一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，屬于混聯(lián)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有單純的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的醫(yī)療機(jī)器人在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中具有局限性的問題。本發(fā)明所述的本發(fā)明所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，水平直線模組、豎直直線模組和關(guān)節(jié)活動(dòng)件一為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的三維定位，同時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)件一和關(guān)節(jié)活動(dòng)件二又構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)YOZ和XOZ兩個(gè)平面內(nèi)二維定向，共實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的平面定位和定向。本發(fā)明便于控制末端手術(shù)器械安裝座的位置，有利于提高定位和導(dǎo)向精度。適用于其他需要空間二維定向和三維定位的場合。
【專利說明】
一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于混聯(lián)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中，所涉及的術(shù)種包括椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)、經(jīng)皮椎體成形術(shù)、經(jīng)皮椎板減壓術(shù)等，這些術(shù)式對(duì)操作精細(xì)度要求很高，因?yàn)槲⑿〉氖д`都有可能造成脊髓或神經(jīng)根的損傷，導(dǎo)致下肢癱瘓甚至死亡。
[0003]傳統(tǒng)的人工進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)方法要求醫(yī)生具有很高的操作技術(shù)水平，然而借助導(dǎo)航的手術(shù)方式切斷了醫(yī)生的手眼協(xié)調(diào)，由于誤操作或顫抖造成的手術(shù)偏差難于避免，且手術(shù)過程中醫(yī)生和患者需要受到大量X射線的輻射。因此脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用成為了醫(yī)學(xué)界和工程界的共識(shí)。
[0004]目前應(yīng)用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療機(jī)器人構(gòu)型均為單純的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)雖然工作空間大，但是誤差積累、剛度性能較差，降低了手術(shù)的安全性;并聯(lián)結(jié)構(gòu)誤差均化，精度高，剛性好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大，工作空間小。單純的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)于脊柱微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)室環(huán)境要求和醫(yī)師操作要求都有其局限性，限制了這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有單純的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的醫(yī)療機(jī)器人在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中具有局限性的問題，現(xiàn)提供一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)。
[0006]—種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，它包括:機(jī)架1、水平直線模組2、豎直直線模組3、小臂5、大臂6、關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7和關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8;
[0007]機(jī)架I為由豎梁和橫梁構(gòu)成的L型結(jié)構(gòu)，以二者交點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)建立坐標(biāo)系，橫梁的長度方向與Y軸同向，豎梁的長度方向與Z軸同向，
[0008]水平直線模組2固定在機(jī)架I的橫梁上，水平直線模組2上設(shè)有水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊，該水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊能夠沿Y軸方向滑動(dòng)，
[0009]豎直直線模組3固定在機(jī)架I的豎梁上，豎直直線模組3上設(shè)有豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊，該豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊能夠沿Z軸方向滑動(dòng)，
[0010]大臂6呈V字形，大臂6的下部V形懸空端與豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7固定在大臂6的上部V形懸空端上，
[0011]小臂5的一端與水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，小臂5的另一端與大臂6的V形折點(diǎn)固定端鉸接，
[0012]關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7的長度方向與X軸方向同向，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7上設(shè)有運(yùn)動(dòng)輸出臂，該運(yùn)動(dòng)輸出臂能夠沿X軸方向伸縮，還能夠以其中軸線為轉(zhuǎn)軸進(jìn)行整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，
[0013]關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7的運(yùn)動(dòng)輸出臂末端鉸接，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7的鉸接軸與Y軸方向同向，且關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8能夠以該鉸接軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0014]它還包括:關(guān)節(jié)連接件一4-1和關(guān)節(jié)連接件二 4-2;
[0015]大臂6的下部V形懸空端通過關(guān)節(jié)連接件二4-2與豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，
[0016]小臂5的一端通過關(guān)節(jié)連接件一4-1與水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接。
[0017]關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8能夠以關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7的鉸接軸為轉(zhuǎn)軸，在-30°至30°之間擺動(dòng)。
[0018]V字形大臂6的V形夾角為120°。
[0019]關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7為空心結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8的驅(qū)動(dòng)器位于關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7內(nèi)部。
[0020]本發(fā)明所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，水平直線模組2、豎直直線模組3和關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的三維定位，同時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7和關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8又構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)YOZ和XOZ兩個(gè)平面內(nèi)二維定向，共實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的平面定位和定向。
[0021]本發(fā)明所述的混聯(lián)機(jī)構(gòu)，水平直線模組2和豎直直線模組3的工作平面與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7和關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8的工作平面正交布置，運(yùn)動(dòng)解耦，更加便于控制末端手術(shù)器械安裝座的位置，有利于提高定位和導(dǎo)向精度。同時(shí)，本發(fā)明所述的混聯(lián)機(jī)構(gòu)提升了系統(tǒng)剛性，使定位、定向更加穩(wěn)定。電機(jī)靠近機(jī)架，減輕了后續(xù)消毒難度。整體工作空間針對(duì)脊柱手術(shù)設(shè)計(jì)，貼近臨床，適用性強(qiáng)，減少對(duì)醫(yī)生護(hù)士其它操作的干擾，適用性強(qiáng)。本發(fā)明適用于其他需要空間二維定向和三維定位的場合。
【附圖說明】
[0022]圖1為一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的主視圖；
[0024]圖3為圖2的左視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]【具體實(shí)施方式】一:參照圖1、圖2和圖3具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，它包括:機(jī)架1、水平直線模組2、豎直直線模組3、小臂5、大臂6、關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7和關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8;
[0026]機(jī)架I為由豎梁和橫梁構(gòu)成的L型結(jié)構(gòu)，以二者交點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)建立坐標(biāo)系，橫梁的長度方向與Y軸同向，豎梁的長度方向與Z軸同向，
[0027]水平直線模組2固定在機(jī)架I的橫梁上，水平直線模組2上設(shè)有水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊，該水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊能夠沿Y軸方向滑動(dòng)，
[0028]豎直直線模組3固定在機(jī)架I的豎梁上，豎直直線模組3上設(shè)有豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊，該豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊能夠沿Z軸方向滑動(dòng)，
[0029]大臂6呈V字形，大臂6的下部V形懸空端與豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7固定在大臂6的上部V形懸空端上，
[0030]小臂5的一端與水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，小臂5的另一端與大臂6的V形折點(diǎn)固定端鉸接，
[0031]關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7的長度方向與X軸方向同向，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7上設(shè)有運(yùn)動(dòng)輸出臂，該運(yùn)動(dòng)輸出臂能夠沿X軸方向伸縮，還能夠以其中軸線為轉(zhuǎn)軸進(jìn)行整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，
[0032]關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 7的運(yùn)動(dòng)輸出臂末端鉸接，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7的鉸接軸與Y軸方向同向，且關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8能夠以該鉸接軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0033]本實(shí)施方式所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于完成對(duì)帶有手術(shù)器械安裝座的關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8的操作。應(yīng)用時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)各部件的運(yùn)動(dòng)，需要配合各自的驅(qū)動(dòng)器:
[0034]水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊需要水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)該滑塊沿Y軸來回移動(dòng)，
[0035]豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊需要豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)該滑塊沿Z軸來回移動(dòng)，
[0036]關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7需要關(guān)節(jié)活動(dòng)件一驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)其自身X方向的伸縮和回轉(zhuǎn)，
[0037]關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8需要關(guān)節(jié)活動(dòng)件二驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)其在XOZ平面的擺動(dòng)。
[0038]在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機(jī)器人可以分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人，串聯(lián)機(jī)器人工作空間大，運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活性好;并聯(lián)機(jī)器人剛度大、承載能力強(qiáng)、關(guān)節(jié)誤差均化，末端誤差小、精度高。針對(duì)實(shí)際情況，本實(shí)施方式對(duì)串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行串、并結(jié)合得到五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)綜合了串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的使用性能，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)器械在手術(shù)切口點(diǎn)的上方定位，以及器械操作角度的空間二維調(diào)整。
[0039]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，它還包括:關(guān)節(jié)連接件一4-1和關(guān)節(jié)連接件二 4-2;
[0040]大臂6的下部V形懸空端通過關(guān)節(jié)連接件二4-2與豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，
[0041 ]小臂5的一端通過關(guān)節(jié)連接件一 4-1與水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接。
[0042]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8能夠以關(guān)節(jié)活動(dòng)件二8與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7的鉸接軸為轉(zhuǎn)軸，在-30°至30°之間擺動(dòng)。
[0043]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，乂字形大臂6的V形夾角為120。。
[0044]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步說明，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7為空心結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 8的驅(qū)動(dòng)器位于關(guān)節(jié)活動(dòng)件一7內(nèi)部。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，它包括:機(jī)架(I)、水平直線模組(2)、豎直直線模組(3)、小臂(5)、大臂(6)、關(guān)節(jié)活動(dòng)件一(7)和關(guān)節(jié)活動(dòng)件二(8); 機(jī)架(I)為由豎梁和橫梁構(gòu)成的L型結(jié)構(gòu)，以二者交點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)建立坐標(biāo)系，橫梁的長度方向與Y軸同向，豎梁的長度方向與Z軸同向， 水平直線模組(2)固定在機(jī)架(I)的橫梁上，水平直線模組(2)上設(shè)有水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊，該水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊能夠沿Y軸方向滑動(dòng)， 豎直直線模組(3)固定在機(jī)架(I)的豎梁上，豎直直線模組(3)上設(shè)有豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊，該豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊能夠沿Z軸方向滑動(dòng)， 大臂(6)呈V字形，大臂(6)的下部V形懸空端與豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一(7)固定在大臂(6)的上部V形懸空端上， 小臂(5)的一端與水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接，小臂(5)的另一端與大臂(6)的V形折點(diǎn)固定端奴接， 關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 (7)的長度方向與X軸方向同向，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 (7)上設(shè)有運(yùn)動(dòng)輸出臂，該運(yùn)動(dòng)輸出臂能夠沿X軸方向伸縮，還能夠以其中軸線為轉(zhuǎn)軸進(jìn)行整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 (8)與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 (7)的運(yùn)動(dòng)輸出臂末端鉸接，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 (8)與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 (7)的鉸接軸與Y軸方向同向，且關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 (8)能夠以該鉸接軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，它還包括:關(guān)節(jié)連接件一 (4-1)和關(guān)節(jié)連接件二 (4-2); 大臂(6)的下部V形懸空端通過關(guān)節(jié)連接件二 (4-2)與豎直運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接， 小臂(5)的一端通過關(guān)節(jié)連接件一 (4-1)與水平運(yùn)動(dòng)輸出滑塊鉸接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 (8)能夠以關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 (8)與關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 (7)的鉸接軸為轉(zhuǎn)軸，在-30°至30°之間擺動(dòng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，V字形大臂(6)的V形夾角為120°。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于，關(guān)節(jié)活動(dòng)件一 (7)為空心結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)活動(dòng)件二 (8)的驅(qū)動(dòng)器位于關(guān)節(jié)活動(dòng)件一(7)內(nèi)部。
【文檔編號(hào)】A61B34/30GK105997249SQ201610265212
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】于洪健, 杜志江, 彭翊, 李少東
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)