专利名称：用于显微外科手术机器人中的机械臂的制作方法图1示出了本发明用于显微外科手术机器人中的机械臂的总体结构包括用于显微外科手术机器人中的机械臂，包括一端与支架部件1连接的用于实现直角坐标系内三个方向大范围初步定位的大臂部件2，所述大臂部件2的另一端设置有用于实现直角坐标系内三个方向的精确定位，以确保机器人手指在指定的工作范围内实现微小移动，达到重复定位的精调机构3和与精调机构3连接的用来夹持机器人手指，并实现手指两个方向姿态调整的小臂部件4。图2示出了所述支架部件1包括与底座101相连的柱体102，柱体102上部设置有调节机构103，所述调节机构103采用导轨和丝杠传动结构107，所述支架部件1中的底座101的下方设置有脚轮105；所述支架部件1中的调节机构103包括位于柱体101顶部的手轮106，用手轮106带动的丝杠传动机构107和位于调节机构103上的滑板104；支架部件1在机械人装置中类似于人的躯干，起着支撑前端伸出的相当于人体手臂，即大臂部件2的作用，使用时，所述支架部件1放置在手术病床的侧边，用于本发明机械臂的基本定位；底座101用方头螺钉紧固，脚轮105用螺栓固定在底座101上，配重装置108用螺栓固定在底座101上，柱体102用螺栓固定在底座101上。移动时，推动柱体102，依靠脚轮105滚动，定位后紧固好方头螺钉。柱体102的一侧装有用螺钉固定的导轨的静轨，导轨的动轨用螺钉固定在滑板104上，还可以设置防护罩109用螺钉固定在滑板104上。上轴承座和下轴承座分别用螺栓固定在柱体102上，轴承部件固定在轴承座上，外有挡圈，轴承盖用螺栓固定在上轴承座上，丝杠传动机构107中的丝杠装在轴承上；另外，传动螺母与丝杠用螺纹连接，垫有调整垫用螺钉固定在滑板104上，手轮106用平键固定在丝杠上，外用螺母和弹簧垫圈固定在丝杠的上端。运动时，用手转动手轮106，则可依靠螺纹传动实现滑板104的上下移动，从而调整本位于本发明机械臂前端手指的初始位置。图3-1和图3-2示出了本发明机械臂中所述大臂部件2由两套完全对称结构的大臂203构成，所述两个大臂203的一端依靠背板201安装在支架部件1上，类似于人体的左右两个臂膀，所述大臂部件2包括Y字型的叉架202，其一端设置有与支架部件1上的调节机构103连接的背板201，另外，叉架202叉开的两端分别设置有结构对称的大臂203，每个大臂203的另一端分别连接有精调机构3和小臂部件4。下面针对大臂部件2中的一个大臂结构进行详细说明，另一套大臂结构从略。所述大臂203由3个框架204、205和206搭接而成，三个框架用于实现三个方向的粗调运动，范围可控制在200×200×200mm3。每个框架的位置固定是，其中，所述大框架204固定在支架部件1的滑板104上，所述中框架205的一端用连接板215和粗调X向导轨208支撑，另一端用吊架216、支座217、小轴、隔套、轴承部件组成的滚动机构209支撑；所述小框架206的底架一端用粗调Y向导轨210支撑，另一端用吊架218、支座219、小轴、隔套、轴承部件组成的滚动机构211支撑，所述小框架206用螺钉固定在小框架底架上，大臂杆213用Z向导轨基座220和粗调Z向导轨212固定在小框架206上。所述大臂203分别依靠上述的大、中、小三个框架式结构204、205和206实现X、Y、Z三个方向的粗调运动；所述三个框架之间的传动采用的是丝传动机构214，即，X、Y、Z三个方向的运动实现均是靠电机驱动丝传动机构来完成的，电机的传动是完全相同的，运动时，电机驱动小齿轮，小齿轮驱动大齿轮，大齿轮带动绕在其上的绳丝，绳丝在绳轮的导向下传动，从而完成三个方向的粗调运动。在这三个方向的传动装置中，步进电机、大齿轮、小齿轮、绳轮是完全相同的，不同的仅是安装位置和由安装位置所确定的安装板的不同；另外，在用来完成Z向粗调运动的小框架式结构206中还包括配重装置207。具体说明如下X向粗调运动的实现是，在大框架204上远离支架部件1的一侧，有由两个支座、三个绳轮和一个电机传动装置构成X向传动装置；在大框架204的外侧固定有电机传动装置，由步进电机支座板、步进电机、小齿轮、大齿轮、轴承盖、小轴、隔套和轴承部件组成；中间有一个由底板、绳轮、轴承、隔套、小轴、轴承盖和小底板组成的第一传动装置，所述第一传动装置是靠绳轮导向传动；另外，在大框架204的前侧有两个相同的由小底板、绳轮、轴承、隔套、小轴和轴承盖组成的第二传动装置，所述第二传动装置是靠绳轮导向传动。在中框架205的中部底侧固定有两个支座，用于固定钢丝绳头，钢丝绳的中部用张紧器连接。运动时，电机转动驱动小齿轮，小齿轮驱动大齿轮，大齿轮带动钢丝绳，钢丝绳带动中框架在导轨和滚轮的支撑下实现X向粗调运动。Y向粗调运动的实现是，与上述结构类似，在大框架204的外侧，及中框架205上，有由两个支座、三个绳轮和一个电机传动装置构成的Y向传动机构；在中框架205的里侧，即靠近支架部件1的一侧，固定有电机传动装置，由步进电机支座板、步进电机、小齿轮、大齿轮、轴承盖、小轴、隔套和轴承组成；在远离支架部件1的一侧，有一个由底板、绳轮、轴承、隔套、小轴、轴承盖和小底板组成的第三传动装置，所述第三传动装置是靠绳轮导向传动；在中框架205的外侧有两个相同的由小底板、绳轮、轴承、隔套、小轴和轴承盖组成的第四传动装置，所述第四传动装置也是靠绳轮导向传动；在中框架205的中部底侧固定有两个支座，用于固定钢丝绳头，钢丝绳的中部用张紧器连接。运动时，电机转动驱动小齿轮，小齿轮驱动大齿轮，大齿轮带动钢丝绳，钢丝绳带动小框架底座在导轨和滚轮的支撑下实现Y向粗调运动。实现Z向粗调运动的小框架206的结构有所不同，在小框架206上装有步进电机支座板，步进电机支座板的一侧固定有由配重块、罩子和锁扣组成的配重装置207；另一侧固定有钢丝绳固定机构，固定在大臂杆213的上方。钢丝绳套绕过大齿轮，并通过绳轮导向，一端接配重装置207，另一端接大臂杆213。
如图1所示，本发明机械臂中所述的大臂部件2、精调机构3、小臂部件4和安装在小臂部件上的手指机构组装后与配重装置207平衡。运动时，步进电机驱动小齿轮，小齿轮驱动大齿轮，大齿轮带动钢丝绳，钢丝绳带动大臂杆213实现Z向粗调运动。
另外，在大臂杆213上，有由支座、螺母座、螺栓、步进电机、电机安装板、钢丝绳轮、小底板和钢丝绳套组成的两套丝传动机构214。所述两套丝传动机构214是完全相同的，用于控制小臂部件4的手腕姿态机构402的调整，如图3-1、图3-2、图5-1和图5-2所示。运动时，电机转动驱动两组钢丝绳轮，一组是大臂部件2上的钢丝绳轮231和小臂部件上的钢丝绳轮412，另一组是大臂部件上的钢丝绳轮231和小臂部件4上的钢丝绳轮413，钢丝绳在钢丝绳轮的带动下，在钢丝绳套232的导向下，自循环带动手指转动，实现位于小臂部件4上手腕姿态机构402的两个方向的姿态调整。
如图1、图2、图3-1、图3-2、图4所示，上述的大臂部件2中的大臂213与所述精调机构3中的Y向底座上的T型螺钉槽板302连接，所述大臂部件2中的大框架204与支架部件1中的滑板104连接；为了保证大臂部件2的强度和刚度，所述大臂部件2中Y字型的叉架202与所述背板201是焊接连接；所述精调机构3中所述的X、Y、Z各方向机构的连接均采用螺纹连接。
图1示出了本发明机械臂中的精调机构3的侧面连接小臂部件4，上端连接大臂部件2，用来实现X、Y、Z三个方向的精调运动。其中，用于实现X、Y、Z三个方向运动的结构是相似的。如图4中所示，假设，与小臂部件4相连的是Z向机构310，与大臂部件2相连的是Y向机构320，剩余的中间部分是X向结构330，则X、Y向的结构是完全相同的，Z向与X、Y向有些部件有尺寸上的差异。
图4示出了上述精调机构3包括依靠Z向T型螺钉槽板301与小臂部件4相连的Z向机构310、依靠Y向T型螺钉槽板302与大臂部件2相连的Y向机构320和位于精调机构3中间部位并依靠X向底座前端板303与Z向机构310相连，依靠动轨基板304与Y向机构320相连的X向机构330；所述精调机构3的X、Y、Z三方向微调机构分别采用电机驱动丝杠，并依靠螺纹传动把旋转运动转换为直线运动，从而实现X、Y、Z三方向的微小位移。
下面对本发明机械臂中的精调机构3中的Z向结构作进一步详细说明所述精调机构3中的T型螺钉槽板301用T型螺钉、螺母和垫圈与小臂部件4的后端的连接板401连接到一起。另外，所述T型螺钉槽板301用螺钉与Z向动轨基板305连接，所述Z向动轨基板305用螺钉与直线导轨的动轨连接，直线导轨的静轨用螺钉安装在底座上。螺母座板用螺钉安装在Z向动轨基板305上，用紧定螺钉固定在传动螺母上。消隙螺母与传动螺母用螺纹连接，并在消隙螺母上装有螺钉抵靠在螺母座板定位，起到消隙作用，传动螺母安装在传动丝杠306上。底座前端板用螺钉安装在底座的侧面，丝杠306用轴承架在底座前端板上，轴承外的轴承盖用螺钉和垫圈安装在底座前端板上，丝杠306用螺母和弹簧垫圈固定在轴承盖外侧。电机的输出轴与丝杠306之间设置有联轴器307和联轴器滑块308，即丝杠306的另一端用联轴器307与联轴器滑块308的一端相连，连轴器307用平端紧定螺钉分别与丝杠306和电机的伸出轴紧固。底座接电机端板用螺钉安装在底座的另一侧面，电机用螺钉安装在底座接电机端板上。运动时，电机驱动丝杠306，依靠螺纹传动把旋转运动转换为直线运动，实现精调机构3中Z向的微小位移。
关于精调机构3中X向和Y向的精调，其结构与上述Z向的结构基本相同，只是在下述的几个部件中有尺寸上的差异，即动轨基板304及其所带螺钉、传动丝杠、底座及其所带螺钉、底座前端板和直线导轨。此外，X向机构330用X向底座前端板303与Z向机构310的底座相连，用动轨基板304与Y向机构320的底座相连，Y向机构320用T型螺钉槽板302与大臂部件2的大臂213连接。
图5-1和图5-2示出了本发明机械臂中所述小臂部件4包括位于后端并与上述精调机构3相连的连接板401、位于前端的手腕姿态机构402和与手腕姿态机构402相连的手指夹紧机构403；所述连接板401依次连接的后、中、前臂杆404、405和406，所述后、中两段臂杆404和405，及中、前两段臂杆405和406之间采用螺钉、弹簧垫圈和螺母的连接形式；所述连接板401依次连接的后臂杆404之间的连接采用焊接，所述手腕姿态机构405采用分别由钢丝绳套、绳套支架和绳轮组成的丝传动机构407和410，所述丝传动机构407和410与上述大臂杆213上的步进电机外的钢丝绳轮和钢丝绳套相连；所述手指夹紧机构403包括用来夹紧机器人手指的锁扣408、手指支架409和与上述手腕姿态机构402相连的支座部件411。
锁扣408用螺钉和螺母将手指夹紧在夹紧机构403上，再用螺钉将锁扣408本身固定在手指支架409上，手指固定处不可转动，靠手指本身实现自转。
手指支架409通过两个轴承架在支架上，轴承外的轴承盖用螺钉固定在支座部件411上，钢丝绳轮412用紧定螺钉固定在手指支架409上，中间用短隔套与轴承间隔开，外面用螺母与弹簧垫圈固定，钢丝绳套支架用螺钉固定在支架上钢丝绳轮412的正上方。传动时，钢丝绕过钢丝绳轮412，穿过钢丝绳套支架，穿绕过大臂部件2上的步进电机外的钢丝绳轮231和钢丝绳套232，自成循环，在电机的驱动下，靠钢丝的传动实现手指在坐标系内另一个方向的转动。
在手指支架409的上方外环固定有轴承座，内有两个轴承中间用长隔套间隔套在支座部件411的轴上，轴承外有轴承盖用螺钉固定在轴承座上，钢丝绳轮413用平端紧定螺钉套在在支座部件411的轴上，用短隔套与轴承间隔开，上端用弹簧垫圈和螺母紧固。传动时，钢丝绕过钢丝绳轮413，穿过钢丝绳套支架，绕过大臂部件2上的步进电机外的钢丝绳轮231和钢丝绳套232，自成循环，在电机的驱动下，靠钢丝的传动实现手指在坐标系内第三个方向的转动。
在轴承座的外平面上，用螺钉固定有前臂杆406，前臂杆406用螺钉、弹簧垫圈和螺母与中臂杆405相连，此关节可以手动改变手指的姿态，固定后保持不变；中臂杆405用螺钉、弹簧垫圈和螺母与后臂杆404相连，此关节可以手动改变手指的姿态，固定后保持不变。后臂杆404与精调机构3的T型螺钉槽板301连接，此关节可以手动改变整个小臂部件4的姿态，固定后保持不变。
综上所述，本发明用于显微外科手术机器人中的机械臂属于医疗机器人的从手，通过支架部件1、大臂部件2、精调机构3和小臂部件4，依靠导轨和丝传动机构，最终用于夹持手指，通过小臂部件4自身位姿的调整和手指的开合，小臂部件4直接夹持手指，从而完成手术中手指的夹线和拉线的动作。主手控制机械臂完成手术的要求动作。
本发明用于显微外科手术机器人中的机械臂各部分的功能是小臂部件4用于夹持手指，实现手指两个方向的姿态调整，第三个姿态由手指自转完成；精调机构3用于实现直角坐标系内三个方向的精确定位，确保手指在指定的工作范围20×20×20mm3内实现微小移动，达到重复定位精度10μm；大臂部件3用于实现直角坐标系内三个方向大范围的初步定位，范围是200×200×200mm3，确保手指能够快速移动到工作范围的区域内；支架部件1用于支撑上述三个部分和手指，使它们处于合理的工作空间内。上述四个部分组装之后，即可保证手指指尖的颤动幅度在10μm的范围内。
本发明用于显微外科手术机器人中的机械臂的工作过程如下在手术的准备阶段首先，依靠支架部件1上的脚轮105的滚动，推动机械臂摆放在手术台周围的恰当位置，并用螺栓固定支撑，增加机械臂的刚度，且以防误动。然后，转动支架部件1上的手轮106，将机械臂大臂部件2沿支架部件2上的Z向导轨上下移动，调节机械臂前端部分所处的基本位置，使其接近工作空间。最后，手动调节手指的姿态，使手指的基本姿态接近工作姿态。调整时，可以调节大臂部件2的大臂杆213与精调机构3的T型螺钉槽板302连接处，此时精调机构3可以在水平面内转动，调整后紧固；调节精调机构3的T型螺钉槽板301与小臂部件4的后臂杆处连接板401连接处，此时小臂部件4可以的垂直平面内转动，调整后紧固；调节中臂杆与后臂杆连接处，此时手指可以在水平面内转动，调整后紧固；调节前臂杆与中臂杆连接处，此时手指可以在水平面内转动，调整后紧固。
在手术的开始阶段首先，通过主手控制大手臂上的三个粗调方向的步进电机，使手指迅速的移动到工作范围内。其次，通过主手控制精调机构上的三个精调方向的步进电机，使手指的指尖到达手术点。最后，通过主手控制大手臂上的两个姿态调整步进电机，调整好手指的姿态。
本发明用于显微外科手术机器人中的机械臂是通过电机驱动金属丝来完成两个方向的旋转运动，综合了电机传动和丝传动的优点，控制简单，动作可靠，可以有效抑制操作过程中人手的颤抖。本发明用于显微外科手术机器人中的机械臂的空间布置除保证病人需要的空间部分外，还提供医生最大操作运动空间；另外，手腕姿态机构的驱动采用丝传动，减少了空间机械臂的负荷，并因此减小机械臂的尺寸和重量；还有，手腕采用三轴汇交的设计，减少当姿态调整时位姿的补偿量。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的
，上述的
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。


本发明公开了一种用于显微外科手术机器人中的机械臂，包括一端与支架部件(1)连接的用于实现直角坐标系内三个方向大范围初步定位的大臂部件(2)，所述大臂部件(2)的另一端设置有用于实现直角坐标系内三个方向的精确定位，以确保机器人手指在指定的工作范围内实现微小移动，达到重复定位的精调机构(3)和与精调机构(3)连接的用来夹持机器人手指，并实现手指两个方向姿态调整的小臂部件(4)；所述大臂部件(2)实现X、Y、Z三个方向的粗调运动；所述精调机构(3)实现X、Y、Z三方向的微小位移；本发明既满足大范围的移动，又可实现手术区精细的准确运动控制，其整个系统有较高的刚度、精度和可靠性。