用于微创手术的解耦两转动串联机构

摘要

本发明提供了一种用于微创手术的解耦两转动串联机构，它包括顺序串联的第一输入杆、输出杆、第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第二输入杆，各杆件之间通过转动副活动相连。本发明只含少量的转动副，结构简单，安装容易，运动响应速度快，控制较为简单。

权利要求

1.一种用于微创手术的解耦两转动串联机构，其特征在于：包括顺序串联的第一输入杆、输出杆、第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第二输入杆；

所述第一输入杆的外端连接有第一转动副；第二输入杆的外端连接有第二转动副；第一转动副和第二转动副的轴线重合；

所述第一输入杆与输出杆之间连接有第三转动副，输出杆与第一传动杆之间连接有第四转动副，第一传动杆与第二传动杆之间连接有第五转动副，第三转动副、第四转动副和第五转动副的轴线平行并垂直于第一转动副的轴线；

所述第二传动杆与第三传动杆之间连接有第六转动副，第三传动杆与第二输入杆之间连接有第七转动副，第六转动副、第七转动副的轴线分别与第二转动副的轴线平行；

所述第一输入杆为90度折线形结构；

所述第二传动杆为90度折线形结构。

说明书

用于微创手术的解耦两转动串联机构

技术领域

[0001] 本发明涉及工业及手术机器人，尤其涉及一种用于微创手术的解耦两转动串联机构。

背景技术

[0002] 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，且制约了精度的提高。因此，如何实现并联机构解耦，以简化控制和标定，提高运动精度，一直是一个困难而富有挑战性的课题。

[0003] 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应用前景广阔。

[0004] [Hunt K H.Structural Kinematics of In-Parallel-Actuated Robot Arms，Journal of Mechanisms，Transmissions and Automation in Design，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[Huang Z，Wang J.Fang Y F，Analysis of Instantaneous Motions of Deficient-Rank 3-RPS Parallel Manipulators.Mechanism and Machine Theory，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。

[0005] 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[Xianwen Kong，Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallel manipulators， Transactions of the CSME，Vo1.28，Special Edition，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，Feb 2002，(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，仍属于部分解耦并联机构，完全解耦的三自由度球面机构文献发明目前尚未检索到。

发明内容

[0006] 本发明的目的，就是为了提供一种用于微创手术的解耦两转动串联机构，以克服现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。

[0007] 为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于微创手术的解耦两转动串联机构，包括顺序串联的第一输入杆、输出杆、第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第二输入杆；

[0008] 所述第一输入杆的外端连接有第一转动副；第二输入杆的外端连接有第二转动副；第一转动副和第二转动副的轴线重合；

[0009] 所述第一输入杆与输出杆之间连接有第三转动副，输出杆与第一传动杆之间连接有第四转动副，第一传动杆与第二传动杆之间连接有第五转动副，第三转动副、第四转动副和第五转动副的轴线平行并垂直于第一转动副的轴线；

[0010] 所述第二传动杆与第三传动杆之间连接有第六转动副，第三传动杆与第二输入杆之间连接有第七转动副，第六转动副、第七转动副的轴线分别与第二转动副的轴线平行。

[0011] 所述第一输入杆为90度折线形结构。

[0012] 所述第二传动杆为90度折线形结构。

[0013] 本发明用于微创手术的解耦两转动串联机构由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点和特点：

[0014] 1、仅含少量运动副，结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快。

[0015] 2、基本单个输出自由度仅需要控制单个驱动单元，标定容易，控制简单，从而降低了开发成本。

附图说明

[0016] 图1是本发明用于微创手术的解耦两转动串联机构的立体结构示意图。

具体实施方式

[0017] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。附图所示为本发明的一个较佳实施例，本发明的技术方案不限于本实施例。

[0018] 参见图1，本发明的用于微创手术的解耦两转动串联机构，包括顺序串联的第一输入杆1、输出杆2、第一传动杆3、第二传动杆4、第三传动杆5和第二输入杆 6；

[0019] 在第一输入杆1的外端连接有第一转动副01；第二输入杆6的外端连接有第二转动副06；第一转动副01和第二转动副06的轴线重合。

[0020] 在第一输入杆1与输出杆2之间连接有第三转动副12，在输出杆2与第一传动杆3之间连接有第四转动副23，在第一传动杆3与第二传动杆4之间连接有第五转动副34，第三转动副12、第四转动副23和第五转动副34的轴线平行并垂直于第一转动副01的轴线；

[0021] 在第二传动杆4与第三传动杆5之间连接有第六转动副45，在第三传动杆5 与第二输入杆6之间连接有第七转动副56，第六转动副45、第七转动副56的轴线分别与第二转动副06的轴线平行。

[0022] 上述第一输入杆1为90度折线形结构。

[0023] 上述第二传动杆4为90度折线形结构。

[0024] 本发明用于微创手术的解耦两转动串联机构的工作原理可结合附图说明如下：

[0025] 输出杆2具有绕第一转动副01和第三转动副12的两个转动自由度，并具有运动解耦的特性，即绕第一转动副01的转动自由度和绕第三转动副12的转动自由度。其绕第一转动副01的转动自由度由第二输入杆6和第一输入杆1共同决定；绕第三转动副12的转动自由度由第二输入杆6决定。

[0026] 当第二输入杆6和第一输入杆1以相同的速度转动时，由于第一转动副01和第二转动副06的转动轴(同轴)重合，输出杆2产生绕第一转动副01的转动。

[0027] 当运动由第二输入杆6输入时，由于第二转动副06、第七转动副56和第六转动副45轴线平行并垂直于第五转动副34、第四转动副23，可以实现第二输入杆6 的两个移动自由度。因此，在第一输入杆1保持锁死的情况下，第二输入杆6 控制输出杆2绕第三转动副12转动。

[0028] 当第二输入杆6和第一输入杆1以不同的速度转动时，输出杆2的运动是绕第一转动副01和第三转动副12转动的复合运动。