專利名稱：主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療外科手術(shù)機器人，尤其涉及一種主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人。
背景技術(shù)：
近年來，國內(nèi)外投入臨床應(yīng)用的醫(yī)療外科機器人的數(shù)量和類型不斷增長，這種機器人 按照驅(qū)動方式可分為被動型和主動型，按照拓撲結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。被動型 靠人力驅(qū)動，無電機、液壓或氣壓驅(qū)動，主動型反之；串聯(lián)型由一組運動鏈串聯(lián)而成，屬 于開環(huán)機構(gòu)，并聯(lián)型由兩個或兩個以上的分支機構(gòu)并聯(lián)而成，屬于閉環(huán)機構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)中的機器人是純串聯(lián)或純并聯(lián)機器人，此類機器人的主要不足是對于串眹 機器人，它的剛性較差，關(guān)節(jié)存在累積誤差；對于并聯(lián)機器人，其能實現(xiàn)的靈活姿態(tài)少， 靈活性差，而且工作空間小。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種靈活性強、關(guān)節(jié)積累誤差小的主、被動結(jié)合的九自由度混聯(lián) 機器人。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，包括串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，所述串聯(lián)機 構(gòu)包括依次鉸接的基座、大臂、小臂、活套接頭；所述并聯(lián)機構(gòu)包括雙平面靜平臺、針架，所述雙平面靜平臺與所述活套接頭連接，所 述針架的上部和下部分別通過移動裝置與所述雙平面靜平臺的上平面靜平臺和下平面靜平 臺連接。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機 器人。由于包括串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，串聯(lián)機構(gòu)包括依次鉸接的基座、大臂、小臂、活套接頭；并聯(lián)機構(gòu)包括雙平面靜平臺、針架，雙平面靜平臺與活套接頭連接，針架的上部和 下部分別通過移動裝置與雙平面靜平臺的上平面靜平臺和下平面靜平臺連接。靈活性高、 關(guān)節(jié)積累誤差小。


圖l為本發(fā)明的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明的運動學(xué)建模示意圖；圖3為本發(fā)明中的液壓鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中的大臂的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中的小臂的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明中并聯(lián)機構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明中并聯(lián)機構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi).基座2.大臂3.小臂4.活套接頭5.雙平面靜平臺6.螺旋副7.球 鉸 8.針架 9.踩板機構(gòu) 10.底座 11.踩板罩 12.踩板 13.鋼絲套 14.鋼絲繩 15/17.轉(zhuǎn)球16.支柱18.筒體19.彈簧20.頂桿21.螺紋座22.活塞23.楔形環(huán) 24.活套螺母25/43.推力環(huán)26.基座殼體 27/34/37/40/50.光電編碼器28.第一關(guān)節(jié) 軸29.旋臂30.定位片31.限位座35.第二關(guān)節(jié)軸 36.碼盤座38.前短臂39.承壓 環(huán)41.定位環(huán)42.密封環(huán)44.楔形環(huán)45.第四關(guān)節(jié)軸46.后短臂47.第五關(guān)節(jié)軸 48.轉(zhuǎn)動臂49.碼盤座51.夾頭52.鎖緊螺母53.限位擋塊 55.動平臺支桿 59.螺 母 61/67.電機座 62/66.齒輪箱 63/65.傳動定位塊 68.平臺定位桿 72.側(cè)板77. 球鉸定位塊78.穿刺針79.穿刺針套具體實施方式
本發(fā)明的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其較佳的具體實施方式
如圖l所示，包 括串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，其中串聯(lián)機構(gòu)為被動機構(gòu)，具有五個轉(zhuǎn)動自由度，串聯(lián)機構(gòu)包括 依次鉸接的基座l、大臂2、小臂3、活套接頭4;并聯(lián)機構(gòu)包括雙平面靜平臺5、針架8，雙 平面靜平臺5與活套接頭4連接，針架8的上部和下部分別通過移動裝置與雙平面靜平臺5的上平面靜平臺和下平面靜平臺連接。具體串聯(lián)機構(gòu)的基座1與大臂2之間通過第一關(guān)節(jié)I和第二關(guān)節(jié)II鉸接，第一關(guān)節(jié)I的 回轉(zhuǎn)軸線為豎直方向，第二關(guān)節(jié)II的回轉(zhuǎn)軸線為水平方向；大臂2與所述小臂3之間通過第 三關(guān)節(jié)III鉸接，第三關(guān)節(jié)III的回轉(zhuǎn)軸線與第二關(guān)節(jié)n的回轉(zhuǎn)軸線平行；小臂3的中部設(shè)有第 四關(guān)節(jié)IV，第四關(guān)節(jié)IV的回轉(zhuǎn)軸線與小臂3的軸線重合，小臂3的前短臂和后短臂可通過第 四關(guān)節(jié)IV相對旋轉(zhuǎn)；小臂3與活套接頭4之間通過第五關(guān)節(jié)V鉸接，第五關(guān)節(jié)V的回轉(zhuǎn)軸線 與小臂2的軸線垂直。串聯(lián)機構(gòu)還包括液壓鎖緊裝置，液壓鎖緊裝置包括設(shè)于基座l內(nèi)的液壓動力源，液壓動力源通過液壓管路與第一關(guān)節(jié)i 、第二關(guān)節(jié)n、第三關(guān)節(jié)in、第四關(guān)節(jié)iv及第五關(guān)節(jié)v相通，并由踩板機構(gòu)9控制對各關(guān)節(jié)實現(xiàn)液壓鎖緊。并聯(lián)機構(gòu)為主動機構(gòu)，具有四個移動自由度。并聯(lián)部分包括雙平面靜平臺5、動平臺移動裝置(螺旋副6、球鉸7等)、針架8 (動平臺)三個部分。雙平面靜平臺5通過螺旋 副6和球鉸7與針架8相連。并聯(lián)機構(gòu)的驅(qū)動控制系統(tǒng)可以由直流伺服電機、驅(qū)動控制器、光 電編碼器、視覺標(biāo)定系統(tǒng)、計算機和規(guī)劃控制軟件等組成。工作時，踩下踩板，將液壓鎖緊裝置解鎖，手動將串并混聯(lián)機器人的并聯(lián)部分放置在 手術(shù)區(qū)域，然后通過液壓鎖緊裝置鎖定串聯(lián)機構(gòu)的5個關(guān)節(jié)，啟動并聯(lián)機構(gòu)的驅(qū)動裝置，控 制機器人按照醫(yī)生規(guī)劃好的路徑完成空間位置和姿態(tài)的精確定位。如圖2所示，本發(fā)明的機器人運動學(xué)結(jié)構(gòu)具有九個自由度，其中串聯(lián)機構(gòu)有5個自由 度，工作時，第一關(guān)節(jié)I的軸線為鉛垂方向，沿水平面在正負160度范圍內(nèi)運動，第二關(guān)節(jié)n軸線與第一關(guān)節(jié)i軸線垂直，第二關(guān)節(jié)n可實現(xiàn)鉛垂平面內(nèi)的正負i5o度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動；第三關(guān)節(jié)in軸線與第二關(guān)節(jié)軸線II垂直，可實現(xiàn)鉛垂平面內(nèi)的正負160度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動；第四關(guān)節(jié)IV的軸線與第三關(guān)節(jié)ffl、第五關(guān)節(jié)v的軸線垂直，可繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)繞自身 軸線的正負150度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動；第五關(guān)節(jié)V可實現(xiàn)空間正負160度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動。并聯(lián)機構(gòu)具有4個移動自由度，分別為針架上部垂直方向上的兩個移動自由度和針架 下部垂直方向上的兩個移動自由度，行程范圍可以為0 80mm。如圖3所示，支柱16與液壓動力源固連，筒體18與螺紋座21、活套螺母24、頂桿20、 活塞22、液壓源殼體26、第一關(guān)節(jié)軸28的軸線重合?；钊?2可以具有較高的密封性。頂桿 20與鋼絲繩14連接并穿過底部的轉(zhuǎn)球15，筒體18和螺紋座21嵌套，活套螺母24和螺紋座21 配合緊固，液壓源殼體26嵌入螺紋座21，編碼器27與第一關(guān)節(jié)軸28配合并置于液壓源殼體 26上部，松開活套螺母24,可將第一至第五關(guān)節(jié)整體從液壓動力源脫開。踩板機構(gòu)9由鋼絲 繩14、鋼絲套13、轉(zhuǎn)球15、踩板12、踩板罩11和底座10組成，踩板罩11和底座10焊接固 連，踩板12通過鋼絲繩14相連，鋼絲繩14一端通過扣緊套系與踩板12底部，另一端與液壓 動力源活塞頂桿20相連，踩板罩ll上面開球面孔，轉(zhuǎn)球通過球面孔配合形成球面副。通過 頂桿對活塞的作用改變關(guān)節(jié)鎖緊程度。如圖4所示，第一關(guān)節(jié)I包括旋臂29，第二關(guān)節(jié)軸35與旋臂29通過螺紋固連。旋臂29 上安裝了用于關(guān)節(jié)零位校對的定位片30和限位座31。大臂24—端連接第二關(guān)節(jié)n，另一端連接第三關(guān)節(jié)III,可以為中空結(jié)構(gòu)，第二關(guān)節(jié)II和第三關(guān)節(jié)in的軸線相互平行。第二關(guān)節(jié)n的光電編碼器37固定在大臂2上。如圖5所示，小臂3由前短臂38和后短臂46組成，小臂3—端連接第三關(guān)節(jié)in,另一端 連接第五關(guān)節(jié)V，中間為第四關(guān)節(jié)IV。小臂3由前短臂38和后短臂46組成，前短臂38和后短 臂46通過第四關(guān)節(jié)45相連，前短臂38與第四關(guān)節(jié)45螺紋固聯(lián)，后短臂46與第四關(guān)節(jié)軸45過 盈配合相連，形成前短臂38和后短臂46的相對運動。第四關(guān)節(jié)IV的光電編碼器40位于前短 臂38和后短臂46之間，其軸線與前短臂38和后短臂46重合。第三關(guān)節(jié)III的零位由旋臂29上 的限位座31、定位片30和后短臂46上的限位擋塊53共同確定。如圖6、圖7所示，并聯(lián)機器人由雙平面靜平臺5、動平臺移動裝置和針架8 (動平臺) 組成。雙平面靜平臺5通過平臺定位桿68固連，側(cè)板72固定在架體兩側(cè)，每個側(cè)板72與伺服 電機座61、齒輪箱62和傳動定位塊63配合固連。串并機構(gòu)活套接頭4固定于兩個靜平臺之 間。動平臺傳動裝置由電機座61中的伺服電機、齒輪箱62中的齒輪組、螺旋副6、螺母59、 球鉸定位塊77和球鉸7等構(gòu)成，形成并聯(lián)機構(gòu)的四個支鏈。球鉸定位塊77兩側(cè)開兩個不共面 的垂直通孔，與動平臺支桿55相連。球鉸定位塊77中間開球面孔，與中空球面副配合形成 球鉸7，并可以在兩個垂直通孔中運動。針架8是并聯(lián)機構(gòu)的動平臺，包括穿刺針套79、穿刺針78、球鉸7，上述三者的軸線重 合。穿刺針套79插入球鉸7中間孔內(nèi)，穿刺針78插入穿刺針套79中，穿刺針78可以沿自身軸 線轉(zhuǎn)動和移動，穿刺針78的軸線、針套79和球鉸76的內(nèi)孔軸線重合。通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)， 使上下平面的兩個球鉸在各自的架體所確定的平面內(nèi)運動，從而實現(xiàn)穿刺針78的在三維空 間的位置和姿態(tài)定位。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，適合在CT等受限手術(shù)空間下進行外科手術(shù)；剛度較高，承 載能力較大；末端手術(shù)器械能實現(xiàn)的姿態(tài)多，有較高的靈活度和絕對定位精度；被動串聯(lián) 式和主動并聯(lián)式有機結(jié)合，更進一步提高了整個混聯(lián)機器人的靈活性。該系統(tǒng)能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 遠程手術(shù)的同時，也可以將并聯(lián)機構(gòu)拆下，單獨進行被動機器人手術(shù)操作。主要功能是作為手術(shù)操作和定位的平臺，通過手術(shù)軟件界面，能根據(jù)外科醫(yī)生規(guī)劃 好的路徑自主完成空間精確位置和姿態(tài)定位，輔助醫(yī)生進行外科手術(shù)，并在滿足手術(shù)空間 要求的前提下，提供一定的承載能力和較高的靈活性。能降低手術(shù)醫(yī)生的疲勞，減少對患 者的手術(shù)創(chuàng)傷和操作誤差。該機器人既能完成遠程控制手術(shù)，也能作為被動機器人完成外 科手術(shù)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，包括串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，所述串聯(lián)機構(gòu)包括依次鉸接的基座、大臂、小臂、活套接頭；所述并聯(lián)機構(gòu)包括雙平面靜平臺、針架，所述雙平面靜平臺與所述活套接頭連接，所述針架的上部和下部分別通過移動裝置與所述雙平面靜平臺的上平面靜平臺和下平面靜平臺連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述基座 與所述大臂之間通過第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)鉸接，所述第一關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線為豎直方向，所 述第二關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線為水平方向；所述大臂與所述小臂之間通過第三關(guān)節(jié)鉸接，所述第三關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述第二關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線平行；所述小臂的中部設(shè)有第四關(guān)節(jié)，所述第四關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述小臂的軸線重合，所 述小臂的前短臂和后短臂可通過所述第四關(guān)節(jié)相對旋轉(zhuǎn)；所述小臂與所述活套接頭之間通過第五關(guān)節(jié)鉸接，所述第五關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述小 臂的軸線垂直。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述串聯(lián) 機構(gòu)還包括液壓鎖緊裝置，所述液壓鎖緊裝置通過液壓管路與所述第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、 第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)及第五關(guān)節(jié)相通，對所述各關(guān)節(jié)實現(xiàn)鎖緊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述液壓 鎖緊裝置包括液壓動力源、踩板機構(gòu)；所述液壓動力源設(shè)于所述基座內(nèi)，包括活塞、活塞頂桿，所述活塞頂桿的上端頂在所 述活塞的下端；所述踩板機構(gòu)包括踩板罩、踩板，所述踩板的一端與所述踩板罩鉸接，所述踩板的中 部與所述活塞頂桿的下端通過鋼絲連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述第一 關(guān)節(jié)包括旋臂，所述旋臂與所述基座之間鉸接且設(shè)有關(guān)節(jié)零位校對裝置，所述第二關(guān)節(jié)的 軸與所述旋臂通過螺紋固連。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述第一 關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)處分別設(shè)有光電編碼器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述活套 接頭包括夾頭和鎖緊螺母，所述夾頭的一端與所述第五關(guān)節(jié)連接，所述夾頭的另一端通過所述鎖緊螺母與所述雙平面靜平臺連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述雙平 面靜平臺的上平面靜平臺和下平面靜平臺之間通過平臺定位桿固連，所述上平面靜平臺和 下平面靜平臺分別設(shè)有單獨的移動裝置；所述移動裝置包括相互垂直的兩個動平臺支桿，兩個動平臺支桿的交叉處嚙合有球鉸 定位塊，所述針架的上部和下部分別與所述上平面靜平臺和下平面靜平臺的球鉸定位塊鉸 接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述動平 臺支桿的兩端分別嚙合有一根螺旋副，兩根螺旋副相互平行，所述兩根螺旋副連接有驅(qū)動 裝置。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，其特征在于，所述定 位塊中間開有球面孔，所述球面孔中設(shè)有球鉸，所述球鉸上開有通孔，所述球鉸的外表面 與所述球面孔的內(nèi)表面相配合；所述針架包括穿刺針套、穿刺針，所述穿刺針套插入所述球鉸的通孔內(nèi)并配合固連， 所述穿刺針插入所述穿刺針套中，所述穿剌針可以沿自身軸線轉(zhuǎn)動和軸向移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種主被動結(jié)合的九自由度混聯(lián)機器人，包括串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，串聯(lián)機構(gòu)為被動機構(gòu)，包括依次鉸接的基座、大臂、小臂、活套接頭，具有5個自由度；并聯(lián)機構(gòu)為主動機構(gòu)，包括雙平面靜平臺、針架，雙平面靜平臺與活套接頭連接，針架的上部和下部分別通過移動裝置與雙平面靜平臺的上平面靜平臺和下平面靜平臺連接，具有4個移動自由度。靈活性強、關(guān)節(jié)積累誤差小、末端手術(shù)器械能實現(xiàn)的姿態(tài)多、有較高的靈活度和絕對定位精度，適合在CT等受限手術(shù)空間下進行外科手術(shù)。
文檔編號B25J3/00GK101224574SQ200810057949
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者達 劉, 粲 唐, 王田苗 申請人:北京航空航天大學(xué)