CN101376248A - 一种重力平衡的远程运动中心机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重力平衡的远程运动中心机构，该远程运动中心机构包括有A连杆、B连杆、C连杆、D连杆、E连杆、F连杆、A配重、B配重、C配重、A夹紧块组件、B夹紧块组件、C夹紧块组件、底座、支撑、连接件、横杆、竖杆；支撑安装在底座上；A连杆与B连杆平行放置、C连杆与D连杆平行放置，两两平行的连杆两端分别与F连杆、连接件活动连接；工具安装在连接件的下端部；A配重装配在F连杆的A配重调节段上，且通过A夹紧块组件进行在A配重调节段上的位置调节；B配重装配在F连杆的B配重调节段上，且通过B夹紧块组件进行在B配重调节段上的位置调节；C配重装配在竖杆上，且通过C夹紧块组件进行在竖杆上的位置调节。本发明机构可以使工具绕空间一虚拟转动中心O进行转动，并且在每个运动位置都可以保持自身的重力平衡。

Description

一种重力平衡的远程运动中心机构
技术领域
本发明涉及一种重力平衡的远程运动中心机构。
背景技术
一构件可绕空间上的一固定点进行转动，此固定点处不存在实际的转动副，而且该虚拟的固定点在机构远端，这种机构称为虚拟远程运动中心(Remote Center ofMotion，RCM)机构。
机构的重力平衡(gravity balance或static balance)是指机构不需要驱动力便可在任意位形下保持平衡状态，整个系统可以像在一个零重力环境下运行。这也就是说在纯重力的作用下，机构在主动件的任何相位均能停住。运动构件总质心保持静止不动的机构称为重力平衡(静平衡)机构。重力平衡是机构研究中的一个重要问题，其目的是减少操作机构的驱动力，并可减少机构运动时的振动，增加机构运行的平稳性。减少驱动力，在任意位形下不需要保持力等特点在需要人机交互的应用中尤为重要，这样可以减少操作者的工作强度，增加操作的舒适性。
在现有的机器人机构中，通过结构设计来实现重力平衡或部分平衡的方法主要有三种：结构质量分布设计，加配重设计和拉弹簧设计。一般来说，由于机构重力特性的位形依赖性，一般都只能实现机构的部分重力平衡。但是对于一些特殊机构可以对其整体实现重力平衡。
发明内容
本发明的目的是提供一种重力平衡的远程运动中心机构，该机构可以使工具绕空间一虚拟转动中心O进行转动，并且在每个运动位置都可以保持自身的重力平衡。
本发明是一种重力平衡的远程运动中心机构，包括有六个连杆(A连杆1、B连杆2、C连杆3、D连杆4、E连杆5、F连杆6)、三个配重(A配重11、B配重12、C配重13)、三个夹紧块组件(A夹紧块组件21、B夹紧块组件22、C夹紧块组件23)、底座31、支撑32、连接件7、横杆34、竖杆35；支撑32安装在底座31上；A连杆1与B连杆2平行放置、C连杆3与D连杆4平行放置，两两平行的连杆两端分别与F连杆6、连接件7活动连接；工具8安装在连接件7的下端部；A配重11装配在F连杆6的A配重调节段64上，且通过A夹紧块组件21进行在A配重调节段64上的位置调节；B配重12装配在F连杆6的B配重调节段65上，且通过B夹紧块组件22进行在B配重调节段65上的位置调节；C配重13装配在竖杆35上，且通过C夹紧块组件23进行在竖杆35上的位置调节。
所述的重力平衡的远程运动中心机构，其机构的虚拟转动中心O为：铰链的转动中心点C和虚拟转动中心O的连线CO平行于铰链的转动中心点D和铰链的转动中心点A的连线DA；铰链的转动中心点A和虚拟转动中心O的连线AO平行于铰链的转动中心点D和铰链的转动中心点C的连线DC，从而确定出虚拟转动中心O的位置；且过K通孔中心线与工具中心线过虚拟转动中心O。
本发明重力平衡的远程运动中心机构的优点：双向弯折的双平行四杆可有效解决RCM机构中驱动和手术工具的安装问题。并使用三个配重解决了这种双向弯折的双平行四杆RCM机构的重力平衡问题。三个配重可沿着自身轴线前后调节以解决配重质量计算不准的问题。结构简单，容易实现。可用于手持式手术辅助机器人、力反馈手柄等场合，以减少操作力，增加操作的舒适性和安全性。
附图说明
图1是本发明重力平衡的远程中心运动机构的结构图。
图2是本发明连杆部分的分解示图。
图3是本发明支撑组件的分解示图。
图3A是本发明横杆的结构图。
图4是本发明A夹紧块组件的分解示图。
图5是本发明重力平衡的远程中心运动机构的正视图。
图中：         1.A连杆         1a.A通孔           1b.B通孔            2.B连杆2a.C通孔         2b.D通孔        3.C连杆            3a.E通孔            3b.F通孔3c.I通孔         4.D连杆         4a.G通孔           4b.H通孔            4c.J通孔5.E连杆          5a.D轴承孔      5b.E轴承孔         5c.A销钉            5d.B销钉6.F连杆          61.A轴承孔      62.B轴承孔         63.C轴承孔          64.A配重调节段65.B配重调节段   6a.C销钉        6b.D销钉           6c.E销钉            7.连接件71.F轴承孔       72.G轴承孔      73.连接头          7a.F销钉            7b.G销钉8.工具           11.A配重        12.B配             13.C配              21.A夹紧块组件21a.夹紧块       201.C螺纹孔     202.D螺纹孔        203.B长形槽         204.侧板面21b.螺栓         21c.调节螺栓    22.B夹紧块组件                         23.C夹紧块组件31.底座          32.支撑         32a.连接臂         32b.K通孔           33.L形连接件33a.H轴承孔     33b.H销钉        34.横杆    34a.A螺纹孔     34b.B螺纹孔    34c.A长形槽34d.U形切口     34e.L通孔        34f.M通孔  34g.N通孔       34h.O通孔      35.竖杆
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种重力平衡的远程运动中心机构，包括有六个连杆(A连杆1、B连杆2、C连杆3、D连杆4、E连杆5、F连杆6)、三个配重(A配重11、B配重12、C配重13)、三个夹紧块组件(A夹紧块组件21、B夹紧块组件22、C夹紧块组件23)、底座31、支撑32、连接件7、横杆34、竖杆35；支撑32安装在底座31上；A连杆1与B连杆2平行放置、C连杆3与D连杆4平行放置，两两平行的连杆两端分别与F连杆6、连接件7活动连接；工具8安装在连接件7的下端部；A配重11装配在F连杆6的A配重调节段64上，且通过A夹紧块组件21进行在A配重调节段64上的位置调节；B配重12装配在F连杆6的B配重调节段65上，且通过B夹紧块组件22进行在B配重调节段65上的位置调节；C配重13装配在竖杆35上，且通过C夹紧块组件23进行在竖杆35上的位置调节。
参见图2所示，A连杆1的左右两端分别设有A通孔1a、B通孔1b；B连杆2的左右两端分别设有C通孔2a、D通孔2b；A连杆1与B连杆2平行放置；
C连杆3的左右两端分别设有E通孔3a、F通孔3b，且在折弯处设有I通孔3c；D连杆4的左右两端分别设有G通孔4a、H通孔4b，且在折弯处设有J通孔4c；C连杆3与D连杆4平行放置；
E连杆5的上下两端分别设有D轴承孔5a、E轴承孔5b，D轴承孔5a、E轴承孔5b内分别安装有滚珠轴承；通过A销钉5c穿过I通孔3c、D轴承孔5a内的滚珠轴承、J通孔4c后，实现E连杆5的上端与C连杆3的折弯处、D连杆4的折弯处连接；长形槽34c内放置E连杆5的下端，且通过B销钉5d穿过M通孔34f、E轴承孔5b内的滚珠轴承、L通孔34e后，实现E连杆5下端与横杆34的活动连接。
F连杆6从上至下设有A轴承孔61、B轴承孔62、C轴承孔63、A配重调节段64、B配重调节段65，A轴承孔61、B轴承孔62、C轴承孔63内分别安装有滚珠轴承；通过C销钉6a穿过A通孔1a、A轴承孔61内的滚珠轴承、C通孔2a后，实现F连杆6的上端与平行放置的A连杆1左端、B连杆2左端连接；通过D销钉6b穿过E通孔3a、B轴承孔62内的滚珠轴承、G通孔4a后，实现F连杆6与平行放置的C连杆3左端、D连杆4左端连接；U形切口34d内放置有F连杆6，且通过E销钉6c穿过O通孔34h、C轴承孔6c内的滚珠轴承、N通孔34g后，实现F连杆6与横杆34的活动连接。F连杆6的下端装配有B配重12、B夹紧块22。
连接件7上设有F轴承孔71、G轴承孔72、连接头73，F轴承孔71、G轴承孔72内分别安装有滚珠轴承，F轴承孔71与G轴承孔72设置在同一侧，连接头73设置在另一侧；通过F销钉7a穿过B通孔1b、F轴承孔71内的滚珠轴承、D通孔2b后，实现连接件7的上端与平行放置的A连杆1右端、B连杆2右端连接；通过G销钉7b穿过F通孔3b、G轴承孔72内的滚珠轴承、H通孔4b后，实现连接件7的下端与平行放置的C连杆3右端、D连杆4右端连接；连接头73的下端设有螺纹孔，螺纹孔内安装有工具8的一端。
在本发明中，A连杆1、B连杆2之间平行，F连杆6、连接件7之间平行，构成双平行四杆型的RCM机构。
参见图3、图3A所示，支撑组件包括有底座31、支撑32、横杆34、竖杆35、L形连接件33；支撑32安装在底座31上，支撑32的连接臂32a与L形连接件33的一侧板连接，L形连接件33的另一侧板上连接有横杆34，竖杆35连接在横杆34上；
支撑32的连接臂32a的端部设有K通孔32b，K通孔32b用于H销钉33b穿过，且实现支撑32与L形连接件33的一侧板活动连接。
L形连接件33上设有H轴承孔33a，H轴承孔33a内安装有滚珠轴承，H销钉33b的一端穿过H轴承孔33a内的滚珠轴承、K通孔32b后实现支撑32与L形连接件33的一侧板活动连接。
横杆34上设有U形切口34d、A长形槽34c、A螺纹孔34a、B螺纹孔34b，在U形切口34d的两侧设有N通孔34g、O通孔34h，在A长形槽34c的两侧设有L通孔34e、M通孔34f；A螺纹孔34a用于通过与螺钉的配合实现横杆34与L形连接件33的另一侧板的连接；B螺纹孔34b用于通过与螺钉的配合实现横杆34与竖杆35的连接；A长形槽34c内放置E连杆5的下端，且通过B销钉5d穿过M通孔34f、E轴承孔5b内的滚珠轴承、L通孔34e后，实现E连杆5下端与横杆34的活动连接；U形切口34d内放置有F连杆6，且通过E销钉6c穿过O通孔34h、C轴承孔6c内的滚珠轴承、N通孔34g后，实现F连杆6与横杆34的活动连接。
竖杆35上装配有C配重13、C夹紧块23。
参见图4所示，A夹紧块组件21包括有夹紧块21a、螺栓21b、调节螺栓21c；夹紧块21a的中心位置设有B长形槽203(B长形槽203用于A配重调节段64穿过)，B长形槽203的侧边设有D螺纹孔202，夹紧块21a的侧板面204上设有C螺纹孔201；C螺纹孔201内用于放置螺栓21b，通过螺栓21b将夹紧块21a顶紧在A配重调节段64上，从而实现A夹紧块组件21与F连杆6的连接。D螺纹孔202内用于放置调节螺栓21c，调节螺栓21c的螺纹段连接在A配重11上，用于调节A配重11在A配重调节段64上的位置。
在本发明中，B夹紧块组件22、C夹紧块组件23与A夹紧块组件21的结构相同，且装配关系也相同。即B夹紧块组件22装配在F连杆6的B配重调节段65上，B配重12可以在B配重调节段65上上下移动；C夹紧块组件23装配在竖杆35上，C配重13可以在竖杆35上上下移动。
A配重11、B配重12、C配重13沿着自身轴线方向上的移动来解决配重质量问题，以达到工具在每个运动位置都可以保持自身的重力平衡。
参见图5所示，本发明的重力平衡的远程运动中心机构的虚拟转动中心O为：铰链的转动中心点C和虚拟转动中心O的连线CO平行于铰链的转动中心点D和铰链的转动中心点A的连线DA；铰链的转动中心点A和虚拟转动中心O的连线AO平行于铰链的转动中心点D和铰链的转动中心点C的连线DC，从而确定出虚拟转动中心O的位置；且过K通孔中心线与工具中心线过虚拟转动中心O。

Claims (2)

1、一种重力平衡的远程运动中心机构，其特征在于：该远程运动中心机构包括有A连杆(1)、B连杆(2)、C连杆(3)、D连杆(4)、E连杆(5)、F连杆(6)、A配重(11)、B配重(12)、C配重(13)、A夹紧块组件(21)、B夹紧块组件(22)、C夹紧块组件(23)、底座(31)、支撑(32)、连接件(7)、横杆(34)、竖杆(35)；支撑(32)安装在底座(31)上；A连杆(1)与B连杆(2)平行放置、C连杆(3)与D连杆(4)平行放置，两两平行的连杆两端分别与F连杆(6)、连接件(7)活动连接；工具(8)安装在连接件(7)的下端部；A配重(11)装配在F连杆(6)的A配重调节段(64)上，且通过A夹紧块组件(21)进行在A配重调节段(64)上的位置调节；B配重(12)装配在F连杆(6)的B配重调节段(65)上，且通过B夹紧块组件(22)进行在B配重调节段(65)上的位置调节；C配重(13)装配在竖杆(35)上，且通过C夹紧块组件(23)进行在竖杆(35)上的位置调节；
A连杆(1)的左右两端分别设有A通孔(1a)、B通孔(1b)；
B连杆(2)的左右两端分别设有C通孔(2a)、D通孔(2b)；
C连杆(3)的左右两端分别设有E通孔(3a)、F通孔(3b)，且在折弯处设有I通孔(3c)；
D连杆(4)的左右两端分别设有G通孔(4a)、H通孔(4b)，且在折弯处设有J通孔(4c)；
E连杆(5)的上下两端分别设有D轴承孔(5a)、E轴承孔(5b)，D轴承孔(5a)、E轴承孔(5b)内分别安装有滚珠轴承；通过A销钉(5c)穿过I通孔(3c)、D轴承孔(5a)内的滚珠轴承、J通孔(4c)后，实现E连杆(5)的上端与C连杆(3)的折弯处、D连杆(4)的折弯处连接；长形槽(34c)内放置E连杆(5)的下端，且通过B销钉(5d)穿过M通孔(34f)、E轴承孔(5b)内的滚珠轴承、L通孔(34e)后，实现E连杆(5)下端与横杆(34)的活动连接；
F连杆(6)从上至下设有A轴承孔(61)、B轴承孔(62)、C轴承孔(63)、A配重调节段(64)、B配重调节段(65)，A轴承孔(61)、B轴承孔(62)、C轴承孔(63)内分别安装有滚珠轴承；通过C销钉(6a)穿过A通孔(1a)、A轴承孔(61)内的滚珠轴承、C通孔(2a)后，实现F连杆(6)的上端与平行放置的A连杆(1)左端、B连杆(2)左端连接；通过D销钉(6b)穿过E通孔(3a)、B轴承孔(62)内的滚珠轴承、G通孔(4a)后，实现F连杆(6)与平行放置的C连杆(3)左端、D连杆(4)左端连接；U形切口(34d)内放置有F连杆(6)，且通过E销钉(6c)穿过O通孔(34h)、C轴承孔(6c)内的滚珠轴承、N通孔(34g)后，实现F连杆(6)与横杆(34)的活动连接；F连杆(6)的下端装配有B配重(12)、B夹紧块(22)；
连接件(7)上设有F轴承孔(71)、G轴承孔(72)、连接头(73)，F轴承孔(71)、G轴承孔(72)内分别安装有滚珠轴承，F轴承孔(71)与G轴承孔(72)设置在同一侧，连接头(73)设置在另一侧；通过F销钉(7a)穿过B通孔(1b)、F轴承孔(71)内的滚珠轴承、D通孔(2b)后，实现连接件(7)的上端与平行放置的A连杆(1)右端、B连杆(2)右端连接；通过G销钉(7b)穿过F通孔(3b)、G轴承孔(72)内的滚珠轴承、H通孔(4b)后，实现连接件(7)的下端与平行放置的C连杆(3)右端、D连杆(4)右端连接；连接头(73)的下端设有螺纹孔，螺纹孔内安装有工具(8)的一端；
支撑组件包括有底座(31)、支撑(32)、横杆(34)、竖杆(35)、L形连接件(33)；支撑(32)安装在底座(31)上，支撑(32)的连接臂(32a)与L形连接件(33)的一侧板连接，L形连接件(33)的另一侧板上连接有横杆(34)，竖杆(35)连接在横杆(34)上；支撑(32)的连接臂(32a)的端部设有K通孔(32b)，K通孔(32b)用于H销钉(33b)穿过，且实现支撑(32)与L形连接件(33)的一侧板活动连接；L形连接件(33)上设有H轴承孔(33a)，H轴承孔(33a)内安装有滚珠轴承，H销钉(33b)的一端穿过H轴承孔(33a)内的滚珠轴承、K通孔(32b)后实现支撑(32)与L形连接件(33)的一侧板活动连接；
横杆(34)上设有U形切口(34d)、A长形槽(34c)、A螺纹孔(34a)、B螺纹孔(34b)，在U形切口(34d)的两侧设有N通孔(34g)、O通孔(34h)，在A长形槽(34c)的两侧设有L通孔(34e)、M通孔(34f)；A螺纹孔(34a)用于通过与螺钉的配合实现横杆(34)与L形连接件(33)的另一侧板的连接；B螺纹孔(34b)用于通过与螺钉的配合实现横杆(34)与竖杆(35)的连接；A长形槽(34c)内放置E连杆(5)的下端，且通过B销钉(5d)穿过M通孔(34f)、E轴承孔(5b)内的滚珠轴承、L通孔(34e)后，实现E连杆(5)下端与横杆(34)的活动连接；U形切口(34d)内放置有F连杆(6)，且通过E销钉(6c)穿过O通孔(34h)、C轴承孔(6c)内的滚珠轴承、N通孔(34g)后，实现F连杆(6)与横杆(34)的活动连接；
竖杆(35)上装配有C配重(13)、C夹紧块(23)；
B夹紧块组件(22)、C夹紧块组件(23)与A夹紧块组件(21)的结构相同；A夹紧块组件(21)包括有夹紧块(21a)、螺栓(21b)、调节螺栓(21c)；夹紧块(21a)的中心位置设有B长形槽(203)，B长形槽(203)的侧边设有D螺纹孔(202)，夹紧块(21a)的侧板面(204)上设有C螺纹孔(201)；C螺纹孔(201)内用于放置螺栓(21b)，通过螺栓(21b)将夹紧块(21a)顶紧在A配重调节段(64)上，从而实现A夹紧块组件(21)与F连杆(6)的连接。
2、根据权利要求1所述的重力平衡的远程运动中心机构，其特征在于远程运动中心机构的虚拟转动中心O为：铰链的转动中心点C和虚拟转动中心O的连线CO平行于铰链的转动中心点D和铰链的转动中心点A的连线DA；铰链的转动中心点A和虚拟转动中心O的连线AO平行于铰链的转动中心点D和铰链的转动中心点C的连线DC，从而确定出虚拟转动中心O的位置；且过K通孔中心线与工具中心线过虚拟转动中心O。
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