一种具有连杆机构的多自由度主操作手的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有连杆机构的多自由度主操作手。

背景技术：

随着科学技术的发展，机器人在人们生产生活中的应用越来越广泛，而目前多为主从式遥操作结构，人员操作主操作手通过远程通信和计算机控制从端机构的运动。这种操作人员与操作目标之间不再有地理上的限制，操作人员在千里之外就能够操作机器人，且由于这种方式不需要操作人员不在现场，远离了危险或不适宜的环境。同时，这种主从式结构通过软件可以人员直接操作器械带来的抖动，进而降低医生的操作失误率，提高了精确性、稳定性和安全性。此外，操作人员可以坐在舒适、宜人的控制台上进行操作，极大地降低了疲劳感。

现有技术中已经有了很多种，其中接近于本项发明的技术为实现姿态部分3个自由度，冗余自由度和位置的3个自由度的动作。功能上模拟手臂到达的位置(为上下、左右、前后)，人手的姿态(俯仰、偏摆与旋转)。冗余自由度为避免人手姿态的奇异位形。但是现有技术中的姿态部分结构都不能够处于水平状态，对重力平衡以及动力驱动上带来很大的难度；或因并联的等的结构特性是的运动范围较小。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，提供一种具有连杆机构的多自由度主操作手。

为达到上述目的，本发明提供了一种具有连杆机构的多自由度主操作手，包括位置结构和姿态结构；位置结构包括转座、上臂、下臂、中部转座和水平连杆；姿态结构包括冗余连杆、俯仰连杆、偏摆连杆和回转手柄；水平连杆一端铰接在中部转座上、另一端铰接有姿态结构；转座通过旋转轴水平平面旋转设置；主操作手还包括升降补位装置；主操作手具有七个自由度；上臂和下臂一端铰接在转座、另一端铰接在中部转座；转座、上臂、下臂和中部转座构成平行四边形结构；升降补位装置设置在在水平连杆上。

作为上述技术方案的优选，中部转座的侧壁上固定有一对竖直设置的支撑板；支撑板之间水平枢接有一对上下平行设置的第二铰接轴；转座侧壁上铰接在第一铰接轴；转座侧壁上固定有第二铰接轴；转座的第一铰接轴和第二铰接轴自上而下设置；上臂的一端固定在第一铰接轴上、另一端套设在支撑板上方的第二铰接轴上；下臂的一端套设在转座的第二铰接轴上、另一端套设在支撑板下方的第二铰接轴上。

作为上述技术方案的优选，冗余连杆、俯仰连杆、偏摆连杆均呈L型；冗余连杆的水平部垂直铰接在水平连杆上；俯仰连杆的竖直部垂直铰接在冗余连杆的竖直部上；偏摆连杆的水平部垂直铰接在俯仰连杆的水平部上；回转手柄垂直铰接在偏摆连杆的竖直部上。

作为上述技术方案的优选，俯仰连杆的竖直部长度小于冗余连杆的竖直部；偏摆连杆的水平部长端小于俯仰连杆的竖直部。

作为上述技术方案的优选，偏摆连杆的水平部旋转中心轴与冗余连杆的水平部旋转中心轴有共线状态。

作为上述技术方案的优选，升降补位装置包括上升避让装置和下降补位装置；水平连杆包括左连杆和右连杆；左连杆和右连杆通过下降补位装置连成一体；下降补位装置包括左滑行部和右滑行部；左滑行部垂直固定在左连杆的右端面上；左滑行部的右端面上成型有水平横截面呈T字型的滑块；右滑行部垂直固定在右连杆的左端面上；右滑行部的上端面开设有水平横截面呈“土”字型的导向槽；左滑行部通过滑块升降滑行设置在右滑行部的导向槽内；左滑行部的左端面上固定有补位电机；补位电机的输出轴向右穿过滑块并且右端固定有补位齿轮；导向槽的前侧壁上成型有补位齿条；补位齿轮位于导向槽内并且与补位齿条相互啮合；上升避让装置包括旋转底座、避让电机、螺纹杆和若干导向柱；右连杆的右端成型有上下贯穿的螺纹孔和以螺纹孔为中心圆周分布的导向孔；旋转底座枢接在中部转座上；旋转底座的上端面上向上固定有避让电机和圆周分布的若干导向柱；避让电机的输出杆上固定连接有螺纹杆；螺纹杆与右连杆螺接；导向柱插设在右连杆的导向孔内。

作为上述技术方案的优选，左滑行部和右滑行部的下端面分别与左连杆和右连杆的下端面平齐。

本发明的有益效果在于：采用平行四边形的结构，使得水平连杆在运动中能够始终保持水平状态，即姿态结构保持水平状态，位置结构与姿态结构互不影响，并且在主操作手的动力驱动、重力平衡的设计中相对简单；升降补位装置能避免水平连杆与上臂碰撞的情况，大大提升了主操作手的工作范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的位置结构的结构示意图；

图3为本发明的水平连杆的结构示意图；

图4为本发明的左连杆的结构示意图。

图中，10、转座；100、第二铰接轴；20、旋转轴；21、第一铰接轴；30、上臂；40、下臂；50、中部转座；500、旋转底座；51、支撑板；52、避让电机；520、螺纹杆；521、导向柱；60、水平连杆；61、右连杆；610、导向孔；6100、螺纹孔；6111、补位齿条；62、左连杆；621、左滑行部；6210、滑块；622、补位电机；6220、补位齿轮；70、冗余连杆；80、俯仰连杆；90、偏摆连杆；91、回转手柄。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种具有连杆机构的多自由度主操作手，包括位置结构和姿态结构；位置结构包括转座10、上臂30、下臂40、中部转座50和水平连杆60；姿态结构包括冗余连杆70、俯仰连杆80、偏摆连杆90和回转手柄91；水平连杆60一端铰接在中部转座50上、另一端铰接有姿态结构；转座10通过旋转轴20水平平面旋转设置；主操作手还包括升降补位装置；主操作手具有七个自由度；上臂30和下臂40一端铰接在转座10、另一端铰接在中部转座50；转座10、上臂30、下臂40和中部转座50构成平行四边形结构；升降补位装置设置在在水平连杆60上。

如图1、图2所示，中部转座50的侧壁上固定有一对竖直设置的支撑板51；支撑板51之间水平枢接有一对上下平行设置的第二铰接轴100；转座10侧壁上铰接在第一铰接轴21；转座10侧壁上固定有第二铰接轴100；转座10的第一铰接轴21和第二铰接轴100自上而下设置；上臂30的一端固定在第一铰接轴21上、另一端套设在支撑板51上方的第二铰接轴100上；下臂40的一端套设在转座10的第二铰接轴100上、另一端套设在支撑板51下方的第二铰接轴100上。

如图1、图2所示，冗余连杆70、俯仰连杆80、偏摆连杆90均呈L型；冗余连杆70的水平部垂直铰接在水平连杆60上；俯仰连杆80的竖直部垂直铰接在冗余连杆70的竖直部上；偏摆连杆90的水平部垂直铰接在俯仰连杆80的水平部上；回转手柄91垂直铰接在偏摆连杆90的竖直部上。

如图1、图2所示，俯仰连杆80的竖直部长度小于冗余连杆70的竖直部；偏摆连杆90的水平部长端小于俯仰连杆80的竖直部。

如图1、图2所示，偏摆连杆90的水平部旋转中心轴与冗余连杆70的水平部旋转中心轴有共线状态。

升降补位装置包括上升避让装置和下降补位装置；水平连杆60包括左连杆62和右连杆61；左连杆62和右连杆61通过下降补位装置连成一体；下降补位装置包括左滑行部621和右滑行部611；左滑行部621垂直固定在左连杆62的右端面上；左滑行部621的右端面上成型有水平横截面呈T字型的滑块6210；右滑行部611垂直固定在右连杆61的左端面上；右滑行部611的上端面开设有水平横截面呈“土”字型的导向槽6110；左滑行部621通过滑块6210升降滑行设置在右滑行部611的导向槽6110内；左滑行部621的左端面上固定有补位电机622；补位电机622的输出轴向右穿过滑块6210并且右端固定有补位齿轮6220；导向槽6110的前侧壁上成型有补位齿条6111；补位齿轮6220位于导向槽6110内并且与补位齿条6111相互啮合；上升避让装置包括旋转底座500、避让电机52、螺纹杆520和若干导向柱521；右连杆61的右端成型有上下贯穿的螺纹孔6100和以螺纹孔6100为中心圆周分布的导向孔610；旋转底座500枢接在中部转座50上；旋转底座500的上端面上向上固定有避让电机52和圆周分布的若干导向柱521；避让电机52的输出杆上固定连接有螺纹杆520；螺纹杆520与右连杆61螺接；导向柱521插设在右连杆61的导向孔610内。

作为上述技术方案的优选，左滑行部621和右滑行部611的下端面分别与左连杆62和右连杆61的下端面平齐。

主操作手具有7自由度，其中姿态3个，冗余1个，位置3个；

位置结构即相当于人的手臂的作用，即在整个运动范围内操作手所能达到的任意位置。机构中转座10能够通过旋转轴20沿轴线A转动；上臂30、下臂40与转座10、中部转座50共同构成平行四边形结构，上臂30与下臂40在沿轴线B旋转时能够使水平连杆60始终保持水平状态；水平连杆60能够沿着轴线C旋转，这样轴线A、B、C的3个自由度就组成了位置部分，能够做到整体结构上下、前后、左右的任意位置运动。

姿态结构相当于人的手腕，能够上下、前后、左右的任意姿态。冗余连杆70沿轴线D旋转，俯仰连杆80沿轴线E旋转，偏摆连杆90沿轴线F旋转，回转手柄91沿轴线G旋转，这样就有了操作人员持回转手柄能够做到的3个姿态。

水平连杆60在旋转过程中，会出现于上臂30相碰撞的情况，这是启动避让电机52，带动水平连杆60上升，这样就能避免碰撞的情况，然后启动补位电机622，带动左连杆62下降以填补为避让而产生的水平连杆60的上升距离。这样无形中增大了操作手的操作范围。

以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。