手术机器人主手重力平衡装置及方法与流程

技术特征：
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(30)，螺栓穿过长圆弧调节孔一(30)将三轴驱动轮(7)和三轴挂耳(22)锁紧固定。5.根据权利要求3所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：与二轴驱动轮(28)连接的二轴挂耳(26)一端设有多个长圆弧调节孔二(32)，螺栓穿过长圆弧调节孔二(32)将二轴驱动轮(28)与二轴挂耳(26)锁紧固定。6.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：三轴导向轮(20)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(21)内，与螺母与一相贴紧的三轴导向轮长条式调节槽(21)外周底面为三轴挂耳齿形底面(31)。
7.根据权利要求3所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：滑动杆固定螺栓(25)与滑动杆固定螺母配合确定滑动杆固定螺栓(25)在二轴挂耳长条式调节槽(34)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(34)外周底面为二轴挂耳齿形底面(33)。8.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：三轴重力配重块(8)为扇形环状，并且三轴重力配重块(8)设置在远三轴驱动轮(7)中心端。9.根据权利要求3所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：二轴重力配重块(27)为扇形环状，并且二轴重力配重块(27)设置在远二轴驱动轮(28)中心端。10.一种手术机器人主手重力平衡方法，应用权利要求1
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9所述的手术机器人主手重力平衡装置，其特征在于：具体步骤如下所述，步骤一、根据主手前臂(11)重心位置、质量和三轴驱动轮(7)上的安装空间限制计算出合适的三轴重力配重块(8)，基于杠杆原理将主手前臂(11)的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用弹簧拉力式平衡机构进行平衡；步骤二、根据主手前臂(11)重心位置和三轴驱动轮(7)初步选取拉力弹簧(17)劲度系数，将三轴挂耳(22)安装在与水平线成
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的位置，适当调节三轴导向轮(20)的位置以使得平衡力矩与实际主手前臂(11)的重力力矩的偏差为最小，然后再调整三轴挂耳(22)位置，使得主手前臂(11)在水平时弹簧(17)拉力矩为最大；当重力平衡效果不理想时，再选择其它劲度系数弹簧(17)，重复本步骤；步骤三、根据主手上臂(9)重心位置、质量和二轴驱动轮(28)上的安装空间限制计算出合适的二轴重力配重块(27)，基于杠杆原理将主手上臂(9)的一部分重力平衡掉，然后将剩余重力引起的重力矩用磁铁拉力式平衡装置进行平衡；步骤四、初步选取磁铁块并安装在滑动杆(24)和导向杆(23)上；二轴挂耳(26)与竖直方向的夹角需要根据主手上臂(9)的重心与水平二轴(13)的位置关系调整，同时也考虑主手前臂(11)在水平二轴(13)上形成的静力矩；调整滑动杆固定螺栓(25)在二轴挂耳长条式调节槽(34)的位置可以有效调整滑动杆(24)与导向杆(23)之间相对滑动的距离，从而调整磁铁一(39)与磁铁二(36)之间的作用距离；步骤五、在调整完水平二轴(13)重力平衡后，若三轴(10)平衡出现偏差，需参照步骤2中方法再次调整三轴挂耳(22)的位置和\或三轴导向轮(20)的位置，使三轴(10)平衡效果取得最佳。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：宋玲玲 马建中 张秀玲
受保护的技术使用者：滨州职业学院
技术研发日：2021.08.04
技术公布日：2021/11/4