一種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可應(yīng)用于主從式醫(yī)療機(jī)器人主操作手的被動式機(jī)械傳遞機(jī)構(gòu)，具體涉及一種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械臂被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，在接受指令后精確地定位到空間中的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。本設(shè)計來源于手術(shù)機(jī)器人的被動式關(guān)節(jié)機(jī)械臂，要求被動驅(qū)動，運(yùn)動空間大，自由度足夠，具有負(fù)載能力，且為了減輕操作者長時間使用時的疲勞，應(yīng)當(dāng)有自重平衡；為保證精度，要有力反饋能力。
[0003]美國的Computer Mot1n公司開發(fā)的ZEUS系統(tǒng)機(jī)械臂工作空間比較小，靈活性不高，缺少力反饋。Intuitive Surgical公司研發(fā)的da Vinci系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但價格昂貴，并且機(jī)構(gòu)過于龐大，缺少力感，空間利用率低。美國SensAble公司研制的PHANTOM是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最為理想的力反饋設(shè)備。但價格非常昂貴，客戶也無法根據(jù)自身需求編輯軟件程序，從而大大限制了其應(yīng)用場合。瑞士的Force Dimens1n公司根據(jù)delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理推出的delta、sigma以及omega系列是當(dāng)前最為成功的并聯(lián)型力覺主手，其機(jī)械臂采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有運(yùn)動親合性尚，操作不靈活以及控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。
[0004]由天津大學(xué)王樹新教授課題組牽頭，天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院以及南開大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的MicroHand A(妙手A)中前三個為被動關(guān)節(jié)，主要用于術(shù)前對于遠(yuǎn)心點(diǎn)的調(diào)整，調(diào)整好以后固定直至手術(shù)完成，可提供三維力反饋，但其自重平衡的設(shè)計只能在特定的位置姿態(tài)時才能達(dá)到平衡，對使用限制較多，結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。
[0005]而今我國對于醫(yī)療機(jī)器人的研究尚處于起步階段，主手機(jī)械臂大多是通用型的在微創(chuàng)手術(shù)趨勢越來越明顯的今天，對于醫(yī)療機(jī)器人的需求也越來越大，研究一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)并且能夠滿足機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)需要的用于主操作手的機(jī)械臂是非常必要的，因此提供一種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中醫(yī)療機(jī)器人的研究尚處于起步階段，對于醫(yī)療機(jī)器人的需求也越來越大，需要一款能夠滿足機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)需要的用于主操作手的機(jī)械臂，進(jìn)而提供一種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂。
[0007]本發(fā)明為解決上述問題而采用的技術(shù)方案是:
[0008]—種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂，它包括第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和零桿；第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括末端桿、支撐桿、運(yùn)動帶動桿、連接架、第三關(guān)節(jié)扇輪、第三關(guān)節(jié)同步帶、第三關(guān)節(jié)角度編碼器、第三關(guān)節(jié)電機(jī)、第三關(guān)節(jié)支架、第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸、兩個第三關(guān)節(jié)鋼絲、兩個第三關(guān)節(jié)絲筒和兩個第三關(guān)節(jié)同步帶輪；第三關(guān)節(jié)角度編碼器和第三關(guān)節(jié)電機(jī)均固定安裝在第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的頂端上，兩個第三關(guān)節(jié)絲筒并排套裝在第三關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，一個第三關(guān)節(jié)同步帶輪套裝在第三關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的一端，另一個第三關(guān)節(jié)同步帶輪套裝在第三關(guān)節(jié)角度編碼器的轉(zhuǎn)軸上，且兩個第三關(guān)節(jié)同步帶輪通過第三關(guān)節(jié)同步帶帶傳動連接，第三關(guān)節(jié)支架安裝在第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的頂端上，第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸固定安裝在第三關(guān)節(jié)支架上，第三關(guān)節(jié)扇輪設(shè)置在第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸上，第三關(guān)節(jié)扇輪與第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接，兩個第三關(guān)節(jié)鋼絲相對設(shè)置在第三關(guān)節(jié)扇輪上，每個第三關(guān)節(jié)鋼絲的一端均固定安裝在第三關(guān)節(jié)扇輪上，且每個第三關(guān)節(jié)鋼絲的另一端分別繞過一個第三關(guān)節(jié)絲筒并固定安裝在第三關(guān)節(jié)絲筒上，運(yùn)動帶動桿的一端鉸接安裝在第三關(guān)節(jié)扇輪上，運(yùn)動帶動桿的另一端鉸接安裝在末端桿的一端上，零桿的一端與末端桿的另一端連接，零桿的另一端與第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)連接，連接架固定安裝在支撐桿的一端，支撐桿的另一端鉸接安裝在末端桿上，支撐桿固定安裝在第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸上，第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在連接架上。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]1.本結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，使慣性和摩擦力較小，自身體積小，運(yùn)動耦合程度強(qiáng)，靈活性好，工作空間大，姿態(tài)影響大。
[0011]2.本結(jié)構(gòu)采用鋼絲傳動減速，可以降低對電機(jī)的性能要求，從而降低整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及成本。
[0012]3.本結(jié)構(gòu)選用的鋼絲傳動具有質(zhì)量小、慣性低、占用空間小、走絲方式靈活的特點(diǎn)。
[0013]4.本結(jié)構(gòu)經(jīng)過對鋼絲傳動的有效預(yù)緊后可以消除傳動間隙，鋼絲總長固定不變，減速比隨之固定，大大提高傳動精度，滿足機(jī)械臂對于高安全性、低慣量、以及高精度等方面的要求。
[0014]5.本結(jié)構(gòu)各關(guān)節(jié)都設(shè)計限位槽，防止關(guān)節(jié)超出運(yùn)動范圍導(dǎo)致零部件的損壞。
[0015]6.發(fā)明中第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2采用豎直結(jié)構(gòu)，可以直接實(shí)現(xiàn)豎直方向的自重平衡。
[0016]7.第三關(guān)節(jié)中采用的平行四邊形結(jié)構(gòu)，能將力反饋轉(zhuǎn)移到扇輪上，減小了第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4需要承受的重量，降低了第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3、第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4實(shí)現(xiàn)重力平衡的難度。
[0017]下面說明一種三自由度串聯(lián)型自重平衡力反饋被動機(jī)械臂的動作實(shí)施過程。
[0018]1.三自由度的運(yùn)動
[0019]該機(jī)械臂為被動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部無動力源，通過操作者的控制產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動。第一關(guān)節(jié)是第一關(guān)節(jié)扇輪2-4帶動其上的所有零部件與底板I之間繞垂直軸線的相對旋轉(zhuǎn)，操作者帶動第一關(guān)節(jié)扇輪2-4或者其上零部件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，第一關(guān)節(jié)鋼絲2-5傳動帶動第一關(guān)節(jié)絲筒2-3旋轉(zhuǎn)。第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3中，由于第二關(guān)節(jié)扇輪3-7與支撐桿4-2同步轉(zhuǎn)動，故操作者帶動支撐桿4-2及其上的零部件一起繞第二關(guān)節(jié)扇輪3-7轉(zhuǎn)動，第二關(guān)節(jié)鋼絲3-6帶動第二關(guān)節(jié)絲筒3-5旋轉(zhuǎn)。第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4，末端桿4-1、支撐桿4-2、運(yùn)動帶動桿4-3和第三關(guān)節(jié)扇輪4-5組成平行四邊形，末端桿4-1與運(yùn)動帶動桿4-3之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系將等效為第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10與第三關(guān)節(jié)扇輪4-5之間的相對運(yùn)動，從而當(dāng)末端桿4-1轉(zhuǎn)動時帶動第三關(guān)節(jié)扇輪4-5轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動第三關(guān)節(jié)角度編碼器4-8和第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10旋轉(zhuǎn)。
[0020]2.自重平衡
[0021]機(jī)械臂第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2上第一關(guān)節(jié)電機(jī)2-1的轉(zhuǎn)軸豎直設(shè)置，可以直接實(shí)現(xiàn)豎直方向的自重平衡。第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3采用重力平衡采用配重和電機(jī)輸出反向力矩來實(shí)現(xiàn)。給電機(jī)反向力矩信號，在第二關(guān)節(jié)鋼絲3-6的作用下，此反向力矩平衡關(guān)節(jié)的重力矩。所述第二關(guān)節(jié)電機(jī)3-1需要輸出的反向力矩的數(shù)值通過主手機(jī)構(gòu)的動力學(xué)得出。配重塊置于重心相對于軸線的另一側(cè)，可以減小第二關(guān)節(jié)電機(jī)3-1的輸出力矩。第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4重力平衡采用平行四邊形結(jié)構(gòu)加電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。平行四邊形結(jié)構(gòu)的使用使得第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4的重力平衡轉(zhuǎn)移到第三關(guān)節(jié)扇輪4-5上。給第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10反向力矩信號來平衡第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4的重力矩，在第三關(guān)節(jié)鋼絲4-6的作用下，平行四邊形一條邊固定，則對邊相應(yīng)固定，即第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4平衡。
[0022]3.力反饋
[0023]第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2、第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3和第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4中均有電機(jī)、扇輪、絲筒和鋼絲傳動組成的結(jié)構(gòu)。扇輪轉(zhuǎn)動時，通過鋼絲傳遞到絲筒上，形成行星輪機(jī)構(gòu)從而帶動電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)操作者帶動機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動時，必須克服電機(jī)的輸出力矩，相當(dāng)于絲筒和扇輪的旋轉(zhuǎn)受到一定的阻力矩，從而操作者感受到反饋的力。
[0024]4.角度反饋
[0025]每個關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度通過相應(yīng)關(guān)節(jié)的絕對式角度編碼器獲得。所述第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2的第一關(guān)節(jié)角度編碼器2-7直接測量第一關(guān)節(jié)扇輪2-4旋轉(zhuǎn)角度。第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3和第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4中絲筒和電機(jī)的轉(zhuǎn)動信息，通過同步帶傳動分別傳遞給第二關(guān)節(jié)角度編碼器3-2和第三關(guān)節(jié)角度編碼器4-8測量角度。則帶輪和絲筒、電機(jī)的角速度可以通過絕對式角度編碼器的測量值和鋼絲傳動的傳動比計算出來。所述同步帶傳動的預(yù)緊采用調(diào)整中心距的方法，速比為1:1。
[0026]5.調(diào)零
[0027]測量關(guān)節(jié)角度使用的均為絕對式角度編碼器，故只需進(jìn)行一次手動尋零對編碼器與關(guān)節(jié)角建立映射關(guān)系，再次開機(jī)后因?yàn)榻^對編碼器的記憶功能而無需再次進(jìn)行映射。機(jī)構(gòu)與編碼器之間的初始角度映射通過零桿5這一外置桿來實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主視圖。圖2第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2的主視圖，圖3是圖2的俯視圖，圖4是第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1-圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂，它包括第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2、第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3、第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4和零桿5 ;第三關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)4包括末端桿4-1、支撐桿4-2、運(yùn)動帶動桿4-3、連接架4_4、第三關(guān)節(jié)扇輪4-5、第三關(guān)節(jié)同步帶4-7、第三關(guān)節(jié)角度編碼器4-8、第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10、第三關(guān)節(jié)支架4-12、第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸4-13、兩個第三關(guān)節(jié)鋼絲4-6、兩個第三關(guān)節(jié)絲筒4_9和兩個第三關(guān)節(jié)同步帶輪4-11 ;第三關(guān)節(jié)角度編碼器4-8和第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10均固定安裝在第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2的頂端上，兩個第三關(guān)節(jié)絲筒4-9并排套裝在第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10的轉(zhuǎn)軸上，一個第三關(guān)節(jié)同步帶輪4-11套裝在第三關(guān)節(jié)電機(jī)4-10轉(zhuǎn)軸的一端，另一個第三關(guān)節(jié)同步帶輪4-11套裝在第三關(guān)節(jié)角度編碼器4-8的轉(zhuǎn)軸上，且兩個第三關(guān)節(jié)同步帶輪4-11通過第三關(guān)節(jié)同步帶4-7帶傳動連接，第三關(guān)節(jié)支架4-12安裝在第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2的頂端上，第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸4-13固定安裝在第三關(guān)節(jié)支架4-12上，第三關(guān)節(jié)扇輪4-5設(shè)置在第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸4-13上，第三關(guān)節(jié)扇輪4-5與第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸4-13轉(zhuǎn)動連接，兩個第三關(guān)節(jié)鋼絲4-6相對設(shè)置在第三關(guān)節(jié)扇輪4-5上，每個第三關(guān)節(jié)鋼絲4-6的一端均固定安裝在第三關(guān)節(jié)扇輪4-5上，且每個第三關(guān)節(jié)鋼絲4-6的另一端分別繞過一個第三關(guān)節(jié)絲筒4-9并固定安裝在第三關(guān)節(jié)絲筒4-9上，運(yùn)動帶動桿4-3的一端鉸接安裝在第三關(guān)節(jié)扇輪4-5上，運(yùn)動帶動桿4-3的另一端鉸接安裝在末端桿4-1的一端上，零桿5的一端與末端桿4-1的另一端連接，零桿5的另一端與第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2連接，連接架4-4固定安裝在支撐桿4-2的一端，支撐桿4-2的另一端鉸接安裝在末端桿4-1上，支撐桿4-2固定安裝在第三關(guān)節(jié)扇輪轉(zhuǎn)軸4-13上，第二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)3安裝在連接架4-4上。
[0030]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1-圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種三自由度串聯(lián)型自重力平衡被動機(jī)械臂，所述第一關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)2包括第一關(guān)節(jié)電機(jī)2-1、軸系部件2-2、第一關(guān)節(jié)扇輪2-4、第一關(guān)節(jié)支撐架2-6、第一關(guān)節(jié)角度編碼器2-7、第一關(guān)節(jié)電機(jī)固定板
2-8、第一關(guān)節(jié)