一种中心点位置可调的远程运动中心机构

本发明属于空间并联机器人，具体涉及一种rcm点位置可调的三自由度空间多环远程运动中心机构。

背景技术：

1、2000年以来，学者在研究微创手术机器人系统时，首次提出了远程运动中心(remote center-of-motion，rcm)机构的概念，该类机构能够实现末端执行器绕空间内某个位于机构远端的固定点做连续转动运动。得益于这一运动特性，rcm机构已广泛应用于外科微创手术机器人系统，以约束手术工具通过小切口进行复杂手术，从而减少患者的损伤和手术的难度。此外，在模拟人体关节运动中心的外骨骼机器人、康复机器人中，以及传递力/力矩的触觉装备中，rcm机构也发挥了重要作用。

2、目前，实现远中心运动主要有7种结构实现形式：通过控制算法实现远心运动、弧型导轨机构、平行四边形连杆机构、同步带机构、球面连杆机构、万向节机构、并联式腕关节机构、行星轮系。其中，平面平行四边形连杆机构以及并联式腕关节机构由于结构简单、性能优异、便于加工制造等优点是现阶段主要采用的方案。然而平面平行四边形连杆机构及其衍生机构不能实现空间远心运动(如cn 113116404a、cn 112716606a、cn 114504427a、cn111544119a)，需要再串联额外的转动模块；而并联式腕关节机构尽管负载能力大，精度高，但运动空间受限(如cn 114288027a、cn 115476339 a、cn 108972507 a)，对于微创手术等部分应用场景，并联式的结构布置也较为不便。此外，针对特定场景rcm点可变的需求，现有机构较少，其中，专利cn 112451102 a与cn 112754662 b均通过额外的调整结构来改变固定rcm点的位置，结构冗余，增加了加工制造与整体控制难度。与此同时，上述rcm机构各部件均为转动副或运动的移动副驱动，整体运动质量较大，降低了机构的刚性。因此，提出一种结合平面rcm机构与空间rcm机构优点，固定线性驱动，且能够通过机构自身的连续自由度改变rcm点位置的空间多环机构具有广泛的应用前景。

技术实现思路

1、一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于所述固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构包括固定基座(1)，第一支链(2)，第二支链(3)，第三支链(4)，中间平台一(5)，中间平台二(6)，第四支链(7)，末端执行器(8)。

2、所述第一支链(2)包括移动副、万向副、转动副、转动副以及公共连杆；移动副的导轨固定于固定基座(1)；公共连杆的起始端点(a)与移动副通过万向副万向连接，中间节点(b)与中间平台一(5)通过转动副旋转连接，末端端点(c)与中间平台二(6)通过转动副旋转连接；第一万向副的第二转动轴线与两个转动副的轴线平行。

3、所述第二支链(3)包括移动副、万向副、万向副以及连杆；移动副的导轨固定于固定基座(1)；连杆的起始端点(d)与移动副通过万向副万向连接，末端端点(e)与中间平台一(5)通过万向副万向连接；第二万向副的第一转动轴线与第三万向副的第二转动轴线平行；第二万向副的第二转动轴线与第三万向副的第一转动轴线平行。

4、所述第三支链(4)包括移动副、万向副、万向副以及连杆；移动副的导轨固定于固定基座(1)；连杆的起始端点(f)与移动副通过万向副万向连接，末端端点(g)与中间平台一(5)通过万向副万向连接；第四万向副的第一转动轴线与第五万向副的第二转动轴线平行；第四万向副的第二转动轴线与第五万向副的第一转动轴线平行。

5、所述第四支链(7)包括转动副、转动副以及连杆；连杆的起始端点(h)与中间平台一(5)通过转动副转动连接，末端端点(i)与中间平台二(6)通过转动副转动连接；两转动副的转动轴线相互平行；所述末端执行器(8)固定于第四支链(7)，其轴线与第四支链的轴线共轴。

6、所述中间平台一(5)与中间平台二(6)通过四个转动副连接，构成一个平行四边形机构。

7、根据本发明的一种实施方式，例如，所述固定基座(1)包括三个移动副导轨，导轨轴线相互平行且垂直于固定基座。

8、根据本发明的一种实施方式，例如，第二支链(3)、第三支链(4)在初始状态下相对于第一支链(2)对称分布；

9、根据本发明的一种实施方式，例如，所述第二支链(3)、第三支链(4)具有完全相同的结构，所述第一支链(2)中的万向副结构与第二支链(3)、第三支链(4)中的万向副相同。

10、根据本发明的一种实施方式，例如，所述中间平台一(5)与中间平台二(6)通过四个转动副连接，构成一个平行四边形机构。

11、根据本发明的一种实施方式，例如，所述中间平台一(5)与中间平台二(6)的长度尺寸相同。

12、根据本发明的一种实施方式，例如，第一、二、三支链中的移动副为驱动副；输入驱动通过滚珠丝杠机构实现；第四支链的轴线与第一支链中第一万向副的第一转动轴线的交点即为机构的rcm点，当第一支链中第一万向副随第一移动副的移动改变位置时，rcm点的位置也随之发生变化。

技术特征：

1.一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于所述固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构包括固定基座(1)、第一支链(2)、第二支链(3)、第三支链(4)、中间平台一(5)、中间平台二(6)、第四支链(7)和末端执行器(8)；

2.根据权利要求1所述的一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于，所述固定基座(1)包括三个移动副导轨，导轨轴线相互平行且垂直于固定基座。

3.根据权利要求1所述的一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于，第二支链(3)、第三支链(4)在初始状态下相对于第一支链(2)对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于，所述第二支链(3)、第三支链(4)具有完全相同的结构，所述第一支链(2)中的万向副结构与第二支链(3)、第三支链(4)中的万向副相同。

5.根据权利要求1所述的一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于，所述中间平台一(5)与中间平台二(6)通过四个转动副连接，构成一个平行四边形机构。

6.根据权利要求5所述的一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于，所述中间平台一(5)与中间平台二(6)的长度尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的一种固定线性驱动且rcm点可变的空间远心机构，其特征在于，第一、二、三支链中的移动副为驱动副；输入驱动通过滚珠丝杠机构实现；第四支链的轴线与第一支链中第一万向副的第一转动轴线的交点即为机构的rcm点，当第一支链中第一万向副随第一移动副的移动改变位置时，rcm点的位置也随之发生变化。

技术总结
本发明公开了一种中心点位置可调的远程运动中心机构，包括：固定基座，末端执行器，连接固定基座与末端执行器的三个移动副、四个万向副、四个转动副、四根连杆以及两个中间平台。固定基座用于支撑所有其余构件；移动副为驱动副，其导轨相互平行并固定于固定基座；中间平台一通过三个移动副、四个万向副、一个转动副以及三根连杆与固定基座相连接；中间平台二通过四个转动副、两根连杆与中间平台一相连接，其中一个转动副为公共副，一根连杆为公共连杆；末端执行器与中间平台二的非公共连杆共轴。当驱动移动副时，机构始终绕RCM点做空间两自由度转动，RCM点的位置随公共连杆所在移动副的移动而改变，符合不同人群的腕关节康复需求。

技术研发人员：居勇健,刘婧芳,高瑞彤
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29