑輪D 208用來限制鋼絲繩204的位置。第一鋼絲繩204的兩端分別通過螺釘固定於驅動軸承座115上，第一鋼絲繩204中間段固定在第一關節軸202上。當第一連接板201和驅動軸116旋轉一定的角度時，由於第一鋼絲繩204的作用，第一關節軸202也相應的旋轉一定的角度，使得第一關節軸202相對與基座單元1的角度恆定不變，從而使第二連接板301保持與基座旋轉軸線7平行。
請參見圖4所示，所述第二關節組3由第二連接板301、四個滑輪(滑輪E 305、滑輪F 306、滑輪G 307、滑輪H 308)、鋼絲繩304、第二關節軸302、第二關節軸承座303構成，滑輪E 305與滑輪F 306平行安裝在第二連接板301的一端上，滑輪G 307與滑輪H 308平行安裝在第二連接板301的另一端上，鋼絲繩304的一端通過螺釘固定在第一關節軸承座203上，鋼絲繩304的另一端順次經過滑輪E 305、滑輪G 307、第二關節軸302、滑輪H 308、滑輪F 306後通過螺釘固定在第一關節軸承座203上，第二關節軸302安裝在第二關節軸承座303上，第二關節軸302上設有供鋼絲繩304放置或滑動的導向槽309；第二連接板301的一端通過螺釘安裝在軸承E 310上，另一端通過螺釘安裝在軸承B 210上；滑輪E 305、滑輪F 306、滑輪G 307和滑輪H 308用來限制第二鋼絲繩304的位置。第二鋼絲繩304的兩端分別通過螺釘固定於第一關節軸承座203上，第二鋼絲繩304中間段固定在第二關節軸302上。當第二連接板301和第一關節軸202旋轉一定的角度(可以是-180°到180°)時，由於第二鋼絲繩304的作用，第二關節軸302也相應的旋轉一定的角度，使得第二關節軸302相對第一連接板201的角度恆定不變，保證手術工具5的中軸線6和第一連接板201平行。
請參見圖1所示，所述未端夾持單元4由壓板401、未端夾持件402構成，未端夾持件402的中部設有供夾緊手術未端工具用的V形槽403，壓板401通過螺釘與未端夾持件402連接，未端夾持件402固定在第二關節組3的第二關節軸承座303上；請參見圖1、圖2、圖3所示，所述基座單元1包括基座外殼101、支撐板102、兩個直流電機(電機A 103、電機B 104)、皮帶傳動件(包括帶輪A 105、帶輪B107、皮帶106、軸承座108、軸承109)、支撐軸113、齒輪組(包括傘齒輪A 111和傘齒輪B 112)、輸出軸116構成；支撐板102的背面121端部設有供輸出軸114通過的通孔B 122，支撐板102的側板面119的端部設有供安裝軸承109的通孔A 120；電機A 103、電機B 104水平安裝在支撐板102的背面121上，電機A 103的輸出軸穿過連接板110端部的溝槽後與帶輪A 105連接，連接板110固定在支撐板102的側板面119上；軸承座108固定在支撐板102的側板面119的通孔A 120處，且帶輪B 107安裝在支撐軸113上，支撐軸113的一端安裝在軸承109的中心孔內，皮帶106安裝在帶輪A 105、帶輪B 107上，支撐軸113的另一端穿過基座外殼101上的通孔C 123；電機B 104的輸出軸連接有傘齒輪B112，輸出軸114的一端連接有傘齒輪A111，傘齒輪A111與傘齒輪B 112嚙合，輸出軸114的另一端與驅動軸116連接；支撐板102端部的上板面上固定有驅動軸承座115，驅動軸承座115上設有供第一鋼絲繩204放置的導向槽；支撐板102與基座外殼101通過螺釘裝配在一起。電機A 103、電機B 104是帶有減速器的直流電機。電機B 104通過傘齒輪A 111、傘齒輪B 112改變輸出方向後驅動輸出軸114後從而使驅動軸116轉動。從而實現手術工具5繞旋轉軸線8的轉動。電機A103通過同步齒形帶(帶輪A 105、帶輪B 107、皮帶106)傳動驅動支撐軸113。支撐軸113與軸承座108之間用軸承109連接。軸承座108固定在支撐板102上。當支撐軸113被夾持在被動支架上時，基座單元1在電機A 103的驅動下繞支撐軸113進行旋轉。
請參見圖5所示，本發明的整個機構可以通過基座單元1繞基座旋轉軸線7進行360°旋轉，安裝在未端夾持單元4上的手術工具5(圖中為一套管針)繞旋轉軸線8旋轉，旋轉範圍由第一關節鋼絲繩204和第二關節鋼絲繩304的纏繞方式決定，可以是-180°到180°的旋轉。手術工具5的中軸線6與基座旋轉軸線7、旋轉軸線8相交於一點O，O點即為遠程運動中心點(RCM)。基座單元1可繞基座旋轉軸線7(X軸)旋轉。鋼絲繩傳動部件使第一條連接板201與手術工具5平行，第二條連接板301與基座外殼101平行，使得手術工具5繞旋轉軸線(Y軸)旋轉。本發明機構繞遠程運動中心點O進行二維轉動，基座旋轉軸線7與旋轉軸線8互相垂直。本發明是一種虛擬遠程運動中心機構，這個虛擬遠程運動中心的特徵是與機構沒有實際的轉動副連接，當機構運動時，機構上一構件繞著虛擬遠程運動中心轉動。整個機構在不用時可以摺疊以節省空間，如圖1所示。
在本發明中，供手術工具5安裝的適配固定裝置(未端夾持單元4)由壓板401和未端夾持件402組成，未端夾持件402使用V形槽403定位手術工具5。對於不同直徑的手術工具5，應使用不同的適配固定裝置，以確保手術工具5的中軸線6與基座軸線7相交。
本發明所提出的機構可使手術工具5繞著機構外的某一點(RCM)進行二維轉動。兩個轉動之間是正交解耦的，其中一個轉動範圍不受限制，可進行360°旋轉，另一個轉動的範圍與鋼絲繩繞線的方法有關，一般可以保證-180°到180°之間順利轉動。機構的兩個轉動都沒有奇異位形，也就是說機構在任意方位上都有相同的機械特性。可利用機械的或者控制的方法限制或設定所需的轉動範圍。整個機構使用4個滾珠軸承作為轉動副，簡化了RCM機構所需轉動副的數量(如基於平行四桿的RCM機構至少需要8個轉動副連接)。通過不同的手術工具適配裝置，本機構可操作多種不同的手術工具。
本發明中第一連接板201和第二連接板301的長度可以根據實際工作空間需要確定，兩個連接板的長度可以不相等。對於不同的連接板長度，只需更換連接板，重新繞線，機構其他部件不需要改變，這也是本發明的一個優點。本發明所提出的機構可以單獨使用，也可以和其他機構組合以增加其自由度數。
雖然結合以上實施方案闡明了本發明，然而並非限定本發明，任何本領域的工程技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可以作相應改動與潤色，因此本發明的保護範圍應以權利要求所界定的為標準。
權利要求
1.一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於由基座單元(1)、第一關節組(2)、第二關節組(3)和未端夾持單元(4)組成；所述第一關節組(2)由第一連接板(201)、滑輪A(205)、滑輪B(206)、滑輪C(207)、滑輪D(208)、鋼絲繩(204)、第一關節軸(202)、第一關節軸承座(203)構成，滑輪A(205)與滑輪B(206)平行安裝在第一連接板(201)的一端上，滑輪C(207)與滑輪D(208)平行安裝在第一連接板(201)的另一端上，第一鋼絲繩(204)的一端通過螺釘固定在驅動軸承座(115)上，第一鋼絲繩(204)的另一端順次經過滑輪A(205)、滑輪C(207)、第一關節軸(202)、滑輪D(208)、滑輪B(206)後通過螺釘固定在驅動軸承座(115)上，第一關節軸(202)安裝在第一關節軸承座(203)上，第一關節軸(202)上設有供第一鋼絲繩(204)放置或滑動的導向槽(209)；第一連接板(201)的一端安裝在驅動軸(116)上，另一端安裝在第一關節軸(202)上，位與第一關節軸(202)和第一關節軸承座(203)之間；第一鋼絲繩(204)的兩端分別通過螺釘固定於驅動軸承座(115)上，第一鋼絲繩(204)中間段固定在第一關節軸(202)上；所述第二關節組(3)由第二連接板(301)、滑輪E(305)、滑輪F(306)、滑輪G(307)、滑輪H(308)、鋼絲繩(304)、第二關節軸(302)、第二關節軸承座(303)構成，滑輪E(305)與滑輪F(306)平行安裝在第二連接板(301)的一端上，滑輪G(307)與滑輪H(308)平行安裝在第二連接板(301)的另一端上，第二鋼絲繩(304)的一端通過螺釘固定在第一關節軸承座(203)上，第二鋼絲繩(304)的另一端順次經過滑輪E(305)、滑輪G(307)、第二關節軸(302)、滑輪H(308)、滑輪F(306)後通過螺釘固定在第一關節軸承座(203)上，第二關節軸(302)安裝在第二關節軸承座(303)上，第二關節軸(302)上設有供第二鋼絲繩(304)放置或滑動的導向槽(309)；第二連接板(301)的一端通過螺釘安裝在軸承E(310)上，另一端通過螺釘安裝在軸承B(210)上；第二鋼絲繩(304)的兩端分別通過螺釘固定於第一關節軸承座(203)上，第二鋼絲繩(304)中間段固定在第二關節軸(302)上；所述未端夾持單元(4)由壓板(401)、未端夾持件(402)構成，未端夾持件(402)的中部設有供夾緊手術未端工具用的V形槽(403)，壓板(401)通過螺釘與未端夾持件(402)連接，未端夾持件(402)固定在第二關節組(3)的第二關節軸承座(303)上；所述基座單元(1)包括基座外殼(101)、支撐板(102)、電機A(103)、電機B(104)、帶輪A(105)、帶輪B(107)、皮帶(106)、軸承座(108)、軸承(109)、支撐軸(113)、傘齒輪A(111)和傘齒輪B(112)、輸出軸(116)構成；支撐板(102)的背面(121)端部設有供輸出軸(114)通過的通孔B(122)，支撐板(102)的側板面(119)的端部設有供安裝軸承(109)的通孔A(120)；電機A(103)、電機B(104)水平安裝在支撐板(102)的背面(121)上，電機A(103)的輸出軸穿過連接板(110)端部的溝槽後與帶輪A(105)連接，連接板(110)固定在支撐板(102)的側板面(119)上；軸承座(108)固定在支撐板(102)的側板面(119)的通孔A(120)處，且帶輪B(107)安裝在支撐軸(113)上，支撐軸(113)的一端安裝在軸承(109)的中心孔內，皮帶(106)安裝在帶輪A(105)、帶輪B(107)上，支撐軸(113)的另一端穿過基座外殼(101)上的通孔C(123)；電機B(104)的輸出軸連接有傘齒輪B(112)，輸出軸(114)的一端連接有傘齒輪A(111)，傘齒輪A(111)與傘齒輪B(112)嚙合，輸出軸(114)的另一端與驅動軸(116)連接；支撐板(102)端部的上板面上固定有驅動軸承座(115)，驅動軸承座(115)上設有供第一鋼絲繩(204)放置的導向槽；支撐板(102)與基座外殼(101)通過螺釘裝配在一起。
2.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於滑輪A(205)、滑輪B(206)、滑輪C(207)和滑輪D(208)用來限制鋼絲繩(204)的位置。
3.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於滑輪E(305)、滑輪F(306)、滑輪G(307)和滑輪H(308)用來限制第二鋼絲繩(304)的位置。
4.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於電機A(103)、電機B(104)是帶有減速器的直流電機。
5.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於電機B(104)通過傘齒輪A(111)、傘齒輪B(112)改變輸出方向後驅動輸出軸(114)後從而使驅動軸(116)轉動實現手術工具(5)繞旋轉軸線(8)的轉動。
6.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於手術工具(5)的中軸線(6)與第一連接板(201)平行；第二連接板(301)與基座旋轉軸線(7)平行。
7.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於基座單元(1)繞基座旋轉軸線(7)實現360°旋轉。
8.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於安裝在未端夾持單元(4)上的手術工具(5)繞旋轉軸線(8)實現-180°到180°旋轉。
9.根據權利要求1所述的繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，其特徵在於遠程運動中心點O進行二維轉動，基座旋轉軸線(7)與旋轉軸線(8)互相垂直。
全文摘要
本發明公開了一種繩驅動的二維虛擬中心轉動機構，由基座單元、第一關節組、第二關節組和未端夾持單元組成；一般應用於微創手術輔助機器人的末端腕部結構。本發明提出的機構可使手術工具繞著機構外的O點進行二維轉動。兩個轉動之間是正交解耦的，其中一個轉動範圍不受限制，可進行360度旋轉，另一個轉動的範圍與鋼絲繩繞線的方法有關，一般可以保證－180度到180度之間順利轉動。機構的兩個轉動都沒有奇異位形，也就是說機構在任意方位上都有相同的機械特性。可利用機械的或者控制的方法限制或設定所需的轉動範圍。這種機構結構簡單，體積小，運動範圍大，重量輕，成本低。
文檔編號A61B17/00GK1970245SQ200610165119
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者裴旭, 于靖軍, 宗光華, 畢樹生, 餘志偉 申請人:北京航空航天大學