CN206953001U - 一种用于多自由度主操作手中的连杆机构 - Google Patents

一种用于多自由度主操作手中的连杆机构 Download PDF

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张家兴
修玉香
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Abstract

一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，包括位置结构、姿态及冗余结构；所述位置结构包括设有旋转轴的转座、与所述转座连接的臂部机构、与所述臂部机构连接的水平连杆；所述姿态及冗余结构安装在所述水平连杆上。其中，所述臂部机构包括首端与所述转座铰接的上臂和下臂、与上臂和下臂的尾端铰接的中部转座，转座、上臂、下臂、中部转座构成平行四边形结构。按上述方案，臂部机构的平行四边形结构设计，能够使水平连杆始终保持水平状态，进而，所述姿态及冗余结构始终保持于水平的状态，并且能够得到更大的运动空间。

Description

一种用于多自由度主操作手中的连杆机构
技术领域
本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及主从式遥操作结构的机器人。
背景技术
机器人在人们生产生活中的应用越来越广泛，多为主从式遥操作结构，人员操作主操作手，通过远程通信和计算机控制从端机构的运动，操作人员与操作目标之间不再有地理上的限制，使操作人员远离危险或不适宜的环境。同时，这种主从式遥操作结构通过软件，为操作人员直接操作器械带来抖动，进而降低医生的操作失误率，提高了精确性、稳定性和安全性。此外，操作人员可以坐在舒适、宜人的控制台上进行操作，极大地降低了疲劳感。
现有技术中，主操作手的技术内容主要体现在：实现姿态部分三个自由度、冗余自由度和位置的三个自由度的动作。主操作手的功能主要体现在：手臂到达的位置(上下、左右、前后)、人手的姿态(俯仰、偏摆与旋转)、冗余自由度(避免姿态的奇异位形)。
但是，上述姿态部分结构不能够处于水平状态，给重力平衡以及动力驱动带来难度。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题：如何使主从式遥操作结构中主操作手的姿态部分结构处于水平状态。
为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，包括位置结构、姿态及冗余结构；所述位置结构包括设有第七旋转轴的转座、通过第六旋转轴与所述转座连接的臂部机构、通过第五旋转轴与所述臂部机构连接的水平连杆；所述姿态及冗余结构安装在所述水平连杆上；所述臂部机构包括首端与所述转座铰接的上臂和下臂、与上臂和下臂的尾端铰接的中部转座，转座、上臂、下臂、中部转座构成平行四边形结构。
按上述技术方案，转座设有第七旋转轴，构成位置结构的第一自由度；中转座能够沿第五旋转轴转动，构成位置结构的第二自由度；上臂、下臂、转座、中部转座共同构成平行四边形结构，上臂与下臂在沿第六旋转轴旋转(构成位置结构的第三自由度)时，能够使水平连杆始终保持水平状态，进而，安装在所述水平连杆上的所述姿态及冗余结构始终保持于水平的状态，并且能够得到更大的运动空间。
上述位置结构中，上臂的首端通过第六旋转轴与所述转座铰接。
所述姿态及冗余结构包括与所述水平连杆通过第四旋转轴铰接的冗余连杆、与所述冗余连杆通过第三旋转轴铰接的俯仰连杆、与所述俯仰连杆通过第二旋转轴铰接的偏摆连杆、与所述偏摆连杆通过第一旋转轴铰接的回转手柄。其中，第一旋转轴、第二旋转轴、第三旋转轴使所述姿态及冗余结构具有三个姿态自由度，第四旋转轴使所述姿态及冗余结构具有一个冗余自由度。
作为姿态及冗余结构的进一步说明，所述冗余连杆呈L形，第四旋转轴的轴心线垂直于第三旋转轴的轴心线。
作为姿态及冗余结构的进一步说明，所述俯仰连杆呈L形，第二旋转轴的轴心线垂直于第三旋转轴的轴心线。
作为姿态及冗余结构的进一步说明，所述偏摆连杆呈L形，第二旋转轴的轴心线垂直于第一旋转轴的轴心线。
作为姿态及冗余结构的进一步说明，第一旋转轴的轴心线、第二旋转轴的轴心线、第三旋转轴的轴心线、第四旋转轴的轴心线相交。
作为姿态及冗余结构的进一步说明，第二旋转轴的轴心线与第四旋转轴的轴心线相交或者重合。当第二旋转轴和第四旋转轴处于铅垂状态时，第二旋转轴的轴心线和第四旋转轴的轴心线重合；当俯仰连杆围绕第三旋转轴转动时，第二旋转轴的轴心线和第四旋转轴的轴心线相交。
作为姿态及冗余结构、位置结构之间关系的一种说明，第四旋转轴的轴心线与第五旋转轴的轴心线平行。
本实用新型所述连杆机构，有效地解决了现有技术中因姿态部分结构不能够处于水平状态而导致对重力平衡以及动力驱动上带来难度的技术问题，使整个连杆机构能够得到更大的运动空间。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：
图1为本实用新型所述一种用于多自由度主操作手中的连杆机构的结构示意图；
图2为本实用新型所述姿态及冗余结构的结构示意图；
图3为本实用新型呈平行四边形结构的臂部机构的结构示意图；
图4为本实用新型呈平行四边形结构的臂部机构的爆炸图。
图中符号说明：
1、转座；2、第七旋转轴；3、上臂；4、下臂；5、中部转座；6、水平连杆；7、冗余连杆；8、俯仰连杆；9、偏摆连杆；10、回转手柄；
①第一旋转轴的轴心线；②第二旋转轴的轴心线；③第三旋转轴的轴心线；④第四旋转轴的轴心线；⑤第五旋转轴的轴心线；⑥第六旋转轴的轴心线；⑦第七旋转轴的轴心线；
A、上臂与转座的铰接处；B、下臂与转座的铰接处；C、上臂与中部转座的铰接处；D、下臂与中部转座的铰接处。
具体实施方式
如图1，一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，包括姿态及冗余结构、位置结构。
结合图1、图2，所述姿态及冗余结构包括与所述水平连杆6通过第四旋转轴铰接的冗余连杆7、与所述冗余连杆通过第三旋转轴铰接的俯仰连杆8、与所述俯仰连杆通过第二旋转轴铰接的偏摆连杆9、与所述偏摆连杆通过第一旋转轴铰接的回转手柄10。
关于上述姿态及冗余结构，所述冗余连杆7呈L形，第四旋转轴的轴心线垂直于第三旋转轴的轴心线。
关于上述姿态及冗余结构，所述俯仰连杆8呈L形，第二旋转轴的轴心线垂直于第三旋转轴的轴心线。
关于上述姿态及冗余结构，所述偏摆连杆呈L形，第二旋转轴的轴心线垂直于第一旋转轴的轴心线。
关于上述姿态及冗余结构，第二旋转轴的轴心线与第四旋转轴的轴心线相交或者重合。
关于上述姿态及冗余结构，第一旋转轴的轴心线、第二旋转轴的轴心线、第三旋转轴的轴心线、第四旋转轴的轴心线相交于一点。
所谓姿态及冗余结构相当于人的手腕，能够作上下、前后、左右的任意姿态。冗余连杆7沿第四旋转轴旋转，俯仰连杆8沿第三旋转轴旋转，偏摆连杆9沿第二旋转轴旋转，回转手柄10沿第一旋转轴旋转，如此，操作人员持回转手柄10，能够做到三个姿态自由度和一个冗余自由度。其中第二旋转轴的轴心线、第四旋转轴的轴心线在运动过程中会有共线的状态，即，第二旋转轴的轴心线与第四旋转轴的轴心线重合。
如图1，所述位置结构包括设有第七旋转轴2的转座1、通过第六旋转轴与所述转座连接的臂部机构、通过第五旋转轴与所述臂部机构连接的水平连杆6；所述姿态及冗余结构安装在所述水平连杆6上。
关于上述位置结构，参考图3、图4，所述臂部机构包括首端与所述转座1铰接的上臂3和下臂4、与上臂和下臂的尾端铰接的中部转座5，转座、上臂、下臂、中部转座构成平行四边形结构。其中，上臂3的首端通过第六旋转轴与所述转座1铰接。
所述位置结构相当于人的手臂，即，在整个运动范围内操作手所能达到的任意位置。本结构中转座1能够沿第七旋转轴转动，所述第七旋转轴安装在固定设备，如固定机架上；上臂3、下臂4、转座1、中部转座5共同构成平行四边形结构，上臂与下臂在沿第六旋转轴旋转时，能够使水平连杆6始终保持水平状态；所述水平连杆能够沿着第五旋转轴旋转，如此，第五旋转轴、第六旋转轴、第七旋转轴线，这三个自由度就组成了位置结构的三个自由度，能够做到整体结构上下、前后、左右的任意位置运动。
所述位置结构与所述姿态及冗余结构通过水平连杆6连接，所述姿态及冗余结构中的第四旋转轴的轴心线与所述位置结构中的第五旋转轴的轴心线平行。
以上内容仅为本实用新型的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，包括位置结构、姿态及冗余结构；
所述位置结构包括设有第七旋转轴(2)的转座(1)、通过第六旋转轴与所述转座连接的臂部机构、通过第五旋转轴与所述臂部机构连接的水平连杆(6)；
所述姿态及冗余结构安装在所述水平连杆(6)上；
其特征在于：所述臂部机构包括首端与所述转座(1)铰接的上臂(3)和下臂(4)、与上臂和下臂的尾端铰接的中部转座(5)，转座、上臂、下臂、中部转座构成平行四边形结构。
2.如权利要求1所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：上臂(3)的首端通过第六旋转轴与所述转座(1)铰接。
3.如权利要求1所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：所述姿态及冗余结构包括与所述水平连杆(6)通过第四旋转轴铰接的冗余连杆(7)、与所述冗余连杆通过第三旋转轴铰接的俯仰连杆(8)、与所述俯仰连杆通过第二旋转轴铰接的偏摆连杆(9)、与所述偏摆连杆通过第一旋转轴铰接的回转手柄(10)。
4.如权利要求3所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：所述冗余连杆(7)呈L形，第四旋转轴的轴心线垂直于第三旋转轴的轴心线。
5.如权利要求3所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：所述俯仰连杆(8)呈L形，第二旋转轴的轴心线垂直于第三旋转轴的轴心线。
6.如权利要求3所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：所述偏摆连杆呈L形，第二旋转轴的轴心线垂直于第一旋转轴的轴心线。
7.如权利要求3所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：第一旋转轴的轴心线、第二旋转轴的轴心线、第三旋转轴的轴心线、第四旋转轴的轴心线相交。
8.如权利要求3所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：第二旋转轴的轴心线与第四旋转轴的轴心线相交或者重合。
9.如权利要求3所述的一种用于多自由度主操作手中的连杆机构，其特征在于：第四旋转轴的轴心线与第五旋转轴的轴心线平行。
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