CN117179903A - 5自由度串并嵌联机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5自由度串并嵌联机器人及工作方法，该机器人具有结构简单、刚度高和灵巧性好等特点，其主要由移动小车、安装在移动小车上的旋转平台，安装在旋转平台上的并联机构，以及末端执行器组成。旋转平台用于调整手术器械术前位姿；并联机构的动平台安装手术器械作为末端执行器执行手术操作；将并联机构的定平台固定于旋转平台的滑槽内，同时通过螺纹连接将旋转平台固定于移动小车上。此种设计方案可以减少机器人体积并能增加机器人的自由度。

Description

5自由度串并嵌联机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于医疗机器人技术领域，具体是一种5自由度串并嵌联机器人及工作方法。

背景技术

微创手术机器人是目前医疗机器人领域应用最广泛的机器人之一，与传统的外科手术具有相同的疗效，可经过自然腔道进入人体开展手术，具有创伤小、疼痛轻、手术感染风险小、术后恢复快等优点。

现有的微创手术机器人根据实现远心运动的方式主要分为：一是通过控制算法实现远心运动，如DLR MIRO轻型微创机器人、Trans Enterix手术机器人和ZEUS手术机器人系统，此类机器人控制系统复杂，机构具有冗余自由度，操控不方便且具有累计误差；二是通过机构自身的约束来实现远心运动，即其自身无需外部约束就拥有远心运动的自由度。并联远中心机构是一类典型的可通过机构约束输出远心运动的结构。并联机构每条支链由不同的电机进行驱动，相互之间独立运动。动平台和基座之间由支链进行连接，各支链的加工、运动误差会因为支链间的相互矫正而抵消，因此具有末端执行器位置精度高、机构整体刚度高且负载能力强等特征，被应用到微创手术机器人中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术存在的不足，提供了一种5自由度串并嵌联机器人及工作方法。该机构具有术前姿态调整的2R旋转平台和移动小车，并且具有结构简单、刚度高和可操控性好等特点，可应用于微创手术领域。

本发明的技术方案是：

一种5自由度串并嵌联机器人，包括移动小车、安装在移动小车上的旋转平台，安装在旋转平台上的并联机构，以及末端执行器；

所述并联机构由三条分支机构组成，即第一支链、第二支链、第三支链；

上述第一支链由第一电机支撑座、第一轴承座、第一Y向驱动电机、X轴、第一从动轮、第一主动轮、第一同步带第一连杆、第二连杆组成；其中第一轴承座固定于定平台上方；X轴安装并穿过第一轴承座；第一电机支撑座位于第一轴承座正上方，且与X轴固连；第一Y向驱动电机安装于第一电机支撑座上；第一电机支撑座左下角设置Y向轴孔，Y轴安装于该Y向轴孔并且其两端分别伸出该Y向轴孔的前侧和后侧；从动轮安装于Y轴的前侧伸出端，主动轮安装于Y向驱动电机的输出轴，第一同步带安装于主动轮和从动轮上；第一连杆的下端与Y轴的后侧伸出端固定，第一连杆的上端与和第二连杆下端通过转动副连接，第二连杆上端与动平台左侧通过转动副连接；

上述第二支链由第二电机支撑座、第二轴承座、第二Y向驱动电机、第二从动轮、第二主动轮、第二同步带、Y向轴、第一弧形连杆、第二弧形连杆组成；其中第二电机支撑座固定于定平台下方，第二轴承座固定于定平台上方；第二Y向驱动电机安装于第二电机支撑座上；Y轴安装于轴承座并且其两端分别伸出轴承座的前侧和后侧；第二从动轮安装于Y轴的前侧伸出端，第二主动轮安装于第二Y向驱动电机的输出轴上，第二同步带安装于第二主动轮和第二从动轮上；第一弧形连杆的下端与Y轴的后侧伸出端固定，第一弧形连杆的上端与和第二弧形连杆上端通过转动副连接，第二弧形连杆与末端执行器通过圆柱副连接；

上述第三支链结构与第一支链结构相同，沿Y方向左右对称分布；其第二连杆的上端与动平台右侧通过转动副连接。

所述的5自由度串并嵌联机器人的工作方法，其特征在于包括以下过程：

第一Y向驱动电机转动带动第一主动轮转动；第一主动轮的转动通过第一同步带将动力传递至第一从动轮；第一连杆的下端与第一从动轮固连，因此第一从动轮转动带动第一连杆转动；第一连杆上端与第二连杆下端通过转动副连接连接，因此第一连杆的转动带动第二连杆转动；第二连杆的上端与末端执行器通过转动副进行连接，因此第二连杆的转动带动末端执行器的转动。因为第三支链结构与第一支链相同，且沿Y方向左右对称分布，因此第一支链和第三支链的运动一起共同控制末端执行器在竖直方向的移动。

第二Y向驱动电机的运动带动第二主动轮的转动；第二主动轮的转动通过第二同步带将动力传递至第二从动轮；第一弧形连杆的下端与第二从动轮固连，因此第二从动轮转动带动第一弧形连杆转动；第一弧形连杆上端与第二弧形连杆下端通过转动副连接连接，因此第一弧形连杆的转动带动第二弧形连杆转动；第二弧形连杆的上端与末端执行器通过转动副进行连接，因此第二弧形连杆的转动带动末端执行器的转动。

本发明的有益效果是：采用了2R旋转平台、移动小车和并联机构组成的串并嵌连机构，机器人的控制系统可以集成于移动小车内部，减小了机构体积；术前可以根据手术需求使用2R旋转平台进行姿态调节。姿态调整好后，将手术器械安装与并联机构动平台上，手术器械的输出运动为绕远心点的两个转动自由度和一个经过远心点的移动，因此符合微创手术机器人应用需求。并且机器人整体结构具有工作空间大、结构简单和易于控制等特点。

所述的5自由度串并嵌联机器人，其特征在于：上述旋转平台由由下而上依次包括小车固定架、定平台安装架、定平台；其中小车固定架与移动小车固定连接；定平台安装架通过转动副安装于小车固定架定平台安装于定平台安装架内侧的圆弧滑槽内。

所述的5自由度串并嵌联机器人，其特征在于：第一支链和第三支链中的所有连杆中的转动副轴线相互平行，且与第一驱动电机和第三驱动电机的输出轴平行。

所述5自由度串并嵌联机器人，其特征在于：第二分支中的所有转动副的轴线汇交于点O，属于空间球面4杆机构。

附图说明

图1为本发明所述5自由度串并嵌联的微创手术机器人整体结构示意图；

图2为本发明所述5自由度串并嵌联的微创手术机器人第一分支结构示意图；

图3为本发明所述5自由度串并嵌联的微创手术机器人第一分支类虎克铰结构示意图；

图4为本发明所述5自由度串并嵌联的微创手术机器人第二分支结构示意图；

图5为本发明所述5自由度串并嵌联的微创手术机器人2R旋转平台结构意图；

图中标号名称：1-移动小车；2-小车固定架；3-定平台安装架；4-第一支链；5-第二支链；6-末端执行器；7-定平台；401-第一轴承座；402-X轴；403-第一主动轮；404-第一从动轮；405-第一电机支撑座；406-第一同步带；407-第一Y向驱动电机；408-Y轴；409-第一连杆；410-第二连杆：501-第二Y向驱动电机；502-第二电机支撑座；503-第二主动轮；504-第二同步带；505-第二从动轮；506-第二Y轴；507-第二轴承座；508-第一弧形连杆；509-第二弧形连杆。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1、图2、图3、图4和图5所示的5自由度串并嵌联的微创手术机器人的运动机构，包括移动小车、2R旋转平台和2URR-RRC并连机构。

所述2URR-RRC并连机构包括并联连接在定平台7与末端执行器6之间的第一支链4、第二支链5和第三支链。所述第一支链4依次包括连接在定平台7和末端执行器6之间的是第一Y向驱动电机407通过第一电机支撑座405固定在类虎克铰上由X轴402和第一Y轴408)，第一Y轴408将第一从动轮404和第一连杆409固定，第一连杆409上端和第二连杆410下端通过转动副进行连接，第二连杆410上端与末端执行器6通过转动副连接。上述所有转动副的轴线与类虎克铰(由X轴402和第一Y轴408组成)的转动副X轴402轴线垂直，与转动副第一Y轴408轴线平行。

其中，所述第一分支中，除转动副X轴402外所有转动副的轴线相互平行。

所述第二分支依次包括连接在定平台7和末端执行器6之间的是通过第二电机支撑座502固定在定平台7上的第二Y向驱动电机501，第二Y轴506将第二从动轮505和第一弧形连杆508下端固定，第一弧形连杆508上端和第二弧形连杆509下端通过转动副进行连接，第二弧形连杆509上端与末端执行器6通过圆柱副进行连接。上述所有转动副汇交于O点。

其中，所述第二分支中，所有转动副的轴线始终汇交于点O，且第二分支中的所有转动副和第一分支中的转动副X轴402组成瞬时球面4R机构。

所述第三分支的结构与第一分支结构相同且可由第一分支进行替代，第一分支很第三分支的类虎克铰的转动副X轴402共轴线，且O点在量转动副连线的中点上。

其中，所述第一分支中，除转动副X轴402外所有转动副的轴线相互平行。

本发明中，动平台运动时具有绕远中心点O的两个转动自由度和一个沿动平台轴线且过O点的一个移动自由度。并联机构的驱动为各支链上的第一转动副，驱动方式选用电机带动的带传动，驱动时可带动固定于动平台的手术器械现有技术，不再细述作空间运动，完成手术任务。

Claims (5)

1.一种5自由度串并嵌联机器人，包括移动小车(1)、安装在移动小车上的旋转平台，安装在旋转平台上的并联机构，以及末端执行器(6)；

所述并联机构由三条分支机构组成，即第一支链（4）、第二支链（5）、第三支链；

上述第一支链（4）由第一电机支撑座(405)、第一轴承座（401）、第一Y向驱动电机(407)、X轴（402）、第一从动轮(404)、第一主动轮（403）、第一同步带（406）、第一Y轴（408）、第一连杆(409)、第二连杆(410)组成；其中第一轴承座（401）安装于旋转平台上方；X轴（402）安装并穿过第一轴承座（401）；第一电机支撑座（405）位于第一轴承座正上方，且与X轴固连；第一Y向驱动电机（407）安装于第一电机支撑座（405）上；第一电机支撑座（405）左下角设置Y向轴孔，第一Y轴（408）安装于该Y向轴孔并且其两端分别伸出该Y向轴孔的前侧和后侧；从动轮（404）安装于第一Y轴（408）的前侧伸出端，主动轮（403）安装于Y向驱动电机（407）的输出轴，第一同步带（406）安装于主动轮（403）和从动轮（404）上；第一连杆(409)的下端与第一Y轴（408）的后侧伸出端固定，第一连杆(409)的上端与和第二连杆(410)下端通过转动副连接，第二连杆(410)上端与动平台(6)左侧通过转动副连接；

上述第二支链由第二电机支撑座(502)、第二轴承座（507）、第二Y向驱动电机(501)、第二从动轮(505)、第二主动轮（503）、第二同步带（504）、第二Y轴（506）、第一弧形连杆(508)、第二弧形连杆(509)组成；其中第二电机支撑座(502)固定于定平台(7)下方，第二轴承座(507)安装于旋转平台上方；第二Y向驱动电机(501)安装于第二电机支撑座(502)上；第二Y轴（506）安装于轴承座并且其两端分别伸出轴承座的前侧和后侧；第二从动轮(505)安装于第二Y轴（506）的前侧伸出端，第二主动轮（503）安装于第二Y向驱动电机(501)的输出轴上，第二同步带（504）安装于第二主动轮（503）和第二从动轮(505)上；第一弧形连杆(508)的下端与Y轴的后侧伸出端固定，第一弧形连杆(508)的上端与和第二弧形连杆(509)下端通过转动副连接，第二弧形连杆(509)上端与末端执行器(6)通过圆柱副连接；

上述第三支链构与第一支链结构相同，沿Y方向左右对称分布；其第二连杆的上端与动平台右侧通过转动副连接。

2.根据权利要求1所述的5自由度串并嵌联机器人，其特征在于：上述旋转平台由由下而上依次包括小车固定架(2)、定平台安装架(3)、定平台（7）；其中小车固定架(2)与移动小车(1)固定连接；定平台安装架(3)通过转动副安装于小车固定架(2)定平台(7)安装于定平台安装架(3)内侧的圆弧滑槽内。

3.根据权利要求1所述的5自由度串并嵌联机器人，其特征在于：第一支链和第三支链中的所有连杆中的转动副轴线相互平行，且与第一驱动电机和第三驱动电机的输出轴平行。

4.根据权利要求1所述的5自由度串并嵌联机器人，其特征在于：第二分支中的所有转动副的轴线汇交于点O。

5.根据权利要求1所述的5自由度串并嵌联机器人的工作方法，其特征在于包括以下过程：

第一Y向驱动电机(407)转动带动第一主动轮(403)转动；第一主动轮(403)的转动通过第一同步带（406）将动力传递至第一从动轮(404)；第一连杆(409)的下端与第一从动轮(404)相对固连，因此第一从动轮(404)转动带动第一连杆(409)转动；第一连杆(409)上端与第二连杆(410)下端通过转动副连接，因此第一连杆(409)的转动带动第二连杆(410)转动；第二连杆(410)的上端与末端执行器(6)通过转动副进行连接，因此第二连杆(410)的转动带动末端执行器(6)的转动；因为第三支链结构与第一支链相同，且沿Y方向左右对称分布，因此第一支链和第三支链的运动一起共同控制末端执行器(6)在竖直方向的移动；

第二Y向驱动电机(501)的运动带动第二主动轮（503）的转动；第二主动轮(503)的转动通过第二同步带（504）将动力传递至第二从动轮(505)；第一弧形连杆(508)的下端与第二从动轮(505)相对固连，因此第二从动轮(505)转动带动第一弧形连杆(508)转动；第一弧形连杆(508)上端与第二弧形连杆(509)下端通过转动副连接，因此第一弧形连杆(508)的转动带动第二弧形连杆(509)转动；第二弧形连杆(509)的上端与末端执行器(6)通过转动副进行连接，因此第二弧形连杆(509)的转动带动末端执行器(6)的转动。