一种7自由度串联微创手术机器人主操作手的制作方法

本实用新型涉及一种主操作手，具体涉及一种7自由度串联微创手术机器人主操作手。属于医疗器械领域。

背景技术：

目前，微创外科手术机器人的发展在医学领域产生了重大的影响，为传统医学带来了技术乃至观念上的根本变革。主从式微创外科手术机器人的设计和相关关键技术的研究已经成为了机器人领域的研究热点问题之一。

主从式微创外科手术机器人采用遥操作的工作模式。外科医生进行微创手术过程中，直接操作主操作手，主操作手记录医生的手部动作，并将其传递给从端手术机械臂。从端机械臂实时跟随主操作手运动来进行手术操作，因此主操作手的性能直接影响手术的效果及成功率。

传统的主操作手部分或者全部关节采用被动驱动方式，即没有电机进行驱动。这种方式为了平衡各关节的重力矩，需采用配重的方式将各杆件的质心设置到关节旋转轴线上。但这种方式会增加杆件的惯量，导致医生操作主操作手时需要承受较大的惯性力矩，降低操作的舒适性和灵活性，进而影响手术效果，甚至对患者产生危险。

综上所述，现有的主操作手由于需要承受较大的惯性力矩，致使存在操作灵活性差的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有的主操作手由于需要承受较大的惯性力矩，致使存在操作灵活性差的问题。进而提供一种7自由度串联微创手术机器人主操作手。

本实用新型的技术方案是：一种7自由度串联微创手术机器人主操作手包括姿态调整机构，它还包括位置调整机构，位置调整机构包括肩部、大臂和小臂，肩部与大臂的一端在竖直方向上转动连接并形成肩关节，大臂的另一端与小臂的一端在竖直方向上转动连接形成肘关节，小臂的另一端与姿态调整机构在水平方向上旋转连接形成腕关节，小臂与肘关节之间在水平方向上转动连接并形成小臂转动关节，姿态调整机构为三轴汇交机构。

进一步地，姿态调整机构包括第一l形架、第二l形架和夹持手，第一l形架的竖直段上部与小臂的端部在水平方向上旋转连接形成腕关节，第一l形架的水平段和第二l形架的水平段在竖直方向上转动连接形成夹持位姿竖直调整关节，夹持手水平并转动安装在夹持手上形成夹持位姿水平调整关节，夹持手为带有夹持自由度的夹持手。

进一步地，小臂为平行四边形机构。

进一步地，肩关节、肘关节和夹持位姿竖直调整关节均采用直流伺服电机驱动齿轮的方式实现关节转动。

进一步地，肩关节、肘关节、小臂转动关节、腕关节、夹持位姿竖直调整关节和夹持位姿水平调整关节的关节旋转角度采用绝对式编码器测量。

进一步地，肩关节、肘关节和夹持位姿竖直调整关节结构相同,夹持位姿竖直调整关节包括壳体、电机、电机固定块、小齿轮、转轴、大齿轮、转轴座和码盘，电机通过电机固定块水平安装在壳体内，小齿轮套装在电机的输出轴上，转轴通过转轴座竖直安装在壳体内，大齿轮套装在转轴上，且大齿轮与小齿轮相啮合，码盘安装在转轴座的下端。

进一步地，夹持位姿竖直调整关节还包括压线板，压线板安装在壳体内。

进一步地，夹持位姿竖直调整关节还包括限位块和限位柱，限位块套装在转轴上，且限位块位于壳体内侧壁处的转轴上，限位柱竖直安装在壳体内侧壁上端。

本实用新型与现有技术相比具有以下效果：

1、本实用新型提供了适用于微创手术机器人系统的7自由度全主动串联式主操作手，该七个自由度分别为肩关节a1、肘关节a2、小臂转动关节a3、腕关节a4、夹持位姿竖直调整关节a5、夹持位姿水平调整关节a6和夹持手的夹持自由度，多个自由度的设置使得主操作手操作更加灵活、准确，所有关节均为主动关节，能够实现主操作手的主动运动及力反馈功能。

2、本实用新型的主操作手采用关节电机输出力矩来平衡机构的重力矩、惯性力矩和摩擦力矩等，保证医生操作的舒适性和柔顺性。

3、本实用新型的主操作手具有更大的工作空间体积，更适用于主从式手术机器人系统。

4、本实用新型的主操作手结构简单、易于加工装配、经济性较好，在微创手术机器人及相关领域有很好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是主操作手仿生学构成示意图。

图3是主操作手腕部机构简图。

图4是平行四边形机构的第一种位置姿态运动原理示意图(图中的a、b、c、d分别表示四个顶点)。

图5是平行四边形机构的第二种位置姿态运动原理示意图。

图6是平行四边形基本结构示意图。

图7是夹持位姿竖直调整关节的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的一种7自由度串联微创手术机器人主操作手包括姿态调整机构z，它还包括位置调整机构w，位置调整机构w包括肩部1、大臂2和小臂3，肩部1与大臂2的一端在竖直方向上转动连接并形成肩关节a1，大臂2的另一端与小臂3的一端在竖直方向上转动连接形成肘关节a2，小臂3的另一端与姿态调整机构z在水平方向上旋转连接形成腕关节a4，小臂3与肘关节a2之间在水平方向上转动连接并形成小臂转动关节a3，姿态调整机构z为三轴汇交机构。

本实用新型的主操作手腕部机构为3轴汇交的机构，其结构简图如图4所示。从图4可以看出，每个腕部关节运动过程中绕着轴线交汇点运动，相当于形成了一个球形关节。此种腕部机构的设计不仅能使主操作手姿态调整机构运动非常灵活、通过设置关节限位可以有效的避开奇异点，同时也可以保证主操作手进行姿态调整时，手持点位置不会发生改变。也就是实现了主操作手位姿的部分解耦。

本实施方式的操作手通过手持的姿态旋转结构和臂体的摆位结构来实现空间各个位置的运动。

具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的姿态调整机构z包括第一l形架4、第二l形架5和夹持手6，第一l形架4的竖直段上部与小臂3的端部在水平方向上旋转连接形成腕关节a4，第一l形架4的水平段和第二l形架5的水平段在竖直方向上转动连接形成夹持位姿竖直调整关节a5，夹持手6水平并转动安装在夹持手6上形成夹持位姿水平调整关节a6，夹持手6为带有夹持自由度的夹持手。如此设置，圆弧8便于与棘爪相配合。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5至图6说明本实施方式，本实施方式的小臂3为平行四边形机构。如此设置，便于保证主操作手末端上下运动过程中，主操作手末端姿态不变。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的平行四边形机构运动原理如图4和图5所示。从图中可以看到，由于平行四边形机构的约束，所设计的主操作手肘部进行俯仰运动时ab始终平行于cd，这保证了主操作手末端上下运动过程中腕部始终保持水平。

本实施方式的平行四边形机构保证平行四边形前端杆件与后端杆件始终保持平行，驱动力由平行四边形末端电机带动在其中一个轴的转动，从而实现平行四连杆的运动。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的肩关节a1、肘关节a2和夹持位姿竖直调整关节a5均采用直流伺服电机驱动齿轮的方式实现关节转动。如此设置，驱动更加可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的肩关节a1、肘关节a2、小臂转动关节a3、腕关节a4、夹持位姿竖直调整关节a5和夹持位姿水平调整关节a6的关节旋转角度采用绝对式编码器测量。如此设置，测量结果更加准确。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式的肩关节、肘关节和夹持位姿竖直调整关节结构相同,夹持位姿竖直调整关节包括壳体1-1、电机1-2、电机固定块1-3、小齿轮1-4、转轴1-6、大齿轮1-7、转轴座1-8和码盘1-9，电机1-2通过电机固定块1-3水平安装在壳体1-1内，小齿轮1-4套装在电机1-2的输出轴1-5上，转轴1-6通过转轴座1-8竖直安装在壳体1-1内，大齿轮1-7套装在转轴1-6上，且大齿轮1-7与小齿轮1-4相啮合，码盘1-9安装在转轴座1-8的下端。如此设置，结构简单，便于准确实现各关节之间在竖直方向的转动。另外，姿态部分为人手操作部分，其他关节随着人手的变化位置跟着改变。其它组成和连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。

本实施方式的肩肩关节a1和肘关节a2内均有电机带动使其进行旋转，腕关节a4上的杆前随连杆后端上下运动且保持水平。

具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式的夹持位姿竖直调整关节(a5)还包括压线板1-10，压线板1-10安装在壳体1-1内，电源线1-14的一端与电机连接，电源线1-14的另一端经过压线板1-10压住后与外部连接。如此设置，便于电源线的压紧。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。

具体实施方式八：结合图7说明本实施方式，本实施方式的夹持位姿竖直调整关节(a5)还包括限位块1-12和限位柱1-13，限位块1-12套装在转轴1-6上，且限位块1-12位于壳体1-1内侧壁处的转轴1-6上，限位柱1-13竖直安装在壳体1-1内侧壁上端。如此设置，为关节的旋转角度提供限位，保证精确旋转。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

本实用新型的主操作手基本结构如图2所示，其中a1、a2、a3、a4、a5和a6所对应的关节中，水平和竖直布置的点划线为各关节的旋转轴线。从图2可以看出主操作手共有6个旋转自由度和1个夹持自由度，其中前3个旋转关节共同决定了手持点的位置，后3个旋转关节共同决定了手持点的姿态，因此将前3个关节构成的机构称为位置调整机构，后3个关节构成的机构称为姿态调整机构。