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CN108992171B - 一种三自由度远中心并联微创手术机器人 - Google Patents

一种三自由度远中心并联微创手术机器人 Download PDF

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CN108992171B CN201810890655.9A CN201810890655A CN108992171B CN 108992171 B CN108992171 B CN 108992171B CN 201810890655 A CN201810890655 A CN 201810890655A CN 108992171 B CN108992171 B CN 108992171B
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姬海铖
孙吕迪
叶伟
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Zhejiang Sci Tech University ZSTU
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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Abstract

本发明涉及机器人技术领域。目的是提出一种三自由度远中心并联微创手术机器人，该机构应具有操作速度高、刚度高、精度高、稳定性好等优点。技术方案是：一种三自由度远中心并联微创手术机器人，包括机架、末端执行器以及并联连接在机架与末端执行器之间的三个分支；其特征在于：三个分支中，第一分支与第二分支均依次包括连接在机架与末端执行器之间的第一移动副、第一转动副、第一连杆、槽销副、第二连杆以及第二转动副；第三分支依次包括连接在机架与末端执行器之间的第一移动副、第一转动副、第一连杆、槽销副以及第二连杆；所述第一分支中，第二转动副由第二连杆一端的第一圆孔与末端执行器器座的圆柱体部位配合形成。

Description

一种三自由度远中心并联微创手术机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是一种三自由度远中心并联微创手术机器人。
背景技术
相比于串联机构，并联机构中有许多被动关节，而且这些被动关节并不需要安装驱动，这使得其具有较高的操作速度和较好的动力学性能。而且，由于其特殊的多闭环特征，并联机构结构紧凑，刚度高，承载能力大。基于以上优势，并联机构在微创手术机器人领域具有广阔的应用前景，并已得到了广泛的研究。
微创手术机器人要求可以进行绕远心运动，这可以通过远程运动中心机构实现。远程运动中心机构，即在机构运动过程中，可以保证机构的动平台始终绕着某一固定点移动或是旋转，并且该固定点位于机构外部，这样的运动特性赋予了此类机构良好的稳定性、较高的精度等优点。但是，现今的一些微创手术机器人(CN 107714182 A,CN 107802348 A)在结构上并不具备远程运动中心结构约束，而通过算法来实现绕远心运动，影响了机构的精确度以及可靠性。因此，提出一种高精度且稳定的三自由度远中心并联微创手术机器人很有必要。
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的不足，提出一种三自由度远中心并联微创手术机器人，该机构应具有操作速度高、刚度高、精度高、稳定性好等优点。
本发明提供的技术方案是：
一种三自由度远中心并联微创手术机器人，包括机架、末端执行器以及并联连接在机架与末端执行器之间的三个分支；其特征在于：
三个分支中，第一分支与第二分支均依次包括连接在机架与末端执行器之间的第一移动副、第一转动副、第一连杆、槽销副、第二连杆以及第二转动副；第三分支依次包括连接在机架与末端执行器之间的第一移动副、第一转动副、第一连杆、槽销副以及第二连杆；
所述第一分支中，第二转动副由第二连杆一端的第一圆孔与末端执行器器座的圆柱体部位配合形成；所述第二分支中，第二转动副由第二连杆一端的第二圆孔与末端执行器器座的圆柱体部位配合形成；所述第三分支中，第二连杆一端的方孔与末端执行器器座的方柱体部位固结；所述末端执行器器座的圆柱体部位轴线、方柱体部位轴线以及末端执行器的运动轴线重合；
每个分支中，第一转动副的轴线与第一移动副轴线平行，槽销副的转动轴线与第一转动副轴线垂直，槽销副的转动轴线与槽销副的移动轴线垂直。
三个分支中的第一转动副的轴线以及末端执行器的运动轴线交于O点。
进一步的，三个分支中的第一转动副的轴线在水平面的投影，是以O点为端点的三条射线，两两相邻射线的角度为120度。
所述机器人的驱动机构为由伺服电机带动滚珠丝杠驱动的第一移动副。
本发明的有益效果是：
本发明提出的三自由度远中心并联微创手术机器人可以执行绕O点的两转动一移动三自由度运动，具有操作速度高、刚度高、精度高、稳定性好等优点，可进行简单的微创手术。
附图说明
图1为本发明所述三自由度远中心并联微创手术机器人的立体结构示意图。
图2为其中第一分支中各部件的连接关系示意图(其中的第二转动副只包括第二连杆的第一圆孔)。
图3为第一分支中第二连杆的立体结构示意图。
图4为第二分支中第二连杆的立体结构示意图。
图5为第三分支中第二连杆的立体结构示意图。
图6为末端执行器的立体结构示意图。
图中：机架1、第一移动副导轨2、第一移动副3、第一移动副滑块4、第一转动副5、第一连杆6、槽销副7、第二连杆8、第一圆孔9、第二圆孔10、末端执行器11、方柱体部位12、圆柱体部位13、方孔14。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明。
附图所示的三自由度远中心并联微创手术机器人，包括机架1、末端执行器11以及连接于机架与末端执行器之间的三个分支；
第一分支与第二分支均包括依次连接在机架与末端执行器之间的第一移动副导轨2、第一移动副滑块4、第一转动副5、第一连杆6、槽销副7、第二连杆8以及第二转动副；
第三分支包括依次连接在机架与末端执行器之间的第一移动副导轨、第一移动副滑块、第一转动副、第一连杆、槽销副以及第二连杆；
各分支中的第一移动副导轨与第一移动副滑块配合形成第一移动副3。
各分支的第二连杆皆有不同；其中：第一分支中，第二连杆一端制作有第一圆孔9，该圆孔与末端执行器器座的圆柱体部位13配合形成了第一分支的第二转动副；第二分支中，第二连杆一端制作有第二圆孔10，该圆孔与末端执行器器座的圆柱体部位13配合形成了第二分支的第二转动副(两个分支的第二连杆同时并排铰接在圆柱体部位)；第三分支中，第二连杆一端制作有方孔14，该方孔与末端执行器器座的方柱体部位12固定连接。
每个分支中，第一转动副轴线平行于第一移动副轴线，槽销副的转动轴线垂直于第一转动副轴线，槽销副的转动轴线垂直于槽销副的移动轴线(槽销副中的销，沿着槽销副中的槽移动时形成的轨迹)。
三个第一转动副的轴线交于一点0，末端执行器的运动轴线也过O点；第一分支的第二转动副的轴线与第二分支的第二转动副的轴线重合且过O点；进一步的，三个分支中的第一转动副的轴线在水平面的投影，是以O点为端点的三条射线，两两相邻射线的角度为120度。
本实施例中，驱动副为各分支上的第一移动副，驱动方式可选用滚珠丝杆(图中省略)；当驱动副经由电机驱动时，末端执行器可绕O点作两转动一移动三自由度运动。

Claims (3)

1.一种三自由度远中心并联微创手术机器人，包括机架(1)、末端执行器(11)以及连接在机架与末端执行器之间的三个分支；其特征在于：
三个分支中，第一分支与第二分支均包括依次连接在机架与末端执行器之间的第一移动副(3)、第一转动副(5)、第一连杆(6)、槽销副(7)、第二连杆(8)以及第二转动副；第三分支包括依次连接在机架与末端执行器之间的第一移动副、第一转动副、第一连杆、槽销副以及第二连杆；
所述第一分支中，第二转动副由第二连杆一端的第一圆孔(9)与末端执行器器座的圆柱体部位(13)配合形成；所述第二分支中，第二转动副由第二连杆一端的第二圆孔(10)与末端执行器器座的圆柱体部位配合形成；所述第三分支中，第二连杆一端的方孔(14)与末端执行器器座的方柱体部位(12)固结；所述末端执行器器座的圆柱体部位轴线、方柱体部位轴线以及末端执行器的运动轴线重合；
每个分支中，第一转动副的轴线与第一移动副轴线平行，槽销副的转动轴线与第一转动副轴线垂直，槽销副的转动轴线与槽销副的移动轴线垂直；
三个分支中的第一转动副的轴线以及末端执行器的运动轴线交于O点。
2.根据权利要求1所述的三自由度远中心并联微创手术机器人，其特征在于：三个分支中的第一转动副的轴线在水平面的投影，是以O点为端点的三条射线，两两相邻射线的角度为120度。
3.根据权利要求2所述的三自由度远中心并联微创手术机器人，其特征在于：所述机器人的驱动机构为由伺服电机带动滚珠丝杠驱动的第一移动副。
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