CN110812210A - 一种五自由度混联艾灸机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五自由度混联艾灸机器人，包括滑座、机架、静平台、动平台、二自由度旋转头、艾灸夹具、第一运动链、第二运动链、第三运动链以及第四运动链，所述机架固定在滑座上，所述静平台固定在机架顶部，所述动平台设于静平台的前侧，动平台经由第一运动链、第二运动链、第三运动链以及第四运动链连接于静平台，所述二自由度旋转头串接在动平台上，所述艾灸夹具安装在二自由度旋转头的第二转头上并用于固定艾灸罐。利用第一运动链、第二运动链、第三运动链以及二自由度旋转头的两个旋转自由度的运动控制来实现艾灸罐沿指定运动轨迹移动，自动化程度高、定位精准、移动灵活，能够适应人体曲面艾灸。

Description

一种五自由度混联艾灸机器人

技术领域：

本发明涉及一种五自由度混联艾灸机器人。

背景技术：

艾灸：中医针灸疗法中的灸法。点燃用艾叶制成的艾炷、艾条为主，熏烤人体的穴位以达到保健治病的一种自然疗法。是用艾叶制成的艾灸材料产生的艾热刺激体表穴位或特定部位，通过激发经气的活动来调整人体紊乱的生理生化功能，从而达到防病治病目的的一种治疗方法。

传统在进行艾灸治疗的时候，医护人员需要手持燃烧的艾条，让艾条的燃烧端停留在治疗对象的穴位附近，并长时间保持在同一位置。如此一来，不仅使医护人员感觉劳累，而且极为耗费人力。此外，不慎之下，还可能烫伤治疗对象。为此，若能够用机器人自动完成艾条的握持与持续进给，则不仅解除了对医护人员的束缚，还能够避免意外烫伤。

现有专利CN206325002U所公开的一种艾灸机器人，包括艾灸盒、升降装置和艾烟处理装置，所述的艾灸盒包括矩形框体、前盖、后盖和接灰托盘，所述的升降装置包括外壳、伸缩杆、电机、无线接收器和无线遥控器，所述的伸缩杆前端向上伸出外壳，所述的电机驱动伸缩杆前端上下运动，所述的无线接收器接收无线遥控器信号来控制电机工作；所述的伸缩杆的前端固定在所述的框体底部。该机器人要求患者必须坐立，能调节的高度有限，无法准确定位艾灸位置，而且无法适应人体曲面的艾灸。

现有专利CN202136571U所公开的艾灸机器人，包括一个座体与数个机械臂，每个该机械臂一端连接在该座体上，另一端设有一个艾灸枪，其特征在于：该机械臂具有数个依序相连的连接臂，该座体与连接臂之间、该艾灸枪与连接臂之间、以及任意两个相邻的连接臂之间，分别用一个波珠定位自由关节予以连接。该机器人的主体为串联机构，存在一些串联机构的局限性，如刚度较小，质量较大，模块化程度低，造价较高，因连接臂自身质量较大、运动过程中惯性较大而难以保持定位的稳定性和移动的灵活性。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种定位准确，稳定性高，灵巧度高且能适应人体曲面的五自由度混联艾灸机器人。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种五自由度混联艾灸机器人，包括滑座、机架、静平台、动平台、二自由度旋转头、艾灸夹具、第一运动链、第二运动链、第三运动链以及第四运动链，所述机架固定在滑座上，所述静平台固定在机架顶部，所述动平台设于静平台的前侧，动平台经由第一运动链、第二运动链、第三运动链以及第四运动链连接于静平台，所述二自由度旋转头串接在动平台上，所述艾灸夹具安装在二自由度旋转头的第二转头上并用于固定艾灸罐。

进一步的，所述第一运动链和第三运动链分别设于静平台的左、右两侧，所述第二运动链设于静平台的上侧，所述第四运动链连接于静平台与动平台的中部之间。

进一步的，所述第一运动链和第三运动链均包括虎克铰A、移动副A和球副A，所述移动副A为主动副，所述虎克铰A包括远架轴架A和近架轴架A，所述远架轴架A的旋转轴轴线与近架轴架A的旋转轴轴线相互垂直；移动副A的承导件为安装在虎克铰A的远架轴架A上的直线轴承A，移动副A的运动件为导杆A，虎克铰A的近架轴架A通过轴承座A连接于静平台，球副A通过球副连接件连接于动平台。

进一步的，所述移动副A包括固定安装在虎克铰A的远架轴架A的驱动电机A，所述驱动电机A的输出轴连接有丝杆A，所述丝杆A上螺接有丝杆螺母A，丝杆A的两侧平行设有导杆A，所述导杆A的一端滑动贯穿远架轴架A上的直线轴承A，导杆A的另一端与球副A固定连接，所述丝杆螺母A与导杆A固定连接。

进一步的，所述第二运动链包括虎克铰B、移动副B和转动副，所述移动副B为主动副，所述虎克铰B包括远架轴架B和近架轴架B，所述远架轴架B的旋转轴轴线与近架轴架B的旋转轴轴线相互垂直；所述移动副B的承导件为安装在虎克铰B的远架轴架B上的直线轴承B，移动副B的运动件为导杆B，虎克铰B的近架轴架B通过轴承座B连接于静平台，转动副通过转轴副连接件连接于动平台。

进一步的，所述移动副B包括固定安装在虎克铰B的远架轴架B的驱动电机B，所述驱动电机B的输出轴连接有丝杆B，所述丝杆B上螺接有丝杆螺母B，丝杆B的两侧平行设有导杆B，所述导杆B的一端滑动贯穿远架轴架B上的直线轴承B，导杆B的另一端与转动副固定连接，所述丝杆螺母B与导杆B固定连接。

进一步的，所述第四运动链包括虎克铰C和移动副C，所述虎克铰C包括远架轴架C和近架轴架C，所述远架轴架C的旋转轴轴线与近架轴架C的旋转轴轴线相互垂直；移动副C的承导件为安装在虎克铰C的远架轴架C上的直线轴承C，移动副C的运动件为导杆C，虎克铰C的近架轴架C通过轴承座C连接于静平台，移动副C通过移动副连接件连接于动平台。

进一步的，所述移动副C包括三根相平行的导杆C，所述导杆C一端滑动贯穿远架轴架C上的直线轴承C，导杆C的另一端与移动副连接件固定连接，所述移动副连接件固定在动平台上。

进一步的，所述二自由度旋转头位于动平台的前侧，二自由度旋转头包括依次串接的第一转头和第二转头，第一转头的轴线与第二转头的轴线相互垂直，第一转头经由固定安装在动平台的第一旋转电机驱动旋转，第一转头内固定安装有第二旋转电机，第二转头的转轴与第二旋转电机的输出轴之间通过皮带副进行传动。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构设计合理、稳定，利用五个电机输出的运动控制来实现指定运动轨迹，自动化程度高、定位准确，移动灵活，能够适应人体曲面艾灸，在艾灸机器人领域具有较大的应用潜力。

附图说明：

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中并联部分结构示意图；

图3是本发明实施例中二自由度旋转头和艾灸夹紧的装配结构示意图；

图4是本发明实施例中第一运动链和第三运动链的结构示意图；

图5是本发明实施例中第二运动链的结构示意图；

图6是本发明实施例中第四运动链的结构示意图。

图中：

1-滑座；2-机架；3-静平台；4-动平台；5-二自由度旋转头；6-虎克铰A；601-远架轴架A；602-近架轴架A；7-移动副A；8-球副A；9-轴承座A；10-转动副连接件；11-球副连接件；12-移动副连接件；13-第一转头；14-第二转头；15-第一旋转电机；16-皮带副；17-艾灸夹具；18-艾灸罐；19-虎克铰B；191-远架轴架B；192-近架轴架B；20-移动副B；21-转动副；22-导杆B；23-虎克铰C；231-远架轴架C；232-近架轴架C；24-移动副C；25-导杆C；26-驱动电机A；27-丝杆A；28-丝杆螺母A；29-驱动电机B；30-丝杆B；31-丝杆螺母B；32-第二旋转电机；33-导杆A；Ⅰ-第一运动链；Ⅱ-第二运动链；Ⅲ-第三运动链；Ⅳ-第四运动链。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～6所示，本发明一种五自由度混联艾灸机器人，包括滑座1、机架2、静平台3、动平台4、二自由度旋转头5、艾灸夹具17、第一运动链Ⅰ、第二运动链Ⅱ、第三运动链Ⅲ以及第四运动链Ⅳ，所述机架2竖直固定在滑座1上，所述静平台3竖直固定在机架2顶部，所述动平台4设于静平台3的前侧，所述第一运动链Ⅰ和第三运动链Ⅲ分别设于静平台3的左、右两侧，所述第二运动链Ⅱ设于静平台3的上侧，所述第四运动链Ⅳ连接于静平台3与动平台4的中部之间，动平台4经由第一运动链Ⅰ、第二运动链Ⅱ、第三运动链Ⅲ以及第四运动链Ⅳ连接于静平台3，所述二自由度旋转头5串接在动平台4上，所述艾灸夹具17安装在二自由度旋转头5的第二转头14上并用于固定艾灸罐18。利用第一运动链Ⅰ、第二运动链Ⅱ、第三运动链Ⅲ以及二自由度旋转头5的两个旋转自由度的运动控制来实现艾灸罐沿指定运动轨迹移动，自动化程度高、定位精准、移动灵活，能够适应人体曲面艾灸。

本实施例中，所述第一运动链Ⅰ和第三运动链Ⅲ均包括虎克铰A6、移动副A7和球副A8，所述移动副A为运动链的主动副，所述虎克铰A6为现有的成熟产品，其结构主要包括远架轴架A601和近架轴架A602，所述远架轴架A601的旋转轴轴线与近架轴架A602的旋转轴轴线相互垂直；移动副A7的承导件为安装在虎克铰A6的远架轴架A601上的直线轴承A，移动副A7的运动件为导杆A33，虎克铰A6的近架轴架A602通过轴承座A9连接于静平台3，以使近架轴架A602与静平台3形成转动连接；球副A8通过球副连接件11连接于动平台4，以形成球形铰接结构。

本实施例中，所述第二运动链Ⅱ包括虎克铰B19、移动副B20和转动副21，所述移动副B20为运动链的主动副，所述虎克铰B19为现有的成熟产品，其结构主要包括远架轴架B191和近架轴架B192，所述远架轴架B191的旋转轴轴线与近架轴架B192的旋转轴轴线相互垂直；所述移动副B20的承导件为安装在虎克铰B19的远架轴架B191上的直线轴承B，移动副B20的运动件为导杆B22，虎克铰B19的近架轴架B192通过轴承座B连接于静平台3，以使近架轴架B192与静平台3形成转动连接；转动副21通过转轴副连接件10连接于动平台4，以形成转动连接结构。

本实施例中，所述第四运动链Ⅳ包括虎克铰C23和移动副C24，该运动链中没有主动副，所述虎克铰C23为现有的成熟产品，其结构主要包括远架轴架C231和近架轴架C232，所述远架轴架C231的旋转轴轴线与近架轴架C232的旋转轴轴线相互垂直；移动副C24的承导件为安装在虎克铰C23的远架轴架C231上的直线轴承C，移动副C24的运动件为导杆C25，虎克铰C23的近架轴架C232通过轴承座C连接于静平台3，以使近架轴架,232与静平台3形成转动连接；移动副C24通过移动副连接件12连接于动平台4。

本实施例中，所述移动副A7包括固定安装在虎克铰A6的远架轴架A601的驱动电机A26，所述驱动电机A26的输出轴连接有丝杆A27，所述丝杆A27上螺接有丝杆螺母A28，丝杆A27的两侧平行设有导杆A33，所述导杆A33的一端滑动贯穿远架轴架A601上的直线轴承A，导杆A33的另一端与球副A8固定连接，所述丝杆螺母A28与导杆A33固定连接，工作时，驱动电机A26驱动丝杆A27旋转，丝杆A27带动丝杆螺母A28沿着丝杆A27的轴线移动，此时由于丝杆螺母A28与导杆A33相固定且导杆A33与远架轴架A601上的直线轴承A滑动连接，因此丝杆A27的旋转运动会转换为导杆A33沿着直线轴承A的直线运动，当导杆A33沿着直线轴承A滑动时会带动动平台4绕着虎克铰A6进行摆动，以此实现动平台4的运动。

本实施例中，所述移动副B20包括固定安装在虎克铰B19的远架轴架B191的驱动电机B29，所述驱动电机B29的输出轴连接有丝杆B30，所述丝杆B30上螺接有丝杆螺母B31，丝杆B30的两侧平行设有导杆B22，所述导杆B22的一端滑动贯穿远架轴架B191上的直线轴承B，导杆B22的另一端与转动副21固定连接，所述丝杆螺母B31与导杆B22固定连接。工作时，驱动电机B29驱动丝杆B30旋转，丝杆B30带动丝杆螺母B31沿着丝杆B30的轴线移动，此时由于丝杆螺母B31与导杆B22相固定且导杆B22与远架轴架B191上的直线轴承B滑动连接，因此丝杆B30的旋转运动会转换为导杆B22沿着直线轴承B的直线运动，当导杆B22沿着直线轴承B滑动时会带动动平台4绕着虎克铰B19进行摆动，以此实现动平台4的运动。

本实施例中，所述移动副C24包括三根相平行的导杆C25，所述导杆C25一端滑动贯穿远架轴架C231上的直线轴承C，导杆C25与直线轴承C形成滑动配合，导杆C25的另一端与移动副连接件12固定连接，所述移动副连接件12固定在动平台4上。当第一运动链Ⅰ、第二运动链Ⅱ以及第三运动链Ⅲ分别驱动动平台运动时，第四运动链Ⅳ起到导向的作用，以使得动平台的运动更加稳定，以提高运动精度。

本实施例中，所述导杆A33、导杆B22以及导杆C25均由碳纤维制成，碳纤维质量较轻，可实现轻量化。

本实施例中，所述二自由度旋转头5位于动平台4的前侧，二自由度旋转头5包括依次串接的第一转头13和第二转头14，第一转头13的轴线与第二转头14的轴线相互垂直，第一转头13经由固定安装在动平台4的第一旋转电机15驱动旋转，第一转头13内固定安装有第二旋转电机32，第二转头14的转轴与第二旋转电机32的输出轴之间通过皮带副16进行传动，艾灸夹具17固定在第二转头14远离第一转头13的一端上。第一旋转电机和第二旋转电机分别驱动第一转头和第二转头单独旋转，以形成艾灸罐两个旋转自由度。

本实施例中，所述艾灸夹具17上设有以利于艾灸罐贯穿的安装通孔，安装通孔的一侧壁设有沿径向贯穿的夹紧开口，所述夹紧开口的两端均设有朝向远离安装通孔的轴线一侧延伸的连接耳，两端的连接耳上开设有位置相对应的若干连接通孔；通过连接螺栓贯穿两端连接耳上的连接通孔后与螺母配合锁紧，即可缩小夹紧开口的间距，进而实现安装通孔的直径，完成将艾灸罐进行夹紧固定。

本实施例中，所述滑座1的底面四角处分别安装有万向轮，以使得整个机器人可在地面上平移，便于操作者移动艾灸机器人的位置。

本实施例中，在第一运动链Ⅰ、第二运动链Ⅱ和第三运动链Ⅲ的驱动电机共同驱动下，所述动平台4可实现在空间中的任意移动；二自由度旋转头的第一转头和第二转头可分别在两个旋转电机驱动下实现两个方向的转动，使该混联艾灸机器人具有五个自由度的运动能力。

本实施例中，该艾灸机器人的使用方法为：在第一运动链Ⅰ移动副、第二运动链Ⅱ移动副和第三运动链Ⅲ移动副的共同驱动下，可使动平台4实现空间中的任意移动；二自由度旋转头5的第一转头13和第二转头14分别在第一旋转电机115和第二旋转电机32的驱动下实现绕两个方向的转动，使该混联艾灸机器人具有五个运动自由度；同时，滑座可使机器人在地面上平移，便于操作者移动艾灸机器人的位置。

本发明的优点在于：结构稳定、刚度较高、定位精准、移动灵活，能够适应人体曲面艾灸；驱动副实现件（导杆）为质量轻的碳纤维制成，可实现轻量化；模块化程度高，造价低；可由控制五个电机输出的运动控制程序控制来实现指定运动轨迹，自动化程度高，在艾灸机器人领域具有较大的应用潜力。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：包括滑座、机架、静平台、动平台、二自由度旋转头、艾灸夹具、第一运动链、第二运动链、第三运动链以及第四运动链，所述机架固定在滑座上，所述静平台固定在机架顶部，所述动平台设于静平台的前侧，动平台经由第一运动链、第二运动链、第三运动链以及第四运动链连接于静平台，所述二自由度旋转头串接在动平台上，所述艾灸夹具安装在二自由度旋转头的第二转头上并用于固定艾灸罐。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述第一运动链和第三运动链分别设于静平台的左、右两侧，所述第二运动链设于静平台的上侧，所述第四运动链连接于静平台与动平台的中部之间。

3.根据权利要求2所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述第一运动链和第三运动链均包括虎克铰A、移动副A和球副A，所述移动副A为主动副，所述虎克铰A包括远架轴架A和近架轴架A，所述远架轴架A的旋转轴轴线与近架轴架A的旋转轴轴线相互垂直；移动副A的承导件为安装在虎克铰A的远架轴架A上的直线轴承A，移动副A的运动件为导杆A，虎克铰A的近架轴架A通过轴承座A连接于静平台，球副A通过球副连接件连接于动平台。

4.根据权利要求3所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述移动副A包括固定安装在虎克铰A的远架轴架A的驱动电机A，所述驱动电机A的输出轴连接有丝杆A，所述丝杆A上螺接有丝杆螺母A，丝杆A的两侧平行设有导杆A，所述导杆A的一端滑动贯穿远架轴架A上的直线轴承A，导杆A的另一端与球副A固定连接，所述丝杆螺母A与导杆A固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述第二运动链包括虎克铰B、移动副B和转动副，所述移动副B为主动副，所述虎克铰B包括远架轴架B和近架轴架B，所述远架轴架B的旋转轴轴线与近架轴架B的旋转轴轴线相互垂直；所述移动副B的承导件为安装在虎克铰B的远架轴架B上的直线轴承B，移动副B的运动件为导杆B，虎克铰B的近架轴架B通过轴承座B连接于静平台，转动副通过转轴副连接件连接于动平台。

6.根据权利要求5所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述移动副B包括固定安装在虎克铰B的远架轴架B的驱动电机B，所述驱动电机B的输出轴连接有丝杆B，所述丝杆B上螺接有丝杆螺母B，丝杆B的两侧平行设有导杆B，所述导杆B的一端滑动贯穿远架轴架B上的直线轴承B，导杆B的另一端与转动副固定连接，所述丝杆螺母B与导杆B固定连接。

7.根据权利要求2所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述第四运动链包括虎克铰C和移动副C，所述虎克铰C包括远架轴架C和近架轴架C，所述远架轴架C的旋转轴轴线与近架轴架C的旋转轴轴线相互垂直；移动副C的承导件为安装在虎克铰C的远架轴架C上的直线轴承C，移动副C的运动件为导杆C，虎克铰C的近架轴架C通过轴承座C连接于静平台，移动副C通过移动副连接件连接于动平台。

8.根据权利要求7所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述移动副C包括三根相平行的导杆C，所述导杆C一端滑动贯穿远架轴架C上的直线轴承C，导杆C的另一端与移动副连接件固定连接，所述移动副连接件固定在动平台上。

9.根据权利要求1所述的一种五自由度混联艾灸机器人，其特征在于：所述二自由度旋转头位于动平台的前侧，二自由度旋转头包括依次串接的第一转头和第二转头，第一转头的轴线与第二转头的轴线相互垂直，第一转头经由固定安装在动平台的第一旋转电机驱动旋转，第一转头内固定安装有第二旋转电机，第二转头的转轴与第二旋转电机的输出轴之间通过皮带副进行传动。

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