[实用新型]混联五自由度微创外科手术机械臂

说明书

技术领域

本实用新型涉及机器人，特别涉及一种能模仿医生手臂运动，辅助医生完成高难度微创外科手术的混联五自由度微创外科手术机械臂。

背景技术

随着微创外科手术的发展与普及，上世纪九十年代开始出现了用于辅助医生进行手术的手术机器人，这些手术机器人被应用于一些医生无法徒手完成的高精度、高难度微创手术中。

在手术机器人结构方面，目前主流的机械臂多以串联机构为主。虽然串联机构有构型简单、控制可靠等诸多优势，但是面对到微创外科手术的特殊场合有很多缺陷。首先，机械臂需要为手术器械提供多个自由度并要求在狭小的腹腔空间内有足够的灵活度，而串联机械臂必须设计成拥有多个运动副关节以满足多自由度要求，同时还必须考虑微创切口的约束从而需要合理规划运动关节；其次，在手术过程中器械一般需要做6个自由度的空间运动，串联机构操作器在做多自由度空间运动时运动惯量大，运动各向同性度差，这种机构运动缺陷造成了机械臂末端操作器执行精度的下降；第三，串联机构承载能力较差，搭载动力器械时会产生抖动等问题，限制了复杂多样化的手术器械进入人体，从而阻碍了机器人自动化手术的进一步发展。串联机械臂只能通过提高电机性能、优化结构等方法来克服以上缺点，增加了制造与装配成本。

为了克服串联机构的诸多缺点，本实用新型专利提出了由两个并联机构组成的混联机械臂，与现有串联机械臂相比，混联机械臂具有以下优点：所述机械臂在有约束情况下具有更大的灵活度，且运动各向同性度好；机械臂动平台运动惯量小，机械精度更高，能够降低对电机与控制精度的要求；结构刚度大，承载能力高，工作动平台能够承载复杂的手术器械等诸多优点，使其更加适应于微创手术的特殊环境。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是为了解决上述问题，提供一种混联五自由度微创外科手术机械臂。

为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种混联五自由度微创外科手术机械臂，包括主定平台、主动平台、翻转定平台和工作动平台；主定平台和主动平台之间通过三条结构相同的第一运动支链连接构成第一闭环三自由度并联机构，翻转定平台和工作动平台之间通过三条结构相同的第二运动支链连接构成第二闭环三自由度并联机构；并且工作动平台嵌装在主动平台的中心孔内，第二闭环三自由度并联机构被第一闭环三自由度并联机构围合在内；主动平台与翻转静平台之间通过三根立柱固定相连，将两个闭环三自由度并联机构串联成混联五自由度微创外科手术机械臂。

所述三条结构相同的第一运动支链均匀间隔周向分布，各第一运动支链分别包括第一驱动电机、主动臂、第一万向连杆、被动臂、第二万向连杆和固定连接块；第一驱动电机安装在主定平台上，主动臂与第一驱动电机传动相连，第一万向连杆连接在主动臂的前端，固定连接块安装在主动平台上，第二万向连杆连接在固定连接块上，被动臂共两条分别连接在第一万向连杆和第二万向连杆之间。

所述三条结构相同的第二运动支链呈正三角形分布，各第二运动支链分别包括第二驱动电机、直线驱动杆、杆端关节轴承和移动滑块，第二驱动电机安装在翻转定平台上，直线驱动杆与第二驱动电机传动相连，杆端关节轴承设置在直线驱动杆下端，移动滑块连接在杆端关节轴承的前端并嵌装在工作动平台的滑槽内。

所述第一驱动电机为旋转直流伺服电机或步进电机，三台电机呈正三角形分布。

所述第二驱动电机为直线步进电机，三台直线步进电机呈正三角形分布。

所述工作动平台的滑槽沿工作动平台的直径线延伸并向外贯通，三条滑槽的轴线相交于工作动平台的中心。

本实用新型设有六台驱动电机，可为手术器械提供五个自由度，包括三个空间移动自由度，以及除器械绕自身轴旋转以外的两个转动自由度，且拥有一个冗余移动自由度。