CN105196284B - 一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，本发明涉及一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，本发明为了解决现有技术中医疗机器人的研究尚处于起步阶段，对于医疗机器人的需求也越来越大，需要一款能够满足机器人微创手术需要的用于主操作手的机械臂，它包括第一关节机构、第二关节机构、第三关节机构和零杆；第三关节机构包括末端杆、支撑杆、运动带动杆、连接架、第三关节扇轮、第三关节同步带、第三关节角度编码器、第三关节电机、第三关节支架、第三关节扇轮转轴、两个第三关节钢丝、两个第三关节丝筒和两个第三关节同步带轮，本发明用于主从式医疗机器人主操作手领域。
Description
技术领域
本发明涉及可应用于主从式医疗机器人主操作手的被动式机械传递机构，具体涉及一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂。
背景技术
机械臂被广泛应用于各领域，在接受指令后精确地定位到空间中的某一点进行作业。本设计来源于手术机器人的被动式关节机械臂，要求被动驱动，运动空间大，自由度足够，具有负载能力，且为了减轻操作者长时间使用时的疲劳，应当有自重平衡；为保证精度，要有力反馈能力。
美国的Computer Motion公司开发的ZEUS系统机械臂工作空间比较小，灵活性不高，缺少力反馈。Intuitive Surgical公司研发的da Vinci系统功能强大，但价格昂贵，并且机构过于庞大，缺少力感，空间利用率低。美国SensAble公司研制的PHANTOM是虚拟现实技术中最为理想的力反馈设备。但价格非常昂贵，客户也无法根据自身需求编辑软件程序，从而大大限制了其应用场合。瑞士的Force Dimension公司根据delta并联机构原理推出的delta、sigma以及omega系列是当前最为成功的并联型力觉主手，其机械臂采用并联机构，具有运动耦合性高，操作不灵活以及控制复杂等缺点。
由天津大学王树新教授课题组牵头，天津医科大学总医院以及南开大学联合研发的MicroHand A(妙手A)中前三个为被动关节，主要用于术前对于远心点的调整，调整好以后固定直至手术完成，可提供三维力反馈，但其自重平衡的设计只能在特定的位置姿态时才能达到平衡，对使用限制较多，结构有待改进。
而今我国对于医疗机器人的研究尚处于起步阶段，主手机械臂大多是通用型的在微创手术趋势越来越明显的今天，对于医疗机器人的需求也越来越大，研究一款具有自主知识产权并且能够满足机器人微创手术需要的用于主操作手的机械臂是非常必要的，因此提供一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂。
发明内容
本发明为了解决现有技术中医疗机器人的研究尚处于起步阶段，对于医疗机器人的需求也越来越大，需要一款能够满足机器人微创手术需要的用于主操作手的机械臂，进而提供一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，它包括第一关节机构、第二关节机构、第三关节机构和零杆；第三关节机构包括末端杆、支撑杆、运动带动杆、连接架、第三关节扇轮、第三关节同步带、第三关节角度编码器、第三关节电机、第三关节支架、第三关节扇轮转轴、两个第三关节钢丝、两个第三关节丝筒和两个第三关节同步带轮；第三关节角度编码器和第三关节电机均固定安装在第一关节机构的顶端上，两个第三关节丝筒并排套装在第三关节电机的转轴上，一个第三关节同步带轮套装在第三关节电机转轴的一端，另一个第三关节同步带轮套装在第三关节角度编码器的转轴上，且两个第三关节同步带轮通过第三关节同步带带传动连接，第三关节支架安装在第一关节机构的顶端上，第三关节扇轮转轴固定安装在第三关节支架上，第三关节扇轮设置在第三关节扇轮转轴上，第三关节扇轮与第三关节扇轮转轴转动连接，两个第三关节钢丝相对设置在第三关节扇轮上，每个第三关节钢丝的一端均固定安装在第三关节扇轮上，且每个第三关节钢丝的另一端分别绕过一个第三关节丝筒并固定安装在第三关节丝筒上，运动带动杆的一端铰接安装在第三关节扇轮上，运动带动杆的另一端铰接安装在末端杆的一端上，零杆的一端与末端杆的另一端连接，零杆的另一端与第一关节机构连接，连接架固定安装在支撑杆的一端，支撑杆的另一端铰接安装在末端杆上，支撑杆固定安装在第三关节扇轮转轴上，第二关节机构安装在连接架上。
本发明的有益效果是：
1.本结构采用关节机构，使惯性和摩擦力较小，自身体积小，运动耦合程度强，灵活性好，工作空间大，姿态影响大。
2.本结构采用钢丝传动减速，可以降低对电机的性能要求，从而降低整体结构的质量及成本。
3.本结构选用的钢丝传动具有质量小、惯性低、占用空间小、走丝方式灵活的特点。
4.本结构经过对钢丝传动的有效预紧后可以消除传动间隙，钢丝总长固定不变，减速比随之固定，大大提高传动精度，满足机械臂对于高安全性、低惯量、以及高精度等方面的要求。
5.本结构各关节都设计限位槽，防止关节超出运动范围导致零部件的损坏。
6.发明中第一关节机构2采用竖直结构，可以直接实现竖直方向的自重平衡。
7.第三关节中采用的平行四边形结构，能将力反馈转移到扇轮上，减小了第三关节机构4需要承受的重量，降低了第二关节机构3、第三关节机构4实现重力平衡的难度。
下面说明一种三自由度串联型自重平衡力反馈被动机械臂的动作实施过程。
1.三自由度的运动
该机械臂为被动结构，结构内部无动力源，通过操作者的控制产生相应运动。第一关节是第一关节扇轮2-4带动其上的所有零部件与底板1之间绕垂直轴线的相对旋转，操作者带动第一关节扇轮2-4或者其上零部件做旋转运动，第一关节钢丝2-5传动带动第一关节丝筒2-3旋转。第二关节机构3中，由于第二关节扇轮3-7与支撑杆4-2同步转动，故操作者带动支撑杆4-2及其上的零部件一起绕第二关节扇轮3-7转动，第二关节钢丝3-6带动第二关节丝筒3-5旋转。第三关节机构4，末端杆4-1、支撑杆4-2、运动带动杆4-3和第三关节扇轮4-5组成平行四边形，末端杆4-1与运动带动杆4-3之间的转动关系将等效为第三关节电机4-10与第三关节扇轮4-5之间的相对运动，从而当末端杆4-1转动时带动第三关节扇轮4-5转动，进而带动第三关节角度编码器4-8和第三关节电机4-10旋转。
2.自重平衡
机械臂第一关节机构2上第一关节电机2-1的转轴竖直设置，可以直接实现竖直方向的自重平衡。第二关节机构3采用重力平衡采用配重和电机输出反向力矩来实现。给电机反向力矩信号，在第二关节钢丝3-6的作用下，此反向力矩平衡关节的重力矩。所述第二关节电机3-1需要输出的反向力矩的数值通过主手机构的动力学得出。配重块置于重心相对于轴线的另一侧，可以减小第二关节电机3-1的输出力矩。第三关节机构4重力平衡采用平行四边形结构加电机来实现。平行四边形结构的使用使得第三关节机构4的重力平衡转移到第三关节扇轮4-5上。给第三关节电机4-10反向力矩信号来平衡第三关节机构4的重力矩，在第三关节钢丝4-6的作用下，平行四边形一条边固定，则对边相应固定，即第三关节机构4平衡。
3.力反馈
第一关节机构2、第二关节机构3和第三关节机构4中均有电机、扇轮、丝筒和钢丝传动组成的结构。扇轮转动时，通过钢丝传递到丝筒上，形成行星轮机构从而带动电机轴旋转。当操作者带动机构末端运动时，必须克服电机的输出力矩，相当于丝筒和扇轮的旋转受到一定的阻力矩，从而操作者感受到反馈的力。
4.角度反馈
每个关节机构的旋转角度通过相应关节的绝对式角度编码器获得。所述第一关节机构2的第一关节角度编码器2-7直接测量第一关节扇轮2-4旋转角度。第二关节机构3和第三关节机构4中丝筒和电机的转动信息，通过同步带传动分别传递给第二关节角度编码器3-2和第三关节角度编码器4-8测量角度。则带轮和丝筒、电机的角速度可以通过绝对式角度编码器的测量值和钢丝传动的传动比计算出来。所述同步带传动的预紧采用调整中心距的方法，速比为1:1。
5.调零
测量关节角度使用的均为绝对式角度编码器，故只需进行一次手动寻零对编码器与关节角建立映射关系，再次开机后因为绝对编码器的记忆功能而无需再次进行映射。机构与编码器之间的初始角度映射通过零杆5这一外置杆来实现。
附图说明
图1是本发明整体结构主视图。图2第一关节机构2的主视图，图3是图2的俯视图，图4是第二关节机构3的结构示意图，图5是第三关节机构4的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，它包括第一关节机构2、第二关节机构3、第三关节机构4和零杆5；第三关节机构4包括末端杆4-1、支撑杆4-2、运动带动杆4-3、连接架4-4、第三关节扇轮4-5、第三关节同步带4-7、第三关节角度编码器4-8、第三关节电机4-10、第三关节支架4-12、第三关节扇轮转轴4-13、两个第三关节钢丝4-6、两个第三关节丝筒4-9和两个第三关节同步带轮4-11；第三关节角度编码器4-8和第三关节电机4-10均固定安装在第一关节机构2的顶端上，两个第三关节丝筒4-9并排套装在第三关节电机4-10的转轴上，一个第三关节同步带轮4-11套装在第三关节电机4-10转轴的一端，另一个第三关节同步带轮4-11套装在第三关节角度编码器4-8的转轴上，且两个第三关节同步带轮4-11通过第三关节同步带4-7带传动连接，第三关节支架4-12安装在第一关节机构2的顶端上，第三关节扇轮转轴4-13固定安装在第三关节支架4-12上，第三关节扇轮4-5设置在第三关节扇轮转轴4-13上，第三关节扇轮4-5与第三关节扇轮转轴4-13转动连接，两个第三关节钢丝4-6相对设置在第三关节扇轮4-5上，每个第三关节钢丝4-6的一端均固定安装在第三关节扇轮4-5上，且每个第三关节钢丝4-6的另一端分别绕过一个第三关节丝筒4-9并固定安装在第三关节丝筒4-9上，运动带动杆4-3的一端铰接安装在第三关节扇轮4-5上，运动带动杆4-3的另一端铰接安装在末端杆4-1的一端上，零杆5的一端与末端杆4-1的另一端连接，零杆5的另一端与第一关节机构2连接，连接架4-4固定安装在支撑杆4-2的一端，支撑杆4-2的另一端铰接安装在末端杆4-1上，支撑杆4-2固定安装在第三关节扇轮转轴4-13上，第二关节机构3安装在连接架4-4上。
具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，所述第一关节机构2包括第一关节电机2-1、轴系部件2-2、第一关节扇轮2-4、第一关节支撑架2-6、第一关节角度编码器2-7、第一关节电机固定板2-8、第一关节角度编码器支撑件2-9、两个第一关节丝筒2-3和两个第一关节钢丝2-5；第一关节扇轮2-4设置在第一关节支撑架2-6的顶端，第一关节角度编码器支撑件2-9安装在第一关节支撑架2-6内，第一关节角度编码器2-7竖直安装在第一关节角度编码器支撑件2-9上，且第一关节角度编码器2-7转轴的顶端穿过第一关节支撑架2-6并与第一关节扇轮2-4固定连接，第一关节电机2-1通过第一关节电机固定板2-8竖直安装在第一关节支撑架2-6上，轴系部件2-2的底端与第一关节电机2-1顶端的转轴固定连接，轴系部件2-2的顶端水平固定安装有两个第一关节丝筒2-3，每个第一关节丝筒2-3上均设有一个第一关节钢丝2-5，且每个第一关节钢丝2-5的一端与第一关节丝筒2-3固定连接，每个第一关节钢丝2-5的另一端绕过第一关节丝筒2-3固定安装在第一关节扇轮2-4上，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，所述第二关节机构3包括第二关节电机3-1、第二关节角度编码器3-2、第二关节同步带3-4、第二关节扇轮3-7、两个第二关节同步带轮3-3、两个第二关节丝筒3-5和两个第二关节钢丝3-6；第二关节电机3-1和第二关节角度编码器3-2均水平固定安装在连接架4-4上，第二关节电机3-1的转轴上固定套装有一个第二关节同步带轮3-3和两个第二关节丝筒3-5，第二关节角度编码器3-2的转轴上固定套装有一个第二关节同步带轮3-3，两个第二关节同步带轮3-3通过第二关节同步带3-4带传动连接，第二关节扇轮3-7固定安装在第三关节支架4-12上，每个第二关节丝筒3-5上均设有一个第二关节钢丝3-6，且每个第二关节钢丝3-6的一端与一个第二关节丝筒3-5的一端固定连接，每个第二关节钢丝3-6的另一端绕过第二关节丝筒3-5并与第二关节扇轮3-7固定连接，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，它还包括底板1，第一关节支撑架2-6固定安装在底板1的上端面上，其它与具体实施方式一或二相同。
工作原理
本机构可以作为主从控制机器人系统或者虚拟环境控制系统中的位置输入设备和力反馈输出设备。在这些系统中，当操作者抓持本机构末端杆4-1绕第一绝对编码器2-7水平转动并带动第一关节扇轮2-4转动，第一关节扇轮2-4同时带动第一关节角度编码器2-7的转轴和第一关节电机2-1的转轴转动，第一绝对编码器2-7采集第一关节机构相对于底板1的转角，当操作者抓持本机构末端杆4-1带动支撑杆4-2绕第三关节扇轮转轴4-13转动，同时连接架4-4上的第二关节电机3-1和第二关节角度编码器3-2绕第二关节扇轮3-7转动，同时通过安装在第二关节扇轮3-7和两个第二关节丝筒3-5上的第二关节钢丝3-6使第二关节电机3-1转动，由于第二关节电机3-1和第二关节角度编码器3-2通过同步带同步转动，因此通过操作者抓持本机构末端杆4-1带动支撑杆4-2绕第三关节扇轮转轴4-13转动带动第二关节角度编码器3-2转动并测出第二关节机构3相对于第一关节机构的转角度，当操作者抓持本机构末端杆4-1以支撑杆4-2和末端杆4-1相交处为支点，通过运动带动杆4-3带动第三关节扇轮4-5绕第三关节扇轮转轴4-13转动时，第三关节扇轮转轴4-13通过两个第三关节钢丝4-6带动第三关节电机4-10的转轴转动，由于第三关节电机4-10和第三关节角度编码器4-8通过第三关节同步带4-7进行同步转动，进而通过第三关节角度编码器4-8测出第三关节机构4相对于第二关节机构的转角度，此时，通过外部机构驱动器读取这三个转角相对于该机构处于零点位置时角度值，并利用机器人学中的运动学计算公式和各连杆长度将此时末端杆相对于零点位置的三维空间末端位置求出，这个位置信息可以作为主从控制机器人系统中从操作臂的输入信息或者虚拟环境控制系统中的虚拟机械臂末端的位置输入信息，即该机构可以作为位置输入设备。同时该机构的控制系统利用机器人动力学公式将该机构各杆件作用在三个关节的重力矩求出，并通过驱动器控制电机输出反向的力矩，使该机构在工作空间内的各位置达到重力平衡，以消除操作者驱动该机构的疲劳。当主从控制机器人系统中的从操作臂或者虚拟环境中的虚拟机械臂与外界有力的作用时，该力可以作为外力输入发送给本机构的控制系统，该机构控制系统利用机器人动力学中的力雅克比矩阵将需要输出的力信息转化为各关节需要输出的力矩值，进而控制控制驱动器驱动电机在上述达到重力平衡的基础上再输出该力矩值，使操作者抓持的末端感受到输入的力信息。
Claims (4)
1.一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，其特征在于：它包括第一关节机构(2)、第二关节机构(3)、第三关节机构(4)和零杆(5)；第三关节机构(4)包括末端杆(4-1)、支撑杆(4-2)、运动带动杆(4-3)、连接架(4-4)、第三关节扇轮(4-5)、第三关节同步带(4-7)、第三关节角度编码器(4-8)、第三关节电机(4-10)、第三关节支架(4-12)、第三关节扇轮转轴(4-13)、两个第三关节钢丝(4-6)、两个第三关节丝筒(4-9)和两个第三关节同步带轮(4-11)；第三关节角度编码器(4-8)和第三关节电机(4-10)均固定安装在第一关节机构(2)的顶端上，两个第三关节丝筒(4-9)并排套装在第三关节电机(4-10)的转轴上，一个第三关节同步带轮(4-11)套装在第三关节电机(4-10)转轴的一端，另一个第三关节同步带轮(4-11)套装在第三关节角度编码器(4-8)的转轴上，且两个第三关节同步带轮(4-11)通过第三关节同步带(4-7)带传动连接，第三关节支架(4-12)安装在第一关节机构(2)的顶端上，第三关节扇轮转轴(4-13)固定安装在第三关节支架(4-12)上，第三关节扇轮(4-5)设置在第三关节扇轮转轴(4-13)上，第三关节扇轮(4-5)与第三关节扇轮转轴(4-13)转动连接，两个第三关节钢丝(4-6)相对设置在第三关节扇轮(4-5)上，每个第三关节钢丝(4-6)的一端均固定安装在第三关节扇轮(4-5)上，且每个第三关节钢丝(4-6)的另一端分别绕过一个第三关节丝筒(4-9)并固定安装在第三关节丝筒(4-9)上，运动带动杆(4-3)的一端铰接安装在第三关节扇轮(4-5)上，运动带动杆(4-3)的另一端铰接安装在末端杆(4-1)的一端上，零杆(5)的一端与末端杆(4-1)的另一端连接，零杆(5)的另一端与第一关节机构(2)连接，连接架(4-4)固定安装在支撑杆(4-2)的一端，支撑杆(4-2)的另一端铰接安装在末端杆(4-1)上，支撑杆(4-2)固定安装在第三关节扇轮转轴(4-13)上，第二关节机构(3)安装在连接架(4-4)上。
2.根据权利要求1所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，其特征在于：所述第一关节机构(2)包括第一关节电机(2-1)、轴系部件(2-2)、第一关节扇轮(2-4)、第一关节支撑架(2-6)、第一关节角度编码器(2-7)、第一关节电机固定板(2-8)、第一关节角度编码器支撑件(2-9)、两个第一关节丝筒(2-3)和两个第一关节钢丝(2-5)；第一关节扇轮(2-4)设置在第一关节支撑架(2-6)的顶端，第一关节角度编码器支撑件(2-9)安装在第一关节支撑架(2-6)内，第一关节角度编码器(2-7)竖直安装在第一关节角度编码器支撑件(2-9)上，且第一关节角度编码器(2-7)转轴的顶端穿过第一关节支撑架(2-6)并与第一关节扇轮(2-4)固定连接，第一关节电机(2-1)通过第一关节电机固定板(2-8)竖直安装在第一关节支撑架(2-6)上，轴系部件(2-2)的底端与第一关节电机(2-1)顶端的转轴固定连接，轴系部件(2-2)的顶端水平固定安装有两个第一关节丝筒(2-3)，每个第一关节丝筒(2-3)上均设有一个第一关节钢丝(2-5)，且每个第一关节钢丝(2-5)的一端与第一关节丝筒(2-3)固定连接，每个第一关节钢丝(2-5)的另一端绕过第一关节丝筒(2-3)固定安装在第一关节扇轮(2-4)上。
3.根据权利要求1所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，其特征在于：所述第二关节机构(3)包括第二关节电机(3-1)、第二关节角度编码器(3-2)、第二关节同步带(3-4)、第二关节扇轮(3-7)、两个第二关节同步带轮(3-3)、两个第二关节丝筒(3-5)和两个第二关节钢丝(3-6)；第二关节电机(3-1)和第二关节角度编码器(3-2)均水平固定安装在连接架(4-4)上，第二关节电机(3-1)的转轴上固定套装有一个第二关节同步带轮(3-3)和两个第二关节丝筒(3-5)，第二关节角度编码器(3-2)的转轴上固定套装有一个第二关节同步带轮(3-3)，两个第二关节同步带轮(3-3)通过第二关节同步带(3-4)带传动连接，第二关节扇轮(3-7)固定安装在第三关节支架(4-12)上，每个第二关节丝筒(3-5)上均设有一个第二关节钢丝(3-6)，且每个第二关节钢丝(3-6)的一端与一个第二关节丝筒(3-5)的一端固定连接，每个第二关节钢丝(3-6)的另一端绕过第二关节丝筒(3-5)并与第二关节扇轮(3-7)固定连接。
4.根据权利要求1或2所述一种三自由度串联型自重力平衡被动机械臂，其特征在于：它还包括底板(1)，第一关节支撑架(2-6)固定安装在底板(1)的上端面上。
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