一种机械臂结构、预摆位结构及手术机器人 |
|||||||
| 申请号 | CN202110879042.7 | 申请日 | 2021-08-02 | 公开(公告)号 | CN113520602B | 公开(公告)日 | 2024-03-12 |
| 申请人 | 佗道医疗科技有限公司; | 发明人 | 申登伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 机械臂 结构、预摆位结构及手术 机器人 ，属于医疗器械领域，机械臂结构包括 基座 、第一旋转驱动关节、第一臂、第二臂和转台；第一旋转驱动关节固定安装在基座上，第一臂固定在第一旋转驱动关节的输出端，第一臂与第二臂之间、第二臂与转台之间分别通过第一旋转关节、第二旋转关节可转动连接；还包括传动结构，传动结构用于在第一旋转驱动关节带动第一臂转动时，同步地带动第二臂相对于第一臂和转台相对于第二臂旋转，以使转台相对于基座伸缩。本发明通过合理设计降低机械臂结构中动 力 部件的使用，并使动力部件只布置在机械臂结构中远离转台的一端，余出的负载可在转台上布置更大更重的操纵臂，并且能够减小预摆位结构的负载自重比。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机械臂结构，其特征在于：包括基座、第一旋转驱动关节、第一臂、第二臂和转台；所述第一旋转驱动关节固定安装在所述基座上，所述第一臂固定连接在所述第一旋转驱动关节的输出端，且所述第一臂与所述第二臂之间、所述第二臂与所述转台之间分别通过第一旋转关节、第二旋转关节可转动连接；还包括传动结构，所述传动结构用于在所述第一旋转驱动关节带动所述第一臂转动时，同步地带动所述第二臂相对于所述第一臂以及所述转台相对于所述第二臂旋转，以使所述转台相对于所述基座伸缩； |
||||||
| 说明书全文 | 一种机械臂结构、预摆位结构及手术机器人技术领域[0001] 本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种机械臂结构、预摆位结构及手术机器人。 背景技术[0002] 通过机器人做手术过程中，需要根据手术的类型对手术进行空间预摆位，通过预摆位机构能够获得尽可能大的操纵臂的活动空间，从而方便操纵臂的运动及摆位。 [0003] 目前市面上的预摆位结构多是达芬奇产品，该类预摆位结构是由旋转‑伸缩‑再旋转运动完成空间的预摆位，其优点是结构简单，实现方式比较稳定，而缺点是旋转关节部位需要配备质量以及体积较大的电机与减速机的组合，这造成了后端不但要安装操纵臂，还要安装上述电机与减速机的组合，导致后端可用的负载降低，而为了满足使用要求，不得不增加预摆位结构的体积，造成重量偏大；且在伸缩的过程中位于后端的旋转关节需要始终保持向前的姿态，并且需要两个旋转和伸缩同时联动才能完成这一动作，控制过程比较复杂。另外伸缩这一运动需要滚珠丝杆、线性滑轨与电机的组合才能够实现，导致结构整体加工难度大，且成本高，精度要求高。 [0004] 另外，市面上也有采用三个旋转关节的预摆位结构，其优点是结构简单可靠，缺点是需要三个电机与减速机的组合，同样导致整体质量过大，负载自重比大，且需三个关节同时联动。 [0005] 还有直接选用机械臂的预摆位结构，优点是方案简单，选用现有的成熟机械臂方案即可，但缺点是单完成一个转台关节直线向前的动作需要四个关节同时联动，实现方式比较复杂。 发明内容[0006] 针对现有技术存在的预摆位结构中用于使其前端上安装的转台进行伸缩的结构较为复杂以及后端结构的负载较大的问题，本发明的目的在于提供一种机械臂结构、预摆位结构及手术机器人。 [0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案为： [0008] 第一方面，本发明提供一种机械臂结构，包括基座、第一旋转驱动关节、第一臂、第二臂和转台；所述第一旋转驱动关节固定安装在所述基座上，所述第一臂固定连接在所述第一旋转驱动关节的输出端，且所述第一臂与所述第二臂之间、所述第二臂与所述转台之间分别通过第一旋转关节、第二旋转关节可转动连接；还包括传动结构，所述传动结构用于在所述第一旋转驱动关节带动所述第一臂转动时，同步地带动所述第二臂相对于所述第一臂以及所述转台相对于所述第二臂旋转，以使所述转台相对于所述基座伸缩。 [0009] 优选的，所述传动结构包括传动轮A、传动轮a、传动轮B和传动轮b；所述传动轮a、所述传动轮b分别同轴的设置在所述第一旋转关节、所述第二旋转关节上，且所述传动轮a、所述传动轮b分别相对于所述第二臂、所述转台固定连接；所述传动轮A相对于所述基座固定连接且所述传动轮A与所述第一旋转驱动关节的输出端同轴布置；所述传动轮B相对于所述第一臂固定连接且所述传动轮B与所述第一旋转关节同轴布置；其中，所述传动轮A与所述传动轮a传动连接，所述传动轮B与所述传动轮b传动连接。 [0010] 优选的，所述传动轮A、所述传动轮a、所述传动轮B、所述传动轮b之间的传动比为2:1：1：2。 [0011] 进一步的，所述第一旋转关节和所述第二旋转关节上均设置有布线通道。 [0013] 优选的，所述第一旋转关节中的外圈固定安装在所述第一臂上的安装孔中，所述第二臂以及所述传动轮a均固定连接在所述第一旋转关节中的内圈上；所述第二旋转关节中的外圈固定安装在所述第二臂上的安装孔中，所述转台以及所述传动轮b均固定连接在所述第二旋转关节中的内圈上。 [0014] 优选的，所述传动轮B与所述第一旋转关节中的外圈固定连接。 [0015] 优选的，所述基座包括基座本体以及设置在所述基座本体上的连接轴，所述传动轮A固定安装在所述连接轴上。 [0016] 优选的，所述第一旋转驱动关节为中空旋转驱动关节，且所述连接轴穿设在所述第一旋转驱动关节的中空结构内。 [0017] 优选的，所述基座上设置有与所述连接轴同轴布置的布线通孔。 [0019] 优选的，所述第一旋转关节与所述传动轮A之间的距离等于所述第二旋转关节与所述第一旋转关节之间的距离。 [0020] 另一方面，本发明还提供一种预摆位结构，包括立柱滑块、第二旋转驱动关节以及如上所述的机械臂结构；其中，所述第二旋转驱动关节固定安装在所述立柱滑块上，所述机械臂结构中的基座固定安装在所述第二旋转驱动关节的输出端上。 [0021] 进一步的，还包括立柱和升降驱动机构，所述立柱滑块滑动连接在所述立柱上，所述升降驱动机构连接在所述立柱与所述立柱滑块之间。 [0022] 优选的，所述第一旋转驱动关节与所述第二旋转驱动关节同轴布置。 [0023] 优选的，当所述机械臂结构设置有布线通道以及所述基座上设置有布线通孔的连接轴穿设在所述第一旋转驱动关节的中空结构内时，配置所述第二旋转驱动关节为中空旋转驱动关节。 [0024] 再一方面，本发明还提供一种手术机器人，包括如上所述的预摆位结构以及操纵臂，所述操纵臂安装在所述转台上。 [0025] 本发明的有益效果在于： [0026] 1、由于机械臂结构中安装在基座上的第一旋转驱动关节、安装在第一旋转驱动关节输出端上的第一臂、通过第一旋转关节可转动连接的第一臂与第二臂、通过第二旋转关节可转动连接的第二臂与转台以及在第一旋转驱动关节动作时用于带动转台相对基座伸缩的传动结构的设置，使得通过在机械臂结构上布置一个动力部件，即可带动转台进行伸缩运动，从而降低了机械臂结构的整体复杂程度以及重量，另外，由于后端(转台一侧)不必安装额外的动力部件，使后端上的负载降低并减小了预摆位结构的负载自重比； [0027] 2、由于配置传动结构中相对基座固定的传动轮A以及与传动轮A配合使用且用于带动第二臂相对于第一臂转动的传动轮a、相对第一臂固定的传动轮B以及与传动轮B配合使用且用于带动转台相对于第二臂转动的传动轮b，另外传动轮A、传动轮a、传动轮B、传动轮b之间的传动比为2:1：1：2的设置，使得当第一旋转驱动关节带动第一臂转动时，在该传动结构的限制下使转台始终保持向前的姿态相对于基座同步地进行伸缩运动； [0028] 3、由于机械臂结构中第一旋转关节和第二旋转关节上布线通道的设置，使得转台上连接的线缆能够通过机械臂结构内部走线，从而使机械臂外表更加整洁，可有效避免线缆缠绕的问题发生； [0029] 4、由于基座中的连接轴、与该连接轴同轴布置的布线通孔、中空结构的第一旋转驱动关节以及连接轴穿设在第一旋转驱动关节的中空结构内的设置，使得该机械臂结构具有隐藏布线通道的基础上，可进一步的提高其结构的紧凑性，降低体积； [0030] 5、由于预摆位结构中第二旋转驱动关节的设置，使得通过第二旋转驱动关节即可带动在其上安装的机械臂结构整体进行旋转，并且得益于机械臂结构的结构复杂程度低以及后端重量小的优点，可以使预摆位结构后端的负载能力得到有效提高，减小负载自重比； [0032] 图1为本发明一种机械臂结构的示意图； [0033] 图2为本发明一种机械臂结构的正面剖视图； [0034] 图3为图2中A处的局部放大图； [0035] 图4为本发明一种预摆位结构的示意图； [0036] 图5为本发明一种预摆位结构的正面剖视图； [0037] 图6为图5中B处的局部放大图。 [0038] 图中:1‑第一臂、2‑第二臂、3‑转台、4‑第一旋转关节、5‑第二旋转关节、6‑传动轮a、7‑传动轮b、8‑传动轮A、9‑传动轮B、10‑第一同步带、11‑第二同步带、12‑立柱滑块、13‑基座、14‑第一旋转驱动关节、141‑第一电机、142‑第一减速机、15‑第二旋转驱动关节、151‑第二电机、152‑第二减速机。 具体实施方式[0039] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0040] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0041] 对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。 [0042] 另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0043] 实施例一 [0044] 一种机械臂结构，如图1‑3所示，包括基座13、第一旋转驱动关节14、第一臂1、第二臂2和转台3。其中，第一旋转驱动关节14固定安装在基座13上，第一臂1的一端(右端)固定连接在第一旋转驱动关节14的输出端上。并且在第一臂1的另一端(左端)与第二臂2的一端(右端)之间设置第一旋转关节4，以及在第二臂2的另一端(左端)与转台3的一端(右端)之间设置第二旋转关节5，从而使第一臂1与第二臂2、以及第二臂2与转台3之间可转动连接。另外，还包括传动结构，该传动结构用于在第一旋转驱动关节14带动第一臂1转动时，同步地带动第二臂2相对于第一臂1转动，并且进一步地带动转台3相对于第二臂2旋转，其综合作用是使转台3在保持朝向不变(例如朝前，即背离基座13的方向)的基础上相对于基座13只进行直线方向上的伸缩运动。 [0045] 本实施例提出一种传动结构的具体设计，例如，配置传动结构包括传动轮A8、传动轮a6、传动轮B9和传动轮b7。其中，传动轮A8相对于基座13固定连接，且该传动轮A8与第一旋转驱动关节14的输出端同轴布置；传动轮a6相对于第二臂2固定连接，且该传动轮a6与第一旋转关节4同轴布置；传动轮B9则相对于第一臂1固定连接，且该传动轮B9与第一旋转关节4同轴布置；传动轮b7相对于转台3固定连接，且该传动轮b7与第二旋转关节5同轴布置。 [0046] 其中，传动轮A8与传动轮a6为成对配合使用的同步带轮，传动轮A8与传动轮a6通过第一同步带10传动连接，以便于第一臂1在第一旋转驱动关节14的带动下围绕传动轮A8与第一旋转驱动关节14的共同轴线转动后，传动轮a6得以反向旋转，从而带动第二臂2相对于第一臂1发生反向转动，使第二臂2的左端(具体是左端上安装的转台3)回复到其伸缩路径(在垂直于第一旋转驱动关节14轴线的平面内，经过该第一旋转驱动关节14轴线的直线路径)上，即，第一臂1和第二臂2相对于地面参照系转动的方向相反、角度相同。另外，传动轮B9与传动轮b7同样配置为成对配合使用的同步带轮，传动轮B9与传动轮b7通过第二同步带11传动连接，以便于第二臂2在围绕传动轮B9与传动轮a6的共同轴线转动后，传动轮b7得以再次反向旋转，从而能够同步地带动转台3相对于第二臂2反向旋转，进而使转台3相对于基座13的角度朝向不发生变化。 [0047] 可以理解的是，在另一实施例中，传动轮A8与传动轮a6、传动轮B9与传动轮b7还可以为成对配合使用的链轮，此时只需要将上述的同步带更换为链条即可。 [0048] 本实施例中，配置第一旋转驱动关节14包括相互连接的第一电机141和第一减速机142，第一电机141固定安装在基座13上，第一减速机142的输入端与第一电机141的电机轴连接，上述的第一臂1的右端则固定安装在第一减速机142的输出端上。 [0049] 本实施例中，设置第一旋转关节4和第二旋转关节5均包括可相互转动的内圈和外圈。第一臂1的左端设置有安装孔以便于第一旋转关节4中的外圈固定安装在其中，第一旋转关节4中的内圈突出于其外圈(例如内圈轴向的两端分别突出于外圈轴向的两端)，从而使第二臂2的右端以及上述的传动轮a6固定连接在第一旋转关节4中的内圈上，例如，第二臂2固定在该内圈的下端，传动轮a6固定在该内圈的上端。相应的，第二臂2的左端上也设置有安装孔以便于第二旋转关节5中的外圈固定安装在其中，相应的，第二旋转关节5的内圈也突出于其外圈，以便于转台3以及上述的传动轮b7固定连接在第二旋转关节5的内圈上，例如转台3通过连接法兰固定连接在该内圈的下端，传动轮b7固定连接在该内圈的上端。并且优选传动轮B9与第一旋转关节4中的外圈固定连接，并具体连接在该外圈的下端，以便于使传动轮B9与传动轮b7处于同一平面内。 [0050] 使用时，第一旋转驱动关节14带动第一臂1转动，第一臂1围绕传动轮A8与第一旋转驱动关节14的共同轴线转动(例如从上往下看为顺时针方向转动)一角度后，此时由于传动轮A8相对于基座13固定，在传动轮A8以及第一同步带10的约束下，传动轮a6发生逆时针转动，从而带动第二臂2围绕传动轮a6、传动轮B9和第一旋转关节4共同的轴线相对于第一臂1逆时针旋转；又由于传动轮B9是固定在第一臂1上的，因此在传动轮B9以及第二同步带11的约束下，传动轮b7发生顺时针转动，从而带动转台3顺时针转动，进而使转台3能够在其伸缩路径上做伸缩运动(在垂直于第一臂1转动轴线的平面内、沿经过第一臂1转动轴线的直线方向上运动)，并且保持转台3的角度朝向不发生变化。 [0051] 可以理解的是，由于第一臂1顺时针转动后，安装在其上的第二臂2以及转台3也会相对于地面参照系顺时针转动，而如要使第二臂2左端上的转台3回到其伸缩路径上，则第二臂2需要相对于第一臂1逆时针转动更大的角度，而该更大的逆时针转动角度则刚好用于抵消转台3在随第一臂1顺时针转动的角度与转台3在传动轮b7带动下顺时针转动的角度之和，从而确保转台3相对于地面参照系的角度朝向不变。例如，本实施例中，进一步配置第一旋转关节4与传动轮A8之间的距离等于第二旋转关节5与第一旋转关节4之间的距离，另外，配置传动轮A、传动轮a、传动轮B、传动轮b之间的传动比为2:1：1：2，该距离以及传动比关系可根据需要灵活配置。 [0052] 实施例二 [0053] 其与实施例一的区别在于：本实施例中，配置传动轮A8与传动轮a6、传动轮B9与传动轮b7还可以为成对配合使用的齿轮，例如均为锥齿轮，而在第一臂1以及第二臂2上均设置可转动的中间传动轴，该中间传动轴的两端分别安装中间锥齿轮，从而使得传动轮A8在向传动轮a6传递动力的同时，可保持传动方向的不变性，同理，传动轮B9在向传动轮b7传递动力的同时，也可保持其传动方向的不变性。 [0054] 实施例三 [0055] 其与实施例一的区别在于：第一旋转关节4和第二旋转关节5的结构不同，本实施例中，设置第一旋转关节4和第二旋转关节5均包括轴以及轴承或者轴套，其中轴固定安装在轴承或者轴套中，而轴承或者轴套则固定安装在上述的第一臂1或者第二臂2上。 [0056] 例如，对于第一旋转关节4，其包括轴和轴承，轴承包括轴承内圈和轴承外圈，轴承外圈固定安装在第一臂1左端的安装孔中，轴固定安装在轴承内圈中，上述的传动轮a6以及第二臂2的右端则固定安装在该轴上即可。相应的，传动轮B9则套设在该轴的侧壁外，并且与第一臂1相固定即可。 [0057] 同样的道理，对于第二旋转关节5，其包括轴和轴承，轴承包括轴承内圈和轴承外圈，轴承外圈固定安装在第二臂2左端的安装孔中，轴固定安装在轴承内圈中，而上述的转台3以及传动轮b7则固定安装在该轴上即可。 [0058] 实施例四 [0059] 在上述实施例的基础上，为了将转台3上连接的线缆隐藏，在第一旋转关节4和第二旋转关节5上均设置有布线通道。对于实施例一的方案，在其方案的基础上，配置第一旋转关节4和第二旋转关节5的内圈所围成的区域即为所需的布线通道即可；对于实施例二的方案，在其方案的基础上，配置第一旋转关节4和第二旋转关节5中的轴为中空状结构，从而使轴的中空结构为布线通道。 [0060] 另外，本实施例中还配置第一臂1和第二臂2均为中空结构，例如壳状结构，如此设置，一方面得以使上述的线缆从中通过，另一方面还得以将传动轮A8、传动轮a6收纳在第一臂1的中空结构内部，将传动轮B9、传动轮b7收纳在第二臂2的中空结构内部，以便于使机械臂的外表更加简洁。 [0061] 实施例五 [0062] 上述实施例的基础上，设置基座13包括基座本体以及设置在基座本体上的连接轴，而上述的传动轮A8则通过键固定安装在该连接轴上使用。 [0063] 实施例六 [0064] 其在实施例五的基础上，配置第一旋转驱动关节14为中空旋转驱动关节，基座13上的连接轴穿设在第一旋转驱动关节14的中空结构内。如此设置，使得机械臂结构更加紧凑，并且能够使第一臂1进行360°无死角地旋转，从而提升其使用范围。 [0065] 实施例七 [0066] 在实施例六的基础上，当需要进一步的扩展布线通道时，可在基座13上设置与连接轴同轴布置的布线通孔，该布线通孔即可作为布线通道使用，使得第一臂1中的线缆可从中引出，并且不妨碍机械臂结构执行动作。 [0067] 实施例八 [0068] 一种预摆位结构，如图4‑6所示，包括立柱滑块12、第二旋转驱动关节15以及上述任一实施例公开的机械臂结构。 [0069] 其中，第二旋转驱动关节15固定安装在立柱滑块12上，基座13则安装在第二旋转驱动关节15的输出端上。本实施例中，配置第二旋转驱动关节15包括第二电机151和第二减速机152，第二电机151固定安装在立柱滑块12上，第二减速机152与第二电机151固定连接且第二减速机152的输入端与第二电机151的电机轴连接，上述机械臂结构中的基座13则固定安装在该第二减速机152的输出端上。 [0070] 如此设置，使得在保持机械臂结构实现转台3的直线伸缩功能的基础上，通过第二旋转驱动关节15可以带动机械臂结构整体进行旋转，在优选配置第二旋转驱动关节15输出端的轴线平行于第一旋转驱动关节14输出端的轴线时，从而使转台3能够以旋转和伸缩的方式达到平面内任一位置。 [0071] 实施例九 [0072] 其在实施例八的基础上，本实施例中，设置预摆位结构还包括立柱(图中未示出)和升降驱动机构(图中未示出)，上述的立柱滑块12滑动连接在该立柱上，而升降驱动机构则连接在立柱与立柱滑块之间。例如将升降驱动机构配置为直线驱动机构，直线驱动机构包括但不限于电动推杆、气缸或者液压杆，直线驱动机构安装在立柱上，且其输出端与立柱滑块12固定连接即可。 [0073] 其中，优选立柱滑块12在立柱上滑动的方向平行于第二旋转驱动关节15的转动轴线，从而使转台3的运动平面扩展到三维空间，提升预摆位结构的工作范围。 [0074] 实施例十 [0075] 在上述实施例八或九的基础上，本实施例中，当机械臂结构设置有布线通道(配置在第一旋转关节4和第二旋转关节5上)以及设置有布线通孔的连接轴穿设在第一旋转驱动关节14的中空结构内时，另外再配置第二旋转驱动关节15为中空旋转驱动关节，同时设置第二旋转驱动关节15与第一旋转驱动关节14同轴布置。 [0076] 如此设置，使得机械臂结构中的布线通道得以延伸至第二旋转驱动关节15的中空结构内，不但使机械臂结构内线缆的走线更加方便，另外，当立柱滑块12升降时，通过第二旋转驱动关节15内的中空结构进行走线的线缆也不会影响立柱滑块12的升降运动。 [0077] 实施例十一 [0078] 一种手术机器人，其包括上述任一实施例公开的预摆位结构以及安装在转台3上的操纵臂，该操纵臂用于夹持手术器械或者内窥镜等，并且优选预摆位结构为实施例九或十公开的结构。 [0079] 使用时，手术机器人通过结合使用升降驱动机构带动立柱滑块12升降、第二旋转驱动关节15带动基座13转动以及第一旋转驱动关节14带动转台3伸缩，即可使操纵臂在保持姿态不变的情况下到达工作范围内的任意位置。另外，由于机械臂结构的后端(转台3一侧)没有额外的动力部件，因此在预摆位结构重量不变的情况下，其后端的结构负载(结构自重产生的负载)较小，从而提高了后端的任务负载能力，降低了预摆位结构负载自重比，从而可以在转台3上安装更大更重的操纵臂，提高手术机器人及其中预摆位结构的能力和适用范围。 [0080] 以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈