一種全被動型六自由度主操作手的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種全被動型六自由度主操作手，包括支撐架，第一關節(jié)固定在支撐架上；第一連桿與第一關節(jié)連接并繞著第一關節(jié)轉動；第二關節(jié)固定在第一連桿的一端；第三關節(jié)設置在第二關節(jié)的上并繞著第二關節(jié)轉動；第二連桿與第三關節(jié)連接并繞著第三關節(jié)轉動；第二連桿配重塊固定在所述第二連桿上；第四關節(jié)固定在第二連桿的一端；第三連桿與第四關節(jié)連接并繞著第四關節(jié)轉動；第三連桿配重塊固定在所述第三連桿上；第五關節(jié)固定在第三連桿上；第四連桿的一端與所述第五關節(jié)連接，第四連桿繞著第五關節(jié)轉動；第六關節(jié)固定在第四連桿上；夾持蓋板與第六關節(jié)相連接并繞著第六關節(jié)轉動；夾持蓋板配重塊固定在夾持蓋板的自由端處。
【專利說明】一種全被動型六自由度主操作手

【技術領域】：
[0001] 本實用新型涉及醫(yī)療器械【技術領域】，更具體的說涉及一種六自由度主操作手。

【背景技術】：
[0002] 外科手術中經(jīng)常會有一些精細操作，這些操作的對象小，形狀復雜，且有些手術往 往需要很長的時間才能結束，醫(yī)生很容易疲憊，由此容易造成人手的顫抖導致動作不準確， 而機器操作手能夠完全避免這些安全隱患，準確地完成一些需要長時間的復雜的手術，因 而受到大家的關注。目前，較為成功的主操作手系統(tǒng)主要有美國Sensable公司的PHANTOM 系列主操作手和瑞士 ForceDimension公司的Omega系列主操作手。對PHANTOM和Omega 系列的主操作手而言，其機構占用的體積較大、工作空間較小，且不能夠由自身實現(xiàn)重力平 衡，很大程度上限制了主操作手的應用范圍。因此，為了避免現(xiàn)有技術中存在的問題予以改 進。 實用新型內容：
[0003] 本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術之不足，而提供一種全被動型六自由度主操 作手，該主操作手在不依賴電機的情況下通過自身的結構實現(xiàn)重力平衡，結構緊湊，占用空 間小，節(jié)能環(huán)保。
[0004] 本實用新型的技術解決措施如下：一種全被動型六自由度主操作手，包括支撐架， 第一關節(jié)固定在所述支撐架上；第一連桿的一端與所述第一關節(jié)連接，所述第一連桿繞著 第一關節(jié)的軸線R1轉動；第二關節(jié)固定在與第一關節(jié)相對方向的第一連桿的另一端；第三 關節(jié)設置在所述第二關節(jié)的上方并繞著第二關節(jié)的軸線R2轉動；第二連桿與所述第三關 節(jié)連接并繞著第三關節(jié)的軸線R3轉動；第二連桿配重塊固定在所述第二連桿的一端；第四 關節(jié)固定在與第二連桿配重塊相對方向的第二連桿的另一端；第三連桿與所述第四關節(jié)連 接并繞著第四關節(jié)的軸線R4轉動；第三連桿配重塊固定在所述第三連桿的一端；第五關節(jié) 固定在第三連桿的另一端；第四連桿的一端與所述第五關節(jié)連接，所述第四連桿繞著第五 關節(jié)的軸線R5轉動；第六關節(jié)固定在第四連桿的另一端；夾持蓋板與第六關節(jié)相連接并繞 著第六關節(jié)的軸線R6轉動；夾持蓋板配重塊固定在所述夾持蓋板的自由端處。
[0005] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第一關節(jié)通過旋轉軸和一對軸承連接到第一連 桿上；所述第二關節(jié)通過旋轉軸和一對軸承連接到第三關節(jié)上；所述第三關節(jié)通過旋轉軸 和一對軸承連接到第二連桿上；所述第四關節(jié)通過旋轉軸和一對軸承連接到第三連桿上； 所述第五關節(jié)通過旋轉軸和一對軸承連接到第四連桿上；所述第六關節(jié)通過旋轉軸和一對 軸承連接到夾持蓋板上；
[0006] 其中，所述第一連桿、第二連桿、第一關節(jié)、第二關節(jié)、第三關節(jié)和第二連桿配重塊 組成主操作手的位置部分；第三連桿、第四連桿、第四關節(jié)、第五關節(jié)、第六關節(jié)、第三連桿 配重塊、夾持蓋板和夾持蓋板配重塊組成主操作手的姿態(tài)部分。
[0007] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第一連桿和第二連桿的形狀為直條狀；所述第 三連桿和第四連桿的形狀為弧線狀。
[0008] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第三連桿和第四連桿的弧線形狀接近半"U"型。
[0009] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第一關節(jié)的軸線R1和第二關節(jié)的軸線R2相互 平行，第三關節(jié)的軸線R3垂直于所述軸線Rl、R2 ;所述第四關節(jié)、第五關節(jié)、第六關節(jié)相對 應的軸線R4、R5、R6互相垂直，且所述三軸線相交于一點。
[0010] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第一關節(jié)通過螺釘固定在支撐架上；所述第二 關節(jié)通過螺釘固定在第一連桿一端的底端面上；所述第四關節(jié)通過螺釘固定在第二連桿的 一端；第五關節(jié)通過螺釘固定在第三連桿的一端；第六關節(jié)通過螺釘固定在第四連桿的一 端。
[0011] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第二連桿配重塊通過螺釘固定在第二連桿的一 端；第三連桿配重塊通過螺釘固定在第三連桿的一端；夾持蓋板配重塊通過螺釘固定在夾 持蓋板的自由端處。
[0012] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的第二連桿配重塊、第三連桿配重塊和夾持蓋板 配重塊的材料均為黃銅。
[0013] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的夾持蓋板配重塊上設置有矩形的復位溝槽。
[0014] 作為上述技術方案的優(yōu)選，所述的位置部分與所述姿態(tài)部分解耦設置。
[0015] 本實用新型的有益效果在于：主操作手的第一連桿通過第一關節(jié)實現(xiàn)重力平衡， 第一連桿的重力矩施加在第一關節(jié)上，通過第一關節(jié)上的螺釘受力使得第一連桿的重力得 到平衡；第二連桿通過第二連桿配重塊實現(xiàn)重力平衡，由于第二連桿配重塊的平衡作用， 使得第二連桿無論運動到任何位置都能夠實現(xiàn)重力平衡；所述第一連桿、第二連桿、第一 關節(jié)、第二關節(jié)、第三關節(jié)和第二連桿配重塊組成主操作手的位置部分；第三連桿、第四連 桿、第四關節(jié)、第五關節(jié)、第六關節(jié)、第三連桿配重塊、夾持蓋板和夾持蓋板配重塊組成主操 作手的姿態(tài)部分，所述主操作手的姿態(tài)部分通過第三連桿配重塊和夾持蓋板配重塊實現(xiàn)重 力平衡，當主操作手運動到任何姿態(tài)時，由于第三連桿配重塊和夾持蓋板配重塊的平衡作 用，使姿態(tài)部分一直保持重力平衡，所述的主操作手的位置部分和姿態(tài)部分是解耦的，當主 操作手的姿態(tài)發(fā)生變化時，不會影響主手的位置；主操作手的歸零復位通過夾持蓋板配重 塊上的復位溝槽以機械方式實現(xiàn)，歸零方式簡單可靠，本實用新型整體結構緊湊，占用空間 小，節(jié)能環(huán)保。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0016] 圖1為本實用新型全被動型六自由度主操作手的正面結構示意圖；
[0017] 圖2為本實用新型全被動型六自由度主操作手的反面結構示意圖；
[0018] 圖中，10、第一連桿；20、第一關節(jié)；21、第二關節(jié)；22、第三關節(jié)；23、第四關節(jié)；24、 第五關節(jié)；25、第六關節(jié)；30、第二連桿；31、第二連桿配重塊；40、第三連桿；41、第三連桿配 重塊；50、第四連桿；60、夾持蓋板；61、夾持蓋板配重塊；70、支撐架。

【具體實施方式】：
[0019] 實施例：以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，本領域技術人員 可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效，本實施例中提到的 "第一"、"第二"、"第三"、"第四"等描述是為了區(qū)分各個關節(jié)與連桿；所述連桿的"一端"和 "另一端"是指連桿的兩頭，即頭部和尾部的區(qū)別，這些表示方位的詞匯僅為便于敘述明了， 而非用以限定本實用新型可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內 容下，也當視為本實用新型可實施的范疇。
[0020] 見圖1至圖2所示，本實用新型的全被動型六自由度主操作手包括第一連桿10、 第一關節(jié)20、第二關節(jié)21、第三關節(jié)22、第四關節(jié)23、第五關節(jié)24、第六關節(jié)25、第二連桿 30、第二連桿配重塊31、第三連桿40、第三連桿配重塊41、第四連桿50、夾持蓋板60、夾持蓋 板配重塊61、支撐架70 ;所述第一連桿10、第二連桿30、第一關節(jié)20、第二關節(jié)21、第三關 節(jié)22和第二連桿配重塊31組成主操作手的位置部分；第三連桿40、第四連桿50、第四關節(jié) 23、第五關節(jié)24、第六關節(jié)25、第三連桿配重塊41、夾持蓋板60和夾持蓋板配重塊61組成 主操作手的姿態(tài)部分，所述位置部分與所述姿態(tài)部分解耦設置，解耦設置的優(yōu)點是當主操 作手姿態(tài)部分的位置發(fā)生變化時，不會影響主操作手的位置部分。
[0021] 第一關節(jié)20通過螺釘固定在所述支撐架70上，第一連桿10的一端與所述第一關 節(jié)20連接，第一關節(jié)20通過旋轉軸和一對軸承連接到第一連桿10上，所述第一連桿10繞 著第一關節(jié)20的軸線R1轉動，第一連桿10通過第一關節(jié)20實現(xiàn)重力平衡，第一連桿10 的重力矩施加在第一關節(jié)20上，通過第一關節(jié)20上的螺釘受力使得第一連桿10的重力得 到平衡。
[0022] 第二關節(jié)21通過螺釘固定在與第一關節(jié)20相對方向的第一連桿10的另一端的 底端面上，所述第二關節(jié)21通過旋轉軸和一對軸承連接到第三關節(jié)22上，第三關節(jié)22設 置在所述第二關節(jié)21的上方并繞著第二關節(jié)21的軸線R2轉動。
[0023] 第二連桿30與所述第三關節(jié)22連接并繞著第三關節(jié)22的軸線R3轉動，所述第 二連桿30和第三關節(jié)22之間通過旋轉軸和一對軸承連接的，即第三關節(jié)22通過旋轉軸和 一對軸承連接到第二連桿30上，第二連桿配重塊31通過螺釘固定在所述第二連桿30的一 端，所述第二連桿配重塊31材質優(yōu)選為黃銅；第二連桿30通過第二連桿配重塊31實現(xiàn)重 力平衡，由于第二連桿配重塊31的平衡作用，使得第二連桿30無論運動到任何位置都能夠 實現(xiàn)重力平衡。
[0024] 在主操作手的位置部分中所述的第一連桿10和第二連桿30的形狀為直條狀，所 述第一關節(jié)20的軸線R1和第二關節(jié)21的軸線R2相互平行，第三關節(jié)22的軸線R3垂直 于所述軸線R1和R2。下面敘述主操作手的姿態(tài)部分：
[0025] 第四關節(jié)23通過螺釘固定在與第二連桿配重塊31相對方向的第二連桿30的另 一端，所述第四關節(jié)23通過旋轉軸和一對軸承連接到第三連桿40上，第三連桿40繞著第 四關節(jié)23的軸線R4轉動，第三連桿配重塊41通過螺釘固定在所述第三連桿40的一端，第 三連桿配重塊41的材質優(yōu)選為黃銅。
[0026] 第五關節(jié)24通過螺釘固定在第三連桿40的另一端，第四連桿50的一端與所述第 五關節(jié)24連接，第四連桿50和第五關節(jié)24之間通過旋轉軸和一對軸承連接，即所述第五 關節(jié)24通過旋轉軸和一對軸承連接到第四連桿50上，第四連桿50繞著第五關節(jié)24的軸 線R5轉動。
[0027] 第六關節(jié)25通過螺釘固定在第四連桿50的另一端，第六關節(jié)25與夾持蓋板60 相連接，所述第六關節(jié)25通過旋轉軸和一對軸承連接到夾持蓋板60上，所述夾持蓋板60 繞著第六關節(jié)25的軸線R6轉動；所述夾持蓋板60的自由端處設置有夾持蓋板配重塊61， 所述夾持蓋板配重塊61通過螺釘固定在所述夾持蓋板60的自由端處，夾持蓋板配重塊61 的材質優(yōu)選為黃銅，所述夾持蓋板配重塊61上設置有矩形的復位溝槽，主操作手的歸零復 位通過夾持蓋板配重塊61上的溝槽以機械方式實現(xiàn)，歸零方式簡單可靠，可使主手的編碼 器在初始化時全部完成復位歸零操作。
[0028] 所述主操作手的姿態(tài)部分通過第三連桿配重塊41和夾持蓋板配重塊61實現(xiàn)重力 平衡，當主操作手運動到任何姿態(tài)時，由于第三連桿配重塊41和夾持蓋板配重塊61的平衡 作用，使姿態(tài)部分一直保持重力平衡的狀態(tài)。其中，所述姿態(tài)部分的第三連桿40和第四連 桿50的形狀為弧線狀，所述的弧線形狀接近半"U"型，所述第四關節(jié)23、第五關節(jié)24、第六 關節(jié)25相對應的軸線R4、R5、R6互相垂直，且所述三軸線相交于一點。
[0029] 本實用新型的一種全被動型六自由度主操作手的六個自由度分別為：所述第一連 桿10繞著第一關節(jié)20的轉動和第二連桿30繞著第二關節(jié)21、第三關節(jié)22的轉動組成了 主操作手的3個位置自由度；第三連桿40繞著第四關節(jié)23的轉動，第四連桿50繞著第五 關節(jié)24的轉動，夾持蓋板60繞著第六關節(jié)25的轉動構成了主操作手的3個姿態(tài)自由度。 主操作手通過3個位置自由度和3個姿態(tài)自由度，可以對從端手術器械的位置和姿態(tài)進行 控制。在手術過程中，通過第一關節(jié)20、第二關節(jié)21和第三關節(jié)22的轉動可以使從端手術 器械到達期望的位置，通過第四關節(jié)23、第五關節(jié)24、第六關節(jié)25的轉動可以控制從端手 術器械的姿態(tài)，滿足實際手術過程中的不同操作要求。本實用新型的全被動是指在不依賴 電機的情況下實現(xiàn)機構本身的自平衡，本實用新型結構緊湊，占用空間小。
[0030] 所述實施例用以例示性說明本實用新型，而非用于限制本實用新型。任何本領域 技術人員均可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對所述實施例進行修改，因此本實用 新型的權利保護范圍，應如本實用新型的權利要求所列。
【權利要求】
1. 一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于，包括： 支撐架（70); 第一關節(jié)（20)，第一關節(jié)（20)固定在所述支撐架（70)上； 第一連桿（10)，第一連桿（10)的一端與所述第一關節(jié)（20)連接，所述第一連桿（10) 繞著第一關節(jié)（20)的軸線R1轉動； 第二關節(jié)（21)，第二關節(jié)（21)固定在與第一關節(jié)（20)相對方向的第一連桿（10)的另 一端； 第三關節(jié)（22)，第三關節(jié)（22)設置在所述第二關節(jié)（21)的上方并繞著第二關節(jié)（21) 的軸線R2轉動； 第二連桿（30)，第二連桿（30)與所述第三關節(jié)（22)連接并繞著第三關節(jié)（22)的軸線 R3轉動； 第二連桿配重塊（31)，第二連桿配重塊（31)固定在所述第二連桿（30)的一端； 第四關節(jié)（23)，第四關節(jié)（23)固定在與第二連桿配重塊（31)相對方向的第二連桿 (30)的另一端； 第三連桿（40)，第三連桿（40)與所述第四關節(jié)（23)連接并繞著第四關節(jié)（23)的軸線 R4轉動； 第三連桿配重塊（41)，第三連桿配重塊（41)固定在所述第三連桿（40)的一端； 第五關節(jié)（24)，第五關節(jié)（24)固定在第三連桿（40)的另一端； 第四連桿（50)，第四連桿（50)的一端與所述第五關節(jié)（24)連接，所述第四連桿（50) 繞著第五關節(jié)（24)的軸線R5轉動； 第六關節(jié)（25)，第六關節(jié)（25)固定在第四連桿（50)的另一端； 夾持蓋板（60)，夾持蓋板（60)與第六關節(jié)（25)相連接并繞著第六關節(jié)（25)的軸線 R6轉動； 夾持蓋板配重塊（61)，夾持蓋板配重塊（61)固定在所述夾持蓋板（60)的自由端處。 其中，所述第一連桿（10)、第二連桿（30)、第一關節(jié)（20)、第二關節(jié)（21)、第三關節(jié) (22)和第二連桿配重塊（31)組成主操作手的位置部分；第三連桿（40)、第四連桿（50)、第 四關節(jié)（23)、第五關節(jié)（24)、第六關節(jié)（25)、第三連桿配重塊（41)、夾持蓋板（60)和夾持 蓋板配重塊（61)組成主操作手的姿態(tài)部分。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第一關 節(jié)（20)通過旋轉軸和一對軸承連接到第一連桿（10)上；所述第二關節(jié)（21)通過旋轉軸和 一對軸承連接到第三關節(jié)（22)上；所述第三關節(jié)（22)通過旋轉軸和一對軸承連接到第二 連桿（30)上；所述第四關節(jié)（23)通過旋轉軸和一對軸承連接到第三連桿（40)上；所述第 五關節(jié)（24)通過旋轉軸和一對軸承連接到第四連桿（50)上；所述第六關節(jié)（25)通過旋轉 軸和一對軸承連接到夾持蓋板￠0)上。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第一連 桿（10)和第二連桿（30)的形狀為直條狀；所述第三連桿（40)和第四連桿（50)的形狀為 弧線狀。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第三連 桿（40)和第四連桿（50)的弧線形狀接近半"U"型。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第一關 節(jié)（20)的軸線R1和第二關節(jié)（21)的軸線R2相互平行，第三關節(jié)（22)的軸線R3垂直于 所述軸線R1、R2 ;所述第四關節(jié)（23)、第五關節(jié)（24)、第六關節(jié)（25)相對應的軸線R4、R5、 R6互相垂直，且所述三軸線相交于一點。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第一 關節(jié)（20)通過螺釘固定在支撐架（70)上；所述第二關節(jié)（21)通過螺釘固定在第一連桿 (10) -端的底端面上；所述第四關節(jié)（22)通過螺釘固定在第二連桿（30)的一端；第五關 節(jié)（24)通過螺釘固定在第三連桿（40)的一端；第六關節(jié)（25)通過螺釘固定在第四連桿 (50)的一端。
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第二連 桿配重塊（31)通過螺釘固定在第二連桿（30)的一端；第三連桿配重塊（41)通過螺釘固定 在第三連桿（40)的一端；夾持蓋板配重塊（61)通過螺釘固定在夾持蓋板（60)的自由端 處。
8. 根據(jù)權利要求7所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述第二連 桿配重塊（31)、第三連桿配重塊（41)和夾持蓋板配重塊（61)的材料均為黃銅。
9. 根據(jù)權利要求8所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述夾持蓋 板配重塊（61)上設置有矩形的復位溝槽。
10. 根據(jù)權利要求1所述的一種全被動型六自由度主操作手，其特征在于：所述位置部 分與所述姿態(tài)部分解耦設置。
【文檔編號】B25J9/08GK203898446SQ201420337788
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權日:2014年6月23日
【發(fā)明者】孫玉寧, 閆志遠, 杜志江 申請人:蘇州康多機器人有限公司