CN106725855A - 一种混联六自由度微创外科手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混联六自由度微创外科手术机器人，包括定位并联机构和工作并联机构，所述工作并联机构固定设置在定位并联机构下方，所述工作并联机构完成微创手术。本发明提供一种混联六自由度微创外科手术机器人，机械装置的刚度大，运动精度高，工作平台的运动惯量小，承载力高，工作平台的灵活度高，能够满足复杂的手术动作，使其更加适应于微创手术的特殊环境。

Description

一种混联六自由度微创外科手术机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种混联六自由度微创外科手术机器人。
背景技术
微外科手术机器人有效地综合了医生手术的经验和机器人定位精确，可靠性高，操作稳定等特点。可以协助医生完成精细的手术动作，减少医生在手术过程中因为疲劳导致的操作误差和手部细微晃动造成的损伤。
手术机器人从上世纪九十年代开始发展至今大多以串联机构为主，串联机构虽然构型简单，控制可靠，在工业机器人方面应用很多，但是对于微创手术这样一个特殊的平台，串联机构的局限性就展露无遗。在进行微创手术时，首先，机械臂需要能在狭小的腹腔内能够有足够的灵活度，这就对微创机器人的自由度提出了要求。而串联机构必须要想拥有多个自由度必须增加运动副关节，这样对串联机构的控制提出了要求。而且串联机构在运动过程中运动惯量大，运动各向同性度差，这些局限性造成了机械臂的末端操作器执行精度下降。
为了克服采用串联机构的微创外科手术机器人带来的诸多缺点，本发明专利提出了一种由两个并联机构组成的混联机械机器人，和传统的串联机械人相比，该混联机器人有如下优点：机械装置的刚度大，运动精度高，工作平台的运动惯量小，承载力高，工作平台的灵活度高，能够满足复杂的手术动作，使其更加适应于微创手术的特殊环境。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种混联六自由度微创外科手术机器人，机械装置的刚度大，运动精度高，工作平台的运动惯量小，承载力高，工作平台的灵活度高，能够满足复杂的手术动作，使其更加适应于微创手术的特殊环境。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种混联六自由度微创外科手术机器人，包括定位并联机构和工作并联机构，所述工作并联机构固定设置在定位并联机构下方，所述工作并联机构完成微创手术。
进一步的，所述定位并联机构包括主定平台、主动平台、第一运动支链、主动臂固定装置和第一动力驱动装置，所述主定平台和主动平台之间通过三个第一运动运动支链连接，构成一种三自由度的并联机构；每个所述第一运动支链分别对应一个主动臂固定装置和第一动力驱动装置，所述主动臂固定装置和第一动力驱动装置均设置在主定平台上，所述第一驱动装置与主动臂固定装置驱动连接，所述主动臂固定装置与第一运动支链驱动连接。
进一步的，所述第一驱动装置包括伺服电机和变速箱，所述伺服电机与变速箱通过法兰固定在主定平台上，所述伺服电机与变速箱连接，所述变速箱的伸出轴通过弹性联轴器与主动臂固定装置伸出轴连接。
进一步的，所述主动臂固定装置包括外壳、端盖、轴和深沟球轴承，所述外壳和端盖构成密闭运动空间，所述轴通过深沟球轴承支撑设置在密闭运动空间内，所述轴的一端与弹性联轴器连接，所述轴的另一端与转盘连接，所述转盘与第一运动支链连接。
进一步的，所述第一运动支链包括主动臂、关节球轴承和连接杆，所述连接杆的两端分别通过关节球轴承与主动臂和主动平台连接，所述主动臂与转盘对应连接。
进一步的，所述工作并联机构包括工作定平台、工作动平台、第二运动支链和第二动力驱动装置，所述工作定平台与工作动平台之间六个第二运动支链连接，所述第二运动支链两个为一组，每组关于中心均匀分布；每个所述第二运动支链对应设置有一个第二动力驱动装置，所述第二动力驱动装置均匀分布设置在所述工作定平台上。
进一步的，所述第二动力驱动装置包括直流减速电机、绳轮、钢丝绳，所述直流减速电机通过法兰固定在工作定平台上，所述绳轮与直流减速电机的输出轴连接，所述钢丝绳缠绕在绳轮上与对应的第二运动支链连接，所述第二运动支链的两端通过虎克铰分别与工作定平台和工作动平台连接。
进一步的，所述第二运动支链包括第一连接套筒和第二连接套筒，所述第一连接套筒设置在第二连接套筒下部，且相互之间活动配合设置，所述第二连接套筒的侧壁设置有小孔，所述钢丝绳穿过小孔与第一连接套筒牵引设置，并通过设置在第二连接套筒内部的滑轮转向缠绕后牵拉引出第二连接套筒，再与绳轮缠绕设置。
进一步的，所述第一连接套筒的外壁与靠近滑轮一侧的第二连接套筒的内壁之间设置有凹槽，所述凹槽供钢丝绳穿过。
有益效果：本发明综合了各部分并联机构的运动特点，既能实现三自由度大范围的快速定位，又能实现六自由度工作范围小自由度动作。而且，本发明定位准确，刚度较大，可靠性高，更能很好地辅助外科医生完成微创外科手术。
附图说明
附图1为本发明混联六自由度微创外科手术机器人的整体结构示意图；
附图2为本发明下侧工作并联机构的结构示意图；
附图3为本发明第二运动支链的结构示意图；
附图4为本发明主动臂固定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种混联六自由度微创外科手术机器人，包括定位并联机构和工作并联机构，所述工作并联机构固定设置在定位并联机构下方，所述工作并联机构完成微创手术。
如附图1和4，所述定位并联机构包括主定平台1、主动平台9、第一运动支链、主动臂固定装置和第一动力驱动装置，所述主定平台1和主动平台9之间通过三个第一运动运动支链连接，构成一种三自由度的并联机构；每个所述第一运动支链分别对应一个主动臂固定装置和第一动力驱动装置，所述主动臂固定装置和第一动力驱动装置均设置在主定平台1上，所述第一驱动装置与主动臂固定装置驱动连接，所述主动臂固定装置与第一运动支链驱动连接。所述第一驱动装置包括伺服电机2和变速箱3，所述伺服电机2与变速箱3通过法兰固定在主定平台1上，所述伺服电机2与变速箱3连接，所述变速箱3的伸出轴通过弹性联轴器22与主动臂固定装置伸出轴连接。所述主动臂固定装置包括外壳19、端盖20、轴21和深沟球轴承23，所述外壳19和端盖20构成密闭运动空间，所述轴21通过深沟球轴承23支撑设置在密闭运动空间内，所述轴21的一端与弹性联轴器22连接，所述轴21的另一端与转盘4连接，所述转盘4与第一运动支链连接。所述第一运动支链包括主动臂5、关节球轴承6和连接杆7，所述连接杆7的两端通过胶水粘贴连接套8，两端设置有连接套8的连接杆7两端分别通过关节球轴承6与主动臂5和主动平台9连接，所述主动臂5与转盘4对应连接。
如附图2和3，所述工作并联机构包括工作定平台12、工作动平台14、第二运动支链和第二动力驱动装置，所述工作定平台12与工作动平台14之间六个第二运动支链连接，所述第二运动支链两个为一组，每组关于中心均匀分布；每个所述第二运动支链对应设置有一个第二动力驱动装置，所述第二动力驱动装置均匀分布设置在所述工作定平台12上。所述第二动力驱动装置包括直流减速电机10、绳轮11、钢丝绳15，所述直流减速电机10通过法兰固定在工作定平台12上，所述绳轮11与直流减速电机10的输出轴连接，所述钢丝绳15缠绕在绳轮11上与对应的第二运动支链连接，所述第二运动支链的两端通过虎克铰13分别与工作定平台12和工作动平台14连接。所述第二运动支链包括第一连接套筒17和第二连接套筒16，所述第一连接套筒17设置在第二连接套筒16下部，且相互之间活动配合设置，所述第二连接套筒16的上端侧壁设置有小孔，所述钢丝绳15穿过小孔与第一连接套筒17上端牵引设置，并通过设置在第二连接套筒16内部的滑轮18转向缠绕后牵拉引出第二连接套筒16，再与绳轮11缠绕设置。所述第一连接套筒17的外壁与靠近滑轮18一侧的第二连接套筒17的内壁之间设置有凹槽，所述凹槽供钢丝绳15穿过，防止钢丝绳15的磨损。
本发明所开发的一种混联六自由度微创外科手术机器人通过伺服电机2改变主动臂5与主定平台1之间的夹角从而使主动平台9实现三维空间移动，通过直流减速电机10带动绳轮11进行钢丝绳15的缠绕来改变第二运动支链的伸缩，从而实现工作动平台14的三个小范围转动自由度和三个小范围移动自由度。主动平台9和工作动平台14的位姿可以通过伺服电机2和直流减速电机10的编码器监测转动量计算得到。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：包括定位并联机构和工作并联机构，所述工作并联机构固定设置在定位并联机构下方，所述工作并联机构完成微创手术。
2.根据权利要求1所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述定位并联机构包括主定平台(1)、主动平台(9)、第一运动支链、主动臂固定装置和第一动力驱动装置，所述主定平台(1)和主动平台(9)之间通过三个第一运动运动支链连接，构成一种三自由度的并联机构；每个所述第一运动支链分别对应一个主动臂固定装置和第一动力驱动装置，所述主动臂固定装置和第一动力驱动装置均设置在主定平台(1)上，所述第一驱动装置与主动臂固定装置驱动连接，所述主动臂固定装置与第一运动支链驱动连接。
3.根据权利要求2所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述第一驱动装置包括伺服电机(2)和变速箱(3)，所述伺服电机(2)与变速箱(3)通过法兰固定在主定平台(1)上，所述伺服电机(2)与变速箱(3)连接，所述变速箱(3)的伸出轴通过弹性联轴器(24)与主动臂固定装置伸出轴连接。
4.根据权利要求3所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述主动臂固定装置包括外壳(20)、端盖(21)、轴(22)和深沟球轴承(24)，所述外壳(20)和端盖(21)构成密闭运动空间，所述轴(22)通过深沟球轴承(24)支撑设置在密闭运动空间内，所述轴(22)的一端与弹性联轴器(23)连接，所述轴(22)的另一端与转盘(4)连接，所述转盘(4)与第一运动支链连接。
5.根据权利要求4所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述第一运动支链包括主动臂(5)、关节球轴承(6)和连接杆(7)，所述连接杆(7)的两端分别通过关节球轴承(6)与主动臂(5)和主动平台(9)连接，所述主动臂(5)与转盘(4)对应连接。
6.根据权利要求1所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述工作并联机构包括工作定平台(12)、工作动平台(14)、第二运动支链和第二动力驱动装置，所述工作定平台(12)与工作动平台(14)之间六个第二运动支链连接，所述第二运动支链两个为一组，每组关于中心均匀分布；每个所述第二运动支链对应设置有一个第二动力驱动装置，所述第二动力驱动装置均匀分布设置在所述工作定平台(12)上。
7.根据权利要求6所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述第二动力驱动装置包括直流减速电机(10)、绳轮(11)、钢丝绳(15)，所述直流减速电机(10)通过法兰固定在工作定平台(12)上，所述绳轮(11)与直流减速电机(10)的输出轴连接，所述钢丝绳(15)缠绕在绳轮(11)上与对应的第二运动支链连接，所述第二运动支链的两端通过虎克铰(13)分别与工作定平台(12)和工作动平台(14)连接。
8.根据权利要求7所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述第二运动支链包括第一连接套筒(17)和第二连接套筒(16)，所述第一连接套筒(17)设置在第二连接套筒(16)下部，且相互之间活动配合设置，所述第二连接套筒(16)的侧壁设置有小孔，所述钢丝绳(15)穿过小孔与第一连接套筒(17)牵引设置，并通过设置在第二连接套筒(16)内部的滑轮(18)转向缠绕后牵拉引出第二连接套筒(16)，再与绳轮(11)缠绕设置。
9.根据权利要求8所述一种混联六自由度微创外科手术机器人，其特征在于：所述第一连接套筒(17)的外壁与靠近滑轮(18)一侧的第二连接套筒(16)的内壁之间设置有凹槽，所述凹槽供钢丝绳(15)穿过。
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Granted publication date: 20191018

Termination date: 20200608