一种具有多自由度的机器人器械手指及用途制造技术

本发明专利技术提供一种具有多自由度的机器人器械手指及用途，所述机器人器械手指，由驱动机构、安装支架机构和腕部手指机构三部分组成。驱动机构经安装支架机构与腕部手指机构相连接；可使用在医疗手术、工业操作、远程遥控领域。有益的技术效果：本发明专利技术所述的具有多自由度机器人器械手指，具有旋转、俯仰、偏摆和开合4个自由度；驱动柔索初始张紧力20N，误差±2N以内；最小张力不小于7.5N；驱动柔索直线位移范围在0至12mm；旋转关节角度范围在±180°之间；俯仰关节角度范围在±90°之间；偏摆关节角度范围在±75°；开合角度在0至150°之间。

Robot fingers and uses with multiple degrees of freedom

The invention provides a multi-degree-of-freedom robot instrument finger and its application. The robot instrument finger is composed of a driving mechanism, a mounting bracket mechanism and a wrist finger mechanism. The driving mechanism is connected with the wrist finger mechanism by the mounting bracket mechanism, and can be used in the fields of medical operation, industrial operation and remote control. The invention has four degrees of freedom: rotating, pitching, yawing and closing; driving cable initial tension force 20N, error (+) 2N; minimum tension not less than 7.5N; driving cable linear displacement range 0 to 12mm; rotating joint angle range (+) 180 degree The range of the angle of the pitching joint is (+) 90 (+), the range of the angle of the deflection joint is (+) 75 (+), and the opening and closing angles are (+) 0 (+) 150 (+).

【技术实现步骤摘要】
一种具有多自由度的机器人器械手指及用途
本专利技术属于机器人
，尤其涉及一种机器人辅助微创外科手术用医疗设备，应用于微创外科手术机器人执行手术操作，更尤其涉及一种基于弹性柔索驱动方式的4自由度的机器人辅助器械，具体为一种具有多自由度的机器人器械手指及用途。
技术介绍
相对于传统外科手术，机器人辅助微创外科手术具有目标定位精确、易于实现微创化、可进行远程手术等优点，为具有微创化和精细化特征的第三代外科手术奠定了技术基础，能够提高手术效率与成功率、减少患者手术痛楚、缩短术后恢复时间等。但当前普遍存在的问题之一是操作器械的力觉感知能力缺失或应用困难。由于在手术器械末端外经通常在10mm以内，在末端直接集成测力传感器的难度大、成本高，且考虑到手术器械的耗材特性，研究可以通过利用自身驱动和控制信息，即可以实现对操作和接触外力进行有效估测的新型手术器械具有十分重要的意义。本专利技术设计的外科手术机器人器械手指具有旋转、俯仰和偏转3个机构自由度，以及1个通过偏转操作钳交错运动实现的夹持自由度，由于创新性的引入弹性柔索驱动方式，可以实时保证驱动柔索的张紧度，大幅降低柔索驱动的回程误差，并通过光栅尺检测驱动和复位柔索长度的微位移变化量，以及通过磁栅检测旋转关节的微转角变化量，从而能够间接实现对操作钳触碰力和夹持力的估测。因此，本专利技术在自身力估测手术器械机构设计方面具有良好的创新性，可配套应用于微创外科手术机器人系统。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种具有多自由度的机器人器械手指及用途，尤其是一种具有3个机构运动自由度和1个开合自由度，基于弹性柔索驱动方式的4自由度外科手术机器人器械手指。本专利技术具体如下：一种具有多自由度的机器人器械手指，由驱动机构1、安装支架机构2和腕部手指机构3三部分组成。驱动机构1经安装支架机构2与腕部手指机构3相连接。由驱动机构1对腕部手指机构3进行俯仰、偏转和/或夹持3个自由度的柔索驱动。由安装支架机构2对腕部手指机构3进行旋转自由度的驱动。腕部手指机构3具有俯仰、偏转和/或开合3个运动自由度。进一步说，驱动机构1由架体机构1100、柔索牵引机构1200、柔索复位机构1300和柔索导向过轮组件1400所组成。优选的方案是，采用3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400。其中，架体机构1100由两个半壳体1101、第五层面板1102、第四层面板1103、连接立柱1104、第三层面板1105、第二层面板1106、第一层面板1107所组成。通过3根连接立柱1104和内六角螺钉将第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107逐一连接在一起。进一步说，第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107共线。更进一步说，第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107沿由驱动机构1指向腕部手指机构3的方向排列。即连接立柱1101、第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和第一层面板1107共同构成驱动机构1的整体框架。在第五层面板1102、第四层面板1103、第三层面板1105、第二层面板1106和/或第一层面板1107上设置有3组柔索牵引机构1200、3组柔索复位机构1300和12组柔索导向过轮组件1400。在第一层面板1107的上表面、第二层面板1106的上表面和第三层面板1105的下表面上均安装有柔索导向过轮组件1400，用于实现对6根钢丝驱动柔索的导向。3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300分别通过螺钉安装在第三层面板1103和第四层面板1104之间。同时，由一对柔索牵引机构1200和一个柔索复位机构1300组成一条回路，该回路分别给一对牵引柔索和复位柔索提供驱动拉力。通过柔索导向过轮组件1400实现对腕部手指机构3中的1个俯仰关节和2个偏转关节的6根驱动柔索的导向，从而将6根驱动柔索分别与3组柔索牵引机构1200和3组柔索复位机构1300连接，构成腕部手指3个关节的驱动回路。进一步说，柔索牵引机构1200包括驱动机构电机1201、驱动机构导轨支架1202、驱动机构导轨1203、丝杠支撑座1204、丝杠支撑端支架1205、驱动机构导轨滑块1206、滚珠丝杠与螺母组件1207、丝杠定位座1208、牵引柔索1209、牵引柔索连接支架1210、驱动机构光栅读数头1211、驱动机构光栅尺安装支架1212、驱动机构光栅尺1213和驱动电机联轴器1214。其中，驱动机构电机1201安装在第四层面板1103上，尾部穿过第五层面板1102。驱动机构电机1201通过驱动电机联轴器1214与滚珠丝杠与螺母组件1207的丝杠输入轴连接。滚珠丝杠与螺母组件1207中丝杠与丝杠支撑座1204中的深沟球轴承联接。丝杠支撑座1204安装在丝杠支撑端支架1205左侧。牵引柔索连接支架1210上端与牵引柔索1209一端连接。丝杠支撑端支架1205安装在驱动机构导轨支架1202上。滚珠丝杠与螺母组件1207的螺母与牵引柔索连接支架1210连接。牵引柔索连接支架1210安装在驱动机构导轨滑块1206上。驱动机构导轨1203安装在驱动机构导轨支架1202上。滚珠丝杠与螺母组件1207的丝杠另一端与与丝杠定位座1208中的深沟球轴承联接。丝杠定位座1208安装在第三层面板1105上。牵引柔索连接支架1210左侧安装有驱动机构光栅读数头1211。驱动机构光栅尺安装支架1212安装在驱动机构导轨支架1202上。驱动机构导轨支架1202安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。滚珠丝杠与螺母组件1207中的滚珠丝杠将驱动机构电机1201的旋转运动转换为滚珠丝杠螺母的直线移动，进而带动牵引柔索连接支架1210和驱动机构光栅读数头1211的往复移动，从而实现拉动牵引柔索1209，以及通过光栅尺测量系统对牵引柔索1209牵引段位移量的精确检测。进一步说，柔索复位机构1300由复位固定柔索1301、复位弹簧1302、复位机构导轨支架1303、复位机构导轨1304、复位柔索连接支架1305、复位机构导轨滑块1306、复位机构光栅尺支架1307、复位机构光栅尺1308、复位机构光栅读数头1309、复位柔索1310和内六角螺钉1311组成。其中，复位固定柔索1301的一端与复位弹簧1302连接。复位固定柔索1301的另一端与第五层面板1102连接。复位弹簧1302的另一端与连接复位柔索1310连接。复位柔索1310与复位柔索连接支架1305连接。复位柔索连接支架1305上设有复位机构光栅读数头1309。复位柔索连接支架1305安装在复位机构导轨滑块1306上。复位机构导轨1304安装在复位机构导轨支架1303上。复位机构导轨支架1303上设有复位机构光栅尺支架1307。复位机构导轨支架1303通过内六角螺钉1311安装在第四层面板1103和第三层面板1105之间。进一步说，柔索导向过轮组件1400包括过轮螺钉1401、定位垫圈1402、过轮螺母1403、微型U槽轴承1404、支架螺钉1405和过轮支架14本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：由驱动机构（1）、安装支架机构（2）和腕部手指机构（3）三部分组成；驱动机构（1）经安装支架机构（2）与腕部手指机构（3）相连接；由驱动机构（1）对腕部手指机构（3）进行俯仰、偏转和/或夹持3个自由度的柔索驱动；由安装支架机构（2）对腕部手指机构（3）进行旋转自由度的驱动；腕部手指机构（3）具有俯仰、偏转和/或开合3个运动自由度。

【技术特征摘要】
1.一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：由驱动机构（1）、安装支架机构（2）和腕部手指机构（3）三部分组成；驱动机构（1）经安装支架机构（2）与腕部手指机构（3）相连接；由驱动机构（1）对腕部手指机构（3）进行俯仰、偏转和/或夹持3个自由度的柔索驱动；由安装支架机构（2）对腕部手指机构（3）进行旋转自由度的驱动；腕部手指机构（3）具有俯仰、偏转和/或开合3个运动自由度。2.根据权利要求1所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征是：驱动机构（1）由架体机构（1100）、柔索牵引机构（1200）、柔索复位机构（1300）和柔索导向过轮组件（1400）所组成；其中，架体机构（1100）由两个半壳体（1101）、第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、连接立柱（1104）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）、第一层面板（1107）所组成；通过连接立柱（1104）将第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）和第一层面板（1107）逐一连接在一起；即连接立柱（1101）、第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）和第一层面板（1107）共同构成驱动机构（1）的整体框架；在第五层面板（1102）、第四层面板（1103）、第三层面板（1105）、第二层面板（1106）和/或第一层面板（1107）上设置有柔索牵引机构（1200）、柔索复位机构（1300）和柔索导向过轮组件（1400）；在第一层面板（1107）的上表面、第二层面板（1106）的上表面和第三层面板（1105）的下表面上均安装有柔索导向过轮组件（1400），用于实现对驱动柔索的导向；柔索牵引机构（1200）和柔索复位机构（1300）分别安装在第三层面板（1103）和第四层面板（1104）之间；通过柔索导向过轮组件（1400）实现对腕部手指机构（3）中的1个俯仰关节和2个偏转关节的6根驱动柔索的导向。3.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索牵引机构（1200）包括驱动机构电机（1201）、驱动机构导轨支架（1202）、驱动机构导轨（1203）、丝杠支撑座（1204）、丝杠支撑端支架（1205）、驱动机构导轨滑块（1206）、滚珠丝杠与螺母组件（1207）、丝杠定位座（1208）、牵引柔索（1209）、牵引柔索连接支架（1210）、驱动机构光栅读数头（1211）、驱动机构光栅尺安装支架（1212）、驱动机构光栅尺（1213）和驱动电机联轴器（1214）；其中，驱动机构电机（1201）安装在第四层面板（1103）上，尾部穿过第五层面板（1102）；驱动机构电机（1201）通过驱动电机联轴器（1214）与滚珠丝杠与螺母组件（1207）的丝杠输入轴连接；滚珠丝杠与螺母组件（1207）中丝杠与丝杠支撑座（1204）中的深沟球轴承联接；丝杠支撑座（1204）安装在丝杠支撑端支架（1205）左侧；牵引柔索连接支架（1210）上端与牵引柔索（1209）一端连接；丝杠支撑端支架（1205）安装在驱动机构导轨支架（1202）上；滚珠丝杠与螺母组件（1207）的螺母与牵引柔索连接支架（1210）连接；牵引柔索连接支架（1210）安装在驱动机构导轨滑块（1206）上；驱动机构导轨（1203）安装在驱动机构导轨支架（1202）上；滚珠丝杠与螺母组件（1207）的丝杠另一端与与丝杠定位座（1208）中的深沟球轴承联接；丝杠定位座（1208）安装在第三层面板（1105）上；牵引柔索连接支架（1210）左侧安装有驱动机构光栅读数头（1211）；驱动机构光栅尺安装支架（1212）安装在驱动机构导轨支架（1202）上；驱动机构导轨支架（1202）安装在第四层面板（1103）和第三层面板（1105）之间。4.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索复位机构（1300）由复位固定柔索（1301）、复位弹簧（1302）、复位机构导轨支架（1303）、复位机构导轨（1304）、复位柔索连接支架（1305）、复位机构导轨滑块（1306）、复位机构光栅尺支架（1307）、复位机构光栅尺（1308）、复位机构光栅读数头（1309）、复位柔索（1310）组成；其中，复位固定柔索（1301）的一端与复位弹簧（1302）连接；复位固定柔索（1301）的另一端与第五层面板（1102）连接；复位弹簧（1302）的另一端与连接复位柔索（1310）连接；复位柔索（1310）与复位柔索连接支架（1305）连接；复位柔索连接支架（1305）上设有复位机构光栅读数头（1309）；复位柔索连接支架（1305）安装在复位机构导轨滑块（1306）上；复位机构导轨（1304）安装在复位机构导轨支架（1303）上；复位机构导轨支架（1303）上设有复位机构光栅尺支架（1307）；复位机构导轨支架（1303）安装在第四层面板（1103）和第三层面板（1105）之间。5.根据权利要求2所述的一种具有多自由度的机器人器械手指，其特征在于：柔索导向过轮组件（1400）包括过轮螺钉（1401）、定位垫圈（1402）、过轮螺母（1403）、微型U槽轴承（1404）、支架螺钉（1405）和过轮支架（1406）；其中，微型U槽轴承（1404）通过过轮螺钉（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正雨，訾斌，李元，钱森，王道明，钱钧，于凌涛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34