专利名称：双极坐标四自由度并联机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双极坐标四自由度并联机器人，属于微创外科手术穿刺针空间位姿数字化自动定位装置。
背景技术：
进入21世纪，计算机技术、医疗机器人技术、先进制造技术、外科及外科学技术等 都得到了飞速发展，与此同时，随着我国经济实力和全民卫生保健意识的迅速提高，以提高 手术定位精度和手术方便程度以及手术效率为宗旨的微创外科机器人技术的研究，在我国 乃至全世界已成为最主要的前沿研究热点之一，也成为高新技术企业关注的重要的产业发 展方向。我国目前外科手术穿刺定位机器人基本上停留在研发阶段，研发的外科手术并联 机器人具有如下特点。一、拓扑结构沿用工业机器人的设计思路，用传统的动平台和静平台 构建机器人系统，此种机构外形尺寸大，而且沉重，医生操作不方便；二、与传统的并联机器 人一样，这种并联机器人工作空间小，手术姿态范围小，灵活性差，这与微创穿刺定位手术 机器人(如神经外科机器人)的要求相违背，因此这种机器人很难从实验室走向临床应用， 也就是说，目前尚未开发出小巧轻便高灵活性的微创外科手术并联机器人机构，因此，开发 面向微创外科手术的四自由度并联机器人，不仅为主动穿刺定位手术的机器人机构奠定了 研究基础，同时，也为其它手术适应症的机器人设计开发提供参考。
实用新型内容为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种将外科医生的手术穿 刺针的手动定位变为全自动数字化定位，既为机器人的自动定位，实现操作方便、小巧灵 活、定位精度高的双极坐标四自由度并联机器人。为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案来实现的一种双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于包括丝杠机构、穿刺针机构、准 双曲面传动机构、主连接板、并联平台固定架和支撑架，其中，并联平台固定架一端设置有 三爪结构，其三爪结构通过紧固螺钉固定在主连接板上，并联平台固定架另一端还设置有 螺纹接口，其通过螺纹接口与支撑架连接，而准双曲面传动机构包括两组对称设置于主连 接板两侧并与主连接板连接的传动机构，丝杠机构也为两组，分别对称设置于主连接板中 心的两侧，分别与两组传动机构连接，形成两个转动自由度，而穿刺针机构则同时设置在两 组丝杠机构上，形成两个移动自由度。前述的传动机构包括直流电机座、小锥齿轮座、大锥齿轮座、直流电机、小锥齿轮 联轴器、准双曲面小锥齿轮和准双曲面大锥齿轮，其中，直流电机座、小锥齿轮座和大锥齿 轮座分别通过紧固螺钉固定在主连接板上，直流电机固定在直流电机座上，其输出轴与联 轴器一端连接，联轴器的另一端与准双曲面小锥齿轮的转动轴连接，而准双曲面小锥齿轮 的转动轴通过小锥齿轮座限位并支撑，准双曲面大锥齿轮的转动轴与准双曲面小锥齿轮的转动轴垂直设置，且准双曲面大锥齿轮的转动轴通过大锥齿轮座限位并支撑，而准双曲面大 锥齿轮与准双曲面小锥齿轮啮合上述的丝杠机构包括丝杠轴承座端盖、丝杠轴承座、丝杠导 向罩、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠电机座、丝杠联轴器、丝杠直流电机，其中，丝杠电机座与上述 的准双曲面大锥齿轮的转动轴过盈配合，丝杠直流电机通过螺钉连接在丝杠电机座的侧面， 其输出轴与丝杠联轴器一端锁固，丝杠联轴器的另一端与穿过丝杠电机座上轴承座的滚珠丝 杠的一端连接，滚珠丝杠与丝杠电机座的输出轴同轴设置，且其另一端通过丝杠轴承座限位 并支撑，丝杠轴承座端盖设置在丝杠轴承座的端部，而丝杠导向罩则设置在丝杠轴承座和丝 杠电机座之间，且套在滚珠丝杠的外部，并与滚珠丝杠的轴同心设置，丝杠导向罩在其侧面中 部还开有沿滚珠丝杠轴线方向的导向槽，丝杠螺母套在滚珠丝杠上且限位在导向槽中。 前述的穿刺针机构包括穿刺针和两组结构相同的穿刺针固定机构，两组穿刺针固 定机构分别设置在两组丝杠机构上，其中，每组穿刺针固定机构包括导向套U形定位环、导 向套柱形定位环、定位环销和穿刺针导向套，导向套U形定位环与上述的丝杠螺母通过滑 动轴承连接，且其为对称结构，其转动轴垂直于滚珠丝杠的轴，导向套柱形定位环通过其两 侧的定位环销连接在导向套U形定位环的开口端，其内部还同心设置有穿刺针导向套，而 穿刺针则穿设在两个穿刺针导向套内。进一步，上述的穿刺针导向套的轴线、定位环销的轴线和导向套U形定位环的轴 线交于一点，形成球铰。本实用新型的有益效果是1、结构简单本实用新型采用双极坐标拓扑结构，两组丝杠机构都能够实现空间 点的平移和空间点绕固定轴的旋转，且两组丝杠机构结构一致，使得设计、制造都很方便且 成本较低；2、机器人运动学解算方便这种双极坐标结构，其运动学计算基于几何方法即可， 不需要按照传统的D-H方法建立数学模型，不需要进行复杂的矩阵变换，大大降低解算和 编程的难度；3、工作空间较大本实用新型的动平台抽象为医生手术的穿刺针，它可以脱离并 联平台，本实用新型所述的机器人为开放式结构，其旋转关节可以在士90°内运动，因此其 与相同外形尺寸的并联机器人相比，工作空间明显增大；4、灵活性较高由于本实用新型的关节运动范围增大，则动平台姿态范围增大，也 就是说，所述的穿刺针矢量空间姿态明显增多，因此，本实用新型与一般并联机器人相比， 其灵活性显著提高，从而使医生手术效率提高；5、轻便稳固本实用新型的主体材料采用高强度工程塑料，重量轻、刚性好；6、定位精度较高本实用新型相对串联结构的机器人，其关节没有累计误差，定位 精度高；7、结构紧凑本实用新型在采用双极坐标拓扑结构的同时，还采用了准双曲面锥 齿轮传动结构，使得该四自由度并联机器人传动比大、承载能力强、体积小、结构紧凑，可用 于设计微创外科手术并联机器人机构，也可以应用于其它数字化医疗装置的设计。
图1为本实用新型一实施例的立体结构示意图；[0019]图2为本实用新型一实施例的主视图；图3为本实用新型一实施例的左视图。图中主要附图标记含义为1、主连接板 2、并联平台固定架3、直流电机座4、小锥齿轮座 5、大锥齿轮座6、直流电机7、小锥齿轮联轴器 8、准双曲面小锥齿轮9、准双曲面大锥齿轮10、丝杠轴承座端盖 11、丝杠轴承座12、丝杠导向套13、滚珠丝杠 14、丝杠螺母15、丝杠电机座16、丝杠联轴器 17、丝杠直流电机18、穿刺针19、导向套U形定位环 20、导向套柱形定位环21、定位销环22、穿刺针导向套
具体实施方式
下面将结合附图，详细说明本实用新型的具体实施方式
图1为本实用新型一实施例的立体结构示意图；图2为本实用新型一实施例的主 视图；图3为本实用新型一实施例的左视图。如图1至图3所示双极坐标四自由度并联机器人，包括丝杠机构、穿刺针机构、 准双曲面传动机构、主连接板1、并联平台固定架2和支撑架(不在本实用新型中阐述)，其 中，主连接板1作为并联平台的静平台的一部分，是并联机器人的基础部件，并联平台固定 架2上的三爪结构通过三个螺钉与主连接板1刚性连接，并联平台固定架2末端的螺纹接 口与支撑架连接，即整个并联机器人固定在该支撑架上。丝杠机构为两组，分别对称设置于主连接板中心的两侧，并分别与准双曲面传动 机构连接，形成两个转动自由度，而穿刺针机构则同时设置在两组丝杠机构上，形成两个移
动自由度。而准双曲面传动机构则包括两组对称设置于主连接板两侧并与主连接板连接的 传动机构，而所述的每组传动机构都包括直流电机座3、小锥齿轮座4、大锥齿轮座5、直流 电机6、小锥齿轮联轴器7、准双曲面小锥齿轮8和准双曲面大锥齿轮9，其中，直流电机座 3、小锥齿轮座4和大锥齿轮座5分别通过紧固螺钉固定在主连接板1上，直流电机6固定 在直流电机座3上，其输出轴与小锥齿轮联轴器7 —端连接，小锥齿轮联轴器7的另一端与 准双曲面小锥齿轮9的转动轴连接，而准双曲面小锥齿轮8的转动轴通过小锥齿轮座4限 位并支撑，准双曲面大锥齿轮9的转动轴与准双曲面小锥齿轮8的转动轴垂直设置，且准双 曲面大锥齿轮9的转动轴通过大锥齿轮座5限位并支撑，而准双曲面大锥齿轮9与准双曲 面小锥齿轮8啮合。上述的丝杠机构也为两组，分为上丝杠机构和下丝杠机构，上丝杠机构和下丝杠 机构对称设置于主连接板1中心的两侧，并分别与准双曲面传动机构连接，其中，上丝杠机 构和下丝杠机构都包括丝杠轴承座端盖10、丝杠轴承座11、丝杠导向罩12、滚珠丝杠13、丝 杠螺母14、丝杠电机座15、丝杠联轴器16、丝杠直流电机17，其中，丝杠电机座15与上述的 准双曲面大锥齿轮9的转动轴过盈配合，整个上丝杠机构和下丝杠机构可以分别绕两个准 双曲面大锥齿轮9的主轴旋转，形成两个转动自由度，丝杠直流电机17通过螺钉连接在丝杠电机座15的侧面，其输出轴与丝杠联轴器16 —端锁固，丝杠联轴器16的另一端与穿过 丝杠电机座15上的轴承座的滚珠丝杠13的一端连接，滚珠丝杠13与丝杠电机座15的输 出轴同轴设置，且其另一端通过丝杠轴承座15限位并支撑，丝杠轴承座端盖10设置在丝杠 轴承座11的端部，而丝杠导向罩12则设置在丝杠轴承座11和丝杠电机座15之间，且套在 滚珠丝杠13的外部，并与滚珠丝杠13的轴同心设置，丝杠导向罩12在其侧面中部还开有 沿滚珠丝杠13轴线方向的导向槽，丝杠螺母14套在滚珠丝杠13上且限位在导向槽中。上述的穿刺针机构包括穿刺针18和两组结构相同的穿刺针固定机构，两组穿刺 针固定机构分别设置在两组丝杠机构上，其中，每组穿刺针固定机构都包括导向套U形定 位环19、导向套柱形定位环20、定位环销21和穿刺针导向套22，导向套U形定位环19与上 述的丝杠螺母14通过滑动轴承连接，且其为对称结构，其转动轴垂直于滚珠丝杠13的轴， 导向套柱形定位环20通过其两侧的定位环销21连接在导向套U形定位环19的开口端，导 向套柱形定位环20可以绕定位环销的轴线旋转，导向套柱形定位环20内部还同心设置有 穿刺针导向套22，穿刺针导向套22与导向套柱形定位环20同心，且穿刺针导向套22可以 随时从导向套柱形定位环20内取出，穿刺针导向套22的轴线、定位环销21的轴线和导向 套U形定位环19的轴线交于一点，形成球铰，而穿刺针18则穿设在两个穿刺针导向套22 内，S卩穿刺针18经由两个穿刺针导向套22的中间孔穿过。上述两组穿刺针固定机构唯一的不同之处在于，位于下丝杠机构上的固定穿刺针 18的穿刺针导向套的结构比位于上丝杠机构上的穿刺针导向套的结构沿穿刺针18方向的 长度缩短，但功能不变。本实用新型的工作原理为本实用新型所述的并联机器人具有4个自由度，其中2个为移动自由度，2个为转 到自由度。上丝杠机构整体在与其对应的直流电机的驱动下，可以绕准双曲面大锥齿轮的 主轴旋转，同样，下丝杠机构整体在与其对应的另外一个电机的驱动下，可以绕另外一个双 曲面大锥齿轮的主轴旋转，此2个旋转关节可以在士90°的范围内运动。两个丝杠螺母14 分别在两个丝杠直流电机17的驱动下，沿滚珠丝杠13做平移运动，分别可以带动两个穿刺 针导向套22 —起做平移运动。因此，上丝杠机构可以做平移和旋转运动，下丝杠机构也可 以做平移和旋转运动，形成上下两个极坐标。本实用新型的工作原理为手术前，对病人患病区域进行CT/MRI医学影像断层扫 描，通过图像处理提取标记点位置，建立图像坐标系，手术时，双目立体视觉系统跟踪视觉 定位模板，再经过数学工具建立机器人基础坐标系，双目立体视觉系统再跟踪病人体表的 标记点，建立体外标记点坐标系，这样经过一系列空间刚体变换过程，使医生在图像空间规 划的手术穿刺路径映射到机器人基础坐标空间来，通过机器人运动学反解，计算出各个关 节运动值，直流电机和丝杠直流电机驱动各个关节到指定位，当定位结束时，连接上丝杠机 构和下丝杠机构的穿刺针导向套22，即形成空间矢量，从而实现穿刺针18的空间位置和姿 态的定位。以上具体的实施例对本实用新型的实施方式进行了阐述，该阐述没有局限性，附 图中所示的也只是本实用新型的基本实施方式，实际的结构并不局限于此，所以，如果本领 域的技术人员或研究人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，采用其它类 似拓扑结构、其它类似传动结构，或者只是改变杆件尺寸，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本实用新型的保护范围
权利要求双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于包括丝杠机构、穿刺针机构、准双曲面传动机构、主连接板、并联平台固定架和支撑架，其中，并联平台固定架一端设置有三爪结构，其三爪结构通过紧固螺钉固定在主连接板上，并联平台固定架另一端还设置有螺纹接口，其通过螺纹接口与支撑架连接，而准双曲面传动机构包括两组对称设置于主连接板两侧并与主连接板连接的传动机构，丝杠机构也为两组，分别对称设置于主连接板中心的两侧，并分别与两组传动机构连接，形成两个转动自由度，而穿刺针机构则同时设置在两组丝杠机构上，形成两个移动自由度。
2.根据权利要求1所述的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于所述的传动机构 包括直流电机座、小锥齿轮座、大锥齿轮座、直流电机、小锥齿轮联轴器、准双曲面小锥齿轮 和准双曲面大锥齿轮，其中，直流电机座、小锥齿轮座和大锥齿轮座分别通过紧固螺钉固定 在主连接板上，直流电机固定在直流电机座上，其输出轴与联轴器一端连接，联轴器的另一 端与准双曲面小锥齿轮的转动轴连接，而准双曲面小锥齿轮的转动轴通过小锥齿轮座限位 并支撑，准双曲面大锥齿轮的转动轴与准双曲面小锥齿轮的转动轴垂直设置，且准双曲面 大锥齿轮的转动轴通过大锥齿轮座限位并支撑，而准双曲面大锥齿轮与准双曲面小锥齿轮 啮合。
3.根据权利要求1所述的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于所述的丝杠机构 包括丝杠轴承座端盖、丝杠轴承座、丝杠导向罩、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠电机座、丝杠联 轴器、丝杠直流电机，其中，丝杠电机座与上述的准双曲面大锥齿轮的转动轴过盈配合，丝 杠直流电机通过螺钉连接在丝杠电机座的侧面，其输出轴与丝杠联轴器一端锁固，丝杠联 轴器的另一端与穿过丝杠电机座上的轴承座的滚珠丝杠的一端连接，滚珠丝杠与丝杠电机 座的输出轴同轴设置，且其另一端通过丝杠轴承座限位并支撑，丝杠轴承座端盖设置在丝 杠轴承座的端部，而丝杠导向罩则设置在丝杠轴承座和丝杠电机座之间，且套在滚珠丝杠 的外部，并与滚珠丝杠的轴同心设置，丝杠导向罩在其侧面中部还开有沿滚珠丝杠轴线方 向的导向槽，丝杠螺母套在滚珠丝杠上且限位在导向槽中。
4.根据权利要求1所述的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于所述的穿刺针机 构包括穿刺针和两组结构相同的穿刺针固定机构，两组穿刺针固定机构分别设置在两组丝 杠机构上，其中，每组穿刺针固定机构包括导向套U形定位环、导向套柱形定位环、定位环 销和穿刺针导向套，导向套U形定位环与上述的丝杠螺母通过滑动轴承连接，且其为对称 结构，其转动轴垂直于滚珠丝杠的轴，导向套柱形定位环通过其两侧的定位环销连接在导 向套U形定位环的开口端，其内部还同心设置有穿刺针导向套，而穿刺针则穿设在两个穿 刺针导向套内。
5.根据权利要求1所述的双极坐标四自由度并联机器人，其特征在于所述的穿刺针导 向套的轴线、定位环销的轴线和导向套U形定位环的轴线交于一点，形成球铰。
专利摘要本实用新型涉及一种双极坐标四自由度并联机器人，包括丝杠机构、穿刺针机构、准双曲面传动机构、主连接板等，并联平台固定架一端为三爪结构，通过三爪结构固定在主连接板上，并联平台固定架另一端为螺纹接口，其通过螺纹接口与支撑架连接，准双曲面传动机构包括两组对称设置于主连接板两侧并与主连接板连接的传动机构，丝杠机构为两组，对称设置于主连接板中心的两侧，并分别与两组传动机构连接，形成两个转动自由度，穿刺针机构设置在丝杠机构上，形成两个移动自由度。本实用新型结构简单、机器人运动学解算方便、工作空间大、灵活性高、轻便稳固、定位精度高、结构紧凑，可用于微创外科手术并联机器人机构或其它数字化医疗装置的设计。
文档编号B25J9/08GK201743778SQ201020512880
公开日2011年2月16日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者唐粲, 张建伟, 李超, 王峰, 程胜 申请人:昆山市工业技术研究院有限责任公司