專利名稱：五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種應(yīng)用于醫(yī)療外科手術(shù)的輔助定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，具體地說是指五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，將先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療外科領(lǐng)域已受到世界發(fā)達(dá)國家的高度重視。機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療外科領(lǐng)域的應(yīng)用不僅對(duì)手術(shù)精確定位、手術(shù)最小創(chuàng)傷、手術(shù)質(zhì)量等方面帶來一系列的技術(shù)變革。因此，國內(nèi)外應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的機(jī)器人類型和數(shù)量均增加較快，新一代機(jī)器人化的高技術(shù)醫(yī)療設(shè)備研究與開發(fā)，對(duì)臨床或家庭護(hù)理及康復(fù)方面都有十分重要的意義。
機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)形式分，可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。中國天津華志計(jì)算機(jī)應(yīng)用有限公司生產(chǎn)的被動(dòng)型“CAS-R-2型無框架腦立體定向儀”，也已成功應(yīng)用于臨床手術(shù)，取得了巨大的成功。主動(dòng)型機(jī)器人依靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，它解決了無框架立體定向儀的不足，結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，有較大的工作空間和負(fù)載能力；精度高、創(chuàng)傷小、能夠減輕患者痛苦和降低醫(yī)生手術(shù)疲勞。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于它由升降臂、移動(dòng)臂、小臂、腕部和針架五大部分構(gòu)成，升降臂通過平移機(jī)座與移動(dòng)臂連接，移動(dòng)臂與小臂之間，小臂與腕部之間，腕部與針架之間用轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，各部分在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，能夠產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、PLC、計(jì)算機(jī)組成。
所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)具有五個(gè)自由度，分別為I、II、III、IV和V關(guān)節(jié)，在預(yù)工作位置狀態(tài)，I關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向垂直于水平面；II關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向平行于水平面；III、IV關(guān)節(jié)的軸線與I關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向平行；V關(guān)節(jié)軸線與Ⅳ關(guān)節(jié)軸線垂直；負(fù)載軸線與V關(guān)節(jié)軸線垂直；I關(guān)節(jié)、II關(guān)節(jié)移動(dòng)距離為300mm，III、IV、V關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為正負(fù)90度。
所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其升降臂由升降導(dǎo)軌滑塊、滑座、高精度軸承、上支撐板、被動(dòng)齒輪、下支撐板、主動(dòng)齒輪、升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠螺母、高精度軸承、制動(dòng)器、機(jī)架組成，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在上支撐板上，與固裝在上支撐板和下支撐板之間的主動(dòng)齒輪固連，主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪嚙合，被動(dòng)齒輪與滾珠絲杠螺母連接，升降導(dǎo)軌滑塊中的導(dǎo)軌安裝在升降板上，升降導(dǎo)軌滑塊中的滑塊安裝在機(jī)架上，滾珠絲杠螺母中的螺母與滑座連接，安裝在絲杠兩端的高精度軸承保證其旋轉(zhuǎn)的精度，機(jī)架與底座固連，機(jī)器人整體固定在底座上，在升降板的兩端處分別安裝有一個(gè)限位開關(guān)，制動(dòng)器安裝在滾珠絲杠螺母的上部。
所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其移動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在與移動(dòng)臂體用螺栓相連的后絲杠支架上，通過彈性連軸器帶動(dòng)滾珠絲杠螺母中的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)滾珠絲杠螺母中的螺母固定在平移支架上，同時(shí)，移動(dòng)導(dǎo)軌中的滑塊也固定在平移支架上，安裝有高精度軸承的前、后絲杠支架對(duì)滾珠絲杠螺母起支撐作用，并在前、后絲杠支架上安裝兩個(gè)限位開關(guān)。
所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在連接件內(nèi)，與諧波減速器和轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次連接，高精度軸承安裝在連接件中，通過鎖緊螺母來調(diào)節(jié)軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的間隙，通過圓柱銷與小臂的剛性連接，在連接件上裝有光電開關(guān)，限定小臂有效轉(zhuǎn)角。
所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其電機(jī)支架固定在手腕支架上，電機(jī)支架內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與諧波減速器固連、轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次固連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)殼體通過螺釘相連，通過兩個(gè)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與手腕支架上的高精度軸承的作用來保證其旋轉(zhuǎn)的精度，上蓋與旋轉(zhuǎn)殼體螺釘相連，調(diào)節(jié)上蓋臺(tái)階尺寸，保證軸承間隙，在手腕支架上安裝有光電開關(guān)，限定有效的旋轉(zhuǎn)角度。
所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，在手腕支架內(nèi)固定驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與諧波減速器和轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次連接，高精度軸承安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定座之間，來保證其旋轉(zhuǎn)的精度，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與針架通過螺釘相連，在手腕支架上安裝有光電開關(guān)，限定針架有效轉(zhuǎn)角。
本實(shí)用新型的主要特點(diǎn)是能夠按照醫(yī)生規(guī)劃的路徑自主實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)定位，使醫(yī)療器械準(zhǔn)確定位，并在手術(shù)中起操作平臺(tái)作用；具有較大的工作空間和一定的負(fù)載能力；能夠減輕醫(yī)生的工作強(qiáng)度，減少操作誤差，對(duì)患者造成的創(chuàng)傷小、減少患者痛苦等。


圖一是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖二本實(shí)用新型是運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖三是本實(shí)用新型升降臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖四是本實(shí)用新型平移臂、小臂轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖五是本實(shí)用新型手腕部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖一至圖五所示，本實(shí)用新型由升降臂1、移動(dòng)臂2、小臂3、腕部4和針架5五大部分構(gòu)成，升降臂1通過平移機(jī)座20與移動(dòng)臂2連接，移動(dòng)臂2與小臂3之間，小臂3與腕部4之間、腕部4與針架5之間用轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，各部分在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，能夠產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，工作端按照規(guī)劃的路徑自主實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)定位，具有較大的工作空間和一定的負(fù)載能力，所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、PLC、計(jì)算機(jī)組成。
圖二所示，所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)具有五個(gè)自由度，分別為I、II、III、IV和V關(guān)節(jié)，在預(yù)工作位置狀態(tài)，I關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向垂直于水平面；II關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向平行于水平面；III、IV關(guān)節(jié)的軸線與I關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向平行；V關(guān)節(jié)軸線與IV關(guān)節(jié)軸線垂直；負(fù)載軸線與V關(guān)節(jié)軸線垂直；I關(guān)節(jié)、II關(guān)節(jié)移動(dòng)距離為300mm，III、IV、V關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為正負(fù)90度。
圖三所示，升降臂1由升降導(dǎo)軌滑塊8、滑座9、高精度軸承10、上支撐板11、被動(dòng)齒輪12、下支撐板13、主動(dòng)齒輪14、升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)15、滾珠絲杠螺母16(具體型號(hào)為2005-FL-A-P7)、高精度軸承17、制動(dòng)器18、機(jī)架19組成，升降導(dǎo)軌滑塊8選用韓國太敬公司產(chǎn)品，具體型號(hào)為SBG20SLL-ZZ-2-K2-650-N，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)15的型號(hào)為86BYG250A-SAFRBC-0202，它安裝在上支撐板11上，與固裝在上支撐板和下支撐板13之間的主動(dòng)齒輪14固連，主動(dòng)齒輪14與被動(dòng)齒輪12嚙合，被動(dòng)齒輪12與滾珠絲杠螺母16連接，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)15帶動(dòng)主動(dòng)齒輪14運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)齒輪14又帶動(dòng)被動(dòng)齒輪12及滾珠絲杠螺母16運(yùn)動(dòng)，升降導(dǎo)軌滑塊8中的導(dǎo)軌安裝在升降板7上，升降導(dǎo)軌滑塊8中的滑塊安裝在機(jī)架19上，滾珠絲杠螺母16中的螺母與滑座9通過螺栓連接，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，與滑座9用螺栓連接的升降板7上下運(yùn)動(dòng)，安裝在絲杠兩端的高精度軸承10、17保證其旋轉(zhuǎn)的精度，要求機(jī)架19具有較高的平面度和剛度，機(jī)架與底座固連，機(jī)器人整體固定在底座6上，在升降板7的兩端處分別安裝有一個(gè)限位開關(guān)，兩個(gè)限位開關(guān)之間的距離為升降臂的有效行程，制動(dòng)器18安裝在滾珠絲杠螺母16的上部，以防止自重的原因而下降。
圖四所示，移動(dòng)臂體24是由鋁合金制成的箱體，移動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)21，型號(hào)為56BYG250D-SASSBL-0241，安裝在與移動(dòng)臂體24用螺栓相連的后絲杠支架48上，通過彈性連軸器22帶動(dòng)滾珠絲杠螺母26(型號(hào)為1605-FL-A-P7)中的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，由于滾珠絲杠螺母26中的螺母是固定在平移支架25上，同時(shí)，移動(dòng)導(dǎo)軌50(型號(hào)為1605-FL-A-P7)中的滑塊也是固定在平移支架25上，平移支架25相對(duì)位置不動(dòng)，因此絲杠帶動(dòng)移動(dòng)臂體24前后移動(dòng)，安裝有高精度軸承28與23的前、后絲杠支架27、48對(duì)滾珠絲杠螺母26起支撐作用，并在前、后絲杠支架上安裝兩個(gè)限位開關(guān)，兩個(gè)限位開關(guān)之間的距離為升降臂的有效行程。
小臂3的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程是；安裝在連接件30中的小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)29(型號(hào)為56BYG250B-SASSBL-0241)，與諧波減速器39和轉(zhuǎn)動(dòng)軸40依次連接，小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)29帶動(dòng)諧波減速器31(型號(hào)為XB3-32)運(yùn)動(dòng)，并把運(yùn)動(dòng)傳給轉(zhuǎn)動(dòng)軸32，高精度軸承33安裝在連接件30中，通過鎖緊螺母34來調(diào)節(jié)高精度軸承33與轉(zhuǎn)動(dòng)軸32之間的間隙，通過圓柱銷35與小臂3的剛性連接，在連接件30上裝有光電開關(guān)49，限定小臂有效轉(zhuǎn)角。
圖五所示，小臂主體3與腕部4的主要零件均由鋁合金材料制成，電機(jī)支架37固定在手腕支架36上，電機(jī)支架內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)38，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與諧波減速器39固連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸40依次與諧波減速器39和轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)38固連，當(dāng)固定在手腕支架36上電機(jī)支架37內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)38(型號(hào)為42BYG250A-SASSML-0151)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過諧波減速器39(型號(hào)為XB3-25)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸40旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸40與旋轉(zhuǎn)殼體51通過螺釘相連，實(shí)現(xiàn)了其在垂直于水平面軸的旋轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸40與手腕支架36上的高精度軸承46的作用來保證其旋轉(zhuǎn)的精度，上蓋45與旋轉(zhuǎn)殼體51螺釘相連，調(diào)節(jié)上蓋45臺(tái)階尺寸保證軸承間隙，在手腕支架36上安裝有光電開關(guān)52，限定有效的旋轉(zhuǎn)角度。
在手腕支架36內(nèi)固定驅(qū)動(dòng)電機(jī)47，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與諧波減速器和轉(zhuǎn)動(dòng)軸42依次連接，通過諧波減速器43(型號(hào)為XB3-25)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸42旋轉(zhuǎn)，高精度軸承41安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸42與固定座54之間，來保證其旋轉(zhuǎn)的精度，轉(zhuǎn)動(dòng)軸42與針架44通過螺釘相連，從而實(shí)現(xiàn)針架44的旋轉(zhuǎn)，在手腕支架36上安裝有光電開關(guān)53，限定針架44有效轉(zhuǎn)角。
本機(jī)器人采用兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，移動(dòng)關(guān)節(jié)調(diào)整方便，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸線方向剛度高，腕關(guān)節(jié)設(shè)了兩個(gè)軸線垂直相交的旋轉(zhuǎn)自由度，能夠保證機(jī)器人末端靈活性；結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，有較大的工作空間和負(fù)載能力；精度高、創(chuàng)傷小、減少操作誤差，能夠減輕患者痛苦和降低醫(yī)生手術(shù)疲勞；并在手術(shù)中起定位架作用。
權(quán)利要求1.一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于它由升降臂、移動(dòng)臂、小臂、腕部和針架五大部分構(gòu)成，升降臂通過平移機(jī)座與移動(dòng)臂連接，移動(dòng)臂與小臂之間，小臂與腕部之間，腕部與針架之間用轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，各部分在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，能夠產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、PLC、計(jì)算機(jī)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于其運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)具有五個(gè)自由度，分別為I、II、III、IV和V關(guān)節(jié)，在預(yù)工作位置狀態(tài)，I關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向垂直于水平面；II關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向平行于水平面；III、IV關(guān)節(jié)的軸線與I關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向平行；V關(guān)節(jié)軸線與IV關(guān)節(jié)軸線垂直；負(fù)載軸線與V關(guān)節(jié)軸線垂直；I關(guān)節(jié)、II關(guān)節(jié)移動(dòng)距離為300mm，III、IV、V關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為正負(fù)90度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于其升降臂由升降導(dǎo)軌滑塊、滑座、高精度軸承、上支撐板、被動(dòng)齒輪、下支撐板、主動(dòng)齒輪、升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠螺母、高精度軸承、制動(dòng)器、機(jī)架組成，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在上支撐板上，與固裝在上支撐板和下支撐板之間的主動(dòng)齒輪固連，主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪嚙合，被動(dòng)齒輪與滾珠絲杠螺母連接，升降導(dǎo)軌滑塊中的導(dǎo)軌安裝在升降板上，升降導(dǎo)軌滑塊中的滑塊安裝在機(jī)架上，滾珠絲杠螺母中的螺母與滑座連接，安裝在絲杠兩端的高精度軸承保證其旋轉(zhuǎn)的精度，機(jī)架與底座固連，機(jī)器人整體固定在底座上，在升降板的兩端處分別安裝有一個(gè)限位開關(guān)，制動(dòng)器安裝在滾珠絲杠螺母的上部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于其移動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在與移動(dòng)臂體連接的后絲杠支架上，通過彈性連軸器與滾珠絲杠螺母連接，滾珠絲杠螺母中的螺母固定在平移支架上，移動(dòng)導(dǎo)軌中的滑塊也固定在平移支架上，前、后絲杠支架安裝有高精度軸承，并在前、后絲杠支架上安裝兩個(gè)限位開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于其小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在連接件內(nèi)，與諧波減速器和轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次連接，高精度軸承安裝在連接件中，通過鎖緊螺母來調(diào)節(jié)高精度軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的間隙，通過圓柱銷與小臂的剛性連接，在連接件上裝有光電開關(guān)，限定小臂有效轉(zhuǎn)角。
6.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于其電機(jī)支架固定在手腕支架上，電機(jī)支架內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與諧波減速器、轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次固連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)殼體固連，高精度軸承安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與手腕支架上，上蓋與旋轉(zhuǎn)殼體固連，在手腕支架上安裝有光電開關(guān)，限定有效的旋轉(zhuǎn)角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于在手腕支架內(nèi)固定驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與諧波減速器和轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次連接，高精度軸承安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定座之間，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與針架固連，在手腕支架上安裝有光電開關(guān)，限定針架有效轉(zhuǎn)角。
專利摘要一種五自由度空間定位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，是應(yīng)用于醫(yī)療外科手術(shù)的輔助定位機(jī)構(gòu)，由升降臂、移動(dòng)臂、小臂、腕部和針架五大部分構(gòu)成，升降臂通過平移機(jī)座與移動(dòng)臂連接，移動(dòng)臂與小臂之間，小臂與腕部之間，腕部與針架之間用轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，各部分在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，能夠產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述的機(jī)器人機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、PLC、計(jì)算機(jī)組成。本機(jī)器人機(jī)構(gòu)能夠醫(yī)生規(guī)劃的路徑自主實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)定位，具有較大的工作空間和一定的負(fù)載能力；能夠減輕醫(yī)生的工作強(qiáng)度，減少操作誤差；對(duì)患者造成的創(chuàng)傷小、減少患者痛苦。
文檔編號(hào)B25J9/10GK2796972SQ20052002552
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月4日
發(fā)明者關(guān)偉, 王田苗, 田增民, 陳國良 申請(qǐng)人:天津市華志計(jì)算機(jī)應(yīng)用有限公司