專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，屬于微創(chuàng)外科手術(shù) 穿刺針空間位姿數(shù)字化自動(dòng)定位裝置。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于外科手術(shù)，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用得到了各國(guó)的推崇，其相關(guān)的 技術(shù)等也得到了飛速發(fā)展，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和全民衛(wèi)生保健意識(shí)的迅速提高，以提高手 術(shù)定位精度和手術(shù)方便程度以及手術(shù)效率為宗旨的微創(chuàng)外科機(jī)器人技術(shù)的研究，在我國(guó)乃 至全世界已成為最主要的前沿研究熱點(diǎn)之一，而我國(guó)目前外科手術(shù)穿刺定位機(jī)器人基本上 停留在研發(fā)階段，研發(fā)的外科手術(shù)并聯(lián)機(jī)器人具有如下特點(diǎn)。一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沿用工業(yè)機(jī)器人 的設(shè)計(jì)思路，用傳統(tǒng)的動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)，此種機(jī)構(gòu)外形尺寸大，而且沉重， 醫(yī)生操作不方便；二、與傳統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)器人一樣，這種并聯(lián)機(jī)器人工作空間小，手術(shù)姿態(tài)范 圍小，靈活性差，這與微創(chuàng)穿刺定位手術(shù)機(jī)器人(如神經(jīng)外科機(jī)器人)的要求相違背，因此 這種機(jī)器人很難從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用，也就是說(shuō)，目前尚未開(kāi)發(fā)出小巧輕便高靈活性的 微創(chuàng)外科手術(shù)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)面向微創(chuàng)外科手術(shù)的四自由度并聯(lián)機(jī)器人，不僅會(huì)為 主動(dòng)穿刺定位手術(shù)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)奠定了研究基礎(chǔ)，同時(shí)，也會(huì)為其它手術(shù)適應(yīng)癥的機(jī)器人 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四 自由度并聯(lián)機(jī)器人，將外科醫(yī)生的手術(shù)穿刺針的手動(dòng)定位變?yōu)槿詣?dòng)數(shù)字化定位，即變?yōu)?機(jī)器人的自動(dòng)定位，此外，本發(fā)明的目的還在于使本發(fā)明不但可以作為自動(dòng)化醫(yī)療手術(shù)器械，還可以 通過(guò)配套的雙目立體視覺(jué)定位、醫(yī)學(xué)2維和3維圖像處理和定位，以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的解 算，將圖像空間醫(yī)生規(guī)劃的穿刺路徑自動(dòng)映射到機(jī)器人空間，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)穿刺針矢量的 空間位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確定位，甚至可以同時(shí)作為外科手術(shù)穿刺定位的醫(yī)療裝備和穩(wěn)定的手 術(shù)支撐平臺(tái)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于包括上絲杠機(jī)構(gòu)、 下絲杠機(jī)構(gòu)、穿刺針機(jī)構(gòu)、雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主連接板、并聯(lián)平臺(tái)固定架和支撐架，其中，并 聯(lián)平臺(tái)固定架一端設(shè)置有三爪結(jié)構(gòu)，其三爪結(jié)構(gòu)通過(guò)緊固螺釘固定在主連接板上，并聯(lián)平 臺(tái)固定架另一端還設(shè)置有螺紋接口，其通過(guò)螺紋接口與支撐架連接，而雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位 于主連接板一側(cè)并與主連接板連接，上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置于主連接板中 心的兩側(cè)，并分別與雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，而穿刺針機(jī)構(gòu)則同時(shí)設(shè)置 在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上，形成兩個(gè)移動(dòng)自由度。上述的雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括雙蝸桿電機(jī)座、聯(lián)軸器支撐座、蝸桿座、直流電機(jī)A、直流電機(jī)B、聯(lián)軸器A、聯(lián)軸器B、蝸桿A、蝸桿B、渦輪A、渦輪B、渦輪軸承座A和渦輪軸承座B， 其中，雙蝸桿電機(jī)座、聯(lián)軸器支撐座和蝸桿座通過(guò)螺釘固定在主連接板上，直流電機(jī)A和直 流電機(jī)B平行固定在雙蝸桿電機(jī)座上，其輸出軸分別與聯(lián)軸器支撐座支撐的聯(lián)軸器A和聯(lián) 軸器B連接，聯(lián)軸器A和聯(lián)軸器B的另一端還分別連接有蝸桿A和蝸桿B，蝸桿A和蝸桿B 的軸線(xiàn)平行，其支撐在蝸桿座上，且與蝸桿座中的兩個(gè)軸承配合，而渦輪A和渦輪B則分別 支撐在渦輪軸承座A和渦輪軸承座B上，且渦輪A和渦輪B的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在一條中心線(xiàn)上，上述 的蝸桿A和蝸桿B分別與渦輪A和渦輪B相互配合連接。上述的上絲杠機(jī)構(gòu)包括上絲杠軸承座端蓋、上絲杠軸承座、上絲杠導(dǎo)向罩、上滾珠 絲杠、上絲杠螺母、上絲杠電機(jī)座、上絲杠聯(lián)軸器和上絲杠直流電機(jī)，其中，上絲杠電機(jī)座分 別與上述的渦輪A的主軸過(guò)盈配合固定連接，上絲杠直流電機(jī)通過(guò)螺釘連接在上絲杠電機(jī) 座的側(cè)面，其輸出軸與上絲杠聯(lián)軸器一端鎖固，上絲杠聯(lián)軸器的另一端與穿過(guò)上絲杠電機(jī) 座上的軸承座的上滾珠絲杠的一端連接，上滾珠絲杠與上絲杠電機(jī)座的輸出軸同軸設(shè)置， 且其另一端通過(guò)上絲杠軸承座限位并支撐，上絲杠軸承座端蓋設(shè)置在上絲杠軸承座的端 部，而上絲杠導(dǎo)向罩則設(shè)置在上絲杠軸承座和上絲杠電機(jī)座之間，且套在上滾珠絲杠的外 部，并與上滾珠絲杠的軸同心設(shè)置，上絲杠導(dǎo)向罩在其側(cè)面中部還開(kāi)有沿上滾珠絲杠軸線(xiàn) 方向的導(dǎo)向槽A，上絲杠螺母套在上滾珠絲杠上且限位在導(dǎo)向槽A中。進(jìn)一步，在上述的上絲杠導(dǎo)向罩的上部還設(shè)置有視覺(jué)定位模板。上述的下絲杠機(jī)構(gòu)包括下絲杠軸承座端蓋、下絲杠軸承座、下絲杠導(dǎo)向罩、下滾珠 絲杠、下絲杠螺母、下絲杠電機(jī)座、下絲杠聯(lián)軸器和下絲杠直流電機(jī)，其中，下絲杠電機(jī)座分 別與上述的渦輪B的主軸過(guò)盈配合固定連接，下絲杠直流電機(jī)通過(guò)螺釘連接在下絲杠電機(jī) 座的側(cè)面，其輸出軸與下絲杠聯(lián)軸器一端鎖固，下絲杠聯(lián)軸器的另一端與穿過(guò)下絲杠電機(jī) 座上的軸承座的下滾珠絲杠的一端連接，下滾珠絲杠與下絲杠電機(jī)座的輸出軸同軸設(shè)置， 且其另一端通過(guò)下絲杠軸承座限位并支撐，下絲杠軸承座端蓋設(shè)置在下絲杠軸承座的端 部，而下絲杠導(dǎo)向罩則設(shè)置在下絲杠軸承座和下絲杠電機(jī)座之間，且套在下滾珠絲杠的外 部，并與下滾珠絲杠的軸同心設(shè)置，下絲杠導(dǎo)向罩在其側(cè)面中部還開(kāi)有沿下滾珠絲杠軸線(xiàn) 方向的導(dǎo)向槽B，下絲杠螺母套在下滾珠絲杠上且限位在導(dǎo)向槽B中。此外，所述的穿刺針機(jī)構(gòu)包括穿刺針、穿刺針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B，穿 刺針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B分別設(shè)置在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上，而穿刺針則 同時(shí)固定在穿刺針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B上。進(jìn)一步，所述的穿刺針固定機(jī)構(gòu)A包括導(dǎo)向套U形定位環(huán)A、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A、 定位環(huán)銷(xiāo)A和穿刺針導(dǎo)向套A，導(dǎo)向套U形定位環(huán)A與上述的上絲杠螺母通過(guò)滑動(dòng)軸承連 接，且其為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于上滾珠絲杠的軸，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A通過(guò)其兩側(cè)的 定位環(huán)銷(xiāo)A連接在導(dǎo)向套U形定位環(huán)A的開(kāi)口端，其內(nèi)部還同心設(shè)置有穿刺針導(dǎo)向套A，而 穿刺針則穿設(shè)在穿刺針導(dǎo)向套A內(nèi)。進(jìn)一步，所述的穿刺針固定機(jī)構(gòu)B包括導(dǎo)向套U形定位環(huán)B、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B、 定位環(huán)銷(xiāo)B和穿刺針導(dǎo)向套B，導(dǎo)向套U形定位環(huán)B與上述的下絲杠螺母通過(guò)滑動(dòng)軸承連 接，且其為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于下滾珠絲杠的軸，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B通過(guò)其兩側(cè)的 定位環(huán)銷(xiāo)B連接在導(dǎo)向套U形定位環(huán)B的開(kāi)口端，其內(nèi)部還同心設(shè)置有穿刺針導(dǎo)向套B，而 穿刺針則穿設(shè)在穿刺針導(dǎo)向套B內(nèi)。
且穿刺針導(dǎo)向套A的軸線(xiàn)、定位環(huán)銷(xiāo)A的軸線(xiàn)和導(dǎo)向套U形定位環(huán)A的軸線(xiàn)交于 一點(diǎn)，形成球鉸A，以及穿刺針導(dǎo)向套B的軸線(xiàn)、定位環(huán)銷(xiāo)B的軸線(xiàn)和導(dǎo)向套U形定位環(huán)B的 軸線(xiàn)交于一點(diǎn)，形成球鉸B。本發(fā)明的有益效果是1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單本發(fā)明所述的上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，使得設(shè)計(jì)、制造都 很方便且成本較低，且本發(fā)明采用雙極坐標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)空 間點(diǎn)的平移和空間點(diǎn)繞固定軸的旋轉(zhuǎn)；2、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解算方便本發(fā)明采用的雙極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算基于幾何 方法即可，不需要按照傳統(tǒng)的D-H方法建立數(shù)學(xué)模型，也無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的矩陣變換，從而大 大降低了解算和編程難度；3、工作空間較大本發(fā)明為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，其動(dòng)平臺(tái)抽象為醫(yī)生手術(shù)的穿刺針，它可 以脫離并聯(lián)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以在士90°內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與相同外形尺寸的并聯(lián)機(jī)器人相比，其工 作空間明顯增大；4、靈活性較高本發(fā)明穿刺針矢量空間姿態(tài)明顯增多，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍增大，即動(dòng)平 臺(tái)姿態(tài)范圍增大，與一般并聯(lián)機(jī)器人相比，其靈活性顯著提高，提高了醫(yī)生的手術(shù)效率；5、輕便穩(wěn)固本發(fā)明所述的四自由度并聯(lián)機(jī)器人的主體材料采用高強(qiáng)度工程塑 料，重量輕、剛性好；6、定位精度較高本發(fā)明的關(guān)節(jié)沒(méi)有累計(jì)誤差，定位精度高；7、結(jié)構(gòu)緊湊本發(fā)明采用雙極坐標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時(shí)，采用了雙渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 使該四自由度并聯(lián)機(jī)器人體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，即可用于設(shè)計(jì)微創(chuàng)外科手術(shù)并聯(lián)機(jī)器 人機(jī)構(gòu)，也可以應(yīng)用于其它數(shù)字化醫(yī)療裝置的設(shè)計(jì)。


圖1為本發(fā)明一 實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明一 實(shí)施例的主視圖3為本發(fā)明一 實(shí)施例的左視圖4為本發(fā)明一 實(shí)施例的俯視圖。
圖中主要附圖標(biāo)記含義為
1、主連接板2、并聯(lián)平臺(tái)固定架 3、雙蝸桿電機(jī)座
4、聯(lián)軸器支撐座； 5、蝸桿座 6、J 流電機(jī)A
7、直流電機(jī)B8、聯(lián)軸器A 9、聯(lián)軸器B
10、蝸桿A11、蝸桿B12、渦輪A
13、渦輪B14、渦輪軸承座A15、渦輪軸承座B
16、上絲杠軸承座端蓋 17、上絲杠軸承座
18、上絲杠導(dǎo)向
19、上滾珠絲杠20、上絲杠螺母
21、上絲杠電機(jī)座 22、上絲杠聯(lián)軸器23、上絲杠直流電機(jī)
24、下絲杠軸承座端蓋 25、下絲杠軸承座26、下絲杠導(dǎo)向罩
27、下滾珠絲杠28、下絲杠螺母29、下絲杠電機(jī)座
30、下絲杠聯(lián)軸器 31、下絲杠直流電機(jī)32、穿刺針
33、導(dǎo)向套U形定位環(huán)A35、定位環(huán)銷(xiāo)A38、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B40、穿刺針導(dǎo)向套B
34、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A
36、穿刺針導(dǎo)向套A 37、導(dǎo)向套U形定位環(huán)B 39、定位環(huán)銷(xiāo)B 41、視覺(jué)定位模板
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的主視圖；圖3 為本發(fā)明一實(shí)施例的左視圖；圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的俯視圖。如圖1至圖4所示基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，包括上絲杠機(jī) 構(gòu)、下絲杠機(jī)構(gòu)、穿刺針機(jī)構(gòu)、雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主連接板1、并聯(lián)平臺(tái)固定架2和支撐架(不 在本發(fā)明中闡述)，其中，主連接板1作為并聯(lián)平臺(tái)的靜平臺(tái)的一部分，是本發(fā)明的基礎(chǔ)部 件，并聯(lián)平臺(tái)固定架2 —端設(shè)置的三爪結(jié)構(gòu)通過(guò)三個(gè)螺釘與主連接板1剛性連接，并聯(lián)平臺(tái) 固定架2另一端還設(shè)置有螺紋接口，其通過(guò)螺紋接口與支撐架連接，而雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則 位于主連接板1 一側(cè)并與主連接板1連接，上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置于主連 接板1中心的兩側(cè)，并分別與雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，而穿刺針機(jī)構(gòu)則 同時(shí)設(shè)置在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上，形成兩個(gè)移動(dòng)自由度。上述的雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括雙蝸桿電機(jī)座3、聯(lián)軸器支撐座4、蝸桿座5、直流電機(jī) A6、直流電機(jī)B7、聯(lián)軸器A8、聯(lián)軸器B9、蝸桿AlO、蝸桿B11、渦輪Al2、渦輪B13、渦輪軸承座 A14和渦輪軸承座B15，其中，雙蝸桿電機(jī)座3、聯(lián)軸器支撐座4和蝸桿座5通過(guò)螺釘固定在 主連接板1上，直流電機(jī)A6和直流電機(jī)B7平行固定在雙蝸桿電機(jī)座3上，其輸出軸分別與 聯(lián)軸器支撐座4支撐的聯(lián)軸器A8和聯(lián)軸器B9連接，聯(lián)軸器A8和聯(lián)軸器B9的另一端還分 別連接有蝸桿AlO和蝸桿B11，蝸桿AlO和蝸桿Bll的軸線(xiàn)平行，其支撐在蝸桿座5上，且 與蝸桿座5中的兩個(gè)軸承配合，而渦輪A12和渦輪B13則分別支撐在渦輪軸承座A14和渦 輪軸承座B15上，且渦輪A12和渦輪B13的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在一條中心線(xiàn)上，上述的蝸桿AlO和蝸桿 Bll分別與渦輪A12和渦輪B13相互配合連接。上述的上絲杠機(jī)構(gòu)包括上絲杠軸承座端蓋16、上絲杠軸承座17、上絲杠導(dǎo)向罩 18、上滾珠絲杠19、上絲杠螺母20、上絲杠電機(jī)座21、上絲杠聯(lián)軸器22和上絲杠直流電機(jī) 23，其中，上絲杠電機(jī)座21分別與上述的渦輪A12的主軸過(guò)盈配合固定連接，實(shí)現(xiàn)上絲杠機(jī) 構(gòu)整體繞輪A12的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，上絲杠直流電機(jī)23通過(guò)螺釘連接在 上絲杠電機(jī)座21的側(cè)面，其輸出軸與上絲杠聯(lián)軸器22 —端鎖固，上絲杠聯(lián)軸器22的另一 端與穿過(guò)上絲杠電機(jī)座21上的軸承座的上滾珠絲杠19的一端連接，上滾珠絲杠19與上絲 杠電機(jī)座21的輸出軸同軸設(shè)置，且其另一端通過(guò)上絲杠軸承座17限位并支撐，上絲杠軸承 座端蓋16設(shè)置在上絲杠軸承座17的端部，而上絲杠導(dǎo)向罩18則設(shè)置在上絲杠軸承座17和 上絲杠電機(jī)座21之間，且套在上滾珠絲杠19的外部，并與上滾珠絲杠19的軸同心設(shè)置，上 絲杠導(dǎo)向罩18在其側(cè)面中部還開(kāi)有沿上滾珠絲杠19軸線(xiàn)方向的導(dǎo)向槽A，上絲杠螺母20 套在上滾珠絲杠19上且限位在導(dǎo)向槽A中，即上滾珠絲杠19的上絲杠螺母20可以沿上滾 珠絲杠19的軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，但必須限制在導(dǎo)向槽A范圍內(nèi)。而下絲杠機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和上絲杠機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，其也包括下絲杠軸承座端蓋24、下絲杠軸承座25、下絲杠導(dǎo)向罩26、下滾珠絲杠27、下絲杠螺母28、下絲杠電機(jī)座29、下絲 杠聯(lián)軸器30和下絲杠直流電機(jī)31，其中，下絲杠電機(jī)座29分別與上述的渦輪B13的主軸過(guò) 盈配合固定連接，實(shí)現(xiàn)下絲杠機(jī)構(gòu)整體繞渦輪B13的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，形成另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度， 下絲杠直流電機(jī)31通過(guò)螺釘連接在下絲杠電機(jī)座29的側(cè)面，其輸出軸與下絲杠聯(lián)軸器30 一端鎖固，下絲杠聯(lián)軸器30的另一端與穿過(guò)下絲杠電機(jī)座29上的軸承座的下滾珠絲杠27 的一端連接，下滾珠絲杠27與下絲杠電機(jī)座29的輸出軸同軸設(shè)置，且其另一端通過(guò)下絲杠 軸承座25限位并支撐，下絲杠軸承座端蓋24設(shè)置在下絲杠軸承座25的端部，而下絲杠導(dǎo) 向罩26則設(shè)置在下絲杠軸承座25和下絲杠電機(jī)座29之間，且套在下滾珠絲杠27的外部， 并與下滾珠絲杠27的軸同心設(shè)置，下絲杠導(dǎo)向罩26在其側(cè)面中部還開(kāi)有沿下滾珠絲杠27 軸線(xiàn)方向的導(dǎo)向槽B，下絲杠螺母28套在下滾珠絲杠27上且限位在導(dǎo)向槽B中，即下滾珠 絲杠27的下絲杠螺母28可以沿下滾珠絲杠27的軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，但必須限制在導(dǎo)向槽B范 圍內(nèi)。上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)的唯一不同在于在上絲杠機(jī)構(gòu)的上絲杠導(dǎo)向罩上部還 設(shè)置有視覺(jué)定位模板41，以對(duì)下面論述的穿刺針的位置進(jìn)行跟蹤定位。此外，穿刺針機(jī)構(gòu)包括穿刺針32、穿刺針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B，穿刺針 固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B分別設(shè)置在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上，而穿刺針32則同 時(shí)固定在穿刺針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B上。進(jìn)一步，穿刺針固定機(jī)構(gòu)A包括導(dǎo)向套U形定位環(huán)A33、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A34、定 位環(huán)銷(xiāo)A35和穿刺針導(dǎo)向套A36，導(dǎo)向套U形定位環(huán)A33與上述的上絲杠螺母20通過(guò)滑動(dòng) 軸承連接，且其為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于上滾珠絲杠19的軸，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A34通 過(guò)其兩側(cè)的定位環(huán)銷(xiāo)A35連接在導(dǎo)向套U形定位環(huán)A33的開(kāi)口端，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A34 可繞定位環(huán)銷(xiāo)A35旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部還同心設(shè)置有穿刺針導(dǎo)向套A36，而穿刺針32則穿設(shè)在穿刺 針導(dǎo)向套A36內(nèi)。而穿刺針固定機(jī)構(gòu)B也包括導(dǎo)向套U形定位環(huán)B37、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B38、定位 環(huán)銷(xiāo)B39和穿刺針導(dǎo)向套B40，導(dǎo)向套U形定位環(huán)B37與上述的下絲杠螺母28通過(guò)滑動(dòng)軸 承連接，且其為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于下滾珠絲杠27的軸，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B38通過(guò) 其兩側(cè)的定位環(huán)銷(xiāo)B39連接在導(dǎo)向套U形定位環(huán)B37的開(kāi)口端，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B38可 繞定位環(huán)銷(xiāo)A39旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部還同心設(shè)置有穿刺針導(dǎo)向套B40，而穿刺針32則穿設(shè)在穿刺針 導(dǎo)向套B40內(nèi)。上述的穿刺針導(dǎo)向套A36的軸線(xiàn)、定位環(huán)銷(xiāo)A35的軸線(xiàn)和導(dǎo)向套U形定位環(huán)33的 軸線(xiàn)交于一點(diǎn)，形成球鉸A，而穿刺針導(dǎo)向套B40的軸線(xiàn)、定位環(huán)銷(xiāo)B39的軸線(xiàn)和導(dǎo)向套U形 定位環(huán)B37的軸線(xiàn)交于一點(diǎn)，形成球鉸B。本發(fā)明的工作原理為本發(fā)明具有4個(gè)自由度，其中2個(gè)為移動(dòng)自由度，2個(gè)為轉(zhuǎn) 到自由度，上絲杠機(jī)構(gòu)整體在直流電機(jī)A6驅(qū)動(dòng)下，可以繞渦輪A12的主軸旋轉(zhuǎn)，同樣，下絲 杠機(jī)構(gòu)整體在直流電機(jī)B7驅(qū)動(dòng)下，可以繞渦輪B13的主軸旋轉(zhuǎn)，且此2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以在 士90°內(nèi)運(yùn)動(dòng)。上絲杠螺母20和下絲杠螺母28分別在上絲杠直流電機(jī)23和下絲杠直流 電機(jī)31的驅(qū)動(dòng)下，分別沿上滾珠絲杠19和下滾珠絲杠27做平移運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)穿刺針導(dǎo)向套 A36和穿刺針導(dǎo)向套B40 —起做平移運(yùn)動(dòng)，因此，上絲杠機(jī)構(gòu)可以做平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下絲 杠機(jī)構(gòu)也可以做平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成上下兩個(gè)極坐標(biāo)。
手術(shù)前，對(duì)病人患病區(qū)域進(jìn)行CT/MRI醫(yī)學(xué)影像斷層掃描，通過(guò)圖像處理提取標(biāo)記 點(diǎn)位置，建立圖像坐標(biāo)系。手術(shù)時(shí)，雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)跟蹤視覺(jué)定位模板41，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)工 具建立機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系，雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)再跟蹤病人體表的標(biāo)記點(diǎn)，建立體外標(biāo)記點(diǎn) 坐標(biāo)系。這樣經(jīng)過(guò)一系列空間剛體變換過(guò)程，使醫(yī)生在圖像空間規(guī)劃的手術(shù)穿刺路徑映射 到機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)空間來(lái)。通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)值，直流電機(jī)A6、 直流電機(jī)B7、上絲杠直流電機(jī)23和下絲杠直流電機(jī)31分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)到指定位置。當(dāng) 定位結(jié)束時(shí)，連接上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)的穿刺針導(dǎo)向套A36和穿刺針導(dǎo)向套B40，即形 成空間矢量，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)穿刺針的空間位置和姿態(tài)的定位。以上具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，該闡述沒(méi)有局限性，附圖中 所示的也只是本發(fā)明的基本實(shí)施方式，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此，所以，如果本領(lǐng)域的技術(shù) 人員或研究人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它類(lèi)似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、其 它類(lèi)似傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，或者只是改變桿件尺寸，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu) 形式，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于包括上絲杠機(jī)構(gòu)、下絲杠機(jī)構(gòu)、穿刺針機(jī)構(gòu)、雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主連接板、并聯(lián)平臺(tái)固定架和支撐架，其中，并聯(lián)平臺(tái)固定架一端設(shè)置有三爪結(jié)構(gòu)，其三爪結(jié)構(gòu)通過(guò)緊固螺釘固定在主連接板上，并聯(lián)平臺(tái)固定架另一端還設(shè)置有螺紋接口，其通過(guò)螺紋接口與支撐架連接，而雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于主連接板一側(cè)并與主連接板連接，上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置于主連接板中心的兩側(cè)，并分別與雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，而穿刺針機(jī)構(gòu)則同時(shí)設(shè)置在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上，形成兩個(gè)移動(dòng)自由度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括雙蝸桿電機(jī)座、聯(lián)軸器支撐座、蝸桿座、直流電機(jī)A、直流電機(jī) B、聯(lián)軸器A、聯(lián)軸器B、蝸桿A、蝸桿B、渦輪A、渦輪B、渦輪軸承座A和渦輪軸承座B，其中，雙 蝸桿電機(jī)座、聯(lián)軸器支撐座和蝸桿座通過(guò)螺釘固定在主連接板上，直流電機(jī)A和直流電機(jī)B 平行固定在雙蝸桿電機(jī)座上，其輸出軸分別與聯(lián)軸器支撐座支撐的聯(lián)軸器A和聯(lián)軸器B連 接，聯(lián)軸器A和聯(lián)軸器B的另一端還分別連接有蝸桿A和蝸桿B，蝸桿A和蝸桿B的軸線(xiàn)平 行，其支撐在蝸桿座上，且與蝸桿座中的兩個(gè)軸承配合，而渦輪A和渦輪B則分別支撐在渦 輪軸承座A和渦輪軸承座B上，且渦輪A和渦輪B的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在一條中心線(xiàn)上，上述的蝸桿A 和蝸桿B分別與渦輪A和渦輪B相互配合連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的上絲杠機(jī)構(gòu)包括上絲杠軸承座端蓋、上絲杠軸承座、上絲杠導(dǎo)向罩、上滾珠絲杠、上 絲杠螺母、上絲杠電機(jī)座、上絲杠聯(lián)軸器和上絲杠直流電機(jī)，其中，上絲杠電機(jī)座分別與上 述的渦輪A的主軸過(guò)盈配合固定連接，上絲杠直流電機(jī)通過(guò)螺釘連接在上絲杠電機(jī)座的側(cè) 面，其輸出軸與上絲杠聯(lián)軸器一端鎖固，上絲杠聯(lián)軸器的另一端與穿過(guò)上絲杠電機(jī)座上的 軸承座的上滾珠絲杠的一端連接，上滾珠絲杠與上絲杠電機(jī)座的輸出軸同軸設(shè)置，且其另 一端通過(guò)上絲杠軸承座限位并支撐，上絲杠軸承座端蓋設(shè)置在上絲杠軸承座的端部，而上 絲杠導(dǎo)向罩則設(shè)置在上絲杠軸承座和上絲杠電機(jī)座之間，且套在上滾珠絲杠的外部，并與 上滾珠絲杠的軸同心設(shè)置，上絲杠導(dǎo)向罩在其側(cè)面中部還開(kāi)有沿上滾珠絲杠軸線(xiàn)方向的導(dǎo) 向槽A，上絲杠螺母套在上滾珠絲杠上且限位在導(dǎo)向槽A中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的上絲杠導(dǎo)向罩的上部還設(shè)置有視覺(jué)定位模板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的下絲杠機(jī)構(gòu)包括下絲杠軸承座端蓋、下絲杠軸承座、下絲杠導(dǎo)向罩、下滾珠絲杠、下 絲杠螺母、下絲杠電機(jī)座、下絲杠聯(lián)軸器和下絲杠直流電機(jī)，其中，下絲杠電機(jī)座分別與上 述的渦輪B的主軸過(guò)盈配合固定連接，下絲杠直流電機(jī)通過(guò)螺釘連接在下絲杠電機(jī)座的側(cè) 面，其輸出軸與下絲杠聯(lián)軸器一端鎖固，下絲杠聯(lián)軸器的另一端與穿過(guò)下絲杠電機(jī)座上的 軸承座的下滾珠絲杠的一端連接，下滾珠絲杠與下絲杠電機(jī)座的輸出軸同軸設(shè)置，且其另 一端通過(guò)下絲杠軸承座限位并支撐，下絲杠軸承座端蓋設(shè)置在下絲杠軸承座的端部，而下 絲杠導(dǎo)向罩則設(shè)置在下絲杠軸承座和下絲杠電機(jī)座之間，且套在下滾珠絲杠的外部，并與 下滾珠絲杠的軸同心設(shè)置，下絲杠導(dǎo)向罩在其側(cè)面中部還開(kāi)有沿下滾珠絲杠軸線(xiàn)方向的導(dǎo) 向槽B，下絲杠螺母套在下滾珠絲杠上且限位在導(dǎo)向槽B中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于，所述的穿刺針機(jī)構(gòu)包括穿刺針、穿刺針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B，穿刺針固定機(jī)構(gòu)A 和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B分別設(shè)置在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上，而穿刺針則同時(shí)固定在穿刺 針固定機(jī)構(gòu)A和穿刺針固定機(jī)構(gòu)B上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的穿刺針固定機(jī)構(gòu)A包括導(dǎo)向套U形定位環(huán)A、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A、定位環(huán)銷(xiāo)A和穿 刺針導(dǎo)向套A，導(dǎo)向套U形定位環(huán)A與上述的上絲杠螺母通過(guò)滑動(dòng)軸承連接，且其為對(duì)稱(chēng)結(jié) 構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于上滾珠絲杠的軸，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)A通過(guò)其兩側(cè)的定位環(huán)銷(xiāo)A連接在 導(dǎo)向套U形定位環(huán)A的開(kāi)口端，其內(nèi)部還同心設(shè)置有穿刺針導(dǎo)向套A，而穿刺針則穿設(shè)在穿 刺針導(dǎo)向套A內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的穿刺針導(dǎo)向套A的軸線(xiàn)、定位環(huán)銷(xiāo)A的軸線(xiàn)和導(dǎo)向套U形定位環(huán)A的軸線(xiàn)交于一點(diǎn)， 形成球鉸A。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的穿刺針固定機(jī)構(gòu)B包括導(dǎo)向套U形定位環(huán)B、導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B、定位環(huán)銷(xiāo)B和穿 刺針導(dǎo)向套B，導(dǎo)向套U形定位環(huán)B與上述的下絲杠螺母通過(guò)滑動(dòng)軸承連接，且其為對(duì)稱(chēng)結(jié) 構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于下滾珠絲杠的軸，導(dǎo)向套柱形定位環(huán)B通過(guò)其兩側(cè)的定位環(huán)銷(xiāo)B連接在 導(dǎo)向套U形定位環(huán)B的開(kāi)口端，其內(nèi)部還同心設(shè)置有穿刺針導(dǎo)向套B，而穿刺針則穿設(shè)在穿 刺針導(dǎo)向套B內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于， 所述的穿刺針導(dǎo)向套B的軸線(xiàn)、定位環(huán)銷(xiāo)B的軸線(xiàn)和導(dǎo)向套U形定位環(huán)B的軸線(xiàn)交于一點(diǎn)， 形成球鉸B。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙蝸桿的雙極坐標(biāo)四自由度并聯(lián)機(jī)器人，包括上絲杠機(jī)構(gòu)、下絲杠機(jī)構(gòu)、穿刺針機(jī)構(gòu)、雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主連接板、并聯(lián)平臺(tái)固定架和支撐架，并聯(lián)平臺(tái)固定架一端通過(guò)三爪結(jié)構(gòu)固定在主連接板上，另一端通過(guò)螺紋接口與支撐架連接，雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于主連接板一側(cè)并與主連接板連接，對(duì)稱(chēng)設(shè)置于主連接板中心兩側(cè)的上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)分別與雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)設(shè)置在上絲杠機(jī)構(gòu)和下絲杠機(jī)構(gòu)上的穿刺針機(jī)構(gòu)，形成兩個(gè)移動(dòng)自由度。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕、關(guān)節(jié)間隙小、剛性好、工作空間大、靈活性高等特點(diǎn)，可適用于神經(jīng)外科、骨外科、前列腺手術(shù)等微創(chuàng)手術(shù)操作器的自動(dòng)定位。
文檔編號(hào)A61B19/00GK101933842SQ20101026966
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者唐粲, 張建偉, 李超, 王峰, 程勝 申請(qǐng)人:昆山市工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司