CN109794942B - 一种具有位姿分离的机械结构 - Google Patents

Abstract

一种具有位姿分离的机械结构，它涉及一种机械结构，它包括底座、姿态补偿机构、定位机构和远程运动中心机构；所述定位机构包括第一电机、第二电机、第三电机、双平行四边形解耦结构和传动组件；所述远程运动中心机构包括第五电机、第六电机、传动组件和远程联动结构；双平行四边形解耦机构分别由第二电机和第三电机驱动，双平行四边形解耦机构通过传动组件与姿态补偿机构连接，第五电机由姿态补偿机构带动旋转，远程联动机构由第六电机驱动的传动组件带动作俯仰运动，第六电机由第五电机带动旋转。本发明可应用于穿刺手术中，也应用在操作对象为圆柱面或者球面时，如对圆弧工件的打磨和除锈。

Description

一种具有位姿分离的机械结构

技术领域

本发明涉及一种机械结构，具体涉及一种位置与姿态分离的机械结构。

背景技术

当前医疗机器人有很多种结构形式，有单纯的串联机械臂，也有SCARA结构与RCM机构相结合的形式。仅含转动关节的串联机械臂可以很容易的实现零力拖拽功能，方便医生进行手动拖拽定位。类似“达芬奇”手术机器人的结构形式由于含有RCM机构比较适合进行腹腔的微创手术。但是当既需要医生手动拖拽定位又需要做定点运动的时候，单纯的串联机械臂不含有远程运动中心(Remote center of motion，RCM)机构，只能通过软件实现RCM机构运动，设计难度大。而含有移动关节的医疗机器人又不适合零力拖拽，所以就必须对机器人的结构进行精妙的设计。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种具有位姿分离的机械结构，该结构可靠性好，设计紧凑，克服了现有位置和姿态调整需要两个步骤的问题。

本发明的技术方案是：一种具有位姿分离的机械结构包括底座、姿态补偿机构、定位机构和远程运动中心机构；

底座上布置有定位机构、与定位机构相连接的姿态补偿机构以及与姿态补偿机构相连接的远程运动中心机构；

所述定位机构包括第一电机、第二电机、第三电机、双平行四边形解耦结构和传递补偿组件；

所述远程运动中心机构包括第五电机、第六电机、传动组件和远程联动机构；

底座上安装有第一电机，第一电机的轴向竖向布置，第一电机的输出轴连接有支撑座，支撑座上布置有第二电机和第三电机；双平行四边形解耦机构分别由第二电机和第三电机驱动，双平行四边形解耦机构通过传递补偿组件与姿态补偿机构的连接座转动连接，所述姿态补偿机构包括第四电机和连接座；第四电机轴向竖直布置，且第四电机固装在连接座上，安装有第五电机的安装座固接在第四电机的输出轴上，第五电机由姿态补偿机构带动旋转，远程联动机构由第六电机驱动的传动组件带动作俯仰运动，第六电机由第五电机带动旋转。

进一步地，双平行四边形解耦结构包括第一连接杆、第三连接杆、第四连接杆和两个第二连接杆；

所述传递补偿组件包括两个传递杆和两个三角架；第一连接杆的一端与第二电机的输出轴固接，第一连接杆的另一端和第四连接杆布置在两个三角架之间，且第一连接杆的另一端与第四连接杆转动连接，两个三角架的其中一个顶点分别与第四连接杆铰接；第三连接杆的一端与第四连接杆的一端转动连接，第三连接杆的另一端与传动轴的一端转动连接，传动轴的另一端与第三电机的输出轴固接；两个第二连接杆并列设置，两个第二连接杆的一端与支撑座转动连接，两个第二连接杆的另一端分别与对应的三角架的第二个顶点转动连接；两个三角架的第三个顶点分别与两个传递杆的一端转动连接，两个传递杆的另一端分别与姿态补偿机构转动连接，第四连接杆的另一端与姿态补偿机构转动连接。

进一步地，所述远程联动机构包括第一操作杆、第二操作杆、第三操作杆、第四操作杆和第五操作杆；第四操作杆的一端与电机座固接，第四操作杆的另一端与第五操作杆转动连接，第二操作杆的一端与第四操作杆转动连接，第二操作杆的一端还固接有所述另一个锥齿轮，第二操作杆的另一端与第一操作杆的一端转动连接，第五操作杆的另一端与第三操作杆转动连接，第三操作杆的一端与第二操作杆转动连接，第一操作杆和第三操作杆的另一端分别与进针机构转动连接。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

本发明提到一种新的结构组合形式，前四个轴采用连杆解耦的形式，实现机器人末端位置的确定。由于均采用转动关节不含有移动副，非常适合进行零力拖拽。最后两个轴是RCM机构(远程运动中心机构)，RCM机构的运动对末端位置完全没有影响。

本发明创新点在于：位置和姿态的解耦，末端位置的三个自由度Px、Py、Pz与R5和R6自由度无关。在不考虑Rz的应用中，R1、R2、R3、R4前四个自由度与Rx和Ry无关。

对于操作空间中表示位置的三个自由度来说，这种形式的机械臂是一种冗余结构，可以以不同的Rz姿态到达指定的位置，并且由于解耦机构的存在不对Rx和Ry产生影响。再不关心Rz的应用场景中，这种结构设计可以很好的避让工作区的障碍物。

本发明可应用于如下：穿刺手术中；在不关心Rz的应用场景中，这种结构设计可以很好的避让工作区的障碍物；由第五电机和第六电机带动的运动轨迹为圆弧面，使得这种结构亦可以应用在操作对象为圆柱面或者球面时，如对圆弧工件的打磨、除锈。

附图说明

图1为本发明整体结构立体图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明远程运动中心机构中第五电机和第六电机连接关系示意图；

图4为图1的K向视图；

图5为本发明定位机构的局部剖视图；

图6为本发明一种具有位姿分离的机械结构的机构简图；

图7为本发明一种具有位姿分离的机械结构中双平行四边形解耦机构简图；

图8为本发明一种具有位姿分离的机械结构中远程运动中心机构简图；

图9为关节空间与操作空间关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

参见图1-图3所示，一种具有位姿分离的机械结构包括底座7、姿态补偿机构4、定位机构T和远程运动中心机构N；

底座7上布置有定位机构T、与定位机构T相连接的姿态补偿机构4以及与姿态补偿机构4相连接的远程运动中心机构N；

所述定位机构T包括第一电机1、第二电机2、第三电机3、双平行四边形解耦结构100和传递补偿组件9；

所述远程运动中心机构N包括第五电机5、第六电机6、传动组件12和远程联动机构8；

底座7上安装有第一电机1，第一电机1的轴向竖向布置，第一电机1的输出轴连接有支撑座10，支撑座10上布置有第二电机2和第三电机3；双平行四边形解耦机构100分别由第二电机2和第三电机3驱动，双平行四边形解耦机构100通过传动组件9与姿态补偿机构4连接，第五电机5由姿态补偿机构4带动旋转，远程联动机构8由第六电机6驱动的传动组件12带动作俯仰运动，第六电机6由第五电机5带动旋转。

上述方案中，包括第一电机1、第二电机2、第三电机3、双平行四边形解耦结构100和传递补偿组件9的定位机构具有2个自由度，第一个自由度是第一电机1带动双平行四边形解耦机构100所作的旋转运动，第二个自由度是第二电机2和第三电机3带动的双平行四边形解耦机构100所作的偏摆运动；第三个自由度双平行四边形解耦机构100运动而带动传递补偿组件9和位姿补偿机构4所作的俯仰运动；本实施方案的具有位姿分离的机械结构的机构原理简图如图6所示。第四个自由度是位姿补偿机构4带动第五电机5作的旋转运动；第五个自由度是第五电机5带动第六电机6所作的旋转运动；第六个自由度是第六电机6带动远程联动机构8所作的偏摆运动。将六个自由度定义为R1、R2、R3、R4、R5、R6。R1-R3基于双平行四边形解耦的关节式定位机构T；单自由度R4机构用于补偿R1关节的影响；R5和R6关节组成双平行四边形的远程运动中心机构N。其中，RX表示机器人的自由度，X表示第几个自由度，R表示该自由度是由转动副提供的。Rx、Ry、Rz表示末端姿态在笛卡尔坐标系下的表示，分别绕下xyz三个轴旋转的角度Px、Py、Pz表示末端位置在笛卡尔坐标系下的表示，分别是xyz三个轴的坐标值。前四个轴(R1、R2、R3、R4)采用连杆解耦的形式，实现机器人末端位置的确定

参加图1和图2所示，为了充分说明双平行四边形解耦结构100的解耦性，本实施方式中双平行四边形解耦结构100采用了如下结构：所述双平行四边形解耦结构100包括第一连接杆21、第三连接杆23、第四连接杆24和两个第二连接杆22；

所述传递补偿组件9包括两个传递杆92和两个三角架91；

第一连接杆21一端与第二电机2的输出轴固接，第一连接杆21的另一端和第四连接杆24布置在两个三角架91之间，且第一连接杆21的另一端与第四连接杆24转动连接，两个三角架91的其中一个顶点分别与第四连接杆24铰接；第三连接杆23的一端与第四连接杆24的一端转动连接，第三连接杆23的另一端与传动轴3-1的一端转动连接，传动轴3-1的另一端与第三电机3的输出轴固接；两个第二连接杆22并列设置，两个第二连接杆22的一端与支撑座10转动连接，两个第二连接杆22的另一端分别与对应的三角架91的第二个顶点转动连接；两个三角架91的第三个顶点分别与两个传递杆92的一端转动连接，两个传递杆92的另一端分别与姿态补偿机构4转动连接，第四连接杆24的另一端与姿态补偿机构4转动连接。两个传递杆92和两个三角架91一一对应布置。作为一种较佳的实施例，所述三角架91采用的是等腰三角架结构。两个三角架91的顶角对应的顶点分别与第四连接杆24铰接，两个第二连接杆22的另一端分别与对应的三角架91的一个底角对应的顶点转动连接，两个三角架91的另一个底角对应的顶点分别与两个传递杆92的一端转动连接。

参见图2所示，所述姿态补偿机构4包括第四电机42和连接座41；第四连接杆24和两个传递杆92的另一端分别与连接座41转动连接，第四电机42轴向竖直布置，且第四电机42固装在连接座41上，安装有第五电机5的安装座51固接在第四电机42的输出轴上。

上述双平行四边形解耦结构100的工作原理参见图7的机构简图所示说明，该结构是一种三关节两自由度的机构，两个自由度的驱动均布置在A关节处。首先我们定义A点为对应第二电机2输出轴与第一连接杆21固接点，B点为对应的第二连接杆22与支撑座10连接转动点，C点为第二连接杆22与三角架91连接转动点，D点为第四连接杆24和三角架91连接转动点，E点为第四连接杆24与连接座41连接转动点，F点为第三连接杆23与传动轴3-1连接转动点，G点为第四连接杆24与第三连接杆23连接转动点，H点为三角架91与传递杆92连接转动点，I点为传递杆92与连接座41连接转动点，EJI为相当于连接座41。

图7的机构简图简化原理中，首先AB杆固定以AD杆为驱动时，ABCD平行四边形保证CE杆始终平行于AB杆，补偿由于AD杆的运动给CE杆带来的角度变化；同样通过AFGD平行四边形补偿GD杆的角度变化；由于∠HDG角度固定，可通过HDEI平行四边形补偿IE杆的角度变化。由此可以断定，AD杆运动时，EJ杆的角度保持不变，从而实现了EJ对AD的解耦。考虑AD杆固定以AB杆为驱动时，可以看出通过ABCD平行四边形，实际上是对CE杆进行驱动。同理AFGD和HDEI两个平行四边形会使EJ杆补偿CE杆的角度变化，从而实现EJ对AB的解耦。以上就是双平行四边形解耦结构的原理，其实该结构比较常用于工业码垛机器人中。

较佳地，如图2和图3所示，所述传动组件12为锥齿轮副，安装有第六电机6的电机座61固接在第五电机5的输出轴上，第六电机6的输出轴上固接有一个锥齿轮12-1，远程联动机构8上安装有另一个锥齿轮12-1，远程联动机构8由锥齿轮副带动作俯仰运动。如此设置，通过锥齿轮副将运动传递给远程联动机构8，实现进针机构T的绕远心转动。在这里，为了保证第六电机6的安装紧凑，节省工作空间，第六电机6安装在筒式结构的电机座61中，优选地，所述第六电机为maxon电机。结构紧凑，使用简单可靠。

参见图1和图2所示，所述远程联动机构8包括第一操作杆81、第二操作杆82、第三操作杆83、第四操作杆84和第五操作杆85；第四操作杆84的一端与电机座61固接，第四操作杆84的另一端与第五操作杆85转动连接，第二操作杆82的一端与第四操作杆84转动连接，第二操作杆82的一端还固接有所述另一个锥齿轮，第二操作杆82的另一端与第一操作杆81的一端转动连接，第五操作杆85的另一端与第三操作杆83转动连接，第三操作杆83的一端与第二操作杆82转动连接，第一操作杆81和第三操作杆83的另一端分别与进针机构101转动连接。

上述远程运动中心机构N中的远程联动机构8的工作原理参见图8的机构简图所示说明，该结构利用双平行四边形连杆实现固定的虚拟转动中心，O点为所需要的虚拟转动中心，首先定义A1为另一个锥齿轮的转动点，B1为第五操作杆85与第四操作杆84连接转动点，C1为第二操作杆82与第三操作杆83连接转动点，D1为第三操作杆83与第五操作杆85连接转动点，E1为第一操作杆81与第二操作杆82连接转动点，G1和H1分别为第一操作杆81和第三操作杆83与顶针机构101连接转动点。

图8的机构简图简化原理中。若将B1O和H1O连杆补全，可以得到两个冗余的四连杆机构“A1C1H1O”和“A1E1G1O“。以驱动A1E1杆时，A1B1C1D1组成的四连杆可以保证H1关节绕虚拟点O转动，四连杆A1B1E1F1可以保证G1关节绕虚拟点O转动，由此使得G1H1杆能够绕虚拟的O点转动，这就实现了远程运动中心的功能。

在不考虑关节参数的影响，仅关注关节变量对操作空间自由度的影响，由如下的关系。末端位置的三个参数仅与前四个关节变量有关；而末端姿态的三个参数则仅与远程运动中心机构的两个关节变量和第一电机1和第四电机4的两轴关节变量的加和有关。

如图9所示，对于操作空间中表示位置的三个自由度来说，这种形式的机械结构是一种冗余结构，可以以不同的Rz姿态到达指定的位置，并且由于解耦机构的存在不对Rx和Ry产生影响。再不关心Rz的应用场景中，这种结构设计可以很好的避让工作区的障碍物。

末端Rx和Ry两个姿态自由度仅且分别由R5和R6决定，这种设计可以完全将定位和定姿区分开，可以实现先定位后定姿，抑或是先确定姿态后确定操作位置。

末端的顶针机构可以让R5和R6围绕着一个虚拟的点转动以调整姿态，这种结构在医疗手术机器人中应用很广泛。由于R5和R6的运动轨迹为圆弧面，使得这种结构亦可以应用在操作对象为圆柱面或者球面时，如对圆弧工件的打磨、除锈。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.一种具有位姿分离的机械结构，其特征在于：它包括底座（7）、姿态补偿机构（4）、定位机构（T）和远程运动中心机构；

底座（7）上布置有定位机构（T）、与定位机构（T）相连接的姿态补偿机构（4）以及与姿态补偿机构（4）相连接的远程运动中心机构（N）；

所述定位机构（T）包括第一电机（1）、第二电机（2）、第三电机（3）、双平行四边形解耦结构（100）和传递补偿组件（9）；

所述远程运动中心机构（N）包括第五电机（5）、第六电机（6）、传动组件（12）和远程联动机构（8）；

底座（7）上安装有第一电机（1），第一电机（1）的轴向竖向布置，第一电机（1）的输出轴连接有支撑座（10），支撑座（10）上布置有第二电机（2）和第三电机（3）；双平行四边形解耦结构（100）分别由第二电机（2）和第三电机（3）驱动，双平行四边形解耦结构（100）通过传递补偿组件（9）与姿态补偿机构（4）的连接座（41）转动连接，所述姿态补偿机构（4）包括第四电机（42）和连接座（41）；第四电机（42）轴向竖直布置，且第四电机（42）固装在连接座（41）上，安装有第五电机（5）的安装座（51）固接在第四电机（42）的输出轴上，第五电机（5）由姿态补偿机构（4）带动旋转，远程联动机构（8）由第六电机（6）驱动的传动组件（12）带动作俯仰运动，第六电机（6）由第五电机（5）带动旋转。

2.根据权利要求1所述一种具有位姿分离的机械结构，其特征在于：双平行四边形解耦结构（100）包括第一连接杆（21）、第三连接杆（23）、第四连接杆（24）和两个第二连接杆（22）；所述传递补偿组件（9）包括两个传递杆（92）和两个三角架（91）；

第一连接杆（21）的一端与第二电机（2）的输出轴固接，第一连接杆（21）的另一端和第四连接杆（24）布置在两个三角架（91）之间，且第一连接杆（21）的另一端与第四连接杆（24）转动连接，两个三角架（91）的其中一个顶点分别与第四连接杆（24）铰接；

第三连接杆（23）的一端与第四连接杆（24）的一端转动连接，第三连接杆（23）的另一端与传动轴（3-1）的一端转动连接，传动轴（3-1）的另一端与第三电机（3）的输出轴固接；两个第二连接杆（22）并列设置，两个第二连接杆（22）的一端与支撑座（10）转动连接，两个第二连接杆（22）的另一端分别与对应的三角架（91）的第二个顶点转动连接；

两个三角架（91）的第三个顶点分别与两个传递杆（92）的一端转动连接，两个传递杆（92）的另一端分别与姿态补偿机构（4）转动连接，第四连接杆（24）的另一端与姿态补偿机构（4）转动连接，第四连接杆（24）和两个传递杆（92）的另一端分别与连接座（41）转动连接。

3.根据权利要求1所述一种具有位姿分离的机械结构，其特征在于：所述传动组件（12）为锥齿轮副，安装有第六电机（6）的电机座（61）固接在第五电机（5）的输出轴上，第六电机（6）的输出轴上固接有一个锥齿轮（12-1），远程联动机构（8）上安装有另一个锥齿轮（12-1），远程联动机构（8）由锥齿轮副带动作俯仰运动。

4.根据权利要求3所述一种具有位姿分离的机械结构，其特征在于：所述远程联动机构（8）包括第一操作杆（81）、第二操作杆（82）、第三操作杆（83）、第四操作杆（84）和第五操作杆（85）；第四操作杆（84）的一端与电机座（61）固接，第四操作杆（84）的另一端与第五操作杆（85）转动连接，第二操作杆（82）的一端与第四操作杆（84）转动连接，第二操作杆（82）的一端还固接有所述另一个锥齿轮，第二操作杆（82）的另一端与第一操作杆（81）的一端转动连接，第五操作杆（85）的另一端与第三操作杆（83）转动连接，第三操作杆（83） 的一端与第二操作杆（82）转动连接，第一操作杆（81）和第三操作杆（83）的另一端分别与进针机构（101）转动连接。

5.根据权利要求4所述一种具有位姿分离的机械结构，其特征在于：所述第六电机（6）为maxon电机。

Images