机器人手腕及手术机器人的制作方法

1.本发明涉及手术机器人技术领域，更具体地说，涉及一种机器人手腕及手术机器人。


背景技术：

2.机器人手腕是连接臂件和末端执行器的部件，处于机器人操作主体的最末端。微创手术机器人可以减轻患者创伤、术后实现更好的恢复，同时具有操作方便，可以节省医生体力、提高操作的自由度和精确度，其有着诸多优点。操作者在实施手术的过程中，通过操作主手工具实现对主手的操纵，通过传感器对主手运动信息的采集，映射到从手，进一步实现对从手和患者体内器械的控制。对于从手的控制，需要一个稳定、精确、易控制的机械结构，而“手腕”部分运动幅度和频率大、灵活度要求高，此部分的机械性能至关重要。这对手腕部分的结构设计提出能高要求，此部分的优劣直接影响和制约着微创手术机器人的性能。
3.现有的手术机器人手腕结构存在以下缺点，一方面手腕结构体积较大，影响或限制了手术摆位空间，而且手腕结构重量较重，增加了机械臂肘部的负荷负担，导致机械臂法兰接口距离臂件轴线位置较长，影响腕部负载。另一方面机器人手腕热较差，机器人手腕位置有众多电路板及电子元件，是发热源头，另外电机是主要的热源，热量在狭窄空间增加了散热难度，散热不良会影响电路系统的可靠性和寿命、增大故障率。同时，机器人手腕存在着电磁屏蔽功能差、装配难度高、繁琐等缺陷。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种机器人手腕，以提高机器人手腕的结构性能；本发明还提供了一种手术机器人。
5.为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种机器人手腕，包括手腕连杆、末端关节模组和臂件关节模组；
7.所述手腕连杆具第一侧板、第二侧板和后板面，所述第一侧板和所述第二侧板围成第一模组安装腔，所述第一模组安装腔用于安装末端关节模组；
8.所述后板面与所述第一侧板和所述第二侧板之间围成所述第二模组安装腔，所述第二模组安装腔用于安装臂件关节模组；
9.还包括固装于所述第一侧板、所述第二侧板和所述后板面的外板面上电气功能部件。
10.优选地，在上述机器人手腕中，所述第一模组安装腔的轴向与所述第二模组安装腔的安装方向垂直布置。
11.优选地，在上述机器人手腕中，所述电气功能部件包括固装于所述第一侧板、第二侧板和/或所述后板面上，连通所述手腕连杆上控制电路的多个电路板。
12.优选地，在上述机器人手腕中，所述后板面上开设有贯穿至所述第二模组安装腔
的散热冷风入口，所述电气功能部件包括出风方向朝向所述散热冷风入口的散热风扇。
13.优选地，在上述机器人手腕中，所述手腕连杆上还盖装有对其内部进行封盖的外壳，所述手腕连杆的封盖端预留有内凹的搭接凹台，所述外壳的内圈预留与所述搭接凹台压紧配合的搭接凸台，所述搭接凸台和所述搭接凹台之间的搭接间隙内填充有导电胶。
14.优选地，在上述机器人手腕中，所述外壳上布置背部出风口，所述手腕连杆的内部具有连通所述末端关节模组的第一电机和所述臂件关节模组的第二电机至所述背部出风口的散热风道，所述散热风道内布置有主风冷风扇。
15.优选地，在上述机器人手腕中，所述第一模组安装腔的内壁面具有贴合抱紧所述末端关节模组的伸入端的第一导热接触位，所述第一导热接触位对所述末端关节模组的工作热量传导至所述散热风道。
16.优选地，在上述机器人手腕中，所述第二模组安装腔的内壁面具有贴合抱紧所述臂件关节模组的伸入端的第二导热接触位，所述第二导热接触位对所述臂件关节模组的工作热量传导至所述散热风道。
17.优选地，在上述机器人手腕中，所述背部出风口上设置电磁屏蔽金属网，和对所述电磁屏蔽金属网压紧固装的压盖。
18.优选地，在上述机器人手腕中，所述背部出风口和所述压盖上开设有通风方向相对布置的通风格栅，所述压盖和所述电磁屏蔽金属网之间还布置对所述背部出风口进行防尘的防尘网。
19.一种手术机器人，包括进行手术操作的机器人手臂，所述机器人手臂的末端臂件和末端执行器之间设置有机器人手腕，所述机器人手腕为如上任意一项所述的机器人手腕。
20.本发明提供的机器人手腕，包括手腕连杆、末端关节模组和臂件关节模组；手腕连杆具第一侧板、第二侧板和后板面，第一侧板和第二侧板围成第一模组安装腔，第一模组安装腔用于安装末端关节模组；后板面与第一侧板和第二侧板之间围成第二模组安装腔，第二模组安装腔用于安装臂件关节模组；还包括固装于第一侧板、第二侧板和后板面的外板面上电气功能部件。通过手腕连杆结构，利用其侧板和后板面结构，围成第一模组安装腔和第二模组安装腔同时进行末端关节模组和臂件关节模组的安装支撑，并实现对电气功能部件的支撑定位，利用手腕连杆作为关节模组和电气功能部件的同步支撑载体，支撑结构更为紧凑，减低手术摆位难度，降低负荷，且利用手腕连杆上预置的模组安装腔，装配难度降低，提高了机器人手腕的工作性能。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明提供的机器人手腕的外部结构示意图；
23.图2为图1中机器人手腕的外壳方向结构示意图；
24.图3为图2中机器人手腕的b-b方向剖视图；
25.图4为图1中机器人手腕的手腕连杆结构示意图。
具体实施方式
26.本发明公开了一种机器人手腕，提高了机器人手腕的结构性能；本发明还提供了一种手术机器人。
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
28.如图1-图4所示，图1为本发明提供的机器人手腕的外部结构示意图；图2为图1中机器人手腕的外壳方向结构示意图；图3为图2中机器人手腕的b-b方向剖视图；图4为图1中机器人手腕的手腕连杆结构示意图。
29.本实施例提供了一种机器人手腕，包括手腕连杆1、末端关节模组4和臂件关节模组3；手腕连杆1具第一侧板5、第二侧板6和后板面7，第一侧板5和第二侧板6围成第一模组安装腔104，第一模组安装腔104用于安装末端关节模组4；后板面7与第一侧板5和第二侧板6之间围成第二模组安装腔13，第二模组安装腔103用于安装臂件关节模组3；还包括固装于第一侧板5、第二侧板6和后板面7的外板面上电气功能部件。通过手腕连杆结构，利用其侧板和后板面结构，围成第一模组安装腔104和第二模组安装腔103同时进行末端关节模组4和臂件关节模组3的安装支撑，并实现对电气功能部件的支撑定位，利用手腕连杆1同时作为关节模组和电气功能部件的同步支撑载体，支撑结构更为紧凑，减低手术摆位难度，降低负荷，且利用手腕连杆上预置的模组安装腔，装配难度降低，提高了机器人手腕的工作性能。
30.在本案一具体实施例中，第一模组安装腔104的轴向与第二模组安装腔103的安装方向垂直布置。手腕连杆1上同时设置安装末端关节模组4和臂件关节模组3的两个模组安装腔，可直接对两个关节模组的安装位置进行约束。优选将第一模组安装腔104的轴向与第二模组安装腔103的安装方向垂直布置，如图3所示的位置，本实施例优选末端关节模组4位于臂件关节模组3的上方，即对末端关节模组4垂直于臂件关节模组3的关节轴，实现轴向位置限定，易于实现机器人手腕三个相邻关节轴的轴线相交于一点，可较为容易的满足pieper准则，从而使机器人运动学逆解同时具备解析解和数值解，降低了机器人控制难度运算强度，缩短了运算时间，从而提升了控制性能。
31.具体地，臂件关节模组3、末端关节模组4均采用螺钉和销钉安装到手腕连杆1上。臂件关节模组3、末端关节模组4在安装到手腕连杆1上后，二者的驱动端均螺钉固装到手腕连杆1上，两个关节模组的伸入端与模组安装腔之间采用贴合抱紧的方式，利用接触面摩擦力和销钉使得两关节模组的力矩稳定传递，连接结构简单的同时，也能承受较大的变载荷和冲击载荷，具有良好的结构强度。
32.臂件关节模组3和末端关节模组4垂直分布，其中末端关节模组4作为机械臂的第7关节，臂件关节模组3作为机械臂的第6关节，在如图3所示结构下，二者的轴向长度减少，并保持最小安装间隙，使得末端关节模组4的伸入末端到臂件关节模组3的轴线距离最小。理论上，手腕末端距离腕部的关节轴线越远，在同等灵活度下，所承受负载越大。将腕部长度
缩减，提升了机器人手腕负载能力，同时降低了能耗。同时三轴相交于一点，减小了作业时手腕占据的空间，有利于手术摆位，避免与相邻机器人机械臂干涉。
33.在本案一具体实施例中，电气功能部件包括固装于第一侧板5、第二侧板6和/或后板面7上，连通手腕连杆1上控制电路的多个电路板。手腕连杆1的主体结构由第一侧板5、第二侧板6和后板面7围成，臂件关节模组3和末端关节模组4为保证与前后控制线路的连接，采用电路板集成控制方式进行接线，利用板状结构围成的内部模组腔和外部板面结构，将进行电气功能控制的电路板固装到第一侧板5、第二侧板6和后板面7的外侧，电路板根据体积大小和空间布局，可在不同的板面上进行优化布置。利用侧板和板面围成模组腔的方式，提供电路板与关节模组独立安装。
34.进一步地，后板面7上开设有贯穿至第二模组安装腔103的散热冷风入口8，电气功能部件包括出风方向朝向散热冷风入口8的散热风扇。机器人手腕内部由第一侧板5和第二侧板6围成两个模组安装腔结构，臂件关节模组和末端关节模组的两个电机工作产生热量集中在手腕连杆1的内腔空间，将后板面7上开设散热冷风入口8，散热冷风吹送到臂件关节模组3上后，进入到末端关节模组4的底端，对两个关节模组的电机进行风冷散热。
35.在本案一具体实施例中，手腕连杆1上还盖装有对其内部进行封盖的外壳2，手腕连杆1的封盖端预留有内凹的搭接凹台12，外壳2的内圈预留与搭接凹台12压紧配合的搭接凸台13，搭接凸台13和搭接凹台12之间的搭接间隙内填充有导电胶。
36.进一步地，外壳上布置背部出风口9，手腕连杆1的内部具有连通末端关节模组的第一电机和臂件关节模组的第二电机至背部出风口的散热风道，散热风道内布置有主风冷风扇。手腕连杆1为由侧板、后板面7围成的框架空间，在第一侧板5和第二侧板6的围成的第一关节模组安装腔104后，两个侧板靠近外壳2的一侧设置为开口结构，第一侧板5、第二侧板6和后板面7围成的第二关节模组安装腔103设计为基本封闭结构，仅将第一关节模组安装腔104相对于第二关节模组安装腔103的底端设置为连通结构，保证由散热冷风入口8进入的冷风吹送到末端关节模组4的底部，最后由开口结构位置吹出，对应地，外壳2上对应该开口结构位置设置背部出风口，对关节模组工作热量进行导出，从而形成由散热冷风入口8，流经第二关节模组安装腔103、第二关节模组安装腔104，直至开口结构导出至背部出风口9的散热风道。
37.在本案一具体实施例中，第一模组安装腔104的内壁面具有贴合抱紧末端关节模组4的伸入端的第一导热接触位11，第一导热接触位11对末端关节模组4的工作热量传导至散热风道。
38.在本案一具体实施例中，第二模组安装腔的内壁面具有贴合抱紧臂件关节模组3的伸入端的第二导热接触位10，第二导热接触位10对臂件关节模组的工作热量传导至散热风道。手腕连杆1为保证结构紧凑性，臂件关节模组3的伸入端贴紧安装在第二关节模组安装腔103内，末端关节模组4的伸入端贴紧安装在第一关节模组安装腔104内，限制了流经散热风道的风量强度，通过设置第一导热接触位11和第二导热接触位10，第一侧板5、第二侧板6和后板面7同时承担对热量进行热传导散热功能，将热量直接传到至手腕连杆1的外部进行散热，通过风冷和热传导散热方式，提高机器人手腕的散热能力。
39.在本案一具体实施例中，背部出风口9上设置电磁屏蔽金属网，和对电磁屏蔽金属网压紧固装的压盖。背部出风口和压盖上开设有通风方向相对布置的通风格栅，压盖和电
磁屏蔽金属网之间还布置对背部出风口进行防尘的防尘网。
40.背部出风口9，是风冷的主要热量出口，此处可以带走机器人手腕内关节模组主要模组热源的热量。另外布置一处风冷风扇于机器人手腕腹部，在腹部至少布置一个风扇进行空冷散热，提高对末端关节模组散热能力。冷风经过高温的关节模组，特别是模组电机位置，将散热冷风入口8对准模组电机热源，将热量带走，从背部出风口9吹出。两模组内腔设置第一导热接触位11、第二导热接触位10分别与两个关节模组相接触，利用这种接触快速导出模组的热量到手腕连杆1，使热量均匀化，这样整个手腕的温度更加的均匀化，避免局部热应力集中。通过以上散热设计措施从而提高模组的动力性、控制性和寿命等性能。
41.同时，由于手腕连杆1上集成安装多个电路板，机器人手腕控制系统的电路硬件的电磁环境复杂，如何屏蔽电磁是一个综合问题。
42.如图3所示，利用外壳2的结构和连杆1的搭接凹台12和搭接凸台13配合，外壳2盖装到手腕连杆1上，利用搭接凹台12和搭接凸台13的搭接结构，在搭接凹台12上设置对外壳2装入进行导向的导向滑槽17，在安装时，外壳2沿导向滑槽17滑动安装到手腕连杆1上，在外壳2上设置锁紧螺纹孔，对应手腕连杆上设置安装凸台18，实现外壳2与手腕连杆1的紧密连接。考虑到二者的机械接触结构，在紧密贴紧后即可达到电磁波不容易反射出或进入的功能，进一步地，在搭接凹台12和搭接凸台13之间的间隙中填入导电胶，进一步增强屏蔽能力。此部分只需要锁紧外壳2与手腕连杆1的螺钉即可实现。
43.另外在背部通风口9位置增加了电磁屏蔽金属网14，达到既可以通风，但能屏蔽电磁的作用。电磁屏蔽金属网14为降低安装难度，将其贴合外壳2内侧，然后用压盖16压住，压紧。压盖16的通风格栅与外壳2的通风格栅相对应，在格栅中间压紧的就是电磁屏蔽金属网14和防尘网15，防尘网15为海绵或塑料材质，利用其压缩后的弹性可以紧紧的压住金属网14。压盖16利用螺钉锁紧到外壳2上，与外壳2成为一体。通过上述设计增强手术机器人的手腕电磁屏蔽能力。
44.基于上述实施例中提供的机器人手腕，本发明还提供了一种手术机器人，包括进行手术操作的机器人手臂，机器人手臂的末端臂件和末端执行器之间设置有机器人手腕，该手术机器人上设有的机器人手腕为上述实施例中提供的机器人手腕。
45.由于该手术机器人采用了上述实施例的机器人手腕，所以该手术机器人由机器人手腕带来的有益效果请参考上述实施例。
46.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。