CN105496558A - 一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构 - Google Patents
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- A61B17/00234—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for minimally invasive surgery
Abstract
一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，涉及混联机器人技术领域。解决了现有的串联或并联结构的医疗机器人在脊柱微创手术中的局限性的问题。一二四五关节均为移动关节，第三关节为转动关节，共实现三个自由度的定位和两个自由度的定向。第一关节和第二关节分别为沿水平方向和沿竖直方向的移动关节，复合运动实现平面二维定位。第三关节、第四关节和第五关节为一体件，且该一体件垂直于第一关节和第二关节所在平面，且可沿一体件的自身轴线整周回转，并能实现所在平面内的一维移动和定向。该机构共实现五个自由度运动。本发明适用于其他需要空间二维定向和三维定位的场合。
Description
技术领域
本发明涉及混联机器人技术领域。
背景技术
在脊柱微创手术中，所涉及的术种包括椎弓根螺钉内固定术、经皮椎体成形术、经皮椎板减压术等，这些术式的操作精细度要求很高，微小的失误都有可能造成脊髓或神经根的损伤，导致下肢瘫痪甚至死亡。
传统的人工进行微创手术方法要求医生具有很高的操作技术水平，然而借助导航的手术方式切断了医生的手眼协调，由于误操作或颤抖造成的手术偏差难于避免，且手术过程中医生和患者需要受到大量X射线的辐射。因此脊柱微创手术机器人的研究和应用成为了医学界和工程界的共识。
目前应用于脊柱微创手术的医疗机器人构型均为单纯的串联或并联结构，串联结构虽然工作空间大，但是误差积累、刚度性能较差，降低了手术的安全性；并联结构误差均化，精度高，刚性好，但是结构复杂，控制难度较大，工作空间小。单纯的串联或并联结构相对于脊柱微创手术的术室环境要求和医师操作要求都有其局限性，限制了这类机器人结构的进一步发展与应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的串联或并联结构的医疗机器人在脊柱微创手术中的局限性的问题，提出了一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构。
一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，该机构用于完成对手术器械安装座9的操作；
它包括第一关节1、第二关节2、第三关节、第四关节、第五关节、机架6、长远架杆7和短远架杆8；
机架6包括竖直架6-1和水平架6-2，竖直架6-1与水平架6-2垂直，且构成L型；长远架杆7为圆弧形，且一端设有圆孔7-1；
第一关节1固定在水平架6-2上，且第一关节1沿水平架6-2左右移动；第二关节2固定在竖直架6-1上，且第二关节2沿竖直架6-1上下移动；
第一关节1的输出端与短远架杆8的一端铰接；第二关节2的输出端与长远架杆7的一端铰接；短远架杆8的另一端与长远架杆7的圆弧处铰接；
第三关节、第四关节和第五关节为一体件，且该一体件的一端固定在长远架杆7上的圆孔7-1内；手术器械安装座9与该一体件的另一端铰接；
构成一体件的第三关节、第四关节和第五关节垂直于第一关节1和第二关节2，且该一体件沿其自身的轴线在360度范围内旋转。
第一关节1包括第一关节近架杆3、第一关节驱动丝杆组件4和第一关节丝杆支撑座5；第一关节驱动丝杆组件4包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机；第一关节近架杆3由螺母和一个固定连接件构成，螺母位于固定连接件内部；第一关节驱动丝杆组件4的丝杆驱动螺母沿丝杆的轴线移动；
第一关节近架杆3通过第一关节丝杆支撑座5安装在第一关节驱动丝杆组件4的丝杆上，第一关节近架杆3由第一关节驱动丝杆组件4驱动，且第一关节近架杆3沿着水平架6-2左右移动。
第二关节2包括第二关节近架杆2-1、第二关节驱动丝杆组件2-2和第二关节丝杆支撑座2-3；第二关节驱动丝杆组件2-2包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机；第二关节近架杆2-1由螺母和一个固定连接件构成，螺母位于固定连接件内部；第二关节驱动丝杆组件2-2的丝杆驱动螺母沿丝杆轴线移动；
第二关节近架杆2-1通过第二关节丝杆支撑座2-3安装在第二关节驱动丝杆组件2-2的丝杆上，第二关节近架杆2-1由第二关节驱动丝杆组件2-2驱动，且第二关节近架杆2-1沿着竖直架6-1上下移动。
第三关节、第四关节和第五关节为一体件，该一体件包括第三关节驱动电机10、电机罩11、第三关节驱动电机安装套筒12、第三关节输出架13、第三关节输出架安装轴承14、第一轴承定位套筒15、第二轴承定位套筒16、轴承盖17、第四关节驱动电机18、第五关节驱动电机19、两个小带轮20、同步带21、两个大带轮22、第一丝杆23、第二丝杆24、两套丝杆驱动螺母组件25、螺母座安装筒26、两个丝杆导向座27、丝杆导向座安装板28、连杆29；
第三关节驱动电机安装套筒12和轴承盖17依次连接；
第三关节驱动电机安装套筒12插入长远架杆7的圆孔7-1内，且二者固定连接；第三关节驱动电机安装套筒12的一端与电机罩11固定连接；第三关节驱动电机10位于电机罩11内且固定在第三关节驱动电机安装套筒12上，第三关节驱动电机10的输出端与第三关节输出架13的一端固定连接；第三关节输出架13的另一端与螺母座安装筒26连接；
第三关节输出架13通过两个第三关节输出架安装轴承14、第一轴承定位套筒15、第二轴承定位套筒16和轴承盖17与第三关节驱动电机安装套筒12连接；两个第三关节输出架安装轴承14均安装在第三关节输出架13的外表面，且两个第三关节输出架安装轴承14之间设置有第一轴承定位套筒15和第二轴承定位套筒16；第二轴承定位套筒16套在第三关节输出架13的外表面；第一轴承定位套筒15紧贴第三关节驱动电机安装套筒12的内表面；轴承盖17盖在第三关节输出架安装轴承14上；
第四关节驱动电机18和第五关节驱动电机19均安装在螺母座安装筒26上；丝杆驱动螺母组件25安装在螺母座安装筒26内部；丝杆导向座安装板28安装在螺母座安装筒26的顶端；
两个丝杆导向座27均安装在丝杆导向座安装板28上，且丝杆导向座27位于螺母座安装筒26内部；
第一丝杆23和第二丝杆24通过螺母副分别安装在两套丝杆驱动螺母组件25内，且第一丝杆23和第二丝杆24分别由丝杆导向座27导向；
第四关节驱动电机18的输出轴与一个小带轮20同轴连接；一套丝杆驱动螺母组件25中的螺母与一个大带轮22同轴连接；小带轮20和大带轮22上套有同一条同步带21；
第五关节驱动电机19的输出轴与另一个小带轮20同轴连接；另一套丝杆驱动螺母组件25中的螺母与另一个大带轮22同轴连接；小带轮20和大带轮22上套有同一条同步带21；
第一丝杆23的一端与连杆29的一端铰接，连杆29的另一端与手术器械安装座9的一个连接件铰接；第二丝杆24与手术器械安装座9的另一个连接件铰接。
根据结构形式的不同，机器人可以分为串联机器人和并联机器人，串联机器人工作空间大，运动耦合性强，运动灵活性好；并联机器人刚度大、承载能力强、关节误差均化，末端误差小、精度高。针对实际情况进行串并结合得到混联机器人综合了两者的优点，具有更好的使用性能。本发明提供了一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，实现了手术器械在手术切口点的上方定位，以及器械操作角度的空间二维调整。
有益效果：一二四五关节均为移动机构；第三关节为转动机构，共实现五个自由度的平面定位和定向。第一关节和第二关节分别为沿水平方向和沿竖直方向的移动关节，复合运动实现平面二维定位。第三关节、第四关节和第五关节为一体件，且该一体件垂直于第一关节和第二关节所在平面，且可沿一体件的自身轴线整周回转，并能实现所在平面内的一维移动和定向。本发明所述的混联机构，两套平面五杆并联机构正交布置，运动解耦，更加便于控制末端手术器械安装座的位置，有利于提高定位和导向精度。同时，本发明所述的混联机构提升了系统刚性，使定位、定向更加稳定。电机靠近机架，减轻了后续消毒难度。整体工作空间针对脊柱手术设计，贴近临床，适用性强，减少对医生护士其它操作的干扰，适用性强。
本发明适用于其他需要空间二维定向和三维定位的场合。
附图说明
图1为一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构的整体结构示意图；
图2为本发明中第一关节、第二关节的正视图；
图3为本发明中第三关节、第四关节和第五关节连接关系剖视图；
图4为图3的立体结构剖视图；
附图标记：第一关节1、第二关节2、第三关节、第四关节、第五关节、机架6、长远架杆7、短远架杆8、手术器械安装座9、第三关节驱动电机10、电机罩11、第三关节驱动电机安装套筒12、第三关节输出架13、第三关节输出架安装轴承14、第一轴承定位套筒15、第二轴承定位套筒16、轴承盖17、第四关节驱动电机18、第五关节驱动电机19、两个小带轮20、同步带21、两个大带轮22、第一丝杆23、第二丝杆24、两套丝杆驱动螺母组件25、螺母座安装筒26、两个丝杆导向座27、丝杆导向座安装板28、连杆29、第一关节近架杆3、第一关节驱动丝杆组件4、第一关节丝杆支撑座5、竖直架6-1、水平架6-2、圆孔7-1、第二关节近架杆2-1、第二关节驱动丝杆组件2-2和第二关节丝杆支撑座2-3。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，该机构用于完成对手术器械安装座9的操作；它包括第一关节1、第二关节2、第三关节、第四关节、第五关节、机架6、长远架杆7和短远架杆8；
机架6包括竖直架6-1和水平架6-2，竖直架6-1与水平架6-2垂直，且构成L型；长远架杆7为圆弧形，且一端设有圆孔7-1；
第一关节1固定在水平架6-2上，且第一关节1沿水平架6-2左右移动；第二关节2固定在竖直架6-1上，且第二关节2沿竖直架6-1上下移动；
第一关节1的输出端与短远架杆8的一端铰接；第二关节2的输出端与长远架杆7的一端铰接；短远架杆8的另一端与长远架杆7的圆弧处铰接；
第三关节、第四关节和第五关节为一体件，且该一体件的一端固定在长远架杆7上的圆孔7-1内；手术器械安装座9与该一体件的另一端铰接；
构成一体件的第三关节、第四关节和第五关节垂直于第一关节1和第二关节2，且该一体件沿其自身的轴线在360度范围内旋转。
如图1、图2、图3所示，机架6中的竖直架6-1沿Z轴负方向设置，机架6中的平行架6-2沿X轴正方向设置，第一关节1沿水平架移动，实现X轴的平动；第二关节2沿竖直架6-1移动；实现沿Z轴的平动；第一关节1的输出端与短远架杆8的一端铰接；第二关节2的输出端与长远架杆7的一端铰接；短远架杆8的另一端与长远架杆7的圆弧处铰接。该结构，在第一关节和第二关节移动时，带动长远架杆7和短远架杆完成两个自由度的运动。
第三关节、第四关节和第五关节为一体件，属于整体嵌套式结构，且垂直于第一关节1和第二关节2，即沿着Y轴负方向设置，该一体件的一端固定在长远架杆7上的圆孔7-1内，手术器械安装座9与该一体件的另一端铰接；该一体件能够以Y轴正方向为轴360度旋转。
本实施方式中，手术器械安装座9通过所述五个关节，实现了空间三维定位和二维定向，且完成五自由度的运动，解决了现有的串联或并联结构的医疗机器人在脊柱微创手术中的局限性的问题。本发明具有更好的应用前景。
具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构的进一步说明，本实施方式中，第一关节1包括第一关节近架杆3、第一关节驱动丝杆组件4和第一关节丝杆支撑座5；第一关节驱动丝杆组件4包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机；第一关节近架杆3由螺母和一个固定连接件构成，螺母位于固定连接件内部；第一关节驱动丝杆组件4的丝杆驱动螺母沿丝杆的轴线移动；
第一关节近架杆3通过第一关节丝杆支撑座5安装在第一关节驱动丝杆组件4的丝杆上，第一关节近架杆3由第一关节驱动丝杆组件4驱动，且第一关节近架杆3沿着水平架6-2左右移动。
具体实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构的进一步说明，本实施方式中，第二关节2包括第二关节近架杆2-1、第二关节驱动丝杆组件2-2和第二关节丝杆支撑座2-3；第二关节驱动丝杆组件2-2包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机；第二关节近架杆2-1由螺母和一个固定连接件构成，螺母位于固定连接件内部；第二关节驱动丝杆组件2-2的丝杆驱动螺母沿丝杆轴线移动；
第二关节近架杆2-1通过第二关节丝杆支撑座2-3安装在第二关节驱动丝杆组件2-2的丝杆上，第二关节近架杆2-1由第二关节驱动丝杆组件2-2驱动，且第二关节近架杆2-1沿着竖直架6-1上下移动。
本实施方式中，第二关节驱动丝杆组件2-2包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机。
具体实施方式四、参照图3和图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构的进一步说明，本实施方式中，第三关节、第四关节和第五关节为一体件，
该一体件包括第三关节驱动电机10、电机罩11、第三关节驱动电机安装套筒12、第三关节输出架13、第三关节输出架安装轴承14、第一轴承定位套筒15、第二轴承定位套筒16、轴承盖17、第四关节驱动电机18、第五关节驱动电机19、两个小带轮20、同步带21、两个大带轮22、第一丝杆23、第二丝杆24、两套丝杆驱动螺母组件25、螺母座安装筒26、两个丝杆导向座27、丝杆导向座安装板28和连杆29；
第三关节驱动电机安装套筒12和轴承盖17依次连接；
第三关节驱动电机安装套筒12插入长远架杆7的圆孔7-1内，且二者固定连接；第三关节驱动电机安装套筒12的一端与电机罩11固定连接；第三关节驱动电机10位于电机罩11内且固定在第三关节驱动电机安装套筒12上，第三关节驱动电机10的输出端与第三关节输出架13的一端固定连接；第三关节输出架13的另一端与螺母座安装筒26连接；
第三关节输出架13通过两个第三关节输出架安装轴承14、第一轴承定位套筒15、第二轴承定位套筒16和轴承盖17与第三关节驱动电机安装套筒12连接；两个第三关节输出架安装轴承14均安装在第三关节输出架13的外表面，且两个第三关节输出架安装轴承14之间设置有第一轴承定位套筒15和第二轴承定位套筒16；第二轴承定位套筒16套在第三关节输出架13的外表面；第一轴承定位套筒15紧贴第三关节驱动电机安装套筒12的内表面；轴承盖17盖在第三关节输出架安装轴承14上；
第四关节驱动电机18和第五关节驱动电机19均安装在螺母座安装筒26上；丝杆驱动螺母组件25安装在螺母座安装筒26内部；丝杆导向座安装板28安装在螺母座安装筒26的顶端；
两个丝杆导向座27均安装在丝杆导向座安装板28上，且丝杆导向座27位于螺母座安装筒26内部；
第一丝杆23和第二丝杆24通过螺母副分别安装在两套丝杆驱动螺母组件25内，且第一丝杆23和第二丝杆24分别由丝杆导向座27导向；
第四关节驱动电机18的输出轴与一个小带轮20同轴连接；一套丝杆驱动螺母组件25中的螺母与一个大带轮22同轴连接；小带轮20和大带轮22上套有同一条同步带21；
第五关节驱动电机19的输出轴与另一个小带轮20同轴连接；另一套丝杆驱动螺母组件25中的螺母与另一个大带轮22同轴连接；小带轮20和大带轮22上套有同一条同步带21；
第一丝杆23的一端与连杆29的一端铰接，连杆29的另一端与手术器械安装座9的一个连接件铰接；第二丝杆24与手术器械安装座9的另一个连接件铰接。
本实施方式中，第四关节驱动电机18或第五关节驱动电机19带动小带轮20转动，大带轮22通过与小带轮20共同套接的同步带21随着小带轮20转动，由于大带轮22与丝杆驱动螺母组件25中的螺母固接，丝杆驱动螺母组件25带动第一丝杆23或第二丝杆24动作。
本发明所述的混联机构，第一关节1和第二关节2通过与长远架杆7和短远架杆8的连接方式，实现了构成一体件的第三关节、第四关节和第五关节的平面二维定位。
构成一体件的第三关节、第四关节和第五关节垂直于第一关节和第二关节设置，且能够绕一体件自身的轴线旋转360度，实现一维定位和二维定向。
第三关节驱动电机10调整平面内偏角，结构相同的第四关节驱动电机18和第五关节驱动电机19通过带动一体件内部的元件运动，使手术器械安装座9完成了沿第三关节驱动电机安装套筒12轴向的定位及第一丝杆23和第二丝杆24所在平面内的定向，最终实现手术器械安装座9的空间三维定位和二维定向。
通过第一二四五关节的移动机构和第三关节的转动机构，共实现五个自由度的定位和定向。混联机构的使用，减小了定位、定向机构的结构尺寸，且提高了刚度、精度和可靠性。
本发明所述的平面五杆并联机构为PRRRP构型(其中，P表示移动，R表示转动)。
Claims (4)
1.一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，该机构用于完成对手术器械安装座(9)的操作；其特征在于，它包括第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节、第四关节、第五关节、机架(6)、长远架杆(7)和短远架杆(8)；
机架(6)包括竖直架(6-1)和水平架(6-2)，竖直架(6-1)与水平架(6-2)垂直，且构成L型；长远架杆(7)为圆弧形，且一端设有圆孔(7-1)；
第一关节(1)固定在水平架(6-2)上，且第一关节(1)沿水平架(6-2)左右移动；第二关节(2)固定在竖直架(6-1)上，且第二关节(2)沿竖直架(6-1)上下移动；
第一关节(1)的输出端与短远架杆(8)的一端铰接；第二关节(2)的输出端与长远架杆(7)的一端铰接；短远架杆(8)的另一端与长远架杆(7)的圆弧处铰接；
第三关节、第四关节和第五关节为一体件，且该一体件的一端固定在长远架杆(7)上的圆孔(7-1)内；手术器械安装座(9)与该一体件的另一端铰接；
构成一体件的第三关节、第四关节和第五关节垂直于第一关节(1)和第二关节(2)，且该一体件沿其自身的轴线在360度范围内旋转。
2.根据权利要求1所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，其特征在于，第一关节(1)包括第一关节近架杆(3)、第一关节驱动丝杆组件(4)和第一关节丝杆支撑座(5)；第一关节驱动丝杆组件(4)包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机；第一关节近架杆(3)由螺母和一个固定连接件构成，螺母位于固定连接件内部；第一关节驱动丝杆组件(4)的丝杆驱动螺母沿丝杆的轴线移动；
第一关节近架杆(3)通过第一关节丝杆支撑座(5)安装在第一关节驱动丝杆组件(4)的丝杆上，第一关节近架杆(3)由第一关节驱动丝杆组件(4)驱动，且第一关节近架杆(3)沿着水平架(6-2)左右移动。
3.根据权利要求1所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，其特征在于，第二关节(2)包括第二关节近架杆(2-1)、第二关节驱动丝杆组件(2-2)和第二关节丝杆支撑座(2-3)；第二关节驱动丝杆组件(2-2)包括丝杆、联轴器、电机固定座和电机；丝杆通过联轴器与电机连接，电机固定座用于固定电机；第二关节近架杆(2-1)由螺母和一个固定连接件构成，螺母位于固定连接件内部；第二关节驱动丝杆组件(2-2)的丝杆驱动螺母沿丝杆轴线移动；
第二关节近架杆(2-1)通过第二关节丝杆支撑座(2-3)安装在第二关节驱动丝杆组件(2-2)的丝杆上，第二关节近架杆(2-1)由第二关节驱动丝杆组件(2-2)驱动，且第二关节近架杆(2-1)沿着竖直架(6-1)上下移动。
4.根据权利要求1所述的一种可实现空间三维定位和二维定向的五自由度混联机构，其特征在于，第三关节、第四关节和第五关节为一体件，该一体件包括第三关节驱动电机(10)、电机罩(11)、第三关节驱动电机安装套筒(12)、第三关节输出架(13)、第三关节输出架安装轴承(14)、第一轴承定位套筒(15)、第二轴承定位套筒(16)、轴承盖(17)、第四关节驱动电机(18)、第五关节驱动电机(19)、两个小带轮(20)、同步带(21)、两个大带轮(22)、第一丝杆(23)、第二丝杆(24)、两套丝杆驱动螺母组件(25)、螺母座安装筒(26)、两个丝杆导向座(27)、丝杆导向座安装板(28)和连杆(29)；
第三关节驱动电机安装套筒(12)和轴承盖(17)依次连接；
第三关节驱动电机安装套筒(12)插入长远架杆(7)的圆孔(7-1)内，且二者固定连接；第三关节驱动电机安装套筒(12)的一端与电机罩(11)固定连接；第三关节驱动电机(10)位于电机罩(11)内且固定在第三关节驱动电机安装套筒(12)上，第三关节驱动电机(10)的输出端与第三关节输出架(13)的一端固定连接；第三关节输出架(13)的另一端与螺母座安装筒(26)连接；
第三关节输出架(13)通过两个第三关节输出架安装轴承(14)、第一轴承定位套筒(15)、第二轴承定位套筒(16)和轴承盖(17)与第三关节驱动电机安装套筒(12)连接；两个第三关节输出架安装轴承(14)均安装在第三关节输出架(13)的外表面，且两个第三关节输出架安装轴承(14)之间设置有第一轴承定位套筒(15)和第二轴承定位套筒(16)；第二轴承定位套筒(16)套在第三关节输出架(13)的外表面；第一轴承定位套筒(15)紧贴第三关节驱动电机安装套筒(12)的内表面；轴承盖(17)盖在第三关节输出架安装轴承(14)上；
第四关节驱动电机(18)和第五关节驱动电机(19)均安装在螺母座安装筒(26)上；丝杆驱动螺母组件(25)安装在螺母座安装筒(26)内部；丝杆导向座安装板(28)安装在螺母座安装筒(26)的顶端；
两个丝杆导向座(27)均安装在丝杆导向座安装板(28)上，且丝杆导向座(27)位于螺母座安装筒(26)内部；
第一丝杆(23)和第二丝杆(24)通过螺母副分别安装在两套丝杆驱动螺母组件(25)内，且第一丝杆(23)和第二丝杆(24)分别由丝杆导向座(27)导向；
第四关节驱动电机(18)的输出轴与一个小带轮(20)同轴连接；一套丝杆驱动螺母组件(25)中的螺母与一个大带轮(22)同轴连接；小带轮(20)和大带轮(22)上套有同一条同步带(21)；
第五关节驱动电机(19)的输出轴与另一个小带轮(20)同轴连接；另一套丝杆驱动螺母组件(25)中的螺母与另一个大带轮(22)同轴连接；小带轮(20)和大带轮(22)上套有同一条同步带(21)；
第一丝杆(23)的一端与连杆(29)的一端铰接，连杆(29)的另一端与手术器械安装座(9)的一个连接件铰接；第二丝杆(24)与手术器械安装座(9)的另一个连接件铰接。
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