主被动结合的九自由度混联机器人.pdf

本发明公开了一种主被动结合的九自由度混联机器人，包括串联机构和并联机构，串联机构为被动机构，包括依次铰接的基座、大臂、小臂、活套接头，具有5个自由度；并联机构为主动机构，包括双平面静平台、针架，双平面静平台与活套接头连接，针架的上部和下部分别通过移动装置与双平面静平台的上平面静平台和下平面静平台连接，具有4个移动自由度。灵活性强、关节积累误差小、末端手术器械能实现的姿态多、有较高的灵活度和绝对定位精度，适合在CT等受限手术空间下进行外科手术。

权利要求书
1.  一种主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，包括串联机构和并联机构，所述串联机构包括依次铰接的基座、大臂、小臂、活套接头；
所述并联机构包括双平面静平台、针架，所述双平面静平台与所述活套接头连接，所述针架的上部和下部分别通过移动装置与所述双平面静平台的上平面静平台和下平面静平台连接。

2.  根据权利要求1所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述基座与所述大臂之间通过第一关节和第二关节铰接，所述第一关节的回转轴线为竖直方向，所述第二关节的回转轴线为水平方向；
所述大臂与所述小臂之间通过第三关节铰接，所述第三关节的回转轴线与所述第二关节的回转轴线平行；
所述小臂的中部设有第四关节，所述第四关节的回转轴线与所述小臂的轴线重合，所述小臂的前短臂和后短臂可通过所述第四关节相对旋转；
所述小臂与所述活套接头之间通过第五关节铰接，所述第五关节的回转轴线与所述小臂的轴线垂直。

3.  根据权利要求2所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述串联机构还包括液压锁紧装置，所述液压锁紧装置通过液压管路与所述第一关节、第二关节、第三关节、第四关节及第五关节相通，对所述各关节实现锁紧。

4.  根据权利要求3所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述液压锁紧装置包括液压动力源、踩板机构；
所述液压动力源设于所述基座内，包括活塞、活塞顶杆，所述活塞顶杆的上端顶在所述活塞的下端；
所述踩板机构包括踩板罩、踩板，所述踩板的一端与所述踩板罩铰接，所述踩板的中部与所述活塞顶杆的下端通过钢丝连接。

5.  根据权利要求2所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述第一关节包括旋臂，所述旋臂与所述基座之间铰接且设有关节零位校对装置，所述第二关节的轴与所述旋臂通过螺纹固连。

6.  根据权利要求2所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节处分别设有光电编码器。

7.  根据权利要求2所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述活套接头包括夹头和锁紧螺母，所述夹头的一端与所述第五关节连接，所述夹头的另一端通过所述锁紧螺母与所述双平面静平台连接。

8.  根据权利要求1所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述双平面静平台的上平面静平台和下平面静平台之间通过平台定位杆固连，所述上平面静平台和下平面静平台分别设有单独的移动装置；
所述移动装置包括相互垂直的两个动平台支杆，两个动平台支杆的交叉处啮合有球铰定位块，所述针架的上部和下部分别与所述上平面静平台和下平面静平台的球铰定位块铰接。

9.  根据权利要求8所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述动平台支杆的两端分别啮合有一根螺旋副，两根螺旋副相互平行，所述两根螺旋副连接有驱动装置。

10.  根据权利要求8所述的主被动结合的九自由度混联机器人，其特征在于，所述定位块中间开有球面孔，所述球面孔中设有球铰，所述球铰上开有通孔，所述球铰的外表面与所述球面孔的内表面相配合；
所述针架包括穿刺针套、穿刺针，所述穿刺针套插入所述球铰的通孔内并配合固连，所述穿刺针插入所述穿刺针套中，所述穿刺针可以沿自身轴线转动和轴向移动。

说明书主被动结合的九自由度混联机器人
技术领域
本发明涉及一种医疗外科手术机器人，尤其涉及一种主被动结合的九自由度混联机器人。
背景技术
近年来，国内外投入临床应用的医疗外科机器人的数量和类型不断增长，这种机器人按照驱动方式可分为：被动型和主动型，按照拓扑结构可分为：串联型和并联型。被动型靠人力驱动，无电机、液压或气压驱动，主动型反之；串联型由一组运动链串联而成，属于开环机构，并联型由两个或两个以上的分支机构并联而成，属于闭环机构。
现有技术中的机器人是纯串联或纯并联机器人，此类机器人的主要不足是：对于串联机器人，它的刚性较差，关节存在累积误差；对于并联机器人，其能实现的灵活姿态少，灵活性差，而且工作空间小。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵活性强、关节积累误差小的主、被动结合的九自由度混联机器人。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的主被动结合的九自由度混联机器人，包括串联机构和并联机构，所述串联机构包括依次铰接的基座、大臂、小臂、活套接头；
所述并联机构包括双平面静平台、针架，所述双平面静平台与所述活套接头连接，所述针架的上部和下部分别通过移动装置与所述双平面静平台的上平面静平台和下平面静平台连接。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的主被动结合的九自由度混联机器人。由于包括串联机构和并联机构，串联机构包括依次铰接的基座、大臂、小臂、活套接头；并联机构包括双平面静平台、针架，双平面静平台与活套接头连接，针架的上部和下部分别通过移动装置与双平面静平台的上平面静平台和下平面静平台连接。灵活性高、关节积累误差小。
附图说明
图1为本发明的主被动结合的九自由度混联机器人的整体结构示意图；
图2为本发明的运动学建模示意图；
图3为本发明中的液压锁紧装置的结构示意图；
图4为本发明中的大臂的结构示意图；
图5为本发明中的小臂的结构示意图；
图6为本发明中并联机构的立体结构示意图；
图7为本发明中并联机构的平面结构示意图。
图中：1.基座 2.大臂 3.小臂 4.活套接头 5.双平面静平台 6.螺旋副 7.球铰 8.针架 9.踩板机构 10.底座 11.踩板罩 12.踩板 13.钢丝套 14.钢丝绳15/17.转球 16.支柱 18.筒体 19.弹簧 20.顶杆 21.螺纹座 22.活塞 23.楔形环24.活套螺母 25/43.推力环 26.基座壳体 27/34/37/40/50.光电编码器 28.第一关节轴 29.旋臂 30.定位片 31.限位座 35.第二关节轴 36.码盘座 38.前短臂 39.承压环 41.定位环 42.密封环 44.楔形环 45.第四关节轴 46.后短臂 47.第五关节轴48.转动臂 49.码盘座 51.夹头 52.锁紧螺母 53.限位挡块 55.动平台支杆 59.螺母 61/67.电机座 62/66.齿轮箱 63/65.传动定位块 68.平台定位杆 72.侧板 77.球铰定位块 78.穿刺针 79.穿刺针套
具体实施方式
本发明的主被动结合的九自由度混联机器人，其较佳的具体实施方式如图1所示，包括串联机构和并联机构，其中串联机构为被动机构，具有五个转动自由度，串联机构包括依次铰接的基座1、大臂2、小臂3、活套接头4；并联机构包括双平面静平台5、针架8，双平面静平台5与活套接头4连接，针架8的上部和下部分别通过移动装置与双平面静平台5的上平面静平台和下平面静平台连接。
具体串联机构的基座1与大臂2之间通过第一关节I和第二关节II铰接，第一关节I的回转轴线为竖直方向，第二关节II的回转轴线为水平方向；大臂2与所述小臂3之间通过第三关节III铰接，第三关节III的回转轴线与第二关节II的回转轴线平行；小臂3的中部设有第四关节IV，第四关节IV的回转轴线与小臂3的轴线重合，小臂3的前短臂和后短臂可通过第四关节IV相对旋转；小臂3与活套接头4之间通过第五关节V铰接，第五关节V的回转轴线与小臂2的轴线垂直。
串联机构还包括液压锁紧装置，液压锁紧装置包括设于基座1内的液压动力源，液压动力源通过液压管路与第一关节I、第二关节II、第三关节III、第四关节IV及第五关节V相通，并由踩板机构9控制对各关节实现液压锁紧。
并联机构为主动机构，具有四个移动自由度。并联部分包括：双平面静平台5、动平台移动装置(螺旋副6、球铰7等)、针架8(动平台)三个部分。双平面静平台5通过螺旋副6和球铰7与针架8相连。并联机构的驱动控制系统可以由直流伺服电机、驱动控制器、光电编码器、视觉标定系统、计算机和规划控制软件等组成。
工作时，踩下踩板，将液压锁紧装置解锁，手动将串并混联机器人的并联部分放置在手术区域，然后通过液压锁紧装置锁定串联机构的5个关节，启动并联机构的驱动装置，控制机器人按照医生规划好的路径完成空间位置和姿态的精确定位。
如图2所示，本发明的机器人运动学结构具有九个自由度，其中串联机构有5个自由度，工作时，第一关节I的轴线为铅垂方向，沿水平面在正负160度范围内运动，第二关节II轴线与第一关节I轴线垂直，第二关节II可实现铅垂平面内的正负150度范围内的转动；第三关节III轴线与第二关节轴线II垂直，可实现铅垂平面内的正负160度范围内的转动；第四关节IV的轴线与第三关节III、第五关节V的轴线垂直，可绕自身轴线旋转，实现绕自身轴线的正负150度范围内的转动；第五关节V可实现空间正负160度范围内的转动。
并联机构具有4个移动自由度，分别为针架上部垂直方向上的两个移动自由度和针架下部垂直方向上的两个移动自由度，行程范围可以为0～80mm。
如图3所示，支柱16与液压动力源固连，筒体18与螺纹座21、活套螺母24、顶杆20、活塞22、液压源壳体26、第一关节轴28的轴线重合。活塞22可以具有较高的密封性。顶杆20与钢丝绳14连接并穿过底部的转球15，简体18和螺纹座21嵌套，活套螺母24和螺纹座21配合紧固，液压源壳体26嵌入螺纹座21，编码器27与第一关节轴28配合并置于液压源壳体26上部，松开活套螺母24，可将第一至第五关节整体从液压动力源脱开。踩板机构9由钢丝绳14、钢丝套13、转球15、踩板12、踩板罩11和底座10组成，踩板罩11和底座10焊接固连，踩板12通过钢丝绳14相连，钢丝绳14一端通过扣紧套系与踩板12底部，另一端与液压动力源活塞顶杆20相连，踩板罩11上面开球面孔，转球通过球面孔配合形成球面副。通过顶杆对活塞的作用改变关节锁紧程度。
如图4所示，第一关节I包括旋臂29，第二关节轴35与旋臂29通过螺纹固连。旋臂29上安装了用于关节零位校对的定位片30和限位座31。
大臂24一端连接第二关节II，另一端连接第三关节III，可以为中空结构，第二关节II和第三关节III的轴线相互平行。第二关节II的光电编码器37固定在大臂2上。
如图5所示，小臂3由前短臂38和后短臂46组成，小臂3一端连接第三关节III，另一端连接第五关节V，中间为第四关节IV。小臂3由前短臂38和后短臂46组成，前短臂38和后短臂46通过第四关节45相连，前短臂38与第四关节45螺纹固联，后短臂46与第四关节轴45过盈配合相连，形成前短臂38和后短臂46的相对运动。第四关节IV的光电编码器40位于前短臂38和后短臂46之间，其轴线与前短臂38和后短臂46重合。第三关节III的零位由旋臂29上的限位座31、定位片30和后短臂46上的限位挡块53共同确定。
如图6、图7所示，并联机器人由双平面静平台5、动平台移动装置和针架8(动平台)组成。双平面静平台5通过平台定位杆68固连，侧板72固定在架体两侧，每个侧板72与伺服电机座61、齿轮箱62和传动定位块63配合固连。串并机构活套接头4固定于两个静平台之间。动平台传动装置由电机座61中的伺服电机、齿轮箱62中的齿轮组、螺旋副6、螺母59、球铰定位块77和球铰7等构成，形成并联机构的四个支链。球铰定位块77两侧开两个不共面的垂直通孔，与动平台支杆55相连。球铰定位块77中间开球面孔，与中空球面副配合形成球铰7，并可以在两个垂直通孔中运动。
针架8是并联机构的动平台，包括穿刺针套79、穿刺针78、球铰7，上述三者的轴线重合。穿刺针套79插入球铰7中间孔内，穿刺针78插入穿刺针套79中，穿刺针78可以沿自身轴线转动和移动，穿刺针78的轴线、针套79和球铰76的内孔轴线重合。通过伺服驱动系统，使上下平面的两个球铰在各自的架体所确定的平面内运动，从而实现穿刺针78的在三维空间的位置和姿态定位。
本发明结构紧凑，体积小，适合在CT等受限手术空间下进行外科手术；刚度较高，承载能力较大；末端手术器械能实现的姿态多，有较高的灵活度和绝对定位精度；被动串联式和主动并联式有机结合，更进一步提高了整个混联机器人的灵活性。该系统能实现网络远程手术的同时，也可以将并联机构拆下，单独进行被动机器人手术操作。
主要功能是：作为手术操作和定位的平台，通过手术软件界面，能根据外科医生规划好的路径自主完成空间精确位置和姿态定位，辅助医生进行外科手术，并在满足手术空间要求的前提下，提供一定的承载能力和较高的灵活性。能降低手术医生的疲劳，减少对患者的手术创伤和操作误差。该机器人既能完成远程控制手术，也能作为被动机器人完成外科手术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。