一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构制造技术

本发明专利技术涉及一种用于体外微创手术扶持内窥镜的解耦四自由度远心机构，包括机架、旋转臂、导轨系统、定点远心运动支链、同步带运动支链，旋转臂通过第一转动副连接在机架上，定点远心运动支链与导轨系统转动连接，同步带运动支链和定点远心运动支链连接在旋转臂和内窥镜之间；通过旋转臂的主动运动运动、定点远心支链的主动运动以及同步带运动支链的主动运动，实现内窥镜绕远处旋转中心的三转动一移动三自由度运动。本发明专利技术实现了绕远处中心旋转的解耦四自由度运动，除了用以驱动自转的电机靠近末端，另外三个驱动电机都实现了远离末端内窥镜，从而使扶持内窥镜的末端执行机构质量更轻，运动惯性更小，提供了稳定的增强的腹腔画面。

Decoupling four degree of freedom telecentric mechanism for external minimally invasive surgery

The invention relates to a method for in vitro minimally invasive surgery support endoscope telecentric four degree of freedom decoupling mechanism, which comprises a frame, a rotary arm, a rail system, designated the distal moving chain, synchronous belt branched, rotating arm through the first revolute joint on the frame, the distal rotation is fixed with branch rail system synchronous belt, branched and distal limbs point connected to the rotary arm and the endoscope; through active movement, active movement of the rotating arm fixed distal leg and active motion of synchronous belt chains. The realization of the endoscope around the center of rotation of the rotation of a distant three mobile three degree of freedom. The invention realizes the distance around the center of rotation of the decoupling of four degrees of freedom movement, in addition to the rotation of the motor drive near the end, the other three driving motor are realized from end of the endoscope, so that the end of the endoscope in the mirror support actuator lighter, smaller inertia, provides a stable enhancement of abdominal cavity picture.

【技术实现步骤摘要】
一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构
本专利技术涉及一种微创手术用机构，尤其是涉及一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构。
技术介绍
并联机构广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域。然而，并联机构各驱动单元之间是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性的。这一特性导致并联机构控制复杂、标定困难、而且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。运动解耦并联机器人是指输出运动的任一个自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元动作不对此自由度产生影响。具有完全解耦的并联机构运动关系简单、标定简便、控制精度高、刚度大，在虚轴机床和机器人中应用前景广阔。[HuntKH.StructuralKinematicsofIn–Parallel-ActuatedRobotArms,JournalofMechanisms,TransmissionsandAutomationinDesign,1983,105:705-712]报道了一种两转动一移动自由度并联机构，主要由机架、动平台和固连在机架和动平台之间的三个结构形式相同的运动支链组成，每个运动支链依次由转动副、移动副、球铰链及它们之间的杆件组成，并且三个运动支链空间对称分布。文献[HuangZ,WangJ.FangYF,AnalysisofInstantaneousMotionsofDeficient-Rank3-RPSParallelManipulators.MechanismandMachineTheory,2002,37(2):229-240.]报道了该类型并联机构存在瞬时运动，其转动自由度的轴线只存在于一单叶双曲面上。中国专利文献CN101036986A报道了由动平台、固定平台及连接它们的四条闭环运动支链组成的两转动一移动并联机构，每条闭环支链含有一类对称结构的六杆球形机构，动平台和固定平台与每条支链用转动副连接。文献[XianwenKong,ClementM.GosselinTypesynthesisofinput-outputdecoupledparallelmanipulators,TransactionsoftheCSME,Vol.28,SpecialEdition,2004]中报道了具有两移动一转动自由度并联机构，由动平台、固定平台和串并联混搭的运动支链组成。文献[李惠良，金琼，杨廷力，一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析，机械制造与研究，Feb2002,(1):9-12,14]提出一种具有三角化解耦特性的两转动一移动并联机构，但输出自由度不完全由单个驱动器控制，仍属于解耦并联机构，完全解耦的四自由度球面机构文献专利技术目前尚未检索到。中国专利CN104985610A公开了一种一移动三转动四自由度转动移动完全解耦并联机构，包括：动平台、基座以及三条支链，其中：支链的一端均与基座活动连接，另一端与动平台活动连接，所述的三条支链均为双转动自由度支链，其中：至少一条支链与基座一维活动连接，使得动平台作一维移动和绕固定点O作球面三自由度转动；动平台的转动特征具有转动移动完全解耦的特点。该专利具有三条支链结构复杂，且结构较大只能应用在固定的场所，因此急需设计了一种单支链简单的机械臂应用于扶持内窥镜，在手术在中代替人扶持内窥镜，用来提高手术的效率，且结构简单，方便携带。在传统的腹腔窥镜外科操作常需要医护人员扶持内窥镜。人体疲劳或抖动时，内窥镜画面模糊、不清晰，直接影响医生的手术操作。机器人代替人工扶持内窥镜，能减轻保证医护人员的工作量，保证清晰的图像，并降低医生手术的失误率和手术时间。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有三个转动自由度一个移动自由度，完全解耦，同时实现了定点远心运动的用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，可以用来扶持内窥镜。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，用以扶持内窥镜，该机构包括机架、旋转臂、导轨系统、定点远心运动支链、同步带运动支链，所述旋转臂通过第一转动副连接在机架上，所述的定点远心运动支链与导轨系统转动连接，所述的同步带运动支链和所述的定点远心运动支链连接在旋转臂和内窥镜之间；通过旋转臂的主动运动运动、定点远心支链的主动运动以及同步带运动支链的主动运动，实现内窥镜绕远处旋转中心的三转动一移动三自由度运动。所述的旋转臂包括第二转动副、第一转动轴、第三转动副和第二转动轴；所述的第一转动轴通过第二转动副与旋转臂转动连接，所述的第二转动轴通过第三转动副与旋转臂转动连接。所述的第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线共线互相垂直且平行于机架底面；所述的第二转动副与所述的第三转动副平行设置；第一转动副的轴线与内窥镜的轴线相交与定点。所述的导轨系统包括第四转动副、第三转动轴、第五转动副、第六转动副、U形连接块、导轨安装板、导轨、滑块、同步带压板、定位块、张紧装置以及第七转动副；所述的第三转动轴与U形连接块通过第四转动副和第五转动副转动连接，所述的导轨与导轨安装板固定连接，所述的滑块与导轨滑动连接，所述的同步带压板与滑块固定连接，所述的挡块固定于导轨安装板上，所述的张紧装置与导轨安装板滑动连接。所述的定点远心运动支链包括第八转动副、第九转动副、第一杆件、第二杆件、第十转动副、第十一转动副、第十二转动副、第三杆件、第四杆件；所述的第一杆件一端通过第八转动副与第一转动轴转动连接，另一端通过第十转动副与第三杆件的一端转动连接，第二杆件一端通过第九转动副与第二转动轴固定连接，第三杆件通过第十一转动副与第二杆件转动连接，第四杆件一端通过第十二转动副与第二杆件转动连接，定点远心运动支链与导轨系统通过第三杆件和第四杆件的另一端分别经过第五转动副和第六转动副转动连接。所述的同步带运动支链包括第一同步带轮、第四转动轴、第二同步带轮、第一同步带、第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮、第五同步带轮、第三同步带以及第六同步带轮；所述的第一同步带轮与第一转动轴固定连接，第四转动轴通过第十转动副与第一杆件转动连接，第二同步带轮和第三同步带轮与第四转动轴均固定连接，第一同步带安装在第一带轮和第二带轮上，第四同步带轮与第一转动轴固定连接，第二同步带安装在第三同步带轮和第四同步带轮上，第五同步带轮与第一转动轴固定连接，第六同步带轮与张紧装置通过第七转动副转动连接，第三同步带安装在第五同步带轮和第六同步带轮上。所述的内窥镜与滑块转动连接实现沿轴线的移动和自转。所述的同步带压板和第三同步带固定连接，实现第三同步带的转动带动滑块的移动。所述的第一转动副、第二转动副、第三转动副和内窥镜的顶端均单独设置电机，使得四个自由度分别通过单个主动电机控制，具有完全解耦的运动特性。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)通过运动支链综合法，基于平行四边形和同步带运动结构结构，实现多关节的解耦驱动；(2)将控制移动自由度的马达置于机器人机架，使用同步带传动，显著降低了机器人末端的运动惯量，有效提高机器人运动灵活性；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于体外微创手术扶持内窥镜的解耦四自由度远心机构，其特征在于，该机构包括机架、旋转臂、导轨系统、定点远心运动支链、同步带运动支链，所述旋转臂通过第一转动副连接在机架上，所述的定点远心运动支链与导轨系统转动连接，所述的同步带运动支链和所述的定点远心运动支链连接在旋转臂和内窥镜之间；通过旋转臂的主动运动运动、定点远心支链的主动运动以及同步带运动支链的主动运动，实现内窥镜绕远处旋转中心的三转动一移动三自由度运动。

【技术特征摘要】
1.一种用于体外微创手术扶持内窥镜的解耦四自由度远心机构，其特征在于，该机构包括机架、旋转臂、导轨系统、定点远心运动支链、同步带运动支链，所述旋转臂通过第一转动副连接在机架上，所述的定点远心运动支链与导轨系统转动连接，所述的同步带运动支链和所述的定点远心运动支链连接在旋转臂和内窥镜之间；通过旋转臂的主动运动运动、定点远心支链的主动运动以及同步带运动支链的主动运动，实现内窥镜绕远处旋转中心的三转动一移动三自由度运动。2.根据权利要求1所述的一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于，所述的旋转臂包括第二转动副、第一转动轴、第三转动副和第二转动轴；所述的第一转动轴通过第二转动副与旋转臂转动连接，所述的第二转动轴通过第三转动副与旋转臂转动连接。3.根据权利要求2所述的一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于，所述的第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线共线互相垂直且平行于机架底面；所述的第二转动副与所述的第三转动副平行设置；第一转动副的轴线与内窥镜的轴线相交与定点。4.根据权利要求2所述的一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于，所述的导轨系统包括第四转动副、第三转动轴、第五转动副、第六转动副、U形连接块、导轨安装板、导轨、滑块、同步带压板、定位块、张紧装置以及第七转动副；所述的第三转动轴与U形连接块通过第四转动副和第五转动副转动连接，所述的导轨与导轨安装板固定连接，所述的滑块与导轨滑动连接，所述的同步带压板与滑块固定连接，所述的挡块固定于导轨安装板上，所述的张紧装置与导轨安装板滑动连接。5.根据权利要求4所述的一种用于体外微创手术的解耦四自由度远心机构，其特征在于，所述的定点远心运动支链包括第八转动副、第九转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪，张帆，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31