混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人，特別涉及一種能模仿醫(yī)生手臂運(yùn)動(dòng)，輔助醫(yī)生完成高難度微創(chuàng)外科手術(shù)的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微創(chuàng)外科手術(shù)的發(fā)展與普及，上世紀(jì)九十年代開始出現(xiàn)了用于輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的手術(shù)機(jī)器人，這些手術(shù)機(jī)器人被應(yīng)用于一些醫(yī)生無法徒手完成的高精度、高難度微創(chuàng)手術(shù)中。
[0003]在手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面，目前主流的機(jī)械臂多以串聯(lián)機(jī)構(gòu)為主。雖然串聯(lián)機(jī)構(gòu)有構(gòu)型簡(jiǎn)單、控制可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，但是面對(duì)到微創(chuàng)外科手術(shù)的特殊場(chǎng)合有很多缺陷。首先，機(jī)械臂需要為手術(shù)器械提供多個(gè)自由度并要求在狹小的腹腔空間內(nèi)有足夠的靈活度，而串聯(lián)機(jī)械臂必須設(shè)計(jì)成擁有多個(gè)運(yùn)動(dòng)副關(guān)節(jié)以滿足多自由度要求，同時(shí)還必須考慮微創(chuàng)切口的約束從而需要合理規(guī)劃運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)；其次，在手術(shù)過程中器械一般需要做6個(gè)自由度的空間運(yùn)動(dòng)，串聯(lián)機(jī)構(gòu)操作器在做多自由度空間運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)慣量大，運(yùn)動(dòng)各向同性度差，這種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)缺陷造成了機(jī)械臂末端操作器執(zhí)行精度的下降；第三，串聯(lián)機(jī)構(gòu)承載能力較差，搭載動(dòng)力器械時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)等問題，限制了復(fù)雜多樣化的手術(shù)器械進(jìn)入人體，從而阻礙了機(jī)器人自動(dòng)化手術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。串聯(lián)機(jī)械臂只能通過提高電機(jī)性能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方法來克服以上缺點(diǎn)，增加了制造與裝配成本。
[0004]為了克服串聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明專利提出了由兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的混聯(lián)機(jī)械臂，與現(xiàn)有串聯(lián)機(jī)械臂相比，混聯(lián)機(jī)械臂具有以下優(yōu)點(diǎn):所述機(jī)械臂在有約束情況下具有更大的靈活度，且運(yùn)動(dòng)各向同性度好；機(jī)械臂動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)慣量小，機(jī)械精度更高，能夠降低對(duì)電機(jī)與控制精度的要求；結(jié)構(gòu)剛度大，承載能力高，工作動(dòng)平臺(tái)能夠承載復(fù)雜的手術(shù)器械等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其更加適應(yīng)于微創(chuàng)手術(shù)的特殊環(huán)境。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，包括主定平臺(tái)、主動(dòng)平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)和工作動(dòng)平臺(tái)；主定平臺(tái)和主動(dòng)平臺(tái)之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)和工作動(dòng)平臺(tái)之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；并且工作動(dòng)平臺(tái)嵌裝在主動(dòng)平臺(tái)的中心孔內(nèi)，第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)被第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)圍合在內(nèi)；主動(dòng)平臺(tái)與翻轉(zhuǎn)靜平臺(tái)之間通過三根立柱固定相連，將兩個(gè)閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂。
[0007]所述三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈均勻間隔周向分布，各第一運(yùn)動(dòng)支鏈分別包括第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)臂、第一萬向連桿、被動(dòng)臂、第二萬向連桿和固定連接塊；第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在主定平臺(tái)上，主動(dòng)臂與第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)相連，第一萬向連桿連接在主動(dòng)臂的前端，固定連接塊安裝在主動(dòng)平臺(tái)上，第二萬向連桿連接在固定連接塊上，被動(dòng)臂共兩條分別連接在第一萬向連桿和第二萬向連桿之間。
[0008]所述三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈呈正三角形分布，各第二運(yùn)動(dòng)支鏈分別包括第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)、直線驅(qū)動(dòng)桿、桿端關(guān)節(jié)軸承和移動(dòng)滑塊，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)上，直線驅(qū)動(dòng)桿與第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)相連，桿端關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在直線驅(qū)動(dòng)桿下端，移動(dòng)滑塊連接在桿端關(guān)節(jié)軸承的前端并嵌裝在工作動(dòng)平臺(tái)的滑槽內(nèi)。
[0009]所述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，三臺(tái)電機(jī)呈正三角形分布。
[0010]所述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線步進(jìn)電機(jī)，三臺(tái)直線步進(jìn)電機(jī)呈正三角形分布。
[0011]所述工作動(dòng)平臺(tái)的滑槽沿工作動(dòng)平臺(tái)的直徑線延伸并向外貫通，三條滑槽的軸線相交于工作動(dòng)平臺(tái)的中心。
[0012]本發(fā)明設(shè)有六臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可為手術(shù)器械提供五個(gè)自由度，包括三個(gè)空間移動(dòng)自由度，以及除器械繞自身軸旋轉(zhuǎn)以外的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且擁有一個(gè)冗余移動(dòng)自由度。
[0013]本發(fā)明的有益效果是，巧妙地將兩個(gè)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合運(yùn)用，克服了串聯(lián)機(jī)構(gòu)存在的諸多缺陷，機(jī)械臂工作動(dòng)平臺(tái)擁有五個(gè)獨(dú)立自由度，一個(gè)冗余移動(dòng)自由度，加工制造成本低，可達(dá)到器械在手術(shù)中所需的所有姿態(tài)；其中冗余移動(dòng)自由度可以提高微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂的靈活性，提高了機(jī)械臂的可靠性，從而在手術(shù)中可以使器械短距離精確工進(jìn)，實(shí)現(xiàn)輕微觸碰組織、拉拽組織等微小手術(shù)動(dòng)作，更精確地對(duì)病灶進(jìn)行操作；具有較高的承載能力與較大的靈動(dòng)工作空間；構(gòu)型穩(wěn)定，工作平臺(tái)承載能力大，適合搭載多種手術(shù)器械；由于采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身機(jī)械精度高，對(duì)電機(jī)及控制精度要求較低；具有高機(jī)構(gòu)剛度，運(yùn)動(dòng)慣量小，累積誤差小的優(yōu)點(diǎn)，該混聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)解耦，剛度與承載能力等均優(yōu)于串聯(lián)機(jī)構(gòu)，且較耦合多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論分析簡(jiǎn)潔、裝配便捷、容易控制；該機(jī)構(gòu)在工作空間中具有運(yùn)動(dòng)各向同性度良好的特點(diǎn)，無奇異位姿，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，力傳動(dòng)平穩(wěn)；綜合上述特點(diǎn)，本發(fā)明的機(jī)械臂適合用于輔助醫(yī)生完成高精度、高難度的微創(chuàng)外科手術(shù)。
[0014]簡(jiǎn)單地說，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015]一、在有約束情況下具有更大的靈活度，且各向運(yùn)動(dòng)同性度好；
[0016]二、機(jī)械臂動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)慣量小，機(jī)械精度更高，能夠降低對(duì)電機(jī)與控制精度的要求；
[0017]三、結(jié)構(gòu)剛度大，承載能力高，工作平臺(tái)能夠承載復(fù)雜的手術(shù)器械等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其更加適應(yīng)于微創(chuàng)手術(shù)的特殊環(huán)境。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明中的第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]參見圖1，配合參見圖2，本發(fā)明的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，包括主定平臺(tái)1、主動(dòng)平臺(tái)10、翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)8和工作動(dòng)平臺(tái)13。主定平臺(tái)I和主動(dòng)平臺(tái)10之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)8和工作動(dòng)平臺(tái)13之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；并且工作動(dòng)平臺(tái)嵌裝在主動(dòng)平臺(tái)的中心孔內(nèi)，第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)被第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)圍合在內(nèi)；主動(dòng)平臺(tái)與翻轉(zhuǎn)靜平臺(tái)之間通過三根立柱11固定相連，將兩個(gè)閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂。
[0021 ] 本發(fā)明中的三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈均勻間隔周向分布，各第一運(yùn)動(dòng)支鏈分別包括第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、主動(dòng)臂3、第一萬向連桿4、被動(dòng)臂5、第二萬向連桿(圖中未標(biāo)示)和固定連接塊14 ;第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)2安裝在主定平臺(tái)I上，主動(dòng)臂3與第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)2傳動(dòng)相連，第一萬向連桿4連接在主動(dòng)臂3的前端，固定連接塊14安裝在主動(dòng)平臺(tái)10上，第二萬向連桿連接在固定連接塊14上，被動(dòng)臂5共兩條分別連接在第一萬向連桿和第二萬向連桿之間。上述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，三臺(tái)電機(jī)呈正三角形分布。
[0022]本發(fā)明中的三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈呈正三角形分布，各第二運(yùn)動(dòng)支鏈分別包括第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)7、直線驅(qū)動(dòng)桿6、桿端關(guān)節(jié)軸承9和移動(dòng)滑塊12，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)7安裝在翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)8上，直線驅(qū)動(dòng)桿6與第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)7傳動(dòng)相連，桿端關(guān)節(jié)軸承9設(shè)置在直線驅(qū)動(dòng)桿6下端，移動(dòng)滑塊12連接在桿端關(guān)節(jié)軸承9的前端并嵌裝在工作動(dòng)平臺(tái)13的滑槽內(nèi)。上述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線步進(jìn)電機(jī)，三臺(tái)直線步進(jìn)電機(jī)呈正三角形分布。
[0023]上述工作動(dòng)平臺(tái)的滑槽沿工作動(dòng)平臺(tái)的直徑線延伸并向外貫通，三條滑槽的軸線相交于工作動(dòng)平臺(tái)的中心。
[0024]工作動(dòng)平臺(tái)的中心位置用于安裝微創(chuàng)外科手術(shù)器械，工作時(shí)通過三臺(tái)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變?nèi)龡l主動(dòng)臂與主定平臺(tái)的夾角來實(shí)現(xiàn)工作動(dòng)平臺(tái)的三維空間移動(dòng)；通過三臺(tái)第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變?nèi)本€驅(qū)動(dòng)桿的伸長量從而實(shí)現(xiàn)工作動(dòng)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及短距離工進(jìn)移動(dòng)。從而在手術(shù)中可以使器械短距離精確工進(jìn)，實(shí)現(xiàn)輕微觸碰組織、拉拽組織等微小手術(shù)動(dòng)作，更精確地對(duì)病灶進(jìn)行操作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，其特征在于:包括主定平臺(tái)、主動(dòng)平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)和工作動(dòng)平臺(tái)；主定平臺(tái)和主動(dòng)平臺(tái)之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)和工作動(dòng)平臺(tái)之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；并且工作動(dòng)平臺(tái)嵌裝在主動(dòng)平臺(tái)的中心孔內(nèi)，第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)被第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)圍合在內(nèi)；主動(dòng)平臺(tái)與翻轉(zhuǎn)靜平臺(tái)之間通過三根立柱固定相連，將兩個(gè)閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，其特征在于:所述三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈均勻間隔周向分布，各第一運(yùn)動(dòng)支鏈分別包括第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)臂、第一萬向連桿、被動(dòng)臂、第二萬向連桿和固定連接塊；第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在主定平臺(tái)上，主動(dòng)臂與第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)相連，第一萬向連桿連接在主動(dòng)臂的前端，固定連接塊安裝在主動(dòng)平臺(tái)上，第二萬向連桿連接在固定連接塊上，被動(dòng)臂共兩條分別連接在第一萬向連桿和第二萬向連桿之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，其特征在于:所述三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈呈正三角形分布，各第二運(yùn)動(dòng)支鏈分別包括第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)、直線驅(qū)動(dòng)桿、桿端關(guān)節(jié)軸承和移動(dòng)滑塊，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)上，直線驅(qū)動(dòng)桿與第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)相連，桿端關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在直線驅(qū)動(dòng)桿下端，移動(dòng)滑塊連接在桿端關(guān)節(jié)軸承的前端并嵌裝在工作動(dòng)平臺(tái)的滑槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，其特征在于:所述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，三臺(tái)電機(jī)呈正三角形分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，其特征在于:所述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線步進(jìn)電機(jī)，三臺(tái)直線步進(jìn)電機(jī)呈正三角形分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，其特征在于:所述工作動(dòng)平臺(tái)的滑槽沿工作動(dòng)平臺(tái)的直徑線延伸并向外貫通，三條滑槽的軸線相交于工作動(dòng)平臺(tái)的中心。
【專利摘要】一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂，包括主定平臺(tái)、主動(dòng)平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)和工作動(dòng)平臺(tái)；主定平臺(tái)和主動(dòng)平臺(tái)之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)定平臺(tái)和工作動(dòng)平臺(tái)之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運(yùn)動(dòng)支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；兩個(gè)閉環(huán)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂。本發(fā)明通過三臺(tái)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變?nèi)龡l主動(dòng)臂與主定平臺(tái)的夾角來實(shí)現(xiàn)工作動(dòng)平臺(tái)的三維空間移動(dòng)；通過三臺(tái)第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變?nèi)本€驅(qū)動(dòng)桿的伸長量從而實(shí)現(xiàn)工作動(dòng)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可為手術(shù)器械提供五個(gè)自由度，適合用于輔助醫(yī)生完成高精度、高難度的微創(chuàng)外科手術(shù)。
【IPC分類】B25J9-00, A61B19-00
【公開號(hào)】CN104644267
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310582425
【發(fā)明人】宋成利, 沈桐, 徐兆紅
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年11月19日