基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，包括上丝杠机构、下丝杠机构、穿刺针机构、双蜗杆传动机构、主连接板、并联平台固定架和支撑架，并联平台固定架一端通过三爪结构固定在主连接板上，另一端通过螺纹接口与支撑架连接，双蜗杆传动机构位于主连接板一侧并与主连接板连接，对称设置于主连接板中心两侧的上丝杠机构和下丝杠机构分别与双蜗杆传动机构连接，形成两个转动自由度，同时设置在上丝杠机构和下丝杠机构上的穿刺针机构，形成两个移动自由度。本发明专利技术具有结构简单、紧凑、重量轻、关节间隙小、刚性好、工作空间大、灵活性高等特点，可适用于神经外科、骨外科、前列腺手术等微创手术操作器的自动定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，属于微创外科手术 穿刺针空间位姿数字化自动定位装置。
技术介绍
目前，对于外科手术，医疗机器人技术的发展和应用得到了各国的推崇，其相关的 技术等也得到了飞速发展，随着我国经济实力和全民卫生保健意识的迅速提高，以提高手 术定位精度和手术方便程度以及手术效率为宗旨的微创外科机器人技术的研究，在我国乃 至全世界已成为最主要的前沿研究热点之一，而我国目前外科手术穿刺定位机器人基本上 停留在研发阶段，研发的外科手术并联机器人具有如下特点。一、拓扑结构沿用工业机器人 的设计思路，用传统的动平台和静平台构建机器人系统，此种机构外形尺寸大，而且沉重， 医生操作不方便；二、与传统的并联机器人一样，这种并联机器人工作空间小，手术姿态范 围小，灵活性差，这与微创穿刺定位手术机器人(如神经外科机器人)的要求相违背，因此 这种机器人很难从实验室走向临床应用，也就是说，目前尚未开发出小巧轻便高灵活性的 微创外科手术并联机器人机构，开发面向微创外科手术的四自由度并联机器人，不仅会为 主动穿刺定位手术的机器人机构奠定了研究基础，同时，也会为其它手术适应症的机器人 设计开发提供参考。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于双蜗杆的双极坐标四 自由度并联机器人，将外科医生的手术穿刺针的手动定位变为全自动数字化定位，即变为 机器人的自动定位，此外，本专利技术的目的还在于使本专利技术不但可以作为自动化医疗手术器械，还可以 通过配套的双目立体视觉定位、医学2维和3维图像处理和定位，以及机器人运动学的解 算，将图像空间医生规划的穿刺路径自动映射到机器人空间，从而实现手术穿刺针矢量的 空间位置和姿态的准确定位，甚至可以同时作为外科手术穿刺定位的医疗装备和稳定的手 术支撑平台。本专利技术是通过以下技术方案来实现的一种基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于包括上丝杠机构、 下丝杠机构、穿刺针机构、双蜗杆传动机构、主连接板、并联平台固定架和支撑架，其中，并 联平台固定架一端设置有三爪结构，其三爪结构通过紧固螺钉固定在主连接板上，并联平 台固定架另一端还设置有螺纹接口，其通过螺纹接口与支撑架连接，而双蜗杆传动机构位 于主连接板一侧并与主连接板连接，上丝杠机构和下丝杠机构分别对称设置于主连接板中 心的两侧，并分别与双蜗杆传动机构连接，形成两个转动自由度，而穿刺针机构则同时设置 在上丝杠机构和下丝杠机构上，形成两个移动自由度。上述的双蜗杆传动机构包括双蜗杆电机座、联轴器支撑座、蜗杆座、直流电机A、直流电机B、联轴器A、联轴器B、蜗杆A、蜗杆B、涡轮A、涡轮B、涡轮轴承座A和涡轮轴承座B， 其中，双蜗杆电机座、联轴器支撑座和蜗杆座通过螺钉固定在主连接板上，直流电机A和直 流电机B平行固定在双蜗杆电机座上，其输出轴分别与联轴器支撑座支撑的联轴器A和联 轴器B连接，联轴器A和联轴器B的另一端还分别连接有蜗杆A和蜗杆B，蜗杆A和蜗杆B 的轴线平行，其支撑在蜗杆座上，且与蜗杆座中的两个轴承配合，而涡轮A和涡轮B则分别 支撑在涡轮轴承座A和涡轮轴承座B上，且涡轮A和涡轮B的转动轴在一条中心线上，上述 的蜗杆A和蜗杆B分别与涡轮A和涡轮B相互配合连接。上述的上丝杠机构包括上丝杠轴承座端盖、上丝杠轴承座、上丝杠导向罩、上滚珠 丝杠、上丝杠螺母、上丝杠电机座、上丝杠联轴器和上丝杠直流电机，其中，上丝杠电机座分 别与上述的涡轮A的主轴过盈配合固定连接，上丝杠直流电机通过螺钉连接在上丝杠电机 座的侧面，其输出轴与上丝杠联轴器一端锁固，上丝杠联轴器的另一端与穿过上丝杠电机 座上的轴承座的上滚珠丝杠的一端连接，上滚珠丝杠与上丝杠电机座的输出轴同轴设置， 且其另一端通过上丝杠轴承座限位并支撑，上丝杠轴承座端盖设置在上丝杠轴承座的端 部，而上丝杠导向罩则设置在上丝杠轴承座和上丝杠电机座之间，且套在上滚珠丝杠的外 部，并与上滚珠丝杠的轴同心设置，上丝杠导向罩在其侧面中部还开有沿上滚珠丝杠轴线 方向的导向槽A，上丝杠螺母套在上滚珠丝杠上且限位在导向槽A中。进一步，在上述的上丝杠导向罩的上部还设置有视觉定位模板。上述的下丝杠机构包括下丝杠轴承座端盖、下丝杠轴承座、下丝杠导向罩、下滚珠 丝杠、下丝杠螺母、下丝杠电机座、下丝杠联轴器和下丝杠直流电机，其中，下丝杠电机座分 别与上述的涡轮B的主轴过盈配合固定连接，下丝杠直流电机通过螺钉连接在下丝杠电机 座的侧面，其输出轴与下丝杠联轴器一端锁固，下丝杠联轴器的另一端与穿过下丝杠电机 座上的轴承座的下滚珠丝杠的一端连接，下滚珠丝杠与下丝杠电机座的输出轴同轴设置， 且其另一端通过下丝杠轴承座限位并支撑，下丝杠轴承座端盖设置在下丝杠轴承座的端 部，而下丝杠导向罩则设置在下丝杠轴承座和下丝杠电机座之间，且套在下滚珠丝杠的外 部，并与下滚珠丝杠的轴同心设置，下丝杠导向罩在其侧面中部还开有沿下滚珠丝杠轴线 方向的导向槽B，下丝杠螺母套在下滚珠丝杠上且限位在导向槽B中。此外，所述的穿刺针机构包括穿刺针、穿刺针固定机构A和穿刺针固定机构B，穿 刺针固定机构A和穿刺针固定机构B分别设置在上丝杠机构和下丝杠机构上，而穿刺针则 同时固定在穿刺针固定机构A和穿刺针固定机构B上。进一步，所述的穿刺针固定机构A包括导向套U形定位环A、导向套柱形定位环A、 定位环销A和穿刺针导向套A，导向套U形定位环A与上述的上丝杠螺母通过滑动轴承连 接，且其为对称结构，其转动轴垂直于上滚珠丝杠的轴，导向套柱形定位环A通过其两侧的 定位环销A连接在导向套U形定位环A的开口端，其内部还同心设置有穿刺针导向套A，而 穿刺针则穿设在穿刺针导向套A内。进一步，所述的穿刺针固定机构B包括导向套U形定位环B、导向套柱形定位环B、 定位环销B和穿刺针导向套B，导向套U形定位环B与上述的下丝杠螺母通过滑动轴承连 接，且其为对称结构，其转动轴垂直于下滚珠丝杠的轴，导向套柱形定位环B通过其两侧的 定位环销B连接在导向套U形定位环B的开口端，其内部还同心设置有穿刺针导向套B，而 穿刺针则穿设在穿刺针导向套B内。且穿刺针导向套A的轴线、定位环销A的轴线和导向套U形定位环A的轴线交于 一点，形成球铰A，以及穿刺针导向套B的轴线、定位环销B的轴线和导向套U形定位环B的 轴线交于一点，形成球铰B。本专利技术的有益效果是1、结构简单本专利技术所述的上丝杠机构和下丝杠机构结构一致，使得设计、制造都 很方便且成本较低，且本专利技术采用双极坐标拓扑结构，实现了上丝杠机构和下丝杠机构空 间点的平移和空间点绕固定轴的旋转；2、机器人运动学解算方便本专利技术采用的双极坐标结构，其运动学计算基于几何 方法即可，不需要按照传统的D-H方法建立数学模型，也无需进行复杂的矩阵变换，从而大 大降低了解算和编程难度；3、工作空间较大本专利技术为开放式结构，其动平台抽象为医生手术的穿刺针，它可 以脱离并联平台，旋转关节可以在士90°内运动，与相同外形尺寸的并联机器人相比，其工 作空间明显增大；4、灵活性较高本专利技术穿刺针矢量空间姿态明显增多，关节运动范围增大，即动平 台姿态范围增大，与一般并联机器人相比，其灵活性显著提高，提高了医生的手术效率；5、轻便稳固本专利技术所述的四自由度并联机器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于：包括上丝杠机构、下丝杠机构、穿刺针机构、双蜗杆传动机构、主连接板、并联平台固定架和支撑架，其中，并联平台固定架一端设置有三爪结构，其三爪结构通过紧固螺钉固定在主连接板上，并联平台固定架另一端还设置有螺纹接口，其通过螺纹接口与支撑架连接，而双蜗杆传动机构位于主连接板一侧并与主连接板连接，上丝杠机构和下丝杠机构分别对称设置于主连接板中心的两侧，并分别与双蜗杆传动机构连接，形成两个转动自由度，而穿刺针机构则同时设置在上丝杠机构和下丝杠机构上，形成两个移动自由度。

【技术特征摘要】
一种基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于包括上丝杠机构、下丝杠机构、穿刺针机构、双蜗杆传动机构、主连接板、并联平台固定架和支撑架，其中，并联平台固定架一端设置有三爪结构，其三爪结构通过紧固螺钉固定在主连接板上，并联平台固定架另一端还设置有螺纹接口，其通过螺纹接口与支撑架连接，而双蜗杆传动机构位于主连接板一侧并与主连接板连接，上丝杠机构和下丝杠机构分别对称设置于主连接板中心的两侧，并分别与双蜗杆传动机构连接，形成两个转动自由度，而穿刺针机构则同时设置在上丝杠机构和下丝杠机构上，形成两个移动自由度。2.根据权利要求1所述的基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于， 所述的双蜗杆传动机构包括双蜗杆电机座、联轴器支撑座、蜗杆座、直流电机A、直流电机 B、联轴器A、联轴器B、蜗杆A、蜗杆B、涡轮A、涡轮B、涡轮轴承座A和涡轮轴承座B，其中，双 蜗杆电机座、联轴器支撑座和蜗杆座通过螺钉固定在主连接板上，直流电机A和直流电机B 平行固定在双蜗杆电机座上，其输出轴分别与联轴器支撑座支撑的联轴器A和联轴器B连 接，联轴器A和联轴器B的另一端还分别连接有蜗杆A和蜗杆B，蜗杆A和蜗杆B的轴线平 行，其支撑在蜗杆座上，且与蜗杆座中的两个轴承配合，而涡轮A和涡轮B则分别支撑在涡 轮轴承座A和涡轮轴承座B上，且涡轮A和涡轮B的转动轴在一条中心线上，上述的蜗杆A 和蜗杆B分别与涡轮A和涡轮B相互配合连接。3.根据权利要求1所述的基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于， 所述的上丝杠机构包括上丝杠轴承座端盖、上丝杠轴承座、上丝杠导向罩、上滚珠丝杠、上 丝杠螺母、上丝杠电机座、上丝杠联轴器和上丝杠直流电机，其中，上丝杠电机座分别与上 述的涡轮A的主轴过盈配合固定连接，上丝杠直流电机通过螺钉连接在上丝杠电机座的侧 面，其输出轴与上丝杠联轴器一端锁固，上丝杠联轴器的另一端与穿过上丝杠电机座上的 轴承座的上滚珠丝杠的一端连接，上滚珠丝杠与上丝杠电机座的输出轴同轴设置，且其另 一端通过上丝杠轴承座限位并支撑，上丝杠轴承座端盖设置在上丝杠轴承座的端部，而上 丝杠导向罩则设置在上丝杠轴承座和上丝杠电机座之间，且套在上滚珠丝杠的外部，并与 上滚珠丝杠的轴同心设置，上丝杠导向罩在其侧面中部还开有沿上滚珠丝杠轴线方向的导 向槽A，上丝杠螺母套在上滚珠丝杠上且限位在导向槽A中。4.根据权利要求3所述的基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于， 所述的上丝杠导向罩的上部还设置有视觉定位模板。5.根据权利要求1所述的基于双蜗杆的双极坐标四自由度并联机器...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐粲，李超，王峰，程胜，张建伟，
申请(专利权)人：昆山市工业技术研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]