专利名称：五自由度空间定位机器人机构的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种应用于医疗外科手术的辅助定位机器人机构，具体地说是指五自由度空间定位机器人机构。
背景技术：
近年来，将先进机器人技术应用于医疗外科领域已受到世界发达国家的高度重视。机器人技术在医疗外科领域的应用不仅对手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面带来一系列的技术变革。因此，国内外应用于医疗领域的机器人类型和数量均增加较快，新一代机器人化的高技术医疗设备研究与开发，对临床或家庭护理及康复方面都有十分重要的意义。
机器人按驱动形式分，可分为主动型和被动型。中国天津华志计算机应用有限公司生产的被动型“CAS-R-2型无框架脑立体定向仪”，也已成功应用于临床手术，取得了巨大的成功。主动型机器人依靠驱动系统进行运动。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种五自由度空间定位机器人机构，它解决了无框架立体定向仪的不足，结构简单，容易操作，有较大的工作空间和负载能力；精度高、创伤小、能够减轻患者痛苦和降低医生手术疲劳。
本实用新型的技术方案是一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于它由升降臂、移动臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过平移机座与移动臂连接，移动臂与小臂之间，小臂与腕部之间，腕部与针架之间用转动轴连接，各部分在电机驱动下，能够产生相对运动，所述的机器人机构驱动和控制系统由步进电机、驱动器、PLC、计算机组成。
所述的机器人机构的运动学结构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节，在预工作位置状态，I关节运动方向垂直于水平面；II关节运动方向平行于水平面；III、IV关节的轴线与I关节运动方向平行；V关节轴线与Ⅳ关节轴线垂直；负载轴线与V关节轴线垂直；I关节、II关节移动距离为300mm，III、IV、V关节转动角度为正负90度。
所述的机器人机构，其升降臂由升降导轨滑块、滑座、高精度轴承、上支撑板、被动齿轮、下支撑板、主动齿轮、升降驱动电机、滚珠丝杠螺母、高精度轴承、制动器、机架组成，升降驱动电机安装在上支撑板上，与固装在上支撑板和下支撑板之间的主动齿轮固连，主动齿轮与被动齿轮啮合，被动齿轮与滚珠丝杠螺母连接，升降导轨滑块中的导轨安装在升降板上，升降导轨滑块中的滑块安装在机架上，滚珠丝杠螺母中的螺母与滑座连接，安装在丝杠两端的高精度轴承保证其旋转的精度，机架与底座固连，机器人整体固定在底座上，在升降板的两端处分别安装有一个限位开关，制动器安装在滚珠丝杠螺母的上部。
所述的机器人机构，其移动臂驱动电机安装在与移动臂体用螺栓相连的后丝杠支架上，通过弹性连轴器带动滚珠丝杠螺母中的丝杠转动，移动滚珠丝杠螺母中的螺母固定在平移支架上，同时，移动导轨中的滑块也固定在平移支架上，安装有高精度轴承的前、后丝杠支架对滚珠丝杠螺母起支撑作用，并在前、后丝杠支架上安装两个限位开关。
所述的机器人机构，其小臂驱动电机安装在连接件内，与谐波减速器和转动轴依次连接，高精度轴承安装在连接件中，通过锁紧螺母来调节轴承与转动轴之间的间隙，通过圆柱销与小臂的刚性连接，在连接件上装有光电开关，限定小臂有效转角。
所述的机器人机构，其电机支架固定在手腕支架上，电机支架内安装有转动驱动电机，转动驱动电机与谐波减速器固连、转动轴依次固连，转动轴与旋转壳体通过螺钉相连，通过两个安装在转动轴与手腕支架上的高精度轴承的作用来保证其旋转的精度，上盖与旋转壳体螺钉相连，调节上盖台阶尺寸，保证轴承间隙，在手腕支架上安装有光电开关，限定有效的旋转角度。
所述的机器人机构，在手腕支架内固定驱动电机，驱动电机与谐波减速器和转动轴依次连接，高精度轴承安装在转动轴与固定座之间，来保证其旋转的精度，转动轴与针架通过螺钉相连，在手腕支架上安装有光电开关，限定针架有效转角。
本实用新型的主要特点是能够按照医生规划的路径自主实现高精度绝对定位，使医疗器械准确定位，并在手术中起操作平台作用；具有较大的工作空间和一定的负载能力；能够减轻医生的工作强度，减少操作误差，对患者造成的创伤小、减少患者痛苦等。
图一是本实用新型结构示意图。
图二本实用新型是运动学结构示意图。
图三是本实用新型升降臂结构示意图。
图四是本实用新型平移臂、小臂转动结构示意图。
图五是本实用新型手腕部结构示意图。
具体实施方式
参见图一至图五所示，本实用新型由升降臂1、移动臂2、小臂3、腕部4和针架5五大部分构成，升降臂1通过平移机座20与移动臂2连接，移动臂2与小臂3之间，小臂3与腕部4之间、腕部4与针架5之间用转动轴连接，各部分在电机驱动下，能够产生相对运动，工作端按照规划的路径自主实现高精度绝对定位，具有较大的工作空间和一定的负载能力，所述的机器人机构驱动和控制系统由步进电机、驱动器、PLC、计算机组成。
图二所示，所述的机器人机构的运动学结构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节，在预工作位置状态，I关节运动方向垂直于水平面；II关节运动方向平行于水平面；III、IV关节的轴线与I关节运动方向平行；V关节轴线与IV关节轴线垂直；负载轴线与V关节轴线垂直；I关节、II关节移动距离为300mm，III、IV、V关节转动角度为正负90度。
图三所示，升降臂1由升降导轨滑块8、滑座9、高精度轴承10、上支撑板11、被动齿轮12、下支撑板13、主动齿轮14、升降驱动电机15、滚珠丝杠螺母16(具体型号为2005-FL-A-P7)、高精度轴承17、制动器18、机架19组成，升降导轨滑块8选用韩国太敬公司产品，具体型号为SBG20SLL-ZZ-2-K2-650-N，升降驱动电机15的型号为86BYG250A-SAFRBC-0202，它安装在上支撑板11上，与固装在上支撑板和下支撑板13之间的主动齿轮14固连，主动齿轮14与被动齿轮12啮合，被动齿轮12与滚珠丝杠螺母16连接，升降驱动电机15带动主动齿轮14运动，主动齿轮14又带动被动齿轮12及滚珠丝杠螺母16运动，升降导轨滑块8中的导轨安装在升降板7上，升降导轨滑块8中的滑块安装在机架19上，滚珠丝杠螺母16中的螺母与滑座9通过螺栓连接，当丝杠转动带动螺母上下运动时，与滑座9用螺栓连接的升降板7上下运动，安装在丝杠两端的高精度轴承10、17保证其旋转的精度，要求机架19具有较高的平面度和刚度，机架与底座固连，机器人整体固定在底座6上，在升降板7的两端处分别安装有一个限位开关，两个限位开关之间的距离为升降臂的有效行程，制动器18安装在滚珠丝杠螺母16的上部，以防止自重的原因而下降。
图四所示，移动臂体24是由铝合金制成的箱体，移动臂驱动电机21，型号为56BYG250D-SASSBL-0241，安装在与移动臂体24用螺栓相连的后丝杠支架48上，通过弹性连轴器22带动滚珠丝杠螺母26(型号为1605-FL-A-P7)中的丝杠转动，由于滚珠丝杠螺母26中的螺母是固定在平移支架25上，同时，移动导轨50(型号为1605-FL-A-P7)中的滑块也是固定在平移支架25上，平移支架25相对位置不动，因此丝杠带动移动臂体24前后移动，安装有高精度轴承28与23的前、后丝杠支架27、48对滚珠丝杠螺母26起支撑作用，并在前、后丝杠支架上安装两个限位开关，两个限位开关之间的距离为升降臂的有效行程。
小臂3的转动实现过程是；安装在连接件30中的小臂驱动电机29(型号为56BYG250B-SASSBL-0241)，与谐波减速器39和转动轴40依次连接，小臂驱动电机29带动谐波减速器31(型号为XB3-32)运动，并把运动传给转动轴32，高精度轴承33安装在连接件30中，通过锁紧螺母34来调节高精度轴承33与转动轴32之间的间隙，通过圆柱销35与小臂3的刚性连接，在连接件30上装有光电开关49，限定小臂有效转角。
图五所示，小臂主体3与腕部4的主要零件均由铝合金材料制成，电机支架37固定在手腕支架36上，电机支架内安装有转动驱动电机38，转动驱动电机与谐波减速器39固连，转动轴40依次与谐波减速器39和转动驱动电机38固连，当固定在手腕支架36上电机支架37内的转动驱动电机38(型号为42BYG250A-SASSML-0151)转动时，经过谐波减速器39(型号为XB3-25)带动转动轴40旋转，转动轴40与旋转壳体51通过螺钉相连，实现了其在垂直于水平面轴的旋转，通过两个安装在转动轴40与手腕支架36上的高精度轴承46的作用来保证其旋转的精度，上盖45与旋转壳体51螺钉相连，调节上盖45台阶尺寸保证轴承间隙，在手腕支架36上安装有光电开关52，限定有效的旋转角度。
在手腕支架36内固定驱动电机47，驱动电机与谐波减速器和转动轴42依次连接，通过谐波减速器43(型号为XB3-25)带动转动轴42旋转，高精度轴承41安装在转动轴42与固定座54之间，来保证其旋转的精度，转动轴42与针架44通过螺钉相连，从而实现针架44的旋转，在手腕支架36上安装有光电开关53，限定针架44有效转角。
本机器人采用两个移动关节、三个转动关节，移动关节调整方便，转动关节轴线方向刚度高，腕关节设了两个轴线垂直相交的旋转自由度，能够保证机器人末端灵活性；结构简单，容易操作，有较大的工作空间和负载能力；精度高、创伤小、减少操作误差，能够减轻患者痛苦和降低医生手术疲劳；并在手术中起定位架作用。
权利要求1.一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于它由升降臂、移动臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过平移机座与移动臂连接，移动臂与小臂之间，小臂与腕部之间，腕部与针架之间用转动轴连接，各部分在电机驱动下，能够产生相对运动，所述的机器人机构驱动和控制系统由步进电机、驱动器、PLC、计算机组成。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于其运动学结构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节，在预工作位置状态，I关节运动方向垂直于水平面；II关节运动方向平行于水平面；III、IV关节的轴线与I关节运动方向平行；V关节轴线与IV关节轴线垂直；负载轴线与V关节轴线垂直；I关节、II关节移动距离为300mm，III、IV、V关节转动角度为正负90度。
3.根据权利要求1或2所述的一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于其升降臂由升降导轨滑块、滑座、高精度轴承、上支撑板、被动齿轮、下支撑板、主动齿轮、升降驱动电机、滚珠丝杠螺母、高精度轴承、制动器、机架组成，升降驱动电机安装在上支撑板上，与固装在上支撑板和下支撑板之间的主动齿轮固连，主动齿轮与被动齿轮啮合，被动齿轮与滚珠丝杠螺母连接，升降导轨滑块中的导轨安装在升降板上，升降导轨滑块中的滑块安装在机架上，滚珠丝杠螺母中的螺母与滑座连接，安装在丝杠两端的高精度轴承保证其旋转的精度，机架与底座固连，机器人整体固定在底座上，在升降板的两端处分别安装有一个限位开关，制动器安装在滚珠丝杠螺母的上部。
4.根据权利要求1或2所述的一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于其移动臂驱动电机安装在与移动臂体连接的后丝杠支架上，通过弹性连轴器与滚珠丝杠螺母连接，滚珠丝杠螺母中的螺母固定在平移支架上，移动导轨中的滑块也固定在平移支架上，前、后丝杠支架安装有高精度轴承，并在前、后丝杠支架上安装两个限位开关。
5.根据权利要求1或2所述的一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于其小臂驱动电机安装在连接件内，与谐波减速器和转动轴依次连接，高精度轴承安装在连接件中，通过锁紧螺母来调节高精度轴承与转动轴之间的间隙，通过圆柱销与小臂的刚性连接，在连接件上装有光电开关，限定小臂有效转角。
6.据权利要求1或2所述的一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于其电机支架固定在手腕支架上，电机支架内安装有转动驱动电机，转动驱动电机与谐波减速器、转动轴依次固连，转动轴与旋转壳体固连，高精度轴承安装在转动轴与手腕支架上，上盖与旋转壳体固连，在手腕支架上安装有光电开关，限定有效的旋转角度。
7.根据权利要求1或2所述的一种五自由度空间定位机器人机构，其特征在于在手腕支架内固定驱动电机，驱动电机与谐波减速器和转动轴依次连接，高精度轴承安装在转动轴与固定座之间，转动轴与针架固连，在手腕支架上安装有光电开关，限定针架有效转角。
专利摘要一种五自由度空间定位机器人机构，是应用于医疗外科手术的辅助定位机构，由升降臂、移动臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过平移机座与移动臂连接，移动臂与小臂之间，小臂与腕部之间，腕部与针架之间用转动轴连接，各部分在电机驱动下，能够产生相对运动，所述的机器人机构驱动和控制系统由步进电机、驱动器、PLC、计算机组成。本机器人机构能够医生规划的路径自主实现高精度绝对定位，具有较大的工作空间和一定的负载能力；能够减轻医生的工作强度，减少操作误差；对患者造成的创伤小、减少患者痛苦。
文档编号B25J9/10GK2796972SQ20052002552
公开日2006年7月19日 申请日期2005年4月4日 优先权日2005年4月4日
发明者关伟, 王田苗, 田增民, 陈国良 申请人:天津市华志计算机应用有限公司