CN109480922A - 一种用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微创手术的三转一移四自由度远中心运动并联机构，包括：基座，两条运动支链，其中：两条运动支链驱动副轴线交于空间一点，并且运动支链结构形式不唯一，具有多种组合形式。两条运动支链的末端H副采取双螺旋共轴差动形式连接，使得手术工具可以在空间内四个自由度灵活运动，减少机器人误差，增强稳定性和可靠性，提高微创手术的精度。

Description

一种用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，具体涉及一种用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构。

背景技术

微创手术是现如今医学手术领域的重要发展趋势。微创手术主要利用腹腔镜、胸腔镜等各种现代医疗器械以及细长的杆状手术工具通过人体表面的微小切口探入体内进行操作。其具有创伤小、疼痛轻、恢复快、病人住院时间短、出血少的优点，有利于机体内环境稳定与功能恢复。但是，微创手术受创口尺寸大小的限制，医生操作难度大，易产生疲劳感，而且医生还需要经过长期的训练才能进行手术操作。

手术机器人的出现，并应用于微创手术，给该领域带来巨大的技术便利和进步提升。手术机器人可以增加视野角度；能够自动纠错，克服医生在微创手术操作时的手臂抖动，减轻医生的工作强度；机器人较手工微创手术更为灵活，能够以不同的角度在靶器官附近操作；与人相比，手术机器人可以在更小的空间内工作。最具有代表性的是美国Intuitive Surgical公司于1999年研制出的DaVinci系统，在通过美国联邦食品药物管理局认证后，成为第一个合法商品化手术机器人，开辟了新的医疗微操作机器人市场。

现阶段应用的手术机器人大多数都是串联构型，已经有类似构型的微创手术机器人发明专利申请(如CN104644267A、CN104323861A)，手术装置通过机器人实现多自由度运动。但是这种构型串联的各个关节误差会叠加，降低手术的精度；而且随着手术机器人的自由度变多，末端执行器的稳定性也会受到影响。

现阶段已经提出了一些并联式机构，中国专利申请(CN107049498A)提出了一种并联式三自由度远程运动中心机器人；中国专利(CN207359057U)提出了一种旋转驱动的两分支并联手术机器人；中国专利申请(CN106963493A)提出了一种用于微创手术的2-HRRR并联式手术机器人。这些并联式机器人多以三自由度运动形式为主，而且需要在末端另外添加运动副。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、精度高的四自由度并联机构。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，包括第一运动支链、第二运动支链、固定基座和螺旋杆，其特征在于，第一运动支链包括第一运动副、第一轴杆、第二运动副、第一连杆、第三运动副、第二连杆和第一螺旋副，其中，第一轴杆通过第一运动副与固定基座相连，第一连杆通过第二运动副与第一轴杆相连，第二连杆通过第三运动副与第一连杆相连，第二连杆通过第一螺旋副与螺旋杆相连；第二运动支链包括第四运动副、第二轴杆、第五运动副、第三连杆、第六运动副、第四连杆和第二螺旋副，其中，第二轴杆通过第四运动副与固定基座相连，第三连杆通过第五运动副与第二轴杆相连，第四连杆通过第六运动副与第三连杆相连，第四连杆通过第二螺旋副与螺旋杆相连；第一运动副和第四运动副的轴线相交于一点；

进一步地，其特征在于，第一运动支链和第二运动支链形式相同且为CRRH形式、URRH形式、CPRH形式、UPRH形式、CRPH形式、URPH形式、UPPH形式中的一种；

进一步地，第一运动副的轴线与第二运动副的轴线垂直，第二运动副的轴线与第三运动副的轴线平行，第三运动副的轴线与第一螺旋副的轴线垂直；

进一步地，第一运动副和第四运动副为驱动副；

进一步地，第一螺旋副和第二螺旋副通过双螺旋共轴差速运动方式连接；

进一步地，第一螺旋副和第二螺旋副的轴线通过第一运动副和第四运动副轴线的交点；

进一步地，第一螺旋副和第二螺旋副沿轴向无差动运动时，螺旋杆整体运动；第一螺旋副和第二螺旋副沿轴向差动运动时，螺旋杆旋转；

进一步地，手术工具连接于螺旋杆末端。

有益效果：

(1)本发明结构小巧简单，保证了较高的刚度，并且降低了运动累计误差，提高了手术操作的精度；本装置实现输出四个自由度，以及保证在远端以较高的精度，能够灵活地进行运动，满足微创手术的要求，从机械结构上保障手术安全性，相比较通过控制算法保证安全性的方式更加可靠。

(2)本发明两条运动支链采取双螺旋共轴差动连接两条支链H副，实现两H副差动时轴旋转，非差动时轴整体移动两种状态。

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1-7分别为本发明实施例1-7中运动支链形式简图；

图8为本发明实施例1的整体图；

图9为第一运动支链和第二运动支链H副之间共轴差动螺旋连接方式图。

附图标记：

1-第一轴杆，2-固定基座，3-第一连杆，4-第二连杆，5-螺旋杆，6-第三连杆，7-第四连杆，8-第二轴杆。

具体实施方式

实施例1：

如图8所示为实施例1的整体图，包括两条运动支链，第一运动支链、第二运动支链，两运动支链与固定基座2和螺旋杆5相连形成本实施例的并联机构，第一运动支链包括第一运动副、第一轴杆1、第二运动副、第一连杆3、第三运动副、第二连杆4和第一螺旋副，其中，第一轴杆1通过第一运动副与固定基座2相连，第一连杆3通过第二运动副与第一轴杆1相连，第二连杆4通过第三运动副与第一连杆3相连，第二连杆4通过第一螺旋副与螺旋杆5相连；第二运动支链包括第四运动副、第二轴杆8、第五运动副、第三连杆6、第六运动副、第四连杆7和第二螺旋副，其中，第二轴杆8通过第四运动副与固定基座2相连，第三连杆6通过第五运动副与第二轴杆8相连，第四连杆7通过第六运动副与第三连杆6相连，第四连杆7通过第二螺旋副与螺旋杆5相连；在本实施例中，第一运动支链和第二运动支链均为CRRH形式，如图1所示，即第一运动副和第四运动副均为C副(圆柱副)，第二运动副和第五运动副为R副(转动副)，第三运动副和第六运动副也为R副，H为螺旋副，第一轴杆1和第二轴杆8通过C副与固定基座相连，两C副为驱动副，第一轴杆1和第二轴杆8分别可以相对固定基座旋转以及轴向移动。C副之后为第一个R副，R副轴线与C副轴线垂直，第一个R副之后为第二个R副，两个R副轴线平行，第二个R副之后为H副，H副轴线与R副轴线垂直。

如图9所示，两运动支链的H副(即第一螺旋副和第二螺旋副)采取双螺旋共轴差速运动的方式连接，即两H副的转动轴相同，通过控制驱动两H副的转速大小和转动方向，来进行差速运动控制，两H副的共同轴为螺旋杆5。当两H副转向相同，转速也相同时，共同轴旋转；当两H副转向相反，转速相同时，共同轴整体移动。

两H副的共同轴轴线通过两条运动支链驱动副轴线的交点O(即C副轴线交点)，共同轴末端可以连接手术工具，该手术工具可以沿着H副共同轴轴线移动，并且绕着经过交点O的任意轴线旋转(在以交点O为球心的球面上运动)。

实施例2：

本实施例中只是两条运动支链的形式与实施例1不同，其他部分均与实施例1相同。本实施例中，两运动支链的形式为URRH形式，如图2所示，即将实施例1中的C副换成了U副，其中U副为虎克铰。U副为驱动副，U副可以相对于固定基座沿两个互相垂直的轴旋转，为轴线1和轴线2，两条运动支链的U副轴线1相交于空间一点，U副后为第一个R副，R副轴线与U副轴线2平行；第一个R副之后为第二个R副，两个R副轴线平行；第二个R副之后为H副，H副轴线与R副轴线垂直。

实施例3：

本实施例中只是两条运动支链的形式与实施例1不同，其他部分均与实施例1相同。本实施例中两运动支链为CPRH形式，如图3所示，C副为驱动副，C副后为P副，P副移动轴线相交于C副轴线，P副后为R副，R副轴线与P副轴线垂直，R副后连接H副，H副轴线与R副轴线垂直。

实施例4：

本实施例中只是两条运动支链的形式与实施例1不同，其他部分均与实施例1相同。本实施例中两运动支链为UPRH形式，如图4所示，即把实施例1中的C副换成U副，第一个R副换成P副，两运动支链的U副轴线1相交于空间一点，U副后为P副，P副平行于U副轴线1，P副后连接R副，R副轴线平行于U副轴线2，R副后为H副，H副轴线与R副轴线垂直。

实施例5：

本实施例中只是两条运动支链的形式与实施例1不同，其他部分均与实施例1相同。本实施例中两运动支链为CRPH形式，如图5所示，C副为驱动副，C副后为R副，R副轴线与C副轴线垂直，R副后为P副，P副轴线垂直于R副，P副后为H副，H副轴线垂直于P副轴线。

实施例6：

本实施例中只是两条运动支链的形式与实施例1不同，其他部分均与实施例1相同。本实施例中两运动支链为URPH形式，如图6所示，U副为驱动副。U副的两个旋转轴线为轴线1和轴线2，两条URPH运动支链的轴线1相交于空间一点；U副后连接R副，R副轴线平行于轴线2；R副后连接P副，P副轴线垂直于R副；P副后连接H副，H副轴线垂直于P副。

实施例7：

本实施例中只是两条运动支链的形式与实施例1不同，其他部分均与实施例1相同。本实施例中两运动支链为UPPH形式，如图7所示，U副为驱动副。U副的两个旋转轴线为轴线1和轴线2，两条运动支链的轴线1相交于空间一点，U副后连接第一个P副，第一个P副的轴线与轴线1平行，第一个P副后连接第二个P副，第二个P副轴线与第一个P副轴线相交，第二个P副后连接H副，H副轴线垂直于第二个P副轴线。

以上列举出了几种典型的运动支链形式，其他的相似形式不再列出。本发明保护范围包括但不限于以上几种形式。

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 (8)

1.一种用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，包括第一运动支链、第二运动支链、固定基座和螺旋杆，其特征在于，第一运动支链包括第一运动副、第一轴杆、第二运动副、第一连杆、第三运动副、第二连杆和第一螺旋副，其中，第一轴杆通过第一运动副与固定基座相连，第一连杆通过第二运动副与第一轴杆相连，第二连杆通过第三运动副与第一连杆相连，第二连杆通过第一螺旋副与螺旋杆相连；第二运动支链包括第四运动副、第二轴杆、第五运动副、第三连杆、第六运动副、第四连杆和第二螺旋副，其中，第二轴杆通过第四运动副与固定基座相连，第三连杆通过第五运动副与第二轴杆相连，第四连杆通过第六运动副与第三连杆相连，第四连杆通过第二螺旋副与螺旋杆相连；第一运动副和第四运动副的轴线相交于一点。

2.如权利要求1所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，其特征在于，所述第一运动支链和所述第二运动支链形式相同且为CRRH形式、URRH形式、CPRH形式、UPRH形式、CRPH形式、URPH形式、UPPH形式中的一种。

3.如权利要求2所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，其特征在于，所述第一运动副的轴线与所述第二运动副的轴线垂直，所述第二运动副的轴线与所述第三运动副的轴线平行，所述第三运动副的轴线与所述第一螺旋副的轴线垂直。

4.如权利要求1所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，其特征在于，所述第一运动副和第四运动副为驱动副。

5.如权利要求1所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，其特征在于，所述第一螺旋副和所述第二螺旋副通过双螺旋共轴差速运动方式连接。

6.如权利要求5所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，其特征在于，所述第一螺旋副和所述第二螺旋副的轴线通过所述第一运动副和所述第四运动副轴线的交点。

7.如权利要求5所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构，其特征在于，第一螺旋副和第二螺旋副沿轴向无差动运动时，所述螺旋杆整体运动；第一螺旋副和第二螺旋副沿轴向差动运动时，所述螺旋杆旋转。

8.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求5所述的用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构和手术工具，所述手术工具连接于所述螺旋杆末端。