CN104644267A - 混联五自由度微创外科手术机械臂 - Google Patents

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Abstract

一种混联五自由度微创外科手术机械臂，包括主定平台、主动平台、翻转定平台和工作动平台；主定平台和主动平台之间通过三条结构相同的第一运动支链连接构成第一闭环三自由度并联机构，翻转定平台和工作动平台之间通过三条结构相同的第二运动支链连接构成第二闭环三自由度并联机构；两个闭环三自由度并联机构串联成混联五自由度微创外科手术机械臂。本发明通过三台第一驱动电机改变三条主动臂与主定平台的夹角来实现工作动平台的三维空间移动；通过三台第二驱动电机改变三根直线驱动杆的伸长量从而实现工作动平台的翻转运动，可为手术器械提供五个自由度，适合用于辅助医生完成高精度、高难度的微创外科手术。

Description

混联五自由度微创外科手术机械臂
技术领域
本发明涉及机器人，特别涉及一种能模仿医生手臂运动，辅助医生完成高难度微创外科手术的混联五自由度微创外科手术机械臂。
背景技术
随着微创外科手术的发展与普及，上世纪九十年代开始出现了用于辅助医生进行手术的手术机器人，这些手术机器人被应用于一些医生无法徒手完成的高精度、高难度微创手术中。
在手术机器人结构方面，目前主流的机械臂多以串联机构为主。虽然串联机构有构型简单、控制可靠等诸多优势，但是面对到微创外科手术的特殊场合有很多缺陷。首先，机械臂需要为手术器械提供多个自由度并要求在狭小的腹腔空间内有足够的灵活度，而串联机械臂必须设计成拥有多个运动副关节以满足多自由度要求，同时还必须考虑微创切口的约束从而需要合理规划运动关节；其次，在手术过程中器械一般需要做6个自由度的空间运动，串联机构操作器在做多自由度空间运动时运动惯量大，运动各向同性度差，这种机构运动缺陷造成了机械臂末端操作器执行精度的下降；第三，串联机构承载能力较差，搭载动力器械时会产生抖动等问题，限制了复杂多样化的手术器械进入人体，从而阻碍了机器人自动化手术的进一步发展。串联机械臂只能通过提高电机性能、优化结构等方法来克服以上缺点，增加了制造与装配成本。
为了克服串联机构的诸多缺点，本发明专利提出了由两个并联机构组成的混联机械臂，与现有串联机械臂相比，混联机械臂具有以下优点：所述机械臂在有约束情况下具有更大的灵活度，且运动各向同性度好；机械臂动平台运动惯量小，机械精度更高，能够降低对电机与控制精度的要求；结构刚度大，承载能力高，工作动平台能够承载复杂的手术器械等诸多优点，使其更加适应于微创手术的特殊环境。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种混联五自由度微创外科手术机械臂。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种混联五自由度微创外科手术机械臂，包括主定平台、主动平台、翻转定平台和工作动平台；主定平台和主动平台之间通过三条结构相同的第一运动支链连接构成第一闭环三自由度并联机构，翻转定平台和工作动平台之间通过三条结构相同的第二运动支链连接构成第二闭环三自由度并联机构；并且工作动平台嵌装在主动平台的中心孔内，第二闭环三自由度并联机构被第一闭环三自由度并联机构围合在内；主动平台与翻转静平台之间通过三根立柱固定相连，将两个闭环三自由度并联机构串联成混联五自由度微创外科手术机械臂。
所述三条结构相同的第一运动支链均匀间隔周向分布，各第一运动支链分别包括第一驱动电机、主动臂、第一万向连杆、被动臂、第二万向连杆和固定连接块；第一驱动电机安装在主定平台上，主动臂与第一驱动电机传动相连，第一万向连杆连接在主动臂的前端，固定连接块安装在主动平台上，第二万向连杆连接在固定连接块上，被动臂共两条分别连接在第一万向连杆和第二万向连杆之间。
所述三条结构相同的第二运动支链呈正三角形分布，各第二运动支链分别包括第二驱动电机、直线驱动杆、杆端关节轴承和移动滑块，第二驱动电机安装在翻转定平台上，直线驱动杆与第二驱动电机传动相连，杆端关节轴承设置在直线驱动杆下端，移动滑块连接在杆端关节轴承的前端并嵌装在工作动平台的滑槽内。
所述第一驱动电机为旋转直流伺服电机或步进电机，三台电机呈正三角形分布。
所述第二驱动电机为直线步进电机，三台直线步进电机呈正三角形分布。
所述工作动平台的滑槽沿工作动平台的直径线延伸并向外贯通，三条滑槽的轴线相交于工作动平台的中心。
本发明设有六台驱动电机，可为手术器械提供五个自由度，包括三个空间移动自由度，以及除器械绕自身轴旋转以外的两个转动自由度，且拥有一个冗余移动自由度。
本发明的有益效果是，巧妙地将两个三自由度并联机构组合运用，克服了串联机构存在的诸多缺陷，机械臂工作动平台拥有五个独立自由度，一个冗余移动自由度，加工制造成本低，可达到器械在手术中所需的所有姿态；其中冗余移动自由度可以提高微创外科手术机械臂的灵活性，提高了机械臂的可靠性，从而在手术中可以使器械短距离精确工进，实现轻微触碰组织、拉拽组织等微小手术动作，更精确地对病灶进行操作；具有较高的承载能力与较大的灵动工作空间；构型稳定，工作平台承载能力大，适合搭载多种手术器械；由于采用并联机构，结构本身机械精度高，对电机及控制精度要求较低；具有高机构刚度，运动惯量小，累积误差小的优点，该混联机构可实现多方向运动解耦，刚度与承载能力等均优于串联机构，且较耦合多自由度并联机构理论分析简洁、装配便捷、容易控制；该机构在工作空间中具有运动各向同性度良好的特点，无奇异位姿，动态响应好，力传动平稳；综合上述特点，本发明的机械臂适合用于辅助医生完成高精度、高难度的微创外科手术。
简单地说，本发明具有以下优点：
一、在有约束情况下具有更大的灵活度，且各向运动同性度好；
二、机械臂动平台运动惯量小，机械精度更高，能够降低对电机与控制精度的要求；
三、结构刚度大，承载能力高，工作平台能够承载复杂的手术器械等诸多优点，使其更加适应于微创手术的特殊环境。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明中的第二闭环三自由度并联机构结构示意图。
具体实施方式
参见图1，配合参见图2，本发明的混联五自由度微创外科手术机械臂，包括主定平台1、主动平台10、翻转定平台8和工作动平台13。主定平台1和主动平台10之间通过三条结构相同的第一运动支链连接构成第一闭环三自由度并联机构，翻转定平台8和工作动平台13之间通过三条结构相同的第二运动支链连接构成第二闭环三自由度并联机构；并且工作动平台嵌装在主动平台的中心孔内，第二闭环三自由度并联机构被第一闭环三自由度并联机构围合在内；主动平台与翻转静平台之间通过三根立柱11固定相连，将两个闭环三自由度并联机构串联成混联五自由度微创外科手术机械臂。
本发明中的三条结构相同的第一运动支链均匀间隔周向分布，各第一运动支链分别包括第一驱动电机2、主动臂3、第一万向连杆4、被动臂5、第二万向连杆(图中未标示)和固定连接块14；第一驱动电机2安装在主定平台1上，主动臂3与第一驱动电机2传动相连，第一万向连杆4连接在主动臂3的前端，固定连接块14安装在主动平台10上，第二万向连杆连接在固定连接块14上，被动臂5共两条分别连接在第一万向连杆和第二万向连杆之间。上述第一驱动电机为旋转直流伺服电机或步进电机，三台电机呈正三角形分布。
本发明中的三条结构相同的第二运动支链呈正三角形分布，各第二运动支链分别包括第二驱动电机7、直线驱动杆6、杆端关节轴承9和移动滑块12，第二驱动电机7安装在翻转定平台8上，直线驱动杆6与第二驱动电机7传动相连，杆端关节轴承9设置在直线驱动杆6下端，移动滑块12连接在杆端关节轴承9的前端并嵌装在工作动平台13的滑槽内。上述第二驱动电机为直线步进电机，三台直线步进电机呈正三角形分布。
上述工作动平台的滑槽沿工作动平台的直径线延伸并向外贯通，三条滑槽的轴线相交于工作动平台的中心。
工作动平台的中心位置用于安装微创外科手术器械，工作时通过三台第一驱动电机改变三条主动臂与主定平台的夹角来实现工作动平台的三维空间移动；通过三台第二驱动电机改变三根直线驱动杆的伸长量从而实现工作动平台的翻转运动及短距离工进移动。从而在手术中可以使器械短距离精确工进，实现轻微触碰组织、拉拽组织等微小手术动作，更精确地对病灶进行操作。

Claims (6)

1.一种混联五自由度微创外科手术机械臂，其特征在于：包括主定平台、主动平台、翻转定平台和工作动平台；主定平台和主动平台之间通过三条结构相同的第一运动支链连接构成第一闭环三自由度并联机构，翻转定平台和工作动平台之间通过三条结构相同的第二运动支链连接构成第二闭环三自由度并联机构；并且工作动平台嵌装在主动平台的中心孔内，第二闭环三自由度并联机构被第一闭环三自由度并联机构围合在内；主动平台与翻转静平台之间通过三根立柱固定相连，将两个闭环三自由度并联机构串联成混联五自由度微创外科手术机械臂。
2.根据权利要求1所述的混联五自由度微创外科手术机械臂，其特征在于：所述三条结构相同的第一运动支链均匀间隔周向分布，各第一运动支链分别包括第一驱动电机、主动臂、第一万向连杆、被动臂、第二万向连杆和固定连接块；第一驱动电机安装在主定平台上，主动臂与第一驱动电机传动相连，第一万向连杆连接在主动臂的前端，固定连接块安装在主动平台上，第二万向连杆连接在固定连接块上，被动臂共两条分别连接在第一万向连杆和第二万向连杆之间。
3.根据权利要求1所述的混联五自由度微创外科手术机械臂，其特征在于：所述三条结构相同的第二运动支链呈正三角形分布，各第二运动支链分别包括第二驱动电机、直线驱动杆、杆端关节轴承和移动滑块，第二驱动电机安装在翻转定平台上，直线驱动杆与第二驱动电机传动相连，杆端关节轴承设置在直线驱动杆下端，移动滑块连接在杆端关节轴承的前端并嵌装在工作动平台的滑槽内。
4.根据权利要求2所述的混联五自由度微创外科手术机械臂，其特征在于：所述第一驱动电机为旋转直流伺服电机或步进电机，三台电机呈正三角形分布。
5.根据权利要求3所述的混联五自由度微创外科手术机械臂，其特征在于：所述第二驱动电机为直线步进电机，三台直线步进电机呈正三角形分布。
6.根据权利要求3所述的混联五自由度微创外科手术机械臂，其特征在于：所述工作动平台的滑槽沿工作动平台的直径线延伸并向外贯通，三条滑槽的轴线相交于工作动平台的中心。
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