本发明专利技术属于主手重力平衡技术领域，涉及一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，包括主手前臂和主手上臂，主手上臂顶端上方设有固定台，固定台连接一轴顶盘转动，一轴顶盘与连接吊架一端固定连接，连接吊架另一端与水平二轴转动连接，水平二轴与主手上臂顶端固定连接；水平二轴分别连接二轴平衡机构固定和三轴驱动轮，三轴驱动轮上固定有三轴重力配重块，三轴驱动轮一处与前臂拉杆一端铰接，前臂拉杆另一端与主手前臂铰接，三轴驱动轮连接前臂拉杆位置与三轴重力配重块分别位于水平二轴两侧；三轴驱动轮与一轴顶盘之间通过弹簧拉力式平衡机构连接。本发明专利技术法提升了重力平衡的效果，能够降低手术过程中的主手能耗。能够降低手术过程中的主手能耗。
【技术实现步骤摘要】
手术机器人主手重力平衡装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，属于主手重力平衡
技术介绍
[0002]手术机器人主手是外科大夫使用手术机器人进行外科手术的关键输入设备。主手的操作柔顺性和轻便性对于缓解外科大夫疲劳、顺利执行有非常大的意义。目前，手术机器人主手的重力平衡方法主要以动力学计算为主。利用动力学模型根据主手的运动实时计算并补偿由主手前臂和主手上臂重力引起的扭矩。这种平衡重力的方法增加运动电机功率消耗，从而增加整个设备的能耗。并且，由于目前补偿模型很难精确的建立，实际操作过程中的补偿效果不是很理想。
技术实现思路
[0003]本专利技术要解决的技术问题是：提出一种手术机器人主手重力平衡装置及方法，该手术机器人主手重力平衡装置及方法提升了重力平衡的效果，能够降低手术过程中的主手能耗。
[0004]本专利技术所述的手术机器人主手重力平衡装置，包括主手前臂，主手前臂一端与主手上臂底端通过三轴铰接，主手前臂另一端连接有手柄；主手上臂顶端上方设有固定台，固定台通过竖直转轴与下方的一轴顶盘转动连接，固定台一端设有一轴电机，一轴电机的主轴与一轴顶盘一侧的圆弧曲面组成驱动副，一轴顶盘与连接吊架一端固定连接，连接吊架另一端与水平二轴转动连接，水平二轴与主手上臂顶端固定连接；水平二轴一端与二轴平衡机构固定连接，水平二轴另一端与三轴驱动轮转动连接，三轴驱动轮上固定有三轴重力配重块，三轴驱动轮一处与前臂拉杆一端铰接，前臂拉杆另一端与主手前臂铰接，三轴驱动轮连接前臂拉杆位置与三轴重力配重块分别位于水平二轴两侧；三轴驱动轮与一轴顶盘之间通过弹簧拉力式平衡机构连接；连接吊架上固定有三轴电机，三轴电机的主轴与三轴驱动轮外圈圆弧曲面组成驱动副。
[0005]工作过程中，将固定台与设备机架固定，然后进行重力平衡调整，使操纵主手较为轻松。主手前臂、前臂拉杆、主手上臂与前臂拉杆之间的三轴驱动轮和主手前臂行程一个平行四边形。主手前臂和主手上臂通过不同的机构进行重力平衡，主手上臂主要通过二轴平衡机构进行重力平衡；主手前臂重力的平衡包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过三轴重力配重块在三轴驱动轮内以杠杆原理最大限度内平衡主手前臂重力；二级动态平衡通过弹簧拉力式平衡机构实现，平衡主手前臂三轴重力配重块已平衡重力以外的重力。一轴电机和三轴电机分别与一轴顶盘一侧的圆弧曲面和三轴驱动轮外圈圆弧曲面构成驱动副，使操作手柄过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。
[0006]优选的，所述的弹簧拉力式平衡机构包括三轴挂耳，三轴挂耳一端与三轴驱动轮中心位置一侧固定连接，三轴挂耳另一端设有三轴导向轮长条式调节槽，三轴导向轮长条
式调节槽内设有三轴导向轮；水平二轴正上方的一轴顶盘一侧设有中心导向轮，一轴顶盘上表面一端固定有弹簧导向轮，一轴顶盘上表面另一端与弹簧一端固定，三轴导向轮上挂有拉力线绳的一端，拉力线绳另一端先后绕过中心导向轮和弹簧导向轮后与弹簧另一端连接。
[0007]平衡作用原理：当主手前臂绕三轴转动脱离水平位置时，主手前臂重力引起的重力矩发生改变，主手前臂转动带动前臂拉杆动作，前臂拉杆动作带动三轴驱动轮转动，三轴驱动轮转动拉动三轴挂耳，三轴挂耳位置变动拉动拉力线绳，从而拉紧弹簧产生的扭矩；当选择恰当劲度系数的弹簧，并合理调节三轴挂耳与三轴驱动轮之间的相对位置，可以使得重力矩的改变与弹簧力矩的改变产生一致的变化，由于弹簧力矩与重力矩作用方向始终相反，从而使得两种力矩的改变相互抵消，最终实现动态重力平衡。三轴导向轮在三轴导向轮长条式调节槽内的具体位置可以根据实际情况进行调节。
[0008]优选的，所述的二轴平衡机构包括二轴驱动轮和二轴挂耳，二轴驱动轮中心位置与水平二轴一端固定连接，二轴驱动轮上固定有二轴重力配重块，连接吊架上固定有二轴电机，二轴电机的主轴与二轴驱动轮外圈圆弧曲面组成驱动副；二轴挂耳一端与二轴驱动轮中心位置固定连接，二轴挂耳另一端设有二轴挂耳长条式调节槽，二轴挂耳长条式调节槽内设有滑动杆固定螺栓，一轴顶盘另一侧的水平二轴正上方设有导向杆固定螺栓；滑动杆固定螺栓连接滑动杆的一端，滑动杆的另一端设有多个磁铁安装槽一，磁铁安装槽一内固定有磁铁一；导向杆固定螺栓连接导向杆的一端，导向杆的另一端滑动槽，安装有磁铁一的滑动杆一端插入滑动槽中，滑动槽的一侧设有多个磁铁安装槽二，磁铁安装槽二内固定有磁铁二，磁铁一与磁铁二相吸合。
[0009]主手上臂重力平衡也包括一级静态平衡和二级动态平衡，一级静态平衡主要通过二轴重力配重块在二轴驱动轮内以杠杆原理最大限度内平衡主手上臂重力，当主手上臂绕水平二轴转动脱离竖直位置时，二轴重力配重块重心与主手上臂重心偏离，二轴重力配重块重心和主手上臂重心分别位于水平二轴两侧，因此二轴重力配重块能够平衡部分主手上臂重力；二级动态平衡，当主手上臂绕水平二轴转动脱离竖直位置时，主手上臂重力引起的重力矩发生改变，二轴驱动轮转动拉动二轴挂耳，从而驱动滑动杆与导向杆发生相对位移，滑动杆与导向杆之间拉力发生改变，进而改变磁铁一与磁铁二之间拉力在二轴形成的拉力矩。由于磁铁一与磁铁二之间拉力变化与距离变化成反向关系，所以当滑动杆嵌入导向杆越大，则磁铁拉力就越大，形成的拉力矩就越大；此拉力力矩正好与主手上臂与前臂形成的重力矩方向相反。当恰当选择强磁铁和磁铁一与磁铁二的分布位置时，可最大程度上逼近主手上臂和前臂形成的重力矩，从而平衡主手前臂重力。主手上臂处于竖直状态时，二轴重力配重块重心位于主手上臂重心正上方。二轴电机与二轴驱动轮外圈圆弧曲面的配合，使主轴操作过程中有力感觉，不会对重力平衡造成影响。磁铁一与磁铁二在磁铁安装槽一或磁铁安装槽二内的分布位置可以根据实际情况进行调整。
[0010]优选的，所述的与三轴驱动轮连接的三轴挂耳一端设有多个长圆弧调节孔一，螺栓穿过长圆弧调节孔一将三轴驱动轮和三轴挂耳锁紧固定。三轴挂耳的倾斜角度根据需要进行适当调整，用于调节初始重力平衡位置，起到调节力臂的作用，使弹簧拉力产生的扭矩能更好的对主手前臂重力进行平衡。
[0011]优选的，所述的与二轴驱动轮连接的二轴挂耳一端设有多个长圆弧调节孔二，螺
栓穿过长圆弧调节孔二将二轴驱动轮与二轴挂耳锁紧固定。二轴挂耳与二轴重力配重块之间的位置关系可以根据需要进行适当调整，用于调节初始重力平衡位置，起到调节力臂的作用，使磁铁一与磁铁二之间的磁铁力能够更好的平衡重力。
[0012]优选的，所述的三轴导向轮通过螺栓一与螺母一的配合固定在三轴导向轮长条式调节槽内，与螺母与一相贴紧的三轴导向轮长条式调节槽外周底面为三轴挂耳齿形底面，能够有效防止三轴导向轮位置发生非必要前后移动。
[0013]优选的，所述的滑动杆固定螺栓与滑动杆固定螺母配合确定滑动杆固定螺栓在二轴挂耳长条式调节槽内的位置，与滑动杆固定螺母相贴紧的二轴挂耳长条式调节槽外周底面为二轴挂耳齿形底面，能够有效防止滑动杆与导向杆之间发生非必要相对位移。
[0014]优选的，所述的三轴重力配重块为扇形环状，并且三本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种手术机器人主手重力平衡装置，包括主手前臂(11)，主手前臂(11)一端与主手上臂(9)底端通过三轴(10)铰接，主手前臂(11)另一端连接有手柄(14)；主手上臂(9)顶端上方设有固定台(1)，固定台(1)通过竖直转轴(2)与下方的一轴顶盘(4)转动连接，固定台(1)一端设有一轴电机(3)，一轴电机(3)的主轴与一轴顶盘(4)一侧的圆弧曲面组成驱动副，其特征在于：一轴顶盘(4)与连接吊架(16)一端固定连接，连接吊架(16)另一端与水平二轴(13)转动连接，水平二轴(13)与主手上臂(9)顶端固定连接；水平二轴(13)一端与二轴平衡机构固定连接，水平二轴(13)另一端与三轴驱动轮(7)转动连接，三轴驱动轮(7)上固定有三轴重力配重块(8)，三轴驱动轮(7)一处与前臂拉杆(12)一端铰接，前臂拉杆(12)另一端与主手前臂(11)铰接，三轴驱动轮(7)连接前臂拉杆(12)位置与三轴重力配重块(8)分别位于水平二轴(13)两侧；三轴驱动轮(7)与一轴顶盘(4)之间通过弹簧拉力式平衡机构连接；连接吊架(16)上固定有三轴电机(6)，三轴电机(6)的主轴与三轴驱动轮(7)外圈圆弧曲面组成驱动副。2.根据权利要求1所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：弹簧拉力式平衡机构包括三轴挂耳(22)，三轴挂耳(22)一端与三轴驱动轮(7)中心位置一侧固定连接，三轴挂耳(22)另一端设有三轴导向轮长条式调节槽(21)，三轴导向轮长条式调节槽(21)内设有三轴导向轮(20)；水平二轴(13)正上方的一轴顶盘(4)一侧设有中心导向轮(18)，一轴顶盘(4)上表面一端固定有弹簧导向轮(19)，一轴顶盘(4)上表面另一端与弹簧(17)一端固定，三轴导向轮(20)上挂有拉力线绳(15)的一端，拉力线绳(15)另一端先后绕过中心导向轮(18)和弹簧导向轮(19)后与弹簧(17)另一端连接。3.根据权利要求1所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：二轴平衡机构包括二轴驱动轮(28)和二轴挂耳(26)，二轴驱动轮(28)中心位置与水平二轴(13)一端固定连接，二轴驱动轮(28)上固定有二轴重力配重块(27)，连接吊架(16)上固定有二轴电机(5)，二轴电机(5)的主轴与二轴驱动轮(28)外圈圆弧曲面组成驱动副；二轴挂耳(26)一端与二轴驱动轮(28)中心位置固定连接，二轴挂耳(26)另一端设有二轴挂耳长条式调节槽(34)，二轴挂耳长条式调节槽(34)内设有滑动杆固定螺栓(25)，一轴顶盘(4)另一侧的水平二轴(13)正上方设有导向杆固定螺栓(29)；滑动杆固定螺栓(25)连接滑动杆(24)的一端，滑动杆(24)的另一端设有多个磁铁安装槽一(38)，磁铁安装槽一(38)内固定有磁铁一(39)；导向杆固定螺栓(29)连接导向杆(23)的一端，导向杆(23)的另一端滑动槽(37)，安装有磁铁一(39)的滑动杆(24)一端插入滑动槽(37)中，滑动槽(37)的一侧设有多个磁铁安装槽二(35)，磁铁安装槽二(35)内固定有磁铁二(36)，磁铁一(39)与磁铁二(36)相吸合。4.根据权利要求2所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：与三轴驱动轮(7)连接的三轴挂耳(22)一端设有多个长圆弧调节孔一(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋玲玲，马建中，张秀玲，
申请(专利权)人：滨州职业学院，
类型：发明
国别省市：
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