[發(fā)明專利]一種同軸移動回轉四自由度并聯(lián)機器人

有效

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• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106584431B
• 公開（公告）日: 2019-02-22
• 發(fā)明（設計）人: 段清娟;杜志江;馬瑾;董曉東;殷成熙
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 韋全生;王品華

本發(fā)明提出了一種同軸移動回轉四自由度并聯(lián)機器人，用于解決現(xiàn)有脊柱微創(chuàng)手術機器人結構復雜和使用精度低的技術問題；包括定平臺、動平臺、三個支鏈和四個電機；其中第一至第三電機安裝在定平臺上；第一、第二支鏈的輸出端活動連接，其輸入端分別與電機相連，第三電機的轉子上固接有轉臺，作為第三支鏈的第一輸入端，第三支鏈的第三近定平臺桿的一端作為第三支鏈的第二輸入端與固接在轉臺上的第四電機相連，動平臺的一端與第三支鏈的輸出端由萬向節(jié)活動連接，另一端通過球鉸與第一、第二支鏈的輸出端中點活動連接，形成并聯(lián)閉環(huán)機構。本發(fā)明能夠實現(xiàn)對兩軸的同軸回轉移動四自由度，結構簡單，使用精度高，可用于醫(yī)療系統(tǒng)中的脊柱微創(chuàng)手術。

技術領域

本發(fā)明屬于機器人技術領域，具體涉及一種可以實現(xiàn)對同軸的移動和轉動的四自由度并聯(lián)機器人機構，可用于醫(yī)療系統(tǒng)中的脊柱微創(chuàng)手術。

背景技術

并聯(lián)機構定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅動的一種閉環(huán)機構。基于并聯(lián)機構的并聯(lián)機器人相較于傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人有以下特點：結構緊湊，剛度高；無累計誤差，精度較高；工作空間較小；驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，減輕運動部分質量，可實現(xiàn)較高速度的運動。

在脊柱微創(chuàng)手術中，所涉及的術種包括椎弓根螺釘內固定術、經(jīng)皮椎體成形術、經(jīng)皮椎板減壓術等，傳統(tǒng)的人工進行微創(chuàng)手術方法要求外科醫(yī)生有超高的手術水平，同時借助機器成像輔助的手術方式使得手術人員的手眼協(xié)調被打斷，誤操作或顫抖造成的手術偏差難于避免，且手術過程中醫(yī)生和患者需要受到大量X 射線的輻射，因此脊柱微創(chuàng)手術機器人的研究和應用成為了迫切需要解決的問題，目前應用于脊柱微創(chuàng)手術的醫(yī)療機器人構型多為串聯(lián)結構，但誤差積累、剛度性能差、體積龐大等難以克服的缺點，降低了手術的安全性。

并聯(lián)機器人在高精度、高剛度或者大載荷且不需要較大工作間的領域內的優(yōu)勢，可以很好的解決和彌補基于串聯(lián)結構的脊柱微創(chuàng)手術機器人所存在的問題和缺點。

脊柱微創(chuàng)手術過程要求機構具有定位和定姿的要求，至少需求四個自由度，且應為對同軸的移動和轉動自由度。

并聯(lián)機構的分類方法有很多，從運動形式來看，并聯(lián)機構可分為平面機構和空間機構；細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構，最常用的分類方式是按并聯(lián)機構的自由度數(shù)分類，可分為2自由度并聯(lián)機構、3自由度并聯(lián)機構、4自由度并聯(lián)機構、5自由度并聯(lián)機構、6自由度并聯(lián)機構，其中以3自由度和6自由度并聯(lián)機構研究最多也最成熟。

關于4自由度并聯(lián)機構研究相對較少，完全并聯(lián)型的4自由度并聯(lián)機構有 4-RPUR型，其具有3個回轉自由度和1個移動自由度，無法實現(xiàn)脊柱微創(chuàng)手術機器人需求的位置和姿態(tài)要求，還有一大類四自由度并聯(lián)型機器人可實現(xiàn)兩回轉兩移動自由度，但其只能實現(xiàn)對一個軸的同軸回轉和移動，另外的移動和回轉自由度是分別對于其他兩個軸的，也無法滿足目前脊柱微創(chuàng)手術機器人需求的位置和姿態(tài)，國內涉及對同軸移動和轉動4自由并聯(lián)機構較少，如申請公開號CN 104972456A，名稱為“一種可實現(xiàn)平面二維定位和空間二維定向的雙平面并聯(lián)機構”的中國專利申請，公開了一種可實現(xiàn)平面二維定位和空間二維定向的雙平面并聯(lián)機構。機構由上平面驅動機構、下平面驅動機構和末端器械組成，兩平面機構分別通過U副與末端器械鉸接，且上平面U副可沿器械軸線滑動；每一平面驅動機構均由四根桿通過連接軸或固定軸依次連接而成。其較好的解決了傳統(tǒng)串聯(lián)型脊柱微創(chuàng)手術體積龐大、操作難度大導致的精度低的問題。但是這種機構存在不足之處：末端器械與上下平面的驅動機構之間的連接結構復雜不利于實現(xiàn)；上平面U副沿末端器械軸線有滑動，長時間的使用后摩擦損耗會使使用精度下降；機構在運動控制時存在較大的耦合現(xiàn)象，不利于控制的實現(xiàn)。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，提出了一種同軸移動回轉四自由度并聯(lián)機器人，用于克服現(xiàn)有脊柱微創(chuàng)手術機器人存在的結構復雜和使用精度低的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為：