專利名稱：喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種喉部手術(shù)機(jī)器人，本發(fā)明尤其涉及一種喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手。
背景技術(shù)：
醫(yī)療機(jī)器人具有定位準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、靈巧性強(qiáng)、工作范圍大、不怕輻射和感染等優(yōu)點(diǎn)。醫(yī)用機(jī)器人不僅可以協(xié)助醫(yī)生完成手術(shù)部位的精確定位，而且可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)最小損傷，提高疾病診斷、手術(shù)治療的精度與質(zhì)量，提高手術(shù)安全，縮短治療時(shí)間，降低醫(yī)療成本。近年來(lái)其研究已經(jīng)成為機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，尤其是多功能醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)新方向。
目前，外科手術(shù)機(jī)器人一般采用主從遙控作業(yè)方式。外科手術(shù)機(jī)器人的使用，有助于提高外科醫(yī)生手術(shù)的精度，解決外科醫(yī)生手部的顫動(dòng)、疲勞、肌肉神經(jīng)的反饋，使醫(yī)生能夠在最舒適的狀態(tài)下進(jìn)行手術(shù)操作，對(duì)于提高手術(shù)成功率、減輕患者痛苦具有重要價(jià)值。目前已成功運(yùn)用在微創(chuàng)外科、眼科、骨科等手術(shù)中。
迄今為止，已經(jīng)獲得美國(guó)FDA認(rèn)證的達(dá)芬奇系統(tǒng)和Zeus系統(tǒng)是微創(chuàng)外科手術(shù)典型系統(tǒng)。在顯微外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)方面，日本東京大學(xué)通過(guò)internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程手術(shù)，并在700km以外的實(shí)施了1mm血管縫合實(shí)驗(yàn)。但該系統(tǒng)在醫(yī)生操作過(guò)程中不能感受力反饋信息。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的醫(yī)療機(jī)器人主要是針對(duì)外科定位，如北京航空航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)的腦外科定位機(jī)器人系統(tǒng)與天津大學(xué)自主開發(fā)的“妙手”顯微外科手術(shù)系統(tǒng)等。此外，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡等方面也獲得一定成果。但這些成果沒(méi)有針對(duì)深腔狹小空間的手術(shù)操作，如耳鼻喉手術(shù)。
在目前的喉部手術(shù)中，醫(yī)生一般采用直接喉鏡、間接喉鏡、支撐喉鏡及纖維喉鏡下手術(shù)方式。其中纖維喉鏡下手術(shù)，病人無(wú)痛苦，可對(duì)較隱蔽部位的病變進(jìn)行手術(shù)，如喉室、前聯(lián)合及聲門下小的病變，但對(duì)較廣泛病變?nèi)鐝V基息肉、聲帶廣泛水腫息肉等不能全部摘除。支撐喉鏡下手術(shù)，手術(shù)準(zhǔn)確，術(shù)者可雙手操作，在配合使用手術(shù)顯微鏡下，手術(shù)更為理想；但是醫(yī)生手術(shù)一般為單膝跪地式，操作非常不舒適；雖然可以采用雙手操作，但是由于工具本身的限制，操作時(shí)雙手經(jīng)常干涉，給醫(yī)生手術(shù)帶來(lái)很大困擾。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手，該機(jī)構(gòu)為關(guān)節(jié)式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，具有8個(gè)自由度，可以完成各種活動(dòng)，操作輕便靈活；雙四連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，使得機(jī)器人的工作點(diǎn)位置變化時(shí)姿態(tài)保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了位置和姿態(tài)的機(jī)械結(jié)構(gòu)解偶；采用兩級(jí)絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即減少了機(jī)構(gòu)空間體積又減輕了機(jī)構(gòu)的重量；采用了雙臂長(zhǎng)度近似相等的結(jié)構(gòu)，使得運(yùn)動(dòng)空間的實(shí)現(xiàn)了最大化；主動(dòng)關(guān)節(jié)同步齒型帶傳動(dòng)的應(yīng)用，使得電機(jī)后置，即減輕系統(tǒng)末端所受的力矩又能保證了關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制精度；粗調(diào)和精調(diào)相分離，通過(guò)手動(dòng)粗調(diào)可以進(jìn)行快速定位；精調(diào)機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)具有進(jìn)行顯微手術(shù)的精度。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手，它設(shè)置有手指圓弧運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第一小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第二小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、垂直方向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)、同步齒型帶輪機(jī)構(gòu)以及鋼絲輪機(jī)構(gòu)，所述手指圓弧運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中第一電機(jī)與夾持手指的緊箍設(shè)置在第一支撐板上，所述第一支撐板與弧形導(dǎo)軌的滑塊相連接，所述弧形導(dǎo)軌的導(dǎo)軌通過(guò)齒扇與弧形導(dǎo)軌支架相連接，所述第一電機(jī)軸上設(shè)置有小齒輪，所述小齒輪與齒扇嚙合；所述弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中力傳感器固定設(shè)置于所述弧形導(dǎo)軌支架和自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸之間，所述自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸穿過(guò)自轉(zhuǎn)軸承座通過(guò)自轉(zhuǎn)連軸器和自轉(zhuǎn)連軸器滑塊與第二電機(jī)的軸相連接，所述第二電機(jī)通過(guò)自轉(zhuǎn)電機(jī)支架與自轉(zhuǎn)軸承座相連接，所述自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸外部套裝有隔套，端部套裝有軸承，所述自轉(zhuǎn)軸承座固定有自轉(zhuǎn)軸承蓋；所述第一小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中第一小臂一端通過(guò)第一臂前轉(zhuǎn)軸與姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架相連接，所述第一小臂另一端通過(guò)第一臂后轉(zhuǎn)軸與過(guò)渡架相連接，所述第一臂前轉(zhuǎn)軸與第一臂后轉(zhuǎn)軸的兩端均設(shè)置有軸承，所述過(guò)渡架上設(shè)置有第三電機(jī)，所述兩只鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接；所述第二小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中第二小臂一端通過(guò)第二臂后轉(zhuǎn)軸與大臂相連接，所述第二小臂另一端通過(guò)第二臂前轉(zhuǎn)軸與過(guò)渡架相連接，所述第二臂前轉(zhuǎn)軸與第二臂后轉(zhuǎn)軸的兩端均設(shè)置有軸承，所述兩只鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接，第二支撐板固定于鋼絲輪上，簡(jiǎn)支板上設(shè)置有支柱，所述支柱的頂部頂在第二支撐板上；所述大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中大臂通過(guò)大臂后轉(zhuǎn)軸與大臂支架相連接，定位盤與大臂支架相連接，所述定位盤上設(shè)置有銷軸，所述大臂上設(shè)置有第四電機(jī)；所述垂直方向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中第五電機(jī)固定在垂直支架上，所述垂直支架固定于垂直底板上，所述第五電機(jī)通過(guò)垂直連軸器、垂直滑塊與垂直傳動(dòng)絲杠相連接，所述垂直傳動(dòng)絲杠兩端部套裝有軸承并穿過(guò)垂直軸承座，所述垂直軸承座固定于垂直底板上，所述垂直軸承座端部固定有垂直軸承蓋，所述垂直底板通過(guò)導(dǎo)軌滑塊及導(dǎo)軌與垂直導(dǎo)軌板相連接，垂直傳動(dòng)螺母通過(guò)垂直調(diào)整墊固定于垂直導(dǎo)軌板上，垂直傳動(dòng)絲杠通過(guò)垂直傳動(dòng)螺母；所述大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中大臂通過(guò)大臂支架與所述垂直導(dǎo)軌板相連；所述同步齒型帶輪機(jī)構(gòu)由第一齒型帶輪、第二齒型帶輪、第三齒型帶輪和第四齒型帶輪及張緊輪組成，所述第一齒型帶輪設(shè)置在第一臂后轉(zhuǎn)軸上，所述第四齒型帶輪設(shè)置在第三電機(jī)輸出軸上，所述第二齒型帶輪設(shè)置在第二臂后轉(zhuǎn)軸上，所述第三齒型帶輪設(shè)置在第四電機(jī)輸出軸上；所述鋼絲輪機(jī)構(gòu)包括第一、第二、第三、第四鋼絲輪，所述第一鋼絲輪與姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)支架固定相連，所述第二鋼絲輪固定在所述過(guò)渡架上，所述第一、第二鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接，所述第三鋼絲輪固定在所述過(guò)渡架上，所述第四鋼絲輪固定在第二臂后轉(zhuǎn)軸的軸承蓋上，所述第三、第四鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接；所述大臂下部設(shè)置有底板，所述底板設(shè)置有溝槽，所述張緊輪通過(guò)其內(nèi)的小軸固定于底板溝槽內(nèi)，所述的弧形導(dǎo)軌的兩端分別設(shè)置有擺動(dòng)限位開關(guān)，所述的弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸上靠近所述弧形導(dǎo)軌支架的一端固定有自轉(zhuǎn)限位塊，所述的自轉(zhuǎn)軸承座固定于所述的姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架上，所述的圓弧導(dǎo)軌的半徑為250mm-350mm，所述的圓弧導(dǎo)軌的角度為20°-40°，所述的姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架與水平軸線的夾角為20°-40°。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)該機(jī)構(gòu)為關(guān)節(jié)式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，具有8個(gè)自由度，可以完成各種活動(dòng)，操作輕便靈活；(2)雙四連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，使得機(jī)器人的工作點(diǎn)位置變化時(shí)姿態(tài)保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了位置和姿態(tài)的機(jī)械結(jié)構(gòu)解偶；(3)采用兩級(jí)絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即減少了機(jī)構(gòu)空間體積又減輕了機(jī)構(gòu)的重量；
(4)采用了雙臂長(zhǎng)度近似相等的結(jié)構(gòu)，使得運(yùn)動(dòng)空間的實(shí)現(xiàn)了最大化；(5)張緊機(jī)構(gòu)和鋼絲輪的巧妙設(shè)計(jì)，解決了絲傳動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)的壓線與張緊問(wèn)題；(6)主動(dòng)關(guān)節(jié)同步齒型帶傳動(dòng)的應(yīng)用，使得電機(jī)后置，即減輕系統(tǒng)末端所受的力矩又能保證了關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制精度；(7)粗調(diào)和精調(diào)相分離，通過(guò)手動(dòng)粗調(diào)可以進(jìn)行快速定位；精調(diào)機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)具有進(jìn)行顯微手術(shù)的精度；(8)采用力矩六維力傳感器來(lái)真實(shí)的反映手指的尖端的真實(shí)力和力矩信息，從而能夠幫助醫(yī)生感受所接觸到的組織或器官的真實(shí)情況；(9)垂直升降機(jī)構(gòu)替代斜滑臺(tái)機(jī)構(gòu)提供垂直位移量，減少控制軸數(shù)，降低控制難度，提高系統(tǒng)的整體可操作性；(10)姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架依據(jù)喉部手術(shù)專門設(shè)計(jì)為20-40度，優(yōu)選角度為20-30度；(11)姿態(tài)自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)添加行程開關(guān)限位；為精確控制角度提供可靠依據(jù)。
(12)沿弧形導(dǎo)軌擺動(dòng)兩極限位置均安裝行程開關(guān)；為精確控制角度提供可靠依據(jù)。
(13)去掉原專利申請(qǐng)的斜滑臺(tái)機(jī)構(gòu)，在很大程度上減輕臂部最前端，即姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的重量，提高系統(tǒng)剛度，優(yōu)化機(jī)構(gòu)可操作性。
圖1是本發(fā)明姿態(tài)調(diào)整部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的弧形導(dǎo)軌的局部放大圖；圖3是本發(fā)明姿態(tài)調(diào)整部分的A-A局部圖；圖4是本發(fā)明水平調(diào)整部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明水平調(diào)整部分第一臂后轉(zhuǎn)軸與過(guò)渡架的局部放大圖；圖6是本發(fā)明的垂直位置調(diào)整部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的垂直位置調(diào)整部分B-B剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1、2、3圖示了姿態(tài)調(diào)整關(guān)節(jié)，其手指的圓弧運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，是一個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由電壓型的步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)弧形導(dǎo)軌電機(jī)6-1提供，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)6-1與夾持手指的緊箍1安裝在支撐板2上，支撐板2與弧形導(dǎo)軌3的滑塊固定在一起，并可以在弧形導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)；弧形導(dǎo)軌3的導(dǎo)軌通過(guò)齒扇5與弧形導(dǎo)軌支架4固定；電機(jī)6-1固定在支撐板2上，小齒輪7裝于電機(jī)6-1軸上，可以在齒扇5上自由滾動(dòng)。圓弧運(yùn)動(dòng)是電機(jī)6-1的軸通過(guò)小齒輪7和齒扇5帶動(dòng)支撐板2在弧形導(dǎo)軌3上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指圓弧的運(yùn)動(dòng)。所述的圓弧導(dǎo)軌的兩極限位置分別設(shè)置有擺動(dòng)限位塊18，為精確控制角度提供依據(jù)。所述的自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9上靠近弧形導(dǎo)軌支架4的一端固定有自轉(zhuǎn)限位塊17，限位塊17轉(zhuǎn)動(dòng)至圖4所示姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架19時(shí)，兩者相互干涉，限定了限位塊17的轉(zhuǎn)動(dòng)，為精確控制角度提供依據(jù)。所述的圓弧導(dǎo)軌的半徑為250mm-350mm，優(yōu)選的半徑為250-300mm，所述的圓弧導(dǎo)軌的角度為20°-40°，優(yōu)選的圓弧導(dǎo)軌的角度為30°-40°。
弧形導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，是一個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)16提供，通過(guò)軸承機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)16通過(guò)自轉(zhuǎn)電機(jī)支架15與自轉(zhuǎn)軸承座11連接，自轉(zhuǎn)軸承座11固定在圖4所示姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架19上；軸承裝在自轉(zhuǎn)軸承座11內(nèi)，內(nèi)部由自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9支撐，軸承的軸向定位是由隔套12、自轉(zhuǎn)軸承蓋10限制；自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9通過(guò)力傳感器8與弧形導(dǎo)軌支架4連接固定；自轉(zhuǎn)軸承蓋10固定在自轉(zhuǎn)軸承座11上，隔套12置于自轉(zhuǎn)軸承座11內(nèi)的兩個(gè)軸承之間；自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9通過(guò)自轉(zhuǎn)連軸器13和自轉(zhuǎn)連軸器滑塊14與電機(jī)16的軸連接。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳遞是通過(guò)兩個(gè)自轉(zhuǎn)連軸器13和自轉(zhuǎn)連軸器滑塊14將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9，自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9與弧形導(dǎo)軌支架4連接，帶動(dòng)整個(gè)前端部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。力傳感器8固定安裝在弧形導(dǎo)軌支架4和自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9之間，可以檢測(cè)到三個(gè)方向的力和三個(gè)方向的力矩。
圖4、5圖示了水平方向的位置調(diào)整關(guān)節(jié)。水平方向的位置調(diào)整是由各個(gè)臂部的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，大臂35轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，是一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)，通過(guò)軸承機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。大臂后轉(zhuǎn)軸37與大臂35由銷釘固連，通過(guò)軸承機(jī)構(gòu)裝配在大臂支架38上，使得整個(gè)前端部分靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)便于手動(dòng)調(diào)節(jié)；此關(guān)節(jié)的鎖緊機(jī)構(gòu)是通過(guò)可插拔的定位銷實(shí)現(xiàn)的，定位盤36用騎縫螺絲與大臂35固連，使定位盤36與大臂35共同旋轉(zhuǎn)，由于定位盤36上有均勻分布的銷孔，當(dāng)手臂走到工作位置時(shí)，將銷釘插入定位盤36的銷孔里從而實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的手動(dòng)精確定位功能。
第二小臂26的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，是一個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)65提供，由帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，通過(guò)軸承機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)與大臂35旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)類似，第二小臂26也是通過(guò)銷連接與第二臂后轉(zhuǎn)軸31相連接，使第二小臂26在大臂35軸承座內(nèi)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)軸承、轉(zhuǎn)軸蓋32和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向定位。第二小臂26與通過(guò)穿過(guò)第一小臂23二者的第二臂前轉(zhuǎn)軸25和過(guò)渡架27連接，通過(guò)軸承、轉(zhuǎn)軸蓋和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向固定。齒型帶輪29裝在第一臂23后轉(zhuǎn)軸28上，通過(guò)帶輪擋圈30固定。同步齒型帶由齒型帶輪33和齒型帶輪34及張緊機(jī)輪組成，齒型帶輪34通過(guò)鍵與電機(jī)65輸出軸相連，將動(dòng)力沿著同步齒型帶的緊邊傳遞給齒型帶輪33，齒型帶輪33與第二臂26后轉(zhuǎn)軸31銷連接，帶動(dòng)第二小臂26轉(zhuǎn)動(dòng)；齒型帶的張緊機(jī)構(gòu)是在底板39上沿垂直齒型帶方向開了一個(gè)長(zhǎng)槽，使張緊輪40的小軸41能夠在其內(nèi)運(yùn)動(dòng)，小軸41上裝有軸承和套筒用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦減小阻力，其末端是螺紋，當(dāng)用螺母鎖緊小軸41后可以使張緊輪40停在長(zhǎng)槽的任意位置從而達(dá)到了任意調(diào)節(jié)帶輪張緊度的目的。
第一小臂23的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，是一個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)64提供，由裝在其輸出軸上的帶輪61傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，通過(guò)軸承機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)與第二小臂26相同，姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架19與第一小臂23通過(guò)穿過(guò)二者的第一臂前轉(zhuǎn)軸22連接，通過(guò)軸承、前轉(zhuǎn)軸蓋21和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向固定。姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架依據(jù)喉部手術(shù)專門設(shè)計(jì)為姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架與水平軸線的夾角為20°-40°，優(yōu)選的夾角為20°-30°。第一小臂23與第二小臂26通過(guò)穿過(guò)二者的第一臂后轉(zhuǎn)軸28和過(guò)渡架27連接，通過(guò)軸承、后轉(zhuǎn)軸蓋24和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向固定。
伺服電機(jī)65通過(guò)同步齒型帶帶動(dòng)第二臂后轉(zhuǎn)軸31轉(zhuǎn)動(dòng)，第二臂后轉(zhuǎn)軸31與第二小臂26通過(guò)銷釘固定，從而小臂26被伺服電機(jī)65間接驅(qū)動(dòng)；雙四連桿機(jī)構(gòu)，是由絲傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。第二小臂26上絲傳動(dòng)的兩個(gè)鋼絲輪中，后面的鋼絲輪20-4用騎縫螺絲固定在轉(zhuǎn)軸蓋32上，轉(zhuǎn)軸蓋32固定在大臂35上，使其與大臂35的相對(duì)位置不變。前面的鋼絲輪20-3固定在過(guò)渡架27上；這樣當(dāng)?shù)诙”?6相對(duì)于大臂35轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩就會(huì)帶動(dòng)過(guò)渡架27向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)這一組鋼絲輪機(jī)構(gòu)就可以對(duì)第二小臂26的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償；第一小臂23上的一組鋼絲輪結(jié)構(gòu)與第二小臂26相同，后面的鋼絲輪20-2固定在過(guò)渡架27上，前面的鋼絲輪20-1與姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)支架19固定，這組鋼絲輪可以對(duì)第一小臂23的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)量進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)兩組四連桿機(jī)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手工作點(diǎn)的位置與姿態(tài)控制的解偶。
鋼絲輪的張緊機(jī)構(gòu)，在每個(gè)鋼絲輪內(nèi)部都開有孔，這樣在繞線的時(shí)候，鋼絲的一頭可以通過(guò)孔繞過(guò)支撐板42和簡(jiǎn)支板43，支撐板42固定在鋼絲輪上，簡(jiǎn)支板43可以自由移動(dòng)，簡(jiǎn)支板43上有螺紋，裝上長(zhǎng)的螺栓，螺栓的頂部頂在支撐板42上，這樣就實(shí)現(xiàn)了鋼絲的張緊功能。
圖6、7圖示了垂直方向的位置調(diào)整關(guān)節(jié)。垂直運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)提供，通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)及減速器固定在垂直支架46上，垂直支架46固定在垂直底板47上，電機(jī)通過(guò)垂直連軸器44、垂直滑塊45將動(dòng)力傳給垂直傳動(dòng)絲杠52；垂直傳動(dòng)絲杠52與垂直底板47由軸承機(jī)構(gòu)連接，垂直軸承座49固定在垂直底板47上，垂直軸承蓋48固定在垂直軸承座49上，軸承置于軸承座內(nèi)，垂直傳動(dòng)絲杠52通過(guò)軸承可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。垂直導(dǎo)軌板53通過(guò)導(dǎo)軌垂直滑塊45及垂直傳動(dòng)螺母50與垂直底板47連接，垂直傳動(dòng)螺母50通過(guò)垂直調(diào)整墊51與垂直導(dǎo)軌板53固定，使垂直導(dǎo)軌板53可以在垂直方向上移動(dòng)；運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是由安裝在垂直傳動(dòng)絲杠52上的垂直傳動(dòng)螺母50將絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睂?dǎo)軌板53的垂直方向的運(yùn)動(dòng)，其中導(dǎo)軌對(duì)其起到導(dǎo)向作用；水平方向位置調(diào)整關(guān)節(jié)的整個(gè)大臂通過(guò)大臂支架38直接安裝在垂直導(dǎo)軌板53上，依靠垂直導(dǎo)軌板53的垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)臂部垂直方向位置的調(diào)整。在本結(jié)構(gòu)中去掉了原專利申請(qǐng)的斜滑臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以垂直方向的位置調(diào)整關(guān)節(jié)帶動(dòng)水平方向位置調(diào)整關(guān)節(jié)及姿態(tài)調(diào)整關(guān)節(jié)做垂直運(yùn)動(dòng)，在很大程度上減輕臂部最前端，即姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的重量，提高系統(tǒng)剛度，優(yōu)化機(jī)構(gòu)可操作性。
下面以實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明從操作手的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)6軸連動(dòng)，包括前端繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)(用以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整)、后端X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)(用以實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整)。
前端繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整。其中，手指的圓弧運(yùn)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)弧形導(dǎo)軌電機(jī)6-1的軸通過(guò)小齒輪7和齒扇5帶動(dòng)支撐板2在弧形導(dǎo)軌3上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指圓弧的運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳遞是通過(guò)兩個(gè)自轉(zhuǎn)連軸器13和自轉(zhuǎn)連軸器滑塊14將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9，自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸9與弧形導(dǎo)軌支架4連接，帶動(dòng)整個(gè)前端部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
后端X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整。其中，水平方向的位置調(diào)整是由各個(gè)臂部的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。大臂35的轉(zhuǎn)動(dòng)是手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動(dòng)大臂35，通過(guò)裝配在大臂支架38上的軸承機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整個(gè)前端部分靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)；此關(guān)節(jié)的鎖緊機(jī)構(gòu)是通過(guò)可插拔的定位銷實(shí)現(xiàn)的，定位盤36用騎縫螺絲與大臂35固連，使定位盤36與大臂35共同旋轉(zhuǎn)，由于定位盤36上有均勻分布的銷孔，當(dāng)手臂走到工作位置時(shí)，將銷釘插入定位盤36的銷孔里從而實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的手動(dòng)精確定位功能。
第二小臂26的旋轉(zhuǎn)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。置于大臂35內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)第二小臂26轉(zhuǎn)動(dòng)，使第二小臂26在大臂35軸承座內(nèi)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒型帶輪34，將動(dòng)力沿著同步齒型帶的緊邊傳遞給齒型帶輪33，齒型帶輪33與第二臂后轉(zhuǎn)軸31銷連接，帶動(dòng)第二小臂26轉(zhuǎn)動(dòng)；齒型帶的張緊機(jī)構(gòu)是在底板39上沿垂直齒型帶方向開了一個(gè)長(zhǎng)槽，使張緊輪40的小軸41能夠在其內(nèi)運(yùn)動(dòng)，小軸41上裝有軸承和套筒用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦減小阻力，其末端是螺紋，當(dāng)用螺母鎖緊小軸41后可以使張緊輪40停在長(zhǎng)槽的任意位置從而達(dá)到了任意調(diào)節(jié)帶輪張緊度的目的。
第一小臂23的旋轉(zhuǎn)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，由帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，通過(guò)軸承機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其方式與第二小臂26相同，姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架19與第一小臂23通過(guò)穿過(guò)二者的第一臂前轉(zhuǎn)軸22連接，通過(guò)軸承、前轉(zhuǎn)軸蓋21和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向固定，并可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架19與第一小臂23之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)。第一小臂23與第二小臂26通過(guò)穿過(guò)二者的第一臂后轉(zhuǎn)軸28和過(guò)渡架27連接，通過(guò)軸承、后轉(zhuǎn)軸蓋24和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向固定，并可以實(shí)現(xiàn)第一小臂23與第二小臂26之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)。
雙四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是由絲傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。第二小臂26上絲傳動(dòng)的兩個(gè)鋼絲輪中，后面的鋼絲輪20-4用騎縫螺絲固定在轉(zhuǎn)軸蓋32上，轉(zhuǎn)軸蓋32固定在大臂35上，使其與大臂35的相對(duì)位置不變。前面的鋼絲輪20-3固定在過(guò)渡架27上；這樣當(dāng)?shù)诙”?6相對(duì)于大臂35轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩就會(huì)帶動(dòng)過(guò)渡架27向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)這一組鋼絲輪機(jī)構(gòu)就可以對(duì)第二小臂26的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償；第一小臂23上的一組鋼絲輪結(jié)構(gòu)與第二小臂26相同，后面的鋼絲輪20-2固定在過(guò)渡架27上，前面的鋼絲輪20-1與姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)支架19固定，這組鋼絲輪可以對(duì)第一小臂23的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)量進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)兩組四連桿機(jī)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手工作點(diǎn)的位置與姿態(tài)控制的解偶。
鋼絲輪的張緊機(jī)構(gòu)，在每個(gè)鋼絲輪內(nèi)部都開有孔，這樣在繞線的時(shí)候，鋼絲的一頭可以通過(guò)孔繞過(guò)支撐板42和簡(jiǎn)支板43，支撐板42固定在鋼絲輪上，簡(jiǎn)支板43可以自由移動(dòng)，簡(jiǎn)支板43上有螺紋，裝上長(zhǎng)的螺栓，螺栓的頂部頂在支撐板42上，這樣就實(shí)現(xiàn)了鋼絲的張緊功能。
垂直方向的運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是由安裝在垂直傳動(dòng)絲杠52上的垂直傳動(dòng)螺母50將垂直傳動(dòng)絲杠52的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睂?dǎo)軌板53的垂直方向的運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手，其特征在于，它設(shè)置有手指圓弧運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第一小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第二小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、垂直方向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)、同步齒型帶輪機(jī)構(gòu)以及鋼絲輪機(jī)構(gòu)，所述手指圓弧運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中第一電機(jī)與夾持手指的緊箍設(shè)置在第一支撐板上，所述第一支撐板與弧形導(dǎo)軌的滑塊相連接，所述弧形導(dǎo)軌的導(dǎo)軌通過(guò)齒扇與弧形導(dǎo)軌支架相連接，所述第一電機(jī)軸上設(shè)置有小齒輪，所述小齒輪與齒扇嚙合；所述弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中力傳感器固定設(shè)置于所述弧形導(dǎo)軌支架和自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸之間，所述自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸穿過(guò)自轉(zhuǎn)軸承座通過(guò)自轉(zhuǎn)連軸器和自轉(zhuǎn)連軸器滑塊與第二電機(jī)的軸相連接，所述第二電機(jī)通過(guò)自轉(zhuǎn)電機(jī)支架與自轉(zhuǎn)軸承座相連接，所述自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸外部套裝有隔套，端部套裝有軸承，所述自轉(zhuǎn)軸承座固定有自轉(zhuǎn)軸承蓋；所述第一小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中第一小臂一端通過(guò)第一臂前轉(zhuǎn)軸與姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架相連接，所述第一小臂另一端通過(guò)第一臂后轉(zhuǎn)軸與過(guò)渡架相連接，所述第一臂前轉(zhuǎn)軸與第一臂后轉(zhuǎn)軸的兩端均設(shè)置有軸承，所述過(guò)渡架上設(shè)置有第三電機(jī)，所述兩只鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接；所述第二小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中第二小臂一端通過(guò)第二臂后轉(zhuǎn)軸與大臂相連接，所述第二小臂另一端通過(guò)第二臂前轉(zhuǎn)軸與過(guò)渡架相連接，所述第二臂前轉(zhuǎn)軸與第二臂后轉(zhuǎn)軸的兩端均設(shè)置有軸承，所述兩只鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接，第二支撐板固定于鋼絲輪上，簡(jiǎn)支板上設(shè)置有支柱，所述支柱的頂部頂在第二支撐板上；所述大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中大臂通過(guò)大臂后轉(zhuǎn)軸與大臂支架相連接，定位盤與大臂支架相連接，所述定位盤上設(shè)置有銷軸，所述大臂上設(shè)置有第四電機(jī)；所述垂直方向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中第五電機(jī)固定在垂直支架上，所述垂直支架固定于垂直底板上，所述第五電機(jī)通過(guò)垂直連軸器、垂直滑塊與垂直傳動(dòng)絲杠相連接，所述垂直傳動(dòng)絲杠兩端部套裝有軸承并穿過(guò)垂直軸承座，所述垂直軸承座固定于垂直底板上，所述垂直軸承座端部固定有垂直軸承蓋，所述垂直底板通過(guò)導(dǎo)軌滑塊及導(dǎo)軌與垂直導(dǎo)軌板相連接，垂直傳動(dòng)螺母通過(guò)垂直調(diào)整墊固定于垂直導(dǎo)軌板上，垂直傳動(dòng)絲杠通過(guò)垂直傳動(dòng)螺母；所述大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中大臂通過(guò)大臂支架與所述垂直導(dǎo)軌板相連；所述同步齒型帶輪機(jī)構(gòu)由第一齒型帶輪、第二齒型帶輪、第三齒型帶輪和第四齒型帶輪及張緊輪組成，所述第一齒型帶輪設(shè)置在第一臂后轉(zhuǎn)軸上，所述第四齒型帶輪設(shè)置在第三電機(jī)輸出軸上，所述第二齒型帶輪設(shè)置在第二臂后轉(zhuǎn)軸上，所述第三齒型帶輪設(shè)置在第四電機(jī)輸出軸上；所述鋼絲輪機(jī)構(gòu)包括第一、第二、第三、第四鋼絲輪，所述第一鋼絲輪與姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)支架固定相連，所述第二鋼絲輪固定在所述過(guò)渡架上，所述第一、第二鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接，所述第三鋼絲輪固定在所述過(guò)渡架上，所述第四鋼絲輪固定在第二臂后轉(zhuǎn)軸的軸承蓋上，所述第三、第四鋼絲輪通過(guò)鋼絲相連接；所述大臂下部設(shè)置有底板，所述底板設(shè)置有溝槽，所述張緊輪通過(guò)其內(nèi)的小軸固定于底板溝槽內(nèi)，所述的弧形導(dǎo)軌的兩端分別設(shè)置有擺動(dòng)限位開關(guān)，所述的弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的自轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸上靠近所述弧形導(dǎo)軌支架的一端固定有自轉(zhuǎn)限位塊，所述的自轉(zhuǎn)軸承座固定于所述的姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架上，所述的圓弧導(dǎo)軌的半徑為250mm-350mm，所述的圓弧導(dǎo)軌的角度為20°-40°，所述的姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架與水平軸線的夾角為20°-40°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手，其特征在于所述的圓弧導(dǎo)軌的半徑為250-300mm，所述的圓弧導(dǎo)軌的角度為30°-40°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手，其特征在于所述的姿態(tài)機(jī)構(gòu)支架與水平軸線的夾角為20°-30°。
全文摘要
本發(fā)明公開了喉部手術(shù)機(jī)器人從操作手，它設(shè)置有手指圓弧運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第一小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第二小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、垂直方向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)、同步齒型帶輪機(jī)構(gòu)以及鋼絲輪機(jī)構(gòu)，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)該機(jī)構(gòu)為關(guān)節(jié)式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，具有8個(gè)自由度，可以完成各種活動(dòng)，操作輕便靈活；雙四連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，使得機(jī)器人的工作點(diǎn)位置變化時(shí)姿態(tài)保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了位置和姿態(tài)的機(jī)械結(jié)構(gòu)解偶；采用兩級(jí)絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即減少了機(jī)構(gòu)空間體積又減輕了機(jī)構(gòu)的重量；粗調(diào)和精調(diào)相分離，通過(guò)手動(dòng)粗調(diào)可以進(jìn)行快速定位；精調(diào)機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)具有進(jìn)行顯微手術(shù)的精度。
文檔編號(hào)A61B17/24GK1730245SQ200510014709
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者王樹新, 李群智, 丁杰男, 周永春, 郭岳山 申請(qǐng)人:天津大學(xué)