一种含多层闭环的两转一移远程运动中心机构

本发明属于医疗机器人，具体涉及一种能够实现穿刺手术从手机器人关于穿刺点的两转动一移动(2r1t)运动的空间多环远程运动中心机构。

背景技术：

1、远程运动中心(remote center-of-motion，rcm)机构是指能够实现末端执行器绕空间内某个位于机构远端的固定点做连续转动运动的机构。这一运动特性与现代医疗手术中的穿刺手术的需求极为契合，因此在鼻腔、角膜、腹腔等微创穿刺手术机器人系统的开发中，广泛采用了rcm机构作为从手或者执行机构。

2、现有研究中，实现rcm运动主要有7种结构形式：通过控制算法实现远心运动、弧型导轨机构、平行四边形连杆机构、同步带机构、球面连杆机构、万向节机构、并联式腕关节机构、行星轮系。其中：通过控制算法实现rcm运动的机构，rcm点无固定约束，不够可靠；采用万向节、弧型导轨(如cn 108670411 b)、球面连杆(如cn 108972507a)的rcm机构难以加工制造，且刚性较低；采用同步带(如cn 109394342 b)与行星轮系(如cn 111677833 a)的rcm机构，制造精度要求高，且不适用于rcm点较远的手术操作场景。因此，目前的研究主要集中于从平行四边形连杆机构与并联式腕关节的角度设计结构简单、性能优异、便于加工制造的新型rcm机构。

3、一般而言，穿刺手术需要的末端自旋调姿运动均采用串联一个自转单元实现。余下的三个自由度：绕rcm点的空间定位与沿rcm点的进给，由一个或多个机构组合实现。对于多个平行四边形机构按一定约束要求组合得到的rcm机构，结构简单，具备良好的后驱性能，是应用最为广泛的rcm机构方案。然而，局限于平面机构的自由度数，该类型的平面1t1r自由度rcm机构必须串联额外的转动副(如cn 112716606a、cn 111544119a)，平面1r自由度的rcm机构必须额外串联转动副+移动副(如cn 114504427a、cn 115300105a、cn 115990061a、cn 109602498a、cn 114431940 b)，这增大了运动部件质量，不利于整体刚性与精度的提升。对于并联式的rcm机构，得益于多闭环支链的结构，具备较好的刚性和精度。然而，除了并联式结构带来的转动工作空间小这一缺点，由于rcm运动的特殊需求，部分并联式rcm机构也采用了弧形导轨(cn 114288027 a)或球面连杆(如cn 115476339 a)，导致整体结构复杂、制造困难、刚性差；此外，传统并联式rcm机构的rcm点位于机构定平台中心，应用于穿刺手术场景时，不利于机构的布置，且占地面积较大(如cn 106037936 b、cn 107414800 b、cn102152317b、cn 113664809 b)。基于上述，结合平面四边形连杆rcm机构与传统空间并联rcm机构优点，提出一种结构简单、刚性好、精度高、占地面积小的空间多环rcm机构十分必要。

技术实现思路

1、本发明克服了上述背景技术中的不足，提出一种线性驱动、结构简单、工作空间大、性能优异、易于加工制造且控制简单的新型2r1t空间多环远程运动中心机构，满足穿刺手术绕穿刺点的rcm运动需求。

2、本发明提供的技术方案是：

3、一种含多层闭环的两转一移远程运动中心机构，包括第一空间一转两移闭链以及第二平面圆环平动闭链；所述第一空间一转两移可动闭链包括固定基座、公共平台以及连接固定基座与公共平台的第一支链、第二支链与第三支链；所述第一支链为第一空间一转两移闭链与第二平面圆环平动闭链之间的公共支链；所述第二平面圆环平动闭链包括第一支链、第四支链和末端平台。

4、所述第一支链依次包括连接于固定基座与公共平台、末端平台之间的第一万向副、第一移动副、第一转动副以及第二转动副；所述第一万向副连接固定基座与第一移动副，第一万向副的第一转动轴线位于固定基座，第二转动轴线与第一转动副、第二转动副的轴线平行，同时垂直于第一移动副的轴线，第一移动副、第一转动副以及第二转动副位于同一杆件上，第一转动副与公共平台相连接，第二转动副与末端平台相连接。

5、所述第二支链依次包括连接于固定基座与公共平台之间的第二万向副、第二移动副和第三万向副；所述第二支链中连接固定基座与第二移动副的第二万向副的第一转动轴线位于固定基座，第二转动轴线垂直于第二移动副的轴线，第二万向副的第一转动轴线与第三万向副的第二转动轴线平行，第二万向副的第二转动轴线与第三万向副的第一转动轴线平行。

6、所述第三支链依次包括连接于固定基座与公共平台之间的第四万向副、第三移动副和第五万向副；所述第三支链中连接固定基座与第三移动副的第四万向副的第一转动轴线位于固定基座，第二转动轴线垂直于第三移动副的轴线，第四万向副的第一转动轴线与第五万向副的第二转动轴线平行，第四万向副的第二转动轴线与第五万向副的第一转动轴线平行。

7、所述第四支链依次包括连接于公共平台与末端平台之间的第三转动副和第四转动副；所述第四支链中连接第三转动副、第四转动副的杆件长度与第一支链中第一转动副、第二转动副轴线之间的距离相等，第三转动副、第四转动副的轴线平行于第一转动副、第二转动副的轴线，公共平台上第一转动副与第三转动副轴线间的距离等于末端平台上第二转动副与第四转动副轴线的距离。

8、所述四条支链中，第二、三支链在初始状态下相对于第一支链对称分布；第一支链中第一万向副的第一转动轴线、第二支链中第二万向副的第一转动轴线、第三支链中第四万向副的第一转动轴线始终保持平行；第四支链中连接第三、第四转动副的杆件的轴线与第一支链中第一万向副的第一转动轴线的交点即为机构的rcm点。

9、第一、二、三支链中的移动副为驱动副；当滚珠丝杠机构按一定规律驱动移动副时，机构能够实现绕rcm点的两个转动运动以及沿rcm点的一个移动运动。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种新型2r1t空间多环rcm并联机构，有效避免了平面rcm机构串联模块多、运动质量大以及传统并联式rcm机构工作空间小、不利于布置的缺点，具有结构简单、刚性好、精度高，控制简单等优点，在穿刺手术从手机构的应用上有良好的前景。

技术特征：

1.一种含多层闭环的两转一移远程运动中心机构，其特征在于，包括第一空间一转两移闭链以及第二平面圆环平动闭链；

2.根据权利要求1所述的一种含多层闭环的两转一移远程运动中心机构，其特征在于，四条支链中，第二、三支链在初始状态下相对于第一支链对称分布；第一支链中第一万向副的第一转动轴线、第二支链中第二万向副的第一转动轴线、第三支链中第四万向副的第一转动轴线始终保持平行；第四支链中连接第三、第四转动副的杆件的轴线与第一支链中第一万向副的第一转动轴线的交点即为机构的rcm点。

3.根据权利要求1所述的一种含多层闭环的两转一移远程运动中心机构，其特征在于，第一、二、三支链中的移动副为驱动副；当滚珠丝杠机构按一定规律驱动移动副时，机构能够实现绕rcm点的两个转动运动以及沿rcm点的一个移动运动。

技术总结本发明公开了一种含多层闭环的两转一移远程运动中心机构，包括第一空间一转两移闭环链以及第二平面圆环平动闭环链；第一空间一转两移闭环链包括固定基座、公共平台以及连接固定基座与公共平台的第一支链、第二支链与第三支链；第一支链包括与固定基座相连的万向副、移动副、第一转动副以及第二转动副；第二支链与第三支链结构相同且均依次包括连接于固定基座与公共平台之间的万向副、移动副以及万向副；第二平面圆环平动可动闭链包括第一支链、第四支链以及末端平台；第四支链包括第三转动副、第四转动副，其中第三转动副与公共平台相连接，第四转动副与末端平台相连接。该机构在穿刺手术从手机构方面具有广阔的应用前景。技术研发人员：居勇健,刘婧芳,刘瑶受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13