臂单元及具有该臂单元的机器人 |
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| 申请号 | CN201310183103.1 | 申请日 | 2013-05-17 | 公开(公告)号 | CN103417298A | 公开(公告)日 | 2013-12-04 |
| 申请人 | 三星电子株式会社; 麻省理工学院; | 发明人 | 金容载; 金相培; 成善宝; 卡尔·艾格尼玛; | ||||
| 摘要 | 公开了一种臂单元及具有该臂单元的 机器人 ，所述臂单元具有根据情况简单地改变 刚度 的改进构造。机器人包括臂单元及用于驱动臂单元的驱动单元。臂单元包括：多个连接件，通过所述多个连接件的至少两个区域而彼此滚动 接触 ；多条线，穿过所述多个连接件，以将所述多个连接件彼此连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种设备，包括： |
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| 说明书全文 | 臂单元及具有该臂单元的机器人[0001] 本申请要求于2012年5月25日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0056374号韩国专利申请以及于2012年11月20日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0131721号韩国专利申请的权益，这两个韩国专利申请的公开通过引用被包含于此。 技术领域背景技术[0003] 微创手术指的是与开腹手术相比侵入性更小的手术方法，微创手术的代表性示例是腹腔镜手术。与利用穿透腹壁的手术切口的现有剖腹手术不同的是，在微创手术中，在通过多个小口注射气体而在腹腔中准备手术空间之后，手术者通过所述多个小口插入腹腔镜和手术机械手，以在观察腹腔镜图像的同时利用机械手执行手术。 [0004] 与剖腹手术相比，腹腔镜手术具有多个优点，例如，术后疼痛低、住院时间短、快速回到日常生活、由于切口部分小而具有优良的美容效果。然而，手术机械手难以控制，并且仅允许手术机械手运动通过多个小口。 [0005] 为了弥补腹腔镜手术的上述缺点，近来已经研究了单口手术或经自然腔道内镜手术（NOTES），单口手术或NOTES通过经自然腔道（例如，口和肛门）插入手术机械手来执行手术，而无需形成任何一个口。 [0006] 为了高效地执行单口手术或NOTES，会要求手术机械手的臂具有柔性以沿着患者的弯曲的内脏器官穿行，以及要求手术机械手的臂具有刚性以承受施加到手术部分的负荷。 发明内容[0007] 本发明的一方面在于提供一种臂单元及具有该臂单元的机器人，所述臂单元具有根据情况简单地改变刚度的改进构造。 [0008] 本发明的其他方面将在下面的描述中进行部分阐述，部分将从描述中显而易见，或者可通过实施本发明而了解。 [0009] 根据本发明的一方面，一种机器人包括臂单元及用于驱动臂单元的驱动单元，其中，臂单元包括：多个连接件，通过所述连接件的至少两个区域而彼此滚动接触；多条线，穿过所述多个连接件，以将所述多个连接件彼此连接。 [0010] 所述多个连接件可串联地布置，所述多个连接件中的至少两个连接件可与相邻的连接件滚动接触。 [0011] 所述多个连接件中的至少一个连接件可包括：中空型主体；主体的多个第一滚动接触部分，沿着面对另一相邻的连接件的第一方向弯曲。 [0012] 所述多个连接件中的每个连接件可包括：主体的多个第二滚动接触部分，沿着与第一方向相反的第二方向弯曲。 [0014] 所述多个第二滚动接触部分可包括：一对第二滚动接触部分，布置在基于主体的沿着主体纵向的中心轴旋转180°的位置。 [0015] 第一滚动接触部分相对于第二滚动接触部分可布置在基于主体的所述中心轴沿着主体的周向旋转90°的位置。 [0016] 第一滚动接触部分可包括与另一相邻的连接件滚动接触的滚动接触表面。 [0017] 第一滚动接触部分的至少一部分可以是具有预定曲率的圆的一部分。 [0018] 所述多个连接件可包括：第一连接件；第二连接件，在相对于第一连接件基于沿着主体纵向穿过第一连接件的中心的中心轴旋转90°的位置与第一连接件的上表面或下表面滚动接触。 [0019] 所述机器人还可包括：防滑构件，布置在第一连接件和第二连接件之间，以防止第一连接件和第二连接件之间的滑动。 [0020] 防滑构件的一个表面可与第一连接件的一部分接触，防滑构件的另一个表面可与第二连接件的一部分接触。 [0021] 第一连接件的与第二连接件相对的第一表面以及第二连接件的与所述第一表面滚动接触的第二表面可分别设置有第一齿部和第二齿部，第一齿部与第二齿部彼此啮合，以防止第一连接件和第二连接件之间的滑动。 [0022] 第一齿部可周向地形成在具有中空形状的第一连接件的第一表面上，第二齿部可周向地形成在具有中空形状的第二连接件的第二表面上。 [0023] 第一滚动接触部分可具有不同的高度。 [0024] 所述多个连接件可包括：第一连接件，具有上表面和下表面，所述上表面和下表面均与其他相邻的连接件滚动接触；第二连接件，具有上表面和下表面，所述上表面和下表面中的一个表面与一个相邻的连接件滚动接触，所述上表面和下表面中的另一个表面与另一相邻的连接件表面接触；至少一个第三连接件，具有上表面和下表面，所述上表面和下表面均与其他相邻的连接件表面接触。 [0025] 第二连接件可布置在第一连接件和第三连接件之间。 [0026] 所述至少一个第三连接件可包括至少两个第三连接件，所述至少两个第三连接件彼此相邻地布置，以在臂单元的驱动期间用作刚体。 [0027] 所述多条线可包括：一对第一线，沿着所述多个连接件的布置方向穿过第一滚动接触部分；一对第二线，沿着所述多个连接件的布置方向穿过第二滚动接触部分。 [0028] 在臂单元的驱动期间，一对第一线中的任意一条线的延伸长度可与一对第一线中的另一条线的收缩长度不对称。 [0029] 施加到第一线和第二线的张力可与臂单元的刚度成比例。 [0031] 根据本发明的另一方面，在一种包括具有多个连接件的臂单元及用于驱动所述臂单元的驱动单元的机器人中，每个连接件包括：中空型主体；至少一个凸起部分，沿着主体的纵向从主体的上表面和下表面中的至少一个表面的一部分凸起，以与另一相邻的连接件滚动接触。 [0032] 每个连接件可包括连接到凸起部分的至少一个凹入部分，凹入部分可限定枢转空间，以允许彼此相邻的一个连接件和另一个连接件通过它们的凸起部分相对于彼此枢转。 [0033] 所述至少一个凸起部分可包括一对凸起部分，所述一对凸起部分基于包括主体的中心轴的假想的第一分割平面彼此相对地布置。 [0034] 所述至少一个凹入部分可包括一对凹入部分，所述一对凹入部分基于包括主体的中心轴且垂直于第一分割平面的假想的第二分割平面彼此相对地布置。 [0035] 所述凸起部分可包括滚动接触表面，以与另一相邻的连接件滚动接触，滚动接触表面的至少一部分可以是具有预定曲率的圆的一部分。 [0036] 所述多个连接件可包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，第二连接件和第三连接件具有与第一连接件的形状相同的形状，并分别与第一连接件的上表面和下表面相邻地布置，第一连接件可包括：中空型主体；一对第一凸起部分，从主体的上表面的一部分纵向地凸起，以与第二连接件滚动接触；一对第二凸起部分，沿着与第一凸起部分的凸起方向相反的方向从主体的下表面的一部分凸起，以与第三连接件滚动接触，第二凸起部分相对于第一凸起部分可布置在基于主体的沿着主体纵向的中心轴旋转90°的位置。 [0037] 第二连接件可包括：中空型主体；一对第三凸起部分，从主体的上表面的一部分纵向地凸起，以与和第二连接件的上表面相邻的另一连接件滚动接触；一对第四凸起部分，沿着与第三凸起部分的凸起方向相反的方向从主体的下表面的一部分凸起，以与第一连接件滚动接触，所述一对第四凸起部分可分别与所述一对第一凸起部分滚动接触。 [0038] 所述机器人还可包括：防滑构件，布置在第一连接件和第二连接件之间，以防止第一连接件和第二连接件之间的滑动，防滑构件的一个表面可与第一凸起部分接触，防滑构件的另一个表面可与第四凸起部分接触。 [0039] 第一凸起部分和第四凸起部分可包括齿部，以允许第一凸起部分的至少一部分与第四凸起部分的至少一部分彼此啮合，从而防止第一连接件和第二连接件之间的滑动。 [0041] 通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面将会变得清楚且更加易于理解，在附图中： [0042] 图1是示出根据实施例的臂单元和驱动单元的视图； [0043] 图2是示出构成图1的臂单元的连接件的视图； [0044] 图3是示出当从不同的角度观察时图2的连接件的视图； [0045] 图4是图2的侧视图； [0046] 图5A和图5B是示出根据实施例的臂单元的倾斜运动和摇动运动的视图； [0047] 图6A、图6B、图7A和图7B是解释施加到线的张力和臂单元的刚度之间的关系的视图； [0048] 图8A、图8B和图8C是示出根据实施例的穿过构成臂单元的连接件插入防滑构件的视图； [0049] 图9A、图9B和图9C是示出根据另一实施例的臂单元的视图； [0050] 图10A、图10B和图10C是示出根据另一实施例的臂单元的视图； [0051] 图11A、图11B和图11C是示出根据另一实施例的臂单元的视图。 具体实施方式[0052] 现在，将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，在附图中，相同的标号始终指示相同的元件。 [0053] 图1是示出根据实施例的臂单元和驱动单元的视图。 [0054] 如图1所示，机器人1包括臂单元10以及用于驱动臂单元10的驱动单元50。 [0055] 臂单元10包括：连接件110，以滚动接触的方式串联地布置；线181a、181b、182a和182b，穿过连接件110以将连接件110彼此连接。 [0056] 线181a、181b、182a和182b包括：一对第一线181a和181b，彼此相对地布置，以实现臂单元10的倾斜运动；一对第二线182a和182b，彼此相对地布置，以实现臂单元10的摇动运动。 [0057] 驱动单元50包括：至少一个滑轮52，用于改变线181a、181b、182a和182b的路径；驱动板54，连接到线181a、181b、182a和182b，以调节施加到线181a、181b、182a和182b的张力；驱动电机（未示出），用于驱动驱动板54。 [0058] 驱动板54具有弧形形状，使得线181a、181b、182a和182b缠绕在驱动板54上。驱动板54包括：第一驱动板54a，连接到与臂单元10的倾斜运动相关的第一线181a和181b，以调节第一线181a和181b的张力；第二驱动板54b，连接到与臂单元10的摇动运动相关的第二线182a和182b，以调节第二线182a和182b的张力。 [0059] 第一驱动板54a和第二驱动板54b独立地旋转，从而调节第一线181a和181b的张力以及第二线182a和182b的张力，以实现臂单元10的倾斜运动和摇动运动。 [0060] 图2是示出构成图1的臂单元的连接件的视图，图3是示出当从不同的角度观察时图2的连接件的视图，图4是图2的侧视图，图5A和图5B是示出根据实施例的臂单元的倾斜运动和摇动运动的视图。 [0061] 如图2至图5B所示，每个连接件110包括：中空型主体112；一对第一滚动接触部分114a和114b，通过沿着朝向所述每个连接件110上方的另一相邻的连接件110的第一方向弯曲主体112的表面而形成；一对第二滚动接触部分116a和116b，通过沿着与第一方向相反的方向弯曲主体112的表面而形成。 [0062] 第一滚动接触部分114a和114b从主体112的上表面的一部分纵向地凸起，以与所述每个连接件110上方的另一相邻的连接件110接触。第二滚动接触部分116a和116b沿着与第一滚动接触部分114a和114b的凸起方向相反的方向从主体112的下表面的一部分凸起，以与所述每个连接件110下方的另一相邻的连接件110接触。即，第一滚动接触部分114a和114b以及第二滚动接触部分116a和116b分别可被称为第一凸起部分114a和114b以及第二凸起部分116a和116b。 [0063] 一对第一滚动接触部分114a和114b或一对第二滚动接触部分116a和116b布置在基于主体112的沿着主体纵向的中心轴Lc旋转180°的位置。此外，一对第一滚动接触部分114a和114b相对于一对第二滚动接触部分116a和116b布置在基于中心轴Lc沿着主体112的周向旋转90°的位置。 [0064] 主体112的形成有第一滚动接触部分114a和114b的上表面设置有连接到第一滚动接触部分114a和114b的第一凹入部分115a和115b。主体112的形成有第二滚动接触部分116a和116b的下表面设置有连接到第二滚动接触部分116a和116b的第二凹入部分117a和117b。第一凹入部分115a和115b相对于第一滚动接触部分114a和114b布置在基于中心轴Lc沿着主体112的周向旋转90°的位置。第二凹入部分117a和117b相对于第二滚动接触部分116a和116b布置在基于中心轴Lc沿着主体112的周向旋转90°的位置。第一滚动接触部分114a和114b基于包括中心轴Lc的假想的第一分割平面F1彼此对称地布置，第一凹入部分115a和115b基于包括中心轴Lc且垂直于第一分割平面F1的假想的第二分割平面F2彼此对称地布置。 [0065] 一对第一滚动接触部分114a和114b以及一对第二滚动接触部分116a和116b分别具有第一通孔121a和121b以及第二通孔122a和122b，用于使第一线181a和181b以及第二线182a和182b穿过以实现倾斜运动和摇动运动。 [0066] 各个连接件110彼此顺序地结合，使得每个连接件110相对于另一相邻的连接件110基于中心轴Lc旋转90°，从而构成臂单元10。因此，如图1所示，第一线181a和181b以及第二线182a和182b分别顺序地穿过一个连接件110的第一通孔121a和121b以及另一相邻的连接件110的第二通孔122a和122b。 [0067] 为了使各个相邻的连接件110能够相对枢转，如图4所示，第一滚动接触部分114a和114b以及第二滚动接触部分116a和116b中的每个滚动接触部分的至少一部分可以是具有预定曲率C的圆的一部分。 [0068] 在没有将力施加到线181a、181b、182a和182b的状态下，形成在任意一个连接件110的主体112的上表面的第一滚动接触部分114a和114b与形成在布置于所述任意一个连接件110上方的另一连接件110的主体112的下表面的第二滚动接触部分116a和116b滚动接触，形成在任意一个连接件110的主体112的下表面的第二滚动接触部分116a和 116b与形成在布置于所述任意一个连接件110下方的另一连接件110的主体112的上表面的第一滚动接触部分114a和114b滚动接触。 [0069] 连接到任意一个连接件110的第一滚动接触部分114a和114b的第一凹入部分115a和115b与连接到布置于所述任意一个连接件110上方的另一连接件110的第二滚动接触部分116a和116b的第二凹入部分117a和117b相对地布置。利用这种布置方式，限定枢转空间S1和S2，以使各个相邻的连接件110能够相对枢转。此外，连接到任意一个连接件110的第二滚动接触部分116a和116b的第二凹入部分117a和117b与连接到布置于所述任意一个连接件110下方的另一连接件110的第一滚动接触部分114a和114b的第一凹入部分115a和115b相对地布置，从而限定枢转空间S1和S2。 [0070] 如图5A所示，当调节第一线181a和181b的张力时，在形成于任意一个连接件110的主体112的下表面的第二滚动接触部分116a和116b与形成于布置在所述任意一个连接件110下方的另一连接件110的主体112的上表面的第一滚动接触部分114a和114b之间产生相对枢转，由此实现倾斜运动。 [0071] 此外，如图5B所示，当调节第二线182a和182b的张力时，在形成于任意一个连接件110的主体112的上表面的第一滚动接触部分114a和114b与形成于布置在所述任意一个连接件110上方的另一连接件110的主体112的下表面的第二滚动接触部分116a和116b之间产生相对枢转，由此实现摇动运动。 [0072] 这样，在实施臂单元10的倾斜运动期间，第一线181a和181b中的任意一条线的延伸长度与第一线181a和181b中的另一条线的收缩长度不对称，在实施臂单元10的摇动运动期间，第二线182a和182b中的任意一条线的延伸长度与第二线182a和182b中的另一条线的收缩长度不对称。即，施加到第一线181a和181b以及第二线182a和182b的张力与由多个连接件110构成的臂单元10的刚度成比例。 [0073] 图6A、图6B、图7A和图7B是解释施加到线的张力和臂单元的刚度之间的关系的视图。 [0074] 这里，“n”表示连接件110的数量，“φp”和“φt”分别表示在摇动运动期间和在倾斜运动期间各个相邻的连接件110之间的角度，“θp”和“θt”分别表示在摇动运动期间和在倾斜运动期间布置在臂单元10的末端的连接件110之间的角度，“Lpl”和“Lpr”分别表示第二线182a和182b的将各个相邻的连接件110彼此连接的那部分的长度，“dpl”和“dpr”分别表示第二线182a和182b的总长度。“r”表示第一滚动接触部分114a或第二滚动接触部分116a的半径，“α”表示第一滚动接触部分114a或第二滚动接触部分116a的接触角的一半。“x”表示臂单元10的端部的位移，“h”表示臂单元10的相对的端部之间的距离，“F”表示施加到臂单元10的剪切力，“dtl”和“dtr”分别表示第一线181a和181b的总长度。 [0075] 参照图6A和图6B，利用上述变量之间的关系获得第二线182a和182b的延伸长度或收缩长度，如下： [0076] θp=n·φp [0077] θt=n·φt [0078] [0079] [0080] [0081] [0082] 在这种情况下，dpl(θp,θt)与dpr(θp,θt)之和不为零。即，在臂单元10执行倾斜运动或摇动运动时，任意一条第二线182a（或182b）的延伸长度的绝对值不同于另一条第二线182b（或182a）的收缩长度的绝对值。这同样适用于第一线181a和181b。 [0083] 这样，由于在臂单元10执行倾斜运动或摇动运动时第一线181a和181b的不对称性以及第二线182a和182b的不对称性，而可以通过对第一线181a和181b以及第二线182a和182b的张力进行调节来改变臂单元10的刚度。 [0084] 参照图7A和图7B，获得施加到第一线181a和181b以及第二线182a和182b的张力T与臂单元10的刚度K之间的关系，如下： [0085] [0086] [0087] [0088] 这里，如图7A和图7B所示，基于虚功的概念获得下面的等式。 [0089] FΔx+TpΔdp+TtΔdt=0 [0090] [0091] [0092] [0093] [0094] [0095] 整理上面的等式， [0096] [0097] [0098] 如将从上面的等式认识到的，施加到第一线181a和181b以及第二线182a和182b的张力T与臂单元10的刚度K彼此成比例，因此，可通过调节第一线181a和181b以及第二线182a和182b的张力T来改变臂单元10的刚度K。 [0099] 利用上述构造，在臂单元10沿着患者的弯曲的内脏器官运动到手术部分时，能够通过减小臂单元10的刚度而给臂单元10提供柔性，在臂单元10到达手术部分之后执行手术时，能够增加臂单元10的刚度以承受施加到臂单元10的负荷，这确保更加高效地实施手术。 [0100] 图8A至图8C是示出根据实施例的穿过构成臂单元的连接件插入防滑构件的视图。 [0101] 如图8A至图8C所示，防滑构件150布置在各个相邻的连接件110之间，以防止可能在各个连接件110枢转期间产生的滑动。 [0102] 防滑构件150具有与各个连接件110的主体112的上表面的一部分和下表面的一部分对应的组合形状，以在防滑构件150的一个表面150a和另一个表面150b处与各个相邻的连接件110接触。防滑构件150可由与连接件110的材料不同的材料形成，具体地说，防滑构件150可由在防滑方面有效的塑性材料或橡胶材料形成。 [0103] 图9A至图9C是示出根据另一实施例的臂单元的视图。 [0104] 除了臂单元20的各个连接件210的齿部214和216之外，其他部件及其驱动原理等同于臂单元10的连接件110，因此省略对其的描述。 [0105] 如图9A至图9C所示，臂单元20的各个连接件210还包括齿部214和216，以防止连接件210在相对枢转期间滑动。 [0106] 齿部214和216包括分别形成在连接件210的主体212的上表面和下表面上的曲线形第一齿部214和曲线形第二齿部216。 [0107] 第一齿部214和第二齿部216沿着主体212的上表面和下表面的周向形成。 [0108] 形成在多个连接件210中的任意一个连接件210上的第一齿部214与形成在布置于所述任意一个连接件210上方的另一连接件210上的第二齿部216啮合，这防止可能在各个相邻的连接件210彼此滚动接触以相对于彼此执行枢转时产生的滑动。 [0109] 图10A至图10C是示出根据另一实施例的臂单元的视图。 [0110] 如图10A至图10C所示，本实施例的臂单元30包括第一连接件310、第二连接件320和第三连接件330。第二连接件320可与第一连接件310的上表面312a相邻地布置，以与第一连接件310滚动接触，第三连接件330可与第二连接件320的上表面322a相邻地布置，以与第二连接件320表面接触。 [0111] 虽然第二连接件320和第三连接件330已经在上面被描述为分别与第一连接件310的上表面312a以及第二连接件320的上表面322a相邻地布置，但是将清楚地理解到，第二连接件320和第三连接件330分别可与第一连接件310的下表面312b以及第二连接件320的下表面322b相邻地布置。 [0112] 第一连接件310等同于上述臂单元10的连接件110，因此省略对其的详细描述。 [0113] 第三连接件330包括：中空型主体332；第一平坦部分334a和334b以及第二平坦部分336a和336b，分别形成在主体332的上表面332a和下表面332b上，以与相邻的第二连接件320或第三连接件330表面接触。 [0114] 第二连接件320布置在第一连接件310和第三连接件330之间，以将第一连接件310和第三连接件330彼此连接。第二连接件320包括：中空型主体322；第三平坦部分 324a和324b，形成在主体322的上表面322a上；第三滚动接触部分326a和326b，形成在与上表面322a相对的下表面322b上。 [0115] 第三平坦部分324a和324b实质上等同于形成在第三连接件330上的第一平坦部分334a和334b或第二平坦部分336a和336b。第三滚动接触部分326a和326b实质上等同于形成在第一连接件310上的第一滚动接触部分314a和314b或第二滚动接触部分316a和316b。 [0116] 在本实施例中，至少两个第一连接件310可彼此相邻地布置，以通过所述至少两个第一连接件310的相对枢转实现臂单元30的倾斜运动和摇动运动，至少两个第三连接件330可彼此相邻地布置，以在臂单元30的倾斜运动和摇动运动期间用作刚体。如图10C所示，当将张力施加到将第一连接件310、第二连接件320和第三连接件330彼此连接的线380a和380b时，第三连接件330用作刚体以保持臂单元30的刚度，第一连接件310可相对于彼此枢转以实现臂单元30的倾斜运动和摇动运动。 [0117] 图11A、图11B和图11C是示出根据另一实施例的臂单元的视图。 [0118] 如图11A至图11C所示，臂单元40包括具有对称的上部和下部的第一连接件410以及具有不对称的上部和下部的第二连接件420。 [0119] 第一连接件410等同于上述臂单元10的连接件110，因此省略对其的详细描述。 [0120] 第二连接件420包括：中空型主体422；第四滚动接触部分424a和424b，形成在主体422的第一表面422a上；第五滚动接触部分426a和426b，形成在与第一表面422a相对的第二表面422b上。 [0121] 主体422不对称地构造，从而在臂单元40的倾斜运动或摇动运动期间，沿着第一连接件410或第二连接件420的枢转方向，主体422的一侧比其另一侧更大程度地延伸，这在第四滚动接触部分424a和424b之间产生高度差。 [0122] 第一连接件410和第二连接件420交替地布置在相对于彼此旋转90°的位置，使得在实施倾斜运动或摇动运动期间臂单元40最初是倾斜的。这允许臂单元40以更大的角度执行倾斜运动或摇动运动，因此增加了臂单元40可到达手术部分的范围，等。 [0123] 从上面的描述清楚的是，根据实施例的由多个连接件构成的臂单元通过对线的张力进行调节而在刚度上是可调节的。 |
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