[發明專利]可實現3PUU機構和3UPU機構的組合運動輸出裝置

無效

• 申請號: 201110381768.4
• 申請日: 2011-11-25
• 公開（公告）號: CN102488557A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 槐創鋒;賈雪艷;劉平安
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00;B25J9/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種可實現3PUU機構和3UPU機構自由轉換的組合并聯機構，適用于精密手術及微創手術等醫療用途機械產品以及其它需要實現宏觀運動和微動調節兩種復合運動形式的場合。

背景技術

醫療機器人是目前國內外機器人研究領域中最活躍、投資最多的方向之一，其發展前景非常看好。近年來，隨著機器人技術、計算機圖像技術、計算機控制技術和微創傷外科技術的發展，科研人員展開了遙控操作的外科研究，用于戰傷模擬手術、手術培訓和解剖教學等。高精度、多自由度機械手是醫療機器人的核心組成部分。其結構一般是由兩部分組成，一是用于定位的機構，二是用于姿態調整的機構。多機構的使用不僅僅增加了運動控制的難度，還會增加控制節點，直接導致累計誤差的放大，帶來運動精度難以保證和控制系統冗余甚至難以控制的嚴重后果。

通常情況下，設計人員對定位和姿態控制機構分別進行控制，然而這一方法使得醫療機器人末端操作運動不連貫，當需要操作器末端快速定位的時候，運動速度過慢，而當需要精密操作的時候，運動位移精度又不滿足要求，這導致醫治時間增加甚至醫治失敗的嚴重后果。目前，也有科研機構針對這一問題，設計多系統綜合控制系統，這一方法，會產生更多的控制系統變量，造成系統輸出的不確定性增加，存在潛在的安全隱患，不能完全解決問題。

發明內容

本發明要解決的問題是提供一種部分支鏈重合的組合并聯機構，通過部分驅動運動副鎖死和放開實現可用于醫療機器人的位置和姿態控制。

本裝置利用3UPU和3PUU兩種三自由度并聯機構支鏈運動副組成相近的特點，將兩種并聯機構支鏈中的“PU”部分支鏈進行共用，設計了一種能夠實現3自由度宏觀運動和3自由度微動調節的3PUPU組合并聯機構。當需要實現比較大的位姿運動操作時，可以鎖定三個支鏈中最上端的“P”副，該組合并聯機構就成為3UPU機構，其中“P”為驅動運動副。當需要實現比較小的位姿調整操作時，可以鎖定三個支鏈中端的“P”副，該組合并聯機構就成為3PUU機構，其中“P”為驅動運動副。

本發明是通過以下技術方案實現的。

本發明由三自由度3UPU并聯機構、三自由度3PUU微動機構、工作空間調節機構及7個主動驅動器構成。

主體部分的機架[1]和操作器動平臺[22]由3條支鏈進行連接。每條支鏈結構完全相同，以一條支鏈為例，從機架[1]開始，通過球形搖塊一[3]、滑道一[6]、滑塊一[9]、虎克鉸一[13]、直線驅動器一[16]、虎克鉸四[19]和操作器動平臺[22]連接在一起，實現整個裝置的功能。

三自由度3UPU并聯機構主要由機架[1]、虎克鉸一[13]、虎克鉸二[14]、虎克鉸三[15]、直線驅動器一[16]、直線驅動器二[17]、直線驅動器三[18]、虎克鉸四[19]、虎克鉸五[20]、虎克鉸六[21]和操作器動平臺[22]構成。此時，滑道[6][7][8]和滑塊[9][10][11]之間是鎖定狀態，調節螺母[23]和調節螺桿[2]之間沒有相對運動，而直線驅動器一[16]、直線驅動器二[17]和直線驅動器三[18]為該機構的主動驅動器，此三自由度3UPU并聯機構示意圖如圖2所示，可以實現3平移運動自由度輸出。

三自由度3PUU并聯機構主要由機架[1]、滑道一[6]、滑道二[7]、滑道三[8]、滑塊一[9]、滑塊二[10]、滑塊三[11]、虎克鉸一[13]、虎克鉸二[14]、虎克鉸三[15]、直線驅動器一[16]、直線驅動器二[17]、直線驅動器三[18]、虎克鉸四[19]、虎克鉸五[20]、虎克鉸六[21]和操作器動平臺[22]構成。此時，直線驅動器[16][17][18]是鎖定狀態，調節螺母[23]和調節螺桿[2]之間沒有相對運動，而滑塊一[9]、滑塊二[10]和滑塊三[11]為該機構的主動驅動器，此三自由度3PUU并聯機構示意圖如圖3所示，可以實現三自由度微動平移輸出。

工作空間調節機構主要由機架[1]、球形搖塊一[3]、球形搖塊二[4]、球形搖塊三[5]、滑道一[6]、滑道二[7]、滑道三[8]、滑道支撐架[12]、調節螺桿[2]和調節螺母[23]構成。此時，調節螺母[23]為該機構的主動驅動器，該機構通過調節螺母[23]的旋轉帶動調節螺桿[2]上下運動，同時滑道支撐架[12]也上下運動，實現整個機構工作空間的調節功能。

7個主動驅動器包括調節螺母[23]驅動電機、3個滑塊[9][10][11]驅動電機、3個直線驅動器[16][17][18]驅動裝置。