一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手制造技术

本发明专利技术公开一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手，属于医疗器械技术领域，特别是涉及手术器械；包括操作组件、软管、主轴、驱动组件、直线滑台组件、基座；所述操作组件从末端到主轴顺序连接有关节组件一、关节组件二、关节组件三、软管；本发明专利技术采用钢丝绳闭环传动方式，能够较好适应远距离的动力传递；本发明专利技术机构尺寸精细、结构简洁，在进行微创手术介入时能够实现五自由度的运动，其结构设计实现了关节驱动解耦，操作精度高，同时具有解析逆解，控制方便；该机械手刚度较高，可以在提供更强的夹持力的同时，保障操作的稳定性，有望为腔内手术提供更加可靠的设备支持。支持。支持。

【技术实现步骤摘要】
一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手


[0001]本专利技术公开一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手，属于医疗器械
，特别是涉及手术器械。

技术介绍

[0002]微创手术是医院诊疗行业中应用较为广泛的手术形式，相比常规的手术模式，微创手术具有无创面感染、恢复速度快等优势。随着微创技术的发展，无论是医生还是患者都在追寻一种创面更加微小的手术方式。多自由度手术器械能在单一创口的前提下深入目标病灶，实现更加媲美人手的灵活操作，能够将微创手术提升到一个新的发展层面上来，因此稳定性高、灵活性高的微创手术器械的设计研制也愈发关键。
[0003]市场上大部分多自由度微创手术器械的操作器械直径在十几至二十几毫米不等，尺寸较大，在手术操作中易出现自由度退化问题；其传动结构布局复杂，导致末端负载能力有限，装配、调试效率低下，在术前准备、医师培训等流程中造成了不必要的操作耗时。此外，主流微创手术机器人系统主要由国外研发，国内医院使用采购成本高昂，且相关夹持机构庞大、结构复杂，只能在固定手术室中进行，不能适应现代医疗更加灵活多样的使用要求。专利(CN 211534782 U)提出了一种四自由度微创手术器械，该器械采用钢丝绳驱动，精度较高，灵活性好，但是该器械结构较为复杂，制造成本高，器械整体尺寸不够精细，且关节之间存在耦合量；专利(CN 103251458 A)提出了一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械，该器械的自转关节采用锥齿轮传动，齿轮间存在间隙，具有回差，导致控制精度低，且结构复杂，加工、制造成本高。
[0004]为克服上述缺点，本专利技术提出一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手，采用了钢丝绳闭环传动，整个传动过程中钢丝绳总长度保持不变，能够较好适应远距离的动力传递，消除回差，保证传动系统稳定可靠；新机型的机械手外径只有4mm，没有复杂的轮系布置，设计精密，结构简洁，能有效避免操作器械与人体组织发生干涉；该机械手具有5个自由度，灵活性高，拓展医生的高精度操作能力；该机械手关节驱动完全解耦，且存在运动学解析逆解，控制模型简单；优化了机构受力情况，使得机械手具有较强刚度，能够提供较高末端夹持力。

技术实现思路

[0005]实现本专利技术目的所采用的技术方案为：一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手，属于医疗器械
，特别是涉及手术器械；其特征在于：包括操作组件、软管、主轴、驱动组件、直线滑台组件、基座；
[0006]所述操作组件从末端到软管顺序连接有末端夹钳一、末端夹钳二、连杆一、绕丝轮组、连杆二、连杆三、连杆四、软管与四组驱动丝；所述四组驱动丝，每组为闭环驱动同一关节的一对钢丝绳，在本权利要求中将其划分为第一至第四驱动丝；在本权利要求中将前述
零部件划分为关节组件一、关节组件二和关节组件三；
[0007]所述关节组件一包括末端夹钳一、末端夹钳二、连杆一、第一驱动丝和第二驱动丝；所述末端夹钳一、末端夹钳二通过转动副一与连杆一连接，且围绕转动副一轴线末端夹钳一、末端夹钳二可以进行偏转运动，实现同向的偏转运动与异向的开合运动；所述第一驱动丝的两末端固结在末端夹钳一上穿丝孔处，经异侧搭绕在夹钳回转结构的凹槽内后，穿入连杆一中心的通孔中，沿着连杆一的杆件方向输向下一关节；所述第二驱动丝以同样的方式在末端夹钳二与连杆一上进行固结与排布；所述末端夹钳一与末端夹钳二可根据实际工作需求替换为其他形式的手术工具；
[0008]所述关节组件二包括连杆一、绕丝轮组、连杆二、第三驱动丝与前述关节所输入的第一、第二驱动丝；所述连杆一、绕丝轮组通过转动副二与连杆二连接，其中绕丝轮组包括五个并排布置的绕丝轮；所述第一驱动丝自下端关节输入后，两末端分别搭绕在绕丝轮组两端的两个绕丝轮同侧，然后穿入连杆二中心的通孔，沿着连杆二的杆件方向输向下一关节；所述第二驱动丝自下端关节输入后，两末端分别搭绕在绕丝轮组两端的另外两个绕丝轮同侧，然后穿入连杆二中心的通孔，沿着连杆二的杆件方向输向下一关节；所述第三驱动丝两末端分别固结在连杆一两侧小耳板的穿丝孔处，经交叉搭绕在绕丝轮组中部绕丝轮的两侧，然后穿入连杆二中心的通孔，沿着连杆二的杆件方向输向下一关节；在该关节处，第三驱动丝驱动连杆一绕转动副二的轴线完成范围为
±
90
°
的偏转运动；
[0009]所述关节组件三包括连杆三、连杆四、第四驱动丝和下端关节所输入的第一、第二、第三驱动丝；所述连杆三通过转动副三与连杆二连接，其中，连杆二尾段为设有两道凹槽的阶梯轴；所述第四驱动丝两末端分别固结在前述两道凹槽的穿丝孔处，经槽内异向搭绕后，穿过连杆三尾部端面上的两个穿丝孔，然后通过软管穿入主轴中，输向上端的驱动组件；所述第一至第三驱动丝自下端关节输入后，通过软管穿入主轴中，输向上端的驱动组件；在该关节处，第四驱动丝驱动连杆二绕转动副三的轴线完成范围为
±
180
°
的自转运动；
[0010]所述连杆四与连杆三同轴固连；所述软管与连杆四固连；所述主轴通过移动副与软管连接，近端固定安装在基座上，特别地，主轴为空心轴；所述驱动组件固定安装在直线滑台组件的滑台上，包括四个电机、四个张力传感器、四组张紧装置、四组锁紧装置与若干导向轮组，用以进行驱动丝在该组件上的排布、张紧与固结，进一步地，驱动操作组件的四个转动自由度的运动；所述直线滑台组件固定安装在基座上，用以驱动操作组件在主轴内的伸缩运动；
[0011]所述转动副一轴线与转动副二轴线空间垂直；所述转动副二轴线与转动副三轴线垂直相交；所述转动副三轴线方向与移动副方向共线；
[0012]本专利技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果为：采用了钢丝绳闭环传动，整个传动过程中钢丝绳总长度保持不变，能够较好适应远距离的动力传递，消除回差，保证传动系统稳定可靠；新机型的机械手外径只有4mm，没有复杂的轮系布置，设计精密，结构简洁，能有效避免操作器械与人体组织发生干涉；该机械手具有5个自由度，灵活性高，能提供操作三角，便于两个机械手的协同操作，提升机构末端精度的同时，拓展医生的操作能力；该机械手存在运动学解析逆解，控制模型简单；优化了机构受力情况，使得机械手具有较强刚度，能够提供较高末端夹持力。
附图说明
[0013]图1为本专利技术一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手的系统结构示意图；
[0014]图2为本专利技术一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手的操作组件结构示意图；
[0015]图3为本专利技术一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手的关节组件一的结构示意图；
[0016]图4为本专利技术一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手的关节组件二的结构示意图；
[0017]图5为本专利技术一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手的关节组件三长尾柱侧结构示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有解析逆解且关节驱动解耦的微型五自由度刚柔耦合机械手，属于医疗器械技术领域，特别是涉及手术器械；其特征在于：包括操作组件、软管、主轴、驱动组件、直线滑台组件、基座；所述操作组件从末端到软管顺序连接有末端夹钳一、末端夹钳二、连杆一、绕丝轮组、连杆二、连杆三、连杆四、软管与四组驱动丝；所述四组驱动丝，每组为闭环驱动同一关节的一对钢丝绳，在本权利要求中将其划分为第一至第四驱动丝；在本权利要求中将前述零部件划分为关节组件一、关节组件二和关节组件三；所述关节组件一包括末端夹钳一、末端夹钳二、连杆一、第一驱动丝和第二驱动丝；所述末端夹钳一、末端夹钳二通过转动副一与连杆一连接，且围绕转动副一轴线末端夹钳一、末端夹钳二可以进行偏转运动，实现同向的偏转运动与异向的开合运动；所述第一驱动丝的两末端固结在末端夹钳一上穿丝孔处，经异侧搭绕在夹钳回转结构的凹槽内后，穿入连杆一中心的通孔中，沿着连杆一的杆件方向输向下一关节；所述第二驱动丝以同样的方式在末端夹钳二与连杆一上进行固结与排布；所述关节组件二包括连杆一、绕丝轮组、连杆二、第三驱动丝与前述关节所输入的第一、第二驱动丝；所述连杆一、绕丝轮组通过转动副二与连杆二连接，其中绕丝轮组包括五个并排布置的绕丝轮；所述第一驱动丝自下端关节输入后，两末端分别搭绕在绕丝轮组两端的两个绕丝轮同侧，然后穿入连杆二中心的通孔，沿着连杆二的杆件方向输向下一关节；所述第二驱动丝自下端关节输入后，两末端分别搭绕在绕丝轮组两端的另外两个绕丝轮同侧，然后穿入连杆二中心的通孔，沿着连杆二的杆件方向输向下一关节；所述第三驱动丝两末端分别固结在连杆一两侧小耳板...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹文熬，陈建宇，李世魏，闫樨霖，汪天龙，来敬沛，陈国栋，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：