CN114505846B - 一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，包括机械臂定位调姿机构和机械臂末端调姿机构，其中机械臂末端调姿机构包括关节连接板、末端移动关节和末端调姿关节，所述关节连接板安装于所述机械臂定位调姿机构末端，所述末端移动关节包括移动驱动装置、关节架体和移动传动组件，所述关节架体与所述关节连接板滑动连接并通过所述移动驱动装置驱动移动，并且所述移动驱动装置通过所述移动传动组件传递转矩，所述关节架体下端设有末端调姿关节，且所述末端调姿关节与末端设备连接。本发明通过自由度的合理配置以及通过添加冗余自由度实现了机械臂大空间范围调姿运动，同时还可以在确定末端设备中心的条件下实现设备调整，从而实现定位调姿。

Description

一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，具体地说是一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂。

背景技术

X射线成像、血管造影机、放射线治疗等医疗装备是现代医学中的常规诊断治疗装备，这些装备都包括发射设备和探测设备，并且现有这些医疗装备机构形式大多是复合一体结构，可保证设备简单可靠，但这也导致其缺少灵活度等问题。另外在临床治疗中经常需要对发射设备或者探测设备进行大范围的移动并进行灵活的姿态调整，并且由于人体各个组织器官位置不同，某些检测设备在确定设备中心的条件下还需要实时调整检测点的位置和高度，例如用于DSA造影的限束器控制X射线管输出射线的照射视野，以便在能够满足X射线成像和诊断的前提下减少不必要的剂量，但视野范围需要实时调整以针对不同的检测位置，现有技术中的医疗仪器设备吊挂和托举装置都难以满足上述要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，本发明通过自由度的合理配置以及通过添加冗余自由度实现了机械臂大空间范围调姿运动，同时还可以在确定末端设备中心的条件下实现设备调整，从而实现定位调姿。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，包括机械臂定位调姿机构和机械臂末端调姿机构，其中机械臂末端调姿机构包括关节连接板、末端移动关节和末端调姿关节，所述关节连接板安装于所述机械臂定位调姿机构末端，所述末端移动关节包括移动驱动装置、关节架体和移动传动组件，所述关节架体与所述关节连接板滑动连接并通过所述移动驱动装置驱动移动，并且所述移动驱动装置通过所述移动传动组件传递转矩，所述关节架体下端设有末端调姿关节，且所述末端调姿关节与末端设备连接。

所述机械臂定位调姿机构包括机械臂定位组件和调姿关节组件，其中机械臂定位组件设有移动座，调姿关节组件上端固装于所述移动座上、下端与所述关节连接板固连。

所述机械臂定位组件包括架体、X向移动机构和Y向移动机构，其中所述架体内设有移动架，且所述移动架通过所述X向移动机构驱动沿着X向移动，所述移动架内设有所述移动座，且所述移动座通过所述Y向移动机构驱动沿着Y向移动。

所述架体包括两侧的侧梁，且所述移动架两端分别与对应侧的侧梁滑动连接，所述X向移动机构包括X向驱动装置、X向齿轮和X向齿条，其中X向驱动装置设于所述移动架一侧，X向齿条设于与X向驱动装置同侧的侧梁上，X向齿轮安装于X向驱动装置的输出轴上并与所述X向齿条啮合。

所述移动架包括前后两侧的支撑梁，且所述移动座两端分别与对应侧的支撑梁滑动连接，所述Y向移动机构包括Y向驱动装置、Y向齿轮和Y向齿条，其中Y向驱动装置设于所述移动座一侧，Y向齿条设于与所述Y向驱动装置同侧的支撑梁上，Y向齿轮安装于Y向驱动装置的输出轴上并与所述Y向齿条啮合。

所述架体上设有X向拖链和Y向拖链；所述架体上侧设有顶板。

所述移动驱动装置固装于所述关节连接板上，所述关节架体中部设有开槽，且所述移动驱动装置置于所述开槽中，所述移动传动组件包括齿轮和齿条，其中所述齿条设于所述关节架体上，所述齿轮安装于所述移动驱动装置的输出轴上并与所述齿条啮合。

所述关节连接板上设有限位安装座，且所述齿轮设于所述限位安装座中，所述移动驱动装置前端安装于所述限位安装座上，所述关节连接板上设有滑块，所述关节架体上设有与所述滑块配合的滑轨，且所述滑块、滑轨、齿条均设于关节连接板和关节架体的间隙中。

所述调姿关节组件包括多个依次垂直连接的调姿关节。

所述末端调姿关节包括旋转驱动装置、旋转驱动齿轮组和设备连接板，其中所述关节架体下端设有连接座，所述连接座上设有安装座，所述旋转驱动装置设于所述安装座上，所述旋转驱动齿轮组包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，其中所述主动齿轮设于所述安装座中并安装于所述旋转驱动装置的输出轴上，所述从动齿轮转动安装于所述连接座的底板上，且所述从动齿轮的下端与所述设备连接板固连，末端设备安装于所述设备连接板上。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明整体采用多自由度组合构型，并通过自由度的合理配置以及通过添加冗余自由度实现了机械臂大空间范围调姿运动功能，适用于实现医疗仪器设备的吊挂和托举等功能，如搭载X射线成像、DSA造影、放射治疗等设备以实现大的工作空间调整。

2、本发明可以在确定末端设备中心的条件下实现姿态调整，即通过末端移动关节和末端调姿关节单独控制末端设备负载，进而可以保证机械臂处于当前姿态、保持末端中心不变且其余各关节不动的情况下调整末端设备位姿，而末端中心位置则可以通过机械臂定位调姿机构进行调整，控制方便同时也提高操作效率。

3、本发明传动机构紧凑，具有较高的集成度，这使得本发明整机结构紧凑，并且尺寸优化、质量优化，能满足移动平台内的使用需求。

4、本发明整体构型组合在设计上实现了位姿解耦，易于机械臂在笛卡尔空间下的位置和姿态控制，能够实现可靠稳定的定位运动。

5、本发明机械臂定位调姿机构中的机械臂定位组件、调姿关节组件等机构可以根据实际需要选择合适的自由度构型组合，设计更为灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中的机械臂定位组件和机械臂末端调姿机构示意图，

图3为图2中机械臂定位组件的结构示意图，

图4为图2中机械臂定位组件的另一角度结构示意图，

图5为图2中机械臂定位组件的又一角度结构示意图，

图6为图1中机械臂末端调姿机构的结构示意图，

图7为图6中的调姿关节组件结构示意图，

图8为图6中的末端移动关节结构示意图，

图9为图8中的末端移动关节另一角度结构示意图，

图10为图6中的末端调姿关节结构示意图。

其中，10为顶板，11为机械臂定位组件，111为X向移动机构，1111为X向驱动装置，1112为X向齿轮，1113为X向齿条，1114为X向滑轨，112为Y向移动机构，1121为Y向驱动装置，1122为Y向齿轮，1123为Y向齿条，1124为Y向滑轨，113为X向拖链，114为Y向拖链，115为架体，1151为侧梁，1152为移动架，116为移动座，12为机械臂末端调姿机构，121为关节连接板，1211为限位安装座，122为末端移动关节，1221为移动驱动装置，1222为齿轮，1223为滑块，1224齿条，1225为关节架体，1226为关节拖链，1227为连接座，1228为关节连接板，1229为限位安装座，123为末端调姿关节，1231为旋转驱动装置，1232为安装座，1233为旋转驱动齿轮组，1234为末端设备，1235为设备连接板，13为调姿关节组件，131为第一调姿关节，132为第二调姿关节，133为第三调姿关节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～10所示，本发明包括机械臂定位调姿机构和机械臂末端调姿机构12，其中如图2和图8～9所示，所述机械臂末端调姿机构12包括关节连接板121、末端移动关节122和末端调姿关节123，所述关节连接板121安装于所述机械臂定位调姿机构末端，所述末端移动关节122包括移动驱动装置1221、关节架体1225和移动传动组件，所述关节架体1225与所述关节连接板121滑动连接并通过所述移动驱动装置1221驱动移动，并且所述移动驱动装置1221通过所述移动传动组件传递转矩，所述关节架体1225下端设有末端调姿关节123，且所述末端调姿关节123与末端设备1234连接，所述末端设备1234可为X射线成像或DSA造影等医疗装备或检测设备，其为本领域公知技术。本发明工作时，所述机械臂定位调姿机构可实现机械臂末端调姿机构12连同末端设备1234的大范围位置调整和姿态调整，而所述末端移动关节122可在机械臂末端定心情况下调整本发明机械臂末端的伸出长度，末端调姿关节123可在机械臂末端定心情况下调整末端设备1234角度。

如图1～2所示，所述机械臂定位调姿机构包括机械臂定位组件11和调姿关节组件13，其中机械臂定位组件11设有移动座116，调姿关节组件13上端固装于所述移动座116上、下端与所述关节连接板121固连。

如图3～5所示，所述机械臂定位组件11包括架体115、X向移动机构111和Y向移动机构112，其中所述架体115内设有移动架1152，所述移动架1152上设有X向移动机构111，且所述移动架1152通过所述X向移动机构111驱动沿着X向移动，所述移动架1152内设有所述移动座116，所述移动座116下侧设有Y向移动机构112，且所述移动座116通过所述Y向移动机构112驱动沿着Y向移动。

如图3～5所示，所述架体115包括两侧的侧梁1151，且所述移动架1152两端分别与对应侧的侧梁1151滑动连接，本实施例中，所述侧梁1151内设有X向滑轨1114，所述架体115端部设有X向滑块与对应侧的X向滑轨1114配合，所述X向移动机构111包括X向驱动装置1111、X向齿轮1112和X向齿条1113，其中X向驱动装置1111设于所述移动架1152一侧，X向齿条1113设于与X向驱动装置1111同侧的侧梁1151上，X向齿轮1112安装于X向驱动装置1111的输出轴上并与所述X向齿条1113啮合，X向驱动装置1111驱动X向齿轮1112旋转沿着X向齿条1113滚动，进而驱动所述移动架1152沿着X向移动。本实施例中，所述X向驱动装置1111采用减速伺服电机。

如图3～5所示，所述移动架1152包括前后两侧的支撑梁，且所述移动座116两端分别与对应侧的支撑梁滑动连接，本实施例中，所述支撑梁内设有Y向滑轨1124，所述移动座116端部设有Y向滑块与对应侧的Y向滑轨1124配合，所述Y向移动机构112包括Y向驱动装置1121、Y向齿轮1122和Y向齿条1123，其中Y向驱动装置1121设于所述移动座116一侧，Y向齿条1123设于与所述Y向驱动装置1121同侧的支撑梁上，Y向齿轮1122安装于Y向驱动装置1121的输出轴上并与所述Y向齿条1123啮合，Y向驱动装置1121驱动Y向齿轮1122旋转沿着Y向齿条1123滚动，进而驱动所述移动座116沿着Y向移动。本实施例中，所述Y向驱动装置1121采用减速伺服电机。

如图3～5所示，任一侧的侧梁1151上设有X向拖链113，X向移动机构111的线缆均设于所述X向拖链113中，任一侧的支撑梁上设有Y向拖链114，Y向移动机构112的线缆均设于所述Y向拖链114中。

如图1所示，所述架体115上侧设有顶板10实现本发明机械臂与其他设备结构连接。

如图7所示，所述调姿关节组件13包括多个依次垂直连接的调姿关节，本实施例中，所述调姿关节组件13包括第一调姿关节131、第二调姿关节132和第三调姿关节133，其中第一调姿关节131上端与所述移动座116固连，第二调姿关节132与所述第一调姿关节131垂直转动连接，第三调姿关节133与所述第二调姿关节132垂直转动连接。本实施例中，各个调姿关节结构相同，均包括壳体和调姿装置，并且驱动转动的方式相同，具体为：第一调姿关节131包括第一壳体和设于所述第一壳体内的第一调姿装置，第二调姿关节132的第二壳体与所述第一壳体转动连接，并通过所述第一调姿装置驱动转动，从而实现第二调姿关节132的转动，第三调姿关节133的第三壳体与所述第二壳体转动连接并通过第二壳体内的第二调姿装置驱动转动，从而实现第三调姿关节133转动，第三调姿关节133内的第三调姿装置输出端与所述末端移动关节122连接并驱动其转动，从而实现末端设备1234三个转动自由度调姿。本实施例中，各个调姿装置可采用伺服电机。

如图2所示，机械臂末端调姿机构12的关节连接板121与所述第三调姿关节133内的第三调姿装置输出端固连，所述移动驱动装置1221固装于关节连接板121上，如图8～9所示，所述关节架体1225与所述关节连接板121滑动连接，本实施例中，所述关节连接板121上设有滑块1223，所述关节架体1225上设有与所述滑块1223配合的滑轨，所述关节架体1225中部设有开槽，且所述移动驱动装置1221置于所述开槽中，所述移动传动组件包括齿轮1222和齿条1224，其中所述齿条1224设于所述关节架体1225上，所述齿轮1222安装于所述移动驱动装置1221的输出轴上并与所述齿条1224啮合，所述移动驱动装置1221驱动所述齿轮1222旋转并驱动所述齿条1224移动，进而驱动所述关节架体1225沿着Z向升降移动。本实施例中，所述移动驱动装置1221为减速伺服电机。

如图9所示，所述关节连接板121上设有限位安装座1211，所述齿轮1222设于限位安装座1211中，所述移动驱动装置1221前端安装于所述限位安装座1211上实现与所述关节连接板121固连，另外所述关节连接板121和关节架体1225之间形成间隙用于安装滑块1223、滑轨、齿条1224等结构。

如图8～9所示，所述关节架体1225一侧设有关节拖链1226，所述移动驱动装置1221的线缆设于所述关节拖链1226中，所述关节架体1225下端设有连接座1227，所述末端调姿关节123安装于所述连接座1227上。

如图10所示，所述末端调姿关节123包括旋转驱动装置1231、旋转驱动齿轮组1233和设备连接板1235，其中所述关节架体1225下端设有连接座1227，所述连接座1227上设有安装座1232，所述旋转驱动装置1231设于所述安装座1232上，所述旋转驱动齿轮组1233包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，其中所述主动齿轮设于所述安装座1232中并安装于所述旋转驱动装置1231的输出轴上，所述从动齿轮转动安装于所述连接座1227的底板上，且所述从动齿轮的下端与所述设备连接板1235固连，所述旋转驱动装置1231即通过所述旋转驱动齿轮组1233传递转矩驱动所述设备连接板1235转动，末端设备1234安装于所述设备连接板1235上。

本发明的工作原理为：

本实施例工作时，所述机械臂定位调姿机构中的机械臂定位组件11可实现机械臂末端调姿机构12连同末端设备1234一起在X向和Y向的大范围位置调整，而机械臂定位调姿机构中的调姿关节组件13则通过三个轴线两两垂直的调姿旋转关节在三个垂直平面上做关节旋转运动，以调整机械臂末端设备1234姿态以及旋转中心在工作空间范围内的不同平面上的中心角度，而在机械臂末端中心定心的情况下，机械臂末端调姿机构12中的末端移动关节122可沿着Z向带动末端调姿关节123移动，也即调整本发明机械臂末端伸出长度实现末端设备1234在Z方向的调整，末端调姿关节123可独立驱动末端设备1234转动，所述末端调姿关节123的设计可实现末端设备1234绕自身轴线独立调整的功能，尤其是在机械臂末端设备中心轴线确定的情况下。本发明的末端移动关节122和末端调姿关节123可根据人体各个组织器官位置不同等情况实现末端设备1234在中心确定条件下的实时姿态调整。

如图1～10所示，本实施例整体构型采用PPRRRPR(P为移动自由度，R为旋转自由度)的构型方式，其通过自由度的合理配置以及添加冗余自由度实现机械臂大空间范围的调姿运动的同时，也可实现机械臂末端中心位置的调整。本发明机械臂搭载医疗检测设备可实现工作空间内的调姿和配准，另外本发明机械臂整体可以实现位置和姿态的运动解耦，且所采用的传动机构较为紧凑，保障了满足空间位姿调整需求前提下整体的紧凑性，同时进行质量优化、尺寸优化、运动空间优化，不仅能应用在常规医疗场所，同时也能搭载于移动车体内进行使用。

另外本发明的机械臂定位组件11、调姿关节组件13等也可以根据实际需要选择其他自由度构型组合，比如本发明实施例中机械臂定位组件11为PP构型组合，也可以采用RR构型或其他构型组合，本发明实施例中的调姿关节组件13为RRR三个旋转自由度组合，也可以根据实际需要增加或减少旋转自由度，等等。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还可以进行若干自由度组合的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，其特征在于：包括机械臂定位调姿机构和机械臂末端调姿机构(12)，其中机械臂末端调姿机构(12)包括关节连接板(121)、末端移动关节(122)和末端调姿关节(123)，所述关节连接板(121)安装于所述机械臂定位调姿机构末端，所述末端移动关节(122)包括移动驱动装置(1221)、关节架体(1225)和移动传动组件，所述关节架体(1225)与所述关节连接板(121)滑动连接并通过所述移动驱动装置(1221)驱动移动，并且所述移动驱动装置(1221)通过所述移动传动组件传递转矩，所述关节架体(1225)下端设有末端调姿关节(123)，且所述末端调姿关节(123)与末端设备(1234)连接；

所述机械臂定位调姿机构包括机械臂定位组件(11)和调姿关节组件(13)，其中机械臂定位组件(11)设有移动座(116)，调姿关节组件(13)上端固装于所述移动座(116)上、下端与所述关节连接板(121)固连；

所述移动驱动装置(1221)固装于所述关节连接板(121)上，所述关节架体(1225)中部设有开槽，且所述移动驱动装置(1221)置于所述开槽中，所述移动传动组件包括齿轮(1222)和齿条(1224)，其中所述齿条(1224)设于所述关节架体(1225)上，所述齿轮(1222)安装于所述移动驱动装置(1221)的输出轴上并与所述齿条(1224)啮合；

所述关节连接板(121)上设有限位安装座(1211)，且所述齿轮(1222)设于所述限位安装座(1211)中，所述移动驱动装置(1221)前端安装于所述限位安装座(1211)上，所述关节连接板(121)上设有滑块(1223)，所述关节架体(1225)上设有与所述滑块(1223)配合的滑轨，且所述滑块(1223)、滑轨、齿条(1224)均设于关节连接板(121)和关节架体(1225)的间隙中；

所述调姿关节组件(13)包括多个依次垂直连接的调姿关节；

所述末端调姿关节(123)包括旋转驱动装置(1231)、旋转驱动齿轮组(1233)和设备连接板(1235)，其中所述关节架体(1225)下端设有连接座(1227)，所述连接座(1227)上设有安装座(1232)，所述旋转驱动装置(1231)设于所述安装座(1232)上，所述旋转驱动齿轮组(1233)包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，其中所述主动齿轮设于所述安装座(1232)中并安装于所述旋转驱动装置(1231)的输出轴上，所述从动齿轮转动安装于所述连接座(1227)的底板上，且所述从动齿轮的下端与所述设备连接板(1235)固连，末端设备(1234)安装于所述设备连接板(1235)上。

2.根据权利要求1所述的可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，其特征在于：所述机械臂定位组件(11)包括架体(115)、X向移动机构(111)和Y向移动机构(112)，其中所述架体(115)内设有移动架(1152)，且所述移动架(1152)通过所述X向移动机构(111)驱动沿着X向移动，所述移动架(1152)内设有所述移动座(116)，且所述移动座(116)通过所述Y向移动机构(112)驱动沿着Y向移动。

3.根据权利要求2所述的可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，其特征在于：所述架体(115)包括两侧的侧梁(1151)，且所述移动架(1152)两端分别与对应侧的侧梁(1151)滑动连接，所述X向移动机构(111)包括X向驱动装置(1111)、X向齿轮(1112)和X向齿条(1113)，其中X向驱动装置(1111)设于所述移动架(1152)一侧，X向齿条(1113)设于与X向驱动装置(1111)同侧的侧梁(1151)上，X向齿轮(1112)安装于X向驱动装置(1111)的输出轴上并与所述X向齿条(1113)啮合。

4.根据权利要求2所述的可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，其特征在于：所述移动架(1152)包括前后两侧的支撑梁，且所述移动座(116)两端分别与对应侧的支撑梁滑动连接，所述Y向移动机构(112)包括Y向驱动装置(1121)、Y向齿轮(1122)和Y向齿条(1123)，其中Y向驱动装置(1121)设于所述移动座(116)一侧，Y向齿条(1123)设于与所述Y向驱动装置(1121)同侧的支撑梁上，Y向齿轮(1122)安装于Y向驱动装置(1121)的输出轴上并与所述Y向齿条(1123)啮合。

5.根据权利要求2所述的可实现定位调姿的多自由度冗余机械臂，其特征在于：所述架体(115)上设有X向拖链(113)和Y向拖链(114)；所述架体(115)上侧设有顶板(10)。