CN109664278B - 一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，包括前安装架、后安装架、平面四连杆机构、连接杆、动平台以及三维力传感器；三维力传感器固连在动平台前端；动平台与安装架是由三条支链构成，前面两条支链是相同的，支链是由平面四连杆机构和连接杆构成，连接杆一端与四连杆机构的摇杆通过球铰连接，另一端通过球铰与动平台前端相连；后面一条支链是由平面四连杆机构和虎克铰构成，四连杆机构摇杆通过虎克铰运动副与动平台后端相连；动平台由两部分通过紧固而成，平面四连杆机构曲柄转轴固定于电机转轴，摇杆通过转动轴承连接于安装架；本发明实现力反馈模拟训练，结构紧凑，增大了机构刚度，减小了机构质量。

Description

一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置

技术领域

本发明涉及一种力反馈机构，特别是涉及一种用于医疗模拟用并联力反馈机构。

背景技术

虚拟现实技术和增强现实技术是当前科研领域的前沿技术，虚拟现实过程中的力觉临场感是体现虚拟现实交互性的重要部分，较好的力觉临场感使得操作过程更真实可靠。而力觉交互设备是设计人员与虚拟环境进行力觉交互的接口，是虚拟现实系统中的重要组成部分。虚拟现实方式在医疗上应用广泛，如牙科医生实习培训，可以采用虚拟环境仿真，通过操作力反馈手与仿真环境进行交互学习。

国内外有不少科研人员从事于力反馈设备的开发，瑞士force dimension的omerga3力反馈设备，其设计的是一种三自由度并联力反馈机构，具有三维方向运动自由度，且能够实现三维方向的力反馈，但是该机构的重力补偿仅是通过数学模型实现，补偿效果不理想，且由于使用材料的特殊性导致设备价格昂贵。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，采用并联拓扑结构，结构紧凑，机构刚度好，质量轻，能够为医疗训练模拟仿真提供力觉交互。

本发明技术解决方案：一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，包括前安装架、后安装架、动平台前部分和动平台后部分组成的动平台；所述前安装架、后安装架与所述动平台之间有三条支链构成，其中所述前安装架与所述前动平台部分之间有两条结构相同的支链，所述后安装架与所述动平台后部分有一条支链；

所述两条结构相同的支链包括自前安装架至动平台前部分依次相连下的电机、曲柄、连杆、摇杆、连接杆；其中所述电机通过螺钉紧固于前安装架，所述曲柄通过螺钉压紧于所述电机轴上，实现四连杆机构驱动的输入；所述连杆由中间的金属杆与两端的球铰构成，所述连杆两端分别经所述球铰所固有的螺纹轴与所述曲柄、所述摇杆一侧的螺纹孔相连，所述曲柄与所述连杆和所述摇杆与所述连杆两处的转动副由所述球铰提供；转轴穿过所述摇杆中间连接孔经轴承与所述前安装架连接；所述连接杆是由中间金属杆和两端所述球铰链构成，所述连接杆两端分别经所述球铰链与所述摇杆另一侧、所述动平台前部分的一侧通过螺纹连接固定；

所述后安装架与所述动平台后部分的一条支链包括自后安装架至动平台后部分依次相连下的电机、曲柄、连杆、摇杆、虎克铰部件；其中所述电机通过螺钉紧固于后安装架，所述曲柄通过螺钉压紧于所述电机轴上，实现四连杆机构驱动的输入；所述连杆由中间的金属杆与两端的球铰构成，所述连杆两端分别经所述球铰所固有的螺纹轴与所述曲柄、所述摇杆中间的螺纹孔相连，所述曲柄与所述连杆和所述摇杆与所述连杆两处的转动副由所述球铰提供；转轴穿过所述摇杆一侧连接孔经轴承与所述后安装架连接；所述摇杆经一侧轴向螺纹孔通过所述虎克铰部件与所述动平台后部分相连；所述虎克铰部件包括自所述摇杆至所述动平台后部分依次相连下的连接体、轴承、连接轴、轴承以及销轴构成；所述连接体经外螺纹轴与所述摇杆一侧轴向螺纹孔相连，所述连接体内孔经所述轴承与所述连接轴配合连接，实现一个方向上的转动自由度；所述连接轴一侧的孔经所述轴承与所述销轴配合连接，实现另一个方向上的转动自由度；

末端动平台由所述动平台前部分和动平台后部分固连而成；所述三条支链构成了并联机构的基本框架，能够使得末端所述动平台具有三个自由度；三维力传感器通过螺钉固定于所述动平台前部分中心上；所述电机为直流伺服电机，其尾部输出轴上安装有增量式编码器；

两个限位螺钉安装在所述前安装架上，以限制前面两条支链的运动范围；一个限位螺钉安装在所述后安装架上，以限制后面一条支链的运动范围。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明实现力反馈模拟训练，结构紧凑，增大了机构刚度，减小了机构质量。

(2)本发明为并联力反馈机构，三个带有编码器的电机可以采集到曲柄的角度信息，进而能够解算出操作平台的位置，将该位置信息发送到控制器，从而实现控制虚拟环境中工具移动。

(3)本发明电机工作在力矩模式下，操作平台以及各个杆件处于重力补偿和摩擦力补偿状态，末端三维力传感器可以优化补偿效果，可以使末端平台自主处于“悬停”状态，也可以反馈虚拟环境中的交互力。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴侧图；

图2为本发明的整体结构正视图；

图3为本发明的整体结构右视图；

图4为本发明虎克铰部件剖视图。

附图标记：1-动平台后部分，2-第一球铰，2’-第二球铰，3-摇杆，4-连杆，5-曲柄，6-后安装架，7-转轴，8-编码器，9-电机，10-前安装架，11-摇杆，12-限位螺钉，13-转轴，14-连接杆，15-动平台前部分，16-三维力传感器，17-限位螺钉，18-销轴，19-轴承，20-连接体，21-连接轴，22-轴承，23-虎克铰部件。

具体实施方式

本发明涉及一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，其结构包括前安装架、后安装架、平面四连杆机构、连接杆、动平台以及三维力传感器；其中三维力传感器固连在动平台前端；动平台与安装架是由三条支链构成，其中前面两条支链是相同的，该类型支链是由平面四连杆机构和连接杆构成，连接杆一端与四连杆机构的摇杆通过球铰连接，另一端通过球铰与动平台前端相连；后面一条支链是由平面四连杆机构和虎克铰构成，四连杆机构摇杆通过虎克铰运动副与动平台后端相连；动平台是由两部分通过螺钉紧固而成，平面四连杆机构曲柄转轴固定于电机转轴，摇杆通过转动轴承连接于安装架，配有编码器的电机分别固定于前安装架、后安装架；本发明采用并联拓扑结构，可用于医疗训练模拟，实现力反馈模拟训练，结构紧凑，增大了机构刚度，减小了机构质量。

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，包括前安装架10、后安装架6、动平台前部分15和动平台后部分1组成的动平台；所述前安装架10、后安装架6与所述动平台之间有三条支链构成，其中所述前安装架10与所述前动平台部分15之间有两条结构相同的支链，所述后安装架6与所述动平台后部分1有一条支链；三条支链构成了整个机构的并联框架。

如图2所示，所述两条结构相同的支链包括自前安装架10至动平台前部分15依次相连下的电机9、曲柄5、连杆4、摇杆11、连接杆14；其中所述电机9通过螺钉紧固于前安装架10，所述曲柄5通过螺钉压紧于所述电机轴上，使得曲柄转轴与电机转轴同轴，以此实现四连杆机构驱动的输入；所述连杆4由中间的金属杆与两端的第一球铰2构成，所述连杆4两端分别经所述第一球铰2所固有的外螺纹轴与所述曲柄5、所述摇杆11一侧的螺纹孔相连，所述曲柄5与所述连杆4和所述摇杆11与所述连杆4两处的转动副由所述第一球铰2提供；转轴13穿过所述摇杆11中间连接孔经轴承与所述前安装架10连接，所述摇杆11能够以转轴13为转轴实现定轴转动，以此实现平面四连杆机构；所述连接杆14是由中间金属杆和两端所述第二球铰2’构成，所述连接杆14两端分别经所述第二球铰2’所固有的外螺纹轴与所述摇杆11另一侧、所述动平台前部分15的一侧通过螺纹连接固定；

如图3所示，所述后安装架6与所述动平台后部分1的一条支链包括自后安装架6至动平台后部分1依次相连下的电机9、曲柄5、连杆4、摇杆11、虎克铰部件23；其中所述电机9通过螺钉紧固于后安装架6，所述曲柄5通过螺钉压紧于所述电机轴上，使得曲柄转轴与电机转轴同轴，以此实现四连杆机构驱动的输入；所述连杆4由中间的金属杆与两端的球铰2构成，所述连杆4两端分别经所述一球铰2所固有的螺纹轴与所述曲柄5、所述摇杆3中间的螺纹孔相连，所述曲柄5与所述连杆4和所述摇杆3与所述连杆4两处的转动副由所述第一球铰2提供；转轴7穿过所述摇杆3一侧连接孔经轴承与所述后安装架6连接，所述摇杆3能够以所述转轴7定轴转动；所述摇杆3经一侧轴向螺纹孔通过所述虎克铰部件23与所述动平台后部分1相连；

如图4所示，虎克铰部件23包括：自所述摇杆3至所述动平台后部分1依次相连下的连接体20、轴承22、连接轴21、轴承19以及销轴18构成；所述连接体20经外螺纹轴与所述摇杆3一侧轴向螺纹孔相连，所述连接体20内孔经所述一对轴承22与所述连接轴21配合连接，并通过螺母预紧，实现一个方向上的转动自由度；所述连接轴21一侧的孔经所述一对轴承19与所述销轴18配合连接，并通过螺母预紧，从而实现另一个方向上的转动自由度；由此结构构成了所述虎克铰部件23，可以提供末端动平台两个转动自由度。

末端的动平台由所述动平台前部分15和动平台后部分1通过螺母连接固定而成；所述三条支链构成了并联机构的基本框架，能够使得末端所述动平台具有三个自由度。

三维力传感器16通过螺钉固定于所述动平台前部分15中心上；通过三维力传感器16可以采集到操作人员的操作力，并通过控制算法，优化重力和摩擦力补偿效果。

电机9为直流伺服电机，其尾部输出轴上安装有增量式编码器8，可以采集曲柄的转角，从而通过运动学正解计算出末端平台的为位置，以此通过控制算法实现在虚拟环境下工具的跟随。

两个限位螺钉12安装在所述前安装架10上，以通过机械限位限制前面两条支链摇杆的运动范围；一个限位螺钉17安装在所述后安装架6上，以限制后面一条支链摇杆的运动范围。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，其特征在于：包括：前安装架(10)、后安装架(6)和末端的动平台，所述动平台包括动平台前部分(15)和动平台后部分(1)固连而成；所述前安装架(10)、后安装架(6)与所述动平台之间有三条支链构成，其中所述前安装架(10)与所述动平台前部分(15)之间有两条结构相同的支链，所述后安装架(6)与所述动平台后部分(1)之间有一条支链；所述三条支链构成了并联机构的基本框架，能够使得末端所述动平台具有三个自由度；所述动平台前部分(15)中心上安装有三维力传感器(16)；

所述两条结构相同的支链包括：自前安装架(10)至动平台前部分(15)依次相连的电机(9)、曲柄(5)、连杆(4)、摇杆(11)和连接杆(14)；所述电机(9)通过螺钉紧固于前安装架(10)，所述曲柄(5)通过螺钉压紧于电机轴上，实现四连杆机构驱动的输入；所述连杆(4)由位于中间的金属杆与位于两端的第一球铰(2)构成，所述连杆(4)两端分别经第一球铰(2)所固有的螺纹轴与所述曲柄(5)、所述摇杆(11)一端的螺纹孔相连，所述曲柄(5)与所述连杆(4)和所述摇杆(11)与所述连杆(4)两处的转动副由所述第一球铰(2)提供；转轴(13)穿过所述摇杆(11)中间连接孔经轴承与所述前安装架(10)连接，使得所述摇杆(11)能够实现定轴转动；所述连接杆(14)是由位于中间的金属杆和位于两端的第二球铰(2’)构成，所述连接杆(14)两端分别经所述第二球铰(2’)与所述摇杆(11)另一端、所述动平台前部分(15)的一侧通过螺纹连接固定；

所述后安装架(6)与所述动平台后部分(1)之间有一条支链包括：自后安装架(6)至动平台后部分(1)依次相连的电机(9)、曲柄(5)、连杆(4)、摇杆(3)和虎克铰部件(23)；所述电机(9)通过螺钉紧固于后安装架(6)，所述曲柄(5)通过螺钉压紧于所述电机(9)的轴上，实现四连杆机构驱动的输入；所述连杆(4)两端分别经所述第一球铰(2)所固有的螺纹轴与所述曲柄(5)、所述摇杆(3)中间的螺纹孔相连，所述曲柄(5)与所述连杆(4)和所述摇杆(3)与所述连杆(4)两处的转动副由所述第一球铰(2)提供；转轴(7)穿过所述摇杆(3)一端连接孔经轴承与所述后安装架(6)连接，使得所述摇杆(3)能够实现定轴转动；所述摇杆(3)经另一端轴向螺纹孔通过所述虎克铰部件(23)与所述动平台后部分(1)相连。

2.根据权利要求1所述的一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，其特征在于：所述虎克铰部件(23)包括：自所述摇杆(3)至所述动平台后部分(1)依次相连的连接体(20)、第一轴承(22)、连接轴(21)、第二轴承(19)以及销轴(18)；所述连接体(20)经外螺纹轴与所述摇杆(3)另一端轴向螺纹孔相连，所述连接体(20)内孔经所述第一轴承(22)与所述连接轴(21)配合连接，实现一个方向上的转动自由度；所述连接轴(21)一端的孔经所述第二轴承(19)与所述销轴(18)配合连接，实现另一个方向上的转动自由度。

3.根据权利要求1所述的一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，其特征在于：所述电机(9)为直流伺服电机，其尾部输出轴上安装有增量式编码器(8)。

4.根据权利要求1所述的一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，其特征在于：所述前安装架(10)上安装两个限位螺钉(12)，以限制结构相同的两条支链的运动范围。

5.根据权利要求1所述的一种医疗模拟用三自由度并联力反馈装置，其特征在于：所述后安装架(6)上安装一个限位螺钉(17)，以限制所述后安装架(6)与所述动平台后部分(1)之间的一条支链的运动范围。

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