申请/专利权人：哈尔滨思哲睿智能医疗设备股份有限公司

申请日：2019-07-11

公开（公告）日：2024-05-17

公开（公告）号：CN110181499B

主分类号：B25J9/10

分类号：B25J9/10;B25J17/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.17#授权;2022.08.19#著录事项变更;2019.09.24#实质审查的生效;2019.08.30#公开

摘要：一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，它涉及医疗机器人技术领域。本发明为解决现有医疗机器人的主动端在完成任意方向的全方位动作时，要求加工及装配精度高，不便于生产，同时控制精度不准确的问题。本发明包括冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节，冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节分别绕自身的回转轴线旋转，冗余偏摆关节的回转轴线、俯仰关节的回转轴线、偏摆关节的回转轴线和回转关节的回转轴线汇交于一点。本发明用于医疗手术机器人。

主权项：1.一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：包括冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节，冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节分别绕自身的回转轴线旋转，冗余偏摆关节的回转轴线、俯仰关节的回转轴线、偏摆关节的回转轴线和回转关节的回转轴线汇交于一点；所述冗余偏摆关节包括第一连杆（1）、冗余偏摆电机（2）、冗余偏摆座（5）和冗余偏摆轴（6），冗余偏摆电机（2）固接在冗余偏摆座（5）上，冗余偏摆电机（2）的电机轴与冗余偏摆轴（6）连接，冗余偏摆轴（6）与冗余偏摆座（5）转动连接，第一连杆（1）的形状为L形，冗余偏摆轴（6）与第一连杆（1）水平端的外侧端垂直固接；所述冗余偏摆电机（2）通过冗余偏摆电机安装座（3）与冗余偏摆座（5）固接，冗余偏摆电机（2）垂直固接在冗余偏摆电机安装座（3）上，所述冗余偏摆轴（6）通过一组第一轴承（4）与冗余偏摆座（5）转动连接；所述俯仰关节包括第二连杆（7）、第一从动轮（20）、第一主动轮（21）、俯仰输入轴（22）俯仰电机（25）和俯仰轴（18），俯仰电机（25）固接在第一连杆（1）竖直端的外侧端，俯仰电机（25）的电机轴与俯仰输入轴（22）连接，俯仰输入轴（22）与第一连杆（1）的竖直端平行设置，俯仰输入轴（22）上固接有第一主动轮（21），俯仰轴（18）垂直插装在第一连杆（1）竖直端的外侧端，俯仰轴（18）与第一连杆（1）转动连接，俯仰轴（18）的一端固接有第一从动轮（20），第一主动轮（21）与第一从动轮（20）相啮合，第二连杆（7）的形状为L形，俯仰轴（18）的另一端与第二连杆（7）竖直端的外侧端垂直固接；所述俯仰电机（25）通过俯仰电机固定板（24）与第一连杆（1）固接，俯仰电机（25）垂直固接在俯仰电机固定板（24）上，所述俯仰输入轴（22）通过一组第二轴承（23）与第一连杆（1）转动连接，俯仰轴（18）通过一组第三轴承（19）与第一连杆（1）转动连接；所述偏摆关节包括第二从动轮（9）、第二主动轮（10）、第三连杆（12）、偏摆轴（13）、偏摆电机（15）和偏摆输入轴（17），偏摆电机（15）固接在第二连杆（7）水平端的外侧端，偏摆电机（15）的电机轴与偏摆输入轴（17）连接，偏摆输入轴（17）与第二连杆（7）的水平端平行设置，偏摆输入轴（17）上固接有第二主动轮（10），偏摆轴（13）垂直插装在第二连杆（7）水平端的外侧端，偏摆轴（13）与第二连杆（7）转动连接，偏摆轴（13）的一端固接有第二从动轮（9），第二主动轮（10）与第二从动轮（9）相啮合，第三连杆（12）的形状为L形，偏摆轴（13）的另一端与第三连杆（12）水平端的外侧端垂直固接；所述偏摆电机（15）通过偏摆电机固定板（16）与第二连杆（7）固接，偏摆电机（15）垂直固接在偏摆电机固定板（16）上，所述偏摆输入轴（17）通过一组第四轴承（11）与第二连杆（7）转动连接，偏摆轴（13）通过一组第五轴承（8）与第二连杆（7）转动连接；所述回转关节包括回转轴（14）、回转输入轴（26）、回转电机（27）、第三从动轮（31）、第三主动轮（32）和手柄（33），回转电机（27）固接在第三连杆（12）竖直端的外侧端，回转电机（27）的电机轴与回转输入轴（26）连接，回转输入轴（26）与第三连杆（12）的竖直端平行设置，回转输入轴（26）上固接有第三主动轮（32），回转轴（14）垂直插装在第三连杆（12）竖直端的外侧端，回转轴（14）与第三连杆（12）转动连接，回转轴（14）的一端固接有第三从动轮（31），第三主动轮（32）与第三从动轮（31）相啮合，回转轴（14）的另一端与手柄（33）的一端端面垂直固接；所述回转电机（27）通过回转电机固定板（28）与第三连杆（12）固接，回转电机（27）垂直固接在回转电机固定板（28）上；所述回转输入轴（26）通过一组第六轴承（29）与第三连杆（12）转动连接，回转轴（14）通过一组第七轴承（30）与第三连杆（12）转动连接。

全文数据：一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构技术领域本发明涉及医疗机器人技术领域，具体涉及一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构。背景技术在医疗设备发展的今天，医生不需要直接操作手术器械，而通过遥控操作医疗器械来实现医疗手术，这就需要利用医疗机器人来实现。在医疗手术机器人遥控作业过程中，需要用主动端姿态动作与从动手术器械实现同步模拟，这就需要完成从动端的手术动作完成全方位模拟，这就需要主动端完成任意方向的全方位动作。在医疗机器人领域中，应用在遥控操作医疗器械来实现医疗手术的主动端的姿态结构，通常是输入端单码盘、输入端采用电机直连式结构。基于以上情况对设计、加工及装配精度提出更高的要求，码盘反应的是输入端的位置而不是实际输出的位置，中间有传动误差的影响，这样造成控制位置精度不准确等缺点。发明内容本发明为了解决现有医疗机器人的主动端在完成任意方向的全方位动作时，要求加工及装配精度高，不便于生产，同时控制精度不准确的问题，进而提出一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构包括冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节，冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节分别绕自身的回转轴线旋转，冗余偏摆关节的回转轴线、俯仰关节的回转轴线、偏摆关节的回转轴线和回转关节的回转轴线汇交于一点。本发明与现有技术相比包含的有益效果是：本发明提供了一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，即四个杆件旋转轴线交于一点，相当于形成了一个球型机构。这种机构具有操作灵活，运动学求解容易，可以有效避开奇异点的优势。同时也可以保证本结构进行位置调整时，手持点位置不会发生改变，也就是实现了本结构位姿的部分解耦。该部分的传动机构可以灵活的调整安装间隙，便于装配，可以保证传动的柔顺性，对加工及安装精度要求不高，便于生产和装配，降低生产成本。并且驱动电机可以安装在杆件内，减小机构尺寸。本发明能够适应医疗手术机器人遥控作业环境，并实现对手术末端从动端器械的准确控制的应用。本发明的四轴汇交冗余机构能及时准确地反应位姿的准确位置，并实现与手术末端从动端器械的准确控制。具有控制精度高，传动稳定性好、灵活性高及协调性好的优点，可以实现对手术末端从动端器械六个自由度方向上的精准控制。附图说明图1是本发明整体结构的主视剖视图；图2是图1中的A-A向剖视图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构包括冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节，冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节分别绕自身的回转轴线旋转，冗余偏摆关节的回转轴线、俯仰关节的回转轴线、偏摆关节的回转轴线和回转关节的回转轴线汇交于一点。本实施方式中冗余偏摆关节的回转轴线、俯仰关节的回转轴线、偏摆关节的回转轴线和回转关节的回转轴线汇交于一点，相当于形成了一个球型机构。这种机构具有操作灵活，运动学求解容易，可以有效避开奇异点的优势。同时也可以保证本结构进行位置调整时，手持点位置不会发生改变，也就是实现了本结构位姿的部分解耦。四轴汇交冗余机构能及时准确地反应位姿的准确位置，并实现与手术末端从动端器械的准确控制。具有控制精度高，传动稳定性好、灵活性高及协调性好的优点，可以实现对手术末端从动端器械六个自由度方向上的精准控制。具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述冗余偏摆关节包括第一连杆1、冗余偏摆电机2、冗余偏摆座5和冗余偏摆轴6，冗余偏摆电机2固接在冗余偏摆座5上，冗余偏摆电机2的电机轴与冗余偏摆轴6连接，冗余偏摆轴6与冗余偏摆座5转动连接，第一连杆1的形状为L形，冗余偏摆轴6与第一连杆1水平端的外侧端垂直固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式中冗余偏摆关节由冗余偏摆座5为基体，冗余偏摆电机2安装在冗余偏摆座5上，冗余偏摆电机2通过带动冗余偏摆轴6旋转，从而带动紧固在冗余偏摆轴6的第一连杆1旋转。实现4轴汇交冗余机构中的姿态冗余偏摆关节的偏摆动作。具体实施方式三：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述冗余偏摆电机2通过冗余偏摆电机安装座3与冗余偏摆座5固接，冗余偏摆电机2垂直固接在冗余偏摆电机安装座3上，所述冗余偏摆轴6通过一组第一轴承4与冗余偏摆座5转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。本实施方式中第一连杆1设置在冗余偏摆座5的上端。具体实施方式四：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述俯仰关节包括第二连杆7、第一从动轮20、第一主动轮21、俯仰输入轴22俯仰电机25和俯仰轴28，俯仰电机25固接在第一连杆1竖直端的外侧端，俯仰电机25的电机轴与俯仰输入轴22连接，俯仰输入轴22与第一连杆1的竖直端平行设置，俯仰输入轴22上固接有第一主动轮21，俯仰轴18垂直插装在第一连杆1竖直端的外侧端，俯仰轴18与第一连杆1转动连接，俯仰轴18的一端固接有第一从动轮20，第一主动轮21与第一从动轮20相啮合，第二连杆7的形状为L形，俯仰轴18的另一端与第二连杆7竖直端的外侧端垂直固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二或三相同。本实施方式中俯仰关节是以第一连杆1为基体，俯仰电机25安装在第一连杆1上，俯仰电机25通过带动俯仰输入轴22旋转，并带动连接在俯仰输入轴22的第一主动轮21旋转，从而带动紧固在俯仰轴18上的第一从动轮20旋转，进而带动俯仰轴18及与俯仰轴18相连的第二连杆7旋转。实现4轴汇交冗余机构中的俯仰关节的俯仰动作。具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述俯仰电机25通过俯仰电机固定板24与第一连杆1固接，俯仰电机25垂直固接在俯仰电机固定板24上，所述俯仰输入轴22通过一组第二轴承23与第一连杆1转动连接，俯仰轴18通过一组第三轴承19与第一连杆1转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。本实施方式中俯仰电机固定板24与第一连杆1竖直端的外侧端固接，俯仰电机25、第一主动轮21和第一从动轮20均设置在第一连杆1的外侧，第二连杆7设置在第一连杆1的内侧。本实施方式中第一连杆1也可为中空杆体，俯仰电机25、第一主动轮21和第一从动轮20均设置在第一连杆1的杆体内。本实施方式中第一连杆1的外侧固接有多个第一连接臂，用来支撑俯仰输入轴22和俯仰轴18，第二轴承23和第三轴承19的外圈固接在第一连接臂上。具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述偏摆关节包括第二从动轮9、第二主动轮10、第三连杆12、偏摆轴13、偏摆电机15和偏摆输入轴17，偏摆电机15固接在第二连杆7水平端的外侧端，偏摆电机15的电机轴与偏摆输入轴17连接，偏摆输入轴17与第二连杆7的水平端平行设置，偏摆输入轴17上固接有第二主动轮10，偏摆轴13垂直插装在第二连杆7水平端的外侧端，偏摆轴13与第二连杆7转动连接，偏摆轴13的一端固接有第二从动轮9，第二主动轮10与第二从动轮9相啮合，第三连杆12的形状为L形，偏摆轴13的另一端与第三连杆12水平端的外侧端垂直固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三或五相同。本实施方式中偏摆关节由第二连杆7为基体，偏摆电机15安装在第二连杆7上，偏摆电机15通过带动偏摆输入轴17旋转，并带动连接在偏摆输入轴17的第二主动轮10旋转，从而带动紧固在偏摆轴13上的第二从动轮9旋转，进而带动偏摆轴13与偏摆轴13相连的第三连杆12旋转。实现4轴汇交冗余机构中的偏摆关节的偏摆动作。具体实施方式七：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述偏摆电机15通过偏摆电机固定板16与第二连杆7固接，偏摆电机15垂直固接在偏摆电机固定板16上，所述偏摆输入轴17通过一组第四轴承11与第二连杆7转动连接，偏摆轴13通过一组第五轴承8与第二连杆7转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。本实施方式中偏摆电机固定板16与第二连杆7水平端的外侧端固接，偏摆电机15、第二主动轮10、和第二从动轮9均设置在第二连杆7的外侧，第三连杆12设置在第二连杆7的内侧。本实施方式中第二连杆7也可为中空杆体，偏摆电机15、第二主动轮10、和第二从动轮9均设置在第二连杆7的杆体内。本实施方式中第二连杆7的外侧固接有多个第二连接臂，用来支撑偏摆输入轴17和偏摆轴13，第四轴承11和第五轴承8的外圈固接在第二连接臂上。具体实施方式八：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述回转关节包括回转轴14、回转输入轴26、回转电机27、第三从动轮31、第三主动轮32和手柄33，回转电机27固接在第三连杆12竖直端的外侧端，回转电机27的电机轴与回转输入轴26连接，回转输入轴26与第三连杆12的竖直端平行设置，回转输入轴26上固接有第三主动轮32，回转轴14垂直插装在第三连杆12竖直端的外侧端，回转轴14与第三连杆12转动连接，回转轴14的一端固接有第三从动轮31，第三主动轮32与第三从动轮31相啮合，回转轴14的另一端与手柄33的一端端面垂直固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、五或七相同。本实施方式中回转关节由第三连杆12为基体，回转电机27安装在第三连杆12上，回转电机27通过带动回转输入轴26旋转，从而带动连接在回转输入轴26的第三主动轮32旋转，并带动紧固在回转轴14上的第三从动轮31旋转，进而带动回转轴14及与回转轴14相连的手柄33旋转。实现4轴汇交冗余机构中的回转关节的回转动作。具体实施方式九：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述回转电机27通过回转电机固定板28与第三连杆12固接，回转电机27垂直固接在回转电机固定板28上。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。本实施方式中回转电机固定板28与第三连杆12水平端的外侧端固接，回转电机27、第三主动轮32、和第三从动轮31均设置在第三连杆12的外侧，手柄33设置在第三连杆12的内侧。本实施方式中第三连杆12也可为中空杆体，回转电机27、第三主动轮32、和第三从动轮31均设置在第三连杆12的杆体内。具体实施方式十：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述回转输入轴26通过一组第六轴承29与第三连杆12转动连接，回转轴14通过一组第七轴承30与第三连杆12转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。本实施方式中第三连杆12的外侧固接有多个第三连接臂，用来支撑回转输入轴26和回转轴14，第六轴承29和第七轴承30的外圈固接在第三连接臂上。虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

权利要求：1.一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构包括冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节，冗余偏摆关节、俯仰关节、偏摆关节和回转关节分别绕自身的回转轴线旋转，冗余偏摆关节的回转轴线、俯仰关节的回转轴线、偏摆关节的回转轴线和回转关节的回转轴线汇交于一点。2.根据权利要求1所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述冗余偏摆关节包括第一连杆1、冗余偏摆电机2、冗余偏摆座5和冗余偏摆轴6，冗余偏摆电机2固接在冗余偏摆座5上，冗余偏摆电机2的电机轴与冗余偏摆轴6连接，冗余偏摆轴6与冗余偏摆座5转动连接，第一连杆1的形状为L形，冗余偏摆轴6与第一连杆1水平端的外侧端垂直固接。3.根据权利要求2所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述冗余偏摆电机2通过冗余偏摆电机安装座3与冗余偏摆座5固接，冗余偏摆电机2垂直固接在冗余偏摆电机安装座3上，所述冗余偏摆轴6通过一组第一轴承4与冗余偏摆座5转动连接。4.根据权利要求1、2或3所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述俯仰关节包括第二连杆7、第一从动轮20、第一主动轮21、俯仰输入轴22俯仰电机25和俯仰轴28，俯仰电机25固接在第一连杆1竖直端的外侧端，俯仰电机25的电机轴与俯仰输入轴22连接，俯仰输入轴22与第一连杆1的竖直端平行设置，俯仰输入轴22上固接有第一主动轮21，俯仰轴18垂直插装在第一连杆1竖直端的外侧端，俯仰轴18与第一连杆1转动连接，俯仰轴18的一端固接有第一从动轮20，第一主动轮21与第一从动轮20相啮合，第二连杆7的形状为L形，俯仰轴18的另一端与第二连杆7竖直端的外侧端垂直固接。5.根据权利要求4所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述俯仰电机25通过俯仰电机固定板24与第一连杆1固接，俯仰电机25垂直固接在俯仰电机固定板24上，所述俯仰输入轴22通过一组第二轴承23与第一连杆1转动连接，俯仰轴18通过一组第三轴承19与第一连杆1转动连接。6.根据权利要求1、2、3或5所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述偏摆关节包括第二从动轮9、第二主动轮10、第三连杆12、偏摆轴13、偏摆电机15和偏摆输入轴17，偏摆电机15固接在第二连杆7水平端的外侧端，偏摆电机15的电机轴与偏摆输入轴17连接，偏摆输入轴17与第二连杆7的水平端平行设置，偏摆输入轴17上固接有第二主动轮10，偏摆轴13垂直插装在第二连杆7水平端的外侧端，偏摆轴13与第二连杆7转动连接，偏摆轴13的一端固接有第二从动轮9，第二主动轮10与第二从动轮9相啮合，第三连杆12的形状为L形，偏摆轴13的另一端与第三连杆12水平端的外侧端垂直固接。7.根据权利要求6所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述偏摆电机15通过偏摆电机固定板16与第二连杆7固接，偏摆电机15垂直固接在偏摆电机固定板16上，所述偏摆输入轴17通过一组第四轴承11与第二连杆7转动连接，偏摆轴13通过一组第五轴承8与第二连杆7转动连接。8.根据权利要求1、2、3、5或7所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述回转关节包括回转轴14、回转输入轴26、回转电机27、第三从动轮31、第三主动轮32和手柄33，回转电机27固接在第三连杆12竖直端的外侧端，回转电机27的电机轴与回转输入轴26连接，回转输入轴26与第三连杆12的竖直端平行设置，回转输入轴26上固接有第三主动轮32，回转轴14垂直插装在第三连杆12竖直端的外侧端，回转轴14与第三连杆12转动连接，回转轴14的一端固接有第三从动轮31，第三主动轮32与第三从动轮31相啮合，回转轴14的另一端与手柄33的一端端面垂直固接。9.根据权利要求8所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述回转电机27通过回转电机固定板28与第三连杆12固接，回转电机27垂直固接在回转电机固定板28上。10.根据权利要求9所述一种可以实现姿态任意调节的四轴汇交冗余机构，其特征在于：所述回转输入轴26通过一组第六轴承29与第三连杆12转动连接，回转轴14通过一组第七轴承30与第三连杆12转动连接。

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