一種用於多自由度主操作手中的連杆機構的製作方法

2023-12-12 13:22:52

本發明涉及醫療器械技術領域，具體涉及主從式遙操作結構的機器人。

背景技術：

機器人在人們生產生活中的應用越來越廣泛，多為主從式遙操作結構，人員操作主操作手，通過遠程通信和計算機控制從端機構的運動，操作人員與操作目標之間不再有地理上的限制，使操作人員遠離危險或不適宜的環境。同時，這種主從式遙操作結構通過軟體，為操作人員直接操作器械帶來抖動，進而降低醫生的操作失誤率，提高了精確性、穩定性和安全性。此外，操作人員可以坐在舒適、宜人的控制臺上進行操作，極大地降低了疲勞感。

現有技術中，主操作手的技術內容主要體現在：實現姿態部分三個自由度、冗餘自由度和位置的三個自由度的動作。主操作手的功能主要體現在：手臂到達的位置(上下、左右、前後)、人手的姿態(俯仰、偏擺與旋轉)、冗餘自由度(避免姿態的奇異位形)。

但是，上述姿態部分結構不能夠處於水平狀態，給重力平衡以及動力驅動帶來難度。

技術實現要素：

本發明所解決的技術問題：如何使主從式遙操作結構中主操作手的姿態部分結構處於水平狀態。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：一種用於多自由度主操作手中的連杆機構，包括位置結構、姿態及冗餘結構；所述位置結構包括設有第七旋轉軸的轉座、通過第六旋轉軸與所述轉座連接的臂部機構、通過第五旋轉軸與所述臂部機構連接的水平連杆；所述姿態及冗餘結構安裝在所述水平連杆上；所述臂部機構包括首端與所述轉座鉸接的上臂和下臂、與上臂和下臂的尾端鉸接的中部轉座，轉座、上臂、下臂、中部轉座構成平行四邊形結構。

按上述技術方案，轉座設有第七旋轉軸，構成位置結構的第一自由度；中轉座能夠沿第五旋轉軸轉動，構成位置結構的第二自由度；上臂、下臂、轉座、中部轉座共同構成平行四邊形結構，上臂與下臂在沿第六旋轉軸旋轉(構成位置結構的第三自由度)時，能夠使水平連杆始終保持水平狀態，進而，安裝在所述水平連杆上的所述姿態及冗餘結構始終保持於水平的狀態，並且能夠得到更大的運動空間。

上述位置結構中，上臂的首端通過第六旋轉軸與所述轉座鉸接。

所述姿態及冗餘結構包括與所述水平連杆通過第四旋轉軸鉸接的冗餘連杆、與所述冗餘連杆通過第三旋轉軸鉸接的俯仰連杆、與所述俯仰連杆通過第二旋轉軸鉸接的偏擺連杆、與所述偏擺連杆通過第一旋轉軸鉸接的迴轉手柄。其中，第一旋轉軸、第二旋轉軸、第三旋轉軸使所述姿態及冗餘結構具有三個姿態自由度，第四旋轉軸使所述姿態及冗餘結構具有一個冗餘自由度。

作為姿態及冗餘結構的進一步說明，所述冗餘連杆呈l形，第四旋轉軸的軸心線垂直於第三旋轉軸的軸心線。

作為姿態及冗餘結構的進一步說明，所述俯仰連杆呈l形，第二旋轉軸的軸心線垂直於第三旋轉軸的軸心線。

作為姿態及冗餘結構的進一步說明，所述偏擺連杆呈l形，第二旋轉軸的軸心線垂直於第一旋轉軸的軸心線。

作為姿態及冗餘結構的進一步說明，第一旋轉軸的軸心線、第二旋轉軸的軸心線、第三旋轉軸的軸心線、第四旋轉軸的軸心線相交。

作為姿態及冗餘結構的進一步說明，第二旋轉軸的軸心線與第四旋轉軸的軸心線相交或者重合。當第二旋轉軸和第四旋轉軸處於鉛垂狀態時，第二旋轉軸的軸心線和第四旋轉軸的軸心線重合；當俯仰連杆圍繞第三旋轉軸轉動時，第二旋轉軸的軸心線和第四旋轉軸的軸心線相交。

作為姿態及冗餘結構、位置結構之間關係的一種說明，第四旋轉軸的軸心線與第五旋轉軸的軸心線平行。

本發明所述連杆機構，有效地解決了現有技術中因姿態部分結構不能夠處於水平狀態而導致對重力平衡以及動力驅動上帶來難度的技術問題，使整個連杆機構能夠得到更大的運動空間。

附圖說明

下面結合附圖對本發明做進一步的說明：

圖1為本發明所述一種用於多自由度主操作手中的連杆機構的結構示意圖；

圖2為本發明所述姿態及冗餘結構的結構示意圖；

圖3為本發明呈平行四邊形結構的臂部機構的結構示意圖；

圖4為本發明呈平行四邊形結構的臂部機構的爆炸圖。

圖中符號說明：

1、轉座；2、第七旋轉軸；3、上臂；4、下臂；5、中部轉座；6、水平連杆；7、冗餘連杆；8、俯仰連杆；9、偏擺連杆；10、迴轉手柄；

①第一旋轉軸的軸心線；②第二旋轉軸的軸心線；③第三旋轉軸的軸心線；④第四旋轉軸的軸心線；⑤第五旋轉軸的軸心線；⑥第六旋轉軸的軸心線；⑦第七旋轉軸的軸心線；

a、上臂與轉座的鉸接處；b、下臂與轉座的鉸接處；c、上臂與中部轉座的鉸接處；d、下臂與中部轉座的鉸接處。

具體實施方式

如圖1，一種用於多自由度主操作手中的連杆機構，包括姿態及冗餘結構、位置結構。

結合圖1、圖2，所述姿態及冗餘結構包括與所述水平連杆6通過第四旋轉軸鉸接的冗餘連杆7、與所述冗餘連杆通過第三旋轉軸鉸接的俯仰連杆8、與所述俯仰連杆通過第二旋轉軸鉸接的偏擺連杆9、與所述偏擺連杆通過第一旋轉軸鉸接的迴轉手柄10。

關於上述姿態及冗餘結構，所述冗餘連杆7呈l形，第四旋轉軸的軸心線垂直於第三旋轉軸的軸心線。

關於上述姿態及冗餘結構，所述俯仰連杆8呈l形，第二旋轉軸的軸心線垂直於第三旋轉軸的軸心線。

關於上述姿態及冗餘結構，所述偏擺連杆呈l形，第二旋轉軸的軸心線垂直於第一旋轉軸的軸心線。

關於上述姿態及冗餘結構，第二旋轉軸的軸心線與第四旋轉軸的軸心線相交或者重合。

關於上述姿態及冗餘結構，第一旋轉軸的軸心線、第二旋轉軸的軸心線、第三旋轉軸的軸心線、第四旋轉軸的軸心線相交於一點。

所謂姿態及冗餘結構相當於人的手腕，能夠作上下、前後、左右的任意姿態。冗餘連杆7沿第四旋轉軸旋轉，俯仰連杆8沿第三旋轉軸旋轉，偏擺連杆9沿第二旋轉軸旋轉，迴轉手柄10沿第一旋轉軸旋轉，如此，操作人員持迴轉手柄10，能夠做到三個姿態自由度和一個冗餘自由度。其中第二旋轉軸的軸心線、第四旋轉軸的軸心線在運動過程中會有共線的狀態，即，第二旋轉軸的軸心線與第四旋轉軸的軸心線重合。

如圖1，所述位置結構包括設有第七旋轉軸2的轉座1、通過第六旋轉軸與所述轉座連接的臂部機構、通過第五旋轉軸與所述臂部機構連接的水平連杆6；所述姿態及冗餘結構安裝在所述水平連杆6上。

關於上述位置結構，參考圖3、圖4，所述臂部機構包括首端與所述轉座1鉸接的上臂3和下臂4、與上臂和下臂的尾端鉸接的中部轉座5，轉座、上臂、下臂、中部轉座構成平行四邊形結構。其中，上臂3的首端通過第六旋轉軸與所述轉座1鉸接。

所述位置結構相當於人的手臂，即，在整個運動範圍內操作手所能達到的任意位置。本結構中轉座1能夠沿第七旋轉軸轉動，所述第七旋轉軸安裝在固定設備，如固定機架上；上臂3、下臂4、轉座1、中部轉座5共同構成平行四邊形結構，上臂與下臂在沿第六旋轉軸旋轉時，能夠使水平連杆6始終保持水平狀態；所述水平連杆能夠沿著第五旋轉軸旋轉，如此，第五旋轉軸、第六旋轉軸、第七旋轉軸線，這三個自由度就組成了位置結構的三個自由度，能夠做到整體結構上下、前後、左右的任意位置運動。

所述位置結構與所述姿態及冗餘結構通過水平連杆6連接，所述姿態及冗餘結構中的第四旋轉軸的軸心線與所述位置結構中的第五旋轉軸的軸心線平行。

以上內容僅為本發明的較佳實施方式，對於本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。