CN105345812A - 能够实现部分解耦的空间平动并联机构 - Google Patents
能够实现部分解耦的空间平动并联机构 Download PDFInfo
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Abstract
能够实现部分解耦的空间平动并联机构，属于并联机器人技术领域。本发明是为了解决现有并联机器人的平动机构结构复杂，难以满足手术环境要求和术式操作要求，限制了机器人系统在手术室的应用的问题。本发明所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，支链机构位于平面机构上方，利用上端支链机构实现Y方向的进给运动，下端的平面机构实现XZ平面的二维定位，由于支链机构具有一个平行四边形结构，所以在上下端三自由度共同驱动作用下，末端器械就能够实现空间平动，而不会发生转动。本发明所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构主要应用于脊柱微创手术中的椎板减压领域。
Description
技术领域
本发明属于并联机器人技术领域，尤其涉及能够实现部分解耦的空间平动并联机构。
背景技术
并联机器人的动平台与定平台通过两个以上的独立的运动链连接，具有运动精度高、动态响应快、承载能力强等优点。
脊柱微创手术中常见的三种术式为椎弓根钉固定手术、椎板减压手术和椎体后凸成形手术，这些手术复杂，操作难度大，对医生的技术水平有很高的要求，对于重症患者，就算经验丰富的医生也很难获得满意的结果，微小的失误都有可能造成严重的后果。传统的微创手术主要依赖于医生的手眼协调和术中多次X光机拍摄来提高手术满意度，但是由于人手术操作偏差大、定位精度不高和X光线辐射严重等问题，使得脊柱微创手术机器人系统研究得到了医学界和工程界的广泛重视。目前应用于脊柱微创手术的医疗机器人在功能上大都只是完成导向作用，结构上多为串联结构或者复杂的并联结构，难以满足术式环境要求和手术操作要求，在一定程度上限制了机器人系统在手术室的应用。
发明内容
本发明是为了解决现有并联机器人的平动结构复杂，难以满足手术环境要求和术式操作要求，限制了机器人系统在手术室的应用的问题，现提供能够实现部分解耦的空间平动并联机构。
本发明提出了两种结构的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，
第一种结构：能够实现部分解耦的空间平动并联机构，它包括：支链机构2、平面机构4、滚珠衬套5、带减速器电机a6、电机b8、齿轮组9和电机c10；
平面机构4包括：远架杆a11、远架杆b12、2个连接轴13、近架杆b14、减速器15和近架杆a16；
支链机构2包括：转动副a17、转动副b18、平行四边机构19、驱动杆20和固连机构21；
平行四边机构19包括：4个条形构件，该4个条形构件首尾依次铰接构成平行四边形结构，转动副a17和转动副b18分别居中套接在相互平行的两个条形构件上，固连机构21的末端与转动副a17固定连接，驱动杆20的一端与转动副b18固定连接，驱动杆20通过齿轮组9实现传动，转动副a17与转动副b18相互平行，
远架杆b12的一端与近架杆b14的一端通过一个连接轴13转动连接，远架杆a11的一端与近架杆a16的一端通过另一个连接轴13转动连接，远架杆a11的另一端和远架杆b12的另一端均开有半径相同的圆孔，两个圆孔重叠，且两个圆孔均套接在滚珠衬套5上，
支链机构2位于平面机构4上方，电机c10通过齿轮组9带动驱动杆20在Y轴方向实现进给运动，
电机b8的输出轴与减速器15的动力输入端连接，减速器15的动力输出端与近架杆a16的另一端固定连接，使得近架杆a16能够在XZ平面摆动，
带减速器电机a6的输出轴与近架杆b14固定连接，使得近架杆b14能够在XZ平面摆动，
固连机构21的首端设有末端器械放置孔，该末端器械放置孔与远架杆a11和远架杆b12的圆孔正对。
第二种结构：能够实现部分解耦的空间平动并联机构，它包括：支链机构2、平面机构4、滚珠衬套5、带减速器电机a6、电机b8、螺母91和丝杠轴电机101；
平面机构4包括：远架杆a11、远架杆b12、2个连接轴13、近架杆b14、减速器15和近架杆a16；
支链机构2包括：转动副a17、转动副b18、平行四边机构19、驱动杆20和固连机构21；
平行四边机构19包括：4个条形构件，该4个条形构件首尾依次铰接构成平行四边形结构，转动副a17和转动副b18分别居中套接在相互平行的两个条形构件上，固连机构21的末端与转动副a17固定连接，驱动杆20的一端与转动副b18固定连接，驱动杆20与螺母91固定连接，丝杠轴电机101的丝杠杆上设有螺纹，螺母91固套接在杠轴电机101的丝杠杆上并与丝杠轴电机101的丝杠杆上的螺纹啮合，转动副a17与转动副b18相互平行，
远架杆b12的一端与近架杆b14的一端通过一个连接轴13转动连接，远架杆a11的一端与近架杆a16的一端通过另一个连接轴13转动连接，远架杆a11的另一端和远架杆b12的另一端均开有半径相同的圆孔，两个圆孔重叠，且两个圆孔均套接在滚珠衬套5上，
支链机构2位于平面机构4上方，丝杠轴电机101通过螺母91带动驱动杆20在Y轴方向实现进给运动，
电机b8的输出轴与减速器15的动力输入端连接，减速器15的动力输出端与近架杆a16的另一端固定连接，使得近架杆a16能够在XZ平面摆动，
带减速器电机a6的输出轴与近架杆b14固定连接，使得近架杆b14能够在XZ平面摆动，
固连机构21的首端设有末端器械放置孔，该末端器械放置孔与远架杆a11和远架杆b12的圆孔正对。
本发明所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，上端支链机构实现Y方向的进给运动，下端的平面机构实现XZ平面的二维定位，Y方向能够实现独立的纵向进给运动，与下端驱动机构无关，实现了完全解耦运动，并且该Y方向的运动解耦可以减少耦合运动的影响，提高该方向的进给控制响应速度和精度；XZ平面的二维定位需要带减速器电机a6、电机c10和电机b8三个驱动相互配合，是耦合运动，通过这种部分耦合运动能够实现较高精度的空间平动。同时，与其它相似功能机构相比，本发明所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，结构简单，整体尺寸及重量小，采用支链机构和平面机构相结合，同时兼具了二者的优点，提高了机构的稳定性和刚性，控制起来灵活方便。进而满足手术环境要求和术式操作要求。本发明能够实现磨钻在术中磨削位置的任意空间平动磨削，并主要应用于脊柱微创手术中的椎板减压领域。
附图说明
图1为本发明所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构的立体结构示意图；
图2为本发明所述的平面机构的结构示意图；
图3为具体实施方式一所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构的右视图
图4为具体实施方式一所述的支链机构的结构示意图；
图5为具体实施方式四所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构的剖视图；
图6为具体实施方式四所述的支链机构的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，它包括：支链机构2、平面机构4、滚珠衬套5、带减速器电机a6、电机b8、齿轮组9和电机c10；
平面机构4包括：远架杆a11、远架杆b12、2个连接轴13、近架杆b14、减速器15和近架杆a16；
支链机构2包括：转动副a17、转动副b18、平行四边机构19、驱动杆20和固连机构21；
平行四边机构19包括：4个条形构件，该4个条形构件首尾依次铰接构成平行四边形结构，转动副a17和转动副b18分别居中套接在相互平行的两个条形构件上，固连机构21的末端与转动副a17固定连接，驱动杆20的一端与转动副b18固定连接，驱动杆20通过齿轮组9实现传动，转动副a17与转动副b18相互平行，
远架杆b12的一端与近架杆b14的一端通过一个连接轴13转动连接，远架杆a11的一端与近架杆a16的一端通过另一个连接轴13转动连接，远架杆a11的另一端和远架杆b12的另一端均开有半径相同的圆孔，两个圆孔重叠，且两个圆孔均套接在滚珠衬套5上，
支链机构2位于平面机构4上方，电机c10通过齿轮组9带动驱动杆20绕Z轴转动，进而实现Y轴方向实现进给运动，
电机b8的输出轴与减速器15的动力输入端连接，减速器15的动力输出端与近架杆a16的另一端固定连接，使得近架杆a16能够在XZ平面摆动，
带减速器电机a6的输出轴与近架杆b14固定连接，使得近架杆b14能够在XZ平面摆动，
固连机构21的首端设有末端器械放置孔，该末端器械放置孔与远架杆a11和远架杆b12的圆孔正对。
本实施方式在实际应用时，将末端器械1穿过远架杆a11远架杆b12的圆孔，并通过滚珠衬套5与末端器械放置孔连接。所述的末端器械1为被控制移动的器械，例如手术刀。
上端支链机构2实现Y方向的进给运动，下端的平面机构4实现XZ平面的二维定位，由于支链机构2具有一个平行四边形结构，所以在上下端三自由度共同驱动作用下，末端器械1就能够实现空间平动，而不会发生转动。且上、下端两个机构相互配合运动能够解决现有的空间平动机构的结构尺寸较大、精度低、可靠性差等问题。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构作进一步说明，本实施方式中，它还包括：机架3；
带减速器电机a6、电机b8、齿轮组9和电机c10均位于机架3内部。
本实施方式中增加了机架3，能够将带减速器电机a6、电机b8、齿轮组9和电机c10归纳在其内部，对空间进行合理分配，并且起到保护零部件的作用。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构作进一步说明，本实施方式中，它还包括：支撑轴；
支撑轴沿Z方向设置在机架3内侧的顶部，驱动杆20的另一端套固在该支撑轴上，支撑轴外设有齿，并与齿轮组9啮合。
本实施方式所述的支撑轴与齿轮组9啮合，然后通过电机c10通过齿轮组9带动支撑轴转动，进而带动套固在支撑轴上的平行四边机构19在Y方向移动。。
具体实施方式四：参照图1、图2、图5和图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，它包括：支链机构2、平面机构4、滚珠衬套5、带减速器电机a6、电机b8、螺母91和丝杠轴电机101；
平面机构4包括：远架杆a11、远架杆b12、2个连接轴13、近架杆b14、减速器15和近架杆a16；
支链机构2包括：转动副a17、转动副b18、平行四边机构19、驱动杆20和固连机构21；
平行四边机构19包括：4个条形构件，该4个条形构件首尾依次铰接构成平行四边形结构，转动副a17和转动副b18分别居中套接在相互平行的两个条形构件上，固连机构21的末端与转动副a17固定连接，驱动杆20的一端与转动副b18固定连接，驱动杆20与螺母91固定连接，丝杠轴电机101的丝杠杆上设有螺纹，螺母91固套接在杠轴电机101的丝杠杆上并与丝杠轴电机101的丝杠杆上的螺纹啮合，转动副a17与转动副b18相互平行，
远架杆b12的一端与近架杆b14的一端通过一个连接轴13转动连接，远架杆a11的一端与近架杆a16的一端通过另一个连接轴13转动连接，远架杆a11的另一端和远架杆b12的另一端均开有半径相同的圆孔，两个圆孔重叠，且两个圆孔均套接在滚珠衬套5上，
支链机构2位于平面机构4上方，丝杠轴电机101通过螺母91带动驱动杆20在Y轴方向做直线运动，即：Y轴方向实现进给运动，
电机b8的输出轴与减速器15的动力输入端连接，减速器15的动力输出端与近架杆a16的另一端固定连接，使得近架杆a16能够在XZ平面摆动，
带减速器电机a6的输出轴与近架杆b14固定连接，使得近架杆b14能够在XZ平面摆动，
固连机构21的首端设有末端器械放置孔，该末端器械放置孔与远架杆a11和远架杆b12的圆孔正对。
本实施方式中丝杠轴电机101包括减速器、电机和丝杠，三者为一体件。电机带动丝杠周向转动，丝杠杆随之转动的同时螺母91在丝杠杆上沿Y轴上下运动，由于螺母91与驱动杆20固连，最终实现驱动杆20在Y轴方向的进给运动。
本实施方式在实际应用时，将末端器械1穿过远架杆a11远架杆b12的圆孔，并通过滚珠衬套5与末端器械放置孔连接。所述的末端器械1为被控制移动的器械，例如手术刀。
上端支链机构2实现Y方向的进给运动，下端的平面机构4实现XZ平面的二维定位，由于支链机构2具有一个平行四边形结构，所以在上下端三自由度共同驱动作用下，末端器械1就能够实现空间平动，而不会发生转动。且上、下端两个机构相互配合运动能够解决现有的空间平动机构的结构尺寸较大、精度低、可靠性差等问题。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构作进一步说明，本实施方式中，它还包括：机架3；
带减速器电机a6、电机b8、螺母91和丝杠轴电机101均位于机架3内部。
本实施方式中增加了机架3，能够将带减速器电机a6、电机b8、螺母91和丝杠轴电机101归纳在其内部，对空间进行合理分配，并且起到保护零部件的作用。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构作进一步说明，本实施方式中，它还包括：支撑座7，支撑座7用于支撑电机b8。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构作进一步说明，本实施方式中，4个条形构件通过转动副连接。
Claims (7)
1.能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，它包括：支链机构(2)、平面机构(4)、滚珠衬套(5)、带减速器电机a(6)、电机b(8)、齿轮组(9)和电机c(10)；
平面机构(4)包括：远架杆a(11)、远架杆b(12)、2个连接轴(13)、近架杆b(14)、减速器(15)和近架杆a(16)；
支链机构(2)包括：转动副a(17)、转动副b(18)、平行四边机构(19)、驱动杆(20)和固连机构(21)；
平行四边机构(19)包括：4个条形构件，该4个条形构件首尾依次铰接构成平行四边形结构，转动副a(17)和转动副b(18)分别居中套接在相互平行的两个条形构件上，固连机构(21)的末端与转动副a(17)固定连接，驱动杆(20)的一端与转动副b(18)固定连接，驱动杆(20)通过齿轮组(9)实现传动，转动副a(17)与转动副b(18)相互平行，
远架杆b(12)的一端与近架杆b(14)的一端通过一个连接轴(13)转动连接，远架杆a(11)的一端与近架杆a(16)的一端通过另一个连接轴(13)转动连接，远架杆a(11)的另一端和远架杆b(12)的另一端均开有半径相同的圆孔，两个圆孔重叠，且两个圆孔均套接在滚珠衬套(5)上，
支链机构(2)位于平面机构(4)上方，电机c(10)通过齿轮组(9)带动驱动杆(20)在Y轴方向实现进给运动，
电机b(8)的输出轴与减速器(15)的动力输入端连接，减速器(15)的动力输出端与近架杆a(16)的另一端固定连接，使得近架杆a(16)能够在XZ平面摆动，
带减速器电机a(6)的输出轴与近架杆b(14)固定连接，使得近架杆b(14)能够在XZ平面摆动，
固连机构(21)的首端设有末端器械放置孔，该末端器械放置孔与远架杆a(11)和远架杆b(12)的圆孔正对。
2.根据权利要求1所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，它还包括：机架(3)；
带减速器电机a(6)、电机b(8)、齿轮组(9)和电机c(10)均位于机架(3)内部。
3.根据权利要求1所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，它还包括：支撑轴；
支撑轴沿Z方向设置在机架(3)内侧的顶部，驱动杆(20)的另一端套固在该支撑轴上，支撑轴外设有齿，并与齿轮组(9)啮合。
4.能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，它包括：支链机构(2)、平面机构(4)、滚珠衬套(5)、带减速器电机a(6)、电机b(8)、螺母(91)和丝杠轴电机(101)；
平面机构(4)包括：远架杆a(11)、远架杆b(12)、2个连接轴(13)、近架杆b(14)、减速器(15)和近架杆a(16)；
支链机构(2)包括：转动副a(17)、转动副b(18)、平行四边机构(19)、驱动杆(20)和固连机构(21)；
平行四边机构(19)包括：4个条形构件，该4个条形构件首尾依次铰接构成平行四边形结构，转动副a(17)和转动副b(18)分别居中套接在相互平行的两个条形构件上，固连机构(21)的末端与转动副a(17)固定连接，驱动杆(20)的一端与转动副b(18)固定连接，驱动杆(20)与螺母(91)固定连接，丝杠轴电机(101)的丝杠杆上设有螺纹，螺母(91)固套接在杠轴电机(101)的丝杠杆上并与丝杠轴电机(101)的丝杠杆上的螺纹啮合，转动副a(17)与转动副b(18)相互平行，
远架杆b(12)的一端与近架杆b(14)的一端通过一个连接轴(13)转动连接，远架杆a(11)的一端与近架杆a(16)的一端通过另一个连接轴(13)转动连接，远架杆a(11)的另一端和远架杆b(12)的另一端均开有半径相同的圆孔，两个圆孔重叠，且两个圆孔均套接在滚珠衬套(5)上，
支链机构(2)位于平面机构(4)上方，丝杠轴电机(101)通过螺母(91)带动驱动杆(20)在Y轴方向实现进给运动，
电机b(8)的输出轴与减速器(15)的动力输入端连接，减速器(15)的动力输出端与近架杆a(16)的另一端固定连接，使得近架杆a(16)能够在XZ平面摆动，
带减速器电机a(6)的输出轴与近架杆b(14)固定连接，使得近架杆b(14)能够在XZ平面摆动，
固连机构(21)的首端设有末端器械放置孔，该末端器械放置孔与远架杆a(11)和远架杆b(12)的圆孔正对。
5.根据权利要求4所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，它还包括：机架3；
带减速器电机a(6)、电机b(8)、螺母(91)和丝杠轴电机(101)均位于机架3内部。
6.根据权利要求1或4所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，它还包括：支撑座(7)，支撑座(7)用于支撑电机b(8)。
7.根据权利要求1或4所述的能够实现部分解耦的空间平动并联机构，其特征在于，4个条形构件通过转动副连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160224 |