本發(fā)明涉及醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于體外微創(chuàng)手術(shù)扶持內(nèi)窺鏡的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于重載模擬設(shè)備、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、傳感器及微操作等領(lǐng)域。然而，并聯(lián)機(jī)構(gòu)各驅(qū)動(dòng)單元之間是耦合的，即并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體輸出平臺(tái)沿任一方向的運(yùn)動(dòng)都是所有驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)合成，并且各驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)(即輸入與輸出)之間是非線性的。這一特性導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制復(fù)雜、標(biāo)定困難、而且制約了精度的提高。因此，如何實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦，簡(jiǎn)化控制和標(biāo)定，提高運(yùn)動(dòng)精度，一直是一個(gè)困難而富有挑戰(zhàn)性的課題。

運(yùn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)器人是指輸出運(yùn)動(dòng)的任一個(gè)自由度都僅依賴單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，其他驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)幼鞑粚?duì)此自由度產(chǎn)生影響。具有完全解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)單、標(biāo)定簡(jiǎn)便、控制精度高、剛度大，在虛軸機(jī)床和機(jī)器人中應(yīng)用前景廣闊。

[Hunt K H.Structu ral Kinematics of In–Parallel-Actuated Robot Arms,Journal of Mechanisms,Transmissions and Automation in Design,1983,105:705-712]報(bào)道了一種兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主要由機(jī)架、動(dòng)平臺(tái)和固連在機(jī)架和動(dòng)平臺(tái)之間的三個(gè)結(jié)構(gòu)形式相同的運(yùn)動(dòng)支鏈組成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈依次由轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、球鉸鏈及它們之間的桿件組成，并且三個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈空間對(duì)稱分布。文獻(xiàn)[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.]報(bào)道了該類型并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的軸線只存在于一單葉雙曲面上。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN101036986A報(bào)道了由動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)及連接它們的四條閉環(huán)運(yùn)動(dòng)支鏈組成的兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每條閉環(huán)支鏈含有一類對(duì)稱結(jié)構(gòu)的六桿球形機(jī)構(gòu)，動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)與每條支鏈用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。文獻(xiàn)[Xianwen Kong,Clement M.Gosselin Type synthesis of input-output decoupled parallel manipulators,Transactions of the CSME,Vol.28,Special Edition,2004]中報(bào)道了具有兩移動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)和串并聯(lián)混搭的運(yùn)動(dòng)支鏈組成。文獻(xiàn)[李惠良，金瓊，楊廷力，一類一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其位移分析，機(jī)械制造與研究，F(xiàn)eb 2002,(1):9-12,14]提出一種具有三角化解耦特性的兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但輸出自由度不完全由單個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制，仍屬于解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)，完全解耦的四自由度球面機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)發(fā)明目前尚未檢索到。

在進(jìn)行腹腔微創(chuàng)手術(shù)時(shí)，先在患者肚皮出開(kāi)出小孔，然后微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人利用一個(gè)特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)將手術(shù)器械(例如剪刀，鑷子)通過(guò)這個(gè)小孔送入體內(nèi)，并且為了保證手術(shù)安全性，要求手術(shù)器械在肚皮切口處要實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。這個(gè)手術(shù)器械與肚皮交點(diǎn)可稱為遠(yuǎn)心點(diǎn)，而此特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)則可稱為遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)。在遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)研制方面，有很多的經(jīng)典案例，例如，東京大學(xué)研制出的五連桿遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)非常容易拆裝，便于機(jī)器人的消毒，然而剛性稍差。華盛頓大學(xué)研制的球面遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，利用球面關(guān)節(jié)的軸線過(guò)球心定點(diǎn)的原理，保證末端手術(shù)器械的定點(diǎn)四自由度運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)很緊湊，也容易實(shí)現(xiàn)小型化，但是這種機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題復(fù)雜，且由于運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)控制。還有da Vinci公司應(yīng)用的復(fù)合平行四桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，在剛度和運(yùn)動(dòng)空間上都非常的不錯(cuò)，但是它對(duì)加工精度的要求很高，同時(shí)末端執(zhí)行器的重量較大，慣性大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于體外微創(chuàng)手術(shù)扶持內(nèi)窺鏡的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)扶持內(nèi)窺鏡的末端執(zhí)行器繞遠(yuǎn)處旋轉(zhuǎn)中心的兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)三自由度運(yùn)動(dòng)，并且兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度分別通過(guò)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了末端輕量化的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種用于體外微創(chuàng)手術(shù)扶持內(nèi)窺鏡的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括機(jī)架、滑塊、導(dǎo)軌、第一運(yùn)動(dòng)支鏈、第二運(yùn)動(dòng)支鏈，

所述的導(dǎo)軌下方通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接內(nèi)窺鏡，

所述的滑塊沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，

所述的第一運(yùn)動(dòng)支鏈的一端與導(dǎo)軌活動(dòng)連接，另一端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架活動(dòng)連接，

所述的第二運(yùn)動(dòng)支鏈的一端與滑塊連接，另一端通過(guò)的轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架活動(dòng)連接，

通過(guò)第一運(yùn)動(dòng)支鏈、第二運(yùn)動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)以及連接內(nèi)窺鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)副的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡的三自由度運(yùn)動(dòng)。

所述的第一運(yùn)動(dòng)支鏈包括順序傳動(dòng)相連的第一桿件、第四桿件以及第二桿件、第三桿件以及各桿件之間連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副，

所述的第一桿件的底端通過(guò)第一轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架連接，頂端通過(guò)第五轉(zhuǎn)動(dòng)副與第四桿件連接，該第四桿件的另一端通過(guò)第八轉(zhuǎn)動(dòng)副與導(dǎo)軌連接，

所述的第二桿件的底端通過(guò)第二轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架連接，中部通過(guò)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副與第四桿件連接，頂端通過(guò)第七轉(zhuǎn)動(dòng)副與第三桿件連接，該第三桿件的另一端通過(guò)第九轉(zhuǎn)動(dòng)副與導(dǎo)軌連接。

所述的導(dǎo)軌與第一桿件和第二桿件始終保持平行，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)遠(yuǎn)心運(yùn)動(dòng)。

所述的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線和第二轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相平行。

所述的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線經(jīng)平移后可與第四轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相交于一定點(diǎn)。

所述的第四轉(zhuǎn)動(dòng)副為圓柱副。

所述的第二運(yùn)動(dòng)支鏈包括順序傳動(dòng)相連的第一四邊形及第二四邊形，

所述的第一四邊形由四角活動(dòng)連接的四根連桿組成，

所述的第二四邊形包括兩根平行的活動(dòng)連桿，一端與第一四邊形的一根豎邊活動(dòng)連接，另一端與滑塊活動(dòng)連接。

所述的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副和第四轉(zhuǎn)動(dòng)副均為電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副。

所述的滑塊經(jīng)移動(dòng)副帶動(dòng)在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。

所述的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副和第二轉(zhuǎn)動(dòng)副均為主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)連接的內(nèi)窺鏡繞第一轉(zhuǎn)動(dòng)副且過(guò)遠(yuǎn)心點(diǎn)的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接在滑塊上的內(nèi)窺鏡沿第四轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線過(guò)遠(yuǎn)心點(diǎn)上下移動(dòng)；當(dāng)?shù)谒霓D(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)連接的內(nèi)窺鏡繞第四轉(zhuǎn)動(dòng)副自身的軸線自轉(zhuǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于四邊形結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)機(jī)械臂具有足夠大的運(yùn)行空間，且沒(méi)有側(cè)置式機(jī)器人的剛度問(wèn)題；

(2)與通用機(jī)械臂相比所設(shè)計(jì)專用機(jī)械臂在滿足需求的情況具有3個(gè)主動(dòng)自由度，易于控制與實(shí)現(xiàn)，保證相關(guān)性能參數(shù)；

(3)新型結(jié)構(gòu)在保證有足夠的剛度和運(yùn)動(dòng)空間的情況下，實(shí)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計(jì)；

(4)將控制末端移動(dòng)自由度的馬達(dá)置于基座，顯著降低了機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)慣量，有效提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和精確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

一種用于體外微創(chuàng)手術(shù)扶持內(nèi)窺鏡的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括機(jī)架1、滑塊2、導(dǎo)軌3、第一運(yùn)動(dòng)支鏈4、第二運(yùn)動(dòng)支鏈5、第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7、第三轉(zhuǎn)動(dòng)副8、第一移動(dòng)副9和第四轉(zhuǎn)動(dòng)副10；滑塊2通過(guò)第一移動(dòng)副9與導(dǎo)軌3活動(dòng)相連，第一運(yùn)動(dòng)支鏈4通過(guò)第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6和第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7設(shè)在機(jī)架1上，另一端與導(dǎo)軌3活動(dòng)相連，第二運(yùn)動(dòng)支鏈5的一端通過(guò)第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7與機(jī)架1相連，另一端與滑塊2相連；通過(guò)第一運(yùn)動(dòng)支鏈的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、第二運(yùn)動(dòng)支鏈的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)以及末端執(zhí)行器的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡的兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)三自由度運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明中的第一運(yùn)動(dòng)支鏈4包括順序傳動(dòng)相連的第一桿件41、第四桿件44以及第二桿件42、第三桿件43以及各桿件之間連接的第五轉(zhuǎn)動(dòng)副45、第六轉(zhuǎn)動(dòng)副46、第七轉(zhuǎn)動(dòng)副47、第八轉(zhuǎn)動(dòng)副48和第九轉(zhuǎn)動(dòng)副49；其中，第一桿件41與第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二桿件42與第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第三桿件43通過(guò)第七轉(zhuǎn)動(dòng)副47及第八轉(zhuǎn)動(dòng)副48分別與第二桿件42和導(dǎo)軌3活動(dòng)連接，第四桿件44通過(guò)第五轉(zhuǎn)動(dòng)副45、第六轉(zhuǎn)動(dòng)副46、第九轉(zhuǎn)動(dòng)副49分別與第一桿件41、第二桿件42以及導(dǎo)軌3活動(dòng)連接。

導(dǎo)軌3與第一桿件41和第二桿件42始終保持平行，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)遠(yuǎn)心運(yùn)動(dòng)。第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線和第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相平行。第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6的軸線經(jīng)平移后可與第四轉(zhuǎn)動(dòng)副10的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相交于一定點(diǎn)P。第四轉(zhuǎn)動(dòng)副10為圓柱副，該圓柱副連接在導(dǎo)軌上，并可帶動(dòng)內(nèi)窺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7和第四轉(zhuǎn)動(dòng)副10都是由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副。

第二運(yùn)動(dòng)支鏈5包括順序傳動(dòng)相連的第一四邊形51、第二四邊形52和滑塊2；其中，第一四邊形51包括兩橫邊和兩豎邊，橫邊與豎邊之間活動(dòng)相連，且上方的橫邊還通過(guò)第三轉(zhuǎn)動(dòng)副8與第二桿件42連接。第二四邊形52的第一豎邊為第一四邊形51的第二豎邊的部分，第二豎邊為滑塊2的部分。

本發(fā)明的工作原理可結(jié)合附圖說(shuō)明如下：

本發(fā)明中的第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7和第四轉(zhuǎn)動(dòng)副10都是由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副。當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)動(dòng)副6轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器繞第一轉(zhuǎn)動(dòng)副7且過(guò)遠(yuǎn)心點(diǎn)p的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)動(dòng)副7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)末端連接在滑塊上的內(nèi)窺鏡沿第四轉(zhuǎn)動(dòng)副10的軸線過(guò)定義的點(diǎn)P上下移動(dòng)；當(dāng)?shù)谒霓D(zhuǎn)動(dòng)副10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器4繞自身的軸線自轉(zhuǎn)。第一轉(zhuǎn)動(dòng)副6和第二轉(zhuǎn)動(dòng)副7均為主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了扶持內(nèi)窺鏡的末端執(zhí)行器繞遠(yuǎn)處旋轉(zhuǎn)中心的兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)三自由度運(yùn)動(dòng)，并且兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度分別通過(guò)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了末端輕量化的設(shè)計(jì)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。