具有三种运动模式的可重构RCM并联机构

具有三种运动模式的可重构rcm并联机构
技术领域
1.本发明属于机构学及机器人领域，特别涉及一种具有三种运动模式的可重构rcm并联机构。


背景技术：

2.微创手术作为一种安全性高，创伤小的外科手术，在医疗中的应用越来越广泛，而微创手术机器人在微创领域的应用有着明显的优势，特别是高精度的并联机器人在微创手术中能够起到更加安全的作用。
3.随着科技的发展与进步，现代机器作业任务需要机构能适应多种工作场合，这就要求机构需要具有多个不同运动特性的工作模式。而现有的微创手术并联机器人都只具有固定的远程中心运动模式，不能适应多种微创场合。
4.目前常见的远程中心运动模式有绕远程中心点的两转动模式、三转动模式、两转动一移动模式、三转动一移动模式以及平面内的一转动一移动模式，传统远程中心运动并联机构只能满足上述运动模式的某一种，而对于不同的微创场合，需要能满足上述多种运动模式的机构，本发明通过特定的重构方式无需将机构重新装配就可以完成上述三种远程中心运动模式，且其中一种运动模式中具有运动分岔特性，以此更好地适应微创领域的安全性高的特点。


技术实现要素：

5.本发明用以克服现有的rcm并联机构运动模式固定的问题，提供一种可以实现三种rcm运动模式的可重构并联机构。
6.本发明解决其技术问题所采用的方案是：具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，由基座、动平台以及连接在动平台和基座平台间的四条支链组成，所述四条支链在空间中呈90度对称分布；
7.四条分支包括依次连接在基座与动平台之间的第一分支中的第一个移动副、第一分支中的第一个转动副、第一分支中的弧形移动副、第一分支中的虎克铰第一转动副、第一分支中的虎克铰第二转动副、第一分支中的第二个转动副；第二分支中的第一个移动副、第二分支中的第一个转动副、第二分支中的弧形移动副、第二分支中的虎克铰第一转动副、第二分支中的虎克铰第二转动副、第二分支中的第二个转动副；第三分支中的第一个移动副、第三分支中的第一个转动副、第三分支中的弧形移动副、第三分支中的虎克铰第一转动副、第三分支中的虎克铰第二转动副、第三分支中的第二个转动副；第四分支中的第一个移动副、第四分支中的第一个转动副、第四分支中的弧形移动副、第四分支中的虎克铰第一转动副、第四分支中的虎克铰第二转动副、第四分支中的第二个转动副；所述四条分支的移动副与基座相连；所述四条分支的第一分支中的第一个转动副、第一分支中的虎克铰第一转动副线汇交于第一分支汇交点，该点为第一分支中的弧形移动副的圆心；所述四条分支的第二分支中的第一个转动副、第二分支中的虎克铰第一转动副线汇交于第二分支汇交点，该
点为第二分支中的弧形移动副的圆心；所述四条分支的第三分支中的第一个转动副、第三分支中的虎克铰第一转动副线汇交于第一分支汇交点，该点为第三分支中的弧形移动副的圆心；所述四条分支的第四分支中的第一个转动副、第四分支中的虎克铰第一转动副线汇交于第四分支汇交点，该点为第四分支中的弧形移动副的圆心；所述四个分支中每个分支上的虎克铰第二转动副和第二转动副轴线都相互平行；
8.所述可重构并联机构具有三种rcm运动模式且第三种运动模式中具有运动分岔特性，其特征在于：初始位姿下，通过锁定四个分支的移动副在基座上不同的位置来改变每条分支汇交点在空间中的位置，实现机构的重构。
9.进一步地，通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使四个分支的汇交点重合于空间中一点，该点为远程中心点，此时进入第一种rcm运动模式，机构为三转动一移动的rcm运动模式。
10.进一步地，所述机构为三转动一移动rcm运动模式时，第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副、第三分支的第一转动副和第四分支的第一转动副同时作为驱动副。
11.进一步地，通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使第一分支汇交点、第二分支汇交点和第四分支汇交点重合于空间中一点，该点为远程中心点，另外第三分支汇交点与远程中心点分离固定距离，此时进入第二种rcm运动模式，机构为两转动一移动的rcm运动模式。
12.进一步地，所述机构为两转动一移动rcm运动模式时，第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副、第四分支的第一转动副同时作为驱动副。
13.进一步地，通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使四个分支的汇交点都分离于空间中一点，该点为远程中心点，且四个分支的汇交点与远程中心点的距离相同，此时进入第三种rcm运动模式。
14.进一步地，当动平台与基座平面平行时为第三种运动模式下的初始位型也是运动分岔位型；初始位型时，机构瞬时运动模式为两转动一移动；为保证可重构远程中心运动机构初始位形时瞬时运动的可控，第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副、第三分支的第一转动副或第四分支的第一转动副同时作为驱动副。
15.进一步地，所述机构由第三种运动模式初始位型通过第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副、第三分支的第一转动副作为驱动副控制机构进入一般位型时，运动模式切换为xoz平面内的一转动一移动rcm运动模式；此时机构第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副作为驱动副；
16.进一步地，所述机构由第三种运动模式初始位型通过第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副、第四分支的第一转动副作为驱动副控制机构进入一般位型时，运动模式切换为yoz平面内的一转动一移动rcm运动模式；此时机构第一分支的弧形移动副、第二分支的弧形移动副作为驱动副；
17.有益效果：本发明提出的可重构并联机构可以实现一转动一移动、两转动一移动以及三转动一移动三种rcm运动模式，且一转动一移动rcm运动模式的初始位型具有运动分岔特性，可以进入两个不同平面内的一转动一移动rcm运动模式；本发明通过锁定四条分支中与基座相连的移动副在基座上不同位置就能实现机构运动模式的转换，无需重新装配机构。
附图说明：
图1是三转动一移动rcm运动模式。图2是三转动一移动rcm运动模式时分支移动副在基座上的位置。图3是两转动一移动rcm运动模式。图4是两转动一移动rcm运动模式时分支移动副在基座上的位置。图5是一转动一移动rcm运动模式的运动分岔位型。图6是xoz平面内的一转动一移动rcm运动模式。图7是yoz平面内的一转动一移动rcm运动模式。图8是一转动一移动rcm运动模式时分支移动副在基座上的位置.附图标记说明：a—基座、b—动平台、o—远程中心点、p11—第一分支中的第一个移动副、r11—第一分支中的第一个转动副、pr1—第一分支中的弧形移动副、u11—第一分支中的虎克铰第一转动副、u12—第一分支中的虎克铰第二转动副、r12—第一分支中的第二个转动副、o1—第一分支中汇交点；p21—第二分支中的第一个移动副、r21—第二分支中的第一个转动副、pr2—第二分支中的弧形移动副、u21—第二分支中的虎克铰第一转动副、u22—第二分支中的虎克铰第二转动副、r22—第二分支中的第二个转动副、o2—第二分支中汇交点；p31—第三分支中的第一个移动副、r31—第三分支中的第一个转动副、pr3—第三分支中的弧形移动副、u31—第三分支中的虎克铰第一转动副、u32—第三分支中的虎克铰第二转动副、r32—第三分支中的第二个转动副、o3—第三分支中汇交点；p41—第四分支中的第一个移动副、r41—第四分支中的第一个转动副、pr4—第四分支中的弧形移动副、u41—第四分支中的虎克铰第一转动副、u42—第四分支中的虎克铰第二转动副、r42—第四分支中的第二个转动副、o4—第四分支中汇交点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。1.如图1所示，一种可以实现三种rcm运动模式的可重构并联机构，其特征在于：所述可重构并联机构包括基座、动平台以及并联连接基座与动平台的四条分支；四条分支包括依次连接在基座a与动平台b之间的第一分支中的第一个移动副p11、第一分支中的第一个转动副r11、第一分支中的弧形移动副pr1、第一分支中的虎克铰第一转动副u11、第一分支中的虎克铰第二转动副u12、第一分支中的第二个转动副r12；第二分支中的第一个移动副p21、第二分支中的第一个转动副r21、第二分支中的弧形移动副pr2、第二分支中的虎克铰第一转动副u21、第二分支中的虎克铰第二转动副u22、第二分支中的第二个转动副r22；第三分支中的第一个移动副p31、第三分支中的第一个转动副r31、第三分支中的弧形移动副pr3、第三分支中的虎克铰第一转动副u31、第三分支中的虎克铰第二转动副u32、第三分支中的第二个转动副r32；第四分支中的第一个移动副p41、第四分支中的第一个转动副r41、第四分支中的弧形移动副pr4、第四分支中的虎克铰第一转动副u41、第四分支中的虎克铰第二转动副u42、第四分支中的第二个转动副r42；所述四条分支在空间呈90度对称分布；所述四条分支的移动副与基座相连；所述四条分支的第一分支中的第一个转动副r11、第一分支中的虎克铰第一转动副u11线汇交于第一分支汇交点o1，该点为第一分支中的弧形移动副pr1的圆心；所述四条分支的第二分支中的第一个转动副r21、第二分支中的虎克
铰第一转动副u21线汇交于第二分支汇交点o2，该点为第二分支中的弧形移动副pr2的圆心；所述四条分支的第三分支中的第一个转动副r31、第三分支中的虎克铰第一转动副u31线汇交于第一分支汇交点o3，该点为第三分支中的弧形移动副pr3的圆心；所述四条分支的第四分支中的第一个转动副r41、第四分支中的虎克铰第一转动副u41线汇交于第四分支汇交点o4，该点为第四分支中的弧形移动副pr4的圆心；所述四个分支中每个分支上的虎克铰第二转动副和第二转动副轴线都相互平行；2.如图2所示，所述可重构并联机构具有三种rcm运动模式，且第三种rcm运动模式具有运动分岔特性；在初始位姿下，四个分支的移动副通过锁定在基座上不同的位置来改变每条分支汇交点在空间中的位置，实现机构的重构。3.如图1和图2所示，所述可重构并联机构通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使四个分支的汇交点o1、o2、o3、o4重合于空间中一点，该点为远程中心点o，机构进入第一种rcm运动模式，为三转动一移动rcm运动模式。此时，所述机构第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第三分支的第一转动副r31和第四分支的第一转动副r41同时作为驱动副。4.如图3和图4所示，所述可重构并联机构通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使第一分支汇交点o1、第二分支汇交点o2和第四分支汇交点o4重合于空间中一点，该点为远程中心点o，另外第三分支汇交点o3与远程中心点o分离固定距离，机构进入第二种rcm运动模式，为两转动一移动rcm运动模式。此时，所述机构第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第四分支的第一转动副r41同时作为驱动副。5.如图5和图6所示：所述可重构并联机构通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使四个分支的汇交点o1、o2、o3、o4都分离于空间中一点，该点为远程中心点o，且四个分支的汇交点o1、o2、o3、o4与远程中心点o的距离相同，机构进入第三种rcm运动模式。当动平台与基座平面平行时为第三种运动模式下的初始位型也是运动分岔位型；初始位型时，机构瞬时运动模式为两转动一移动；为保证所述可重构机构初始位形时瞬时运动的可控，第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第三分支的第一转动副r31或第四分支的第一转动副r41同时作为驱动副。6.如图7所示：所述可重构并联机构由第三种运动模式的初始位型通过第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第三分支的第一转动副r31作为驱动副控制机构进入一般位型时，运动模式切换为xoz平面内的一转动一移动rcm运动模式；此时机构的第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2作为驱动副。7.如图8所示：所述可重构并联机构由由第三种运动模式的初始位型初始位型通过第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第四分支的第一转动副r41作为驱动副控制机构进入一般位型时，运动模式切换为yoz平面内的一转动一移动rcm运动模式；此时机构的第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2作为驱动副。8.本发明的一种可以实现三种rcm运动模式的可重构并联机构重构方式简单且重构过程不需要重新装配机构；不同的rcm运动模式可以应用于不用约束条件下的微创手术场合。9.以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发
明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于，包括基座、动平台以及并联连接基座与动平台的四条分支；四条分支包括依次连接在基座a与动平台b之间的第一分支中的第一个移动副p11、第一分支中的第一个转动副r11、第一分支中的弧形移动副pr1、第一分支中的虎克铰第一转动副u11、第一分支中的虎克铰第二转动副u12、第一分支中的第二个转动副r12；第二分支中的第一个移动副p21、第二分支中的第一个转动副r21、第二分支中的弧形移动副pr2、第二分支中的虎克铰第一转动副u21、第二分支中的虎克铰第二转动副u22、第二分支中的第二个转动副r22；第三分支中的第一个移动副p31、第三分支中的第一个转动副r31、第三分支中的弧形移动副pr3、第三分支中的虎克铰第一转动副u31、第三分支中的虎克铰第二转动副u32、第三分支中的第二个转动副r32；第四分支中的第一个移动副p41、第四分支中的第一个转动副r41、第四分支中的弧形移动副pr4、第四分支中的虎克铰第一转动副u41、第四分支中的虎克铰第二转动副u42、第四分支中的第二个转动副r42；所述四条分支在空间呈90度对称分布；所述四条分支的移动副与基座相连；所述四条分支的第一分支中的第一个转动副r11、第一分支中的虎克铰第一转动副u11线汇交于第一分支汇交点o1，该点为第一分支中的弧形移动副pr1的圆心；所述四条分支的第二分支中的第一个转动副r21、第二分支中的虎克铰第一转动副u21线汇交于第二分支汇交点o2，该点为第二分支中的弧形移动副pr2的圆心；所述四条分支的第三分支中的第一个转动副r31、第三分支中的虎克铰第一转动副u31线汇交于第一分支汇交点o3，该点为第三分支中的弧形移动副pr3的圆心；所述四条分支的第四分支中的第一个转动副r41、第四分支中的虎克铰第一转动副u41线汇交于第四分支汇交点o4，该点为第四分支中的弧形移动副pr4的圆心；所述四个分支中每个分支上的虎克铰第二转动副和第二转动副轴线都相互平行。2.根据权利要求1所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：初始位姿下，四个分支的移动副通过锁定在基座上不同的位置来改变每条分支汇交点在空间中的位置，实现机构的重构。3.根据权利要求1所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使四个分支的汇交点o1、o2、o3、o4重合于空间中一点，该点为远程中心点o，此时进入第一种rcm运动模式，机构为三转动一移动rcm运动模式。4.根据权利要求3所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：所述机构为三转动一移动rcm运动模式时，第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第三分支的第一转动副r31和第四分支的第一转动副r41同时作为驱动副。5.根据权利要求1所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使第一分支汇交点o1、第二分支汇交点o2和第四分支汇交点o4重合于空间中一点，该点为远程中心点o，另外第三分支汇交点o3与远程中心点o分离固定距离，此时进入第二种rcm运动模式，机构为两转动一移动rcm运动模式。6.根据权利要求5所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：所述机构为两转动一移动rcm运动模式时，第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第四分支的第一转动副r41同时作为驱动副。7.根据权利要求1所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：通过锁死四个分支的移动副在基座上的位置使四个分支的汇交点o1、o2、o3、o4都分离于空间中
一点，该点为远程中心点o，且四个分支的汇交点o1、o2、o3、o4与远程中心点o的距离相同，此时进入第三种rcm运动模式。8.根据权利要求7所述的具有三种运动模式的可重构rcm并联机构，其特征在于：在第三种运动模式下当动平台与基座平面平行时为所述机构的初始位型也是运动分岔位型；初始位型时，机构瞬时运动模式为两转动一移动；为保证可重构远程中心运动机构初始位形时瞬时运动的可控，第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第三分支的第一转动副r31或第四分支的第一转动副r41同时作为驱动副。9.根据权利要求7所述的具有三种rcm运动模式的可重构并联机构，其特征在于：当所述机构由初始位型通过第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第三分支的第一转动副r31作为驱动副控制机构进入一般位型时，运动模式切换为xoz平面内的一转动一移动的rcm运动模式；此时机构第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2作为驱动副。10.根据权利要求7所述的具有三种rcm运动模式的可重构并联机构，其特征在于：当所述机构由初始位型通过第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2、第四分支的第一转动副r41作为驱动副控制机构进入一般位型时，运动模式切换为yoz平面内的一转动一移动的rcm运动模式；此时机构第一分支的弧形移动副pr1、第二分支的弧形移动副pr2作为驱动副。

技术总结
本发明公开了具有三种运动模式的可重构RCM并联机构，属于机构学及机器人领域，该机构通过不同重构方式可分别实现绕远程中心点的三转动一移动、两转动一移动以及一种在平面内绕远程中心点的一转动一移动三种运动模式。包括基座、动平台、并联连接在基座与动平台之间的四个分支支链，每个分支支链包含两个转动副、一个虎克铰、一个弧形移动副以及一个移动副，各支链的第一转动副与虎克铰的第一转动副轴线汇交于一点，且该点是各分支弧形移动副的圆心，虎克铰第二转动副轴线平行于分支另一个连接于动平台的转动副，分支的移动副连接在基座上，通过锁死该移动副在基座上不同的位置来改变每个分支在空间中的位置，以适应在不同的微创手术应用场合。微创手术应用场合。微创手术应用场合。


技术研发人员：杨子范 刘婧芳
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/9/14