一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手

摘要

本发明涉及一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手，包括第一RPRPR闭环子链、第二RPRPR闭环子链以及执行机构子链。所述第一RPRPR闭环子链、第二RPRPR闭环子链在同一平面内。第一RPRPR闭环子链可控制第一转台在平面内做二自由度运动，第二RPRPR闭环子链可控制第二转台在平面内做二自由度运动。第一转台和第二转台的运动可实现动平台在空间内的四自由度运动。本发明通过两个闭环子链来控制两个转台在平面的运动，从而实现动平台的空间四自由度运动，具有结构紧凑控制简单的优点，且所有主动杆都连接在机架上，杆件能做成轻杆，机构运动惯量小，动力学性能好。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手。

背景技术

并联机构是一种动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，有两个或两个以上 自由度，且以并联方式驱动的机构，具有精度较高、结构紧凑、刚度高、承载能力大强等优 点，在运动模拟器、并联机床、微操作机器人、抓取机器人等方面取得了较好的应用。但现 有的并联机构基本都是分支不含闭环的，对于自由度数大于支链数的并联机构，有些支链必 须设置两个或两个以上的原动件，这就不得不将电机安装在支链的关节处，从而导致机构刚 性差、惯量大、关节误差累积等问题，机构动力学性能较差，控制困难。手术用机器人是要 求非常高的高精准仪器，传统的串联机器人难以达到其使用要求，采用并联机构可满足手术 用机器人的精确运动的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手，解决传统自由 度数大于支链数的并联手术机械手刚性差、惯量大、关节误差累积等问题。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械 手，包括第一RPRPR闭环子链、第二RPRPR闭环子链和执行机构子链，其机构和链接方式 为：

所述第一RPRPR闭环子链由第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆以及机架连接 而成，第一连杆通过第一转动副连接到机架上，第一连杆另一端通过第一移动副与第二连杆 连接，第二连杆另一端通过第二转动副与第三连杆连接，第三连杆另一端通过第二移动副与 第四连杆连接，第四连杆另一端通过第三转动副连接到机架上，第一连杆由第一伺服电机驱 动，第四连杆由第二伺服电机驱动，

所述第二RPRPR闭环子链由第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆以及机架连接 而成，第五连杆通过第四转动副连接到机架上，第五连杆另一端通过第三移动副与第六连杆 连接，第六连杆另一端通过第五转动副与第七连杆连接，第七连杆另一端通过第四移动副与 第八连杆连接，第八连杆另一端通过第六转动副连接到机架上，第五连杆由第三伺服电机 驱动，第八连杆由第四伺服电机驱动，

所述执行机构子链由第一转台、第二转台、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第十二 连杆以及动平台连接而成，第一转台通过第二转动副与第二连杆连接，第一转台通过第七转 动副与第九连杆连接，第一转台通过第八转动副与第十连杆连接，第九连杆另一端通过第九 转动副与动平台连接，第十连杆另一端通过第十转动副与动平台连接，第二转台通过五转动 副与第六连杆连接，第二转台通过第十一转动副与第十一连杆连接，第二转台通过第十二转 动副与第十二连杆连接，第十一连杆另一端通过第九转动副与动平台和第九连杆连接，第十 二连杆另一端通过第十三转动副与动平台连接。第一转台和第二转台在平面内的运动可实现 动平台在空间的四自由度运动，

所述第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副的 旋转轴线相互平行，第七转动副、第八转动副、第九转动副、第十转动副、第十一转动副、 第十二转动副、第十三转动副的旋转轴线相互平行，第九连杆与第十连杆等长平行，第十一 连杆与第十二连杆等长平行。

本发明的突出优点在于：

1、驱动电机均安装在机架上，杆件都可以做成轻杆，有效降低机构重量，机构刚性好、 惯量小，动力学性能好；

2、通过两个对称结构的闭环子链控制动平台运动输出，机构运动学正、逆问题求解容 易，控制方便；

3、通过在动平台上安装手术刀等手术工具来完成手术动作任务。

附图说明

图1为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第一结构示意图。

图2为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第二结构示意图。

图3为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第一工作示意图。

图4为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第二工作示意图。

图5为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第三工作示意图。

图6为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第四工作示意图。

图7为本发明所述一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手的第五工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对照图1和图2，一种可实现三维平动一维转动的并联手术机械手，包括第一RPRPR闭 环子链、第二RPRPR闭环子链和执行机构子链。

所述第一RPRPR闭环子链由第一连杆3、第二连杆4、第三连杆8、第四连杆9以及机 架1连接而成，第一连杆3通过第一转动副2连接到机架1上，第一连杆3另一端通过第一 移动副30与第二连杆4连接，第二连杆4另一端通过第二转动副28与第三连杆8连接，第 三连杆8另一端通过第二移动副与第四连杆9连接，第四连杆9另一端通过第三转动副10 连接到机架1上，第一连杆3由第一伺服电机34驱动，第四连杆9由第二伺服电机35驱动。

所述第二RPRPR闭环子链由第五连杆20、第六连杆21、第七连杆25、第八连杆26以 及机架1连接而成，第五连杆20通过第四转动副19连接到机架1上，第五连杆另一端通过 第三移动副32与第六连杆21连接，第六连杆21另一端通过第五转动副29与第七连杆25 连接，第七连杆25另一端通过第四移动副33与第八连杆26连接，第八连杆26另一端通过 第六转动副27连接到机架1上，第五连杆20由第三伺服电机36驱动，第八连杆26由第四 伺服电机37驱动。

所述执行机构子链由第一转台5、第二转台24、第九连杆12、第十连杆11、第十一连 杆18、第十二连杆17以及动平台14连接而成，第一转台5通过第二转动副28与第二连杆 4连接，第一转台5通过第七转动副7与第九连杆12连接，第一转台5通过第八转动副6与 第十连杆11连接，第九连杆12另一端通过第九转动副15与动平台14连接，第十连杆11 另一端通过第十转动副13与动平台14连接，第二转台24通过五转动副29与第六连杆21 连接，第二转台24通过第十一转动副22与第十一连杆18连接，第二转台24通过第十二转 动副23与第十二连杆17连接，第十一连杆18另一端通过第九转动副15与动平台14和第 九连杆12连接，第十二连杆17另一端通过第十三转动副16与动平台15连接。第一转台5 和第二转台24在平面内的运动可实现动平台14在空间的4自由度运动。

所述第一转动副2、第二转动副28、第三转动副10、第四转动副19、第五转动副29、 第六转动副27的旋转轴线相互平行，第七转动副7、第八转动副6、第九转动副15、第十转 动副13、第十一转动副22、第十二转动副23、第十三转动副16的旋转轴线相互平行，第九 连杆12与第十连杆11等长平行，第十一连杆18与第十二连杆17等长平行。

对照图3和图4，第一转台4和第二转台21在运动空间内运动可实现动平台13的上下 平移。

对照图5，第一转台4和第二转台21在运动空间内运动可实现动平台13绕自身轴线的 一维整周转动。

对照图6，第一转台4和第二转台21在运动空间内运动可实现动平台13的前后平移。

对照图7，第一转台4和第二转台21在运动空间内运动可实现动平台13的左右平移。