用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構的製作方法
2023-09-18 11:26:05 1
用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構的製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫療機器人，尤其涉及一種用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構。
【背景技術】
[0002]並聯機構廣泛應用於重載模擬設備、機器人、數控工具機、傳感器及微操作等領域。然而，並聯機構各驅動單元之間是耦合的，即並聯機構整體輸出平臺沿任一方向的運動都是所有驅動單元的運動合成，並且各驅動單元的運動與並聯機構整體運動(即輸入與輸出)之間是非線性的。這一特性導致並聯機構控制複雜、標定困難、而且制約了精度的提高。因此，如何實現並聯機構解耦，簡化控制和標定，提高運動精度，一直是一個困難而富有挑戰性的課題。
[0003]運動解耦並聯機器人是指輸出運動的任一個自由度都僅依賴單個驅動單元，其他驅動單元動作不對此自由度產生影響。具有完全解耦的並聯機構運動關係簡單、標定簡便、控制精度高、剛度大，在虛軸工具機和機器人中應用前景廣闊。
[0004][Hunt K H.Structu ral Kinematics of In-Parallel-Actuated Robot Arms,Journal of Mechanisms，Transmiss1ns and Automat1n in Design，1983，105:705-712]報導了一種兩轉動一移動自由度並聯機構，主要由機架、動平臺和固連在機架和動平臺之間的三個結構形式相同的運動支鏈組成，每個運動支鏈依次由轉動副、移動副、球鉸鏈及它們之間的杆件組成，並且三個運動支鏈空間對稱分布。文獻[Huang Z1Wang J.Fang YF,Analysis of Instantaneous Mot1ns of Def i ci ent- Rank 3 - RPS ParallelManipulators.Mechanism and Machine Theory，2002，37(2): 229-240.]報導了該類型並聯機構存在瞬時運動，其轉動自由度的軸線只存在於一單葉雙曲面上。
[0005]中國專利文獻CN101036986A報導了由動平臺、固定平臺及連接它們的四條閉環運動支鏈組成的兩轉動一移動並聯機構，每條閉環支鏈含有一類對稱結構的六桿球形機構，動平臺和固定平臺與每條支鏈用轉動副連接。文獻[Xianwen Kong,Clement M.GosselinType synthesis of input-output decoupled parallel manipulators,Transact1nsof the CSME,Vol.28,Special Edit1n，2004]中報導了具有兩移動一轉動自由度並聯機構，由動平臺、固定平臺和串並聯混搭的運動支鏈組成。文獻[李惠良，金瓊，楊廷力，一類一平移兩轉動解耦並聯機構及其位移分析，機械製造與研究，Feb 2002，(1):9-12,14]提出一種具有三角化解耦特性的兩轉動一移動並聯機構，但輸出自由度不完全由單個驅動器控制，仍屬於解耦並聯機構，完全解耦的四自由度球面機構文獻發明目前尚未檢索到。
[0006]在進行腹腔微創手術時，先在患者肚皮出開出小孔，然後微創手術機器人利用一個特定的機械結構將手術器械(例如剪刀，鑷子)通過這個小孔送入體內，並且為了保證手術安全性，要求手術器械在肚皮切口處要實現四個自由度運動。這個手術器械與肚皮交點可稱為遠心點，而此特定的機械結構則可稱為遠心機構。在遠心機構研製方面，有很多的經典案例，例如，東京大學研製出的五連杆遠心機構，該機構非常容易拆裝，便於機器人的消毒，然而剛性稍差。華盛頓大學研製的球面遠心機構，利用球面關節的軸線過球心定點的原理，保證末端手術器械的定點四自由度運動，這種機構很緊湊，也容易實現小型化，但是這種機構驅動問題複雜，且由於運動學複雜，難以實現控制。還有da Vinci公司應用的複合平行四桿機構遠心機構，在剛度和運動空間上都非常的不錯，但是它對加工精度的要求很高，同時末端執行器的重量較大，慣性大。
【發明內容】
[0007]本發明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構。
[0008]為了達到上述目的，本發明採用了以下技術方案:一種用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，包括機架、環形轉動臂、T形滑塊、末端執行器、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副、第四轉動副和第五轉動副;環形轉動臂通過第一轉動副和第二轉動副活動架設在機架上，T形滑塊3通過第三轉動副與末端執行器活動相連，第一運動支鏈的一端通過第四轉動副與環形轉動臂活動相連，另一端與T形滑塊活動相連，第二運動支鏈的一端通過第四轉動副和第五轉動副與環形轉動臂活動相連，另一端與T形滑塊滑動相連;通過環形轉動臂的主動運動、第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的主動運動以及末端執行器的自轉運動，實現末端執行器的三轉動一移動四自由度運動。
[0009]所述第一運動支鏈包括順序傳動相連的第一桿件、第二桿件、第三桿件、平行四邊形構件、第四桿件和第六轉動副;其中，第一桿件與第四轉動副傳動相連，第六轉動副與T形滑塊活動相連，第四桿件的一端與平行四邊形構件的一個上部節點活動相連，另一端與第六轉動副活動相連，平行四邊形構件包括兩橫邊和兩豎邊，橫邊與豎邊之間活動相連，第三桿件為L形杆件，並且該L形杆件的一邊構成平行四邊形構件的第一豎邊。
[0010]所述第二運動支鏈包括順序傳動相連的第五桿件、第六桿件和第七桿件，以及第八桿件;其中，第五桿件與第四轉動副活動相連，第六桿件的一端與第五轉動副活動相連，另一端與第一運動支鏈中的平行四邊形構件的下部橫邊活動連接，第八桿件與T形滑塊滑動相連;第一運動支鏈中的平行四邊形構件的一個下部節點一端與第八桿件的中部活動相連。
[0011]所述第六桿件與第八桿件平行。
[0012]所述第一轉動副的轉動軸線和第二轉動副的轉動軸線共線且平行於機架底面;第四轉動副、第五轉動副的轉動軸線互相平行且與第一轉動副的轉動軸線垂直。
[0013]所述平行四邊形構件在上下兩橫邊之間活動連接有一連杆，該連杆平行於兩豎邊。
[0014]所述第三轉動副為圓柱副，該圓柱副連接在末端執行器的上端，並可帶動末端執行器轉動。
[0015]所述第一轉動副、第三轉動副、第四轉動副和第五轉動副都是由電機帶動的轉動副。
[0016]本發明由於採用了以上技術方案，具有以下的優點和特點:
[0017](I)通過運動支鏈綜合法，基於平行四邊形機構，實現多關節的解耦驅動；
[0018](2)將達文西微創手術機器人末端執行器末端移動自由度的馬達置於機器人機架，顯著降低了機器人末端的運動慣量，有效提高機器人運動靈活性和精確性；
[0019](3)機構全部採用轉動副驅動，避免了滾珠絲杆等轉動一移動的運動傳遞方式，提高了運動效率和傳動精度。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的基本結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]參見圖1，本發明涉一種用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，包括機架1、環形轉動臂2、T形滑塊3、末端執行器4、第一運動支鏈5、第二運動支鏈6、第一轉動副7、第二轉動副8、第三轉動副9、第四轉動副10和第五轉動副11;環形轉動臂2通過第一轉動副7和第二轉動副8活動架設在機架I上，T形滑塊3通過第三轉動副9與末端執行器4活動相連，第一運動支鏈5的一端通過第四轉動副10與環形轉動臂2活動相連，另一端與T形滑塊3活動相連，第二運動支鏈6的一端通過第四轉動副10和第五轉動副11與環形轉動臂2活動相連，另一端與T形滑塊3滑動相連;通過環形轉動臂的主動運動、第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的主動運動以及末端執行器的自轉運動，實現末端執行器的三轉動一移動四自由度運動。
[0022]本發明中的第一運動支鏈5包括順序傳動相連的第一桿件51、第二桿件52、第三桿件53、平行四邊形構件54、第四桿件55和第六轉動副56;其中，第一桿件51與第四轉動副10傳動相連，第六轉動副56與T形滑塊3活動相連，第四桿件55的一端與平行四邊形構件54的一個上部節點活動相連，另一端與第六轉動副56活動相連，平行四邊形構件54包括兩橫邊和兩豎邊，橫邊與豎邊之間活動相連，第三桿件53為L形杆件，並且該L形杆件的一邊構成平行四邊形構件的第一豎邊。
[0023]本發明中的第二運動支鏈6包括順序傳動相連的第五桿件61、第六桿件62和第七桿件63，以及第八桿件64;其中，第五桿件61與第四轉動副10活動相連，第六桿件62的一端與第五轉動副11活動相連，另一端與第一運動支鏈中的平行四邊形構件54的下部橫邊活動連接，第八桿件64與T形滑塊3滑動相連;第一運動支鏈中的平行四邊形構件54的一個下部節點一端與第八桿件64的中部活動相連。上述第六桿件61與第八桿件64平行。
[0024]本發明中的第一轉動副7的轉動軸線和第二轉動副8的轉動軸線共線且平行於機架底面;第四轉動副10、第五轉動副11的轉動軸線互相平行且與第一轉動副的轉動軸線垂直。
[0025]本發明中的平行四邊形構件54在上下兩橫邊之間活動連接有一連杆541，該連杆平行於兩豎邊。
[0026]本發明中的第三轉動副為圓柱副，該圓柱副連接在末端執行器的上端，並可帶動末端執行器轉動。
[0027]本發明中的第一轉動副、第三轉動副、第四轉動副和第五轉動副都是由電機帶動的轉動副。
[0028]本發明的工作原理可結合【附圖說明】如下:
[0029]本發明中的第一轉動副7、第三轉動副9、第四轉動副10和第五轉動副11都是由電機帶動的轉動副。當第一轉動副7轉動時，驅動末端執行器4繞第一轉動副7且過遠心點p的軸線轉動；當第四轉動副10轉動時，驅動末端執行器4沿第三轉動副9過定義的點P上下移動；當第五轉動副11轉動時，驅動末端執行器4繞第五轉動副11且過遠心點P的軸線轉動；當第三轉動副9轉動時，驅動末端執行器4繞自身的軸線自轉。
[0030]本發明實現了末端執行器的繞遠處旋轉中心的三轉動一移動四自由度運動，並且三個轉動自由度和一個移動自由度分別通過電機控制，具有完全解耦的運動特性。
【主權項】
1.一種用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:包括機架、環形轉動臂、T形滑塊、末端執行器、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副、第四轉動副和第五轉動副；環形轉動臂通過第一轉動副和第二轉動副活動架設在機架上，T形滑塊3通過第三轉動副與末端執行器活動相連，第一運動支鏈的一端通過第四轉動副與環形轉動臂活動相連，另一端與T形滑塊活動相連，第二運動支鏈的一端通過第四轉動副和第五轉動副與環形轉動臂活動相連，另一端與T形滑塊滑動相連;通過環形轉動臂的主動運動、第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的主動運動以及末端執行器的自轉運動，實現末端執行器的三轉動一移動四自由度運動。2.如權利要求1所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述第一運動支鏈包括順序傳動相連的第一桿件、第二桿件、第三桿件、平行四邊形構件、第四桿件和第六轉動副；其中，第一桿件與第四轉動副傳動相連，第六轉動副與T形滑塊活動相連，第四桿件的一端與平行四邊形構件的一個上部節點活動相連，另一端與第六轉動副活動相連，平行四邊形構件包括兩橫邊和兩豎邊，橫邊與豎邊之間活動相連，第三桿件為L形杆件，並且該L形杆件的一邊構成平行四邊形構件的第一豎邊。3.如權利要求1所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述第二運動支鏈包括順序傳動相連的第五桿件、第六桿件和第七桿件，以及第八桿件;其中，第五桿件與第四轉動副活動相連，第六桿件的一端與第五轉動副活動相連，另一端與第一運動支鏈中的平行四邊形構件的下部橫邊活動連接，第八桿件與T形滑塊滑動相連;第一運動支鏈中的平行四邊形構件的一個下部節點一端與第八桿件的中部活動相連。4.如權利要求3所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述第六桿件與第八桿件平行。5.如權利要求1所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述第一轉動副的轉動軸線和第二轉動副的轉動軸線共線且平行於機架底面;第四轉動副、第五轉動副的轉動軸線互相平行且與第一轉動副的轉動軸線垂直。6.如權利要求2所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述平行四邊形構件在上下兩橫邊之間活動連接有一連杆，該連杆平行於兩豎邊。7.如權利要求1所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述第三轉動副為圓柱副，該圓柱副連接在末端執行器的上端，並可帶動末端執行器轉動。8.如權利要求1所述的用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，其特徵在於:所述第一轉動副、第三轉動副、第四轉動副和第五轉動副都是由電機帶動的轉動副。
【專利摘要】一種用於體外微創手術的解耦四自由度遠心機構，包括機架、環形轉動臂、T形滑塊、末端執行器、第一運動支鏈、第二運動支鏈、第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副、第四轉動副和第五轉動副。本發明可實現末端執行器繞遠處旋轉中心的三轉動一移動四自由度運動，並且三個轉動自由度和一個移動自由度分別通過單個電機控制，具有完全解耦的運動特性。除了用以驅動自轉的電機靠近末端執行器外，另外三個電機都遠離末端執行器，從而使腹腔微創手術機器人末端執行器的質量更輕，運動慣性更小，提高了手術的安全性。
【IPC分類】B25J9/00
【公開號】CN105710864
【申請號】CN201610226638
【發明人】張帆, 張雪, 王皓
【申請人】上海工程技術大學