[发明专利]一种同轴移动回转四自由度并联机器人

说明书

本发明提出了一种同轴移动回转四自由度并联机器人，用于解决现有脊柱微创手术机器人结构复杂和使用精度低的技术问题；包括定平台、动平台、三个支链和四个电机；其中第一至第三电机安装在定平台上；第一、第二支链的输出端活动连接，其输入端分别与电机相连，第三电机的转子上固接有转台，作为第三支链的第一输入端，第三支链的第三近定平台杆的一端作为第三支链的第二输入端与固接在转台上的第四电机相连，动平台的一端与第三支链的输出端由万向节活动连接，另一端通过球铰与第一、第二支链的输出端中点活动连接，形成并联闭环机构。本发明能够实现对两轴的同轴回转移动四自由度，结构简单，使用精度高，可用于医疗系统中的脊柱微创手术。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可以实现对同轴的移动和转动的四自由度并联机器人机构，可用于医疗系统中的脊柱微创手术。

背景技术

并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。基于并联机构的并联机器人相较于传统的串联机器人有以下特点：结构紧凑，刚度高；无累计误差，精度较高；工作空间较小；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，减轻运动部分质量，可实现较高速度的运动。

在脊柱微创手术中，所涉及的术种包括椎弓根螺钉内固定术、经皮椎体成形术、经皮椎板减压术等，传统的人工进行微创手术方法要求外科医生有超高的手术水平，同时借助机器成像辅助的手术方式使得手术人员的手眼协调被打断，误操作或颤抖造成的手术偏差难于避免，且手术过程中医生和患者需要受到大量X 射线的辐射，因此脊柱微创手术机器人的研究和应用成为了迫切需要解决的问题，目前应用于脊柱微创手术的医疗机器人构型多为串联结构，但误差积累、刚度性能差、体积庞大等难以克服的缺点，降低了手术的安全性。

并联机器人在高精度、高刚度或者大载荷且不需要较大工作间的领域内的优势，可以很好的解决和弥补基于串联结构的脊柱微创手术机器人所存在的问题和缺点。

脊柱微创手术过程要求机构具有定位和定姿的要求，至少需求四个自由度，且应为对同轴的移动和转动自由度。

并联机构的分类方法有很多，从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构，最常用的分类方式是按并联机构的自由度数分类，可分为2自由度并联机构、3自由度并联机构、4自由度并联机构、5自由度并联机构、6自由度并联机构，其中以3自由度和6自由度并联机构研究最多也最成熟。

关于4自由度并联机构研究相对较少，完全并联型的4自由度并联机构有 4-RPUR型，其具有3个回转自由度和1个移动自由度，无法实现脊柱微创手术机器人需求的位置和姿态要求，还有一大类四自由度并联型机器人可实现两回转两移动自由度，但其只能实现对一个轴的同轴回转和移动，另外的移动和回转自由度是分别对于其他两个轴的，也无法满足目前脊柱微创手术机器人需求的位置和姿态，国内涉及对同轴移动和转动4自由并联机构较少，如申请公开号CN 104972456A，名称为“一种可实现平面二维定位和空间二维定向的双平面并联机构”的中国专利申请，公开了一种可实现平面二维定位和空间二维定向的双平面并联机构。机构由上平面驱动机构、下平面驱动机构和末端器械组成，两平面机构分别通过U副与末端器械铰接，且上平面U副可沿器械轴线滑动；每一平面驱动机构均由四根杆通过连接轴或固定轴依次连接而成。其较好的解决了传统串联型脊柱微创手术体积庞大、操作难度大导致的精度低的问题。但是这种机构存在不足之处：末端器械与上下平面的驱动机构之间的连接结构复杂不利于实现；上平面U副沿末端器械轴线有滑动，长时间的使用后摩擦损耗会使使用精度下降；机构在运动控制时存在较大的耦合现象，不利于控制的实现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种同轴移动回转四自由度并联机器人，用于克服现有脊柱微创手术机器人存在的结构复杂和使用精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：