專利名稱：具有夾持力感覺的主操作手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設(shè)備，尤其涉及一種顯微外科手術(shù)中所用醫(yī)療設(shè)備的零部件。
背景技術(shù)：
精細(xì)操作是外科手術(shù)中常見的手術(shù)操作。由于操作對(duì)象較小(如直徑小于1mm血管的縫合、耳鼻喉外科手術(shù)等)，而且工作時(shí)間很長，故醫(yī)生容易疲憊，并由此導(dǎo)致動(dòng)作不準(zhǔn)確。機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地完成一些復(fù)雜的微操作而又不損壞組織，并且能夠根據(jù)操作過程中的接觸力信息來調(diào)整操作過程，因而受到大家的關(guān)注。20世紀(jì)90年代初期，醫(yī)療外科機(jī)器人的研制取得了飛躍性的發(fā)展，一批研究成果相繼被報(bào)道，而主從式顯微外科手術(shù)機(jī)器人的主操作器是醫(yī)療外科機(jī)器人研究中的一個(gè)重要分支。醫(yī)療機(jī)器人的主操作器從結(jié)構(gòu)上可以分為直角坐標(biāo)式，極坐標(biāo)式，柱坐標(biāo)式和球坐標(biāo)式四種；按照力反饋情況劃分，可以分為帶力反饋和不帶力反饋兩種。
目前，國外做得比較成功的主操作器是，Sensable公司的PHANToM操作器，它屬于關(guān)節(jié)坐標(biāo)式主手，有六個(gè)自由度，并可以感受3到6個(gè)方向的力與力矩，主要特點(diǎn)是可以有效抑制操作過程中人手的顫抖，但該系統(tǒng)的缺陷是不具有夾持力感覺功能。迄今為止，國內(nèi)還沒有用于顯微外科中的主操作器。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種操作輕便靈活具有夾持力感覺的主操作手，該主操作手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有7個(gè)自由度，操作輕便靈活，可以輕松的到達(dá)規(guī)定操作空間中的任意一個(gè)點(diǎn)，完成拉線、持針、縫合等多種動(dòng)作，并具有夾持力感覺功能，可完成拉線、持針、縫合等多種虛擬手術(shù)操作或通過手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助手術(shù)動(dòng)作。該系統(tǒng)對(duì)于有效抑制操作過程中人手的顫抖，提高手術(shù)的成功率具有重要價(jià)值。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的可以通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，中心支撐機(jī)構(gòu)頂端依次設(shè)置有軀干機(jī)構(gòu)、肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手指開合機(jī)構(gòu)和平衡裝置；所述軀干機(jī)構(gòu)包括與中心支撐頂端機(jī)械連接的中心軸套，所述中心軸套內(nèi)部裝有中心軸，所述中心軸外部套裝有固定于中心軸套上的大襯套，中心軸末端設(shè)置有主動(dòng)法蘭，所述主動(dòng)法蘭上設(shè)置有銷軸，所述第一光碼盤設(shè)置于中心支撐上，第一光碼盤軸上設(shè)置有從動(dòng)法蘭，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定，所述中心軸上部與中心軸套之間固定有第一止推軸承，第一止推軸承下端支撐在大襯套上；所述肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括與所述中心軸頂端固定連接的肩部U形座，所述肩部U形座通過肩部襯套與肩部支撐塊相連接，所述肩部襯套內(nèi)部設(shè)置有水平軸，所述水平軸固定于肩部支撐塊內(nèi)部，水平軸前端設(shè)置有大軸外套，所述大軸外套內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第二光碼盤固定于肩部U形座上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第二光碼盤軸機(jī)械固定；所述大臂機(jī)構(gòu)一端固定于肩部支撐塊上，另一端固定于肘部支撐塊上；所述肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括與肘部支撐塊通過肘部襯套相連接的肘部U形座，所述肘部襯套內(nèi)部設(shè)置有水平軸，所述水平軸固定于肘部支撐塊內(nèi)部，其前端設(shè)置有大軸外套，所述大軸外套內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第三光碼盤固定于肘部U形座上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第三光碼盤軸機(jī)械固定；所述平衡裝置由固定于肩部支撐塊上的弧形板、固定在肩部U形座上的法蘭短管、外裝有彈簧的挺桿、固定連接于挺桿上端和弧形板上端的鋼絲構(gòu)成；所述小臂機(jī)構(gòu)包括固定于肘部U形座上的小臂，所述小臂外部套裝有小襯套，所述小襯套外部套裝有套筒法蘭，所述套筒法蘭通過外過渡薄盤與腕部U形架機(jī)械連接；所述小臂末端設(shè)置有主動(dòng)法蘭，所述主動(dòng)法蘭上設(shè)置有銷軸，所述第四光碼盤設(shè)置于外過渡薄盤上，第四光碼盤軸上設(shè)置有從動(dòng)法蘭，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定，所述套筒法蘭內(nèi)環(huán)面與第二止推軸承的上表面相抵，第二止推軸承的下表面通過小臂上的彈性擋圈固定；所述腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)通過腕部襯套吊裝在腕部U形架上，由法蘭軸與小軸外套徑向固定，所述法蘭軸內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第五光碼盤通過外過渡厚盤設(shè)置于腕部U形架上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第五光碼盤軸機(jī)械固定；所述腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由法蘭軸將機(jī)身襯套、空心軸套、滾動(dòng)錐套、滾動(dòng)套筒與腕部支撐塊軸向固定，所述空心軸套內(nèi)部設(shè)置有機(jī)身襯套，所述機(jī)身襯套環(huán)抱力矩電機(jī)機(jī)身，所述滾動(dòng)套筒與滾動(dòng)錐套中通過鋼珠固定和實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所述滾動(dòng)錐套與空心軸套間設(shè)置有調(diào)整墊圈，所述空心軸套前端機(jī)械連接有大齒輪，所述空心軸套后端套裝有內(nèi)螺紋套，所述腕部支撐塊下設(shè)置有支架，所述第六光碼盤固定連接在支架上，所述小齒輪固定安裝在第六光碼盤軸上，所述大齒輪下設(shè)置有小齒輪；所述手指開合機(jī)構(gòu)包括固定于空心軸套上的空心指套，所述力矩電機(jī)軸上設(shè)置有軸套，所述軸套上設(shè)置有轉(zhuǎn)子指套，所述空心軸套設(shè)置有鞍形架，所述第七光碼盤固定于鞍形架上，所述第七光碼盤的軸上固定有從動(dòng)法蘭，所述軸套上設(shè)置有銷軸，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定。
所述銷軸為螺尾銷；所述第五光碼盤可以設(shè)置于腕部U形架的任一側(cè)面上；所述機(jī)身襯套為兩個(gè)半圓襯套；所述第一光碼盤與中心支撐之間、第二光碼盤與肩部U形座之間、第三光碼盤與肘部U形座之間、第七光碼盤與鞍形架之間均設(shè)置有外過渡薄盤；所述大臂與肩部支撐塊、肘部支撐塊之間設(shè)置有法蘭。
本發(fā)明具有夾持力感覺的主操作手與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果1.該機(jī)構(gòu)為關(guān)節(jié)式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，具有7個(gè)自由度，操作輕便靈活；2.力矩電機(jī)的安裝采用抱握式，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整腕部的重心位置，還可以減免對(duì)力矩電機(jī)端部的損壞；3.機(jī)構(gòu)的空間布置合理，提供給醫(yī)生最佳操作運(yùn)動(dòng)空間；4.平衡機(jī)構(gòu)采用絲連接，減少了空間支撐的負(fù)荷，并因此減小機(jī)構(gòu)的尺寸和重量；
5.將工作點(diǎn)置于腕部三軸匯交點(diǎn)的設(shè)計(jì)，消除當(dāng)姿態(tài)調(diào)整時(shí)位姿的補(bǔ)償量；6.該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)六軸連動(dòng)；7.采用力矩電機(jī)輸出力矩來標(biāo)定手指力感覺的大?。?.整個(gè)系統(tǒng)有較高的剛度、姿態(tài)調(diào)整精度和可靠性。


圖1是本發(fā)明的具有夾持力感覺的主操作手的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的具有夾持力感覺的主操作手的腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)B-B剖視圖；圖3是本發(fā)明的具有夾持力感覺的主操作手的肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)C-C剖視圖；圖4是本發(fā)明的具有夾持力感覺的主操作手的軀干機(jī)構(gòu)A-A剖視圖。
附圖標(biāo)記1-小齒輪 2-支架 3-鞍形架 4-空心指套5-轉(zhuǎn)子指套 6-腕部U形架 7-外過渡薄盤 8-從動(dòng)法蘭9-主動(dòng)法蘭 10-套筒法蘭 11-小襯套 12-小臂13-肘部U形座 14-大臂 15-法蘭 16-肩部支撐塊17-弧形板 18-肩部U形座 19-法蘭短管 20-中心軸21-中心軸套22-大襯套23-挺桿 24-彈簧25-中心支撐26-肩部襯套 27-水平軸 28-大軸外套29-驅(qū)動(dòng)塊 30-軸套 31-大齒輪 32-調(diào)整墊圈33-外過渡厚盤 34-小軸外套 35-腕部襯套 36-法蘭軸37-腕部支撐塊 38-滾動(dòng)套筒 39-滾動(dòng)錐套 40-空心軸套41-內(nèi)螺紋套42-機(jī)身襯套 43-力矩電機(jī) 44-鋼絲45-第一止推軸承46-第二止推軸承 51-第一光碼盤 52-第二光碼盤53-第三光碼盤 54-第四光碼盤55-第五光碼盤 56-第六光碼盤57-第七光碼盤具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明具有夾持力感覺的主操作手作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
在圖中，本發(fā)明一種具有夾持力感覺的主操作手，中心支撐25頂端依次設(shè)置有軀干機(jī)構(gòu)、肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手指開合機(jī)構(gòu)和平衡裝置；所述軀干機(jī)構(gòu)包括與中心支撐頂端機(jī)械連接的中心軸套21，所述中心軸套21內(nèi)部裝有中心軸20，所述中心軸20外部套裝有固定于中心軸套21上的大襯套22，中心軸20末端設(shè)置有主動(dòng)法蘭，所述主動(dòng)法蘭上設(shè)置有銷軸，所述第一光碼盤51設(shè)置于中心支撐25上，第一光碼盤軸上設(shè)置有從動(dòng)法蘭，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定，所述中心軸20上部與中心軸套21之間固定有第一止推軸承45，第一止推軸承45下端支撐在大襯套22上；所述肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括與所述中心軸20頂端固定連接的肩部U形座18，所述肩部U形座18通過肩部襯套26與肩部支撐塊16相連接，所述肩部襯套26內(nèi)部設(shè)置有水平軸27，所述水平軸27固定于肩部支撐塊16內(nèi)部，水平軸27前端設(shè)置有大軸外套28，所述大軸外套28內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊29，所述第二光碼盤52固定于肩部U形座18上，所述驅(qū)動(dòng)塊29與第二光碼盤軸機(jī)械固定；所述大臂機(jī)構(gòu)14一端固定于肩部支撐塊16上，另一端固定于肘部支撐塊上；所述肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)與肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)完全相同，包括與肘部支撐塊通過肘部襯套相連接的肘部U形座13，所述肘部襯套內(nèi)部設(shè)置有水平軸，所述水平軸固定于肘部支撐塊內(nèi)部，其前端設(shè)置有大軸外套，所述大軸外套內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第三光碼盤53固定于肘部U形座13上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第三光碼盤軸機(jī)械固定；所述平衡裝置由固定于肩部支撐塊16上的弧形板17、固定在肩部U形座18上的法蘭短管19、外裝有彈簧24的挺桿23、固定連接于挺桿23上端和弧形板17上端的鋼絲44構(gòu)成；所述小臂機(jī)構(gòu)包括固定于肘部U形座上的小臂12，所述小臂12外部套裝有小襯套1 1，所述小襯套11外部套裝有套筒法蘭10，所述套筒法蘭10通過外過渡薄盤7與腕部U形架6機(jī)械連接；所述小臂12末端設(shè)置有主動(dòng)法蘭9，所述主動(dòng)法蘭9上設(shè)置有銷軸，所述第四光碼盤54設(shè)置于外過渡薄盤7上，第四光碼盤54軸上設(shè)置有從動(dòng)法蘭8，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定，所述套筒法蘭10內(nèi)環(huán)面與第二止推軸承46的上表面相抵，第二止推軸承46的下表面通過小臂12上的彈性擋圈固定；所述腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)通過腕部襯套35吊裝在腕部U形架6上，由法蘭軸36與小軸外套34徑向固定，所述法蘭軸34內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第五光碼盤55通過外過渡厚盤33設(shè)置于腕部U形架6上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第五光碼盤軸機(jī)械固定；所述腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由法蘭軸36將機(jī)身襯套41、空心軸套40、滾動(dòng)錐套39、滾動(dòng)套筒38與腕部支撐塊37軸向固定，所述空心軸套40內(nèi)部設(shè)置有機(jī)身襯套41，所述機(jī)身襯套41環(huán)抱力矩電機(jī)43機(jī)身，所述滾動(dòng)套筒38與滾動(dòng)錐套39中通過鋼珠固定和實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所述滾動(dòng)錐套39與空心軸套40間設(shè)置有調(diào)整墊圈32，所述空心軸套40前端機(jī)械連接有大齒輪31，所述空心軸套40后端套裝有內(nèi)螺紋套41，所述腕部支撐塊37下設(shè)置有支架2，所述第六光碼盤56固定連接在支架2上，所述小齒輪1固定安裝在第六光碼盤軸上，所述大齒輪31下設(shè)置有小齒輪1；所述手指開合機(jī)構(gòu)包括固定于空心軸套40上的空心指套4，所述空心軸套40內(nèi)部設(shè)置有機(jī)身襯套42，所述機(jī)身襯套42環(huán)抱力矩電機(jī)43機(jī)身，所述力矩電機(jī)軸上設(shè)置有軸套30，所述軸套30上設(shè)置有轉(zhuǎn)子指套5，所述空心軸套40設(shè)置有鞍形架3，所述第七光碼盤57固定于鞍形架3上，所述第七光碼盤軸上固定有從動(dòng)法蘭，所述軸套30上設(shè)置有銷軸，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定。
所述銷軸為螺尾銷；所述第五光碼盤可以設(shè)置于腕部U形架6的任一側(cè)面上；所述機(jī)身襯套42為兩個(gè)半圓襯套；所述第一光碼盤51與中心支撐25之間、第二光碼盤52與肩部U形座18之間、第三光碼盤53與肘部U形座13之間、第七光碼盤57與鞍形架3之間均設(shè)置有塑料材質(zhì)的外過渡薄盤；所述大臂14與肩部支撐塊16之間設(shè)置有法蘭15，與肘部支撐塊之間也設(shè)置有法蘭。
現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明具有夾持力感覺的主操作手的結(jié)構(gòu)。
該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)六軸連動(dòng)，包括腕部繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)(用以實(shí)現(xiàn)控制姿態(tài)的調(diào)整)、臂部三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)(用以實(shí)現(xiàn)控制位置的調(diào)整)。其腕部還包括可以實(shí)現(xiàn)手指開合的第七個(gè)自由度的控制機(jī)構(gòu)。七個(gè)自由度的角度輸出都是通過高精度光碼盤來實(shí)現(xiàn)的。末端夾持力的大小是通過力矩電機(jī)使操作者感知的。操作手上的轉(zhuǎn)子指套和空心指套分別與力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子連接，通過力矩電機(jī)產(chǎn)生力矩，使操作者有力感覺，從而感知到遠(yuǎn)端的從手手指夾持力或虛擬環(huán)境的夾持力。
腕部繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是用以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的機(jī)構(gòu)。
如圖所示，整個(gè)腕部吊在腕部U形架上，腕部的安裝機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，通過腕部襯套與腕部U形架連接，可以實(shí)現(xiàn)X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出量是通過法蘭軸與小軸外套徑向固定，固定后的二者可在腕部襯套內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)法蘭軸內(nèi)的驅(qū)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)塊與第五光碼盤軸機(jī)械連接，從而驅(qū)動(dòng)第五光碼盤軸，產(chǎn)生輸出量，第五光碼盤通過厚外過渡盤固定在腕部U形架上；由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，第五光碼盤可以根據(jù)需要安裝在腕部U形架的任一側(cè)面。
Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過軸承機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，第二止推軸承的下表面依靠安裝在小臂上，用軸用彈性擋圈支撐，小臂固定在肘部U形座上；第二止推軸承的上表面頂在套筒法蘭的內(nèi)環(huán)面，套筒法蘭與小臂間裝有小襯套，小襯套裝在小臂上，有固定潤滑作用；套筒法蘭通過外過渡薄盤與腕部U形架機(jī)械連接；Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出量是通過安裝在小臂末端的主動(dòng)法蘭，帶動(dòng)安裝其上的螺尾銷轉(zhuǎn)動(dòng)，螺尾銷撥動(dòng)安裝在第四光碼盤軸上的從動(dòng)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)第四光碼盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生輸出量；第四光碼盤安裝在外過渡薄盤上。
Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過滾珠機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，滾珠置于滾動(dòng)套筒的兩圈直角槽內(nèi)，分別用滾動(dòng)錐套頂住，使其只能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的Z向轉(zhuǎn)動(dòng)；滾動(dòng)套筒通過腕部支撐塊固定在法蘭軸上，一端的滾動(dòng)錐套用空心軸套定位，間裝有調(diào)整墊圈，另一端的滾動(dòng)錐套用內(nèi)螺紋套固定，滾動(dòng)錐套和內(nèi)螺紋套均套在空心軸套上；空心軸套前端固定安裝有大齒輪，腕部支撐塊下方裝有支架，第六光碼盤安裝在支架上，小齒輪置于大齒輪的正下方并安裝在第六光碼盤軸上；Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出量是通過空心軸套帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪撥動(dòng)第六光碼盤軸，從而產(chǎn)生Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出量。
實(shí)現(xiàn)手指開合的機(jī)構(gòu)固定于腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。空心指套固定在空心軸套上，轉(zhuǎn)子指套固定在軸套上，軸套固定在力矩電機(jī)軸上，力矩電機(jī)機(jī)身用機(jī)身襯套，即一對(duì)半圓襯套抱住，徑向固定住力矩電機(jī)；軸套安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部，構(gòu)成鎖緊機(jī)構(gòu)，在軸向固定住力矩電機(jī)；鞍形架固定在空心軸套上，第七光碼盤通過外過渡薄盤固定在鞍形架上，第七光碼盤的軸上固定有從動(dòng)法蘭；手指開合時(shí)，拇指控制空心指套，使之固定，食指控制轉(zhuǎn)子指套使之轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸套，軸套上有螺尾銷，撥動(dòng)從動(dòng)法蘭，從動(dòng)法蘭帶動(dòng)第七光碼盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生手指開合的輸出量。
臂部繞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是用以實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整的機(jī)構(gòu)。
實(shí)現(xiàn)軀干機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，是通過軸承機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。第一止推軸承安裝于中心軸上，下端支撐在大襯套上，大襯套置于中心軸套上，中心軸套機(jī)械連接于中心支撐上；第一光碼盤通過薄外過渡盤安裝在中心支撐上，第一光碼盤軸上固定有從動(dòng)法蘭，中心軸的末端安裝有主動(dòng)法蘭；實(shí)現(xiàn)X方向的位置調(diào)整的輸出量是通過安裝在中心軸末端的主動(dòng)法蘭，帶動(dòng)安裝其上的螺尾銷轉(zhuǎn)動(dòng)，螺尾銷撥動(dòng)安裝在第一光碼盤軸上的從動(dòng)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)第一光碼盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生輸出量。
實(shí)現(xiàn)肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，是通過滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。水平軸通過肩部襯套固定在肩部U形座上，肩部支撐塊固定在水平軸上；水平軸前端有大軸外套，大軸外套內(nèi)有驅(qū)動(dòng)塊，第二光碼盤通過外過渡薄盤固定在肩部U形座上；實(shí)現(xiàn)肩部關(guān)節(jié)的位置調(diào)整的輸出量是通過水平軸在大軸外套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)其內(nèi)的驅(qū)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)塊與第二光碼盤軸機(jī)械連接，從而撥動(dòng)第二光碼盤軸，產(chǎn)生輸出量。
實(shí)現(xiàn)肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，也是通過滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)形式與實(shí)現(xiàn)肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式完全相同。水平軸通過肘部襯套固定在肘部U形座上，肘部支撐塊固定在水平軸上；水平軸前端有大軸外套，大軸外套內(nèi)有驅(qū)動(dòng)塊，第三光碼盤通過薄外過渡盤固定在肘部U形座上；實(shí)現(xiàn)肘部關(guān)節(jié)的位置調(diào)整的輸出量是通過水平軸在大軸外套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)其內(nèi)的驅(qū)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)塊與第三光碼盤軸機(jī)械連接，從而撥動(dòng)第三光碼盤軸，產(chǎn)生輸出量。
實(shí)現(xiàn)肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)之間用大臂連接，大臂的一端與法蘭連接，法蘭固定在肩部支撐塊上；另一端與法蘭連接，法蘭固定在肘部支撐塊上。
另外，還有平衡裝置，用于平衡腕部重量與大臂產(chǎn)生的力矩，減輕操作手部分的負(fù)擔(dān)。平衡裝置，是用弧形板固定在肩部支撐塊上，法蘭短管固定在肩部U形座上，挺桿外裝有彈簧，挺桿的上端與弧形板的下端用鋼絲連接，從而組成平衡裝置。
下面結(jié)合具體操作進(jìn)一步說明本發(fā)明具有夾持力感覺的主操作手的工作方法。
操作時(shí)，拇指置于空心指套，食指置于轉(zhuǎn)子指套，手心頂住置于鞍形架上的第七光碼盤。運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)六軸連動(dòng)，即腕部用以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和臂部用以實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整的轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，可以通過拇指和食指的開合控制從手的手指的開合。也可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)和位置的分別調(diào)整，即可以實(shí)現(xiàn)單軸的運(yùn)動(dòng)。
具體來說，腕部繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，是用以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整。操作時(shí)，拇指置于空心指套，食指置于轉(zhuǎn)子指套，手心頂住置于鞍形架上的第七光碼盤。X方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于第七光碼盤通過薄外過渡盤固定在鞍形架上，鞍形架固定在空心軸套上，空心軸套通過滾動(dòng)錐套、滾動(dòng)套筒、腕部支撐塊與法蘭軸于法蘭軸的軸向相對(duì)固定；法蘭軸與小軸外套徑向固定，固定后的二者可在腕部襯套內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)法蘭軸內(nèi)的驅(qū)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)塊與第五光碼盤軸機(jī)械連接，從而驅(qū)動(dòng)第五光碼盤軸，產(chǎn)生X方向的輸出量；故手握驅(qū)動(dòng)第七光碼盤，通過第七光碼盤固定的鞍形架間接帶動(dòng)法蘭軸，實(shí)現(xiàn)X方向的運(yùn)動(dòng)。
Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于整個(gè)腕部機(jī)構(gòu)吊裝于腕部U形架上；又由于腕部U形架通過薄外過渡盤與套筒法蘭機(jī)械連接；套筒法蘭上端與小臂間通過小襯套固定，套筒法蘭的內(nèi)部架于第二止推軸承上，第二止推軸承與小臂徑向固定，從而可以實(shí)現(xiàn)套筒法蘭與小臂的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；小臂固定在肘部U形座上。故手握驅(qū)動(dòng)第七光碼盤，通過第七光碼盤固定的鞍形架間接驅(qū)動(dòng)腕部U形架，實(shí)現(xiàn)Y方向的運(yùn)動(dòng)。
Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于第七光碼盤通過薄外過渡盤固定在鞍形架上，鞍形架固定在空心軸套上，空心軸套與滾動(dòng)錐套相對(duì)軸向固定，通過滾動(dòng)錐套與滾動(dòng)套筒間的滾珠可以實(shí)現(xiàn)二者之間的滾動(dòng)；空心軸套前端固定安裝有大齒輪，腕部支撐塊下方裝有支架，第六光碼盤安裝在支架上，小齒輪置于大齒輪的正下方并安裝在第六光碼盤軸上，大齒輪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)小齒輪，從而驅(qū)動(dòng)第六光碼盤；故手握驅(qū)動(dòng)第七光碼盤，通過第七光碼盤固定的鞍形架驅(qū)動(dòng)空心軸套，實(shí)現(xiàn)Z方向的運(yùn)動(dòng)。
手指開合的運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于空心指套固定在空心軸套上；轉(zhuǎn)子指套固定在軸套上，軸套固定在力矩電機(jī)軸上，力矩電機(jī)機(jī)身用一對(duì)半圓襯套抱住，徑向固定住力矩電機(jī)，半圓襯套與空心軸套相對(duì)固定；故空心指套與力矩電機(jī)相對(duì)固定；手指開合時(shí)，拇指控制空心指套，使之固定，食指控制轉(zhuǎn)子指套使之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子指套帶動(dòng)軸套，軸套上有螺尾銷，撥動(dòng)從動(dòng)法蘭，從動(dòng)法蘭帶動(dòng)第七光碼盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指開合運(yùn)動(dòng)。
臂部繞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，是用以實(shí)現(xiàn)位置的調(diào)整。實(shí)現(xiàn)軀干機(jī)構(gòu)位置調(diào)整時(shí)，由于整個(gè)腕部與小臂軸向固定，小臂與大臂連接，大臂與肩部U形座連接；肩部U形座與中心軸固定，中心軸通過架在中心軸套上的第一止推軸承，可以實(shí)現(xiàn)中心軸與中心軸套之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；中心軸套機(jī)械連接于中心支撐上；故操作者操作通過移動(dòng)腕部，帶動(dòng)小臂、大臂、肩部U形座、中心軸實(shí)現(xiàn)與中心軸套和中心軸套的轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)軀干結(jié)構(gòu)的位置調(diào)整。
實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的位置調(diào)整時(shí)，由于整個(gè)腕部與小臂軸向固定，小臂與肘部U形座固定，肘部U形座與肘部支撐塊可以通過肘部襯套實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，肘部支撐塊與大臂通過法蘭固定連接；故操作者操作通過移動(dòng)腕部，帶動(dòng)小臂、肘部U形座實(shí)現(xiàn)與大臂的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的位置調(diào)整。
實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的位置調(diào)整時(shí)，由于整個(gè)腕部與小臂軸向固定，小臂通過肘關(guān)節(jié)與大臂連接，大臂通過法蘭與肩部支撐塊固定，肩部支撐塊與肩部U形座可以通過肩部襯套實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故操作者操作通過移動(dòng)腕部，帶動(dòng)小臂、大臂實(shí)現(xiàn)與肩部U形座的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的位置調(diào)整。此時(shí)，用于平衡腕部重量與大臂產(chǎn)生力矩、減輕操作手部分的負(fù)擔(dān)的平衡裝置，通過固定在肩部支撐塊上的弧形板、固定在肩部U形座上的法蘭短管、外裝有彈簧的挺桿、固定連接于挺桿上端與弧形板上端的鋼絲，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平衡。
本發(fā)明具有夾持力感覺的主操作手主要應(yīng)用于顯微外科、微創(chuàng)外科、耳鼻喉外科、神經(jīng)外科等虛擬手術(shù)或機(jī)器人輔助外科手術(shù)操作中。
以上對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式的描述是示意性的，沒有限制性。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，做出其它實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，中心支撐機(jī)構(gòu)頂端依次設(shè)置有軀干機(jī)構(gòu)、肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手指開合機(jī)構(gòu)和平衡裝置；所述軀干機(jī)構(gòu)包括與中心支撐頂端機(jī)械連接的中心軸套，所述中心軸套內(nèi)部裝有中心軸，所述中心軸外部套裝有固定于中心軸套上的大襯套，中心軸末端設(shè)置有主動(dòng)法蘭，所述主動(dòng)法蘭上設(shè)置有銷軸，所述第一光碼盤設(shè)置于中心支撐上，第一光碼盤軸上設(shè)置有從動(dòng)法蘭，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定，所述中心軸上部與中心軸套之間固定有第一止推軸承，第一止推軸承下端支撐在大襯套上；所述肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括與所述中心軸頂端固定連接的肩部U形座，所述肩部U形座通過肩部襯套與肩部支撐塊相連接，所述肩部襯套內(nèi)部設(shè)置有水平軸，所述水平軸固定于肩部支撐塊內(nèi)部，水平軸前端設(shè)置有大軸外套，所述大軸外套內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第二光碼盤固定于肩部U形座上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第二光碼盤軸機(jī)械固定；所述大臂機(jī)構(gòu)一端固定于肩部支撐塊上，另一端固定于肘部支撐塊上；所述肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括與肘部支撐塊通過肘部襯套相連接的肘部U形座，所述肘部襯套內(nèi)部設(shè)置有水平軸，所述水平軸固定于肘部支撐塊內(nèi)部，其前端設(shè)置有大軸外套，所述大軸外套內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第三光碼盤固定于肘部U形座上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第三光碼盤軸機(jī)械固定；所述平衡裝置由固定于肩部支撐塊上的弧形板、固定在肩部U形座上的法蘭短管、外裝有彈簧的挺桿、固連于挺桿上端和弧形板上端的鋼絲構(gòu)成；所述小臂機(jī)構(gòu)包括固定于肘部U形座上的小臂，所述小臂外部套裝有小襯套，所述小襯套外部套裝有套筒法蘭，所述套筒法蘭通過外過渡薄盤與腕部U形架機(jī)械連接；所述小臂末端設(shè)置有主動(dòng)法蘭，所述主動(dòng)法蘭上設(shè)置有銷軸，所述第四光碼盤設(shè)置于外過渡薄盤上，第四光碼盤軸上設(shè)置有從動(dòng)法蘭，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定，所述套筒法蘭內(nèi)環(huán)面與第二止推軸承的上表面相抵，第二止推軸承的下表面通過小臂上的彈性擋圈固定；所述腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)通過腕部襯套吊裝在腕部U形架上，由法蘭軸與小軸外套徑向固定，所述法蘭軸內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)塊，所述第五光碼盤通過外過渡厚盤設(shè)置于腕部U形架上，所述驅(qū)動(dòng)塊與第五光碼盤軸機(jī)械固定；所述腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由法蘭軸將機(jī)身襯套、空心軸套、滾動(dòng)錐套、滾動(dòng)套筒與腕部支撐塊軸向固定，所述空心軸套內(nèi)部設(shè)置有機(jī)身襯套，所述機(jī)身襯套環(huán)抱力矩電機(jī)機(jī)身，所述滾動(dòng)套筒與滾動(dòng)錐套內(nèi)部通過鋼珠固定，所述空心軸套前端機(jī)械連接有大齒輪，所述空心軸套后端套裝有內(nèi)螺紋套，所述腕部支撐塊下設(shè)置有支架，所述第六光碼盤固定連接在支架上，所述小齒輪固定安裝在第六光碼盤軸上，所述大齒輪下設(shè)置有小齒輪；所述手指開合機(jī)構(gòu)包括固定于空心軸套上的空心指套，所述力矩電機(jī)軸上設(shè)置有軸套，所述軸套上設(shè)置有轉(zhuǎn)子指套，所述空心軸套設(shè)置有鞍形架，所述第七光碼盤固定于鞍形架上，所述第七光碼盤的軸上固定有從動(dòng)法蘭，所述軸套上設(shè)置有銷軸，所述銷軸與從動(dòng)法蘭機(jī)械固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述銷軸為螺尾銷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述第五光碼盤設(shè)置于腕部U形架的任一側(cè)面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述機(jī)身襯套為兩個(gè)半圓襯套。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述第一光碼盤與中心支撐之間設(shè)置有外過渡薄盤。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述第二光碼盤與肩部U形座之間設(shè)置有外過渡薄盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述第三光碼盤與肘部U形座之間設(shè)置有外過渡薄盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述第七光碼盤與鞍形架之間設(shè)置有外過渡薄盤。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述大臂與肩部支撐塊或肘部支撐塊之間設(shè)置有法蘭。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾持力感覺的主操作手，其特征在于，所述滾動(dòng)錐套與空心軸套之間設(shè)置有調(diào)整墊圈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有夾持力感覺的主操作手，中心支撐機(jī)構(gòu)頂端依次設(shè)置有軀干機(jī)構(gòu)、肩部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、肘部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手指開合機(jī)構(gòu)和平衡裝置。該主操作手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有7個(gè)自由度，操作輕便靈活，可以輕松地到達(dá)規(guī)定操作空間中的任意一個(gè)點(diǎn)，完成拉線、持針、縫合等多種動(dòng)作，并具有夾持力感覺功能。該系統(tǒng)對(duì)于有效抑制操作過程中人手的顫抖，提高手術(shù)的成功率具有重要價(jià)值，主要應(yīng)用于顯微外科、微創(chuàng)外科、耳鼻喉外科、神經(jīng)外科等虛擬手術(shù)或機(jī)器人輔助外科手術(shù)操作中。
文檔編號(hào)B25J9/06GK1634685SQ20051001300
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2005年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月5日
發(fā)明者王樹新, 李群智, 丁杰男, 贠今天, 劉治平 申請(qǐng)人:天津大學(xué)