解耦四自由度遠心機構制造技術

一種解耦四自由度遠心機構，包括機架、末端執行器、第一運動支鏈和第二運動支鏈；機架設有第一支架和第二支架，第一運動支鏈連接在第一支架與末端執行器的第一端之間，第二運動支鏈連接在第二支架與末端執行器的第二端之間；通過第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的被動運動以及末端執行器的自轉，可實現末端執行器的三轉動、一移動的四自由度解耦運動。本發明專利技術具有繞遠處旋轉中心的解耦四自由度運動，并且驅動電機靠近基座，遠離末端執行器，從而使腹腔微創手術機器人的末端執行器的質量更輕，運動慣性更小，提高了手術的安全性。

Decoupling four degree of freedom telecentric mechanism

A four degree of freedom decoupling telecentric mechanism, which comprises a frame, end effector, first and second branched motion chains; the frame is provided with a first bracket and the second bracket, the first moving chain is connected between the first end of the first bracket and the end effector, second limbs connected between the second bracket and the end effector of the second by the end of active movement and passive movement; the first movement of second branched and branched motion of the end effector rotation, can realize the end effector, a mobile three rotation of four degrees of freedom motion decoupling. Decoupling of the invention has four degrees of freedom motion around the distance of the center of rotation of the drive motor, and near the base, away from the end effector, so that the quality of terminal abdominal minimally invasive surgery robot actuator lighter, smaller inertia, improve the safety of the operation.

【技術實現步驟摘要】
解耦四自由度遠心機構
本專利技術涉及醫療機器人，尤其涉及一種解耦四自由度遠心機構。
技術介紹
并聯機構廣泛應用于重載模擬設備、機器人、數控機床、傳感器及微操作領域。然而，并聯機構各驅動單元之間是耦合的，即并聯機構整體輸出平臺沿任一方向的運動都是所有驅動單元的運動合成，并且各驅動單元的運動與并聯機構整體運動(即輸入與輸出)之間是非線性的。這一特性導致并聯機構控制復雜，標定困難，且制約了精度的提高。因此，如何實現并聯機構解耦，以簡化控制和標定，提高運動精度，一直是一個困難而富有挑戰性的課題。運動解耦并聯機器人是指輸出運動的任一個自由度都僅依賴單個驅動單元，其他驅動單元動作不對此自由度產生影響。具有完全解耦的并聯機構運動關系簡單、標定簡便、控制精度高、剛度大，在虛軸機床和機器人中應用前景廣闊。[HuntKH.StructuralKinematicsofIn–Parallel-ActuatedRobotArms,JournalofMechanisms,TransmissionsandAutomationinDesign,1983,105:705-712]報道了一種兩轉動一移動自由度并聯機構，主要由機架、動平臺和固連在機架和動平臺之間的三個結構形式相同的運動支鏈組成，每個運動支鏈依次由轉動副、移動副、球鉸鏈及它們之間的桿件組成，并且三個運動支鏈空間對稱分布。文獻[HuangZ,WangJ.FangYF,AnalysisofInstantaneousMotionsofDeficient-Rank3-RPSParallelManipulators.MechanismandMachineTheory,2002,37(2):229-240.]報道了該類型并聯機構存在瞬時運動，其轉動自由度的軸線只存在于一單葉雙曲面上。中國專利文獻CN101036986A報道了由動平臺、固定平臺及連接它們的四條閉環運動支鏈組成的兩轉動一移動并聯機構，每條閉環支鏈含有一類對稱結構的六桿球形機構，動平臺和固定平臺與每條支鏈用轉動副連接。文獻[XianwenKong,ClementM.GosselinTypesynthesisofinput-outputdecoupledparallelmanipulators,TransactionsoftheCSME,Vol.28,SpecialEdition,2004]中報道了具有兩移動一轉動自由度并聯機構，由動平臺、固定平臺和串并聯混搭的運動支鏈組成。文獻[李惠良，金瓊，楊廷力，一類一平移兩轉動解耦并聯機構及其位移分析，機械制造與研究，Feb2002,(1):9-12,14]提出一種具有三角化解耦特性的兩轉動一移動并聯機構，但輸出自由度不完全由單個驅動器控制，仍屬于解耦并聯機構，完全解耦的四自由度球面機構文獻專利技術目前尚未檢索到。在進行腹腔微創手術時，先在患者肚皮出開出小孔，然后微創手術機器人利用一個特定的機械結構將手術器械(例如剪刀，鑷子)通過這個小孔送入體內，并且為了保證手術安全性，要求手術器械只在肚皮切口處實現四個自由度運動。這個手術器械與肚皮交點可稱為遠心點，而此特定的機械結構則可稱為遠心機構。在遠心機構研制方面，有很多的經典案例，例如，東京大學研制出的五連桿遠心機構，該機構非常容易拆裝，便于機器人的消毒，然而剛性稍差。華盛頓大學研制的球面遠心機構，利用球面關節的軸線過球心定點的原理，保證末端手術器械的定點四自由度運動，這種機構很緊湊，也容易實現小型化，但是這種機構驅動問題復雜，且由于運動學復雜，難以實現控制。還有daVinci公司應用的復合平行四桿機構遠心機構，在剛度和運動空間上都非常的不錯，但是它對加工精度的要求很高，同時末端執行器的重量較大，慣性大。
技術實現思路
本專利技術的目的，就是為了解決上述問題，提供一種解耦四自由度遠心機構。為了達到上述目的，本專利技術采用了以下技術方案：一種解耦四自由度遠心機構，包括機架、末端執行器、第一運動支鏈和第二運動支鏈；所述機架設有第一支架和第二支架，所述第一運動支鏈連接在第一支架與末端執行器的第一端之間，所述第二運動支鏈連接在第二支架與末端執行器的第二端之間；通過第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的被動運動以及末端執行器的自轉，可實現末端執行器的三轉動、一移動的四自由度解耦運動。所述第一運動支鏈包括第一轉動副、第一桿件、第二轉動副、第二桿件、第三轉動副、第一平行四邊形結構、第三桿件、第四轉動副、第二平行四邊形結構、第四桿件、第三平行四邊形結構和第四平行四邊形結構；其中，第一轉動副與第一支架可轉動相連，第一桿件連接在第一轉動副與第二轉動副之間；第二桿件為U形連接桿，其橫邊連接在第二轉動副與第三轉動副之間，其第一豎邊的上部作為第二平行四邊形結構的第一豎邊，其第二豎邊作為第一平行四邊形結構的第二豎邊；第三桿件為三段折線形連接桿，其第一段作為第一平行四邊形結構的第二橫邊，其第二段通過第四轉動副與第二桿件的第一豎邊中部活動相連，其第三段作為第二平行四邊結構的第一橫邊；第四桿件為H形連接桿，其左邊豎桿作為第二平行四邊形結構的第二豎邊，其右邊豎桿分別通過轉動副與第三平行四邊形結構、第四平行四邊形結構相連，第三平行四邊形結構和第四平行四邊形結構的第三節點分別通過轉動副與末端執行器的第一端相連；第一平行四邊形結構和第二平行四邊形結構分別豎向設置并可豎向變形，第三平行四邊形結構和第四平行四邊形結構橫向平行設置并可同時橫向變形。所述第二運動支鏈包括順序傳動相連的第五轉動副、第五桿件、第六轉動副、第六桿件和圓柱副，其中第五轉動副與第二支架可轉動相連，圓柱副與末端執行器的第二端活動相連。所述第一轉動副的轉動軸線平行于機架底面；第二轉動副的轉動軸線與第一轉動副的轉動軸線垂直，并與第一平行四邊形結構和第二平行四邊形結構的轉動軸線平行；第二轉動副的轉動軸線與第三平行四邊形結構及第四平行四邊形結構的轉動軸線垂直。四個平行四邊形結構分別由兩兩平行的桿件通過轉動副連接而成。所述圓柱副滑套在末端執行器的第二端并可沿末端執行器的第二端轉動并上下移動。在第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副以及設置在第三平行四邊形結構第三節點的轉動副都設置了電機。本專利技術由于采用了以上技術方案，具有以下的優點和特點：1、電機主要放置在靠近機架的位置，減少了機構的慣量，并利于維護和實現配重。2、結構簡單、安裝方便、轉動慣量小，遠程控制精度高。3、能實現遠心機構的完全解耦控制，使得機構的控制更可靠，增強了手術的可靠性和安全性，同時也降低了開發成本。附圖說明圖1為本專利技術的基本結構示意圖；圖2為本專利技術中的第一平行四邊形結構的示意圖；圖3為本專利技術中的第二平行四邊形結構的示意圖；圖4為本專利技術中的第三平行四邊形結構和第四平行四邊形結構的示意圖；圖5為本專利技術中的第二桿件的結構示意圖；圖6為本專利技術中的第二桿件的結構示意圖。具體實施方式參見圖1，配合參見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6，本專利技術解耦四自由度遠心機構，包括機架、末端執行器2、第一運動支鏈3和第二運動支鏈4；機架設有第一支架11和第二支架12。第一運動支鏈3連接在第一支架11與末端執行器2的第一端21之間，第二運動支鏈4連接在第二支架12與末端執行器2的第二端22之本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種解耦四自由度遠心機構，其特征在于：包括機架、末端執行器、第一運動支鏈和第二運動支鏈；所述機架設有第一支架和第二支架，所述第一運動支鏈連接在第一支架與末端執行器的第一端之間，所述第二運動支鏈連接在第二支架與末端執行器的第二端之間；通過第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的被動運動以及末端執行器的自轉，可實現末端執行器的三轉動、一移動的四自由度解耦運動。

【技術特征摘要】
1.一種解耦四自由度遠心機構，其特征在于：包括機架、末端執行器、第一運動支鏈和第二運動支鏈；所述機架設有第一支架和第二支架，所述第一運動支鏈連接在第一支架與末端執行器的第一端之間，所述第二運動支鏈連接在第二支架與末端執行器的第二端之間；通過第一運動支鏈的主動運動、第二運動支鏈的被動運動以及末端執行器的自轉，可實現末端執行器的三轉動、一移動的四自由度解耦運動。2.如權利要求1所述的解耦四自由度遠心機構，其特征在于：所述第一運動支鏈包括第一轉動副、第一桿件、第二轉動副、第二桿件、第三轉動副、第一平行四邊形結構、第三桿件、第四轉動副、第二平行四邊形結構、第四桿件、第三平行四邊形結構和第四平行四邊形結構；其中，第一轉動副與第一支架可轉動相連，第一桿件連接在第一轉動副與第二轉動副之間；第二桿件為U形連接桿，其橫邊連接在第二轉動副與第三轉動副之間，其第一豎邊的上部作為第二平行四邊形結構的第一豎邊，其第二豎邊作為第一平行四邊形結構的第二豎邊；第三桿件為三段折線形連接桿，其第一段作為第一平行四邊形結構的第二橫邊，其第二段通過第四轉動副與第二桿件的第一豎邊中部活動相連，其第三段作為第二平行四邊結構的第一橫邊；第四桿件為H形連接桿，其左邊豎桿作為第二平行四邊形結構的第二豎邊，其右邊豎桿分別通過轉動副與第三平行四邊形結構、第四平行四...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張帆，張雪，朱云平，
申請(專利權)人：上海工程技術大學，
類型：發明
國別省市：上海,31