一種具有高負載能力的小體積醫療機械臂關節的製作方法

2023-11-10 04:24:17 1

專利名稱：一種具有高負載能力的小體積醫療機械臂關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械臂關節，特別是用於醫療手術機器人的具有高負載能力的 小體積醫療把持機械臂關節。
背景技術：
現代醫療中由於其特殊環境，如輻射大，操作空間限制，使得醫生很難長時 間，高效率在這種環境下工作，而且對於精確度越來越高的現代醫療手術，依靠醫生的 個人經驗和技術往往限制了很大一部分的醫療手術的推廣。因此提出用機械臂代替醫生 進行手術操作，由於手術對機械臂的末端的特殊要求，很大一部分機械臂需要把持一個 較為沉重末端推進機構，為了便於操作，機械臂應是體積較小。
圖1示出的是當前比較著名的達文西手術機器人，該機構擁有四個機械臂，每 個操作臂擁有13個自由度。可實現末端位置和位姿的調整。由於自由度較多導致控制 算法相當複雜，且其把持關節採用諧波加速器，不能實現斷電下的自鎖，其採用常規的 scara的定位機構導致其末端不能承受高負載，。因此在特殊的需要把持高負載的手術 中，不能採用此機械臂關節。
2003年，北京航空航天大學針對腦外科微創手術研製了 5自由度被動式醫療機 器人，如圖3、圖4所示，各關節均為被動式。該機構由於各個關節均採用被動式，在治 療中需要手動調整機械臂位置，使得操作十分不便，而且體積龐大，造價昂貴，且末端 不能把持較重的推進機構，不能完全滿足手術的要求。由此，醫療機器人的把持機構需 要儘量降低機構複雜度，簡化機構和降低控制難度。發明內容
針對現有技術中的上述技術問題，本發明的目的在於提供一種擁有高負載小體 積的把持機構。
本發明通過如下的技術方案實現。
—種機械臂關節，其特徵在於，包括
用於提供運動基座的大臂底座，所述大臂底座通過大臂關節與第一大臂的一端 相連接，所述大臂關節為曲柄滑塊機構；其中，所述大臂底座上可樞轉地連接有大臂 連杆，所述大臂連杆的另一端能夠在所述第一大臂上平動，從而實現所述第一大臂的擺 動；
所述第一大臂的另一端通過小臂關節與小臂相連接，所述小臂關節為曲柄滑塊 帶動平行四邊形機構；其中，所述小臂上可樞轉地連接有小臂連杆，所述小臂連杆的另 一端可在與所述第一大臂平行的第二大臂上平動，從而實現所述小臂的擺動。
根據上述技術方案的機械臂關節，其特徵在於，所述大臂連杆與所述小臂連杆 的平動端分別通過絲槓傳動。
與現有技術相比，本發明實現了以下技術效果。
1)該機械臂關節採用全新的定位機構，在小臂關節的設計上採用了平行四邊形 機構使得整個機械臂機構緊湊，從而減小了機械臂關節的體積，滿足機器人在醫療上的應用。2)該機械臂關節在大臂關節和小臂關節的傳動方式採用了絲槓傳動，這樣一方 面可以實現自鎖保證機器人定位精度，一方面又可以實現機械臂關節的末端擁有較大的 轉矩，從而能把持較為承重的末端推進機構。


圖1是現有技術中的一種醫療機器人；圖2是圖1所示的機器人的運動方式示意圖；圖3是現有技術中的另一種5自由度醫療機器人；圖4是圖3所示的機器人的另一姿態示意圖；圖5是本發明的定位臂結構簡圖；圖6是本發明的定位臂結構變形圖；圖7是本發明的機械臂關節的第二關節運動簡圖；圖8是本發明的機械臂關節的第三關節運動簡圖；圖9是本發明的機械臂關節的大臂、小臂傳動系統示意圖；圖10是本發明的機械臂關節的大臂結構設計圖；圖IOa是本發明的傳動螺母和連杆的連接剖視圖；圖IOb是本發明的兩個小臂對邊板的中間連接剖視圖；圖Ila和圖lib是本發明的機械臂關節的大臂平剖視圖；圖12是典型的定位臂結構及其性能的比較圖。其中各附圖標記含義如下1.大臂底座2.大臂下鉸銷3.長鉸軸軸墊套4.6008深溝球軸承5.6202深溝球軸承6.小臂對邊板7.支撐筒8.短鉸銷墊套9.鉸銷軸10.6202深溝球軸承11.軸承端蓋12.軸用彈性擋圈13.開槽沉頭螺釘14.大臂短鉸座15.花套16.圓柱頭螺釘
17.螺杆開槽套筒
18.6004深溝球軸承
19.大臂傳動絲槓
20.傳動螺母
21.螺杆緊固軸套
22.內六角螺釘
23.中間連接套
24.緊定螺釘
25.開槽沉頭螺釘
26.電機安裝盤
27.沉頭螺釘
28.圓柱頭螺釘
29.電機組件
30.大臂長鉸座
31.小臂連杆
32大臂連杆
33.軸用彈性擋圈
34.大墊片
35.連杆螺母銷軸
36.內六角螺釘
37.支撐杆
38.小臂具體實施方式
為達到一定空間內的任意位置，介入手術機器人定位臂一般應具有3個自由 度。其自由度可是P (移動關節)和R(轉動關節)組合而成。典型的定位臂結構及其性 能的比較如圖12所示。
直角坐標型定位臂工作範圍小、佔據空間大，因此不符合血管介入手術過程。 對於圓柱坐標型、SCARA型定位臂，雖然其對姿態影響較小，但考慮到定位臂末端要 支撐較重的負載，要求驅動及傳動部分結構尺寸很大，因此設計出的整個定位臂結構外 觀尺寸極大，猶如起重機一樣，不符合手術室醫用環境。通過查閱資料，雖然關節坐標 型定位臂有諸多缺點，但其變形結構可以相應的減少這些缺點，且其變形結構能實現較 高定位精度，在達到相同工作空間內，其結構外觀尺寸最小，能夠較好承受末端支撐負 載。所選擇的定位臂結構簡圖及其變形結構簡圖如圖5、圖6所示。
在定位臂結構變形圖中，定位臂通過曲柄滑塊機構將直線運動轉化為旋轉運 動。為實現運動的連貫性，在設計曲柄滑塊機構的具體機械結構時，要保證較精確的尺 寸鏈，以使得機構連貫運動。大臂關節為典型的曲柄滑塊機構，大臂關節運動簡圖如圖 7。其運動簡式為

權利要求
1.一種機械臂關節，其特徵在於，包括用於提供運動基座的大臂底座，所述大臂底座通過大臂關節與第一大臂的一端相連 接，所述大臂關節為曲柄滑塊機構；其中，所述大臂底座上可樞轉地連接有大臂連杆， 所述大臂連杆的另一端能夠在所述第一大臂上平動，從而實現所述第一大臂的擺動；所述第一大臂的另一端通過小臂關節與小臂相連接，所述小臂關節為曲柄滑塊帶動 平行四邊形機構；其中，所述小臂上可樞轉地連接有小臂連杆，所述小臂連杆的另一端 可在與所述第一大臂平行的第二大臂上平動，從而實現所述小臂的擺動。
2.根據權利要求1所述的機械臂關節，其特徵在於，所述大臂連杆與所述小臂連杆的 平動端分別通過絲槓傳動。
3.—種醫療機器人，其特徵在於，具有根據權利要求1-2之一所述的機械臂關節。
全文摘要
本發明公開了一種具有高負載能力的小體積醫療機械臂關節，包括用於提供運動基座的大臂底座，所述大臂底座通過大臂關節與第一大臂的一端相連接，所述大臂關節為曲柄滑塊機構，從而實現所述第一大臂的擺動；所述第一大臂的另一端通過小臂關節與小臂相連接，所述小臂關節為曲柄滑塊帶動平行四邊形機構，從而實現所述小臂的擺動。本發明採用了平行四邊形機構使得整個機械臂關節機構緊湊，從而減小了機械臂關節的體積。同時，本發明採用了絲槓傳動，這樣一方面可以實現自鎖保證機器人定位精度，一方面又可以實現機械臂關節的末端擁有較大的轉矩，從而能把持較為承重的末端推進機構。
文檔編號A61B19/00GK102018574SQ20101054055
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者於華濤, 段星光, 王興濤, 邊桂彬, 黃強 申請人:北京理工大學