CN116898552A - 一种用于骨科手术的并联rcm机构末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，包括两个电机，三条运动单元，双平行四边形连杆机构和球磨具。其中，两个电机轴线垂直，安装于基座上。电机A与第一运动单元底端铰接；电机B与第二运动单元底端铰接，第三运动单元与第二运动单元对称设置，底端铰接于基座上。双平行四边形连杆机构的上杆末端通过转轴与第二、三运动单元顶端铰接；下杆末端通过转轴与三条运动单元铰接。上杆与下杆前端与球磨具转动连接。通过双平行四边形连杆机构使得球磨头的中心和RCM机构的不动点重合，利用RCM机构一个点不动的机构特性。将不动点与球磨头的球心相重合，则磨具姿态改变时球磨头位置不变，使得在磨削过程中磨具的姿态不影响磨削的过程，磨具可以进行姿态的调整，可更好地实现避障，提高了安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体来说，是一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器。
背景技术
人工膝关节置换手术指通过外科技术将人工膝关节植入患者体内，代替患病膝关节功能，达到缓解关节疼痛、恢复关节功能的目的。膝关节置换手术作为骨科手术的一种，属于深部手术，内部结构复杂，操作对象为骨性刚性结构，故对操作精度与刚度要求较高，而且手术术式复杂多样。
膝关节置换手术机器人可辅助或代替医生进行膝关节置换手术，具有术前规划，导航定位，执行机构精准控制，关节力线实时分析等功能，使用其进行手术的患者下肢力线更接近于正常状态，有效提高了关节置换的手术效果。
关节置换手术机器人末端执行器构型设计是机器人系统的关键问题之一。膝关节置换手术机器人的末端执行器需满足对规划骨骼部位的精准打磨，又要能够对手术切口及软组织提供保护，还要便于医生进行手术操作、不影响医生手术视野。机构的设计还需考虑其与医生以及手术位置之间的交互，在满足灵活性、安全性、可操控性的前提下，做到轻量化、小型化，并且需要满足手术使用的卫生条件。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，用于满足膝关节置换手术中微创手术创口相对较小、狭小空间打磨、软组织保护和手术路径精度要求高等要求。
一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，包括由两个驱动模块驱动的三个运动单元；三个运动单元连接双平行四边形连杆机构后侧，双平行四边形连杆机构前侧连接球磨具。
上述两个驱动模块输出端垂直设置，其中一个驱动模块输出端与第一运动单元底部通过连接件铰接，铰接轴轴线垂直于驱动单元输出端。另一个驱动模块输出端与第二运动单元底部通过连接件铰接，铰接轴轴线垂直于驱动单元输出端；第三运动单元与第二运动单元对称设置，底端与支架通过连接件铰接，铰接轴轴线平行于第二运动单元铰接处铰接轴轴线。
上述双平行四边形连杆机构，包括上杆与下杆。其中上杆末端两侧与第二运动单元和第三运动单元顶部通过连接件铰接，同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副。下杆末端端部与第二运动单元顶部通过连接件铰接，同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副。同时下杆中部两侧与第二运动单元和第三运动单元中部固定的连杆间铰接，同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副；上述铰接轴轴线均垂直于相连接杆件所构成的平面。
上述双平行四边形连杆机构中，上杆与下杆的前端分别铰接球磨具的夹具部分，铰接轴轴轴线平行于第一运动单元顶部铰接轴轴线；同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副。
通过两个驱动模块的驱动，带动三个运动单元与双平行四边形连杆机构联动，最终实现双平行四边形连杆机构前端安装的球磨具姿态调节，同时姿态调节过程中球磨具的球磨头中心位置固定。
本发明的优点在于：
1、本发明用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，通过三个结构相同的运动单元并联，相较于串联机构精度和稳定性更高；
2、本发明用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，通过设计的RCM机构实现了末端执行器姿态和机械臂运动的解耦，优化了控制方式，提高了控制准确度；
3、本发明用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，通过双平行四边形机构设计，使得RCM机构的远端不动点位于机构主体之外，解决了机构影响医生观察视野问题，提升了机构的工作空间和灵巧度。
附图说明
图1为本发明并联RCM机构末端执行器整体结构侧视图；；
图2为本发明并联RCM机构末端执行器整体结构俯视图；
图3为本发明并联RCM机构末端执行器整体结构立体图；
图4为本发明并联RCM机构末端执行器中II型连接件结构示意图；
图5为本发明并联RCM机构末端执行器中I形连接件结构示意图；
图6为本发明并联RCM机构末端执行器中球磨具连接结构示意图；
图7为本发明并联RCM机构末端执行器中双平行四边形连杆机构所构成的双平行四边形示意图。
图中：
1-基座 2-双平行四边形连杆机构 3-球磨具
4-第一运动单元 5-第二运动单元 6-第三运动单元7-I型连接件 8-II型连接件1a-电机模块A
1b-电机模块B a-弧形杆件b-弧形杆件c-直杆件d-短直杆 201-上直杆
202-下直杆 203-上杆延长件 204-下杆连接件301-夹具部分 302-磨具部分303-U型连接件
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，包括基座1，双平行四边形连杆机构2，球磨具3、第一运动单元4、第二运动单元5与第三运动单元6与驱动单元，如图1～图3所示。
所述驱动单元包括两个电机模块，令分别为电机模块A1a与电机模块B1b。电机模块A1a与电机模块B1b均安装于基座1上。其中，电机模块A1a轴线沿前后方向设置，机体端与基座1末端设计的电机安装座间通过螺钉固连，且输出端通过电机安装座上的开孔连接I型连接件7，进一步通过I型连接件7连接第一运动单元4。
电机模块B1b轴线垂直于电机模块A1a轴线，沿左右方向设置；电机模块B1b机体端与基座1前方左侧设计的电机安装座固定连接。电机模块B1b输出端同构电机安装板上的开孔后连接I型连接件7，进一步通过I型连接件7连接第二运动单元5。基座1前方右侧设计有运动单元连接座，运动单元连接座上安装有II型连接件8，用来连接第三运动单元6。
上述II型连接件8为T型连接件；独立一端与连接板中心位置相接，相对两端用来连接运动单元，如图4所示；I型连接件7为具有底部连接盘的T型连接件；连接盘与电机输出端同轴固连；相对两端用来连接运动单元，如图5所示。
所述第一运动单元4包括两个弧形杆件，令分别为弧形杆件a与弧形杆件b，以及一个直杆件c。弧形杆件a与弧形杆件b内弧相对设置，均由两个相互平行的弧形板构成。弧形杆件a与弧形杆件b一端为固定端分别与直杆件c两端固连；固定时，直杆件c端部置于两个弧形板之间，三者贴合并通过螺钉拧紧固定。弧形杆件a与弧形杆件b的另一端为铰接端。其中，弧形杆件a的铰接端与电机模块A1a输出端上I形连接件7连接；连接时，I形连接件7相对两端置于两弧形板之间，通过轴承连接两弧形板形成转动副；弧形连杆b的铰接端用来连接双平行四边形机构2。
所述第二运动单元5和第三运动单元结构6的结构与第一运动单元4基本相同，均包括两个弧形杆件与长直杆c，区别在于：第二运动单元5和第三运动单元6中，长直杆c上还安装有一个短直杆d。短直杆d为两根平行杆构成，垂直于长直杆c设置，末端与长直杆c固连；固定时，短直杆d两根平行杆分别位于长直杆c两侧，且与长直杆c贴合并通过螺钉将三者拧紧固定。
上述第二运动单元5中，弧形杆件a的铰接端与电机模块B1b输出端上的I型连接件7通过轴承连接，连接方式同第一运动单元4中弧形杆件a与I形连接件7间的连接。第二运动单元5中，弧形杆件b以及短直杆d的铰接端用来接双平行四边形连杆机构2。
上述第三运动单元6中，弧形连杆a的铰接端与基座1右侧的II形连接件8通过轴承连接，连接方式同第一运动单元4中弧形杆件a与I形连接件7间的连接。第三运动单元6中，弧形杆件b以及短直杆d的铰接端用来接双平行四边形连杆机构2。
上述短直杆d两端均做圆角处理，使得在运动过程中不会与双平行四边形连杆机构2产生干涉碰撞；
所述双平行四边形连杆机构2包括相互平行的上直杆201与下直杆202。其中，上直杆201末端通过连接上杆延长件203，以实现同第二运动单元5和第三运动单元6连接。下直杆202末端通过连接下杆连接件204，以实现同第一运动单元4、第二运动单元5和第三运动单元6间的连接。
所述上杆延长件203为直杆件，轴线垂直于上直杆201设置。上杆延长件203中部开槽，上直杆201末端置于开槽内，并通过放松螺栓与上杆延长件203间固定，形成T型结构整体。上杆延长件203两端分别设计有连接面，两连接面分别通过II形连接件8与第二运动单元5和第三运动单元6中弧形杆件b的铰接端连接；连接时，II形连接件8独立一端与连接面间通过轴承连接形成转动副；相对两端分别与弧形杆件b中两弧形板间通过轴承连接形成转动副。
所述下杆连接件204为T型杆件，相对两端所在一侧中部开槽，下直杆202末端置于开槽内，并通过螺栓与开槽间固定。下杆连接件204三端端部均设计有连接面，分别通过II形连接件8与第一运动单元4中弧形杆件b的铰接端以及第二运动单元5和第三运动单元6中短直杆d的铰接端连接。连接时，II形连接件8独立一端与连接面间通过轴承连接形成转动副；相对两端分别与弧形杆件b中两弧形板以及短直杆d中两平行杆间通过轴承连接形成转动副。
上述上直杆201与下直杆202前端用来连接球磨具3。如图6所示，球磨具3包括夹具部分301与磨具部分302。其中，夹具部分301用来夹持固定磨具部分302，包括用来夹持磨具部分302前部与后部的夹爪前部的夹爪。球磨具3与上直杆201与下直杆202前端间通过U型连接件303连接，具体方式为：两个U型连接件303前部两端设计有连接轴，分别与球磨具3中夹具部分后部与前部周向相对位置通过轴承连接，形成转动副。两个U型连接件303末端中心位置具有连接轴，分别与上直杆201与下直杆202前端设计的连接面通过轴承连接，形成转动副。球磨具3的夹具部分303与所述双平行四边形连杆机构2的上直杆201和下直杆202转动连接。上述上直杆201、第二运动单元5与球磨具3共同构成了双平行四边形结构，如图7虚线框所示，球磨具3的球磨头中心位于双平行四边形的一个端点处。
上述结构中，电机模块A1a的输出端通过I型连接件7带动第一运动单元4绕电机模块A1a输出端轴线运动；进而通过第一运动单元4可带动双平行四边形机构2的下杆连接件204产生左右方向的运动，且运动过程中始终保持其所在平面平行于基座1。
第二电机模块106的输出端通过I型连接件7带动第二运动单元5绕输出端轴线运动；进而通过第二运动单元5带动双平行四边形机构2中上杆延长杆203其产生前后方向的运动。过程中，第三运动单元6随动，且由于第三运动单元6是第二运动单元5的对称结构，使得双平行四边形机构2中的上直杆201和下直杆202始终平行。
由于球磨具3的球磨头中心位于由上直杆201、第二运动单元5与球磨具3共同构成了双平行四边形的一个端点处。因此在上述运动过程中，球磨具3的球磨头中心的位置始终保持不变，仅可带动球磨具3的姿态发生改变。
上述结构的并联RCM机构末端执行器通过改变双平行四边形机构2中上直杆201的长度，改变远端不动点，即球磨头中心的位置，使得运动方式更加灵活。
综上，本发明并联RCM机构末端执行器，通过双平行四边形连杆机构2使得球磨头的中心和RCM机构的不动点重合，利用RCM机构一个点不动的机构特性。将不动点与球磨头的球心相重合，则球磨具姿态改变时球磨头位置不变。由此使得磨具具有球磨头位置与磨具姿态解耦的特点，简化了磨具的姿态控制复杂度，提改了其运动灵活性，使得在磨削过程中磨具的姿态不影响磨削的过程，球磨具可进行姿态的调整，可以更好地实现避障，提高了安全性。
Claims (6)
1.一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，其特征在于：包括由两个驱动模块驱动的三个运动单元；三个运动单元连接双平行四边形连杆机构后侧，双平行四边形连杆机构前侧连接球磨具；
上述两个驱动模块输出轴垂直设置，其中一个驱动模块输出轴与第一运动单元底部通过连接件铰接，铰接轴轴线垂直于驱动单元输出轴；另一个驱动模块输出轴与第二运动单元底部通过连接件铰接，铰接轴轴线垂直于驱动单元输出轴；第三运动单元与第二运动单元对称设置，底端与支架通过连接件铰接，铰接轴轴线平行于第二运动单元铰接处铰接轴轴线；
上述双平行四边形连杆机构，包括上杆与下杆；其中上杆末端两侧与第二运动单元和第三运动单元顶部通过连接件铰接，同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副；下杆末端端部与第二运动单元顶部通过连接件铰接，同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副；同时下杆中部两侧与第二运动单元和第三运动单元中部固定的连杆间铰接，同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副；上述铰接轴轴线均垂直于相连接杆件所构成的平面。
上述双平行四边形连杆机构中，上杆与下杆的前端分别铰接球磨具的夹具部分，铰接轴轴轴线平行于第一运动单元顶部铰接轴轴线；同时具有绕铰接轴中垂线转动的转动副；
通过两个驱动模块的驱动，带动三个运动单元与双平行四边形连杆机构联动，最终实现双平行四边形连杆机构前端安装的球磨具姿态调节，同时姿态调节过程中球磨具的球磨头中心位置固定。
2.如权利要求1所述一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，其特征在于：连接件包括两种结构实现相应连接，包括I型连接件与II型连接件；
其中，驱动模块与杆件间的连接采用I型连接件；I型连接件为具有两跟轴线垂直的连接轴，一根连接轴端部设计连接盘连接驱动模块输出端；另一根连接轴与运动单元间连接；
其余连接件均采用II型连接件连接件；II型连接件同样具有两个相互垂直的连接端；其中，一端连接杆件形成转动副；另一端连接运动单元。
3.如权利要求1所述一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，其特征在于：第一运动单元包括两个弧形杆件与一根长直杆；两个弧形杆件内弧相对设置，固定端分别与直杆两端固连；铰接端连接双平行四边形连杆机构；第二运动单元和第三运动单元与第一运动单元结构相同，同时在第二运动单元与第三运动单元中部安装有垂直于两运动单元中长直杆的短直杆。
4.如权利要求3所述一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，其特征在于：两个弧形杆件与短直杆均由两平行板构成；同时在进行杆件连接时，设计连接件一端置于平行板间与两平行板铰接。
5.如权利要求1所述一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，其特征在于：双平行四边形连杆机构中，上杆包括上直杆与上延长连接杆；下杆包括下直杆与下延长连接件；
上杆中，上延长连接杆为直杆，上直杆末端与垂直设置的延长连接杆中部固定；延长连接杆两端设计连接面连接第二运动单元和第三运动单元的顶部；
下杆中，下延长连接杆为T型杆，相对两端所在一侧与下直杆垂直设置，且中部与下直杆末端固定；下延长连接杆三段均设计连接面，相对两端连接面连接第二运动单元和第三运动单元上的短直杆；另一端的连接面连接第一运动单元的顶部。
6.如权利要求1所述一种用于骨科手术的并联RCM机构末端执行器，其特征在于：上杆与下杆前端通过U型连接件连接球磨具的夹具部分；具体方式为：两个U型连接件前部两端设计连接轴，分别与球磨具的夹具部分末端及中部对侧铰接；同时U型连接件末端中心位置与上杆和下杆前端间连接形成转动副。
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