專利名稱：一種具有高負載能力的小體積醫(yī)療機械臂關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械臂關(guān)節(jié)，特別是用于醫(yī)療手術(shù)機器人的具有高負載能力的 小體積醫(yī)療把持機械臂關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代醫(yī)療中由于其特殊環(huán)境，如輻射大，操作空間限制，使得醫(yī)生很難長時 間，高效率在這種環(huán)境下工作，而且對于精確度越來越高的現(xiàn)代醫(yī)療手術(shù)，依靠醫(yī)生的 個人經(jīng)驗和技術(shù)往往限制了很大一部分的醫(yī)療手術(shù)的推廣。因此提出用機械臂代替醫(yī)生 進行手術(shù)操作，由于手術(shù)對機械臂的末端的特殊要求，很大一部分機械臂需要把持一個 較為沉重末端推進機構(gòu)，為了便于操作，機械臂應(yīng)是體積較小。
圖1示出的是當前比較著名的達芬奇手術(shù)機器人，該機構(gòu)擁有四個機械臂，每 個操作臂擁有13個自由度?？蓪崿F(xiàn)末端位置和位姿的調(diào)整。由于自由度較多導致控制 算法相當復雜，且其把持關(guān)節(jié)采用諧波加速器，不能實現(xiàn)斷電下的自鎖，其采用常規(guī)的 scara的定位機構(gòu)導致其末端不能承受高負載，。因此在特殊的需要把持高負載的手術(shù) 中，不能采用此機械臂關(guān)節(jié)。
2003年，北京航空航天大學針對腦外科微創(chuàng)手術(shù)研制了 5自由度被動式醫(yī)療機 器人，如圖3、圖4所示，各關(guān)節(jié)均為被動式。該機構(gòu)由于各個關(guān)節(jié)均采用被動式，在治 療中需要手動調(diào)整機械臂位置，使得操作十分不便，而且體積龐大，造價昂貴，且末端 不能把持較重的推進機構(gòu)，不能完全滿足手術(shù)的要求。由此，醫(yī)療機器人的把持機構(gòu)需 要盡量降低機構(gòu)復雜度，簡化機構(gòu)和降低控制難度。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種擁有高負載小體 積的把持機構(gòu)。
本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)。
—種機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于，包括
用于提供運動基座的大臂底座，所述大臂底座通過大臂關(guān)節(jié)與第一大臂的一端 相連接，所述大臂關(guān)節(jié)為曲柄滑塊機構(gòu)；其中，所述大臂底座上可樞轉(zhuǎn)地連接有大臂 連桿，所述大臂連桿的另一端能夠在所述第一大臂上平動，從而實現(xiàn)所述第一大臂的擺 動；
所述第一大臂的另一端通過小臂關(guān)節(jié)與小臂相連接，所述小臂關(guān)節(jié)為曲柄滑塊 帶動平行四邊形機構(gòu)；其中，所述小臂上可樞轉(zhuǎn)地連接有小臂連桿，所述小臂連桿的另 一端可在與所述第一大臂平行的第二大臂上平動，從而實現(xiàn)所述小臂的擺動。
根據(jù)上述技術(shù)方案的機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于，所述大臂連桿與所述小臂連桿 的平動端分別通過絲杠傳動。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)了以下技術(shù)效果。
1)該機械臂關(guān)節(jié)采用全新的定位機構(gòu)，在小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計上采用了平行四邊形 機構(gòu)使得整個機械臂機構(gòu)緊湊，從而減小了機械臂關(guān)節(jié)的體積，滿足機器人在醫(yī)療上的應(yīng)用。2)該機械臂關(guān)節(jié)在大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)的傳動方式采用了絲杠傳動，這樣一方 面可以實現(xiàn)自鎖保證機器人定位精度，一方面又可以實現(xiàn)機械臂關(guān)節(jié)的末端擁有較大的 轉(zhuǎn)矩，從而能把持較為承重的末端推進機構(gòu)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種醫(yī)療機器人；圖2是圖1所示的機器人的運動方式示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的另一種5自由度醫(yī)療機器人；圖4是圖3所示的機器人的另一姿態(tài)示意圖；圖5是本發(fā)明的定位臂結(jié)構(gòu)簡圖；圖6是本發(fā)明的定位臂結(jié)構(gòu)變形圖；圖7是本發(fā)明的機械臂關(guān)節(jié)的第二關(guān)節(jié)運動簡圖；圖8是本發(fā)明的機械臂關(guān)節(jié)的第三關(guān)節(jié)運動簡圖；圖9是本發(fā)明的機械臂關(guān)節(jié)的大臂、小臂傳動系統(tǒng)示意圖；圖10是本發(fā)明的機械臂關(guān)節(jié)的大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計圖；圖IOa是本發(fā)明的傳動螺母和連桿的連接剖視圖；圖IOb是本發(fā)明的兩個小臂對邊板的中間連接剖視圖；圖Ila和圖lib是本發(fā)明的機械臂關(guān)節(jié)的大臂平剖視圖；圖12是典型的定位臂結(jié)構(gòu)及其性能的比較圖。其中各附圖標記含義如下1.大臂底座2.大臂下鉸銷3.長鉸軸軸墊套4.6008深溝球軸承5.6202深溝球軸承6.小臂對邊板7.支撐筒8.短鉸銷墊套9.鉸銷軸10.6202深溝球軸承11.軸承端蓋12.軸用彈性擋圈13.開槽沉頭螺釘14.大臂短鉸座15.花套16.圓柱頭螺釘
17.螺桿開槽套筒
18.6004深溝球軸承
19.大臂傳動絲杠
20.傳動螺母
21.螺桿緊固軸套
22.內(nèi)六角螺釘
23.中間連接套
24.緊定螺釘
25.開槽沉頭螺釘
26.電機安裝盤
27.沉頭螺釘
28.圓柱頭螺釘
29.電機組件
30.大臂長鉸座
31.小臂連桿
32大臂連桿
33.軸用彈性擋圈
34.大墊片
35.連桿螺母銷軸
36.內(nèi)六角螺釘
37.支撐桿
38.小臂具體實施方式
為達到一定空間內(nèi)的任意位置，介入手術(shù)機器人定位臂一般應(yīng)具有3個自由 度。其自由度可是P (移動關(guān)節(jié))和R(轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié))組合而成。典型的定位臂結(jié)構(gòu)及其性 能的比較如圖12所示。
直角坐標型定位臂工作范圍小、占據(jù)空間大，因此不符合血管介入手術(shù)過程。 對于圓柱坐標型、SCARA型定位臂，雖然其對姿態(tài)影響較小，但考慮到定位臂末端要 支撐較重的負載，要求驅(qū)動及傳動部分結(jié)構(gòu)尺寸很大，因此設(shè)計出的整個定位臂結(jié)構(gòu)外 觀尺寸極大，猶如起重機一樣，不符合手術(shù)室醫(yī)用環(huán)境。通過查閱資料，雖然關(guān)節(jié)坐標 型定位臂有諸多缺點，但其變形結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)的減少這些缺點，且其變形結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)較 高定位精度，在達到相同工作空間內(nèi)，其結(jié)構(gòu)外觀尺寸最小，能夠較好承受末端支撐負 載。所選擇的定位臂結(jié)構(gòu)簡圖及其變形結(jié)構(gòu)簡圖如圖5、圖6所示。
在定位臂結(jié)構(gòu)變形圖中，定位臂通過曲柄滑塊機構(gòu)將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運 動。為實現(xiàn)運動的連貫性，在設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)的具體機械結(jié)構(gòu)時，要保證較精確的尺 寸鏈，以使得機構(gòu)連貫運動。大臂關(guān)節(jié)為典型的曲柄滑塊機構(gòu)，大臂關(guān)節(jié)運動簡圖如圖 7。其運動簡式為

權(quán)利要求
1.一種機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于，包括用于提供運動基座的大臂底座，所述大臂底座通過大臂關(guān)節(jié)與第一大臂的一端相連 接，所述大臂關(guān)節(jié)為曲柄滑塊機構(gòu)；其中，所述大臂底座上可樞轉(zhuǎn)地連接有大臂連桿， 所述大臂連桿的另一端能夠在所述第一大臂上平動，從而實現(xiàn)所述第一大臂的擺動；所述第一大臂的另一端通過小臂關(guān)節(jié)與小臂相連接，所述小臂關(guān)節(jié)為曲柄滑塊帶動 平行四邊形機構(gòu)；其中，所述小臂上可樞轉(zhuǎn)地連接有小臂連桿，所述小臂連桿的另一端 可在與所述第一大臂平行的第二大臂上平動，從而實現(xiàn)所述小臂的擺動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于，所述大臂連桿與所述小臂連桿的 平動端分別通過絲杠傳動。
3.—種醫(yī)療機器人，其特征在于，具有根據(jù)權(quán)利要求1-2之一所述的機械臂關(guān)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高負載能力的小體積醫(yī)療機械臂關(guān)節(jié)，包括用于提供運動基座的大臂底座，所述大臂底座通過大臂關(guān)節(jié)與第一大臂的一端相連接，所述大臂關(guān)節(jié)為曲柄滑塊機構(gòu)，從而實現(xiàn)所述第一大臂的擺動；所述第一大臂的另一端通過小臂關(guān)節(jié)與小臂相連接，所述小臂關(guān)節(jié)為曲柄滑塊帶動平行四邊形機構(gòu)，從而實現(xiàn)所述小臂的擺動。本發(fā)明采用了平行四邊形機構(gòu)使得整個機械臂關(guān)節(jié)機構(gòu)緊湊，從而減小了機械臂關(guān)節(jié)的體積。同時，本發(fā)明采用了絲杠傳動，這樣一方面可以實現(xiàn)自鎖保證機器人定位精度，一方面又可以實現(xiàn)機械臂關(guān)節(jié)的末端擁有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能把持較為承重的末端推進機構(gòu)。
文檔編號A61B19/00GK102018574SQ20101054055
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者于華濤, 段星光, 王興濤, 邊桂彬, 黃強 申請人:北京理工大學