一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及混聯(lián)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中，所涉及的術(shù)種包括椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)、經(jīng)皮椎體成形術(shù)、經(jīng)皮椎板減壓術(shù)等，這些術(shù)式的操作精細(xì)度要求很高，微小的失誤都有可能造成脊髓或神經(jīng)根的損傷，導(dǎo)致下肢癱瘓甚至死亡。
[0003]傳統(tǒng)的人工進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)方法要求醫(yī)生具有很高的操作技術(shù)水平，然而借助導(dǎo)航的手術(shù)方式切斷了醫(yī)生的手眼協(xié)調(diào)，由于誤操作或顫抖造成的手術(shù)偏差難于避免，且手術(shù)過程中醫(yī)生和患者需要受到大量X射線的輻射。因此脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用成為了醫(yī)學(xué)界和工程界的共識(shí)。
[0004]目前應(yīng)用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療機(jī)器人構(gòu)型均為單純的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)雖然工作空間大，但是誤差積累、剛度性能較差，降低了手術(shù)的安全性;并聯(lián)結(jié)構(gòu)誤差均化，精度高，剛性好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大，工作空間小。單純的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)于脊柱微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)室環(huán)境要求和醫(yī)師操作要求都有其局限性，限制了這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的醫(yī)療機(jī)器人在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的局限性的問題，提出了一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)。
[0006]一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于完成對(duì)手術(shù)器械安裝座9的操作；
[0007]它包括第一關(guān)節(jié)1、第二關(guān)節(jié)2、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、機(jī)架6、長(zhǎng)遠(yuǎn)架桿7和短遠(yuǎn)架桿8;
[0008]機(jī)架6包括豎直架6-1和水平架6-2，豎直架6_1與水平架6_2垂直，且構(gòu)成L型；長(zhǎng)遠(yuǎn)架桿7為圓弧形，且一端設(shè)有圓孔7-1;
[0009]第一關(guān)節(jié)I固定在水平架6-2上，且第一關(guān)節(jié)I沿水平架6-2左右移動(dòng);第二關(guān)節(jié)2固定在豎直架6-1上，且第二關(guān)節(jié)2沿豎直架6-1上下移動(dòng)；
[0010]第一關(guān)節(jié)I的輸出端與短遠(yuǎn)架桿8的一端鉸接;第二關(guān)節(jié)2的輸出端與長(zhǎng)遠(yuǎn)架桿7的一端鉸接;短遠(yuǎn)架桿8的另一端與長(zhǎng)遠(yuǎn)架桿7的圓弧處鉸接；
[0011]第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)為一體件，且該一體件的一端固定在長(zhǎng)遠(yuǎn)架桿7上的圓孔7-1內(nèi)；手術(shù)器械安裝座9與該一體件的另一端鉸接；
[0012]構(gòu)成一體件的第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)垂直于第一關(guān)節(jié)I和第二關(guān)節(jié)2，且該一體件沿其自身的軸線在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
[0013]第一關(guān)節(jié)I包括第一關(guān)節(jié)近架桿3、第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件4和第一關(guān)節(jié)絲桿支撐座5;第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件4包括絲桿、聯(lián)軸器、電機(jī)固定座和電機(jī);絲桿通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，電機(jī)固定座用于固定電機(jī);第一關(guān)節(jié)近架桿3由螺母和一個(gè)固定連接件構(gòu)成，螺母位于固定連接件內(nèi)部;第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件4的絲桿驅(qū)動(dòng)螺母沿絲桿的軸線移動(dòng)；
[0014]第一關(guān)節(jié)近架桿3通過第一關(guān)節(jié)絲桿支撐座5安裝在第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件4的絲桿上，第一關(guān)節(jié)近架桿3由第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件4驅(qū)動(dòng)，且第一關(guān)節(jié)近架桿3沿著水平架6-2左右移動(dòng)。
[0015]第二關(guān)節(jié)2包括第二關(guān)節(jié)近架桿2-1、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件2-2和第二關(guān)節(jié)絲桿支撐座2-3;第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件2-2包括絲桿、聯(lián)軸器、電機(jī)固定座和電機(jī);絲桿通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，電機(jī)固定座用于固定電機(jī);第二關(guān)節(jié)近架桿2-1由螺母和一個(gè)固定連接件構(gòu)成，螺母位于固定連接件內(nèi)部;第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件2-2的絲桿驅(qū)動(dòng)螺母沿絲桿軸線移動(dòng)；
[0016]第二關(guān)節(jié)近架桿2-1通過第二關(guān)節(jié)絲桿支撐座2-3安裝在第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件2-2的絲桿上，第二關(guān)節(jié)近架桿2-1由第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絲桿組件2-2驅(qū)動(dòng)，且第二關(guān)節(jié)近架桿2-1沿著豎直架6-1上下移動(dòng)。
[0017]第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)為一體件，該一體件包括第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、電機(jī)罩U、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12、第三關(guān)節(jié)輸出架13、第三關(guān)節(jié)輸出架安裝軸承14、第一軸承定位套筒15、第二軸承定位套筒16、軸承蓋17、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)18、第五關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)19、兩個(gè)小帶輪20、同步帶21、兩個(gè)大帶輪22、第一絲桿23、第二絲桿24、兩套絲桿驅(qū)動(dòng)螺母組件25、螺母座安裝筒26、兩個(gè)絲桿導(dǎo)向座27、絲桿導(dǎo)向座安裝板28、連桿29 ；
[0018]第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12和軸承蓋17依次連接；
[0019]第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12插入長(zhǎng)遠(yuǎn)架桿7的圓孔7-1內(nèi)，且二者固定連接;第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12的一端與電機(jī)罩11固定連接;第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)10位于電機(jī)罩11內(nèi)且固定在第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12上，第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)10的輸出端與第三關(guān)節(jié)輸出架13的一端固定連接;第三關(guān)節(jié)輸出架13的另一端與螺母座安裝筒26連接；
[0020]第三關(guān)節(jié)輸出架13通過兩個(gè)第三關(guān)節(jié)輸出架安裝軸承14、第一軸承定位套筒15、第二軸承定位套筒16和軸承蓋17與第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12連接;兩個(gè)第三關(guān)節(jié)輸出架安裝軸承14均安裝在第三關(guān)節(jié)輸出架13的外表面，且兩個(gè)第三關(guān)節(jié)輸出架安裝軸承14之間設(shè)置有第一軸承定位套筒15和第二軸承定位套筒16;第二軸承定位套筒16套在第三關(guān)節(jié)輸出架13的外表面;第一軸承定位套筒15緊貼第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝套筒12的內(nèi)表面;軸承蓋17蓋在第三關(guān)節(jié)輸出架安裝軸承14上；
[0021]第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)18和第五關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)19均安裝在螺母座安裝筒26上;絲桿驅(qū)動(dòng)螺母組件25安裝在螺母座安裝筒26內(nèi)部;絲桿導(dǎo)向座安裝板28安裝在螺母座安裝筒26的頂端；
[0022]兩個(gè)絲桿導(dǎo)向座27均安裝在絲桿導(dǎo)向座安裝板28上，且絲桿導(dǎo)向座27位于螺母座安裝筒26內(nèi)部；
[0023]第一絲桿23和第二絲桿24通過螺母副分別安裝在兩套絲桿驅(qū)動(dòng)螺母組件25內(nèi)，且第一絲桿23和第二絲桿24分別由絲桿導(dǎo)向座27導(dǎo)向；
[0024]第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)18的輸出軸與一個(gè)小帶輪20同軸連接;一套絲桿驅(qū)動(dòng)螺母組件25中的螺母與一個(gè)大帶輪22同軸連接;小帶輪20和大帶輪22上套有同一條同步帶21;
[0025]第五關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)19的輸出軸與另一個(gè)小帶輪20同軸連接;另一套絲桿驅(qū)動(dòng)螺母組件25中的螺母與另一個(gè)大帶輪22同軸連接；小帶輪20和大帶輪22上套有同一條同步帶21；
[0026]第一絲桿23的一端與連桿29的一端鉸接，連桿29的另一端與手術(shù)器械安裝座9的一個(gè)連接件鉸接;第二絲桿24與手術(shù)器械安裝座9的另一個(gè)連接件鉸接。
[0027]根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機(jī)器人可以分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人，串聯(lián)機(jī)器人工作空間大，運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活性好;并聯(lián)機(jī)器人剛度大、承載能力強(qiáng)、關(guān)節(jié)誤差均化，末端誤差小、精度高。針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行串并結(jié)合得到混聯(lián)機(jī)器人綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的使用性能。本發(fā)明提供了一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)器械在手術(shù)切口點(diǎn)的上方定位，以及器械操作角度的空間二維調(diào)整。
[0028]有益效果:一二四五關(guān)節(jié)均為移動(dòng)機(jī)構(gòu);第三關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，共實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的平面定位和定向。第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)分別為沿水平方向和沿豎直方向的移動(dòng)關(guān)節(jié)，復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平面二維定位。第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)為一體件，且該一體件垂直于第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)所在平面，且可沿一體件的自身軸線整周回轉(zhuǎn)，并能實(shí)現(xiàn)所在平面內(nèi)的一維移動(dòng)和定向。本發(fā)明所述的混聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩套平面五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)正交布置，運(yùn)動(dòng)解耦，更加便于控制末端手術(shù)器械安裝座的位置，有利于提高定位和導(dǎo)向精度。同時(shí)，本發(fā)明所述的混聯(lián)機(jī)構(gòu)提升了系統(tǒng)剛性，使定位、定向更加穩(wěn)定。電機(jī)靠近機(jī)架，減輕了后續(xù)消毒難度。整體工作空間針對(duì)脊柱手術(shù)設(shè)計(jì)，貼近臨床，適用性強(qiáng)，減少對(duì)醫(yī)生護(hù)士其它操作的干擾，適用性強(qiáng)。
[0029 ]本發(fā)明適用于其他需要空間二維定向和三維定位的場(chǎng)合。
【附圖說明】
[0030]圖1為一種可實(shí)現(xiàn)空間三維定位和二維定向的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明中