CN113116568B - 一种混联牙科手术机器人构型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混联牙科手术机器人构型，包括直线运动副，机械臂系统以及丝杠模组；所述机械臂系统是具有三自由度的杆件结构，根据定位信息，所述直线运动副实现机器人末端水平方向上的移动，所述机械臂系统实现机器人末端空间上的移动，所述丝杠模组实现机器人末端直线方向上的移动，从而使得机器人末端具有三自由度。本发明中的机械臂系统通过由电机构成的旋转副实现整体上360度的旋转，且在机械臂关节处直流无刷电机，实现机器人末端对作业范围内任意一点的矢量移动。本发明混联牙科手术机器人构型可根据控制定位信息，在主动件驱动下，实现在作业范围内的定点运动，使牙科手术机器人能够完成种牙工作。
Description
技术领域
本发明专利属于牙科医疗器械，具体为一种新型的牙科手术机器人构型设计。
背景技术
医用机器人技术是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机科学以及机器人学等多学科为一体的新型交叉技术，能够从视觉、触觉和听觉方面为医生决策和操作提供充分的支持，扩展医生的操作技能，提高疾病的诊断与治疗质量。医用机器人技术的应用使临床医学进入了一个全新的时代，大量的临床研究已证实其在诊断、手术治疗、术后康复及家庭护理等领域具有巨大的优势与先进性。我国手术机器人的相关研究始于20世纪90年代中期。在我国各类科技计划项目的支持下，手术机器人的研发分别在神经外科、骨科、心血管外科及泌尿外科等领域取得了重要的突破。
目前国内的口腔种植领域主要为手工种植牙方法，这种方法全凭医生手术经验，对医生的专业水平要求较高。此外由于口腔空间狭小，视区狭窄，医生手动操作会产生一定人为误差。在种植牙手术的过程中，由于种植体只能按照种植窝洞的位置和角度进行植入，因此该手术成功的关键在于制备在颌骨中窝洞的精准性。如何精确地植入种植体，同时获得手术的安全性，又保证术后的可修复性已成为当下热门的研究方向。口腔种植体植入动作精度至关重要，不仅会影响最终修复体的效果，其偏差有可能造成周围重要解剖结构的损伤。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出一种混联牙科手术机器人构型设计，其具有高精度、高灵活性的特点，适配目前牙科手术方面的要求。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种混联牙科手术机器人构型，包括直线运动副，机械臂系统以及丝杠模组；所述机械臂系统是具有三自由度的杆件结构，根据定位信息，所述直线运动副实现机器人末端水平方向上的移动，所述机械臂系统实现机器人末端空间上的移动，所述丝杠模组实现机器人末端直线方向上的移动，从而使得机器人末端具有三自由度。
进一步讲，本发明所述的混联牙科手术机器人构型，其中：
所述直线运动副包括相互平行的两条导轨，与所述两条导轨配合的滑块、由第一伺服电机驱动的第一丝杠，所述第一丝杠与所述两条导轨平行，第一丝杠上装配有第一丝杠螺母，第一丝杠螺母座与所述滑块固定，所述滑块上固连有电机架，所述电机架上安装有第二伺服电机，所述第二伺服电机构成旋转副，用于驱动机械臂系统在平面内旋转角度。
所述机械臂系统包括机架及起驱动作用的三个电机以及与三个电机连接的杆件结构，所述三个电机分别是第三伺服电机和第四伺服电机和直流无刷电机，所述杆件结构包括通过转动副与机架相连的第一主动杆和第二主动杆，所述的第一主动杆通过所述的直流无刷电机与第三主动杆的一端相连，所述第二主动杆通过转动副与从动杆的一端相连。
所述丝杠模组包括第二丝杠，所述第二丝杠的两端分别与第三主动杆另一端和从动杆另一端相连，所述第二丝杠上装配有由一电机驱动的第二丝杠螺母，机器人末端固定在所述第二丝杠螺母上。
本发明中，所述机械臂系统通过第二伺服电机的旋转副实现整体上360度的旋转，所述的第一主动杆和第三主动杆之间的转动副为机械臂关节处，所述的直流无刷电机固定在该机械臂关节处，实现机器人末端对作业范围内任意一点的矢量移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过滑块滑轨机构，节约了水平转运机构所需要的机构尺寸空间。并且创新型地采用了混联结构以及三自由度六杆的机械臂设计，并使用两组丝杠传动，在传统牙科手术机器人的基础上提高了精确性和灵活性。
附图说明
图1是本发明混联牙科手术机器人构型的主视图；
图2是图1所示混联牙科手术机器人构型的侧视图；
图3是图1所示混联牙科手术机器人构型的立体图。
图中：图中：1-导轨，2-第一伺服电机，3-第一丝杠，4-滑块，5-第二伺服电机，6-第三伺服电机，7-第四伺服电机，8-第一主动杆，9-直流无刷电机，10-第二主动杆，11-从动杆，12-第三主动杆，13-第二丝杠，14-电机，15-机器人末端。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明提出的一种混联牙科手术机器人构型的设计构思是：为了实现机器人结构整体平动，本发明采用丝杠传动机构，通过在两个导轨上安装滑块，在滑块上设置电机架，其上布置电机，该电机与后续机械臂等结构连接，并通过在双导轨中间设置电机及丝杠从而在电机驱动丝杠运动下，该机构实现了直线方向上的平动。为了实现末端结构在空间当中的定点移动，本发明中采用由三个伺服电机驱动机械臂运动，机械臂系统具有三个自由度的杆件结构，机械臂整体的三自由度六杆结构实现了机械臂在空间当中的矢量移动，具有使用方便、精确度高、灵活性强的特点。通过改变杆件之间的夹角改变机构在空间中的位置。为了实现机器人末端在直线方向上平动，本发明采用丝杠模组直接连接末端，通过丝杠螺母(即滑块)带动末端结构平动。采用丝杠传动机构驱动比起齿轮齿条等传动方式更加精确，也更加便于管理和控制。
下面将结合示意图对本发明的的混联牙科手术机器人设计进行更详细的描述，在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本发明技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，本发明提出的混联牙科手术机器人构型，其结构是：该混联牙科手术机器人构型包括直线运动副，机械臂系统以及丝杠模组；所述机械臂系统是具有三自由度的杆件结构，根据定位信息，所述直线运动副实现机器人末端水平方向上的移动，所述机械臂系统实现机器人末端空间上的移动，所述丝杠模组实现机器人末端直线方向上的移动，从而使得机器人末端具有三自由度。
本发明中，所述直线运动副包括相互平行的两条导轨1，与所述两条导轨1配合的滑块4、由第一伺服电机2驱动的第一丝杠3，所述第一丝杠3与所述两条导轨1平行，第一丝杠3上装配有第一丝杠螺母，第一丝杠螺母座与所述滑块4固定，所述滑块4上固连有电机架，所述电机架上安装有第二伺服电机5，所述第二伺服电机5构成旋转副，用于驱动机械臂系统在平面内旋转角度。
所述机械臂系统包括机架及起驱动作用的三个电机以及与三个电机连接的杆件结构，所述三个电机分别是第三伺服电机6和第四伺服电机7和直流无刷电机9，所述杆件结构包括通过转动副与机架相连的第一主动杆8和第二主动杆10，所述的第一主动杆8通过所述的直流无刷电机9与第三主动杆12的一端相连，所述第二主动杆10通过转动副与从动杆11的一端相连。
所述丝杠模组包括第二丝杠13，所述第二丝杠13的两端分别与第三主动杆12另一端和从动杆11另一端相连，所述第二丝杠1上装配有由一电机14驱动的第二丝杠螺母，机器人末端15固定在所述第二丝杠螺母上。
所述机械臂系统通过第二伺服电机5的旋转副实现整体上360度的旋转，所述的第一主动杆8和第三主动杆12之间的转动副为机械臂关节处，所述的直流无刷电机9固定在该机械臂关节处，实现机器人末端对作业范围内任意一点的矢量移动。
本发明所述的混联牙科手术机器人构型的运动如下：
第一伺服电机2通过驱动第一丝杠3使第一丝杠螺母在直线方向上移动，第一丝杠螺母座(即滑块)与电机架固连，同时双导轨1给予几何约束，确保整个机构得以沿第一丝杠1直线方向上运动。电机架上的第二伺服电机5构成旋转副，用以驱动后续机构在平面内旋转角度。第三伺服电机6和第四伺服电机7设置在一机架上，上述旋转副与机架相连，第三伺服电机6和第四伺服电机7分别驱动第一主动杆8和第二主动杆10转动，所述第二主动杆10通过转动副连接有从动杆11，同时在关节处(即第一主动杆8与第三主动杆12的转动连接点)设置直流无刷电机9，带动第三主动杆12转动，从而带动从动杆11以及从动件丝杠模组转动。丝杠模组中的第二丝杠螺母受到电机14的驱动沿直线方向上运动，带动固连在其上的机器人末端15沿第二丝杠13方向上做直线运动，其他三自由度变种同时也包括在次类构型中，例如，可以只保留其中的第一主动杆8和第二主动杆10的电机(即第三伺服电机6和第四伺服电机7)，将第二主动杆10与从动杆11简化为单杆连接的双电机五杆结构，或只保留第一主动杆8的电机(即第三伺服电机6)的单电机四杆结构以及将直流无刷电机9更换到第二主动杆10与从动杆11之间的连接处或是其它连接处的结构。
综上，本发明提出的一种新型的牙科手术机器人构型可根据控制定位信息，在主动件驱动下，实现在作业范围内的定点运动，使牙科手术机器人能够完成种牙工作。
Claims (3)
1.一种混联牙科手术机器人构型，包括直线运动副，机械臂系统以及丝杠模组；其特征在于，所述机械臂系统是具有三自由度的杆件结构，根据定位信息，所述直线运动副实现机器人末端水平方向上的移动，所述机械臂系统实现机器人末端空间上的移动，所述丝杠模组实现机器人末端直线方向上的移动，从而使得机器人末端具有三自由度；
所述直线运动副包括相互平行的两条导轨(1)，与所述两条导轨(1)配合的滑块(4)、由第一伺服电机(2)驱动的第一丝杠(3)，所述第一丝杠(3)与所述两条导轨(1)平行，第一丝杠(3)上装配有第一丝杠螺母，第一丝杠螺母座与所述滑块(4)固定，所述滑块(4)上固连有电机架，所述电机架上安装有第二伺服电机(5)，所述第二伺服电机(5)构成旋转副，用于驱动机械臂系统在平面内旋转角度；
所述机械臂系统包括机架及起驱动作用的三个电机以及与三个电机连接的杆件结构，所述三个电机分别是第三伺服电机(6)和第四伺服电机(7)和直流无刷电机(9)，所述杆件结构包括通过转动副与机架相连的第一主动杆(8)和第二主动杆(10)，所述的第一主动杆(8)通过所述的直流无刷电机(9)与第三主动杆(12)的一端相连，所述第二主动杆(10)通过转动副与从动杆(11)的一端相连。
2.根据权利要求1所述的混联牙科手术机器人构型，其特征在于，所述丝杠模组包括第二丝杠(13)，所述第二丝杠(13)的两端分别与第三主动杆(12)另一端和从动杆(11)另一端相连，所述第二丝杠(13 )上装配有由一电机(14)驱动的第二丝杠螺母，机器人末端(15)固定在所述第二丝杠螺母上。
3.根据权利要求2所述的混联牙科手术机器人构型，其特征在于，所述机械臂系统通过第二伺服电机(5)的旋转副实现整体上360度的旋转，所述的第一主动杆(8)和第三主动杆(12)之间的转动副为机械臂关节处，所述的直流无刷电机(9)固定在该机械臂关节处，实现机器人末端对作业范围内任意一点的矢量移动。
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