一種主從式機器人主手操作手腕的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種主手操作手腕，具體涉及一種主從式機器人主手操作手腕。
【背景技術(shù)】
[0002]為了實現(xiàn)良好的實時狀態(tài)反饋，應(yīng)對在手術(shù)過程中的復(fù)雜情況，用于手術(shù)的醫(yī)療機器人系統(tǒng)通常使用主從式機械臂。操作者帶動主手末端運動，主手機械臂各關(guān)節(jié)主要為被動運動，測量得到關(guān)節(jié)運動信息，映射到從機械臂端，驅(qū)動從手實現(xiàn)相應(yīng)運動。
[0003]目前常見用于主手端的機械臂主要有以下幾種。美國Computer Mot1n公司開發(fā)的ZEUS系統(tǒng)機械臂，但其工作空間比較小，靈活性不高，缺少力/力矩反饋信息。IntuitiveSurgical公司研發(fā)的da Vinci系統(tǒng)功能強大，但行業(yè)的壟斷帶來昂貴的價格，并且機構(gòu)過于龐大，缺少力感覺，空間利用率低。美國SensAble公司研制的PHANTOM主手不僅具有三維力反饋，還有三維力矩反饋，可以更貼近從手真實的操作情況，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中最為理想的力反饋設(shè)備。但是其價格非常昂貴，客戶也無法根據(jù)自身需求編輯軟件程序，從而大大限制了其應(yīng)用場合。瑞士的Force Dimens1n公司根據(jù)delta并聯(lián)機構(gòu)原理推出的delta、sigma以及omega系列是當(dāng)前最為成功的并聯(lián)型力覺主手，其機械臂采用并聯(lián)機構(gòu)，具有運動耦合性高，操作不靈活以及控制復(fù)雜等缺點。由天津大學(xué)王樹新教授課題組牽頭，天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院以及南開大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的MicroHand A (妙手A)主操作手，其手腕關(guān)節(jié)全是沒有驅(qū)動系統(tǒng)的被動關(guān)節(jié)，其自重平衡的設(shè)計只能在特定的位置姿態(tài)時才能達到平衡，對使用限制較多，結(jié)構(gòu)有待改進。
[0004]進口主手機械臂價格非常昂貴，且現(xiàn)在使用的機械臂大多全部是被動關(guān)節(jié)，不能實現(xiàn)機械臂本身任意位置的力平衡，醫(yī)生帶動主手操作負荷大，易疲勞。現(xiàn)存的從機械臂端可以測量出末端和人體組織接觸時的力，但是只能通過圖像，聲音等轉(zhuǎn)換形式傳遞給給操作的醫(yī)生，不直觀。傳統(tǒng)主手開機后，由于在掉電期間主從手位姿都可能發(fā)生了變化，需要調(diào)整主手姿態(tài)適應(yīng)從手姿態(tài)后再進行連接，這對醫(yī)生的熟練程度要求較高，而且可能導(dǎo)致主從的不協(xié)調(diào)。理論計算中連續(xù)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)存在奇點，在奇點附近時候靈活性會降低。此時只靠機構(gòu)自身難以保持一貫的靈活性。針對這些現(xiàn)狀，在主手手腕上進行創(chuàng)新性設(shè)計可以克服大部分問題，研究一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)并且能夠滿足機器人微創(chuàng)手術(shù)需要的用于主操作手的機械手腕是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中主手端的機械臂具有以下問題1、工作空間比較小，靈活性不高，缺少力和力矩反饋信息，2、機構(gòu)過于龐大，缺少力感覺，空間利用率低，3、其應(yīng)用場合受到限制，4、操作不靈活以及控制復(fù)雜，5、不能實現(xiàn)機械臂本身任意位置的力平衡，醫(yī)生帶動主手操作負荷大，易疲勞的問題，進而提供一種主從式機器人主手操作手腕。
[0006]本發(fā)明為解決上述問題而采用的技術(shù)方案是:它包括臂連接件、第一腕關(guān)節(jié)組件、第二腕關(guān)節(jié)組件、第三腕關(guān)節(jié)組件、第四腕關(guān)節(jié)組件和夾持機構(gòu)連接件，第一腕關(guān)節(jié)組件包括第一驅(qū)動器、第一電機、第一聯(lián)軸器、第一軸、第一絕對式角度編碼器、第一殼體和兩個第一錐齒輪；臂連接件為條形框體，第一殼體為長方形空心殼體，第一殼體的一端與臂連接件的底端固定連接，且第一殼體沿長度方向的中心線與臂連接件沿長度方向的中心線垂直設(shè)置，第一驅(qū)動器固定安裝在第一殼體的側(cè)壁上，第一軸豎直設(shè)置在第一殼體的另一端上，第一電機轉(zhuǎn)軸的輸出端與第一聯(lián)軸器的一端固定連接，第一聯(lián)軸器的另一端套裝有一個第一錐齒輪，另一個第一錐齒輪套裝在第一軸上，第一絕對式角度編碼器固定安裝在第一殼體上，且第一絕對式角度編碼器的轉(zhuǎn)軸與第一軸的底端固定連接，第一軸的頂端穿過第一殼體并固定安裝在第二腕關(guān)節(jié)組件上，兩個第一錐齒輪齒嚙合，第一電機、第一聯(lián)軸器和兩個第一錐齒輪固定安裝在第一殼體內(nèi)，第一驅(qū)動器通過導(dǎo)線與第一電機連接，第三腕關(guān)節(jié)組件固定安裝在第二腕關(guān)節(jié)組件上，第四腕關(guān)節(jié)組件固定安裝在第三腕關(guān)節(jié)組件上，夾持機構(gòu)連接件固定安裝在第四腕關(guān)節(jié)組件上。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明由第一腕關(guān)節(jié)組件2、第二腕關(guān)節(jié)組件3、第三腕關(guān)節(jié)組件4、第四腕關(guān)節(jié)組件5串聯(lián)而成，所述相鄰兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線互相垂直。所述每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有獨立的電機驅(qū)動，分別通過聯(lián)軸器，錐齒輪，軸和絕對式角度編碼器系部件帶動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。所述每個電機均有獨立的驅(qū)動器驅(qū)動。所述各關(guān)節(jié)的軸端安裝有絕對式角度編碼器。本發(fā)明具有力矩補償和反饋功能具體效果如下:
[0008]1、本發(fā)明的機構(gòu)及其控制可以應(yīng)用于主從式控制機器人的手腕部分，實現(xiàn)更好的人機交換信息傳遞。
[0009]2、本機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，適應(yīng)性強，實用性高，功能強大等優(yōu)點，具有廣闊的使用前景。
[0010]3、本機構(gòu)可以根據(jù)每個絕對式角度編碼器測出的關(guān)節(jié)姿態(tài)計算當(dāng)前操作機構(gòu)所需的力和力矩，通過電機輸出反向力和力矩進行補償，實現(xiàn)實時力和力矩的平衡，從而醫(yī)生可以在沒有力負荷的情況下操作，減少醫(yī)生操作難度，降低疲勞程度。
[0011]4、本機構(gòu)中的各電機可以根據(jù)從手端測得的力，實時進行力矩的反向輸出，同時排除操作機構(gòu)本身對力矩大小的影響，使醫(yī)生可以時刻感受到從手末端接觸力的大小，方便醫(yī)生對病患體內(nèi)病變組織及器官進行更加準確的手術(shù)操作。
[0012]5、本機構(gòu)可以在開機后，根據(jù)從手反饋回的位置角度消息，直接由電機驅(qū)動各手腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，結(jié)合角度編碼器的測量值自動調(diào)整姿態(tài)至匹配從手姿態(tài)，然后建立連接，減少了原來需要人工進行匹配的復(fù)雜過程，降低了對醫(yī)生操作熟練度的要求。
[0013]6、本機構(gòu)的手腕關(guān)節(jié)的四自由度中存在冗余自由度，不僅可以提高手腕的靈活性，更能在運動過程中姿態(tài)接近不靈活點附近時主動關(guān)節(jié)進行積極的調(diào)整，保證運動靈活性。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中Rl、R2、R3和R4上的箭頭分別代表本發(fā)明第一腕關(guān)節(jié)組件2、第二腕關(guān)節(jié)組件3、第三腕關(guān)節(jié)組件4和第四腕關(guān)節(jié)組件5轉(zhuǎn)動方向，圖2是第一腕關(guān)節(jié)組件2的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是第一軸2-5安裝在第二腕關(guān)節(jié)組件3的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是第二軸3-5、第三腕關(guān)節(jié)組件4、第四腕關(guān)節(jié)組件5和夾持機構(gòu)連接件6安裝在一起的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1-圖4說明本實施方式，一種主從式機器人主手操作手腕，它包括臂連接件1、第一腕關(guān)節(jié)組件2、第二腕關(guān)節(jié)組件3、第三腕關(guān)節(jié)組件4、第四腕關(guān)節(jié)組件5和夾持機構(gòu)連接件6，第一腕關(guān)節(jié)組件2包括第一驅(qū)動器2-1、第一電機2-2、第一聯(lián)軸器2-3、第一軸2-5、第一絕對式角度編碼器2-6、第一殼體2-7和兩個第一錐齒輪2_4 ;臂連接件1為條形框體，第一殼體2-7為長方形空心殼體，第一殼體2-7的一端與臂連接件1的底端固定連接，且第一殼體2-7沿長度方向的中心線與臂連接件1沿長度方向的中心線垂直設(shè)置，第一驅(qū)動器2-1固定安裝在第一殼體2-7的側(cè)壁上，第一軸2-5豎直設(shè)置在第一殼體2-7的另一端上，第一電機2-2轉(zhuǎn)軸的輸出端與第一聯(lián)軸器2-3的一端固定連接，第一聯(lián)軸器2-3的另一端套裝有一個第一錐齒輪2-4，另一個第一錐齒輪2-4套裝在第一軸2-5上，第一絕對式角度編碼器2-6固定安裝在第一殼體2-7上，且第一絕對式角度編碼器2-6的轉(zhuǎn)軸與第一軸2-5的底端固定連接，第一軸2-5的頂端穿過第一殼體2-7并固定安裝在第二腕關(guān)節(jié)組件3上，兩個第一錐齒輪2-4齒嚙合，第一電機2-2、第一聯(lián)軸器2-3和兩個第一錐齒輪2-4固定安裝在第一殼體2-7內(nèi)，第一驅(qū)動器2-1通過導(dǎo)線與第一電機2-2連接，第三腕關(guān)