一种同轴移动回转四自由度并联机器人制造技术

本发明专利技术提出了一种同轴移动回转四自由度并联机器人，用于解决现有脊柱微创手术机器人结构复杂和使用精度低的技术问题；包括定平台、动平台、三个支链和四个电机；其中第一至第三电机安装在定平台上；第一、第二支链的输出端活动连接，其输入端分别与电机相连，第三电机的转子上固接有转台，作为第三支链的第一输入端，第三支链的第三近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端与固接在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端由万向节活动连接，另一端通过球铰与第一、第二支链的输出端中点活动连接，形成并联闭环机构。本发明专利技术能够实现对两轴的同轴回转移动四自由度，结构简单，使用精度高，可用于医疗系统中的脊柱微创手术。

Four degree of freedom parallel robot with coaxial movement

The invention provides a coaxial rotary mobile parallel robot with four degrees of freedom, and the use of technology to solve complex problems of low precision of the existing minimally invasive spine surgery robot structure; including fixed platform and moving platform, three branches and four motor; wherein the first and third motor installed on the fixed platform; the output end of the first activities, the second branched chain connected with the input end respectively connected with the electric motor, the rotor of the motor third is fixedly connected with a rotary table, as the first input third branched, branched near one end of the third third fixed platform bar as second input third branched and fourth motor is fixedly connected with the turntable is connected with the output end of the moving platform. With the end of the third branched chain connected by universal joints, the other end is connected with the output end through the midpoint activities of the spherical hinge and the first and second branches, to form a parallel mechanism. The invention can realize the four degree of freedom of the coaxial rotation of two shafts, the structure is simple, and the precision is high.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，具体涉及一种可以实现对同轴的移动和转动的四自由度并联机器人机构，可用于医疗系统中的脊柱微创手术。
技术介绍
并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。基于并联机构的并联机器人相较于传统的串联机器人有以下特点：结构紧凑，刚度高；无累计误差，精度较高；工作空间较小；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，减轻运动部分质量，可实现较高速度的运动。在脊柱微创手术中，所涉及的术种包括椎弓根螺钉内固定术、经皮椎体成形术、经皮椎板减压术等，传统的人工进行微创手术方法要求外科医生有超高的手术水平，同时借助机器成像辅助的手术方式使得手术人员的手眼协调被打断，误操作或颤抖造成的手术偏差难于避免，且手术过程中医生和患者需要受到大量X射线的辐射，因此脊柱微创手术机器人的研究和应用成为了迫切需要解决的问题，目前应用于脊柱微创手术的医疗机器人构型多为串联结构，但误差积累、刚度性能差、体积庞大等难以克服的缺点，降低了手术的安全性。并联机器人在高精度、高刚度或者大载荷且不需要较大工作间的领域内的优势，可以很好的解决和弥补基于串联结构的脊柱微创手术机器人所存在的问题和缺点。脊柱微创手术过程要求机构具有定位和定姿的要求，至少需求四个自由度，且应为对同轴的移动和转动自由度。并联机构的分类方法有很多，从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构，最常用的分类方式是按并联机构的自由度数分类，可分为2自由度并联机构、3自由度并联机构、4自由度并联机构、5自由度并联机构、6自由度并联机构，其中以3自由度和6自由度并联机构研究最多也最成熟。关于4自由度并联机构研究相对较少，完全并联型的4自由度并联机构有4-RPUR型，其具有3个回转自由度和1个移动自由度，无法实现脊柱微创手术机器人需求的位置和姿态要求，还有一大类四自由度并联型机器人可实现两回转两移动自由度，但其只能实现对一个轴的同轴回转和移动，另外的移动和回转自由度是分别对于其他两个轴的，也无法满足目前脊柱微创手术机器人需求的位置和姿态，国内涉及对同轴移动和转动4自由并联机构较少，如申请公开号CN104972456A，名称为“一种可实现平面二维定位和空间二维定向的双平面并联机构”的中国专利申请，公开了一种可实现平面二维定位和空间二维定向的双平面并联机构。机构由上平面驱动机构、下平面驱动机构和末端器械组成，两平面机构分别通过U副与末端器械铰接，且上平面U副可沿器械轴线滑动；每一平面驱动机构均由四根杆通过连接轴或固定轴依次连接而成。其较好的解决了传统串联型脊柱微创手术体积庞大、操作难度大导致的精度低的问题。但是这种机构存在不足之处：末端器械与上下平面的驱动机构之间的连接结构复杂不利于实现；上平面U副沿末端器械轴线有滑动，长时间的使用后摩擦损耗会使使用精度下降；机构在运动控制时存在较大的耦合现象，不利于控制的实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种同轴移动回转四自由度并联机器人，用于克服现有脊柱微创手术机器人存在的结构复杂和使用精度低的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种同轴移动回转四自由度并联机器人，包括定平台、动平台、支链和电机；所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，所述电机包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，其中第一电机、第二电机和第三电机安装在定平台上；所述第一支链和第二支链的输出端活动连接形成转动副，该第一支链和第二支链的输入端分别与第一电机和第二电机相连，所述第三电机的转动轴上设置有转台，作为第三支链的第一输入端，所述第三支链包括第三近定平台杆，该近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端，并与安装在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端通过万向节相连，另一端通过球铰与第一支链和第二支链的输出端的中心点相连，形成空间并联闭环机构。上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第一支链包括通过活动连接的第一近定平台杆和第一远定平台杆。上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第二支链包括通过活动连接的第二近定平台杆和第二远定平台杆。上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第三支链还包括通过活动连接与第三近定平台杆连接的第三远定平台杆。上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述动平台上设置有手术器械进给装置。上述一种同轴移动回转四自由度并联机器人，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，均采用伺服电机。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点。1、本专利技术由于将第一、第二支链的输出端活动连接在一起，再通过球铰将两支链连接运动副的中心点与动平台铰接在一起，同时由于第三支链所具有的双驱动形式，只使用三个支链的结构形式就构成空间四自由度闭环机构，减少了机器人构件的数量，与现有技术相比，降低了机器人结构的复杂度。2、本专利技术由于第三支链具有双驱动形式形成空间机构，可以保证第三支链输出端与第一、第二支链共有输出端的距离不变，因此第三支链输出端可与万向节固接，再通过万向节与动平台活动连接，可保证动平台与万向节之间不存相对滑动，与现有技术相比，提高了使用精度。3、本专利技术由于第三支链具有双驱动形式形成空间机构，其输出端的位置在第一、第二支链输出端位置确定之后，可通过极坐标形式表示，极角即为第三电机转角，第四电机的转角只需要简单的推导就可以由极径值算出，降低逆运动学解算的复杂度，与现有技术相比，控制简单。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术第一远定平台杆结构的示意图；图3为本专利技术第一近定平台杆结构的示意图；图4为本专利技术转台的结构示意图；图5为本专利技术第二近定平台杆结构的示意图；图6为本专利技术第二远定平台杆结构的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细描述：参照图1，本专利技术包括定平台5、动平台12、伺服电机以及连接动平台和定平台的三条支链，三条支链包括第一支链、第二支链和第三支链，伺服电机包括第一伺服电机3、第二伺服电机4、第三伺服电机6和第四伺服电机8。定平台5包括底部机架、下部电机安装座以及上部电机安装座；下部电机安装座的上端与上部电机安装座的下端固接在一起，底部机架与下部电机安装座后侧固接在一起，这三部分组成定平台5，定平台5的底部机架外侧打有螺栓孔用于同外部设备进行连接；第一伺服电机3和第二伺服电机4固定放置在下部电机安装座底部，第一伺服电机3和第二伺服电机4的输出轴轴线应该平行且关于电机安装座的中心面对称，第三伺服电机6固定放置在上部电机安装座上，第三伺服电机6的中心轴线与上部电机安装座的中心轴线重合。第一支链包括第一近定平台杆2和第一远定平台杆1；第一近定平台杆2的一端与第一伺服电机3的输出轴通过键连接在一起，第一近定平台杆2另一端设计有连接轴，通过该连接轴和第一远定平台杆1一端活动连接形成转动副，第一远定平台杆1的另一端设计有连接轴。第二支链包括第二近定平台杆13和第二远定平台杆14；第二近定平台杆13的一端与第二伺服电机4的输出轴通过键连接在一起，第二近定平台杆13另一端设计有连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于包括定平台、动平台、支链和电机；所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，所述电机包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，其中第一电机、第二电机和第三电机安装在定平台上；所述第一支链和第二支链的输出端活动连接形成转动副，该第一支链和第二支链的输入端分别与第一电机和第二电机相连，所述第三电机的转动轴上设置有转台，作为第三支链的第一输入端，所述第三支链包括第三近定平台杆，该近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端，并与安装在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端通过万向节相连，另一端通过球铰与第一支链和第二支链的输出端的中心点相连，形成空间并联闭环机构。

【技术特征摘要】
1.一种同轴移动回转四自由度并联机器人，其特征在于包括定平台、动平台、支链和电机；所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，所述电机包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，其中第一电机、第二电机和第三电机安装在定平台上；所述第一支链和第二支链的输出端活动连接形成转动副，该第一支链和第二支链的输入端分别与第一电机和第二电机相连，所述第三电机的转动轴上设置有转台，作为第三支链的第一输入端，所述第三支链包括第三近定平台杆，该近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端，并与安装在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端通过万向节相连，另一端通过球铰与第一支链和第二支链的输出端的中心点相连，形成空间并联闭环机构。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：段清娟，杜志江，马瑾，董晓东，殷成熙，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61