手术机器人四自由度解耦执行器的制作方法

1.本发明涉及微创手术机器人技术领域，特别涉及一种手术机器人四自由度解耦执行器。


背景技术：

2.微创外科手术一般也称为介入式手术，它是通过在体表切开数个细小的切口(或依靠人体天然官腔)，借助于视觉显示系统的图像引导，将手术器械通过体表切口伸入体内进行治疗或诊断而完成的手术。微创手术技术使得大部分的外科手术告别了开放式的手术模式，将机器人技术应用于医疗外科手术已经变得越来越流行，机器人在操作稳定性、快捷性和精确性方面具有显著的优势，将机器人技术融入外科手术中，可以改进医生的手术环境，缩短患者的恢复时间。
3.公开号为cn103169542a的专利文献公开了一种用于腹腔镜微创手术的解耦型手术装置，解决了传统手术器械为非解耦形式、手术过程中系统的控制十分不方便的问题。其俯仰轴组件1
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4包括两个第一解耦轴1
‑4‑
1和两个第二解耦轴1
‑4‑
2，由于第一传动绳7与第二传动绳8被两个小轴1
‑4‑
1固定并穿过轴1
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4的中心，故腕部5上的结构绕轴1
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4转动的时候对第一传动绳7和第二传动绳8的长度并无影响，从而实现了对于第一传动绳7所控制的第一钳头1
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1和第二传动绳8所控制的第二钳头1
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2的动作的解耦，使得第一转轴机构3和第二转轴机构4分别独立控制分离钳机构1和分离钳机构2的运动。此手术装置虽然也具有四个自由度，但其中两个自由度为分离钳机构1的第一钳头1
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1、第二钳1
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2的分开控制，剩余两个自由度为腕部5的俯仰动作以及回转杆2的回转运动，因此自由度还能进一步优化，对于解耦结构也提出了新的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种自由度设置更佳的手术机器人解耦执行器，采用不同的解耦结构确保执行器各个自由度的执行控制。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种手术机器人四自由度解耦执行器，包括驱动端和执行终端，所述执行终端包括手指组件和至少两个关节组件，所述手指组件和每个所述关节组件分别通过独立的驱动钢丝与所述驱动端连接，相邻两个所述关节组件之间均设置有弹性变形结构，从后一组所述关节组件引出的驱动钢丝先穿过所述弹性变形结构后，再穿过前一组所述关节组件，所述关节组件运动时，所述弹性变形结构变形而使内部的驱动钢丝长度不变。
6.其中，所述弹性变形结构为弹簧管。
7.进一步地，所述弹簧管的内部还设置有一层软管，所述软管的内部涂抹有润滑脂，所述驱动钢丝的对应部分位于所述软管内。
8.其中，所述关节组件包括旋转臂、偏航关节组件和俯仰关节组件，所述旋转臂的第一端与所述驱动端旋转连接，同时通过旋转驱动钢丝与所述驱动端连接，所述偏航关节组
件包括与所述旋转臂第二端旋转连接的偏航旋转轴、套设在所述偏航旋转轴上的偏航驱动轮、以及与所述偏航旋转轴固定的偏航关节本体，所述偏航驱动轮与所述驱动端通过偏航驱动钢丝连接，所述俯仰关节组件包括与所述偏航关节本体旋转连接的俯仰旋转轴、套设在所述俯仰旋转轴上的俯仰驱动轮、以及与所述俯仰旋转轴固定的俯仰关节本体，所述俯仰驱动轮与所述驱动端通过俯仰驱动钢丝连接。
9.其中，所述手指组件包括相对设置的第一手指和第二手指，所述第一手指和所述第二手指的根部均活动套设于一固定轴上，所述固定轴与所述俯仰关节本体固定连接，所述第一手指与所述第二手指均通过剪切驱动钢丝与驱动端连接。
10.进一步地，所述俯仰关节本体上还固定有一复位安装轴，所述复位安装轴上套设有复位扭簧，所述复位扭簧的两端分别与所述第一手指以及所述第二手指连接。
11.其中，所述驱动端包括驱动底座、与所述驱动底座转动连接的旋转驱动滚筒、偏航驱动滚筒、俯仰驱动滚筒以及剪切驱动滚筒，所述旋转驱动钢丝与所述旋转驱动滚筒连接，所述偏航驱动钢丝穿出所述旋转臂的第一端并与所述偏航驱动滚筒连接，所述俯仰驱动钢丝穿出所述旋转臂的第一端并与所述俯仰驱动滚筒连接，所述剪切驱动钢丝穿出所述旋转臂的第一端并与所述剪切驱动滚筒连接。
12.其中，所述旋转驱动滚筒、偏航驱动滚筒、俯仰驱动滚筒以及剪切驱动滚筒分布与所述驱动底座的四个对角，所述驱动底座的中部设置有滑轮支架，所述滑轮支架上设置有多个对钢丝导向的导向滑轮，所述旋转驱动钢丝、所述偏航驱动钢丝、所述俯仰驱动钢丝以及所述剪切驱动钢丝均绕过对应的所述导向滑轮。
13.本发明的上述方案有如下的有益效果：
14.本发明提供的手术机器人四自由度解耦执行器，通过弹簧管等弹性变形结构的设置，使后一组关节组件相对于前一组关节组件旋转运动时，弹簧管同步弯曲变形而保持长度不变，使内部的驱动钢丝长度不变，保证执行器各个自由度相互独立而不受其他自由度的影响，有效实现了自由度的解耦；
15.通过弹性变形结构的设置，使执行器的腕部能布置更多自由度，例如产生绕x轴旋转的偏航动作以及绕y轴旋转的俯仰动作，相对于仅有一个腕部弯曲动作的执行器来说更加灵活；
16.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
17.图1为本发明的整体结构示意图；
18.图2为本发明的执行终端结构正视图；
19.图3为本发明的执行终端结构侧视图；
20.图4为本发明的弹性变形结构安装示意图；
21.图5为本发明的手指组件结构示意图；
22.图6为本发明的驱动端内部结构示意图；
23.图7为本发明的驱动端爆炸图。
24.【附图标记说明】
25.10
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驱动端；11
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驱动底座；12
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旋转驱动滚筒；13
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偏航驱动滚筒；14
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俯仰驱动滚
筒；15
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剪切驱动滚筒；16
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滑轮支架；17
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导向滑轮；18
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压盖；19
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顶盖；20
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执行终端；21
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手指组件；211
‑
剪切驱动钢丝；212
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第一手指；213
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第二手指；214
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固定轴；215
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复位安装轴；216
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复位扭簧；22
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俯仰关节组件；221
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俯仰驱动钢丝；222
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俯仰旋转轴；223
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俯仰驱动轮；224
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俯仰关节本体；23
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偏航关节组件；231
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偏航驱动钢丝；232
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偏航旋转轴；233
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偏航驱动轮；234
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偏航关节本体；24
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旋转臂；241
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旋转驱动钢丝；30
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弹性变形结构；31
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弹簧管；32
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软管；33
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台阶结构。
具体实施方式
26.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.如图1
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图3所示，本发明的实施例提供了一种手术机器人四自由度解耦执行器，包括驱动端10和执行终端20。其中，执行终端20包括手指组件21和三个关节组件，组成四自由度执行器。关节组件由俯仰关节组件22、偏航关节组件23以及旋转臂24组成，手指组件21、俯仰关节组件22、偏航关节组件23以及旋转臂24分别通过剪切驱动钢丝211、俯仰驱动钢丝221、偏航驱动钢丝231以及旋转驱动钢丝241与驱动端10连接，驱动端10将驱动力由钢丝传递至对应关节来控制执行器的动作。
29.为使各个关节的控制互不干涉，形成解耦式控制，在相邻两个关节组件之间设置有弹性变形结构30，本实施例中弹性变形结构为弹簧管31。从后一组关节组件引出的驱动钢丝(不直接连接并驱动此关节组件)先穿过弹簧管31后，再穿过前一组关节组件。例如手指组件21的剪切驱动钢丝211穿过俯仰关节组件22后，再穿过俯仰关节组件22与偏航关节组件23之间的弹簧管31，然后依次穿过偏航关节组件23以及偏航关节组件23与旋转臂24之间的弹簧管31，最后穿过旋转臂24而与驱动端10连接。另外，俯仰关节组件22的俯仰驱动钢丝221穿过偏航关节组件231后，再穿过偏航关节组件23与旋转臂24之间的弹簧管31，最后穿过旋转臂24而与驱动端10连接。当后一组关节组件相对于前一组关节组件旋转运动时，弹簧管31同步弯曲变形，由于弹簧管31通过两端台阶结构33限制了整体长度，因此在弯曲变形时，弹簧管31的长度将保持不变，从而使内部的驱动钢丝长度不变，保证执行器各个自由度相互独立而不受其他自由度的影响，实现自由度的解耦。
30.同时如图4所示，弹簧管31的内部还设置有一层软管32，软管32的内部涂抹有润滑脂，以减少驱动钢丝驱动时的摩擦力。驱动钢丝的对应部分位于软管32内，通过软管32对驱动钢丝产生缓冲，使驱动钢丝在同步变形过程中侧面冲击力减小，确保不会对长度产生影响。
31.在本实施例中，旋转臂24的第一端与驱动端10旋转连接，依靠与驱动端10连接的旋转驱动钢丝241驱动而产生旋转运动。偏航关节组件23包括与旋转臂24第二端旋转连接的偏航旋转轴232、套设在偏航旋转轴232上的偏航驱动轮233、以及与偏航旋转轴232固定的偏航关节本体234，偏航驱动轮233与驱动端10通过偏航驱动钢丝231连接，从偏航驱动轮233延伸出的偏航驱动钢丝231两端均与驱动端10连接，在驱动端10的控制下，偏航驱动钢丝231的一端伸长，另一端相应缩短，带动偏航驱动轮233旋转而控制偏航运动。相似地，俯仰关节组件22包括与偏航关节本体234旋转连接的俯仰旋转轴222、套设在俯仰旋转轴222上的俯仰驱动轮223、以及与俯仰旋转轴222固定的俯仰关节本体224，俯仰驱动轮223与驱动端10通过俯仰驱动钢丝221连接，其原理与偏航关节组件23类似，此处不再赘述。其中，俯仰旋转轴222与偏航旋转轴232是垂直正交设置的，使执行器能产生绕x轴旋转的偏航动作以及绕y轴旋转的俯仰动作，相对于仅有一个腕部弯曲动作的执行器来说更加灵活。
32.同时如图5所示，手指组件21包括相对设置的第一手指212和第二手指213，第一手指212和第二手指213的根部均活动套设于一固定轴214上，固定轴214与俯仰关节本体224固定连接，第一手指212与第二手指213均通过剪切驱动钢丝211与驱动端10连接。同时，俯仰关节本体224上还固定有一复位安装轴215，复位安装轴215上套设有复位扭簧216，复位扭簧216的两端分别与第一手指212和第二手指213连接，以对张开的手指提供恢复力。其中，第一手指212和第二手指213的剪切驱动钢丝211在旋转臂24或驱动端10内部合为一根，因此驱动端10驱动剪切驱动钢丝211下拉时，能同时驱动第一手指212和第二手指213向外张开，并使复位扭簧216的两端拉长而储存弹性势能。当剪切驱动钢丝211放手后，依靠复位弹簧216释放能量，使第一手指212和第二手指213重新合拢，完成剪切动作。
33.同时如图6、图7所示，驱动端10包括驱动底座11、与驱动底座11转动连接的旋转驱动滚筒12、偏航驱动滚筒13、俯仰驱动滚筒14以及剪切驱动滚筒15，套设在旋转臂24第一端的旋转驱动钢丝241与旋转驱动滚筒12连接，偏航驱动钢丝231穿出旋转臂24的第一端并与偏航驱动滚筒13连接，俯仰驱动钢丝221穿出旋转臂24的第一端并与俯仰驱动滚筒14连接，剪切驱动钢丝211穿出旋转臂24的第一端并与剪切驱动滚筒15连接。因此，通过控制旋转驱动滚筒12、偏航驱动滚筒13、俯仰驱动滚筒14以及剪切驱动滚筒15的旋转动作，来分别调整旋转臂24、偏航关节本体234、俯仰关节本体224以及两个手指的旋转动作，且均是独立控制的，由机器人控制系统完成各个滚筒的旋转控制。
34.其中，旋转驱动滚筒12、偏航驱动滚筒13、俯仰驱动滚筒14以及剪切驱动滚筒15分布与驱动底座11的四个对角，驱动底座11的中部设置有滑轮支架16，滑轮支架16上设置有多个对钢丝导向的导向滑轮17，旋转驱动钢丝241、偏航驱动钢丝231、俯仰驱动钢丝221以及剪切驱动钢丝211均绕过对应的导向滑轮17后与旋转臂24连接或进入旋转臂24的第一端。另外驱动端10还包括旋转支撑各滚筒顶部的压盖18以及密封的顶盖19。
35.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。