专利名称：一种绳驱动的二维虚拟中心转动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转动机构，更特别地说，是指一种具有虚拟远程运动中心的二维转动机构，一般应用于微创手术辅助机器人的末端腕部结构。
背景技术：
本发明设计的机构实现的是一构件可绕空间上的一固定点进行转动，此固定点处不存在实际的转动副，而且该虚拟的固定点在机构远端。这种机构可以称为虚拟远程运动中心(Remote Center of Motion，RCM)机构。近年来，对少自由度机构的研究已成为机构学领域研究热点之一。这是因为一旦明确了应用背景需求之后，专用机构的方案一般比通用结构更简单、易于控制和低廉。本发明所描述的机构就是这样一类具有特殊功用的新型少自由度机构，它越来越被认为有很广阔的应用背景。
发明内容
本发明的目的是提供一种绳驱动的二维虚拟中心转动机构，该转动机构可以使需要进行手术的工具绕着空间上的O点进行二维转动，且两个转动轴基座旋转轴线与旋转轴线互相垂直；基座单元可绕X轴旋转，钢丝绳传动部件使第一条连接板与手术工具平行，第二条连接板与基座平行，使得手术工具绕Y轴旋转。本发明结构简单，体积小，运动范围大，重量轻，成本低。可用于机器人辅助微创手术等领域，从而不需要对复杂的多自由度系统进行控制，同时也无需精密的图像校准装置确保手术套针的插入点位置固定，减少设备及调试成本，减小对患者手术切口处伤害的概率，有助于微创手术的实施，使手术过程更为安全可靠。
本发明是一种绳驱动的二维虚拟中心转动机构，由基座单元、第一关节组、第二关节组和未端夹持单元组成；所述第一关节组由第一连接板、滑轮A、滑轮B、滑轮C、滑轮D、钢丝绳、第一关节轴、第一关节轴承座构成，滑轮A与滑轮B平行安装在第一连接板的一端上，滑轮C与滑轮D平行安装在第一连接板的另一端上，钢丝绳的一端通过螺钉固定在驱动轴承座上，第一钢丝绳的另一端顺次经过滑轮A、滑轮C、第一关节轴、滑轮D、滑轮B后通过螺钉固定在驱动轴承座上，第一关节轴安装在第一关节轴承座上，第一关节轴上设有供钢丝绳放置或滑动的导向槽；第一连接板的一端安装在驱动轴上，另一端安装在第一关节轴上，位与第一关节轴和第一关节轴承座之间；第一钢丝绳的两端分别通过螺钉固定于驱动轴承座上，第一钢丝绳中间段固定在第一关节轴上；所述第二关节组由第二连接板、滑轮E、滑轮F、滑轮G、滑轮H、钢丝绳、第二关节轴、第二关节轴承座构成，滑轮E与滑轮F平行安装在第二连接板的一端上，滑轮G与滑轮H平行安装在第二连接板的另一端上，钢丝绳的一端通过螺钉固定在第一关节轴承座上，钢丝绳的另一端顺次经过滑轮E、滑轮G、第二关节轴、滑轮H、滑轮F后通过螺钉固定在第一关节轴承座上，第二关节轴安装在第二关节轴承座上，第二关节轴上设有供钢丝绳放置或滑动的导向槽；第二连接板的一端通过螺钉安装在轴承E上，另一端通过螺钉安装在轴承B上；第二钢丝绳的两端分别通过螺钉固定于第一关节轴承座上，第二钢丝绳中间段固定在第二关节轴上；所述未端夹持单元由压板、未端夹持件构成，未端夹持件的中部设有供夹紧手术未端工具用的V形槽，压板通过螺钉与未端夹持件连接，未端夹持件固定在第二关节组的第二关节轴承座上；所述基座单元包括基座外壳、支撑板、电机A、电机B、带轮A、带轮B、皮带、轴承座、轴承、支撑轴、伞齿轮A和伞齿轮B、输出轴构成；支撑板的背面端部设有供输出轴通过的通孔B，支撑板的侧板面的端部设有供安装轴承的通孔A；电机A、电机B水平安装在支撑板的背面上，电机A的输出轴穿过连接板端部的沟槽后与带轮A连接，连接板固定在支撑板的侧板面上；轴承座固定在支撑板的侧板面的通孔A处，且带轮B安装在支撑轴上，支撑轴的一端安装在轴承的中心孔内，皮带安装在带轮A、带轮B上，支撑轴的另一端穿过基座外壳上的通孔C；电机B的输出轴连接有伞齿轮B，输出轴的一端连接有伞齿轮A，伞齿轮A与伞齿轮B啮合，输出轴的另一端与驱动轴连接；支撑板端部的上板面上固定有驱动轴承座，驱动轴承座上设有供第一钢丝绳放置的导向槽；支撑板与基座外壳通过螺钉装配在一起。
所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其手术工具的中轴线与第一连接板平行；第二连接板与基座旋转轴线平行。
所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其基座单元绕基座旋转轴线实现360°旋转；安装在未端夹持单元上的手术工具绕旋转轴线实现-180°到180°旋转。
所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其远程运动中心点O进行二维转动，基座旋转轴线与旋转轴线互相垂直。
本发明绳驱动的二维虚拟中心转动机构的特点在于(1)使用两套钢丝绳驱动装置，减轻结构重量，同时减少了转动副的数量；(2)为了保证运动精度，钢丝绳不能打滑，钢丝绳在末端和中间段采用了螺钉固定方式；(3)机构转动包括一套伞齿轮驱动装置驱动连接杆绕Y轴(旋转轴线8)转动，另一套同步齿形带驱动装置驱动基座单元绕X轴(基座旋转轴线7)旋转；(4)第一连接板201和第二连接板301的长度可以根据实际工作空间需要确定，两个连接板的长度可以不相等。对于不同的连接板长度，只需更换连接板，重新绕线，机构其他部件不需要改变。
图1是本发明绳驱动的二维虚拟中心转动机构的折叠后的结构图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是基座单元的分解图。
图4是第一关节组与第二关节组的连接示图。
图5是手术工具与本发明绳驱动的二维虚拟中心转动机构的运动关系示图。
图中 1.基座单元 101.基座外壳102.支撑板 103.电机A104.电机B 105.带轮A 106.皮带107.带轮B108.轴承座109.轴承110.连接板 111.伞齿轮A 112.伞齿轮B 113、支撑轴114.输出轴 115.驱动轴承座 116.驱动轴 117.轴承A119.侧板面120.通孔A 121.背面122.通孔B 123.通孔C2.第一关节组201.第一连接板 202.第一关节轴 203.第一关节轴承座204.第一钢丝绳 205.滑轮A 206.滑轮B 207.滑轮C208.滑轮D209.导向槽 210.轴承B3.第二关节组301.第二连接板 302.第二关节轴 303.第二关节轴承座304.第二钢丝绳 305.滑轮E 306.滑轮F 307.滑轮G308.滑轮H309.导向槽 310.轴承C4.未端夹持单元 401.压板402.未端夹持件 403.V形槽5.手术工具 6.中轴线 7.基座旋转轴线 8.旋转轴线
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种绳驱动的二维虚拟中心转动机构，由基座单元1、第一关节组2、第二关节组3和未端夹持单元4组成，如图1所示。
请参见图4所示，所述第一关节组2由第一连接板201、四个滑轮(滑轮A 205、滑轮B 206、滑轮C 207、滑轮D 208)、钢丝绳204、第一关节轴202、第一关节轴承座203构成，滑轮A 205与滑轮B 206平行安装在第一连接板201的一端上，滑轮C 207与滑轮D 208平行安装在第一连接板201的另一端上，钢丝绳204的一端通过螺钉固定在驱动轴承座115上，钢丝绳204的另一端顺次经过滑轮A205、滑轮C 207、第一关节轴202、滑轮D 208、滑轮B 206后通过螺钉固定在驱动轴承座115上，第一关节轴202安装在第一关节轴承座203上，第一关节轴202上设有供钢丝绳204放置或滑动的导向槽209；第一连接板201的一端安装在驱动轴116上，另一端安装在第一关节轴202上，位与第一关节轴202和第一关节轴承座203之间；滑轮A 205、滑轮B 206、滑轮C 207和滑轮D 208用来限制钢丝绳204的位置。第一钢丝绳204的两端分别通过螺钉固定于驱动轴承座115上，第一钢丝绳204中间段固定在第一关节轴202上。当第一连接板201和驱动轴116旋转一定的角度时，由于第一钢丝绳204的作用，第一关节轴202也相应的旋转一定的角度，使得第一关节轴202相对与基座单元1的角度恒定不变，从而使第二连接板301保持与基座旋转轴线7平行。
请参见图4所示，所述第二关节组3由第二连接板301、四个滑轮(滑轮E 305、滑轮F 306、滑轮G 307、滑轮H 308)、钢丝绳304、第二关节轴302、第二关节轴承座303构成，滑轮E 305与滑轮F 306平行安装在第二连接板301的一端上，滑轮G 307与滑轮H 308平行安装在第二连接板301的另一端上，钢丝绳304的一端通过螺钉固定在第一关节轴承座203上，钢丝绳304的另一端顺次经过滑轮E 305、滑轮G 307、第二关节轴302、滑轮H 308、滑轮F 306后通过螺钉固定在第一关节轴承座203上，第二关节轴302安装在第二关节轴承座303上，第二关节轴302上设有供钢丝绳304放置或滑动的导向槽309；第二连接板301的一端通过螺钉安装在轴承E 310上，另一端通过螺钉安装在轴承B 210上；滑轮E 305、滑轮F 306、滑轮G 307和滑轮H 308用来限制第二钢丝绳304的位置。第二钢丝绳304的两端分别通过螺钉固定于第一关节轴承座203上，第二钢丝绳304中间段固定在第二关节轴302上。当第二连接板301和第一关节轴202旋转一定的角度(可以是-180°到180°)时，由于第二钢丝绳304的作用，第二关节轴302也相应的旋转一定的角度，使得第二关节轴302相对第一连接板201的角度恒定不变，保证手术工具5的中轴线6和第一连接板201平行。
请参见图1所示，所述未端夹持单元4由压板401、未端夹持件402构成，未端夹持件402的中部设有供夹紧手术未端工具用的V形槽403，压板401通过螺钉与未端夹持件402连接，未端夹持件402固定在第二关节组3的第二关节轴承座303上；请参见图1、图2、图3所示，所述基座单元1包括基座外壳101、支撑板102、两个直流电机(电机A 103、电机B 104)、皮带传动件(包括带轮A 105、带轮B107、皮带106、轴承座108、轴承109)、支撑轴113、齿轮组(包括伞齿轮A 111和伞齿轮B 112)、输出轴116构成；支撑板102的背面121端部设有供输出轴114通过的通孔B 122，支撑板102的侧板面119的端部设有供安装轴承109的通孔A 120；电机A 103、电机B 104水平安装在支撑板102的背面121上，电机A 103的输出轴穿过连接板110端部的沟槽后与带轮A 105连接，连接板110固定在支撑板102的侧板面119上；轴承座108固定在支撑板102的侧板面119的通孔A 120处，且带轮B 107安装在支撑轴113上，支撑轴113的一端安装在轴承109的中心孔内，皮带106安装在带轮A 105、带轮B 107上，支撑轴113的另一端穿过基座外壳101上的通孔C 123；电机B 104的输出轴连接有伞齿轮B112，输出轴114的一端连接有伞齿轮A111，伞齿轮A111与伞齿轮B 112啮合，输出轴114的另一端与驱动轴116连接；支撑板102端部的上板面上固定有驱动轴承座115，驱动轴承座115上设有供第一钢丝绳204放置的导向槽；支撑板102与基座外壳101通过螺钉装配在一起。电机A 103、电机B 104是带有减速器的直流电机。电机B 104通过伞齿轮A 111、伞齿轮B 112改变输出方向后驱动输出轴114后从而使驱动轴116转动。从而实现手术工具5绕旋转轴线8的转动。电机A103通过同步齿形带(带轮A 105、带轮B 107、皮带106)传动驱动支撑轴113。支撑轴113与轴承座108之间用轴承109连接。轴承座108固定在支撑板102上。当支撑轴113被夹持在被动支架上时，基座单元1在电机A 103的驱动下绕支撑轴113进行旋转。
请参见图5所示，本发明的整个机构可以通过基座单元1绕基座旋转轴线7进行360°旋转，安装在未端夹持单元4上的手术工具5(图中为一套管针)绕旋转轴线8旋转，旋转范围由第一关节钢丝绳204和第二关节钢丝绳304的缠绕方式决定，可以是-180°到180°的旋转。手术工具5的中轴线6与基座旋转轴线7、旋转轴线8相交于一点O，O点即为远程运动中心点(RCM)。基座单元1可绕基座旋转轴线7(X轴)旋转。钢丝绳传动部件使第一条连接板201与手术工具5平行，第二条连接板301与基座外壳101平行，使得手术工具5绕旋转轴线(Y轴)旋转。本发明机构绕远程运动中心点O进行二维转动，基座旋转轴线7与旋转轴线8互相垂直。本发明是一种虚拟远程运动中心机构，这个虚拟远程运动中心的特征是与机构没有实际的转动副连接，当机构运动时，机构上一构件绕着虚拟远程运动中心转动。整个机构在不用时可以折叠以节省空间，如图1所示。
在本发明中，供手术工具5安装的适配固定装置(未端夹持单元4)由压板401和未端夹持件402组成，未端夹持件402使用V形槽403定位手术工具5。对于不同直径的手术工具5，应使用不同的适配固定装置，以确保手术工具5的中轴线6与基座轴线7相交。
本发明所提出的机构可使手术工具5绕着机构外的某一点(RCM)进行二维转动。两个转动之间是正交解耦的，其中一个转动范围不受限制，可进行360°旋转，另一个转动的范围与钢丝绳绕线的方法有关，一般可以保证-180°到180°之间顺利转动。机构的两个转动都没有奇异位形，也就是说机构在任意方位上都有相同的机械特性。可利用机械的或者控制的方法限制或设定所需的转动范围。整个机构使用4个滚珠轴承作为转动副，简化了RCM机构所需转动副的数量(如基于平行四杆的RCM机构至少需要8个转动副连接)。通过不同的手术工具适配装置，本机构可操作多种不同的手术工具。
本发明中第一连接板201和第二连接板301的长度可以根据实际工作空间需要确定，两个连接板的长度可以不相等。对于不同的连接板长度，只需更换连接板，重新绕线，机构其他部件不需要改变，这也是本发明的一个优点。本发明所提出的机构可以单独使用，也可以和其他机构组合以增加其自由度数。
虽然结合以上实施方案阐明了本发明，然而并非限定本发明，任何本领域的工程技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作相应改动与润色，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为标准。
权利要求
1.一种绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于由基座单元(1)、第一关节组(2)、第二关节组(3)和未端夹持单元(4)组成；所述第一关节组(2)由第一连接板(201)、滑轮A(205)、滑轮B(206)、滑轮C(207)、滑轮D(208)、钢丝绳(204)、第一关节轴(202)、第一关节轴承座(203)构成，滑轮A(205)与滑轮B(206)平行安装在第一连接板(201)的一端上，滑轮C(207)与滑轮D(208)平行安装在第一连接板(201)的另一端上，第一钢丝绳(204)的一端通过螺钉固定在驱动轴承座(115)上，第一钢丝绳(204)的另一端顺次经过滑轮A(205)、滑轮C(207)、第一关节轴(202)、滑轮D(208)、滑轮B(206)后通过螺钉固定在驱动轴承座(115)上，第一关节轴(202)安装在第一关节轴承座(203)上，第一关节轴(202)上设有供第一钢丝绳(204)放置或滑动的导向槽(209)；第一连接板(201)的一端安装在驱动轴(116)上，另一端安装在第一关节轴(202)上，位与第一关节轴(202)和第一关节轴承座(203)之间；第一钢丝绳(204)的两端分别通过螺钉固定于驱动轴承座(115)上，第一钢丝绳(204)中间段固定在第一关节轴(202)上；所述第二关节组(3)由第二连接板(301)、滑轮E(305)、滑轮F(306)、滑轮G(307)、滑轮H(308)、钢丝绳(304)、第二关节轴(302)、第二关节轴承座(303)构成，滑轮E(305)与滑轮F(306)平行安装在第二连接板(301)的一端上，滑轮G(307)与滑轮H(308)平行安装在第二连接板(301)的另一端上，第二钢丝绳(304)的一端通过螺钉固定在第一关节轴承座(203)上，第二钢丝绳(304)的另一端顺次经过滑轮E(305)、滑轮G(307)、第二关节轴(302)、滑轮H(308)、滑轮F(306)后通过螺钉固定在第一关节轴承座(203)上，第二关节轴(302)安装在第二关节轴承座(303)上，第二关节轴(302)上设有供第二钢丝绳(304)放置或滑动的导向槽(309)；第二连接板(301)的一端通过螺钉安装在轴承E(310)上，另一端通过螺钉安装在轴承B(210)上；第二钢丝绳(304)的两端分别通过螺钉固定于第一关节轴承座(203)上，第二钢丝绳(304)中间段固定在第二关节轴(302)上；所述未端夹持单元(4)由压板(401)、未端夹持件(402)构成，未端夹持件(402)的中部设有供夹紧手术未端工具用的V形槽(403)，压板(401)通过螺钉与未端夹持件(402)连接，未端夹持件(402)固定在第二关节组(3)的第二关节轴承座(303)上；所述基座单元(1)包括基座外壳(101)、支撑板(102)、电机A(103)、电机B(104)、带轮A(105)、带轮B(107)、皮带(106)、轴承座(108)、轴承(109)、支撑轴(113)、伞齿轮A(111)和伞齿轮B(112)、输出轴(116)构成；支撑板(102)的背面(121)端部设有供输出轴(114)通过的通孔B(122)，支撑板(102)的侧板面(119)的端部设有供安装轴承(109)的通孔A(120)；电机A(103)、电机B(104)水平安装在支撑板(102)的背面(121)上，电机A(103)的输出轴穿过连接板(110)端部的沟槽后与带轮A(105)连接，连接板(110)固定在支撑板(102)的侧板面(119)上；轴承座(108)固定在支撑板(102)的侧板面(119)的通孔A(120)处，且带轮B(107)安装在支撑轴(113)上，支撑轴(113)的一端安装在轴承(109)的中心孔内，皮带(106)安装在带轮A(105)、带轮B(107)上，支撑轴(113)的另一端穿过基座外壳(101)上的通孔C(123)；电机B(104)的输出轴连接有伞齿轮B(112)，输出轴(114)的一端连接有伞齿轮A(111)，伞齿轮A(111)与伞齿轮B(112)啮合，输出轴(114)的另一端与驱动轴(116)连接；支撑板(102)端部的上板面上固定有驱动轴承座(115)，驱动轴承座(115)上设有供第一钢丝绳(204)放置的导向槽；支撑板(102)与基座外壳(101)通过螺钉装配在一起。
2.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于滑轮A(205)、滑轮B(206)、滑轮C(207)和滑轮D(208)用来限制钢丝绳(204)的位置。
3.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于滑轮E(305)、滑轮F(306)、滑轮G(307)和滑轮H(308)用来限制第二钢丝绳(304)的位置。
4.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于电机A(103)、电机B(104)是带有减速器的直流电机。
5.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于电机B(104)通过伞齿轮A(111)、伞齿轮B(112)改变输出方向后驱动输出轴(114)后从而使驱动轴(116)转动实现手术工具(5)绕旋转轴线(8)的转动。
6.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于手术工具(5)的中轴线(6)与第一连接板(201)平行；第二连接板(301)与基座旋转轴线(7)平行。
7.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于基座单元(1)绕基座旋转轴线(7)实现360°旋转。
8.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于安装在未端夹持单元(4)上的手术工具(5)绕旋转轴线(8)实现-180°到180°旋转。
9.根据权利要求1所述的绳驱动的二维虚拟中心转动机构，其特征在于远程运动中心点O进行二维转动，基座旋转轴线(7)与旋转轴线(8)互相垂直。
全文摘要
本发明公开了一种绳驱动的二维虚拟中心转动机构，由基座单元、第一关节组、第二关节组和未端夹持单元组成；一般应用于微创手术辅助机器人的末端腕部结构。本发明提出的机构可使手术工具绕着机构外的O点进行二维转动。两个转动之间是正交解耦的，其中一个转动范围不受限制，可进行360度旋转，另一个转动的范围与钢丝绳绕线的方法有关，一般可以保证－180度到180度之间顺利转动。机构的两个转动都没有奇异位形，也就是说机构在任意方位上都有相同的机械特性。可利用机械的或者控制的方法限制或设定所需的转动范围。这种机构结构简单，体积小，运动范围大，重量轻，成本低。
文档编号A61B17/00GK1970245SQ200610165119
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者裴旭, 于靖军, 宗光华, 毕树生, 余志伟 申请人:北京航空航天大学