CN103042520A - 一种空间5自由度并联机器人机构 - Google Patents

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雷静桃
曹元龙
王峰
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Abstract

本发明涉及一种空间5自由度并联机器人机构，属于机器人和空间机构技术领域。本发明包括下平台、上平台、连接两平台的五条支链及安装于上平台的末端执行器组成，其中一条支链自下而上由十字万向副、电机座、驱动电机、移动副和十字万向副组成，另外四条支链结构完全相同，自下而上由十字万向副、电机座、驱动电机、电机固定板、移动副和十字万向副组成。本发明所述机构上平台可实现笛卡尔坐标系下的三维平动和二维转动的运动输出，具有刚性好，精度较高等特点。

Description

一种空间5自由度并联机器人机构
技术领域
本发明涉及一种并联机器人，特别是一种空间5自由度并联机器人机构。 
背景技术
1965 年Stewart 提出的Stewart 平台由上下平台及6 根驱动杆组成，驱动杆可以独立地伸缩，且分别通过由球饺链与上下平台连接，这样，上平台具有6 个自由度。随着对各种并联机构研究的不断深入，人们将凡是把上下平台通过两个或两个以上支链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且驱动方式为并联驱动的机构统称为并联机构。相对于传统的串联式机构而言，并联机构具有承载能力大、刚度高、运动速度快、精度高、动力学性能好等优点，可应用于加工中心、分拣机构、医疗辅助器械等领域。 
如今每年世界上都有大量的人因为事故或疾病等原因导致膝关节病变，失去正常的行动能力。如今人工关节置换术已经成为治疗各种原因引起的骨性关节炎及类风湿性关节炎的重要手段之一，目前全世界每年有成千上万患有膝关节疾病（骨关节炎、软骨组织退化等）的患者接受了人工膝关节置换手术。传统膝关节置换存在的主要问题有：①平台假体的固定；②感染及返修；③髌股及胫股关节对线误差大等。传统膝关节置换手术，存在对线误差、假体松动、脱位、断裂和感染等不足。与传统手术操作相对，机器人辅助关节置换在术前规划、术中操作精确度等有明显优势。由于机器人辅助微创介入骨科手术，能精确定位,提高骨切割的精度；减少手术创伤从而使得病人快速恢复；与传统手术操作相对，执行复杂操作,且缩短手术时间，减少患者的痛苦，提高手术成功率等方面有卓越的表现。而目前国内外手术机器人中很大一部分是由工业机器人改造而来，机体较繁重不适合手术室的使用，因此，需要研发结构紧凑，适合于手术室的手术机器人。 
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供结构简单、精度高、成本较低、能实现机器人辅助关节骨科手术的一种空间5自由度并联机器人机构。 
一种空间5自由度并联机器人机构，为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：由下平台、上平台、连接上述两平台的五条支链以及末端执行器组成。其特征在于：所述下平台、上平台均为圆形；5条支链沿圆周方向均布，具有相同的长度，其中一条异型支链与另外四条同型支链构型相异，四条同型支链构型完全相同；每一条支链均包括三个相连的运动副和一个驱动电机；末端执行器与上平台相连。 
所述的异型支链自下而上由一个十字万向副、一个电机座、一个驱动电机、一个电机固定板、一个移动副和一个十字万向副组合而成，另外四条构型相同的同型支链自下而上分别由一个十字万向副、一个电机座、一个驱动电机、一个电机固定板、一个移动副和一个球副组成；5条支链下连杆为滚珠丝杆，上连杆通过螺纹旋接下连杆组成移动副；所述的移动副为驱动副，下连杆下端连接电机输出轴，5个移动副相同的行程，所述驱动电机通过电机固定板固定于电机座内。 
所述的连接下平台的十字万向副两轴线分别指向上下平台圆心连线和垂直于径向线，而其两个铰链中心都处于同一平面内；连接上平台的一个十字万向副的两轴线分别指向上下平台圆心连线和垂直于径向线，四个球副垂直于上平台布置，该一个十字万向副的铰链中心与四个球副的中心处于同一平面内。 
所述的空间5自由度并联机器人的末端执行器由末端工具、连接件和紧固件组成；连接件为一个通孔阶梯轴，大圆环上有螺纹孔，可以通过螺钉与上平台相连接，小圆环为一个半圆孔；紧固件与连接件有相同的内径，为一个小于半圆的圆环，紧固件通过螺栓控制与连接件的间距，以此来固定末端工具，实现其紧固作用。通过控制驱动电机，本发明的机构上平台可实现笛卡尔坐标系下的三维平动和二维转动的运动输出，该机构关节少，刚性好，精度较高。 
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步： 
一、本发明的空间5自由度并联机器人机构与传统的串联式多轴机构相比，具有较好的刚度、精度和动态性能。
二、本发明的空间5自由度并联机器人机构与现有的六自由度并联机构相比，机构关节少，结构简单，制造成本低。 
三、本发明的空间5自由度并联机器人机构可实现三平动两转动形式的运动输出，适合于手术机器人等领域，能完成一些较复杂的手术操作。 
附图说明
图1是本发明一种5自由度并联机器人机构示意图； 
图2是本发明一种5自由度并联机器人机构UPU支链示意图。
图3是本发明一种5自由度并联机器人机构UPS支链示意图。 
图4是本发明一种5自由度并联机器人机构末端示意图。 
图5是本发明一种5自由度并联机器人机构末端夹具示意图 
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明: 
实施例1
如附图所示，本空间5自由度并联机器人机构，由下平台（Ⅵ）、上平台（Ⅶ）、连接上述两平台的五条支链（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）以及末端执行器（Ⅷ）组成。其特征在于：下平台（Ⅵ）、上平台（Ⅶ）均为圆形；5条支链沿圆周方向均布，具有相同的长度，其中一条异型支链（Ⅰ）与另外四条同型支链构型相异，另外四条同型支链（Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）构型完全相同；每一条支链均包括三个相连的运动副和一个驱动电机（3）；末端执行器（Ⅷ）与上平台（Ⅶ）相连。
实施例2： 
参见图1、图2和图3，本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下
所述异型支链（Ⅰ）自下而上由一个十字万向副（1）、一个电机座（2）、一个驱动电机（3）、一个电机固定板（4）、一个移动副（6）和一个十字万向副（Ⅰ-8）组合而成，另外四条构型相同的同型支链（Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）自下而上分别由一个十字万向副（1）、一个电机座（2）、一个驱动电机（3）、一个电机固定板（4）、一个移动副（6）和一个球副（Ⅱ-8）组成；5条支链下连杆（5）为滚珠丝杆，上连杆（7）通过螺纹旋接下连杆（5）组成移动副（6）；所述的移动副（6）为驱动副，下连杆（5）下端连接驱动电机（3）输出轴，5个移动副（6）有相同的行程，所述驱动电机（3）通过电机固定板（4）固定于电机座（2）内。
所述连接下平台（Ⅵ）的十字万向副（1）两轴线分别指向上下平台圆心连线和垂直于径向线，而其两个铰链中心都处于同一平面内；连接上平台（Ⅶ）的一个十字万向副(Ⅰ-8)的两轴线分别指向上下平台圆心连线和垂直于径向线，四个球副(Ⅱ-8）垂直于上平台（Ⅶ）布置，该一个十字万向副(Ⅰ-8)的铰链中心与四个球副的(Ⅱ-8）中心处于同一平面内。 
所述末端执行器（Ⅷ）由末端工具（Ⅷ-3）、连接件（Ⅷ-1）和紧固件（Ⅷ-2）组成；连接件（Ⅷ-1）为一个通孔阶梯轴，大圆环上有螺纹孔，可以通过螺钉与上平台（Ⅶ）相连接，小圆环为一个半圆孔；紧固件（Ⅷ-2）与连接件（Ⅷ-1）有相同的内径，为一个小于半圆的圆环，紧固件（Ⅷ-2）通过螺栓控制与连接件（Ⅷ-1）的间距，以此来固定末端工具（Ⅷ-3），实现其紧固作用。 
本发明空间5自由度并联机器人机构的工作原理可结合图说明如下: 5条支链中的移动副为驱动副，通过电机旋转来驱动。当各驱动副在控制下运动不同的位移时，其余各十字万向副、球副则在连杆和运动平台的拉动下，做相应的运动，从而实现运动平台在工作空间内实现三维平动与二维转动运动。 
该发明设计巧妙独特，结构的刚性和稳定性好，运动灵活，受力均匀，精度较高，使用寿命长，并且多自由度的设计为实际应用提供了多种选择。 

Claims (4)

1. 一种空间5自由度并联机器人机构，由下平台（Ⅵ）、上平台（Ⅶ）、连接上述两平台的五条支链（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）以及末端执行器（Ⅷ）组成，其特征在于：所述下平台（Ⅵ）、上平台（Ⅶ）均为圆形；5条支链沿圆周方向均布，具有相同的长度，其中一条异型支链（Ⅰ）与另外四条同型支链构型相异，四条同型支链（Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）构型完全相同；每一条支链均包括相连的三个运动副和一个驱动电机（3）；末端执行器（Ⅷ）与上平台（Ⅶ）相连。
2. 根据权利要求书1所述的空间5自由度并联机器人机构，其特征在于：所述的异型支链（Ⅰ）自下而上由一个十字万向副（1）、一个电机座（2）、一个驱动电机（3）、一个电机固定板（4）、一个移动副（6）和一个十字万向副（Ⅰ-8）组合而成，所述四条构型相同的同型支链（Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）自下而上分别由一个十字万向副（1）、一个电机座（2）、一个驱动电机（3）、一个电机固定板（4）、一个移动副（6）和一个球副（Ⅱ-8）组成；5条支链的下连杆（5）为滚珠丝杆，上连杆（7）通过螺纹旋接下连杆（5）组成移动副（6）；所述的移动副（6）为驱动副，下连杆（5）下端连接驱动电机（3）输出轴，5个移动副（6）有相同的行程，所述驱动电机（3）通过电机固定板（4）固定于电机座（2）内。
3. 根据权利要求书1所述的空间5自由度并联机器人机构，其特征在于：所述连接下平台（Ⅵ）的十字万向副（1）两轴线分别指向上下平台圆心连线和垂直于径向线，而其两个铰链中心都处于同一平面内；连接上平台（Ⅶ）的一个十字万向副(Ⅰ-8)的两轴线分别指向上下平台圆心连线和垂直于径向线，四个球副(Ⅱ-8）垂直于上平台（Ⅶ）布置，该一个十字万向副(Ⅰ-8)的铰链中心与四个球副的(Ⅱ-8）中心处于同一平面内。
4. 根据权利要求书1所述的空间5自由度并联机器人机构，其特征在于：所述末端执行器（Ⅷ）由末端工具（Ⅷ-3）、连接件（Ⅷ-1）和紧固件（Ⅷ-2）组成；连接件（Ⅷ-1）为一个通孔阶梯轴，大圆环上有螺纹孔，可以通过螺钉与上平台（Ⅶ）相连接，小圆环为一个半圆孔；紧固件（Ⅷ-2）与连接件（Ⅷ-1）有相同的内径，为一个小于半圆的圆环，紧固件（Ⅷ-2）通过螺栓控制与连接件（Ⅷ-1）的间距，以此来固定末端工具（Ⅷ-3），实现其紧固作用。
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