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申请/专利权人：山东威高手术机器人有限公司

摘要：本发明涉及一种具有平衡结构的器械机械臂，其解决了现有微创手术机器人系统中器械机械臂的驱动电机负载过高，影响关节运动精度和降低驱动电机寿命的技术问题，其包括L型臂杆和第一连杆、驱动电机、第一驱动轮、第二驱动轮、传动杆、气弹簧、曲柄连杆和驱动转轴，倒L型臂杆设有水平部和竖直部，驱动电机与倒L型臂杆的水平部连接，第一驱动轮与驱动电机的输出轴固定连接，驱动转轴通过轴承与倒L型臂杆的竖直部转动连接，第一连杆与驱动转轴的一端固定连接，驱动转轴的另一端与第二驱动轮固定连接；传动杆的一端与第一驱动轮铰接，另一端与第二驱动轮铰接；气弹簧与倒L型臂杆的竖直部连接，气弹簧设有活塞杆。本发明广泛用于医疗器械技术领域。

主权项：1.一种具有平衡结构的器械机械臂，包括倒L型臂杆和第一连杆，其特征在于，所述具有平衡结构的器械机械臂还包括驱动电机、第一驱动轮、第二驱动轮、传动杆、气弹簧、曲柄连杆和驱动转轴，所述倒L型臂杆设有水平部和竖直部，所述驱动电机与倒L型臂杆的水平部连接，所述第一驱动轮与驱动电机的输出轴固定连接，所述驱动转轴通过轴承与倒L型臂杆的竖直部转动连接，所述第一连杆与驱动转轴的一端固定连接，所述驱动转轴的另一端与第二驱动轮固定连接；所述传动杆的一端与第一驱动轮铰接，另一端与第二驱动轮铰接；所述气弹簧与倒L型臂杆的竖直部连接，气弹簧设有活塞杆；所述曲柄连杆的一端与活塞杆铰接，另一端与第二驱动轮铰接，所述曲柄连杆和第二驱动轮之间的铰接位置与传动杆和第二驱动轮之间的铰接位置相同。

全文数据：具有平衡结构的器械机械臂技术领域本发明涉及微创外科手术机器技术领域，具体而言，涉及一种具有平衡结构的器械机械臂。背景技术参考申请公布号为CN109091237A、名称为微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。参考申请公布号为CN109091238A、名称为分体式微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，微创外科手术机器人系统包括医生操作台，外科医生通过操作医生机械臂来精准地控制患者操作台的器械机械臂上的一个或多个手术器械执行各种手术动作。外科手术器械是外科手术操作的必备工具，其可以执行不同功能，包括夹持、切除、切割、缝合、吻合等。外科手术器械具有不同的配置，其包括执行末端，腕节、器械杆、器械盒等，外科手术器械被插入，穿过开口，以实施远程外科手术。然而，器械机械臂为串联结构，位于机械臂后部的旋转关节承受很高转矩，驱动电机负载较高。手术过程中，电机需要控制旋转关节频繁启停、正反旋转，过高的负载，会降低驱动电机寿命和关节运动精度，延迟系统响应时间。因此，如何降低驱动电机的负载，提高驱动电机的寿命和关节运动精度，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。发明内容本发明就是为了解决现有微创手术机器人系统中器械机械臂的驱动电机负载过高，影响关节运动精度和降低驱动电机寿命的技术问题，提供了一种降低驱动电机的负载，提高驱动电机的寿命和关节运动精度的具有平衡结构的器械机械臂。本发明提供一种具有平衡结构的器械机械臂，包括L型臂杆和第一连杆，具有平衡结构的器械机械臂还包括驱动电机、第一驱动轮、第二驱动轮、传动杆、气弹簧、曲柄连杆和驱动转轴，倒L型臂杆设有水平部和竖直部，驱动电机与倒L型臂杆的水平部连接，第一驱动轮与驱动电机的输出轴固定连接，驱动转轴通过轴承与倒L型臂杆的竖直部转动连接，第一连杆与驱动转轴的一端固定连接，驱动转轴的另一端与第二驱动轮固定连接；传动杆的一端与第一驱动轮铰接，另一端与第二驱动轮铰接；气弹簧与倒L型臂杆的竖直部连接，气弹簧设有活塞杆；曲柄连杆的一端与活塞杆铰接，另一端与第二驱动轮铰接。优选地，曲柄连杆和第二驱动轮之间的铰接位置与传动杆和第二驱动轮之间的铰接位置相同。本发明的有益效果是，能够对旋转关节进行有效地平衡，降低驱动电机的负载，提高驱动电机的寿命，提高关节运动精度。此外，还具有成本低、体积小、可靠性高的优势。本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。附图说明图1是患者操作台的结构示意图；图2是器械机械臂连接座、横梁和立柱的连接关系图；图3是图1所示结构中第一连杆和倒L型臂杆之间旋转关节的示意图；图4是图3所示旋转关节在θ角度位置处的受力分析图。图中符号说明：1.器械机械臂连接座，2.第一器械机械臂，201.倒L型臂杆，202.第一连杆，203.第二连杆，204.器械连接座，205.手术器械，206.驱动电机，207.第一驱动轮，207-1.轴线一，208.第二驱动轮，208-1.轴线二，209.传动杆，210.气弹簧，210-1.活塞杆，210-2.轴线三，211.曲柄连杆，212.驱动转轴；3.第二器械机械臂，4.横梁，5.立柱，6.第一滑杆，7.被动连杆I，8.被动连杆II，9.从端基座，D表示重心。具体实施方式以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图1-3所示，患者操作台包括立柱5、横梁4、器械机械臂连接座1、器械机械臂连接座、第一器械机械臂2、第二器械机械臂3，立柱5放置在地面上，横梁4与立柱5连接，器械机械臂连接座1与横梁4连接。第一滑杆6与器械机械臂连接座1滑动连接，被动连杆I7的一端旋转地安装在第一滑杆6的底端，其旋转轴线与重力方向一致；被动连杆II8的一端旋转地安装在被动连杆I7的另一端，其旋转轴线与重力方向一致；从端基座9的一端固定地安装在被动连杆II8的另一端；第一器械机械臂2包括倒L型臂杆201、第一连杆202、第二连杆203、器械连接座204、手术器械205、驱动电机206、第一驱动轮207、第二驱动轮208、传动杆209、气弹簧210、曲柄连杆211、驱动转轴212，倒L型臂杆201的水平上部旋转地安装在从端基座9的另一端，其旋转轴线与重力方向一致，第一连杆202的一端与倒L型臂杆201的竖直下部转动连接，第二连杆203的一端与第一连杆202的另一端转动连接，器械连接座204的一端与第二连杆203的另一端转动连接，手术器械205与器械连接座204连接。第一连杆202、第二连杆203和器械连接座204能够以倒L型臂杆201的竖直部分为基准收拢和展开，图1显示第一连杆202、第二连杆203和器械连接座204处于展开状态，器械连接座204与第一连杆202相互平行，第二连杆203与倒L型臂杆201的竖直部分相互平行。驱动电机206安装在倒L型臂杆201的水平部分上，第一驱动轮207与驱动电机206的输出轴固定连接，第一驱动轮207可随驱动电机206的输出轴的转动而绕轴线一207-1转动并输出转矩；驱动转轴212通过轴承与倒L型臂杆201的竖直部分的下端转动连接，第一连杆202的一端与驱动转轴212的一端固定连接，驱动转轴212的另一端与第二驱动轮208固定连接，第二驱动轮208能够绕轴线二208-1转动；传动杆209的一端与第一驱动轮207铰接，另一端与第二驱动轮208铰接，构成平行四边形机构,这样就将驱动电机206的输出转矩同步的传输到驱动转轴212上，从而带动第一连杆202转动；气弹簧210的缸体固定安装在倒L型臂杆201的竖直部分上，气弹簧210设有活塞杆210-1，曲柄连杆211的一端与活塞杆210-1铰接，另一端与第二驱动轮208铰接；曲柄连杆211和第二驱动轮208之间的铰接位置与传动杆209和第二驱动轮208之间的铰接位置相同；第二驱动轮208绕轴线二208-1转动的同时带动曲柄连杆211运动，活塞杆210-1随曲柄连杆211的运动而沿轴线三210-2在气弹簧缸体内做往复直线运动。气弹簧的缸体、活塞杆以及曲柄连杆三者构成对心曲柄滑块机构。第二器械机械臂3的结构与第一器械机械臂2的结构相同，第二器械机械臂3和器械机械臂连接座1的连接方式与第一器械机械臂2的安装方式相同。需要说明的是，第一器械机械臂2也可以直接和第一滑杆6连接，或者第一器械机械臂2直接与器械机械臂连接座1连接。需要说明的是，手术器械205也可以直接安装在第一连杆202上，第一连杆202转动直接调整手术器械205的位置。参考图4所示，关节转动过程中，作用于驱动转轴212的力矩满足：M第一连杆-M曲柄连杆＝M传动杆。假设第一连杆202的重心D位于图示位置，其作用于驱动转轴212的力臂随转动角度而不断变化，M第一连杆也随之不断改变。曲柄连杆211作用于驱动转轴212的力臂随转动角度而不断变化，力随着活塞杆210-1伸缩量的改变而不断变化，M曲柄连杆因此也不断改变。图4显示机械臂旋转关节在θ角度位置处的受力分析图，设第一连杆202重力为G，气弹簧活塞杆的推力为F1，传动杆209的推力为F2，曲柄连杆211的推力为F3。第一连杆202的重力相对于驱动转轴212的力臂为R1，传动杆209推力相对于驱动转轴212的力臂为R2，曲柄连杆211的推力相对于驱动转轴212的力臂为R3。第一连杆202长度为DB，曲柄连杆211长度为AC，第二驱动轮208端面安装传动杆的半径为BC。曲柄连杆211与气弹簧活塞杆间的夹角为α。则M第一连杆＝G·R1＝G·DB·cosθ，M传动杆＝F2·R2＝F2·BC·cosθ，M曲柄连杆＝F3·R3＝F1·cosα·R3＝F1·BC·cosα·cosθ+α。因为M第一连杆-M曲柄连杆＝M传动杆，所以：G·DB·cosθ-F1·BC·cosα·cosθ+α＝F2·BC·cosθ。可以看出，M传动杆、M曲柄连杆均与θ有关，在关节转动过程中是不断变化的，可以和同样随关节转动而不断变化的M第一连杆有效地进行平衡。以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种具有平衡结构的器械机械臂，包括L型臂杆和第一连杆，其特征在于，所述具有平衡结构的器械机械臂还包括驱动电机、第一驱动轮、第二驱动轮、传动杆、气弹簧、曲柄连杆和驱动转轴，所述倒L型臂杆设有水平部和竖直部，所述驱动电机与倒L型臂杆的水平部连接，所述第一驱动轮与驱动电机的输出轴固定连接，所述驱动转轴通过轴承与倒L型臂杆的竖直部转动连接，所述第一连杆与驱动转轴的一端固定连接，所述驱动转轴的另一端与第二驱动轮固定连接；所述传动杆的一端与第一驱动轮铰接，另一端与第二驱动轮铰接；所述气弹簧与倒L型臂杆的竖直部连接，气弹簧设有活塞杆；所述曲柄连杆的一端与活塞杆铰接，另一端与第二驱动轮铰接。2.根据权利要求1所述的具有平衡结构的器械机械臂，其特征在于，所述曲柄连杆和第二驱动轮之间的铰接位置与传动杆和第二驱动轮之间的铰接位置相同。

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