并联运动机构制造技术

本申请涉及并联运动机构。一种并联运动机构装置包括框架、手柄和输入接头，该接头具有用于传输运动的至少两个独立的并且在功能上并联的路径，所述路径将手柄联接到框架。本文描述的是嵌套的并联运动机构。本文还描述了并联运动机构装置，其包括在框架和手柄之间的一个或更多个并联路径中和/或在传输系统中的柔性扭转杆。本文还描述了可以横跨诸如手臂、肩部、脚踝、腿等的人铰接关节佩戴的并联运动机构装置。这些并联运动机构装置可以形成微创设备或机动外骨骼或其它辅助工具/机器/设备的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】并联运动机构相关申请的交叉引用本申请要求于2016年2月25日提交的且题为“PARALLELKINEMATICMECHANISMSWITHDECOUPLEDROTATIONALMOTIONS”的美国专利申请第15/054,068号的优先权。通过引用并入在本说明书中提到的所有出版物和专利申请在相同的程度上以全文引用方式并入本文中，好像每个单独的出版物或专利申请被具体且单独指示以引用方式并入。领域本技术涉及例如用于手术、内窥镜检查或其它介入的微小入口工具。背景可以通过控制形成设备(包括微创手术工具)的多个刚性(rigid)主体的运动来控制设备。在机器、机构、机器人等中，多个刚性主体经常互连，使得一个主体(主体1)相对于另一个主体(主体2)具有一定的运动或自由度(DoF)。这些运动或自由度可以通过以下两种方式之一实现：经由串联设计(也称为串联运动设计、串联运动链和/或串联运动机构)，或经由并联设计(也称为并联运动设计、并联运动链和/或并联运动机构)。如本文所使用的，“自由度”(DoF)是以抽象的技术和学术意义表达“运动”的技术术语。总的来说，两个刚性主体之间可能有六个独立的自由度：三个平移和三个旋转。一个接头将允许两个主体之间的零个和六个DoF之间的任何DoF。对于接头允许零个DoF的情况，此接头实际上成为“固定接头”，在该固定接头处两个主体刚性地熔接或连接或附接到彼此。从运动学的角度来看，这两个主体是同一个。对于接头允许所有六个DoF的情况，这实际上意味着没有接头，或者接头事实上不会约束两个主体之间的任何运动。任何实际的接头或机构允许两个刚性主体之间的1个或2个或3个或4个或5个DoF。如果它允许一个DoF，则剩下的5个可能的运动受到接头的约束。如果它允许两个DoF，则剩下的4个可能的运动受到接头的约束，等等。技术术语“运动学”可以指主体相对于其它主体运动的几何研究和描述。图22A和图24示出了串联运动机构和并联运动机构之间的差异。图22A中示出了串联运动机构的抽象表示，其中主体1经由中间主体的串联链连接到主体2。如果描画或涂画从主体1到主体2的线，则仅存在一个运动传输的机械路径(或线)，这使得这是一个串联设计。与主体1和主体2一样，从实用的观点来看，中间主体也是刚性的(没有什么是完全刚性的，且有时可以故意使其具有一些柔顺性(compliance))。连接器是简单或复杂的接头，其可以允许某些运动并约束其它运动。为方便起见，术语接头和连接器可以互换地使用。连接器2305的示例将是简单的枢转接头(图23)，也称为铰链，其中销2305将是相对于彼此枢转的两个主体2301、2303之间的连接器。具有连接两个主体的销2305的铰链是一个示例；中间主体2301、2303可以连接到相对于彼此枢转的物体。例如图23所示的简单接头可以允许一个旋转DoF并约束剩下的五个。另一个示例是棱柱接头(prismaticjoint)或滑动接头，其允许一个平移DoF并约束剩下的五个。另一个示例是一个球窝接头，其允许三个旋转DoF并约束剩下的三个。替代地，连接器可以是例如活动铰链的挠曲接头。这些只是作为简单接头的连接器的数个示例。在其中任何一个示例中，存在两个主体和其间的一些连接器。任何机构，例如图22A的串联运动机构，可以是较大的设备、机器或甚至机构的一部分。如图22B所示，图22A的串联运动机构被示出在两个耳片2201、2203之间。但是第一耳片2201可以与主体1熔接(并且因此第一耳片和主体1是同一个)，并且第二耳片2203可以与主体2熔接(并且因此第二耳片和主体2是同一个)。主体1和主体2可以是较大的工具、设备、机器或任何其它机构的一部分。在这种情况下，耳片2201和2203之间的整个机构可以被认为是大的设备、机器或机构中的复杂接头。图24示出了并联运动机构的抽象表示。在该示例中，主体1通过多个独立的中间主体链连接到主体2。每个这样的链代表运动传输的机械路径。如果描画从主体1到主体2的可能的线，则存在多于一个的机械路径，这使得这是一个并联设计。连接路径在几何意义上不平行(parallel)(例如，平行的两条直线，例如，矩形的相对边)，但在运动学意义上并联(parallel)，这表明主体1和主体2之间存在多个(多于一个)独立的非重叠的链或路径。这里的连接器是简单或复杂的接头，其可以允许某些运动并约束其它运动。为方便起见，术语接头和连接器可以互换地使用。因此，串联运动机构和并联运动机构在两个耳片或刚性主体之间的可能的连接路径(由接头分开的中间刚性构件)的数量不同。尽管串联运动机构和并联运动机构中的各个连接器或接头是类似的，但是其布置(连杆、链等)是不同的。任何机构，例如图24的并联运动机构，可以是较大的设备、机器或甚至机构的一部分。在这种情况下，如图25中的“新连接器”所示，主体1和主体2之间的整个机构可以被认为是连接器或复杂接头。即使机构通常包括多个接头，术语“机构”和“接头”之间也有一定的等同性。两者都可以指允许两个主体之间的某些运动或DoF并约束剩余的DoF的装置。虽然可以使用接头来表示更简单的构造，但是机构可以指更复杂的构造(例如，其可以包括多个接头)。参考图25，图25是图24的替代性再现。位于主体1和主体2(所有中间主体和连接器)之间的所有结构可被视为黑盒，并且被称为“新”连接器或复杂接头。因此，被视为图24中的机构的结构也可以等同地视为图25中的连接器或复杂接头。由于同样的原因，在图22A或图24的机构中示出的任何连接器可以是简单的接头(例如，枢转接头/销接头，或棱柱接头/滑动接头)，但也可以是更复杂的接头或其自身是机构。串联运动机构的一个示例是万向接头，其可以包括刚性主体、销接头、另一个刚性主体、第二销接头以及第三刚性主体。该整个机构(包括其所有的刚性主体和接头)被称为“万向”接头。如本文所使用的，“接头”是指与固定接头(例如，焊接接头、栓接接头、螺纹接头或胶合接头)相对的允许运动的机械连接结构。在固定接头的情况下，两个主体彼此熔接，并且在运动学上被认为是同一个(由于不存在允许的相对运动)。但是，当我们在本文件中提及“接头”时，我们的意思是允许某些运动的连接结构，例如，销(例如，铰链)接头、枢转接头、万向接头、球窝接头等。因此，所涉及的接头可以在运动学上将一个主体与另一个主体连接。用于“接头”的还有的另一个学术术语是“约束结构”。因此，“连接器”或“接头”或“机构”或“约束结构”允许两个刚性主体之间的某些运动或自由度并约束其余的运动或自由度。被约束的特定运动也是可以从一个刚性主体传输到另一个刚性主体的运动。这是因为,由于接头不允许两个主体之间的该特定运动，因此如果一个主体沿约束方向移动，则其也使另一个刚性主体与其一起沿着该方向行进。换言之，该特定运动从一个刚性主体传输到另一个刚性主体。并联运动机构可以用于的一个应用领域包括用于微创手术的器械。微创手术(MIS)和其它微小入口手术的进行频率正在增加，并变得越来越复杂，因此需要改进技术以满足外科医生的需求。在这些手术中，通常将薄的工具通过诸如套管针或插管(其仅需要小的切口)的端口插入到身体中。来自用户(例如，外科医生)的运动输入经由工具转换成操纵器或末端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构在手柄和框架之间具有至少两个旋转自由度，所述并联运动机构包括：所述框架；所述手柄；以及输入接头，其将所述框架连接到所述手柄，所述输入接头具有：第一滑轮，其围绕第一旋转方向可旋转地连接到所述框架；第一传输条，其将所述手柄连接到所述第一滑轮，其中，所述第一传输条在第二旋转方向上是柔顺的，并且在所述第一旋转方向上具有高劲度；第二滑轮，其围绕所述第二旋转方向可旋转地连接到所述框架；第二传输条，其将所述手柄连接到所述第二滑轮，其中，所述第二传输条在所述第一旋转方向上是柔顺的，并且在所述第二旋转方向上具有高劲度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.25 US 15/054,0681.一种并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构在手柄和框架之间具有至少两个旋转自由度，所述并联运动机构包括：所述框架；所述手柄；以及输入接头，其将所述框架连接到所述手柄，所述输入接头具有：第一滑轮，其围绕第一旋转方向可旋转地连接到所述框架；第一传输条，其将所述手柄连接到所述第一滑轮，其中，所述第一传输条在第二旋转方向上是柔顺的，并且在所述第一旋转方向上具有高劲度；第二滑轮，其围绕所述第二旋转方向可旋转地连接到所述框架；第二传输条，其将所述手柄连接到所述第二滑轮，其中，所述第二传输条在所述第一旋转方向上是柔顺的，并且在所述第二旋转方向上具有高劲度。2.根据权利要求1所述的并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构还包括臂附接构件，所述臂附接构件被配置成将所述框架联接到用户的前臂并且允许所述框架围绕用户的前臂侧倾。3.根据权利要求1所述的并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构还包括工具杆以及位于所述工具杆的远端和末端执行器之间的输出接头。4.根据权利要求3所述的并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构还包括缆线，所述缆线从所述输入接头延伸并且延伸穿过所述工具杆，用于铰接所述末端执行器。5.根据权利要求3所述的并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构还包括将所述第一滑轮连接到所述输出接头的第一传输缆线和将所述第二滑轮连接到所述输出接头的第二传输缆线。6.根据权利要求3所述的并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构还包括控制器，所述控制器被安装到所述手柄上以致动所述末端执行器。7.根据权利要求1所述的并联运动机构，其特征在于，所述第一传输条和所述第二传输条各自包括通过铰链连接成一线的多个刚性联动件。8.根据权利要求7所述的并联运动机构，其特征在于，所述铰链是活动铰链。9.根据权利要求1所述的并联运动机构，其特征在于，所述第一传输条和所述第二传输条由聚合物材料形成为整体式传输条。10.根据权利要求1所述的并联运动机构，其特征在于，所述框架包括被配置成配合在用户的前臂上的刚性环。11.一种并联运动机构，其特征在于，所述并联运动机构在手柄和框架之间具有至少两个旋转自由度，所述并联运动机构包括：所述框架；所述手柄；输入接头，其将所述框架连接到所述手柄，所述输入接头具有：第一滑轮，其围绕第一旋转方向可旋转地连接到所述框架；第一传输条，其将所述手柄连接到所述第一滑轮，其中，所述第一传输条在第二旋转方向上是柔顺的，并且在所述第一旋转方向上具有高劲度；第二滑轮，其围绕所述第二旋转方向可旋转地连接到所述框架；第二传输条，其将所述手柄连接到所述第二滑轮，其中，所述第二传输条在所述第一旋转方向上是柔顺的，并且在所述第二旋转方向上具有高劲度，其中，所述第一传输条和所述第二传输条各自包...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖尔亚·阿乌塔尔，延斯·尼尔森，格雷戈里·布莱恩·鲍尔斯，
申请(专利权)人：弗莱克斯德克斯公司，密歇根大学董事会，
类型：新型
国别省市：美国,US