CN107775627A - 一种六自由度并联机器人 - Google Patents

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林艳萍
栾楠
宋巴特尔
王鹏飞
陈斌斌
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0054—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a spherical joint at the base
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Abstract

本发明提供了一种六自由度并联机器人，涉及医疗器械领域，包括上平台(1)、下平台(2)、运动支链和控制装置，所述上平台(1)和所述下平台(2)通过六根所述运动支链连接，所述运动支链包括依次连接的第一球铰(3)、微型电动推杆(4)、下连接件(5)和第二球铰(6)，所述第一球铰(3)与所述上平台(1)连接，所述第二球铰(6)与所述下平台(2)连接，所述控制装置控制所述六自由度并联机器人运动。本发明六自由度并联机器人的机构刚度强，累计误差小，结构设计小巧紧凑，占用空间小，相对传统并联机构体积上有明显优势。

Description

一种六自由度并联机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体地，涉及一种六自由度并联机器人。
背景技术
随着医疗技术水平的不断发展，对各式疾病的治疗措施不断推陈出新，针对医用领域的手术机器人也逐渐出现在我们的视野当中。手术机器人最核心的目的是对手术器械进行位置姿态调整，来代替医生完成一些路径易规划的精密操作。传统的手术机器人用来调节手术器械位姿的装置往往采用串联臂的机构构型，其结构刚度较差，末端累计误差较大，且器械占用的手术环境空间较大，对医生实施操作易造成不便。本发明基于并联机构构型设计一种位姿调整机器人，它能够实现主动驱动的六自由度位置、姿态调节操作，且机构体积小巧紧凑，刚度强，累计误差小，应用在手术机器人上可以对末端手术器械进行精密的位姿调整操作。
发明内容
有鉴于现有技术的并联机器人体积较大难以应用在手术机器人的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种六自由度并联机器人，这种机器人体积远小于现有并联机构，结合丝杆传动、微型减速电机和贴片式反馈电位计的电动推杆提供驱动力，还能够提供六自由度工作空间。
本发明提供了一种六自由度并联机器人，包括上平台、下平台、运动支链和控制装置，所述上平台和所述下平台通过六根所述运动支链连接，所述运动支链包括依次连接的第一球铰、微型电动推杆、下连接件和第二球铰，所述第一球铰与所述上平台连接，所述第二球铰与所述下平台连接，所述控制装置控制所述六自由度并联机器人运动；所述控制装置用于控制六个微型电动推杆实现伸缩动作。
进一步地，六根所述运动支链呈轮辐式设置，针对上平台，每根所述运动支链铰点之间分布角α上及角β上依次为30°夹角和90°夹角，针对下平台，每根所述运动支链铰点之间分布角α下及角β下依次为20°夹角和100°夹角。
进一步地，所述上平台通过过盈方式与所述第一球铰外圈连接，所述下平台通过过盈方式与所述第二球铰外圈连接。
进一步地，所述微型电动推杆上端通过过盈方式与所述第一球铰内圈连接，所述微型电动推杆下端与所述下连接件连接；所述微型电动推杆作为驱动力提供一个自由度的长度伸缩变化。
进一步地，所述下连接件通过过盈方式与所述第二球铰内圈连接。
进一步地，所述微型电动推杆包括微型减速电机、丝杆、丝杆螺母、贴片式反馈电位计、伸缩推杆、直线轴承和减速电机驱动板。
进一步地，所述微型减速电机与所述丝杆连接，所述微型减速电机运转带动所述丝杆同步转动，继而所述丝杆带动所述丝杆螺母进行平移运动。
进一步地，所述伸缩推杆与所述丝杆螺母固连，所述伸缩推杆能够在直线轴承提供的径向限位通道内直线运动，所述直线轴承用于伸缩推杆径向限位。
进一步地，所述丝杆螺母外层带有金属贴片，当所述丝杆螺母紧贴所述贴片式反馈电位计表面滑动时，由于所述丝杆螺母外层金属贴片的导通作用，所述丝杆螺母处于不同位置时，从所述贴片式反馈电位计上反馈得到的电压值会有所不同。
进一步地，当所述丝杆螺母紧贴所述贴片式反馈电位计表面滑动时，所述贴片式反馈电位计上反馈得到的电压值与丝杆螺母所处的位置呈一次线性关系。
优选地，所述控制装置，包括stm32控制板及减速电机驱动板；其中，所述stm32控制板连接所述减速电机驱动板，用于向减速电机驱动板传递控制信号；所述减速电机驱动板与所述贴片式反馈电位计连接，获取当前电位信号并反馈给stm32控制板做处理。
优选地，所述stm32控制板，采用系列号为stm32F407ZE的控制芯片。
优选地，所述stm32F407ZE控制芯片采用TCP/LWIP协议与上位机进行通讯，通过以太网向所述减速电机驱动板发送信号，并接收从驱动板反馈的所述贴片式反馈电位计电位值。
与现有技术相比，本发明有如下的有益效果：
1、本发明机构设计小巧紧凑，占用空间小，相对传统并联机构体积上有明显优势；
2、本发明使用贴片式反馈电位计提供位置反馈信号，利用丝杆螺母上的金属贴片作为接触导电媒介与贴片式反馈电位计实现滑动接触，相较其他提供位置反馈信号的方法更加简单巧妙。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一种六自由度并联机器人的立体结构示意图；
图2是本发明一种六自由度并联机器人的微型电动推杆的结构示意图；
图3是本发明一种六自由度并联机器人的平台铰点分布角度图；
图4是本发明一种六自由度并联机器人的平台位置调整示意图；
图5是本发明一种六自由度并联机器人的平台角度调整示意图；
其中，1-上平台；2-下平台；3-第一球铰；4-微型电动推杆；41-微型减速电机；42-丝杆；43-丝杆螺母；44-贴片式反馈电位计；45-伸缩推杆；46-直线轴承；47-减速电机驱动板；5-下连接件；6-第二球铰。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地描述。
如图1所示，一种六自由度并联机器人，包括上平台1、下平台2、运动支链和控制装置，上平台1和下平台2通过六根运动支链连接，如图3所示，六根运动支链呈轮辐式设置，针对上平台，每根所述运动支链铰点之间分布角α上及角β上依次为30°夹角和90°夹角，针对下平台，每根所述运动支链铰点之间分布角α下及角β下依次为20°夹角和100°夹角；运动支链包括依次连接的第一球铰3、微型电动推杆4、下连接件5和第二球铰6，上平台1通过过盈方式与第一球铰3外圈连接，下平台2通过过盈方式与第二球铰6外圈连接微型电动推杆4上端通过过盈方式与第一球铰3内圈连接，微型电动推杆4下端与下连接件5连接，下连接件5通过过盈方式与第二球铰6内圈连接。
如图2所示，微型电动推杆4包括微型减速电机41、丝杆42、丝杆螺母43、贴片式反馈电位计44、伸缩推杆45、直线轴承46和减速电机驱动板47；微型减速电机41与丝杆42连接，微型减速电机41运转带动丝杆42同步转动，继而丝杆42带动丝杆螺母43进行平移运动，伸缩推杆45与丝杆螺母43固连，伸缩推杆45能够在直线轴承46提供的径向限位通道内直线运动。丝杆螺母43外层带有金属贴片，当丝杆螺母43紧贴贴片式反馈电位计44表面滑动时，由于丝杆螺母43外层金属贴片的导通作用，丝杆螺母43处于不同位置时，从贴片式反馈电位计44上反馈得到的电压值会有所不同；具体的，贴片式反馈电位计44上反馈得到的电压值与丝杆螺母43所处的位置呈一次线性关系，反馈电压经由减速电机驱动板47反馈给stm32控制板，stm32控制板根据检测的电压数值判断丝杆螺母43所处的位置，从而实现位置反馈。
控制装置控制六自由度并联机器人运动，控制装置包括stm32控制板和减速电机驱动板47，其中，stm32控制板在图中不作显示，stm32控制板对减速电机驱动板47发送PWM波控制信号，再由减速电机驱动板47对微型减速电机41进行直接驱动。
综上，贴片式反馈电位计44提供位置反馈信号，在此基础上可以实现对所述微型电动推杆4中伸缩推杆45位置的精确控制，继而当同时对六条运动支链中的微型电动推杆4进行位置控制即可以使上平台1在空间内实现六个自由度的运动，实现多种运动姿态。如图4所示，上平台1进行一个方向位置姿态自由度的调整来到新的机构状态如图4；如图5所示，上平台1进行一个方向角度姿态自由度的调整来到新的机构状态如图5。
综上，所述的贴片式反馈电位计44提供位置反馈信号，在此基础上可以实现对所述微型电动推杆4中伸缩推杆45位置的精确控制，继而当同时对六条运动支链中的微型电动推杆4进行位置控制即可以使上平台1在空间内实现六个自由度的运动，实现多种运动姿态。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种六自由度并联机器人，其特征在于，包括上平台(1)、下平台(2)、运动支链和控制装置，所述上平台(1)和所述下平台(2)通过六根所述运动支链连接，所述运动支链包括依次连接的第一球铰(3)、微型电动推杆(4)、下连接件(5)和第二球铰(6)，所述第一球铰(3)与所述上平台(1)连接，所述第二球铰(6)与所述下平台(2)连接，所述控制装置控制所述六自由度并联机器人运动。
2.如权利要求1所述的六自由度并联机器人，其特征在于，六根所述运动支链呈轮辐式设置，针对上平台，每根所述运动支链铰点之间分布角α上及角β上依次为30°夹角和90°夹角，针对下平台，每根所述运动支链铰点之间分布角α下及角β下依次为20°夹角和100°夹角。
3.如权利要求1所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述上平台(1)通过过盈方式与所述第一球铰(3)外圈连接，所述下平台(2)通过过盈方式与所述第二球铰(6)外圈连接。
4.如权利要求3所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述微型电动推杆(4)上端通过过盈方式与所述第一球铰(3)内圈连接，所述微型电动推杆(4)下端与所述下连接件(5)连接。
5.如权利要求4所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述下连接件(5)通过过盈方式与所述第二球铰(6)内圈连接。
6.如权利要求4所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述微型电动推杆(4)包括微型减速电机(41)、丝杆(42)、丝杆螺母(43)、贴片式反馈电位计(44)、伸缩推杆(45)、直线轴承(46)和减速电机驱动板(47)。
7.根据权利要求6所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述微型减速电机(41)与所述丝杆(42)连接，所述微型减速电机(41)运转带动所述丝杆(42)同步转动，所述丝杆(42)带动所述丝杆螺母(43)进行平移运动。
8.根据权利要求7所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述伸缩推杆(45)与所述丝杆螺母(43)固连，所述伸缩推杆(45)能够在直线轴承(46)提供的径向限位通道内直线运动。
9.如权利要求6所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述丝杆螺母(43)外层带有金属贴片，当所述丝杆螺母(43)紧贴所述贴片式反馈电位计(44)表面滑动时，由于所述丝杆螺母(43)外层金属贴片的导通作用，所述丝杆螺母(43)处于不同位置时，从所述贴片式反馈电位计(44)上反馈得到的电压值会有所不同。
10.如权利要求9所述的六自由度并联机器人，其特征在于，当所述丝杆螺母(43)紧贴所述贴片式反馈电位计(44)表面滑动时，所述贴片式反馈电位计(44)上反馈得到的电压值与丝杆螺母(43)所处的位置呈一次线性关系。
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