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混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂的制作方法

文檔序號:8327235閱讀:293來源:國知局
混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人,特別涉及一種能模仿醫(yī)生手臂運動,輔助醫(yī)生完成高難度微創(chuàng)外科手術(shù)的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微創(chuàng)外科手術(shù)的發(fā)展與普及,上世紀九十年代開始出現(xiàn)了用于輔助醫(yī)生進行手術(shù)的手術(shù)機器人,這些手術(shù)機器人被應(yīng)用于一些醫(yī)生無法徒手完成的高精度、高難度微創(chuàng)手術(shù)中。
[0003]在手術(shù)機器人結(jié)構(gòu)方面,目前主流的機械臂多以串聯(lián)機構(gòu)為主。雖然串聯(lián)機構(gòu)有構(gòu)型簡單、控制可靠等諸多優(yōu)勢,但是面對到微創(chuàng)外科手術(shù)的特殊場合有很多缺陷。首先,機械臂需要為手術(shù)器械提供多個自由度并要求在狹小的腹腔空間內(nèi)有足夠的靈活度,而串聯(lián)機械臂必須設(shè)計成擁有多個運動副關(guān)節(jié)以滿足多自由度要求,同時還必須考慮微創(chuàng)切口的約束從而需要合理規(guī)劃運動關(guān)節(jié);其次,在手術(shù)過程中器械一般需要做6個自由度的空間運動,串聯(lián)機構(gòu)操作器在做多自由度空間運動時運動慣量大,運動各向同性度差,這種機構(gòu)運動缺陷造成了機械臂末端操作器執(zhí)行精度的下降;第三,串聯(lián)機構(gòu)承載能力較差,搭載動力器械時會產(chǎn)生抖動等問題,限制了復(fù)雜多樣化的手術(shù)器械進入人體,從而阻礙了機器人自動化手術(shù)的進一步發(fā)展。串聯(lián)機械臂只能通過提高電機性能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方法來克服以上缺點,增加了制造與裝配成本。
[0004]為了克服串聯(lián)機構(gòu)的諸多缺點,本發(fā)明專利提出了由兩個并聯(lián)機構(gòu)組成的混聯(lián)機械臂,與現(xiàn)有串聯(lián)機械臂相比,混聯(lián)機械臂具有以下優(yōu)點:所述機械臂在有約束情況下具有更大的靈活度,且運動各向同性度好;機械臂動平臺運動慣量小,機械精度更高,能夠降低對電機與控制精度的要求;結(jié)構(gòu)剛度大,承載能力高,工作動平臺能夠承載復(fù)雜的手術(shù)器械等諸多優(yōu)點,使其更加適應(yīng)于微創(chuàng)手術(shù)的特殊環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的,就是為了解決上述問題,提供一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂。
[0006]為了達到上述目的,本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,包括主定平臺、主動平臺、翻轉(zhuǎn)定平臺和工作動平臺;主定平臺和主動平臺之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu),翻轉(zhuǎn)定平臺和工作動平臺之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu);并且工作動平臺嵌裝在主動平臺的中心孔內(nèi),第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)被第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)圍合在內(nèi);主動平臺與翻轉(zhuǎn)靜平臺之間通過三根立柱固定相連,將兩個閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂。
[0007]所述三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈均勻間隔周向分布,各第一運動支鏈分別包括第一驅(qū)動電機、主動臂、第一萬向連桿、被動臂、第二萬向連桿和固定連接塊;第一驅(qū)動電機安裝在主定平臺上,主動臂與第一驅(qū)動電機傳動相連,第一萬向連桿連接在主動臂的前端,固定連接塊安裝在主動平臺上,第二萬向連桿連接在固定連接塊上,被動臂共兩條分別連接在第一萬向連桿和第二萬向連桿之間。
[0008]所述三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈呈正三角形分布,各第二運動支鏈分別包括第二驅(qū)動電機、直線驅(qū)動桿、桿端關(guān)節(jié)軸承和移動滑塊,第二驅(qū)動電機安裝在翻轉(zhuǎn)定平臺上,直線驅(qū)動桿與第二驅(qū)動電機傳動相連,桿端關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在直線驅(qū)動桿下端,移動滑塊連接在桿端關(guān)節(jié)軸承的前端并嵌裝在工作動平臺的滑槽內(nèi)。
[0009]所述第一驅(qū)動電機為旋轉(zhuǎn)直流伺服電機或步進電機,三臺電機呈正三角形分布。
[0010]所述第二驅(qū)動電機為直線步進電機,三臺直線步進電機呈正三角形分布。
[0011]所述工作動平臺的滑槽沿工作動平臺的直徑線延伸并向外貫通,三條滑槽的軸線相交于工作動平臺的中心。
[0012]本發(fā)明設(shè)有六臺驅(qū)動電機,可為手術(shù)器械提供五個自由度,包括三個空間移動自由度,以及除器械繞自身軸旋轉(zhuǎn)以外的兩個轉(zhuǎn)動自由度,且擁有一個冗余移動自由度。
[0013]本發(fā)明的有益效果是,巧妙地將兩個三自由度并聯(lián)機構(gòu)組合運用,克服了串聯(lián)機構(gòu)存在的諸多缺陷,機械臂工作動平臺擁有五個獨立自由度,一個冗余移動自由度,加工制造成本低,可達到器械在手術(shù)中所需的所有姿態(tài);其中冗余移動自由度可以提高微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂的靈活性,提高了機械臂的可靠性,從而在手術(shù)中可以使器械短距離精確工進,實現(xiàn)輕微觸碰組織、拉拽組織等微小手術(shù)動作,更精確地對病灶進行操作;具有較高的承載能力與較大的靈動工作空間;構(gòu)型穩(wěn)定,工作平臺承載能力大,適合搭載多種手術(shù)器械;由于采用并聯(lián)機構(gòu),結(jié)構(gòu)本身機械精度高,對電機及控制精度要求較低;具有高機構(gòu)剛度,運動慣量小,累積誤差小的優(yōu)點,該混聯(lián)機構(gòu)可實現(xiàn)多方向運動解耦,剛度與承載能力等均優(yōu)于串聯(lián)機構(gòu),且較耦合多自由度并聯(lián)機構(gòu)理論分析簡潔、裝配便捷、容易控制;該機構(gòu)在工作空間中具有運動各向同性度良好的特點,無奇異位姿,動態(tài)響應(yīng)好,力傳動平穩(wěn);綜合上述特點,本發(fā)明的機械臂適合用于輔助醫(yī)生完成高精度、高難度的微創(chuàng)外科手術(shù)。
[0014]簡單地說,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0015]一、在有約束情況下具有更大的靈活度,且各向運動同性度好;
[0016]二、機械臂動平臺運動慣量小,機械精度更高,能夠降低對電機與控制精度的要求;
[0017]三、結(jié)構(gòu)剛度大,承載能力高,工作平臺能夠承載復(fù)雜的手術(shù)器械等諸多優(yōu)點,使其更加適應(yīng)于微創(chuàng)手術(shù)的特殊環(huán)境。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0019]圖2為本發(fā)明中的第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]參見圖1,配合參見圖2,本發(fā)明的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,包括主定平臺1、主動平臺10、翻轉(zhuǎn)定平臺8和工作動平臺13。主定平臺I和主動平臺10之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu),翻轉(zhuǎn)定平臺8和工作動平臺13之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu);并且工作動平臺嵌裝在主動平臺的中心孔內(nèi),第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)被第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)圍合在內(nèi);主動平臺與翻轉(zhuǎn)靜平臺之間通過三根立柱11固定相連,將兩個閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂。
[0021 ] 本發(fā)明中的三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈均勻間隔周向分布,各第一運動支鏈分別包括第一驅(qū)動電機2、主動臂3、第一萬向連桿4、被動臂5、第二萬向連桿(圖中未標示)和固定連接塊14 ;第一驅(qū)動電機2安裝在主定平臺I上,主動臂3與第一驅(qū)動電機2傳動相連,第一萬向連桿4連接在主動臂3的前端,固定連接塊14安裝在主動平臺10上,第二萬向連桿連接在固定連接塊14上,被動臂5共兩條分別連接在第一萬向連桿和第二萬向連桿之間。上述第一驅(qū)動電機為旋轉(zhuǎn)直流伺服電機或步進電機,三臺電機呈正三角形分布。
[0022]本發(fā)明中的三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈呈正三角形分布,各第二運動支鏈分別包括第二驅(qū)動電機7、直線驅(qū)動桿6、桿端關(guān)節(jié)軸承9和移動滑塊12,第二驅(qū)動電機7安裝在翻轉(zhuǎn)定平臺8上,直線驅(qū)動桿6與第二驅(qū)動電機7傳動相連,桿端關(guān)節(jié)軸承9設(shè)置在直線驅(qū)動桿6下端,移動滑塊12連接在桿端關(guān)節(jié)軸承9的前端并嵌裝在工作動平臺13的滑槽內(nèi)。上述第二驅(qū)動電機為直線步進電機,三臺直線步進電機呈正三角形分布。
[0023]上述工作動平臺的滑槽沿工作動平臺的直徑線延伸并向外貫通,三條滑槽的軸線相交于工作動平臺的中心。
[0024]工作動平臺的中心位置用于安裝微創(chuàng)外科手術(shù)器械,工作時通過三臺第一驅(qū)動電機改變?nèi)龡l主動臂與主定平臺的夾角來實現(xiàn)工作動平臺的三維空間移動;通過三臺第二驅(qū)動電機改變?nèi)本€驅(qū)動桿的伸長量從而實現(xiàn)工作動平臺的翻轉(zhuǎn)運動及短距離工進移動。從而在手術(shù)中可以使器械短距離精確工進,實現(xiàn)輕微觸碰組織、拉拽組織等微小手術(shù)動作,更精確地對病灶進行操作。
【主權(quán)項】
1.一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,其特征在于:包括主定平臺、主動平臺、翻轉(zhuǎn)定平臺和工作動平臺;主定平臺和主動平臺之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu),翻轉(zhuǎn)定平臺和工作動平臺之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu);并且工作動平臺嵌裝在主動平臺的中心孔內(nèi),第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)被第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)圍合在內(nèi);主動平臺與翻轉(zhuǎn)靜平臺之間通過三根立柱固定相連,將兩個閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,其特征在于:所述三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈均勻間隔周向分布,各第一運動支鏈分別包括第一驅(qū)動電機、主動臂、第一萬向連桿、被動臂、第二萬向連桿和固定連接塊;第一驅(qū)動電機安裝在主定平臺上,主動臂與第一驅(qū)動電機傳動相連,第一萬向連桿連接在主動臂的前端,固定連接塊安裝在主動平臺上,第二萬向連桿連接在固定連接塊上,被動臂共兩條分別連接在第一萬向連桿和第二萬向連桿之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,其特征在于:所述三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈呈正三角形分布,各第二運動支鏈分別包括第二驅(qū)動電機、直線驅(qū)動桿、桿端關(guān)節(jié)軸承和移動滑塊,第二驅(qū)動電機安裝在翻轉(zhuǎn)定平臺上,直線驅(qū)動桿與第二驅(qū)動電機傳動相連,桿端關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在直線驅(qū)動桿下端,移動滑塊連接在桿端關(guān)節(jié)軸承的前端并嵌裝在工作動平臺的滑槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,其特征在于:所述第一驅(qū)動電機為旋轉(zhuǎn)直流伺服電機或步進電機,三臺電機呈正三角形分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,其特征在于:所述第二驅(qū)動電機為直線步進電機,三臺直線步進電機呈正三角形分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,其特征在于:所述工作動平臺的滑槽沿工作動平臺的直徑線延伸并向外貫通,三條滑槽的軸線相交于工作動平臺的中心。
【專利摘要】一種混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂,包括主定平臺、主動平臺、翻轉(zhuǎn)定平臺和工作動平臺;主定平臺和主動平臺之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第一運動支鏈連接構(gòu)成第一閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu),翻轉(zhuǎn)定平臺和工作動平臺之間通過三條結(jié)構(gòu)相同的第二運動支鏈連接構(gòu)成第二閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu);兩個閉環(huán)三自由度并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)成混聯(lián)五自由度微創(chuàng)外科手術(shù)機械臂。本發(fā)明通過三臺第一驅(qū)動電機改變?nèi)龡l主動臂與主定平臺的夾角來實現(xiàn)工作動平臺的三維空間移動;通過三臺第二驅(qū)動電機改變?nèi)本€驅(qū)動桿的伸長量從而實現(xiàn)工作動平臺的翻轉(zhuǎn)運動,可為手術(shù)器械提供五個自由度,適合用于輔助醫(yī)生完成高精度、高難度的微創(chuàng)外科手術(shù)。
【IPC分類】B25J9-00, A61B19-00
【公開號】CN104644267
【申請?zhí)枴緾N201310582425
【發(fā)明人】宋成利, 沈桐, 徐兆紅
【申請人】上海理工大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2013年11月19日
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