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CN1417004A - 五坐标空间定位机器人机构 - Google Patents

五坐标空间定位机器人机构 Download PDF

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CN1417004A
CN1417004A CN 02153286 CN02153286A CN1417004A CN 1417004 A CN1417004 A CN 1417004A CN 02153286 CN02153286 CN 02153286 CN 02153286 A CN02153286 A CN 02153286A CN 1417004 A CN1417004 A CN 1417004A
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CN
China
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forearm
big arm
wrist
motor
drive motors
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CN 02153286
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English (en)
Inventor
张玉茹
王田苗
田增民
郭卫东
钱锡康
刘博�
刘达
王党校
李伟
张寿红
王利红
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Beihang University
Original Assignee
Beihang University
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Abstract

本发明涉及一种五坐标空间定位机器人机构，属于医疗外科手术的辅助定位机械。机器人机构由升降臂、大臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过导轨滑台与大臂连接，大臂与小臂之间、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，机器人驱动和控制系统由交流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机组成。本发明能够按照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，减小操作误差；对患者造成的创伤小、减少患者痛苦；该机器人机构也适用于网络遥控操作。

Description

五坐标空间定位机器人机构
                        技术领域
本发明涉及一种应用于医疗外科手术的辅助定位机器人机构，具体地说是指五坐标空间定位机器人。
                       背景技术
近年来，国内外应用于医疗领域的机器人类型和数量均增加较快，这些机器人按照驱动方式可分为：被动型和主动型。被动型机器人自身不具有驱动系统，一般依靠人力驱动，如中国天津华志计算机应用有限公司生产的CAS-R-2型无框架立体定向仪；主动型机器人自身具有驱动系统，一般依靠电机或液压缸等驱动，如美国computer motion公司开发的“伊索3000”医疗外科机器人。
在立体定向脑外科手术中，传统方式是用固定于患者头颅的框架对病灶点进行定位。其缺陷是创伤大、精度不高、患者痛苦、医生疲劳。
中国北京航空航天大学机器人研究所1999年研制出CRAS-BH1被动型立体定向脑外科手术机器人，已成功应用于四百余例临床手术。2000年又研制出CRAS-BH4主动型立体定向脑外科手术机器人，也已成功应用于临床手术。
                       发明内容
本发明的目的是：设计主动型高精度的机器人，取代传统框架定位方式，用于定位和支撑手术器械，辅助医生进行立体定向脑外科手术，并提供远程手术功能。
本发明是一种五坐标空间定位机器人机构，其机器人机构由升降臂、大臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过导轨滑台与大臂连接，大臂与小臂之间、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。所述的机器人驱动和控制系统由交流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机及控制软件组成。
所述的机器人，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、III关节的轴线与I关节运动方向平行；IV关节轴线与II、III关节轴线垂直；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。
所述的机器人，其升降臂由直线运动单元、驱动电机、支撑架、底座和电源箱组成，驱动电机安装于直线运动单元的顶端，直线运动单元安装在支撑架上，底座与支撑架固连，机器人整体以底座安装固定，电源箱安装于底座之上。直线运动单元上的滑台是直线运动单元的运动件，与叉架固连，在靠近直线运动单元两端处，分别安装有一个限位开关，安装块将直线运动单元固定到支撑架上。
所述的机器人，其大臂驱动电机安装在叉架上，连接轴上端分别与大臂驱动轴和大臂体固连，大臂驱动轴上轴端和连接轴下端各以滚动轴承、滚动轴承安装于叉架上，大臂驱动轴上轴端通过连轴器与电机轴固连，大臂体与叉架之间，安装有限位开关，螺母挡圈以内螺纹与大臂驱动轴固连，并支撑滚动轴承，活块与叉架固连。
所述的机器人，其小臂驱动电机安装在电机安装架上，电机安装架为杯形件，杯形件外缘安装在大臂体上，电机罩罩于小臂驱动电机外，并安装在大臂体上，连接件以螺钉连接方式使小臂驱动轴与小臂固连，小臂驱动轴上轴端以滚动轴承安装于大臂体上，外伸上端通过连轴器与驱动电机的轴固连，小臂驱动轴下部开有盲孔，用于引出小臂中的电缆，套筒上缘以滚动轴承与大臂体形成滚动连接，下缘台阶通过滚动轴承与大臂体形成滚动连接，在大臂体与小臂体之间，安装有限位开关，挡圈螺母以内螺纹与小臂驱动轴固连，并支撑滚动轴承。
所述的机器人，其腕部驱动电机安装在电机架上，并一同安装在小臂体内，连接件的一端与腕部固连，另一端通过连轴器与电机的轴连接，小臂体与腕部之间，安装有限位开关。
所述的机器人，其针架驱动电机安装在电机架上，连同电机罩一同安装在腕部，套筒的上缘通过滚动轴承与腕体形成滚动连接，下缘台阶通过滚动轴承与腕体形成滚动连接，连接轴上端通过连轴器与针架驱动电机的轴连接，连接轴下端分别与套筒和针架固连，腕部与针架之间，安装有限位开关，挡圈螺母以螺纹与套筒固连并支撑滚动轴承。
所述的机器人，其针架具有两个紧固夹，用于安装并固定手术针。
本发明的优点是：结构设计简单，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。该机器人机构也适用于网络遥控操作。
五坐标空间定位机器人主要功能是辅助医生对医疗器械准确定位，并在手术中起定位架作用。能够按照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，减小操作误差，对患者造成的创伤小、减少患者痛苦等。
                       附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的运动学结构示意图。
图3是本发明的升降臂结构示意图。
图4是本发明的大臂结构示意图。
图5是本发明的大臂结构A-A剖视图。
图6是本发明的小臂和腕部结构示意图。
图7是本发明的小臂和腕部结构B-B剖视图。
图8是本发明的小臂和腕部结构C-C剖视图。
在图中：1.升降臂    2.大臂    3.小臂    4.腕部    5.针架6.直线运动单元    7.升降臂驱动电机    8.支撑架    9.底座10.电源箱    11.导轨滑台    12.叉架    13.安装块    14.电缆15.大臂驱动电机    16.大臂驱动轴    17.活块    18.连轴器19.滚动轴承    20.限位开关    21.连接轴    22.滚动轴承23.螺母挡圈    24.小臂驱动电机    25.电机安装架    26.小臂驱动轴27.电机罩    28.腕部驱动电机  29.电机架    30.连接轴31.连接件    32.电机罩    33.针架驱动电机    34.电机架35.滚动轴承    36.连轴器    37.套筒    38.滚动轴承    39.挡圈螺母    40.限位开关    41.连接件    42.滚动轴承    43.连轴器44.套筒  45.滚动轴承  46.挡圈螺母  47.连接轴
                      具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
请参见图1～8所示，本发明的五坐标空间定位机器人机构由升降臂1、大臂2、小臂3、腕部4和针架5五大部分构成，升降臂1通过导轨滑台11同大臂2连接，大臂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负载能力。所述的机器人驱动和控制系统由交流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机及控制软件组成。
本发明的机器人运动学结构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节。工作时，I关节运动方向垂直于水平面；II、III关节的轴线与I关节运动方向平行；IV关节轴线与II、III关节轴线垂直；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。机器人运动学参数见附表1，各运动关节转角范围见附表2。
附表1机构的结构参数
构件                       结构参数
  αi    ai    di   θi    初值θi0
  J1   0    0    d1
    J2     0   300     0     θ2     0
    J3     -90°   0     0     θ3     90°
    J4     90°   0     300mm     θ4     180°
    J5     90°   0     100mm     θ5     90°
    J6     0   0     175mm     0     0
注：构件6为手术针
附表2机构运动参数
        关节 运动范围 最大速度 关节加速时间
  序号   运动参数
   I     d1      0～400mm   0.05m/s       0.5s
   II     θ2     -90°～90°   1.05rad/s       0.5s
   III     θ3     -150°～150°   1.05rad/s       0.5s
   IV     θ4     -165°～165°   2.10rad/s       0.5s
   V     θ5     -180°～180°   2.10rad/s       0.5s
请参见图3所示，升降臂1由直线运动单元6、升降臂驱动电机7、撑架8、底座9和电源箱10组成。直线运动单元6选用德国NEFF公司产品，具体参数见附表3。驱动电机7安装于直线运动单元6顶端，各驱动电机参数见附表4。直线运动单元6安装在支撑架8上，要求具有较高的平面度和刚度。底座9与支撑架8固连，机器人整体用底座9安装固定，要求与支撑架8严格垂直，工作时要求与水平面平行。支撑架8和底座9由45号调质钢板制成。电源箱10由轻质铝合金制成，内装电源和信号线接口，安装于底座9之上。直线运动单元6上的导轨滑台11是直线运动单元6的运动件，与叉架12固连，并通过叉架12带动大臂2、小臂3、腕部4和针架5等作升降运动。在靠近直线运动单元6两端处，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。安装块13将直线运动单元6固定到支撑架8上。14为电缆。
附表3直线运动单元参数
产品型号 截面(mm)2 传动丝杠 导程(mm)   最大速度(m/s) 重复定位精度(mm)   动态进给力(N)   动态扭矩(Nm)
  Fx   Fz   Fy   Mx  My  Mz
WM60 60×60 Φ20  5    2.5 ±0.01   4000 2000 2000   100 200 200
附表4电机参数
关节     5     4     3   2     1
电机类型     RE118752     RE118752     RE118752   RE148867     RE148867
功率(W)     20     20     20   150     150
电压(V)     24     24     24   24     24
空载转速(rpm)     9550     9550     9550   7580     7580
启动力矩(mNm)     241     241     241   2290     2290
速度-力矩比(rpm/mNm)     40.6     40.6     40.6   3.32     3.32
额定力矩(mNm)     28.67     28.67     28.67   181     181
转子惯量(gcm2)     10.4     10.4     10.4   134     134
重量(g)     130     130     130   480     480
电机尺寸(直径×长度，mm)     25×55     25×55     25×55   40×71     40×71
电机轴尺寸(直径×长度，mm)     3×12.8     3×12.8     3×12.8   6×20     6×20
力矩-转子惯量比     2.76     2.76     2.76   1.36     1.36
减速器类型     114479     114483     114488   203131     203115
速比     111     190     318   230     12
级数     3     3     4   4     2
输入转速(rpm)     ＜6000     ＜6000     ＜6000   ＜8000     ＜8000
额定输出力矩(Nm)     4.5     4.5     4.5   15     7.5
最大效率(％)     70     70     60   64     81
重量(g)     194     194     226   560     360
转动惯量(gcm2)     0.7     0.7     0.7   15     9.1
直径(mm)   32    32   32    42     42
码盘型号   110512    110512   110512    110514     110514
线数   500    500   500    500     500
工作频率(kHz)   100    100   100    100     100
抱闸型号     228387
制动力矩(Nm)     0.4
电机+减速器+码盘(+抱闸)
尺寸(直径×长度，mm)   32×118.4    32×118.4    32×125.1    42×176.3     42×189
重量(g)   324    324    356    1040     890
请参见图4、5所示，大臂体是由铝合金板材制成的箱体。大臂驱动电机15安装在叉架12上。连接轴21上端分别与大臂驱动轴16和大臂体以螺钉固连，使大臂驱动轴16与大臂固连。大臂驱动轴16上轴端和连接轴21下端各以滚动轴承19、滚动轴承22安装于叉架12上。大臂驱动轴16上轴端通过连轴器18与电机轴固连。大臂驱动电机15工作时带动大臂2及大臂以下部分运动。在大臂体与叉架12之间，安装有限位开关20，限定大臂体有效转角。活块17是为保证大臂驱动轴16的安装工艺而设计的。螺母挡圈23以螺纹与大臂驱动轴16固连，用作滚动轴承22的挡圈。
请参见图6、7所示，小臂主体3和腕部4也主要是由铝合金板材制成的箱体。小臂驱动电机24安装在电机安装架25上，电机安装架25为一个杯形件，杯形件25外缘安装在大臂体2上。电机罩27罩于小臂驱动电机24外，并安装在大臂体2上。连接件41以螺钉连接方式使小臂驱动轴26与小臂3固连。小臂驱动轴26上轴端以滚动轴承38安装于大臂体2上，外伸上端通过连轴器36与驱动电机24的轴固连，下部开有盲孔，用于引出小臂3中的电缆14。套筒37外展的上缘以滚动轴承35与大臂体2形成滚动连接，下缘台阶通过滚动轴承38与大臂体2形成滚动连接。挡圈螺母39以内螺纹与小臂驱动轴26固连，用作滚动轴承38的挡圈。在大臂体2与小臂体3之间，安装有限位开关40，限定小臂体有效转角。
腕部驱动电机28安装在电机架29上，并一同安装在小臂体3内。连接件31的一端与腕部4固定，另一端通过连轴器30与电机28的轴连接，电机28工作时，带动腕部4产生旋转运动。在小臂体3与腕部4之间，安装有限位开关，限定腕部有效转角。
请参见图6、8所示，针架5是由铝合金零件通过焊接等连接方式组装成的部件。针架驱动电机31安装在电机架34上，连同电机罩32一同安装在腕部4。套筒44外展的上缘滚动轴承42与腕体形成滚动连接，下缘台阶通过滚动轴承45与腕体形成滚动连接。连接轴47上端是个短轴，通过连轴器43与针架驱动电机33的轴连接，下端是个连接面，分别与套筒44和针架5以螺钉固连。挡圈螺母46以内螺纹与套筒44固连，用作滚动轴承45的挡圈。电机33工作时，带动针架5产生旋转运动。在腕部4与针架5之间，安装有限位开关，限定针架有效转角。针架5有两个紧固夹，用于安装并固定手术针。
本发明的机器人机构结构设计简单，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。上述机构也适用于网络遥操作等。
本发明的五坐标空间定位机器人主要功能是辅助医生对医疗器械准确定位，并在手术中起定位架作用。五坐标空间定位机器人轴线方向刚度高，轴法面内运动灵活，具有较大的工作空间、较高的定位精度和负载能力。一般来讲，机器人灵活腕应具有三个轴线垂直相交的旋转自由度，在本发明中，工作负载具有轴对称性，腕关节只设置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。本发明能够按照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，减小操作误差，对患者造成的创伤小、减少患者痛苦，该机构也适用于网络遥控操作。

Claims (8)

1、一种五坐标空间定位机器人机构，其特征是，机器人机构由升降臂(1)、大臂(2)、小臂(3)、腕部(4)和针架(5)五大部分构成，升降臂(1)通过导轨滑台(11)与大臂(2)连接，大臂(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；所述的机器人驱动和控制系统由交流伺服电机、驱动器、光电编码盘、控制卡和计算机及控制软件组成。
2、根据权利要求1所述的机器人，其特征是：机器人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、III关节的轴线与I关节运动方向平行；IV关节轴线与II、III关节轴线垂直；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。
3、根据权利要求1、2所述的机器人，其特征是：升降臂(1)由直线运动单元(6)、驱动电机(7)、支撑架(8)、底座(9)和电源箱(10)组成，驱动电机(7)安装于直线运动单元(6)的顶端，直线运动单元(6)安装在支撑架(8)上，底座(9)与支撑架(8)固连，机器人整体以底座(9)安装固定，电源箱(10)安装于底座(9)上；直线运动单元(6)上的滑台(11)是直线运动单元(6)的运动件，与叉架(12)固连，在靠近直线运动单元(6)两端处，分别安装有一个限位开关，安装块(13)将直线运动单元(6)固定到支撑架(8)上。
4、根据权利要求1、2所述的机器人，其特征是：大臂驱动电机(15)安装在叉架(12)上，连接轴(21)上端分别与大臂驱动轴(16)和大臂体固连，大臂驱动轴(16)上轴端和连接轴(21)下端各以滚动轴承(19)、滚动轴承(22)安装于叉架(12)上，大臂驱动轴(16)上轴端通过连轴器(18)与电机轴固连，大臂体与叉架(12)之间，安装有限位开关(20)，螺母挡圈(23)以内螺纹与大臂驱动轴(16)固连，并支撑滚动轴承(22)，活块(17)与叉架(12)固连。
5、根据权利要求1、2所述的机器人，其特征是：小臂驱动电机(24)安装在电机安装架(25)上，电机安装架(25)为杯形件，杯形件外缘安装在大臂体上，电机罩(27)罩于小臂驱动电机(24)外，并安装在大臂体(2)上，连接件(41)以螺钉连接方式使小臂驱动轴(26)与小臂(3)固连，小臂驱动轴(26)上轴端以滚动轴承(38)安装于大臂体(2)上，外伸上端通过连轴器(36)与驱动电机(24)的轴固连，小臂驱动轴(26)下部开有盲孔，用于引出小臂(3)中的电缆(14)，套筒(37)上缘以滚动轴承(35)与大臂体形成滚动连接，下缘台阶通过滚动轴承(38)与大臂体形成滚动连接，在大臂体(2)与小臂体(3)之间，安装有限位开关(40)，挡圈螺母(39)以内螺纹与小臂驱动轴(26)固连，并支撑滚动轴承(38)。
6、根据权利要求1、2所述的机器人，其特征是：腕部驱动电机(28)安装在电机架(29)上，并一同安装在小臂体(3)内，连接件(31)的一端与腕部(4)固连，另一端通过连轴器(30)与电机(28)的轴连接，小臂体(3)与腕部(4)之间，安装有限位开关。
7、根据权利要求1、2所述的机器人，其特征是：针架驱动电机(33)安装在电机架(34)上，连同电机罩(32)一同安装在腕部(4)，套筒(44)的上缘通过滚动轴承(42)与腕体形成滚动连接，下缘台阶通过滚动轴承(45)与腕体形成滚动连接，连接轴(47)上端通过连轴器(43)与针架驱动电机(33)的轴连接，连接轴(47)下端分别与套筒(44)和针架(5)固连，腕部与针架之间，安装有限位开关，挡圈螺母(46)以螺纹与套筒(44)固连并支撑滚动轴承(45)。
8、根据权利要求1、2所述的机器人，其特征是：针架(5)具有两个紧固夹，用于安装并固定手术针。
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