CN113598953A - 一种可用于微创手术的四自由度远中心机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域。目的是提供一种可用于微创手术的四自由度远中心机构，该机构应具有结构简单、传动特性好的特点。技术方案是：一种可用于微创手术的四自由度远中心机构，包括机架、第一连杆、第一滑块、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第二滑块、第五连杆、第六连杆、安装座和手术器械；第一连杆通过第一转动副连接在机架上；定位在第一连杆上的第一滑块与第一连杆组成第一移动副；第二连杆通过第二转动副与第一连杆连接，第三连杆通过第三转动副与第一滑块连接，第四连杆通过第四转动副与第一滑块连接，定位在第二连杆上的第二滑块与第二连杆组成第二移动副；第五连杆的中部、第二滑块与第三连杆通过复合转动副连接。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是一种可用于微创手术的四自由度远中心机构。
背景技术
微创手术是指在患者体表开一个微小的创口，通过该创口将手术器械伸入患者体内进行操作的手术，具有创伤小、恢复快等优势。微创手术对医生技术要求高，长时间手术容易产生疲劳、误操作等问题，而机器人操作精度高、不会感觉疲劳，是执行微创手术的很好选择。采用机器人执行微创手术的过程中，手术器械必须始终通过创口点，需要执行绕创口点的三个转动运动和通过创口点的一个移动运动以完成操作，且创口点必须远离机器人本体以避免干涉。因此，需要机器人的机构本体具有四个自由度。
微创手术过程中，手术器械需要绕远离机器人本体的创口点转动，即执行远中心运动。为实现远中心运动，一种方法是通过控制算法实现，但控制算法一旦失效，将会带来医疗事故等严重后果。另一种是通过机构设计使得手术器械受到机械结构的限制，只能执行远中心运动。这种方法非常可靠，但需要具有四个自由度的远中心机构。目前提出的一些远中心机构(CN106863263B，CN105997251B)结构复杂、传动特性不佳，限制了其在微创手术中的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服背景技术存在的不足，提供一种可用于微创手术的四自由度远中心机构，该机构应具有结构简单、传动特性好的特点。
本发明的技术方案是：
一种可用于微创手术的四自由度远中心机构，包括机架、第一连杆、第一滑块、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第二滑块、第五连杆、第六连杆、安装座和手术器械；
第一连杆通过第一转动副连接在机架上；定位在第一连杆上的第一滑块与第一连杆组成第一移动副；第二连杆通过第二转动副与第一连杆连接，第三连杆通过第三转动副与第一滑块连接，第四连杆通过第四转动副与第一滑块连接，定位在第二连杆上的第二滑块与第二连杆组成第二移动副；第五连杆的中部、第二滑块与第三连杆通过复合转动副连接；第五连杆的一端通过第六转动副与第四连杆连接，第六连杆的一端通过第七转动副与第二滑块连接；安装座的下部通过第八转动副与第五连杆的另一端连接，安装座的中部通过第九转动副与第六连杆的另一端连接；手术器械通过第十转动副连接在安装座的上部；
以上机构中，除了第一转动副、第十转动副外，其余所有的转动副的转动轴线相互平行，且垂直于第一转动副的转动轴线与第十转动副的转动轴线；
以上机构中：第三连杆平行于第四连杆，且BCED是平行四边形；第五连杆与第六连杆平行于第一连杆，且DFHG是平行四边形，ADGO是平行四边形；
其中：A为第二转动副的转动中心，B为第三转动副的转动中心、C为第四转动副的转动中心、D为复合转动副的转动中心、E为第六转动副的转动中心、F为第七转动副的转动中心、G为第八转动副的转动中心、H为第九转动副的转动中心，O为机架上的固定点。
所述第十转动副的转动轴线过第八转动副的转动中心G和第九转动副的转动中心H，且和第一转动副R1的转动轴线相交于机架上的固定点O。
所述第一转动副、第一移动副、第二移动副以及第十转动副为驱动副。
各转动副的驱动方式可采用伺服电机加减速器的组合。
各移动副的驱动方式可采用伺服电机加滚珠丝杠的组合。
本发明的有益效果是：本发明提出的机构可以实现绕固定点的三自由度转动运动以及通过固定点的一自由度移动运动，具有结构简单紧凑、传动特性好、精度高等优点，适用于微创手术领域。
附图说明
图1为本发明实施例的主视结构示意图。
图2为本发明实施例的几何条件示意图。
图中有：机架1、第一连杆2、第一滑块3、第二连杆4、第三连杆5、第四连杆6、第二滑块7、第五连杆8、第六连杆9、安装座10、手术器械11、第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3、第四转动副R4、复合转动副R5、第六转动副R6、第七转动副R7、第八转动副R8、第九转动副R9、第十转动副R10、第一移动副T1、第二移动副T2、固定点O、第二转动副R2的转动中心A、第三转动副R3的转动中心B、第四转动副R4的转动中心C、复合转动副R5的转动中心D、第六转动副R6的转动中心E、第七转动副R7的转动中心F、第八转动副R8的转动中心G、第九转动副R9的转动中心H。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。
如图所示的可用于微创手术的四自由度远中心机构，包括机架1、第一连杆2、第一滑块3、第二连杆4、第三连杆5、第四连杆6、第二滑块7、第五连杆8、第六连杆9、安装座10和手术器械11。
参见图1；第一连杆2通过第一转动副R1连接在机架1上；第一滑块3定位在第一连杆上，且第一滑块3与第一连杆组成第一移动副T1。第二连杆4通过第二转动副R2与第一连杆2连接，第三连杆5通过第三转动副R3与第一滑块3连接，第四连杆6通过第四转动副R4与第一滑块3连接。第二滑块7定位在第二连杆上，且第二滑块7与第二连杆组成第二移动副T2。第五连杆8的中部、第二滑块7和第三连杆5通过复合转动副R5连接(由图可知：第五连杆8制作有左端、中部以及右端共三个转动副连接点)。第五连杆8的右端通过第六转动副R6与第四连杆6连接。第六连杆9的右端通过第七转动副R7与第二滑块7连接。安装座10的下部通过第八转动副R8与第五连杆8的左端连接，安装座的中部通过第九转动副R9与第六连杆9的左端连接。手术器械11通过第十转动副R10连接在安装座10上，第十转动副R10配设在安装座的上部。
以上机构中，除了第一转动副R1、第十转动副R10外，其余所有的转动副的转动轴线相互平行，且垂直于第一转动副R1的转动轴线与第十转动副R10的转动轴线。
以上机构具有如下几何条件：第三连杆5平行于第四连杆6，且BCED是平行四边形；第五连杆8与第六连杆9平行于第一连杆2，且DFHG是平行四边形，ADGO是平行四边形。
以上机构在运动过程中，手术器械11始终平行于第二连杆4；第十转动副R10的转动轴线过第八转动副的转动中心G和第九转动副的转动中心H，且和第一转动副R1的转动轴线相交于机架上的固定点O。
本实施例中，可选取第一转动副R1、第一移动副T1、第二移动副T2和第十转动副R10为驱动副。转动副的驱动方式可采用伺服电机加减速器的组合，移动副的驱动方式可采用伺服电机加滚珠丝杠的组合。通过伺服电机驱动，手术器械可实现绕固定点O的三个转动运动和通过固定点O沿手术器械自身轴线方向的移动运动。
Claims (5)
1.一种可用于微创手术的四自由度远中心机构，其特征在于：该机构包括机架(1)、第一连杆(2)、第一滑块(3)、第二连杆(4)、第三连杆(5)、第四连杆(6)、第二滑块(7)、第五连杆(8)、第六连杆(9)、安装座(10)和手术器械(11)；
第一连杆通过第一转动副(R1)连接在机架上；定位在第一连杆上的第一滑块与第一连杆组成第一移动副(T1)；第二连杆通过第二转动副(R2)与第一连杆连接，第三连杆通过第三转动副(R3)与第一滑块连接，第四连杆通过第四转动副(R4)与第一滑块连接，定位在第二连杆上的第二滑块与第二连杆组成第二移动副(T2)；第五连杆的中部、第二滑块与第三连杆通过复合转动副(R5)连接；第五连杆的一端通过第六转动副(R6)与第四连杆连接，第六连杆的一端通过第七转动副(R7)与第二滑块连接；安装座的下部通过第八转动副(R8)与第五连杆的另一端连接，安装座的中部通过第九转动副(R9)与第六连杆的另一端连接；手术器械通过第十转动副(R10)连接在安装座的上部；
以上机构中，除了第一转动副、第十转动副外，其余所有的转动副的转动轴线相互平行，且垂直于第一转动副的转动轴线与第十转动副的转动轴线；
以上机构中：第三连杆平行于第四连杆，且BCED是平行四边形；第五连杆、第六连杆以及第一连杆相互平行，且DFHG是平行四边形，ADGO是平行四边形；
其中：A为第二转动副的转动中心，B为第三转动副的转动中心、C为第四转动副的转动中心、D为复合转动副的转动中心、E为第六转动副的转动中心、F为第七转动副的转动中心、G为第八转动副的转动中心、H为第九转动副的转动中心，O为机架上的固定点。
2.根据权利要求1所述的可用于微创手术的四自由度远中心机构，其特征在于：所述第十转动副的转动轴线过第八转动副的转动中心和第九转动副的转动中心，且和第一转动副R1的转动轴线相交于机架上的固定点O。
3.根据权利要求2所述的可用于微创手术的四自由度远中心机构，其特征在于：所述第一转动副、第一移动副、第二移动副以及第十转动副为驱动副。
4.根据权利要求3所述的可用于微创手术的四自由度远中心机构，其特征在于：各转动副的驱动方式可采用伺服电机加减速器的组合。
5.根据权利要求3所述的可用于微创手术的四自由度远中心机构，其特征在于：各移动副的驱动方式可采用伺服电机加滚珠丝杠的组合。
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