CN111407407A - 一种三自由度串并联远心机构 - Google Patents

一种三自由度串并联远心机构 Download PDF

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CN111407407A CN202010165548.7A CN202010165548A CN111407407A CN 111407407 A CN111407407 A CN 111407407A CN 202010165548 A CN202010165548 A CN 202010165548A CN 111407407 A CN111407407 A CN 111407407A
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牛国君
曲翠翠
樊有龙
董佳
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Abstract

本发明属于医疗器械领域。目的是提供一种三自由度串并联远心机构，该远心机构能够驱动戳卡绕定点运动和驱动手术器械直线运动，并具有较高的刚度、定位精度、稳定性以及较大工作空间。技术方案是：一种三自由度串并联远心机构，其特征在于：该远心机构包括平板形的基座、两组旋转模组、两组第一直线模组、支撑模组、双平行四边形机构、第二直线模组和戳卡；每组第一直线模组的一端通过旋转模组连接基座，另一端连接双平行四边形机构；所述支撑模组包括固定在基座上的第三支撑座以及可转动地定位在第三支撑座上的第三支撑轴；所述第三支撑轴的轴线与基座的板面平行；所述双平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆。

Description

一种三自由度串并联远心机构
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体是一种三自由度串并联远心机构。
背景技术
目前微创手术是医疗技术研究热点，是未来手术发展趋势。微创手术具有诸多优点：例如创伤小、住院时间短、恢复快、术后并发症少。在微创手术的操作过程中，需要在患者的体表皮肤上开出小孔后置入戳卡装置，然后在戳卡装置内运用相应的手术器械(如剪刀、电钩、镊子等)进行手术操作。传统的微创手术中，戳卡装置的定位以及手术器械的操作均是由医护人员人工来完成，该方式存在诸多弊端，例如体表微小切口缩小了手术视野，使得医生的操作自由度减小，医生长时间准确地操作手术器械容易产生疲劳和颤抖，并且医生在频繁更换手术器材或者手术中的动作容易带动戳卡运动，降低操作精度。随着科学技术的发展，机器人医疗辅助技术能够很好的解决这些问题，通过微创机器人对戳卡装置和手术器械进行操作，能够大大提高手术操作的灵活性和操作精度，减少医生的疲劳。
目前达芬奇机器人是世界上商品化和临床化最成功的微创机器人，该机器人采用的开环平行四边形远心机构，依靠钢带同步约束来实现平行四边机构，该机构的缺点是在装配时需要借助装置寻找远心定位点，并且结构刚度较低，影响手术操作精度，且实现绕定点运动机构已申请专利，在此很难突破这一限制，因此研发一种三自由度串并联远心机构解决上述问题，对我国微创机器人领域发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种三自由度串并联远心机构，该远心机构能够驱动戳卡绕定点运动和驱动手术器械直线运动，并具有较高的刚度、定位精度、稳定性以及较大工作空间。
本发明提供的技术方案是：
一种三自由度串并联远心机构，其特征在于：该远心机构包括平板形的基座、两组旋转模组、两组第一直线模组、支撑模组、双平行四边形机构、第二直线模组和戳卡；每组第一直线模组的一端通过旋转模组连接基座，另一端连接双平行四边形机构；
所述支撑模组包括固定在基座上的第三支撑座以及可转动地定位在第三支撑座上的第三支撑轴；所述第三支撑轴的轴线与基座的板面平行；
所述双平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆；其中，所述第一连杆、第二连杆以及第三连杆相互平行；所述第四连杆、第五连杆以及第三支撑轴相互平行；所述第二连杆的中部与第五连杆的中部相铰接，从而在第二连杆和第五连杆的铰接位置处将第二连杆分成上半杆下半杆，同时将第五连杆分成左半杆和右半杆；所述第一连杆、左半杆、下半杆以及第三支撑轴依次首尾铰接；所述上半杆、第四连杆、第三连杆以及右半杆依次首尾铰接；
所述第二直线模组包括固定在第三连杆上的第二滑轨、固定在第二滑轨上的第二电机、与第二电机的电机轴固定连接的第二滚珠丝杠以及与第二滚珠丝杠螺纹配合并可沿第二滑轨运动的第二滑块；所述第二滑块的运动方向与戳卡的轴线方向相平行；
两组旋转模组结构相同且分别安装在双平行四边形机构所在平面的两侧；每组旋转模组均包括固定在基座上的第一支撑座、可转动地定位在第一支撑座上的第一支撑轴、固定套设在支撑轴外部的旋转座、与第一直线模组固定连接的连接套以及固定连接在旋转座与连接套之间的第一十字万向节；所述第一支撑轴的轴线与基座相垂直；
两组第一直线模组结构相同；每组第一直线模组均包括与连接套固定连接的第二支撑座、固定在第二支撑座上的第一电机、与第一电机的电机轴固定连接的第一滚珠丝杠、与第一滚珠丝杠螺纹配合的第一滑块、固定在第一滑块上的第二支撑轴、安装在第二支撑座上并与第一滑块滑动配合以便对第一滑块进行导向的第一滑轨以及一端固定连接第二支撑轴且另一端固定连接在下半杆中部的第二十字万向节。
所述第一十字万向节中的第一转轴与基座的板面平行；所述第一十字万向节中的第二转轴垂直于第一滑块的运动方向。
所述第二十字万向节中的第三转轴与双平行四边形机构的运动平面平行；所述第二十字万向节中的第四转轴垂直于第一滑块的运动方向。
本发明的有益效果是：
1)本发明中两组第一直线模组并联在双平行四边形机构两侧，并且第一直线模组与旋转模组之间通过第一十字万向节相连接，通过两组第一直线模组对双平行四边形机构进行驱动，保证了整体结构设计的合理性；另外，将并联机构和串联机构进行组合，保证了机构具有较高的刚度、定位精度、稳定性以及较大的工作空间。
2)本发明在使用时，手术器械(图中未显示)安装在第二滑块上，并且第二滑块的运动方向与戳卡的轴线方向相平行，当第二电机转动时，通过第二滑块可驱动手术器械沿直线运动进出戳卡。
3)本发明中，第三支撑轴的轴线与戳卡的轴线相交于定点，当两组第一直线模组中的第一电机转动时，通过双平行四边形机构一方面带动戳卡绕第三支撑轴的轴线转动，以及绕双平行四边形机构任意轴转动，从而实现戳卡绕定点运动。
4)本发明可实现两转动一移动三自由度运动，从而对戳卡和手术器械进行精确定位，并且整体结构稳定性好，设计构思合理，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明所述旋转模组和第一直线模组的剖视图。
图3为本发明所述支撑模组的剖视图。
图4为本发明所述第二直线模组的剖视图。
图5是图1中的A部放大结构示意图。
附图标记：
1、基座；2、旋转模组；2-1、第一支撑座；2-2、第一轴承；2-3、第一调整垫片；2-4、第一轴承压板；2-5、第一支撑轴；2-6、第一十字万向节；2-6-1、第一转轴；2-6-2、第二转轴；2-7、连接套；2-8、旋转座；3、第一直线模组；3-1、第二支撑座；3-2、第一电机；3-3、第一过渡法兰；3-4、第二支撑轴；3-5、第一滑块；3-6、第一滚珠丝杠；3-7、第一联轴器；3-8、第一滑轨；3-9、第二十字万向节；3-9-1、第三转轴；3-9-2、第四转轴；4、支撑模组；4-1、第三支撑座；4-2、第三支撑轴；4-3、第二轴承；4-4、第二调整垫片；4-5、第二轴承压板；5、双平行四边形机构；5-1、第一连杆；5-2-1、上半杆；5-2-2、下半杆；5-3、第三连杆；5-4、第四连杆；5-5-1、左半杆；5-5-2、右半杆；6、第二直线模组；6-1、第二电机；6-2、第二过渡法兰；6-3、第二联轴器；6-4、第二滚珠丝杠；6-5、第二滑块；6-6、第二滑轨；7、戳卡。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
如图1所示的三自由度串并联远心机构，包括平板形的基座1、两组旋转模组2、两组第一直线模组3、支撑模组4、双平行四边形机构5、第二直线模组6和戳卡7。每组第一直线模组的一端通过旋转模组连接基座，另一端连接双平行四边形机构。
如图3所示，所述支撑模组包括第三支撑座4-1、第三支撑轴4-2、第二轴承4-3、第二调整垫片4-4和第二轴承压板4-5。所述第三支撑座通过螺栓固定在基座上；所述第三支撑轴通过第二轴承可转动地定位在第三支撑座上；所述第二轴承压板通过螺钉固定在第三支撑座上，以便对轴承内外圈进行预紧；所述第二轴承压板和第三支撑座之间安装有所述第二调整垫片。所述第三支撑轴的轴线与基座的板面平行。
如图1所示，所述双平行四边形机构包括第一连杆5-1、第二连杆5-2、第三连杆5-3、第四连杆5-4和第五连杆5-5；其中，所述第一连杆、第二连杆以及第三连杆相互平行；所述第四连杆、第五连杆以及第三支撑轴相互平行；所述第二连杆的中部与第五连杆的中部相铰接，从而在第二连杆和第五连杆的铰接位置处将第二连杆分成上半杆5-2-1和下半杆5-2-2，同时将第五连杆分成左半杆5-5-1和右半杆5-5-2；所述第一连杆、左半杆、下半杆以及第三支撑轴依次首尾铰接；所述上半杆、第四连杆、第三连杆以及右半杆依次首尾铰接。
如图4所示，所述第二直线模组包括第二滑轨6-6、第二过渡法兰6-2、第二电机6-1、第二联轴器6-3、第二滚珠丝杠6-4和第二滑块6-5。所述第二滑轨固定在第三连杆上；所述第二电机通过第二过渡法兰固定在第二滑轨上；所述第二滚珠丝杠通过第二联轴器与第二电机的电机轴固定连接；所述第二滑块与第二滚珠丝杠螺纹配合并且第二滑块可沿第二滑轨运动；所述第二滑块的运动方向与戳卡的轴线方向相平行。本发明在使用时，将手术器械安装在第二滑块上并与戳卡位置相对应(图中手术器械未显示)，当第二电机驱动第二滚珠丝杠转动时，手术器械通过第二滑块沿直线运动进出戳卡。
如图1、图2所示，两组旋转模组结构相同且分别安装在双平行四边形机构所在平面的两侧；每组旋转模组均包括第一支撑座2-1、第一轴承2-2、第一支撑轴2-5、第一调整垫片2-3、第一轴承压板2-4、旋转座2-8、连接套2-7和第一十字万向节2-6。所述第一支撑座通过螺栓固定在基座上；所述第一支撑轴通过第一轴承可转动地定位在第一支撑座上；第一支撑轴的轴线与基座相垂直。所述第一轴承压板通过螺钉固定在第一支撑座上，以便对轴承内外圈进行预紧；所述第一轴承压板和第一支撑座之间安装有所述第一调整垫片。所述旋转座固定套设在支撑轴外部；所述连接套与第一直线模组固定连接；所述第一十字万向节固定连接在旋转座与连接套之间。
如图1、图2所示，两组第一直线模组用于驱动双平行四边形机构运动。两组第一直线模组结构相同；每组第一直线模组均包括第二支撑座3-1、第一过渡法兰3-3、第一电机3-2、第一联轴器3-7、第一滚珠丝杠3-6、第一滑块3-5、第二支撑轴3-4、第一滑轨3-8和第二十字万向节3-9。所述第二支撑座与连接套固定连接；所述第一电机通过第一过渡法兰固定在第二支撑座上；所述第一滚珠丝杠通过第一联轴器与第一电机的电机轴固定连接；所述第一滑块与第一滚珠丝杠螺纹配合；所述第二支撑轴固定在第一滑块上；所述第一滑轨安装在第二支撑座上并与第一滑块滑动配合，以便对第一滑块进行导向；所述第二十字万向节一端固定连接第二支撑轴且另一端固定连接在下半杆中部。
如图1所示，所述第一十字万向节中的第一转轴2-6-1与基座的板面平行；所述第一十字万向节中的第二转轴2-6-2垂直于第一滑块的运动方向。所述第二十字万向节中的第四转轴3-9-2垂直于第一滑块的运动方向；所述第二十字万向节中的第三转轴3-9-1与双平行四边形机构的运动平面(即双平行四边形机构运动时，与该机构中任一点的运动轨迹相交的平面)平行。由图1还可知：两组第一直线模组3各通过一个第二十字万向节连接在中间轴3-9-3的两端(中间轴与第二连杆的下半杆5-2-2固定且中间轴的轴线与双平行四边形机构的运动平面垂直)；其中，第二十字万向节中的第三转轴3-9-1轴线与中间轴的轴线垂直。
本发明的工作原理如下：
第三支撑轴的轴线与戳卡的轴线相交于定点P。当两组第一直线模组中的第一电机转动时，通过双平行四边形机构一方面带动戳卡绕第三支撑轴的轴线转动，以及绕双平行四边形机构任意轴转动，从而实现戳卡绕定点运动；当第二电机转动时，驱动固定在第二滑块上的手术器械沿直线运动进出戳卡，从而使本发明的远心机构可实现两转动一移动三自由度运动。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种三自由度串并联远心机构，其特征在于：该远心机构包括平板形的基座(1)、两组旋转模组(2)、两组第一直线模组(3)、支撑模组(4)、双平行四边形机构(5)、第二直线模组(6)和戳卡(7)；每组第一直线模组的一端通过旋转模组连接基座，另一端连接双平行四边形机构；
所述支撑模组包括固定在基座上的第三支撑座(4-1)以及可转动地定位在第三支撑座上的第三支撑轴(4-2)；所述第三支撑轴的轴线与基座的板面平行；
所述双平行四边形机构包括第一连杆(5-1)、第二连杆(5-2)、第三连杆(5-3)、第四连杆(5-4)和第五连杆(5-5)；其中，所述第一连杆、第二连杆以及第三连杆相互平行；所述第四连杆、第五连杆以及第三支撑轴相互平行；所述第二连杆的中部与第五连杆的中部相铰接，从而在第二连杆和第五连杆的铰接位置处将第二连杆分成上半杆(5-2-1)和下半杆(5-2-2)，同时将第五连杆分成左半杆(5-5-1)和右半杆(5-5-2)；所述第一连杆、左半杆、下半杆以及第三支撑轴依次首尾铰接；所述上半杆、第四连杆、第三连杆以及右半杆依次首尾铰接；
所述第二直线模组包括固定在第三连杆上的第二滑轨(6-6)、固定在第二滑轨上的第二电机(6-1)、与第二电机的电机轴固定连接的第二滚珠丝杠(6-4)以及与第二滚珠丝杠螺纹配合并可沿第二滑轨运动的第二滑块(6-5)；所述第二滑块的运动方向与戳卡的轴线方向相平行；
两组旋转模组结构相同且分别安装在双平行四边形机构所在平面的两侧；每组旋转模组均包括固定在基座上的第一支撑座(2-1)、可转动地定位在第一支撑座上的第一支撑轴(2-5)、固定套设在支撑轴外部的旋转座(2-8)、与第一直线模组固定连接的连接套(2-7)以及固定连接在旋转座与连接套之间的第一十字万向节(2-6)；所述第一支撑轴的轴线与基座相垂直；
两组第一直线模组结构相同；每组第一直线模组均包括与连接套固定连接的第二支撑座(3-1)、固定在第二支撑座上的第一电机(3-2)、与第一电机的电机轴固定连接的第一滚珠丝杠(3-6)、与第一滚珠丝杠螺纹配合的第一滑块(3-5)、固定在第一滑块上的第二支撑轴(3-4)、安装在第二支撑座上并与第一滑块滑动配合以便对第一滑块进行导向的第一滑轨(3-8)以及一端固定连接第二支撑轴且另一端固定连接在下半杆中部的第二十字万向节(3-9)。
2.根据权利要求1所述的三自由度串并联远心机构，其特征在于：所述第一十字万向节中的第一转轴(2-6-1)与基座的板面平行；所述第一十字万向节中的第二转轴(2-6-2)垂直于第一滑块的运动方向。
3.根据权利要求2所述的三自由度串并联远心机构，其特征在于：所述第二十字万向节中的第三转轴(3-9-1)与双平行四边形机构的运动平面平行；所述第二十字万向节中的第四转轴(3-9-2)垂直于第一滑块的运动方向。
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