CN106584431B - 一种同轴移动回转四自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种同轴移动回转四自由度并联机器人，用于解决现有脊柱微创手术机器人结构复杂和使用精度低的技术问题；包括定平台、动平台、三个支链和四个电机；其中第一至第三电机安装在定平台上；第一、第二支链的输出端活动连接，其输入端分别与电机相连，第三电机的转子上固接有转台，作为第三支链的第一输入端，第三支链的第三近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端与固接在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端由万向节活动连接，另一端通过球铰与第一、第二支链的输出端中点活动连接，形成并联闭环机构。本发明能够实现对两轴的同轴回转移动四自由度，结构简单，使用精度高，可用于医疗系统中的脊柱微创手术。

Description

一种同轴移动回转四自由度并联机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可以实现对同轴的移动和转动的四自由度并联机器人机构，可用于医疗系统中的脊柱微创手术。

背景技术

并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。基于并联机构的并联机器人相较于传统的串联机器人有以下特点：结构紧凑，刚度高；无累计误差，精度较高；工作空间较小；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，减轻运动部分质量，可实现较高速度的运动。

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，传统的人工进行微创手术方法要求外科医生有超高的手术水平，同时借助机器成像辅助的手术方式使得手术人员的手眼协调被打断，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迫切需要解决的问题，目前应用于脊柱微创手术的医疗机器人构型多为串联结构，但误差积累、刚度性能差、体积庞大等难以克服的缺点，降低了手术的安全性。

并联机器人在高精度、高刚度或者大载荷且不需要较大工作间的领域内的优势，可以很好的解决和弥补基于串联结构的脊柱微创手术机器人所存在的问题和缺点。

脊柱微创手术过程要求机构具有定位和定姿的要求，至少需求四个自由度，且应为对同轴的移动和转动自由度。

并联机构的分类方法有很多，从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构，最常用的分类方式是按并联机构的自由度数分类，可分为2自由度并联机构、3自由度并联机构、4自由度并联机构、5自由度并联机构、6自由度并联机构，其中以3自由度和6自由度并联机构研究最多也最成熟。

关于4自由度并联机构研究相对较少，完全并联型的4自由度并联机构有 4-RPUR型，其具有3个回转自由度和1个移动自由度，无法实现脊柱微创手术机器人需求的位置和姿态要求，还有一大类四自由度并联型机器人可实现两回转两移动自由度，但其只能实现对一个轴的同轴回转和移动，另外的移动和回转自由度是分别对于其他两个轴的，也无法满足目前脊柱微创手术机器人需求的位置和姿态，国内涉及对同轴移动和转动4自由并联机构较少，如申请公开号CN 104972456A，名称为“一种可实现平面二维定位和空间二维定向的双平面并联机构”的中国专利申请，公开了一种可实现平面二维定位和空间二维定向的双平面并联机构。机构由上平面驱动机构、下平面驱动机构和末端器械组成，两平面机构分别通过U副与末端器械铰接，且上平面U副可沿器械轴线滑动；每一平面驱动机构均由四根杆通过连接轴或固定轴依次连接而成。其较好的解决了传统串联型脊柱微创手术体积庞大、操作难度大导致的精度低的问题。但是这种机构存在不足之处：末端器械与上下平面的驱动机构之间的连接结构复杂不利于实现；上平面U副沿末端器械轴线有滑动，长时间的使用后摩擦损耗会使使用精度下降；机构在运动控制时存在较大的耦合现象，不利于控制的实现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种同轴移动回转四自由度并联机器人，用于克服现有脊柱微创手术机器人存在的结构复杂和使用精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种同轴移动回转四自由度并联机器人，包括定平台、动平台、支链和电机；所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，所述电机包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，其中第一电机、第二电机和第三电机安装在定平台上；所述第一支链和第二支链的输出端活动连接形成转动副，该第一支链和第二支链的输入端分别与第一电机和第二电机相连，所述第三电机的转动轴上设置有转台，作为第三支链的第一输入端，所述第三支链包括第三近定平台杆，该近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端，并与安装在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端通过万向节相连，另一端通过球铰与第一支链和第二支链的输出端的中心点相连，形成空间并联闭环机构。

上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第一支链包括通过活动连接的第一近定平台杆和第一远定平台杆。

上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第二支链包括通过活动连接的第二近定平台杆和第二远定平台杆。

上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第三支链还包括通过活动连接与第三近定平台杆连接的第三远定平台杆。

上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述动平台上设置有手术器械进给装置。

上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，均采用伺服电机。

本发明与现有技术相比，具有如下优点。

1、本发明由于将第一、第二支链的输出端活动连接在一起，再通过球铰将两支链连接运动副的中心点与动平台铰接在一起，同时由于第三支链所具有的双驱动形式，只使用三个支链的结构形式就构成空间四自由度闭环机构，减少了机器人构件的数量，与现有技术相比，降低了机器人结构的复杂度。

2、本发明由于第三支链具有双驱动形式形成空间机构，可以保证第三支链输出端与第一、第二支链共有输出端的距离不变，因此第三支链输出端可与万向节固接，再通过万向节与动平台活动连接，可保证动平台与万向节之间不存相对滑动，与现有技术相比，提高了使用精度。

3、本发明由于第三支链具有双驱动形式形成空间机构，其输出端的位置在第一、第二支链输出端位置确定之后，可通过极坐标形式表示，极角即为第三电机转角，第四电机的转角只需要简单的推导就可以由极径值算出，降低逆运动学解算的复杂度，与现有技术相比，控制简单。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明第一远定平台杆结构的示意图；

图3为本发明第一近定平台杆结构的示意图；

图4为本发明转台的结构示意图；

图5为本发明第二近定平台杆结构的示意图；

图6为本发明第二远定平台杆结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，本发明包括定平台5、动平台12、伺服电机以及连接动平台和定平台的三条支链，三条支链包括第一支链、第二支链和第三支链，伺服电机包括第一伺服电机3、第二伺服电机4、第三伺服电机6和第四伺服电机8。

定平台5包括底部机架、下部电机安装座以及上部电机安装座；下部电机安装座的上端与上部电机安装座的下端固接在一起，底部机架与下部电机安装座后侧固接在一起，这三部分组成定平台5，定平台5的底部机架外侧打有螺栓孔用于同外部设备进行连接；第一伺服电机3和第二伺服电机4固定放置在下部电机安装座底部，第一伺服电机3和第二伺服电机4的输出轴轴线应该平行且关于电机安装座的中心面对称，第三伺服电机6固定放置在上部电机安装座上，第三伺服电机6的中心轴线与上部电机安装座的中心轴线重合。

第一支链包括第一近定平台杆2和第一远定平台杆1；第一近定平台杆2的一端与第一伺服电机3的输出轴通过键连接在一起，第一近定平台杆2另一端设计有连接轴，通过该连接轴和第一远定平台杆1一端活动连接形成转动副，第一远定平台杆1的另一端设计有连接轴。

第二支链包括第二近定平台杆13和第二远定平台杆14；第二近定平台杆13 的一端与第二伺服电机4的输出轴通过键连接在一起，第二近定平台杆13另一端设计有连接轴，通过该连接轴和第二远定平台杆14一端活动连接形成转动副，第二远定平台杆14的另一端通过第一支链第一远定平台杆1一端的连接轴活动连接形成转动副，此时，第一、第二支链输出端连接在一起，减少构件数量，降低与动平台12的连接复杂程度。

第三支链包括转台7、第四伺服电机8、第三近定平台杆9，第三远定平台杆11；转台7与第三伺服电机6的旋转部分固接在一起，第四伺服电机8固接在转台7上部支架一侧，第三近定平台杆9的一端与第三伺服电机6的输出端通过键连接在一起，第三近定平台杆9的另一端通过连接轴与第三远定平台杆10 的一端活动连接形成转动副，第三远定平台杆10的另一端与万向节11的一端固接在一起，万向节的一轴线应与第三近定平台杆9和第三远定平台杆10形成的转动副轴线平行，此时第三支链形成双驱动空间机构，可以补偿由于第三支链输出端和第一、第二连接后的输出端之间的距离变化，保证动平台12与万向节10 之间不存在相对滑动，保证使用精度，同时降低了构件数量。

万向节11的另一端与动平台12一端固接在一起，动平台12的另一端与球铰15的一端固接在一起，球铰15的另一端与第一远定平台杆1一端的连接轴固接在一起。

在使用本发明实现两移动自由度即定位时，第一、第二支链的两输入端与第三支链两输入端同时动作，保证使第一、第二支链输出端的位置与第三支链输出端位置在两轴上的坐标相同，此时动平台实现对上述两轴的两个移动自由度，在实现两回转自由度即定姿时，可将第一、第二支链输出端的位置确定后，第三支链两输入端动作，使第三支链输出端的位置与第一、第二支链输出端的位置在上述两轴上的坐标不同，动平台就实现了对上述两轴的两个回转自由度，这样整体上就实现了对同轴的移动回转四自由度。

在使用时，将底部机架安装在固定平台上或者另外手术操作机械臂上，使本发明作为定位定姿装备，动平台12上可设置各种不同的手术器械进给装置，在完成定姿定位之后只需启动手术进给装置即可完成手术。

参照图2，第一远定平台杆1，其一端加工有圆孔用于和第一近定平台杆2 一端的连接轴连接，第一远定平台杆1的另一端设置有连接轴，用于和第二远定平台杆14的一端活动连接，同时用于固接球铰15的一端。

参照图3，第一近定平台杆2，其一端加工有带键槽圆孔用于和第一驱动电机3的输出轴通过键进行连接，第一近定平台杆2的另一端设置有连接轴，用于和第一远定平台杆1的开圆孔一端活动连接。

参照图4，转台7，其上部一侧开有圆孔，用于固定第四伺服电机8，下部用于和第三伺服电机6的旋转部分固接。

参照图5，第二近定平台杆13，其一端加工有带键槽圆孔用于和第二驱动电机4的输出轴通过键进行连接，第二近定平台杆13的另一端设置有连接轴，用于和第二远定平台杆14的开圆孔一端活动连接。

参照图6，第二远定平台杆14，其一端加工有圆孔用于和第二近定平台杆 13一端的连接轴连接，第二远定平台杆14的另一端开有通孔，用于和第一远定平台杆1带连接轴一端活动连接，通孔用于保证第一远定平台杆1所设有的连接轴能伸出一部分，用于固接球铰15的一端。

Claims (6)

1.一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于包括定平台、动平台、支链和电机；所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，所述电机包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，其中第一电机、第二电机和第三电机安装在定平台上；所述第一支链和第二支链的输出端活动连接形成转动副，该第一支链和第二支链的输入端分别与第一电机和第二电机相连，所述第三电机的转动轴上设置有转台，作为第三支链的第一输入端，所述第三支链包括第三近定平台杆，该近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端，并与安装在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端通过万向节相连，另一端通过球铰与第一支链和第二支链的输出端的中心点相连，形成空间并联闭环机构。

2.根据权利要求1所述的一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于,所述第一支链包括活动连接的第一近定平台杆和第一远定平台杆。

3.根据权利要求1所述的一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于，所述第二支链包括活动连接的第二近定平台杆和第二远定平台杆。

4.根据权利要求1所述的一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于，所述第三支链还包括与第三近定平台杆活动连接的第三远定平台杆。

5.根据权利要求1所述的一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于，所述动平台，其上设置有手术器械进给装置。

6.根据权利要求1所述的一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，均采用伺服电机。