CN105710864A - 用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构 - Google Patents

Abstract

一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，包括机架、环形转动臂、T形滑块、末端执行器、第一运动支链、第二运动支链、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副。本发明可实现末端执行器绕远处旋转中心的三转动一移动四自由度运动，并且三个转动自由度和一个移动自由度分别通过单个电机控制，具有完全解耦的运动特性。除了用以驱动自转的电机靠近末端执行器外，另外三个电机都远离末端执行器，从而使腹腔微创手术机器人末端执行器的质量更轻，运动惯性更小，提高了手术的安全性。

Description

用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构

技术领域

本发明涉及医疗机器人，尤其涉及一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构。

背景技术

并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。然而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂、标定困难、而且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。

运动解耦并联机器人是指输出运动的任一个自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人中应用前景广阔。

[HuntKH.StructuralKinematicsofIn–Parallel‐ActuatedRobotArms,JournalofMechanisms,TransmissionsandAutomationinDesign,1983,105:705‐712]报道了一种两转动一移动自由度并联机构，主要由机架、动平台和固连在机架和动平台之间的三个结构形式相同的运动支链组成，每个运动支链依次由转动副、移动副、球铰链及它们之间的杆件组成，并且三个运动支链空间对称分布。文献[HuangZ,WangJ.FangYF,AnalysisofInstantaneousMotionsofDeficient‐Rank3‐RPSParallelManipulators.MechanismandMachineTheory,2002,37(2):229‐240.]报道了该类型并联机构存在瞬时运动，其转动自由度的轴线只存在于一单叶双曲面上。

中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、固定平台及连接它们的四条闭环运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一类对称结构的六杆球形机构，动平台和固定平台与每条支链用转动副连接。文献[XianwenKong,ClementM.GosselinTypesynthesisofinput‐outputdecoupledparallelmanipulators,TransactionsoftheCSME,Vol.28,SpecialEdition,2004]中报道了具有两移动一转动自由度并联机构，由动平台、固定平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb2002,(1):9‐12,14]提出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器控制，仍属于解耦并联机构，完全解耦的四自由度球面机构文献发明目前尚未检索到。

在进行腹腔微创手术时，先在患者肚皮出开出小孔，然后微创手术机器人利用一个特定的机械结构将手术器械(例如剪刀，镊子)通过这个小孔送入体内，并且为了保证手术安全性，要求手术器械在肚皮切口处要实现四个自由度运动。这个手术器械与肚皮交点可称为远心点，而此特定的机械结构则可称为远心机构。在远心机构研制方面，有很多的经典案例，例如，东京大学研制出的五连杆远心机构，该机构非常容易拆装，便于机器人的消毒，然而刚性稍差。华盛顿大学研制的球面远心机构，利用球面关节的轴线过球心定点的原理，保证末端手术器械的定点四自由度运动，这种机构很紧凑，也容易实现小型化，但是这种机构驱动问题复杂，且由于运动学复杂，难以实现控制。还有daVinci公司应用的复合平行四杆机构远心机构，在刚度和运动空间上都非常的不错，但是它对加工精度的要求很高，同时末端执行器的重量较大，惯性大。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，包括机架、环形转动臂、T形滑块、末端执行器、第一运动支链、第二运动支链、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副；环形转动臂通过第一转动副和第二转动副活动架设在机架上，T形滑块3通过第三转动副与末端执行器活动相连，第一运动支链的一端通过第四转动副与环形转动臂活动相连，另一端与T形滑块活动相连，第二运动支链的一端通过第四转动副和第五转动副与环形转动臂活动相连，另一端与T形滑块滑动相连；通过环形转动臂的主动运动、第一运动支链的主动运动、第二运动支链的主动运动以及末端执行器的自转运动，实现末端执行器的三转动一移动四自由度运动。

所述第一运动支链包括顺序传动相连的第一杆件、第二杆件、第三杆件、平行四边形构件、第四杆件和第六转动副；其中，第一杆件与第四转动副传动相连，第六转动副与T形滑块活动相连，第四杆件的一端与平行四边形构件的一个上部节点活动相连，另一端与第六转动副活动相连，平行四边形构件包括两横边和两竖边，横边与竖边之间活动相连，第三杆件为L形杆件，并且该L形杆件的一边构成平行四边形构件的第一竖边。

所述第二运动支链包括顺序传动相连的第五杆件、第六杆件和第七杆件，以及第八杆件；其中，第五杆件与第四转动副活动相连，第六杆件的一端与第五转动副活动相连，另一端与第一运动支链中的平行四边形构件的下部横边活动连接，第八杆件与T形滑块滑动相连；第一运动支链中的平行四边形构件的一个下部节点一端与第八杆件的中部活动相连。

所述第六杆件与第八杆件平行。

所述第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线共线且平行于机架底面；第四转动副、第五转动副的转动轴线互相平行且与第一转动副的转动轴线垂直。

所述平行四边形构件在上下两横边之间活动连接有一连杆，该连杆平行于两竖边。

所述第三转动副为圆柱副，该圆柱副连接在末端执行器的上端，并可带动末端执行器转动。

所述第一转动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副都是由电机带动的转动副。

本发明由于采用了以上技术方案，具有以下的优点和特点：

(1)通过运动支链综合法，基于平行四边形机构，实现多关节的解耦驱动；

(2)将达芬奇微创手术机器人末端执行器末端移动自由度的马达置于机器人机架，显著降低了机器人末端的运动惯量，有效提高机器人运动灵活性和精确性；

(3)机构全部采用转动副驱动，避免了滚珠丝杆等转动—移动的运动传递方式，提高了运动效率和传动精度。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明涉一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，包括机架1、环形转动臂2、T形滑块3、末端执行器4、第一运动支链5、第二运动支链6、第一转动副7、第二转动副8、第三转动副9、第四转动副10和第五转动副11；环形转动臂2通过第一转动副7和第二转动副8活动架设在机架1上，T形滑块3通过第三转动副9与末端执行器4活动相连，第一运动支链5的一端通过第四转动副10与环形转动臂2活动相连，另一端与T形滑块3活动相连，第二运动支链6的一端通过第四转动副10和第五转动副11与环形转动臂2活动相连，另一端与T形滑块3滑动相连；通过环形转动臂的主动运动、第一运动支链的主动运动、第二运动支链的主动运动以及末端执行器的自转运动，实现末端执行器的三转动一移动四自由度运动。

本发明中的第一运动支链5包括顺序传动相连的第一杆件51、第二杆件52、第三杆件53、平行四边形构件54、第四杆件55和第六转动副56；其中，第一杆件51与第四转动副10传动相连，第六转动副56与T形滑块3活动相连，第四杆件55的一端与平行四边形构件54的一个上部节点活动相连，另一端与第六转动副56活动相连，平行四边形构件54包括两横边和两竖边，横边与竖边之间活动相连，第三杆件53为L形杆件，并且该L形杆件的一边构成平行四边形构件的第一竖边。

本发明中的第二运动支链6包括顺序传动相连的第五杆件61、第六杆件62和第七杆件63，以及第八杆件64；其中，第五杆件61与第四转动副10活动相连，第六杆件62的一端与第五转动副11活动相连，另一端与第一运动支链中的平行四边形构件54的下部横边活动连接，第八杆件64与T形滑块3滑动相连；第一运动支链中的平行四边形构件54的一个下部节点一端与第八杆件64的中部活动相连。上述第六杆件61与第八杆件64平行。

本发明中的第一转动副7的转动轴线和第二转动副8的转动轴线共线且平行于机架底面；第四转动副10、第五转动副11的转动轴线互相平行且与第一转动副的转动轴线垂直。

本发明中的平行四边形构件54在上下两横边之间活动连接有一连杆541，该连杆平行于两竖边。

本发明中的第三转动副为圆柱副，该圆柱副连接在末端执行器的上端，并可带动末端执行器转动。

本发明中的第一转动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副都是由电机带动的转动副。

本发明的工作原理可结合附图说明如下：

本发明中的第一转动副7、第三转动副9、第四转动副10和第五转动副11都是由电机带动的转动副。当第一转动副7转动时，驱动末端执行器4绕第一转动副7且过远心点p的轴线转动；当第四转动副10转动时，驱动末端执行器4沿第三转动副9过定义的点P上下移动；当第五转动副11转动时，驱动末端执行器4绕第五转动副11且过远心点P的轴线转动；当第三转动副9转动时，驱动末端执行器4绕自身的轴线自转。

本发明实现了末端执行器的绕远处旋转中心的三转动一移动四自由度运动，并且三个转动自由度和一个移动自由度分别通过电机控制，具有完全解耦的运动特性。

Claims (8)

1.一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：包括机架、环形转动臂、T形滑块、末端执行器、第一运动支链、第二运动支链、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副；环形转动臂通过第一转动副和第二转动副活动架设在机架上，T形滑块3通过第三转动副与末端执行器活动相连，第一运动支链的一端通过第四转动副与环形转动臂活动相连，另一端与T形滑块活动相连，第二运动支链的一端通过第四转动副和第五转动副与环形转动臂活动相连，另一端与T形滑块滑动相连；通过环形转动臂的主动运动、第一运动支链的主动运动、第二运动支链的主动运动以及末端执行器的自转运动，实现末端执行器的三转动一移动四自由度运动。

2.如权利要求1所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第一运动支链包括顺序传动相连的第一杆件、第二杆件、第三杆件、平行四边形构件、第四杆件和第六转动副；其中，第一杆件与第四转动副传动相连，第六转动副与T形滑块活动相连，第四杆件的一端与平行四边形构件的一个上部节点活动相连，另一端与第六转动副活动相连，平行四边形构件包括两横边和两竖边，横边与竖边之间活动相连，第三杆件为L形杆件，并且该L形杆件的一边构成平行四边形构件的第一竖边。

3.如权利要求1所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第二运动支链包括顺序传动相连的第五杆件、第六杆件和第七杆件，以及第八杆件；其中，第五杆件与第四转动副活动相连，第六杆件的一端与第五转动副活动相连，另一端与第一运动支链中的平行四边形构件的下部横边活动连接，第八杆件与T形滑块滑动相连；第一运动支链中的平行四边形构件的一个下部节点一端与第八杆件的中部活动相连。

4.如权利要求3所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第六杆件与第八杆件平行。

5.如权利要求1所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线共线且平行于机架底面；第四转动副、第五转动副的转动轴线互相平行且与第一转动副的转动轴线垂直。

6.如权利要求2所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述平行四边形构件在上下两横边之间活动连接有一连杆，该连杆平行于两竖边。

7.如权利要求1所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第三转动副为圆柱副，该圆柱副连接在末端执行器的上端，并可带动末端执行器转动。

8.如权利要求1所述的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第一转动副、第三转动副、第四转动副和第五转动副都是由电机带动的转动副。