一種冗余自由度持鏡機械臂的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種冗余自由度持鏡機械臂，屬于微創(chuàng)手術技術領域。
【背景技術】
[0002]在人體中通過體表微小切口進行的體內手術稱為微創(chuàng)手術。微創(chuàng)手術與傳統(tǒng)手術相比，具有創(chuàng)傷小，術后恢復快，減輕患者痛苦，有利于提高外科手術質量和降低醫(yī)療成本。利用機器人進行微創(chuàng)外科手術可以顯著地提高手術質量，降低醫(yī)生勞動強度。
[0003]由于國內在該領域相關核心技術上的空白，雖然市場前景廣闊，但始終無法實現自主生產。隨著社會的進步和人們對健康的更加重視，研制出具有自主知識產權的微創(chuàng)手術機器人不僅是對社會需求的滿足，也能為國民經濟發(fā)掘出新的經濟增長點。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種冗余自由度持鏡機械臂。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種冗余自由度持鏡機械臂，包含機械臂本體和設置在機械臂本體上的手術器械，手術器械上安置有腹腔鏡;所述機械臂本體包含用于調節(jié)機械臂末端點豎直高度的直線運動關節(jié)、用于調節(jié)機械臂末端點水平方向上位置的擺動關節(jié)、用于實現手術器械與腹腔鏡遠心點做橫滾運動的回轉關節(jié)、平行四邊形關節(jié)和使腹腔鏡能沿人體切口軸向伸縮的滑動平臺關節(jié);直線運動關節(jié)包含第一關節(jié)(1)，擺動關節(jié)包含第二關節(jié)(2)、第三關節(jié)(3)和第四關節(jié)(4)，回轉關節(jié)包含第五關節(jié)(5)，平行四邊形關節(jié)包含第六關節(jié)(6)，滑動平臺關節(jié)包含第七關節(jié)(7);第一關節(jié)(I)的首端與第二關節(jié)(2)的尾端、第二關節(jié)(2)的首端與第三關節(jié)(3)的尾端、第三關節(jié)(3)的首端與第四關節(jié)(4)的尾端、第四關節(jié)(4)的首端與第五關節(jié)(5)的尾端、第五關節(jié)(5)的首端與第六關節(jié)(6)的尾端、第六關節(jié)(6)的首端與第七關節(jié)(7)的尾端均分別相互轉動連接。
[0006]優(yōu)先的，所述的第一關節(jié)(I)包含第一關節(jié)本體、電氣柜(32)、肩關節(jié)座(33)、氣彈簧(34)、直線導軌(35)、能控制直線導軌(35)升降的手輪(31)、底座小車(36)、齒條(37)和齒輪(38);所述第一關節(jié)本體固定安裝在所述底座小車(36)上，電氣柜(32)和直線導軌
(35)固定安裝在第一關節(jié)(I)上，手輪(31)設置于所述直線導軌(35)上，所述第二關節(jié)(2)的尾端轉動連接肩關節(jié)座(33)，氣彈簧(34)套設在直線導軌(35)上，齒輪(38)通過轉向器連接直線導軌(35);手輪(31)與直線導軌(35)、直線導軌(35)與齒條(37)均分別開設有能相互嚙合的嚙齒。
[0007]優(yōu)先的，第二關節(jié)(2)、第三關節(jié)(3)和第四關節(jié)(4)均包含軸連接件(40)、上支撐件(41)、中心軸(42)、電磁離合器一 (43)、下支撐件(44)和旋轉編碼器一 (45);第二關節(jié)(2)通過上支撐件(41)、下支撐件(44)分別與第一關節(jié)(1)、第三關節(jié)(3)相連接，第三關節(jié)(3)通過上支撐件(41)、下支撐件(44)分別與第二關節(jié)(2)、第四關節(jié)(4)相連接，第四關節(jié)(4)分別通過上支撐件(41)、下支撐件(44)與第三關節(jié)(3)、第五關節(jié)(5)連接;上支撐件(41)通過軸連接件(40)與中心軸(42)轉動連接，中心軸(42)通過電磁離合器一(43)與下支撐件
(44)轉動連接。
[0008]優(yōu)先的，第五關節(jié)(5)包含上連接件(46)、帶輪(47)、外殼(48)、電機一(49)、傳動軸一 (50)、二連接件(51)、套筒(52)、電磁離合器二 (53)、一連接件(54)、諧波減速器(55)和電機架連接件(56);電機(49)通過帶輪(47)驅動諧波減速器(55)的輸入，諧波減速器(55)的輸出與一連接件(54)固定連接;一連接件(54)與傳動軸一 (50)通過電磁離合器二 (53)連接，傳動軸一(50)與二連接件(51)固定連接，上連接件(46)與第四關節(jié)(4)轉動，二連接件
(51)與第六關節(jié)(6)轉動連接;第五關節(jié)(5)軸線與水平方向夾角為120°。
[0009]優(yōu)先的，第六關節(jié)(6)包含盒式桿(60)、H形桿(61)、L形桿(62)、T形桿(63)、使H形桿(61)與盒式桿(60)轉動連接的關節(jié)1、使H形桿(61)與L形桿(62)轉動連接的關節(jié)2、使L形桿(62)與T形桿(63)轉動連接的關節(jié)3;手術器械安裝在T形桿(63)上。
[0010]優(yōu)先的，關節(jié)I包含錐齒輪一(11)、錐齒輪三(12)、同步帶輪(13)、連接件二(14)、箱體(15)、錐齒輪二(16)、電機(17)、連接件三(18)、連接軸二(19)、連接件一(20)、諧波發(fā)生器一(21)、減速器輸出鋼輪(22)、減速器輸入鋼輪(23)、電機連接軸(24)、同步帶(25)和連接軸一(26 );電機連接軸(24)的首端經箱體(15 )的后側表面伸入箱體(15 )內并與箱體
(15)轉動連接，電機連接軸(24)的首端與電機(17 )固定連接，電機連接軸(24)的首端套設并固定連接錐齒輪一(11);連接件二( 14)的首端經箱體(15)的左側表面伸入箱體(15 )內并與箱體(15)轉動連接，首端上套設并固定連接錐齒輪三(12)，連接件二(14)位于箱體(15)外側的尾端固定連接同步帶輪(13);連接軸二(19)的首端經箱體(15 )的右側表面伸入箱體
(15)中并通過連接件三(18)與箱體(15)轉動連接，伸入箱體(15)的一端固定連接錐齒輪二
(16);連接軸二(19)位于箱體外側的部分上套設有減速器輸入鋼輪(23)、減速器輸出鋼輪
(22)和諧波發(fā)生器一 (21);錐齒輪一(11)、錐齒輪二(16)與錐齒輪三(12)皆為正圓錐體，錐齒輪一(11)與錐齒輪三(13)、錐齒輪一(11)與錐齒輪二(16)的側面之間均開設有可以相互嚙合的嚙齒；電機(17)驅動電機連接軸(24)，電機連接軸(17)通過同步帶(25)驅動連接軸一(26)，連接軸一(26)通過錐齒輪組將動力傳遞至連接件二(14)和連接軸二(19)，連接件二(14)通過同步帶輪(13)將動力往后級關節(jié)即平行四邊形的第六關節(jié)(6)傳遞，而連接軸二(19)通過諧波減速器組件減速后驅動連接件一(20)，進而由連接件一(20)驅動H形桿
(61)。
[0011]優(yōu)先的，關節(jié)2包含諧波發(fā)生器二(83)、旋轉編碼器(84)、傳動軸(85)、光電開關(86)、同步帶輪一(87)和同步帶輪二(88) ;H形桿(62)包括左豎桿、右豎桿和一個橫置連接兩個豎桿的橫桿;兩個豎桿上均開設有上通孔和下通孔，傳動軸(85)的左端、右端分別轉動連接并固定在左豎桿、右豎桿的上通孔內；傳動軸(85)左端固定連接光電開關(86)和同步帶輪一 (87)，右端固定連接同步帶輪二 (88)、旋轉編碼器(84)和諧波發(fā)生器二 (83)。
[0012]優(yōu)先的，關節(jié)3包含諧波發(fā)生器三(89)、連接件四(90)、支撐件(91)、帶輪五(92)、張緊輪軸二 (93)、張緊輪二 (94)、同步帶二 (95)、齒輪(96)、帶輪四(97)、同步帶一 (98)、張緊輪一 (99)、張緊輪軸一(100)、連接件五(101 )、帶輪三(102)、諧波輸出(103)和諧波輸入(104)；諧波減速器組件包含諧波發(fā)生器(83)、諧波輸出(103) ；L形桿(62)包含短桿和長桿，短桿的首端與長桿的尾端固定連接，短桿的尾端上開設有一圓孔，圓孔通過連接件轉動連接關節(jié)2 ；傳動軸貫穿長桿的首端轉動連接T形桿(63)和L形桿(62)，傳動軸上套設有諧波減速器組件和諧波輸入(104)、連接件四(90)、支撐件(91)和帶輪五(92);在長桿與短桿連接處設置有齒輪(96)、帶輪四(97)和帶輪三(102)，齒輪(96)與帶輪四(97)、帶輪三(102)分別相互嚙合；同步帶二(95)的兩端分別套設在帶輪四(97)、帶輪五(92)上，同步帶二(95)內設置有張緊輪軸二(94)和轉動連接張緊輪二(94)的張緊輪軸二(93) ;L形桿(62)連接關節(jié)2的諧波發(fā)生器二(83)，同步帶一(98)連接關節(jié)2中的同步帶輪二(86)，并將動力通過齒輪(96)組反向后再通過同步帶二(95)驅動諧波發(fā)生器三(89)的諧波輸入(104)，諧波發(fā)生器三
(89)的諧波輸出(103)通過連接件五(101)驅動平行四邊形關節(jié)的T形桿(63);同步帶一(98)的內安置有張緊輪一 (99)和轉動連接張緊輪一 (99)的張緊輪軸一 (100)。
[0013]優(yōu)先的，第七關節(jié)(7)包含方便腹腔鏡安裝拆卸的接口。
[0014]優(yōu)先的，第五關節(jié)(5)和第六關節(jié)(6)中電機均為直流有刷伺服電機，輸出功率為60W。
[0015]本發(fā)明所達到的有益效果:
(I)本發(fā)明中的機械臂精度高，剛度強，操作精準，沒有疲勞，如果出現抖動也可以從控制上消除。使用機器人代替醫(yī)生進行微創(chuàng)手術操作時能夠大大提高手術的質量，能更加充分的體現微創(chuàng)手術的優(yōu)勢。
[0016](2)與開放式手術相比，使用機械臂的微創(chuàng)手術創(chuàng)口小，恢復快，減輕了病人的痛苦。
[0017](3)從理論上講，具有六自由度的機械臂在其工作空間上能到達任意位置和姿態(tài)。但由于奇異位形存在，當關節(jié)運動到相關位置時，會發(fā)生奇異現象，會有一個或多個自由度退化，加上工作空間還可能存在障礙物，這都會使機器人無法正常工作;對冗余自由度