CN105997249A - 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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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，属于混联机器人技术领域。本发明是为了解决现有单纯的串联或并联结构的医疗机器人在脊柱微创手术中具有局限性的问题。本发明所述的本发明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，水平直线模组、竖直直线模组和关节活动件一为移动机构，分别实现X、Y、Z三个方向的三维定位，同时关节活动件一和关节活动件二又构成转动机构，分别实现YOZ和XOZ两个平面内二维定向，共实现五个自由度的平面定位和定向。本发明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。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
本发明属于混联机器人技术领域，尤其涉及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。
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，这些术式对操作精细度要求很高，因为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
本发明是为了解决现有单纯的串联或并联结构的医疗机器人在脊柱微创手术中具有局限性的问题，现提供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，它包括：机架1、水平直线模组2、竖直直线模组3、小臂5、大臂6、关节活动件一7和关节活动件二8；
机架1为由竖梁和横梁构成的L型结构，以二者交点为坐标零点建立坐标系，横梁的长度方向与Y轴同向，竖梁的长度方向与Z轴同向，
水平直线模组2固定在机架1的横梁上，水平直线模组2上设有水平运动输出滑块，该水平运动输出滑块能够沿Y轴方向滑动，
竖直直线模组3固定在机架1的竖梁上，竖直直线模组3上设有竖直运动输出滑块，该竖直运动输出滑块能够沿Z轴方向滑动，
大臂6呈V字形，大臂6的下部V形悬空端与竖直运动输出滑块铰接，关节活动件一7固定在大臂6的上部V形悬空端上，
小臂5的一端与水平运动输出滑块铰接，小臂5的另一端与大臂6的V形折点固定端铰接，
关节活动件一7的长度方向与X轴方向同向，关节活动件一7上设有运动输出臂，该运动输出臂能够沿X轴方向伸缩，还能够以其中轴线为转轴进行整周回转运动，
关节活动件二8与关节活动件一7的运动输出臂末端铰接，关节活动件二8与关节活动件一7的铰接轴与Y轴方向同向，且关节活动件二8能够以该铰接轴为转轴转动。
它还包括：关节连接件一4-1和关节连接件二4-2；
大臂6的下部V形悬空端通过关节连接件二4-2与竖直运动输出滑块铰接，
小臂5的一端通过关节连接件一4-1与水平运动输出滑块铰接。
关节活动件二8能够以关节活动件二8与关节活动件一7的铰接轴为转轴，在-30°至30°之间摆动。
V字形大臂6的V形夹角为120°。
关节活动件一7为空心结构，关节活动件二8的驱动器位于关节活动件一7内部。
本发明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，水平直线模组2、竖直直线模组3和关节活动件一7为移动机构，分别实现X、Y、Z三个方向的三维定位，同时关节活动件一7和关节活动件二8又构成转动机构，分别实现YOZ和XOZ两个平面内二维定向，共实现五个自由度的平面定位和定向。
本发明所述的混联机构，水平直线模组2和竖直直线模组3的工作平面与关节活动件一7和关节活动件二8的工作平面正交布置，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立体结构示意图；
图2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主视图；
图3为图2的左视图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1、图2和图3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，它包括：机架1、水平直线模组2、竖直直线模组3、小臂5、大臂6、关节活动件一7和关节活动件二8；
机架1为由竖梁和横梁构成的L型结构，以二者交点为坐标零点建立坐标系，横梁的长度方向与Y轴同向，竖梁的长度方向与Z轴同向，
水平直线模组2固定在机架1的横梁上，水平直线模组2上设有水平运动输出滑块，该水平运动输出滑块能够沿Y轴方向滑动，
竖直直线模组3固定在机架1的竖梁上，竖直直线模组3上设有竖直运动输出滑块，该竖直运动输出滑块能够沿Z轴方向滑动，
大臂6呈V字形，大臂6的下部V形悬空端与竖直运动输出滑块铰接，关节活动件一7固定在大臂6的上部V形悬空端上，
小臂5的一端与水平运动输出滑块铰接，小臂5的另一端与大臂6的V形折点固定端铰接，
关节活动件一7的长度方向与X轴方向同向，关节活动件一7上设有运动输出臂，该运动输出臂能够沿X轴方向伸缩，还能够以其中轴线为转轴进行整周回转运动，
关节活动件二8与关节活动件一7的运动输出臂末端铰接，关节活动件二8与关节活动件一7的铰接轴与Y轴方向同向，且关节活动件二8能够以该铰接轴为转轴转动。
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，该机构用于完成对带有手术器械安装座的关节活动件二8的操作。应用时，为了实现各部件的运动，需要配合各自的驱动器：
水平运动输出滑块需要水平运动输出滑块驱动器实现该滑块沿Y轴来回移动，
竖直运动输出滑块需要竖直运动输出滑块驱动器实现该滑块沿Z轴来回移动，
关节活动件一7需要关节活动件一驱动器实现其自身X方向的伸缩和回转，
关节活动件二8需要关节活动件二驱动器实现其在XOZ平面的摆动。
在实际应用时，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，本实施方式对串联机器人和并联机器人进行串、并结合得到五自由度混联机构，该机构综合了串联机器人和并联机器人的优点，具有更好的使用性能，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。
具体实施方式二：本实施方式是对具体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作进一步说明，本实施方式中，它还包括：关节连接件一4-1和关节连接件二4-2；
大臂6的下部V形悬空端通过关节连接件二4-2与竖直运动输出滑块铰接，
小臂5的一端通过关节连接件一4-1与水平运动输出滑块铰接。
具体实施方式三：本实施方式是对具体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作进一步说明，本实施方式中，关节活动件二8能够以关节活动件二8与关节活动件一7的铰接轴为转轴，在-30°至30°之间摆动。
具体实施方式四：本实施方式是对具体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作进一步说明，本实施方式中，V字形大臂6的V形夹角为120°。
具体实施方式五：本实施方式是对具体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作进一步说明，关节活动件一7为空心结构，关节活动件二8的驱动器位于关节活动件一7内部。
Claims (5)
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，其特征在于，它包括：机架(1)、水平直线模组(2)、竖直直线模组(3)、小臂(5)、大臂(6)、关节活动件一(7)和关节活动件二(8)；
机架(1)为由竖梁和横梁构成的L型结构，以二者交点为坐标零点建立坐标系，横梁的长度方向与Y轴同向，竖梁的长度方向与Z轴同向，
水平直线模组(2)固定在机架(1)的横梁上，水平直线模组(2)上设有水平运动输出滑块，该水平运动输出滑块能够沿Y轴方向滑动，
竖直直线模组(3)固定在机架(1)的竖梁上，竖直直线模组(3)上设有竖直运动输出滑块，该竖直运动输出滑块能够沿Z轴方向滑动，
大臂(6)呈V字形，大臂(6)的下部V形悬空端与竖直运动输出滑块铰接，关节活动件一(7)固定在大臂(6)的上部V形悬空端上，
小臂(5)的一端与水平运动输出滑块铰接，小臂(5)的另一端与大臂(6)的V形折点固定端铰接，
关节活动件一(7)的长度方向与X轴方向同向，关节活动件一(7)上设有运动输出臂，该运动输出臂能够沿X轴方向伸缩，还能够以其中轴线为转轴进行整周回转运动，
关节活动件二(8)与关节活动件一(7)的运动输出臂末端铰接，关节活动件二(8)与关节活动件一(7)的铰接轴与Y轴方向同向，且关节活动件二(8)能够以该铰接轴为转轴转动。
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，它还包括：关节连接件一(4-1)和关节连接件二(4-2)；
大臂(6)的下部V形悬空端通过关节连接件二(4-2)与竖直运动输出滑块铰接，
小臂(5)的一端通过关节连接件一(4-1)与水平运动输出滑块铰接。
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，关节活动件二(8)能够以关节活动件二(8)与关节活动件一(7)的铰接轴为转轴，在-30°至30°之间摆动。
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，V字形大臂(6)的V形夹角为120°。
5.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，关节活动件一(7)为空心结构，关节活动件二(8)的驱动器位于关节活动件一(7)内部。
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