一种遥操作主手的位置调整机构的制作方法

1.本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种遥操作主手的位置调整机构。


背景技术：

2.外科手术有着对象小、形状复杂、部分手术时间较长等特点，长时间的精细操作导致医生很容易疲惫，由此容易造成人手的颤抖而导致精度降低。使用机器操作手能够很大程度的减轻这些安全隐患，准确地完成一些需要长时间的复杂的手术。遥操作主手是机器人辅助手术主从系统中的重要组成单元。
3.目前市面上出现的遥操作主手，主要分为主动主手和被动主手。主动主手占用的体积较大、工作空间较小，且不能够由自身实现重力平衡，容易断电掉落损坏，限制了主操作手的应用环境。被动主手体积小，工作空间合适，但是不能自主寻位。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种遥操作主手的位置调整机构，以解决现有技术中主动主手中的位置调整机构不能由自身实现重力平衡，容易断电掉落的问题。
5.本发明的技术方案为：
6.一种遥操作主手的位置调整机构，适用于主动主手，包括：
7.底座；
8.旋转座，所述旋转座和所述底座之间通过左右旋转关节转动连接；
9.第一臂，所述第一臂和所述旋转座之间通过前后旋转关节转动连接；
10.第二臂，用于安装操作端负载，所述第二臂和所述第一臂之间通过俯仰关节转动连接；
11.第一弹簧，两端分别与所述第一臂和所述旋转座连接，用于在所述前后旋转关节无电力供给情况下使所述第一臂和所述旋转座保持某一预设角度；
12.第二弹簧，两端分别与所述第二臂和所述旋转座连接，用于在所述俯仰旋转关节无电力供给情况下使所述第二臂和所述旋转座保持某一预设角度。
13.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述旋转座和所述底座之间的转动轴线竖直。
14.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述第一弹簧和所述第二弹簧被配置成在所述前后旋转关节和所述俯仰旋转关节均无电力供给情况下，两者相互作用使所述第一臂竖直、第二臂水平。
15.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述第一弹簧和所述第二弹簧被配置成当所述前后旋转关节和所述俯仰旋转关节均处于无电力供给情况下使所述第一臂和所述第二臂相对所述旋转盘的位置关系恢复至初始状态。
16.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述底盘上设有转轴，所述转轴与所述旋转座转动连接；
17.所述左右旋转关节包括旋转电机，所述旋转电机固连于所述旋转座，所述旋转电机的输出轴上设有电机齿轮，所述转轴上设有转轴齿轮，所述转轴齿轮和所述电机齿轮啮合传动。
18.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述左右旋转关节还包括左右角位移传感器，所述左右角位移传感器固连于所述旋转座，其检测轴上设有检测齿轮，所述检测齿轮与所述转轴齿轮啮合传动。
19.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述旋转座上固定有立柱，所述立柱上固定连接有横轴；
20.所述前后旋转关节包括第一旋转盘和第一电机，所述第一旋转盘转动连接于所述横轴，所述第一旋转盘与所述第一臂固定连接，所述第一电机固连于所述旋转座，所述第一电机的输出轴与所述第一旋转盘联动。
21.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述立柱内设有容置区域，所述第一弹簧设于所述容置区域内；所述立柱的顶部设有与所述容置区域连通的通孔，所述通孔内设有换向轮组；所述第一弹簧的下端与所述立柱连接，上端连接有拉绳的一端，所述拉绳的另一端绕设所述换向轮组并穿过所述通孔后与所述第一臂连接。
22.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述俯仰旋转关节包括第二旋转盘、第二电机和辅助臂；
23.所述第二旋转盘转动连接于所述横轴，其转动轴线与所述第一旋转盘和所述横轴的转动轴线、以及所述横轴的轴线重合；
24.所述辅助臂与所述第一臂平行设置，所述辅助臂的一端与所述第二旋转盘转动连接，且连接处相对所述横轴的轴线偏心设置，所述辅助臂的另一端与所述第二臂转动连接，所述第二臂上与所述第一臂的转动连接位置位于与所述辅助臂的转动连接位置和用于安装操作端负载的位置之间；
25.所述第二旋转盘、所述辅助臂、所述第二臂和所述第一臂形成类平行四边形构型；
26.所述第二电机固连于所述旋转座，其输出端与所述第二旋转盘联动。
27.某一实施例中的遥操作主手的位置调整机构，所述第二弹簧通过与所述辅助臂连接实现与所述第二臂的连接。
28.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
29.本发明提供的遥操作主手的位置调整机构，在断电也就是没有电力供给时，第一弹簧和第二弹簧能够平衡操作端负载(及第一臂、第二臂等结构)产生的重力扭矩，使得第一臂相对旋转座保持在某一个预设角度、第二臂相对旋转座保持在某一个预设角度，实现重力平衡。
附图说明
30.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
31.图1为本发明的一种遥操作主手的位置调整机构的初始状态示意图；
32.图2为本发明的一种遥操作主手的位置调整机构的结构示意图；
33.图3为本发明的一种遥操作主手的位置调整机构的齿轮组处局部示意图；
34.图4为本发明的一种遥操作主手的位置调整机构在前后旋转关节转动后的示意图；
35.图5为本发明的第一电机输出轴和第一旋转盘联动结构的示意图；
36.图6为本发明的一种遥操作主手的位置调整机构的第一弹簧处结构示意图；
37.图7为本发明的一种遥操作主手的位置调整机构在俯仰旋转关节转动后的示意图。
38.附图标记说明：
39.1：底座；2：旋转座；3：旋转电机；4：电机齿轮；5：转轴齿轮；6：检测齿轮；7：左右角位移传感器；8：立柱；9：横轴；10：第一臂；11：第一电机；12：第一旋转盘；13：第一弹簧；14：张紧固定螺栓；15：(第一电机的)输出轴；16：前后角位移传感器；17：第二臂；18：辅助臂；19：第二电机；20：第二旋转盘；21：第二弹簧；22：俯仰角位移传感器；23：换向轮。
具体实施方式
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
41.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
42.参看图1至图7，本实施例提供一种遥操作主手的位置调整机构，适用于主动主手。位置调整机构包括底座1、旋转座2、第一臂10、第二臂17、第一弹簧13和第二弹簧21。旋转座2和底座1之间通过左右旋转关节转动连接，第一臂10和旋转座2之间通过前后旋转关节转动连接，第二臂17用于安装操作端负载，第二臂17和第一臂10之间通过俯仰关节转动连接。
43.第一弹簧13两端分别与第一臂10和旋转座2连接，用于在前后旋转关节无电力供给情况下使第一臂10和旋转座2保持某一预设角度。第二弹簧21两端分别与第二臂17和旋转座2连接，用于在俯仰旋转关节无电力供给情况下使第二臂17和旋转座2保持某一预设角度。
44.第一弹簧13和第二弹簧21能够在断电也就是没有电力供给的情况下，平衡操作端负载(及第一臂10、第二臂17等结构)产生的重力扭矩，使得第一臂10相对旋转座2保持在某一个预设角度、第二臂17相对旋转座2保持在某一个预设角度，实现重力平衡。
45.现对本实施例的结构进行说明。
46.本实施例提供的遥操作主手的位置调整机构，主要用于腹腔镜遥操作主手末端姿态调整关节(即操作端负载)的整体位置调整，但也可用于其他医疗机器人的遥操作主手中。操作端负载主要是通过左右旋转关节实现左右偏摆，通过前后旋转关节实现前后伸缩，通过俯仰关节实现上下俯仰。
47.底座1用于和外部结构(一般为主操作台车)连接固定。左右旋转关节包括旋转电机3、角位移传感器和齿轮系，为与下文中其他旋转关节中的角位移传感器进行区分，在下文中将左右旋转关节中的角位移传感器称为左右角位移传感器7。旋转座2相对底座1的旋转，可以由外力驱动旋转，也可以由旋转电机3驱动旋转。齿轮系为电机驱动旋转的传递机构，同时也将旋转座2相对底座1的角位移量传递给左右角位移传感器7，方便实时反馈旋转盘的位置，从而通过几何关系计算出操作端负载左右偏摆的位置。
48.具体，齿轮系包括电机齿轮4、转轴齿轮5和检测齿轮6。在底座1上设有转轴，转轴与旋转座2转动连接。旋转座2靠近底座1的一侧为第一侧，与之相对的一侧为第二侧；旋转座2和底座1之间的区间为传动区间。旋转电机3固定连接在旋转座2上，且设于旋转座2的第二侧。旋转电机3的输出轴穿过旋转座2伸入传动区间，旋转电机3的输出轴上设有上述电机齿轮4，转轴上设有上述转轴齿轮5，转轴齿轮5和电机齿轮4均设于传动区间内且两者啮合传动。左右角位移传感器7的壳体固定连接在旋转座2上，其检测轴穿过旋转座2伸入传动区间；左右角位移传感器7的检测轴上设有上述检测齿轮6，检测齿轮6与转轴齿轮5啮合传动，从而使得能够通过换算得到旋转座2相对底座1转动的角度。
49.进一步的，左右旋转关节的旋转角度可按需求进行限位，从而限制操作端负载的有效工作空间。具体为通过旋转电机3和左右角位移传感器7设置软限位，即，设置左右角位移传感器7能够检测的角度区间，再根据该角度区间限制旋转电机3的输出轴能够转动的角度，进而保证左右角位移传感器7实际读取的值在该角度区间内。
50.在旋转盘的第二侧固定连接有立柱8，立柱8上固定连接有横轴9，立柱8和横轴9为第一臂10、第二臂17、前后旋转关节、俯仰旋转关节等构件提供支撑。
51.前后旋转关节分别连接第一臂10和旋转座2，通过旋转运动使第一臂10前后摆动，从而实现操作端负载在前后方向上的位置变化。前后旋转关节包括第一旋转盘12、第一电机11和前后角位移传感器16，第一旋转盘12转动连接在横轴9上，第一旋转盘12与第一臂10固定连接，第一电机11固连于旋转座2，其输出轴15与第一旋转盘12联动。第一电机11的输出轴15和第一旋转盘12之间的联动，可通过多种结构方式实现，例如齿轮组。在本实施例中，第一电机11和第一臂10之间通过钢丝绳传动实现一定比例的减速旋转运动，主要目的是对第一电机11输出扭矩进行放大，从而提高位置调整机构的负载承受能力。具体如图5所示，钢丝绳两端分别通过张紧固定螺栓14连接固定并张紧于第一旋转盘12上，钢丝绳中间在第一电机11的输出轴15的轴套上绕一定圈数，确保张紧后摩擦力足够；第一电机11正反转时，钢丝绳即可牵引第一旋转盘12正反转。
52.在立柱8内设置容置区域，第一弹簧13设置在容置区域内。立柱8的顶部设有与容置区域连通的通孔，通孔内设有换向轮组。第一弹簧13的下端与立柱8连接，上端连接有拉绳的一端，拉绳的另一端绕过换向轮组并穿过通孔后与第一臂10连接；其中，拉绳的种类不做限制，在本实施例中优选采用钢丝绳。具体，换向轮组包括两个换向轮23，两个换向轮23沿第一臂10的摆动方向设于钢丝绳的两侧，适于第一臂10前后两个方向的摆动。无论第一臂10处于角度位置，弹簧始终提供反向拉力，使第一臂10有倾向于竖直状态的趋势。需要注意的是，需保证在第一臂10的行程范围内，第一弹簧13始终在立柱8的容置区域内伸缩。且，在横轴9上开设避让孔，防止干涉第一弹簧13。
53.如图2所示，前后角位移传感器16安装于第一臂10和横轴9的转动连接处，用于监
测第一臂10的摆动角度，从而通过几何关系计算出操作端负载前后伸缩的位置。
54.俯仰旋转关节包括第二旋转盘20、第二电机19、辅助臂18和俯仰角位移传感器22。第二旋转盘20转动连接于横轴9，其转动轴线与第一旋转盘12和横轴9的转动轴线、以及横轴9的轴线重合。辅助臂18与第一臂10平行设置，辅助臂18的一端与第二旋转盘20转动连接，且连接处相对横轴9的轴线偏心设置；辅助臂18的另一端与第二臂17转动连接，第二臂17上与第一臂10的转动连接位置位于与辅助臂18的转动连接位置和用于安装操作端负载的位置之间。第二旋转盘20、辅助臂18、第二臂17和第一臂10整体形成类平行四边形构型。假定第一臂10和前后旋转关节固定不动，第二臂17可相对第一臂10旋转，从而实现操作端辅助的上下俯仰。
55.第二电机19固连于旋转座2，其输出轴与第二旋转盘20联动，具体的联动方式有多种，在本实施例中采用与第一电机11输出轴与第一旋转盘12的联动方式相同的结构。俯仰角位移传感器22安装于第二臂17和第一臂10的转动连接处，用于监测第二臂17相对第一臂10的转动角度，从而通过几何关系计算出操作端负载上下俯仰的位置。
56.第二弹簧21通过与辅助臂1连接实现与第二臂17的连接。具体为，第二弹簧21的下端与旋转座2连接，另一端通过钢丝绳固定在辅助臂18的某一特定的点。第二弹簧21始终提供向下的拉力，使第二臂17有上翘的趋势。
57.优选的，旋转盘和底座1之间的转动轴线竖直。当第二臂17上安装有操作端负载后，通过对第一弹簧13和第二弹簧21进行合适的选型和设计，使得在第一电机11和第二电机19都没有电力供给的情况下，第一臂10和第二臂17与操作端负载自平衡，第一臂10和第二臂17保持在一个平衡状态，即第一臂10竖直、第二臂17水平，也就是位置调整机构的第一臂10和第二臂17的初始状态。
58.需注意的是，操作端负载在左右、前后、上下方向上的运动均是由左右旋转关节、前后旋转关节和俯仰旋转关节的复合旋转运动共同实现的。位置调整机构在操作端负载重力、第一臂10和第二臂17等构件的自身重力、第一弹簧13的拉力、第二弹簧21的拉力的共同作用下，可自平衡于一个合适的状态，该状态即为位置调整机构的初始状态。再加上旋转电机3、第一电机11和第二电机19的辅助驱动力矩，可自平衡于行程范围内任意位置。当操作端负载受到外力作用时，电机辅助力矩可适时调整，使位置调整机构平衡于需要的位置。更进一步，当操作端负载外力为人手作用力时，人手在推动过程中任一时刻，通过左右角位移传感器7、前后角位移传感器16和俯仰角位移角位移传感器实时反馈位置，通过几何计算，旋转电机3、第一电机11和第二电机19辅助输出该位置的平衡力矩，此时人手带动操作端负载移动的推力及其微小，给人轻松的舒适感。
59.因此，本实施例提供的遥操作主手的位置调整机构，相比于现有技术中的其他遥操作主动主手产品的位置调整机构，结构紧凑，体积较小。且能够实现位置调整机构在无电机驱动情况下的自平衡，不会出现断电掉落的情况，同时还具有第一臂10和第二臂17的自动寻位(即使用结束后也就是断电后能够自动恢复到初始位置)，也能够在操作端负载被操作者驱动到任意位置时(在电机辅助力矩的作用下)进行自平衡。
60.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种遥操作主手的位置调整机构，适用于主动主手，其特征在于，包括：底座；旋转座，所述旋转座和所述底座之间通过左右旋转关节转动连接；第一臂，所述第一臂和所述旋转座之间通过前后旋转关节转动连接；第二臂，用于安装操作端负载，所述第二臂和所述第一臂之间通过俯仰关节转动连接；第一弹簧，两端分别与所述第一臂和所述旋转座连接，用于在所述前后旋转关节无电力供给情况下使所述第一臂和所述旋转座保持某一预设角度；第二弹簧，两端分别与所述第二臂和所述旋转座连接，用于在所述俯仰旋转关节无电力供给情况下使所述第二臂和所述旋转座保持某一预设角度。2.根据权利要求1所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述旋转座和所述底座之间的转动轴线竖直。3.根据权利要求2所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述第一弹簧和所述第二弹簧被配置成在所述前后旋转关节和所述俯仰旋转关节均无电力供给情况下，两者相互作用使所述第一臂竖直、所述第二臂水平。4.根据权利要求1所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述第一弹簧和所述第二弹簧被配置成当所述前后旋转关节和所述俯仰旋转关节均处于无电力供给情况下使所述第一臂和所述第二臂相对所述旋转盘的位置关系恢复至初始状态。5.根据权利要求1所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述底盘上设有转轴，所述转轴与所述旋转座转动连接；所述左右旋转关节包括旋转电机，所述旋转电机固连于所述旋转座，所述旋转电机的输出轴上设有电机齿轮，所述转轴上设有转轴齿轮，所述转轴齿轮和所述电机齿轮啮合传动。6.根据权利要求5所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述左右旋转关节还包括左右角位移传感器，所述左右角位移传感器固连于所述旋转座，其检测轴上设有检测齿轮，所述检测齿轮与所述转轴齿轮啮合传动。7.根据权利要求1所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述旋转座上固定有立柱，所述立柱上固定连接有横轴；所述前后旋转关节包括第一旋转盘和第一电机，所述第一旋转盘转动连接于所述横轴，所述第一旋转盘与所述第一臂固定连接，所述第一电机固连于所述旋转座，所述第一电机的输出轴与所述第一旋转盘联动。8.根据权利要求7所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述立柱内设有容置区域，所述第一弹簧设于所述容置区域内；所述立柱的顶部设有与所述容置区域连通的通孔，所述通孔内设有换向轮组；所述第一弹簧的下端与所述立柱连接，上端连接有拉绳的一端，所述拉绳的另一端绕设所述换向轮组并穿过所述通孔后与所述第一臂连接。9.根据权利要求7所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述俯仰旋转关节包括第二旋转盘、第二电机和辅助臂；所述第二旋转盘转动连接于所述横轴，其转动轴线与所述第一旋转盘和所述横轴的转动轴线、以及所述横轴的轴线重合；所述辅助臂与所述第一臂平行设置，所述辅助臂的一端与所述第二旋转盘转动连接，
且连接处相对所述横轴的轴线偏心设置，所述辅助臂的另一端与所述第二臂转动连接，所述第二臂上与所述第一臂的转动连接位置位于与所述辅助臂的转动连接位置和用于安装操作端负载的位置之间；所述第二旋转盘、所述辅助臂、所述第二臂和所述第一臂形成类平行四边形构型；所述第二电机固连于所述旋转座，其输出端与所述第二旋转盘联动。10.根据权利要求9所述的遥操作主手的位置调整机构，其特征在于，所述第二弹簧通过与所述辅助臂连接实现与所述第二臂的连接。

技术总结
本发明提供了一种遥操作主手的位置调整机构，适用于主动主手。位置调整机构包括底座、旋转座、第一臂、第二臂、第一弹簧和第二弹簧。旋转座和底座之间通过左右旋转关节转动连接，第一臂和旋转座之间通过前后旋转关节转动连接，第二臂用于安装操作端负载，第二臂和第一臂之间通过俯仰关节转动连接。第一弹簧两端分别与第一臂和旋转座连接，用于在前后旋转关节无电力供给情况下使第一臂和旋转座保持某一预设角度。第二弹簧两端分别与第二臂和旋转座连接，用于在俯仰旋转关节无电力供给情况下使第二臂和旋转座保持某一预设角度。本发明提供的位置调整机构，解决了现有技术中主动主手中的位置调整机构不能由自身实现重力平衡，容易断电掉落的问题。断电掉落的问题。断电掉落的问题。


技术研发人员：吕文尔 孙祎 王少白 华翔
受保护的技术使用者：上海卓昕医疗科技有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/4