一种高精度的两自由度微创手术机械臂的制作方法

1.本发明属于微创手术机器人领域，尤其涉及一种高精度的两自由度微创手术机械臂。


背景技术：

2.由于微创手术具有创伤小，恢复快等显著特点，用于微创手术机械臂的构型设计成为近年来国内外学者的研究焦点。在对病人进行微创手术过程中，通常都需要有微创手术机械臂协助医生进行手术。对于微创手术机械臂而言，须要求其末端手术器械作为输出构件，绕一个远端不动点转动甚至沿着过该固定点的轴线移动，然而在此不动点处并没有实际的运动副存在。
3.申请号cn2018100501355.1基于平行四边形联动装置公开了一种偏移遥控中心的操纵器，实现了该操纵器末端的手术器械绕不动点转动。申请号cn201611169108.9基于带传动或绳传动机构公开了一种具有两自由度的手术机械臂，其末端手术器械绕不动点的两自由度运动仅通过驱动电机减速后利用带传动机构输出到各关节转轴实现。然而，现有技术中的微创手术机械臂依然存在以下不足：（1）部分微创手术机械臂采用双平行四边形连杆机构作为远程运动中心机构，连杆数量较多，容易发生干涉，工作空间有限；（2）部分微创手术机械臂采用带传动或绳传动机构实现各关节的联动，使机械臂末端器械始终绕远程运动中心旋转。由于带传动或绳传动之后直接输出到各关节，带和绳的柔性引入的误差会直接传递到关节中，并且机械臂的承载能力受到带和绳的限制。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种高精度的两自由度微创手术机械臂，通过在每个关节引入一个谐波减速器来提高机械臂的精度和承载能力，通过同步带传动实现机械臂的紧凑结构和较大的运动范围。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种高精度的两自由度微创手术机械臂，包括：转臂、第一连杆、第二连杆、第三连杆、末端连杆、第一谐波减速器、第二谐波减速器、第三谐波减速器、第四谐波减速器、第一电机、第二电机、第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第一张紧轮、第二张紧轮、第三张紧轮、第四张紧轮、第一同步带、第二同步带、第三同步带。
6.所述第一谐波减速器包括第一谐波减速器刚轮、第一谐波减速器柔轮连接盘、第一谐波减速器波发生器。
7.所述第二谐波减速器包括第二谐波减速器刚轮、第二谐波减速器柔轮连接盘、第二谐波减速器波发生器。
8.所述第三谐波减速器包括第三谐波减速器刚轮、第三谐波减速器柔轮连接盘、第三谐波减速器波发生器。
9.所述第四谐波减速器包括第四谐波减速器刚轮、第四谐波减速器柔轮连接盘、第四谐波减速器波发生器。
10.所述第二连杆包括第二连杆右侧板、第二连杆左侧板。
11.所述末端连杆包括器械安装板、末端执行器；所述末端执行器安装在所述器械安装板上，且方便更换不同功能的末端执行器。
12.所述第一带轮包括第一带轮第一槽、第一带轮第二槽。
13.所述第二带轮包括第二带轮第一槽、第二带轮第二槽。
14.所述第三带轮包括第三带轮第一槽、第三带轮第二槽。
15.所述第一同步带绕所述第一带轮第一槽与所述第二带轮第一槽。
16.所述第二同步带绕所述第三带轮第二槽与所述第二带轮第二槽。
17.所述第三同步带绕所述第三带轮第一槽与所述第四带轮。
18.所述转臂与所述第一谐波减速器中的所述第一谐波减速器刚轮通过螺钉固连，所述第一谐波减速器柔轮连接盘与所述第一连杆固连，所述第一谐波减速器波发生器与所述第一电机固连，这构成了所述转臂与所述第一连杆的转动连接。
19.所述第一连杆与所述第二谐波减速器中的所述第二谐波减速器刚轮通过螺钉固连，所述第二谐波减速器柔轮连接盘与第二连杆右侧板通过轴承固连，所述第二谐波减速器波发生器与所述第一带轮固连，这构成了所述第一连杆与所述第二连杆的转动连接。
20.所述第二连杆右侧板的另一端与所述第三谐波减速器柔轮连接盘通过轴承固连，所述第三连杆与所述第三谐波减速器中的所述第三谐波减速器刚轮通过螺钉固连，所述第三谐波减速器波发生器与所述第三带轮固连，这构成了所述第二连杆与所述第三连杆的转动连接。
21.所述第三连杆的另一端与所述第四谐波减速器的刚轮通过螺钉固连，所述末端连杆的右侧与所述第四谐波减速器柔轮连接盘通过轴承固连，所述第四谐波减速器波发生器与所述第四带轮固连，这构成了所述第三连杆与所述末端连杆的转动连接。
22.所述第一电机安装在所述转臂上，所述第一谐波减速器中的所述第一谐波减速器刚轮与所述转臂固连，所述第一谐波减速器柔轮连接盘与所述第一连杆固连，所述第一谐波减速器波发生器与所述第一电机固连；所述第二电机安装在所述第二连杆上，所述第二电机的电机轴与所述第二带轮固连；所述第二带轮与所述第二电机的电机轴固连，所述第一带轮与所述第二谐波减速器波发生器固连，所述第一带轮与所述第二带轮的直径相同，通过所述第一同步带传动，并由所述第一张紧轮进行张紧。
23.所述第三带轮与所述第三谐波减速器波发生器固连，所述第三带轮与所述第二带轮的直径相同，通过所述第二同步带传动，并由所述第二张紧轮进行张紧。所述第四带轮与所述第四谐波减速器波发生器固连，所述第四带轮与所述第三带轮的直径相同，通过所述第三同步带传动，并由所述第三张紧轮与所述第四张紧轮进行张紧。
24.所述第一带轮、所述第二带轮、所述第三带轮与所述第二连杆左侧板通过轴承固连。
25.当所述第一电机工作，所述第二电机不工作时，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、末端连杆及内部的各构件作为一个整体绕所述第一电机的轴线转动。
26.当所述第二电机转动，且所述第一电机不转动时，所述第一连杆固定不动，所述第二谐波减速器刚轮也随之固定；所述第二电机的高速转动通过所述第一同步带传递给所述第一带轮，进而传递给所述第二谐波减速器波发生器，所述第二谐波减速器柔轮为减速器
的输出，将低速转动传递给所述第二连杆；所述第二电机的高速转动通过所述第二同步带传递给所述第三带轮，进而传递给所述第三谐波减速器波发生器，因为所述第三谐波减速器刚轮与所述第三连杆固定连接，所述第三谐波减速器柔轮与所述第二连杆固定连接，所以所述第三连杆可以绕所述第二连杆做低速转动，且相对转速的大小等于所述第二连杆相对于所述第一连杆的转速的大小，相对转速的方向与所述第二连杆相对于所述第一连杆的转速的方向相反，由此可知所述第三连杆作平移运动；进一步，所述第三带轮的高速转动通过所述第三同步带传递给所述第四带轮，进而传递给所述第四谐波减速器波发生器，因为所述第四谐波减速器刚轮与所述第三连杆固定连接，所述第四谐波减速器柔轮与所述末端连杆固定连接,所以所述末端连杆可以绕所述第三连杆做低速转动，且相对转速的大小和方向都与所述第二连杆相对于所述第三连杆的转速的大小和方向相同，由此可知所述末端连杆相对于所述第二连杆作平移运动。优选地，在所述手术机械臂转动过程中，将所述转臂、所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述末端连杆构成的所述手术机械臂视为一个平面连杆机构，且末端连杆与所述第一电机的轴线的交点记为m；因此，在所述平面连杆机构内，将所述第二谐波减速器的中心标记为点a，所述第三谐波减速器的中心标记为点b，所述第四谐波减速器的中心标记为点c。所述第一电机的轴线穿过所述点a和点m。所述点a和所述点b的连线ab、所述点b和所述点c的连线bc、所述点c和点m的连线cm以及所述点a和所述点m的连线am始终构成一个平行四边形，且所述点a、所述点b、所述点c和所述点m始终为所述平行四边形的四个顶点，且所述点m为不动点。
27.当所述第一电机和第二电机同时转动时，末端连杆绕m点做空间两自由度转动。
28.本发明的有益效果及发明点如下：（1）针对背景技术中的第1点，本发明提出的一种高精度的两自由度微创手术机械臂采用带传动方式，所述机械臂结构紧凑，零部件之间不容易发生干涉，具有较大的工作空间；（2）针对背景技术中的第2点，采用带传动或绳传动机构的微创手术机械臂一般是通过多个闭环带或绳来约束各关节的运动，通过安装在第一连杆上的减速电机驱动离基座最近的关节来实现末端绕远程运动中心的旋转。若保持原有的驱动安装方式，直接在各关节上增加减速器，则机械臂末端无法实现绕远程运动中心的旋转，而是更复杂的运动模式。本发明机械臂将所述第二电机安装于第二连杆上，通过同步带传动将转动传递到各关节，进而通过谐波减速器传动后实现关节的转动，这样可以实现末端绕远程运动中心的旋转，提高了末端器械的转动精度，也提升了机械臂的承载能力。
29.注：上述设计不分先后，每一条都使得本发明相对现有技术具有区别和显著的进步。
附图说明
30.图1为本发明实施例的高精度的两自由度微创手术机械臂的结构示意图。
31.图2为本发明实施例的高精度的两自由度微创手术机械臂的结构示意图。
32.图3为本发明实施例的高精度的两自由度微创手术机械臂的结构示意图。
33.图4为本发明实施例的高精度的两自由度微创手术机械臂的剖视图。
34.图5为本发明实施例的高精度的两自由度微创手术机械臂的剖视图。
35.图6为本发明实施例的高精度的两自由度微创手术机械臂的剖视图。
36.图中，1-转臂，2-第一连杆，3-第二连杆，4-第三连杆，5-末端连杆，501-器械安装
板，502-末端执行器，6-第一谐波减速器，7-第二谐波减速器，8-第三谐波减速器，9-第四谐波减速器，10-第一电机，11-第二电机，12-第一带轮，13-第二带轮，14-第三带轮，15-第四带轮，16-第一张紧轮，17-第二张紧轮，18-第三张紧轮，19-第四张紧轮，20-第一同步带，21-第二同步带，22-第三同步带，121-第一带轮第一槽，122-第一带轮第二槽，131-第二带轮第一槽，132-第二带轮第二槽，141-第三带轮第一槽，142-第三带轮第二槽，301-第二连杆右侧板，302-第二连杆左侧板，601-第一谐波减速器刚轮，602-第一谐波减速器柔轮连接盘，603-第一谐波减速器波发生器，701-第二谐波减速器刚轮，702-第二谐波减速器柔轮连接盘，703-第二谐波减速器波发生器，801-第三谐波减速器刚轮，802-第三谐波减速器柔轮连接盘，803-第三谐波减速器波发生器，901-第四谐波减速器刚轮，902-第四谐波减速器柔轮连接盘，903-第四谐波减速器波发生器。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于本发明，但不能用来限制本发明的范围。
38.如图1-6所示，本发明的一种高精度的两自由度微创手术机械臂，包括：转臂1、第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、末端连杆5、第一谐波减速器6、第二谐波减速器7、第三谐波减速器8、第四谐波减速器9、第一电机10、第二电机11、第一带轮12、第二带轮13、第三带轮14、第四带轮15、第一张紧轮16、第二张紧轮17、第三张紧轮18、第四张紧轮19、第一同步带20、第二同步带21、第三同步带22。
39.第一谐波减速器6包括第一谐波减速器刚轮601、第一谐波减速器柔轮连接盘602、第一谐波减速器波发生器603。
40.第二谐波减速器7包括第二谐波减速器刚轮701、第二谐波减速器柔轮连接盘702、第二谐波减速器波发生器703。
41.第三谐波减速器8包括第三谐波减速器刚轮801、第三谐波减速器柔轮连接盘802、第三谐波减速器波发生器803。
42.第四谐波减速器9包括第四谐波减速器刚轮901、第四谐波减速器柔轮连接盘902、第四谐波减速器波发生器903。
43.所述第二连杆3包括第二连杆右侧板301、第二连杆左侧板302。
44.所述末端连杆5包括器械安装板501、末端执行器502；所述末端执行器502安装在所述器械安装板501上，且便于更换不同功能的末端执行器502。
45.所述第一带轮12包括第一带轮第一槽121、第一带轮第二槽122。
46.所述第二带轮13包括第二带轮第一槽131、第二带轮第二槽132。
47.所述第三带轮14包括第三带轮第一槽141、第三带轮第二槽142。
48.所述第一同步带20绕所述第一带轮第一槽121与所述第二带轮第一槽131。
49.所述第二同步带21绕所述第三带轮第二槽142与所述第二带轮第二槽132。
50.所述第三同步带22绕所述第三带轮第一槽141与所述第四带轮15。
51.所述第一电机10安装在所述转臂1上，所述第一谐波减速器6中的所述第一谐波减速器刚轮601与所述转臂1固连，所述第一谐波减速器柔轮连接盘602与所述第一连杆2固连，所述第一谐波减速器波发生器603与所述第一电机10固连，所述第一带轮12与所述第二
谐波减速器波发生器703固连，这构成了所述转臂1与所述第一连杆2的转动连接。
52.所述第二电机11安装在所述第二连杆上，所述第二电机11的电机轴与所述第二带轮13固连，所述第三带轮14与所述第三谐波减速器波发生器803固连；所述第一带轮12与所述第二带轮13的直径相同，通过所述第一同步带20传动，并由所述第一张紧轮16进行张紧。
53.所述第三带轮14与所述第三谐波减速器波发生器803固连，所述第三带轮14与所述第二带轮13的直径相同，通过所述第二同步带21传动，并由所述第二张紧轮17进行张紧。
54.所述第四带轮15与所述第四谐波减速器波发生器903固连，所述第四带轮15与所述第三带轮14的直径相同，通过所述第三同步带22传动，并由所述第三张紧轮18与所述第四张紧轮19进行张紧。
55.所述第一连杆2与所述第二谐波减速器7中的所述第二谐波减速器刚轮701通过螺钉固连，所述第二谐波减速器柔轮连接盘702与第二连杆右侧板301通过轴承固连，所述第二谐波减速器波发生器703与所述第一带轮12固连，这构成了所述第一连杆2与所述第二连杆3的转动连接。
56.所述第二连杆右侧板301的另一端与所述第三谐波减速器柔轮连接盘802通过轴承固连，所述第三连杆4与所述第三谐波减速器8中的所述第三谐波减速器刚轮801通过螺钉固连，所述第三谐波减速器波发生器803与所述第三带轮14固连，这构成了所述第二连杆3与所述第三连杆4的转动连接。
57.所述第三连杆3的另一端与所述第四谐波减速器刚轮901通过螺钉固连，所述末端连杆5的右侧与所述第四谐波减速器柔轮连接盘902通过轴承固连，所述第四谐波减速器波发生器903与所述第四带轮15固连，这构成了所述第三连杆4与所述末端连杆5的转动连接。
58.所述第一带轮12、所述第二带轮13、所述第三带轮14与所述第二连杆左侧板302通过轴承固连。
59.所述第一张紧轮16包括张紧滑轮、张紧轴承、张紧轴，所述张紧滑轮与所述张紧轴承的外圈通过过盈配合进行固定连接，所述张紧轴承的内圈与所述张紧轴通过过盈配合进行固定连接，所述张紧轴与所述第二连杆左侧板302固连。
60.所述第二张紧轮17包括张紧滑轮、张紧轴承、张紧轴，所述张紧滑轮与所述张紧轴承通过过盈配合进行固定连接，所述张紧轴承的内圈与所述张紧轴通过过盈配合进行固定连接，所述张紧轴与所述第二连杆左侧板302固连。
61.所述第三张紧轮18与所述第四张紧轮19包括张紧滑轮、张紧轴承、张紧轴，所述张紧滑轮与所述张紧轴承的外圈通过过盈配合进行固定连接，所述张紧轴承的内圈与所述张紧轴通过过盈配合进行固定连接，所述张紧轴与所述第三连杆4固连。
62.当所述第一电机10工作，所述第二电机11不工作时，所述第一连杆2、所述第二连杆3、所述第三连杆4、末端连杆5及内部的各构件作为一个整体绕所述第一电机10的轴线转动。
63.当所述第二电机11转动，且所述第一电机10不转动时，所述第一连杆2固定不动，所述第二谐波减速器刚轮701也随之固定；所述第二电机10的高速转动通过所述第一同步带20传递给所述第一带轮12，进而传递给所述第二谐波减速器波发生器703，所述第二谐波减速器柔轮702为减速器的输出，将低速转动传递给所述第二连杆3；所述第二电机11的高速转动通过所述第二同步带21传递给所述第三带轮14，进而传递给所述第三谐波减速器波
发生器803，因为所述第三谐波减速器刚轮801与所述第三连杆4固定连接，所述第三谐波减速器柔轮802与所述第二连杆3固定连接，所以所述第三连杆4可以绕所述第二连杆3做低速转动，且相对转速的大小等于所述第二连杆3相对于所述第一连杆2的转速的大小，相对转速的方向与所述第二连杆3相对于所述第一连杆2的转速的方向相反，由此可知所述第三连杆4作平移运动；进一步，所述第三带轮14的高速转动通过所述第三同步带22传递给所述第四带轮15，进而传递给所述第四谐波减速器波发生器903，因为所述第四谐波减速器刚轮901与所述第三连杆4固定连接，所述第四谐波减速器柔轮902与所述末端连杆5固定连接,所以所述末端连杆5可以绕所述第三连杆4做低速转动，且相对转速的大小和方向都与所述第二连杆3相对于所述第三连杆4的转速的大小和方向相同，由此可知所述末端连杆5相对于所述第二连杆3作平移运动。优选地，在所述手术机械臂转动过程中，将所述转臂1、所述第一连杆2、所述第二连杆3、所述第三连杆4和所述末端连杆5构成的所述手术机械臂视为一个平面连杆机构，且末端连杆与所述第一电机的轴线的交点记为m。因此，在所述平面连杆机构内，将所述第二谐波减速器7的中心标记为点a，所述第三谐波减速器8的中心标记为点b，所述第四谐波减速器9的中心标记为点c。所述第一电机10的轴线穿过所述点a和点m。所述点a和所述点b的连线ab、所述点b和所述点c的连线bc、所述点c和点m的连线cm以及所述点a和所述点m的连线am始终构成一个平行四边形，且所述点a、所述点b、所述点c和所述点m始终为所述平行四边形的四个顶点，且所述点m为不动点。
64.当所述第一电机10和第二电机11同时转动时，末端连杆5绕m点做空间两自由度转动。
65.本发明具有两自由度远程运动中心的微创手术机械臂结构紧凑，精度高，工作空间范围大，通过同步带传动将将安装于所述第二连杆3的所述第二电机11的转动传递到所述第二谐波减速器7与所述第三谐波减速器8，再输出到所述第三连杆4，再通过所述第四带轮15带动所述第四谐波减速器9输出到所述末端连杆5，使得末端执行器502绕不动点m的旋转，具有负载惯量小、位置精度与旋转精度高、工作空间范围大的优点。
66.上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。