一体式双自由度连接结构及机械臂的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体地涉及一种一体式双自由度连接结构及机械臂。

背景技术：

2.微创手术因创口小、疼痛轻、出血少及术后恢复快等优点，得到广泛使用，可以作为一种代替人工的有效手段。在微创外科手术中，经常需要医生手动进行组织的切割、剥离、缝合等，对于一些复杂的外科手术，需要医生长时间站立并手持微型手术器械进行手术，医生很容易疲劳，从而影响手术的质量。因此，手术机器人是一种有效的替代手段。
3.为了保证手术机器人的操作稳定性，手术机器人的术前准备工作较为繁琐，就末端执行器械的术前定位来说，需根据手术类别、患者的高矮胖瘦等诸多因素，进行特定的术前定位摆放，以满足手术的操作需求。
4.目前现有的手术机器人末端器械的的术前摆位顺序，一般都是通过底盘驱动、立柱及横梁三组大关节进行手术前的三维空间的预摆位，而后通过几组小关节的伸缩、升降、回转进行小范围调整。市面上的手术机器人，多采用单轴单独关节的设计，例如专利号201811169956 .9所揭示的一种手术机器人。在升降回转小关节的微调功能上，经常将其拆分成多节，关节较多则会使机械臂占用较多的空间，从而导致医生难以操作，同时减少机械臂有效活动空间，缩小执行器械的有效活动空间，甚至存在机械臂之间或执行器械之间发生干涉的现象。
5.因此，需要更加简洁灵活的机械臂来进行灵活操作。

技术实现要素：

6.本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种一体式双自由度连接结构及机械臂。
7.本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
8.一体式双自由度连接结构，包括基座，所述基座内置有同轴相连的升降机构和回转机构，所述升降机构包括升降筒和驱动所述升降筒沿所述基座做竖直方向移动的升降驱动组件，所述升降驱动组件包括传动连接的伺服电机和传动丝杆，所述伺服电机内置于所述升降筒，所述传动丝杆设置于所述升降筒与基座之间；所述回转机构包括回转筒和驱动所述回转筒做水平自转的回转驱动组件，所述升降筒的底部固接有内部中空的连接筒，所述回转驱动组件设置于所述连接筒内并与所述回转筒传动连接。
9.优选的，所述伺服电机通过法兰与所述基座的顶部固接；所述传动丝杆的上下两端分别通过支撑座设置于所述基座的侧壁上，所述伺服电机和传动丝杆的顶部分别设置有一同步轮，所述同步轮之间通过同步带传动连接，所述升降筒的背面设置有凸台，所述凸台内置有与所述传动丝杆螺接的旋转螺母，所述伺服电机驱动所述传动丝杆旋转，所述传动丝杆通过旋转螺母驱动所述升降筒竖直移动。
10.优选的，所述基座的顶部设置有用于容置所述法兰的容置槽，所述容置槽与所述同步带垂直的边侧上设置有螺钉调节台，所述法兰的边侧设置有与螺钉调节台相匹配的螺纹口，所述螺钉调节台和螺纹口之间螺接有调节螺钉，所述调节螺钉通过转动来调节所述法兰与所述传动丝杆之间的间距。
11.优选的，所述基座的侧壁上下部分别设置有上感应限位和下感应限位，所述凸台上设置有感应片，所述感应片与所述上感应限位或下感应限位相感应时触发控制所述升降筒停止的停止信号。
12.优选的，所述升降筒的背面上下部分别设置有上止动凸部和下止动凸部，所述上止动凸部或下止动凸部通过与所述支撑座抵接来限制所述升降筒的移动。
13.优选的，所述升降筒的背面设置有一组滑块，所述基座内设置有与之同向延伸的导向滑轨，所述升降筒通过所述滑块沿所述导向滑轨滑动。
14.优选的，所述回转驱动组件包括轴承、轴承座和压紧法兰，所述回转筒与轴承座固接，所述轴承座的外壁与所述轴承的内壁紧贴合，所述压紧法兰与所述连接筒的底部固接，且所述轴承的外壁与所述连接筒的内壁紧贴合，使得所述回转筒可相对于所述连接筒做水平自转。
15.优选的，所述回转驱动组件包括制动器和谐波减速机，所述制动器与所述连接筒的顶部内端面固接，所述谐波减速机的输出端与所述回转筒的上端面固接，其输入端与所述制动器固接。
16.优选的，所述回转驱动组件还包括位置反馈机构，所述位置反馈机构包括通轴和编码器，所述编码器固设于升降筒的底部，所述通轴的两端分别与所述编码器、回转筒固接。
17.优选的，所述通轴的内部中空，其顶部套设有锁紧套，所述锁紧套与所述编码器上的锁紧螺钉锁紧以将所述通轴与所述编码器固接。
18.一体式双自由度连接结构，包括基座，所述基座内置有同轴相连的升降机构和回转机构，所述升降机构包括升降筒和驱动所述升降筒沿所述基座做竖直方向移动的升降驱动组件，所述升降驱动组件包括传动连接的伺服电机和传动丝杆，所述伺服电机内置于所述升降筒，所述传动丝杆设置于所述升降筒与基座之间，所述升降筒的背面设置有沿所述传动丝杆移动的凸台，所述凸台上设置有感应片，所述基座的侧壁设置有与所述感应片相匹配的上感应限位和下感应限位，以限定所述升降筒的移动范围；所述回转机构包括回转筒和驱动所述回转筒做水平自转的回转驱动组件，所述升降筒的底部固接有内部中空的连接筒，所述回转筒与所述连接筒枢轴连接，所述连接筒内置有用于制动所述回转筒的制动器、谐波减速机，所述升降筒的底部设置有用于位置反馈的编码器，所述编码器通过通轴连接所述回转筒，所述回转筒的底部连接有弯头。
19.机械臂，包括如上所述的一体式双自由度连接结构和末端执行器械臂，所述回转筒的底部连接有弯头，所述弯头连接所述末端执行器械臂。
20.本实用新型的有益效果主要体现在：
21.1、在基座内同轴设置升降机构和回转机构，形成直筒式设计，精简结构，通过连接筒将二者连接成一体，无需多关节设计，在连接筒内部设置回转驱动组件来精简纵向空间，使得结构连接更加紧凑，通过弯头连接末端执行器械臂，通过小范围内的升降回转来满足
覆盖手术所需区域，极大节约了运行空间，避免与末端执行器械臂之间产生干涉；
22.2、在升降筒的背面设置感应片和上、下感应限位来限定所述升降筒的升降范围，并设置上、下止动凸部来做硬限位，与感应限位形成双重保险，保证升降筒的正常运行；
23.3、伺服电机通过法兰连接于基座上，法兰可通过螺钉调节台和螺纹口来调节其相对基座的具体位置，来调节两个同步轮之间的间距，保证同步带保持拉紧状态，来实现传动连接的稳定性，降低制造难度和精度要求，提高安装灵活性；
24.4、设置制动器和谐波减速器来提供较大的保持力矩，谐波减速器可以按照减速比等比例缩小所需的制动力矩，使得制动器可以通过较小的力矩就可以快速实现制动，保证制动回转筒的稳定性和精准性；
25.5、编码器通过通轴来实现对回转筒的转动角度的实时读取，并反馈给上位机，来实现对末端执行器械臂的精准控制，同时通轴内部中空，可以满足内部走线需求。
附图说明
26.下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
27.图1：本实用新型实施例的示意图；
28.图2：本实用新型实施例的爆炸示意图；
29.图3：本实用新型实施例的后视图；
30.图4：本实用新型实施例的部分示意图；
31.图5：本实用新型实施例中升降筒的示意图；
32.图6：本实用新型实施例中编码器的示意图。
具体实施方式
33.以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限于本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。
34.在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。
35.如图1至图6所示，本实用新型揭示了一种一体式双自由度连接结构，包括基座1，所述基座1内置有同轴相连的升降机构和回转机构，所述升降机构包括升降筒201和驱动所述升降筒201沿所述基座1做竖直方向移动的升降驱动组件，所述升降驱动组件包括传动连接的伺服电机202和传动丝杆203，所述伺服电机202内置于所述升降筒201，所述传动丝杆203设置于所述升降筒201与基座1之间；所述回转机构包括回转筒301和驱动所述回转筒301做水平自转的回转驱动组件，所述升降筒201的底部固接有内部中空的连接筒4，所述回转驱动组件设置于所述连接筒4内并与所述回转筒301传动连接。
36.本实用新型在所述基座1内同轴设置升降机构和回转机构，形成直筒式设计，无需
多关节设计，精简结构，并通过所述连接筒4将二者连接成一体，通过小范围内的升降回转来满足覆盖手术所需区域，极大节约了运行空间，避免与末端执行器械臂之间产生干涉。在优选实施例中，所述升降筒201、连接筒4和回转筒301的外径保持一致，来保证轴向距离上的一致性。
37.具体的如图1-4所示，所述伺服电机202通过法兰204与所述基座1的顶部固接；所述传动丝杆203的上下两端分别通过支撑座205设置于所述基座1的侧壁上，所述伺服电机202和传动丝杆203的顶部分别设置有一同步轮206，所述同步轮206之间通过同步带207传动连接，所述升降筒201的背面设置有凸台209，所述凸台209内置有与所述传动丝杆203螺接的旋转螺母（图中未示出），所述伺服电机202驱动所述传动丝杆203旋转，所述传动丝杆203通过旋转螺母驱动所述升降筒201竖直移动。
38.如图4所示，所述基座1的顶部设置有用于容置所述法兰204的容置槽101，所述容置槽101与所述同步带207垂直的边侧上设置有螺钉调节台601，所述法兰204的边侧设置有与螺钉调节台601相匹配的螺纹口602，所述螺钉调节台601和螺纹口602之间螺接有调节螺钉（图中未示出），所述调节螺钉通过转动来调节所述法兰204与所述传动丝杆203之间的间距。这样的结构设置使得所述法兰204可调节其相对所述基座1的具体位置，从来带动所述伺服电机202的位置调节，来达到调节两个同步轮206之间的中心间距，保证所述同步轮206外部套设的所述同步带207保持拉紧状态，来实现所述伺服电机202和传动丝杆203之间传动连接的可靠性和稳定性，并且可以消除制造公差，降低制造难度和精度要求，提高所述法兰204安装的灵活性。
39.如图2、3、5所示，所述基座1的侧壁上下部分别设置有上感应限位210和下感应限位211，所述凸台209上设置有感应片212，所述感应片212与所述上感应限位210或下感应限位211相感应时触发控制所述升降筒201停止的停止信号。所述上感应限位210限定所述凸台209的上端限制位，所述下感应限位211限定所述凸台209的下端限制位，所述上感应限位210和下感应限位211共同限定所述升降筒201的升降范围。
40.进一步的，所述升降筒201的背面上下部分别设置有上止动凸部213和下止动凸部214，所述上止动凸部213或下止动凸部214通过与所述支撑座205抵接来限制所述升降筒201的移动。所述上止动凸部213和下止动凸部214与所述支撑座205的抵接形成硬性限位，来与所述上感应限位210和下感应限位211的感应限位形成双重保险，保证所述升降筒201的正常运行，防止所述上感应限位210和下感应限位211的感应失效造成所述升降筒201的失控，保证升降筒201的运行稳定性。
41.为了进一步提高所述升降筒201移动的稳定性，所述升降筒201的背面设置有一组滑块215，所述基座1内设置有与之同向延伸的导向滑轨216，所述升降筒201通过所述滑块215沿所述导向滑轨216滑动。
42.如图2所示，所述回转驱动组件包括轴承302、轴承座303和压紧法兰304，所述回转筒301与轴承座303固接，所述轴承座303的外壁与所述轴承302的内壁紧贴合，所述压紧法兰304与所述连接筒4的底部固接，且所述轴承302的外壁与所述连接筒4的内壁紧贴合，使得所述回转筒301可相对于所述连接筒4做水平自转。具体的，所述轴承座303通过螺钉固设于所述回转筒301的上端部，所述回转筒301可进行360
°
回转。
43.进一步的，所述回转驱动组件包括制动器305和谐波减速机306，所述制动器305与
所述连接筒4的顶部内端面固接，所述谐波减速机306的输出端与所述回转筒301的上端面固接，其输入端与所述制动器305固接。所述制动器305和谐波减速机306组成制动系统，所述制动器305的制动力矩与其尺寸规格成正比，将所述制动器305与谐波减速机306相结合设置，可以通过谐波减速机306放大所述制动器305的制动力矩，使得所需的制动力矩安装减速比等比例缩小，从而较小的制动器305的制动力矩即可满足制动需求，达到放大所述制动力矩的目的，既满足制动需求又保证制动稳定性和可靠性。所述制动器305的控制开关（图中未示出）设置于末端执行器械臂（图中未示出）的壳体上，在操作时只需按下所述控制开关的同时进行左右摇摆，即可放大回转力臂，使得仅需很小的力即可完成操作，进行制动。
44.如图2、6所示，所述回转驱动组件还包括位置反馈机构，所述位置反馈机构包括通轴307和编码器308，所述编码器308固设于所述升降筒201的底部，所述通轴307的两端分别与所述编码器308、回转筒301固接。所述位置反馈机构的设置使得可以实时反馈所述回转筒301的转动角度给上位机，来提高控制的精准性。
45.进一步的，所述通轴307的内部中空，其顶部套设有锁紧套309，所述锁紧套309与所述编码器308上的锁紧螺钉3081锁紧以将所述通轴307与所述编码器308固接。所述通轴307的内部中空结构可以便于内部走线，精简设备结构。
46.此外，本实用新型还揭示了一种机械臂，包括如上所述的一体式双自由度连接结构和末端执行器械臂，所述回转筒301的底部连接有弯头5，所述弯头5连接所述末端执行器械臂。
47.应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
48.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一体式双自由度连接结构，其特征在于：包括基座（1），所述基座（1）内置有同轴相连的升降机构和回转机构，所述升降机构包括升降筒（201）和驱动所述升降筒（201）沿所述基座（1）做竖直方向移动的升降驱动组件，所述升降驱动组件包括传动连接的伺服电机（202）和传动丝杆（203），所述伺服电机（202）内置于所述升降筒（201），所述传动丝杆（203）设置于所述升降筒（201）与基座（1）之间；所述回转机构包括回转筒（301）和驱动所述回转筒（301）做水平自转的回转驱动组件，所述升降筒（201）的底部固接有内部中空的连接筒（4），所述回转驱动组件设置于所述连接筒（4）内并与所述回转筒（301）传动连接。2.根据权利要求1所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述伺服电机（202）通过法兰（204）与所述基座（1）的顶部固接；所述传动丝杆（203）的上下两端分别通过支撑座（205）设置于所述基座（1）的侧壁上，所述伺服电机（202）和传动丝杆（203）的顶部分别设置有一同步轮（206），所述同步轮（206）之间通过同步带（207）传动连接，所述升降筒（201）的背面设置有凸台（209），所述凸台（209）内置有与所述传动丝杆（203）螺接的旋转螺母，所述伺服电机（202）驱动所述传动丝杆（203）旋转，所述传动丝杆（203）通过旋转螺母驱动所述升降筒（201）竖直移动。3.根据权利要求2所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述基座（1）的顶部设置有用于容置所述法兰（204）的容置槽（101），所述容置槽（101）与所述同步带（207）垂直的边侧上设置有螺钉调节台（601），所述法兰（204）的边侧设置有与螺钉调节台（601）相匹配的螺纹口（602），所述螺钉调节台（601）和螺纹口（602）之间螺接有调节螺钉，所述调节螺钉通过转动来调节所述法兰（204）与所述传动丝杆（203）之间的间距。4.根据权利要求2所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述基座（1）的侧壁上下部分别设置有上感应限位（210）和下感应限位（211），所述凸台（209）上设置有感应片（212），所述感应片（212）与所述上感应限位（210）或下感应限位（211）相感应时触发控制所述升降筒（201）停止的停止信号。5.根据权利要求4所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述升降筒（201）的背面上下部分别设置有上止动凸部（213）和下止动凸部（214），所述上止动凸部（213）或下止动凸部（214）通过与所述支撑座（205）抵接来限制所述升降筒（201）的移动。6.根据权利要求2所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述升降筒（201）的背面设置有一组滑块（215），所述基座（1）内设置有与之同向延伸的导向滑轨（216），所述升降筒（201）通过所述滑块（215）沿所述导向滑轨（216）滑动。7.根据权利要求1所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述回转驱动组件包括轴承（302）、轴承座（303）和压紧法兰（304），所述回转筒（301）与轴承座（303）固接，所述轴承座（303）的外壁与所述轴承（302）的内壁紧贴合，所述压紧法兰（304）与所述连接筒（4）的底部固接，且所述轴承（302）的外壁与所述连接筒（4）的内壁紧贴合，使得所述回转筒（301）可相对于所述连接筒（4）做水平自转。8.根据权利要求7所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述回转驱动组件包括制动器（305）和谐波减速机（306），所述制动器（305）与所述连接筒（4）的顶部内端面固接，所述谐波减速机（306）的输出端与所述回转筒（301）的上端面固接，其输入端与所述制动器（305）固接。9.根据权利要求8所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述回转驱动组件还
包括位置反馈机构，所述位置反馈机构包括通轴（307）和编码器（308），所述编码器（308）固设于所述升降筒（201）的底部，所述通轴（307）的两端分别与所述编码器（308）、回转筒（301）固接。10.根据权利要求9所述的一体式双自由度连接结构，其特征在于：所述通轴（307）的内部中空，其顶部套设有锁紧套（309），所述锁紧套（309）与所述编码器（308）上的锁紧螺钉（3081）锁紧以将所述通轴（307）与所述编码器（308）固接。11.一体式双自由度连接结构，其特征在于：包括基座（1），所述基座（1）内置有同轴相连的升降机构和回转机构，所述升降机构包括升降筒（201）和驱动所述升降筒（201）沿所述基座（1）做竖直方向移动的升降驱动组件，所述升降驱动组件包括传动连接的伺服电机（202）和传动丝杆（203），所述伺服电机（202）内置于所述升降筒（201），所述传动丝杆（203）设置于所述升降筒（201）与基座（1）之间，所述升降筒（201）的背面设置有沿所述传动丝杆（203）移动的凸台（209），所述凸台（209）上设置有感应片（212），所述基座（1）的侧壁设置有与所述感应片（212）相匹配的上感应限位（210）和下感应限位（211），以限定所述升降筒（201）的移动范围；所述回转机构包括回转筒（301）和驱动所述回转筒（301）做水平自转的回转驱动组件，所述升降筒（201）的底部固接有内部中空的连接筒（4），所述回转筒（301）与所述连接筒（4）枢轴连接，所述连接筒（4）内置有用于制动所述回转筒（301）的制动器（305）、谐波减速机（306），所述升降筒（201）的底部设置有用于位置反馈的编码器（308），所述编码器（308）通过通轴（307）连接所述回转筒（301），所述回转筒（301）的底部连接有弯头（5）。12.机械臂，其特征在于：包括如权利要求1-10任一所述的一体式双自由度连接结构和末端执行器械臂，所述回转筒（301）的底部连接有弯头（5），所述弯头（5）连接所述末端执行器械臂。

技术总结

本实用新型揭示了一种一体式双自由度连接结构及机械臂，包括基座，基座内置有同轴相连的升降机构和回转机构，升降机构包括升降筒和驱动升降筒沿基座做竖直方向移动的升降驱动组件，升降驱动组件包括传动连接的伺服电机和传动丝杆，伺服电机内置于升降筒，传动丝杆设置于升降筒与基座之间；回转机构包括回转筒和驱动回转筒做水平自转的回转驱动组件，升降筒的底部固接有内部中空的连接筒，回转驱动组件设置于连接筒内并与回转筒传动连接。本方案将升降机构和回转机构连接成一体，极大的节约了手术器械臂的空间需求，安装方便、传动稳定、制动可靠、操作简便、结构紧凑，定位精准，能有效避免器械臂之间的干涉，满足使用需求。满足使用需求。满足使用需求。