CN106859768A - 用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构 - Google Patents

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    • A61B17/00234—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for minimally invasive surgery

Abstract

一种用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，包括机架、末端执行器、第一运动支链和第二运动支链；机架设有第一支架和第二支架，第一运动支链连接在第一支架与末端执行器的第一端之间，第二运动支链连接在第二支架与末端执行器的第二端之间；通过第一运动支链的主动运动、第二运动支链的被动运动以及末端执行器的自转运动，可实现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分别通过单个驱动器控制，具有解耦的运动特性。本发明具有绕远处旋转中心的解耦四自由度运动，并且驱动电机靠近基座，远离末端执行器，从而使腹腔微创手术机器人的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

用于腹腔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，尤其涉及一种用于腹腔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，且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，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。
[Hunt K H.Structu ral Kinematics of In–Parallel-Actuated Robot Arms,Journal ofMechanisms,Transmissions and Automation in Design,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[Huang Z,Wang J.Fang Y F,Analysis of Instantaneous Motions of Deficient-Rank 3-RPS ParallelManipulators.Mechanism and Machine Theory,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[Xianwen Kong,Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallel manipulators,Transactions of the CSME,Vol.28,Special Edition,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，Feb 2002,(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，完全解耦的三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，要求手术器械只在肚皮切口处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da Vinci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，提供一种用于腹腔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：一种用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，包括机架、末端执行器、第一运动支链和第二运动支链；所述机架设有第一支架和第二支架，所述第一运动支链连接在第一支架与末端执行器的第一端之间，所述第二运动支链连接在第二支架与末端执行器的第二端之间；通过第一运动支链的主动运动、第二运动支链的被动运动以及末端执行器的自转，可实现末端执行器的三转动、一移动的四自由度解耦运动。
所述第一运动支链包括顺序传动相连的第一转动副、第一杆件、第二转动副、第二杆件、第一平行四边形结构、第三杆件、第二平行四边形结构和第三平行四边形结构；其中第一转动副与第一支架可转动相连，第一平行四边形结构竖向设置并可竖向变形，第二平行四边形结构和第三平行四边形结构横向平行设置并可同时横向变形，第三杆件为H形连接杆件，其左边竖杆作为第一平行四边形结构的第二竖边，其左边竖杆分别通过转动副与第二平行四边形结构、第三平行四边形结构相连，第二平行四边形结构和第三平行四边形结构的第三节点分别通过转动副与末端执行器的第一端相连。
所述第二运动支链包括顺序传动相连的第三转动副、第四杆件、第四转动副、第五杆件和圆柱副，其中第三转动副与第二支架转动相连，圆柱副与末端执行器的第二端活动相连。
所述第一转动副的转动轴线平行于机架底面；第二转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线相交并垂直，并与第一平行四边形结构的转动轴线平行；第一转动副、第三转动副、第四转动副和圆柱副的转动轴线相交于同一定点；第二转动副的轴线与第二平行四边形结构及第三平行四边形结构中的转动副的转动轴线平行。
所述第二杆件与第一平行四边形结构的第一竖边顺序连成一体，第一平行四边形结构的第一竖边是第二杆件的延伸段。
三个平行四边形结构分别由两两平行的杆件通过转动副连接而成。
所述圆柱副滑套在末端执行器的第二端并可沿末端执行器的第二端上下移动。
第一转动副、第二转动副、设置在第一平行四边形结构第一节点的转动副以及设置在第二平行四边形结构第三节点的转动副都是电机。
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、本发明用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构通过三个平行机构和一个球面机构使得控制腹腔微创手术机器人末端执行器运动的驱动电机的安装位置远离末端执行器，从而减轻了腹腔微创手术末端执行器的质量，降低了其运动惯性，提高了手术的安全性，同时也增大了机器人中远心机构的刚度。
2、结构简单、安装方便、转动惯量小，远程控制精度高。
3、能实现远心机构的部分解耦控制，使得机构的控制更可靠，增强了手术的可靠性和安全性，同时也降低了开发成本。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图；
图2为本发明中的第一平行四边形结构的示意图；
图3为本发明中的第二平行四边形结构和第二平行四边形结构的示意图。
具体实施方式
参见图1，配合参见图2、图3，本发明用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，包括机架1、末端执行器2、第一运动支链3和第二运动支链4；机架设有第一支架11和第二支架12。
本发明中的第一运动支链3包括顺序传动相连的第一转动副31、第一杆件32、第二转动副33、第二杆件34、第一平行四边形结构35、第三杆件36、第二平行四边形结构37和第三平行四边形结构38；其中第一转动副31与第一支架11可转动相连，第一平行四边形结构35竖向设置并可竖向变形，第二平行四边形结构37和第三平行四边形结构38横向平行设置并可同时横向变形，第三杆件36为H形连接杆件，其左边竖杆361作为第一平行四边形结构的第二竖边，其右边竖杆362分别通过转动副371、381与第二平行四边形结构、第三平行四边形结构的第一节点相连，第二平行四边形结构和第三平行四边形结构的第三节点分别通过转动副373、383与末端执行器的第一端相连。
本发明中的第二运动支链4包括顺序传动相连的第三转动副41、第四杆件42、第四转动副43、第五杆件44和圆柱副45，其中第三转动副41与第二支架12转动相连，圆柱副45与末端执行器的第二端22活动相连。
本发明中的第一转动副的转动轴线平行于机架底面；第二转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线相交并垂直，并与第一平行四边形结构的转动轴线平行；第一转动副、第三转动副、第四转动副和圆柱副的转动轴线相交于同一定点；第二转动副的轴线与第二平行四边形结构及第三平行四边形结构中的转动副的转动轴线平行。
本发明中的第二杆件与第一平行四边形结构的第一竖边顺序连成一体，第一平行四边形结构的第一竖边是第二杆件的延伸段。
本发明中的三个平行四边形结构分别由两两平行的杆件通过转动副连接而成。
本发明中的圆柱副滑套在末端执行器的第二端并可沿末端执行器的第二端上下移动。
本发明中的第一转动副31、第二转动副33、设置在第一平行四边形结构第一节点的转动副351以及设置在第二平行四边形结构第三节点的转动副373都是电机。
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31、第二转动副33、设置在第一平行四边形结构第一节点的转动副351以及设置在第二平行四边形结构第三节点的转动副373都是电机主动副。当第一转动副31转动时，驱动末端输出杆件22绕第一转动副31的轴线转动；当第二转动副33转动时，驱动末端输出杆件22绕过球心且平行第二转动副33轴线的直线转动；当第一平行四边形结构第一节点的转动副351转动时，驱动末端输出杆件22沿圆柱副47的轴线移动；当第二平行四边形结构第三节点的转动副373转动时，驱动末端输出杆件22绕转动副373的轴线自转。

Claims (8)

1.一种用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：包括机架、末端执行器、第一运动支链和第二运动支链；所述机架设有第一支架和第二支架，所述第一运动支链连接在第一支架与末端执行器的第一端之间，所述第二运动支链连接在第二支架与末端执行器的第二端之间；通过第一运动支链的主动运动、第二运动支链的被动运动以及末端执行器的自转，可实现末端执行器的三转动、一移动的四自由度解耦运动。
2.如权利要求1所述的用于腹腔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转动副、第一杆件、第二转动副、第二杆件、第一平行四边形结构、第三杆件、第二平行四边形结构和第三平行四边形结构；其中第一转动副与第一支架可转动相连，第一平行四边形结构竖向设置并可竖向变形，第二平行四边形结构和第三平行四边形结构横向平行设置并可同时横向变形，第三杆件为H形连接杆件，其左边竖杆作为第一平行四边形结构的第二竖边，其右边竖杆分别通过转动副与第二平行四边形结构、第三平行四边形结构相连，第二平行四边形结构和第三平行四边形结构的第三节点分别通过转动副与末端执行器的第一端相连。
3.如权利要求1所述的用于腹腔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三转动副、第四杆件、第四转动副、第五杆件和圆柱副，其中第三转动副与第二支架转动相连，圆柱副与末端执行器的第二端活动相连。
4.如权利要求2或3所述的用于腹腔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平行于机架底面；第二转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线相交并垂直，并与第一平行四边形结构的转动轴线平行；第一转动副、第三转动副、第四转动副和圆柱副的转动轴线相交于同一定点；第二转动副的轴线与第二平行四边形结构及第三平行四边形结构中的转动副的转动轴线平行。
5.如权利要求2所述的用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述第二杆件与第一平行四边形结构的第一竖边顺序连成一体，第一平行四边形结构的第一竖边是第二杆件的延伸段。
6.如权利要求2所述的用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：三个平行四边形结构分别由两两平行的杆件通过转动副连接而成。
7.如权利要求3所述的用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：所述圆柱副滑套在末端执行器的第二端并可沿末端执行器的第二端上下移动。
8.如权利要求1所述的用于腹腔微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于：第一转动副、第二转动副、设置在第一平行四边形结构第一节点的转动副以及设置在第二平行四边形结构第三节点的转动副都是电机。
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