本发明专利技术涉及一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构，包括末端关节、第一驱动装置和两个丝传动机构，两个丝传动机构的一端分别连接至末端关节且反向绕制，另一端均连接至第一驱动装置，丝传动机构包括主钢丝绳、绳刚度调整机构和换向轮组，主钢丝绳的两端分别连接第一驱动装置和末端关节，绳刚度调整机构设于主钢丝绳上。与现有技术相比，本发明专利技术通过设置绳刚度调整机构，可以依据实际工作需求进行在线刚度调节；在需要提高操作精度的时候，通过增加丝传动机构刚度实现高精度位置控制，在需要确保安全性的情况下，可以降低丝传动机构刚度，实现较好的柔顺性。实现较好的柔顺性。实现较好的柔顺性。
【技术实现步骤摘要】
一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构
[0001]本专利技术涉及手术机器人丝传动结构领域，尤其是涉及一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构。
技术介绍
[0002]机器人微创手术不仅使患者受益于创伤小、疼痛感小、恢复快、住院时间短等优点，灵巧型多自由度手术器械可拓展医生手术能力、控制器可过滤手部震颤、增强3D高清图像使得医生更好实现手眼协调控制，这些优点使得机器人微创手术已成为当前微创手术的首选方式。相比于图像检测、实时规划等手术机器人软件技术，因手术器械与人体组织器官直接接触，器械构型硬件构型设计及其精准力
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位控制技术是保障机器人手术治疗效果和手术安全的关键核心技术之一。丝传动技术，一方面具有设计灵活、传递平顺、动力传递效率高、可靠性高等优点；另一方面，丝传动机构允许设计人员将远端被驱关节与驱动器分开配置，使得驱动器远离患者身体，方便将手术器械设计成细长结构而通过套管针。因此，基于丝传动的动力传递机构，已经成为当前微创手术机器人末端手术器械的通用型驱动方式，并在临床实际应用中得到了广泛应用，例如美国直觉外科公司(Intuitive Surgical)推出的达芬奇微创手术机器人(da Vinci)产品、上海微创医疗机器人(集团)股份有限公司推出的腔镜手术机器人产品等，都是采用丝传动方式实现对手术器械末端关节进行控制。现有文献有：美国intuitive公司的达芬奇手术机器人(R.Devengenzo and T.Cooper,“Instrument interface of a robotic surgical system US 7963913 B2,”2011.)。公开号为CN105212987A的中国专利申请公开了一种手术器械，其采用6根钢丝绳实现对器械末端三个自由度控制。公开号为CN110368092A的中国专利申请公开了一种手术器械，其同样采用钢丝绳传动结构，实现对末端手爪的控制。
[0003]当前，采用丝传动方式的微创手术机器人普遍存在系统刚度低的问题。其重要原因有如下三个方面，一方面由于驱动钢丝绳自身存在延展性，特别是细长型驱动钢丝绳(绳直径约0.5mm)在受到拉力时会发生弹性变形，导致丝传动微创手术机器人存在柔顺性；另一方面，手术器械末端关节与丝传动驱动器之间的距离较长(≥300mm)且被束缚在直径≤10mm的管道内，使得丝传动系统在收到外力作用时易产生弹性变形。此外，由于需要术前消毒以及手术器械末端空间狭窄，在手术器械末端难以安装高精度位置检测传感器实现对末端关节的位置检测进行位置反馈控制。鉴于上述原因，当前普遍采用丝传动为驱动方式的微创手术机器人的驱动系统刚度较低，致使这类微创手术机器人实现手术执行器高精度的末端关节位置控制(亚毫米级)非常困难。
[0004]在微创手术机器人丝传动驱动器的动力传递通道上，需要配置多个滑轮组实现对驱动钢丝绳的力传递方向进行调整。为了防止钢丝绳从滑轮上脱落，需要在丝传动系统中的钢丝绳施加一定的预紧力。钢丝绳预紧力的加载的优点是可以防止钢丝绳脱落，缺点是预紧力会导致钢丝绳与滑轮之间的摩擦力变大。钢丝绳与滑轮的摩擦力一方面会影响系统位置和力控制精度，另一方面会降低钢丝绳使用寿命，从而缩短手术机器人的手术执行器
的使用寿命，增加手术机器人的维护成本。当前普遍使用的丝传动微创手术机器人的手术器械的预紧力会随着手术执行而发生动态变化，特别是当手术器械受到外力作用的时候，预紧力会随着外力的变化而产生变化，这也会间接影响丝传动手术机器人的系统刚度，从而影响手术机器人的动力学特性，影响手术机器人末端关节的力和位置控制精度。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的就是为了提供一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构，包括末端关节、第一驱动装置和两个丝传动机构，两个丝传动机构的一端分别连接至末端关节且反向绕制，另一端均连接至所述第一驱动装置，所述丝传动机构包括主钢丝绳、绳刚度调整机构和换向轮组，所述主钢丝绳的两端分别连接第一驱动装置和末端关节，所述绳刚度调整机构设于主钢丝绳上。
[0008]所述绳刚度调整机构包括第一调整换向轮、第二调整换向轮、浮动滑轮、弹簧，凸轮滚子和偏心微调机构，所述浮动滑轮、第一调整换向轮和第二调整换向轮的轴心线相互平行，且所述浮动滑轮的轴心线到第一调整换向轮的轴心线的距离与浮动滑轮的轴心线到第二调整换向轮的轴心线的距离相等，所述弹簧的两端分别通过刚性连杆连接浮动滑轮和凸轮滚子，所述凸轮滚子设于偏心微调机构上并在偏心微调机构的驱动下沿弹簧的轴线方向运动。
[0009]所述绳刚度调整机构还包括线性滑动轴承，所述刚性连杆设于线性滑动轴承中，所述偏心微调机构包括表面设有一凹槽的凸轮盘和用于驱动所述凸轮盘的微调驱动装置，所述凸轮滚子支撑于所述凹槽上，并在凸轮盘运动过程中沿弹簧的轴线方向。
[0010]所述微调驱动装置包括驱动杆件和微调驱动器，所述微调驱动器为直线型驱动器，所述微调驱动器的输出轴连接所述驱动杆件，所述驱动杆件固定于凸轮盘上。
[0011]所述微调驱动装置包括驱动杆件、微调驱动器、微调丝杆和微调轴承，所述微调驱动器为伺服电机，所述驱动杆件固定于凸轮盘上，所述微调驱动器的输出端连接所述微调丝杆的一端，所述驱动杆件上设有与所述微调丝杆配合的微调螺纹孔，所述微调丝杆穿过微调螺纹孔后，另一端连接微调轴承。
[0012]所述凹槽成圆弧形或V形。
[0013]所述凹槽成第一驱动装置包括关节控制驱动器和回复弹簧，所述关节控制驱动器连接至一个丝传动机构，所述回复弹簧的一端连接至丝传动机构，另一端连接至支撑面。
[0014]所述第一驱动装置包括两个关节控制驱动器，两个关节控制驱动器分别连接至两个丝传动机构。
[0015]所述关节控制驱动器为直线型驱动器、伺服电机或转轮式驱动器。
[0016]所述第一驱动装置包括单个关节控制驱动器，所述关节控制驱动器为转轮式驱动器，两个丝传动机构的主钢丝绳均连接所述关节控制驱动器。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]1、通过设置绳刚度调整机构，可以依据实际工作需求进行在线刚度调节；在需要
提高操作精度的时候，通过增加丝传动机构刚度实现高精度位置控制，在需要确保安全性的情况下，可以降低丝传动机构刚度，实现较好的柔顺性。
[0019]2、采用三个轮构成的三角式的结构以及弹簧、凸轮滚子的设计，可以在不需要破坏主钢丝绳结构的情况下，通过简单地调节浮动滑轮相对于第一调整换向轮和第二调整换向轮轴线所构成的平面的距离，即可实现主钢丝绳刚度的调节。
[0020]3、采用线性滑动轴承和凸轮盘的设计，可以将对凸轮滚子的上下运动修改为横向运动，从而极大的节省两根主钢丝绳之间的空间，缩小体积。
[0021]4、采用圆形或者V型的凹槽设计，推本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构，包括末端关节(16)、第一驱动装置和两个丝传动机构，两个丝传动机构的一端分别连接至末端关节(16)且反向绕制，另一端均连接至所述第一驱动装置，其特征在于，所述丝传动机构包括主钢丝绳(14)、绳刚度调整机构和换向轮组，所述主钢丝绳(14)的两端分别连接第一驱动装置和末端关节(16)，所述绳刚度调整机构设于主钢丝绳(14)上。2.根据权利要求1所述的一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构，其特征在于，所述绳刚度调整机构包括第一调整换向轮(5.10)、第二调整换向轮(5.13)、浮动滑轮(5.12)、弹簧(4.16)，凸轮滚子(5.15)和偏心微调机构，所述浮动滑轮(5.12)、第一调整换向轮(5.10)和第二调整换向轮(5.13)的轴心线相互平行，且所述浮动滑轮(5.12)的轴心线到第一调整换向轮(5.10)的轴心线的距离与浮动滑轮(5.12)的轴心线到第二调整换向轮(5.13)的轴心线的距离相等，所述弹簧(4.16)的两端分别通过刚性连杆连接浮动滑轮(5.12)和凸轮滚子(5.15)，所述凸轮滚子(5.15)设于偏心微调机构上并在偏心微调机构的驱动下沿弹簧(4.16)的轴线方向运动。3.根据权利要求2所述的一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构，其特征在于，所述绳刚度调整机构还包括线性滑动轴承(5.11)，所述刚性连杆设于线性滑动轴承(5.11)中，所述偏心微调机构包括表面设有一凹槽的凸轮盘(5.6)和用于驱动所述凸轮盘(5.6)的微调驱动装置，所述凸轮滚子(5.15)支撑于所述凹槽上，并在凸轮盘(5.6)运动过程中沿弹簧(4.16)的轴线方向。4.根据权利要求3所述的一种具有刚度在线调整功能的手术机器人关节驱动结构，其特征在于，所述微调驱动装置包括驱动杆件(5.4...
【专利技术属性】
技术研发人员：李红兵，段玎，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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