毕业设计 三自由度绳驱动RCM机构设计

北京邮电大学世纪学院 毕业设计 (论文 ) 题 目 三自由度绳驱动 构设计 学 号 09050320 学生姓名 专业名称 机械工程 及 自动化 所在系（院） 电子与自动化 指导教师 盛海燕 年 月 日 北京邮电大学世纪学院 毕业设计（论 文）诚信声明 本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目 全向移动平台的控制系统设计与实现 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用权的 说明 本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的 ， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。 本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： I 题目 三自由度绳驱动 构设计 摘要 构是一种利用机构实现固定虚拟转动中心的机构。在微创外科手术中，由于切口的限制 , 套管针需要绕着插入点进行转动或移动， 种机构结构简单、控制方便、成本低，可以提高外科手术的安全性。 基于以上的 应用背景，本文 开始 介绍了 三自由度 绳驱动 义、优点和基本原理 等 ， 从自由度的定义和计算等初级理论开始，逐步 深入分析了经典 的两种型 及 双平行四杆型远程运动中心机构的运动原理和等比同向传动型远程运动中心机构的运动原理，综合了绳驱动的原理和优点。 着重 阐述了三自由度绳驱动 件 设计过程、装配过程。最终实现了用钢丝绳驱动 可沿着自身轴线进行插入运动。机构具有结构简单，体积小，重量轻 ，控制方便和成本低廉 等优点。 关键词 ： 远程运动中心 绳驱动 机构设计 手术机器 is a of be In of of to or in to a of on of of CM of CM of of be on CM At CM is 2D of CM is it 录 . 1 题目的及背景 . 1 . 2 文构成 . 4 基本原理 . 6 . 6 算及三自由度的优点 . 6 构的定义及优点 . 7 自由度绳驱动 构组成及基本原理 . 7 章小结 . 9 构分析 . 10 . 10 构分析 . 10 平行四杆型 构分析 . 10 2 等比同向 传动型 构分析 . 13 构 绳驱动 构分析 . 15 . 17 构组成的设计和选择及零件装配 . 19 述 . 19 承外套的设计 . 19 的设计 . 20 的材料 . 22 的结构 设计 . 23 的计算 . 26 轴器的设计 . 35 选择 . 36 轴器扭矩 的计算 . 36 轴器 最大转速 的校核 . 37 轴器 轴孔直径 的协调 . 37 装精度 的规定 . 37 轴器其他 必要的校核 . 38 械臂的设计 . 39 机的选择 . 40 件的装配 . 44 配的过程 . 44 件 装配中存在的问题 及 解决办法 . 49 章小结 . 51 . 53 致谢 . 54 参考文献 . 56 附录 . 57 附录 . 58 附录 . 59 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 1 1前言 题目的及背景 近年来，随着人类生活水平的提高和社会的发展，医疗水平也有了很大的改善， 先进的 医学 机器人 技术 已渗透到 了医学的各个领域，尤其在微创 外科 手术 领域 ， 现在 手术 机器人在 微创外科手术领 域中的应用不仅为手术定位、手术最小损伤 和 手术质量等方面带来一系列的变革，而且 提高了微创外科手术的安全性 与可靠性 ， 使手术水平从器官级发展到细 胞级，实现微创手术和数字化手术，同时 还改变 了 传统 的 外科 手术 的许多概念，对未来新一代的 机器人化的 高科技 手术设备 的 开发与 研制 、医学 的 教学与研究， 同时 对临床或家庭护理及康复等方面都有十分重要的意义。 然而，今天的手术是以精确度、重复一致性好，并且能在很大程度上减少医院和病人的医疗费用为目的，因此在具体的手术操作过程中某些细节操作以人的手工操作是达不到要求的。 微创外科手术与机器人技术的结合可以克服传统微创手术观察和活动范围有限、缺少 视 觉反馈以及医生易于疲劳等缺点，提供一个精确稳定的适合人类的操作环境，提高手术的安全性 与可靠性 。 而在 微创外科手术中 ， 手术工具 通常是 通过套管针 直接 插入病人皮肤上的小切口到达病患位置， 但是 由于切口的限制，套管针需要绕着插入点进行转动或移动，这是 现代 微创外科手术的一个 现有的 特征 ， 所以 作为 辅助这类手术的机器人一般都可以为手术工具提供一个相对 较为 固定的插入点。 正如上述所说 构在我们生活中的应用越来越广泛 。这时，对 言，最重要的就是结构简单，自由度少等特点， 本课题所设计的三自由度绳驱动 构样机的本体，由舵机做驱动力，通过两组钢丝绳耦合传动，使其末端执行器可绕虚拟中心二维转动，并 沿着自身轴线进行插入运动，从而为手术工具提供一个相对固定的插入点，提高外科手术的安全性，同时该机构符合自由度少，结构简单，体积小，重量轻等优点，可应用于机器人辅助微创外科手术等领域。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 2 内外研究 理念于 1995 年被 人提出 。 1995 年 研究腹腔外科手术机器人的过程中首次提出了远程运动中心 （ 的概念，并以机构的形式实现了 功能，将其应用于外科手术辅助机器人，一般认为这是 构概念的最早由 来。 构具有的优点使其首先应用到各种类型的微创外科手术机器人及相关领域中，如脑外科、腹腔外科、矫形外科、眼科、泌尿外科等。近十年来，国外对 学者如 出了一些种类各异的结构。王振华等设计的主从式微创外科手术机器人的从操作手也采用了 其中特别要提到的是美国 计了数种不同结 构的 2自由度 针对不同应用背景开发出多种 面向腹腔外科手术的 、面向眼科手术的“稳手”机器人 （ 系统和面向前列腺手术的 。 当然，还有许多十分优秀的手术机器人设计中运用了 如用于腹腔手术的“ 术机器人 （图 的末端操作装置就使用了这种结构，它已获得欧洲 本东京大学的 单自由度的 拿大哥伦比亚大学 个自由度，其机械臂使用了双平行四杆型 有配重使力矩平衡，并可反向驱动。 东京大学设计的 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 3 图 而在国内， 我国从 20 世纪 90 年代中期开始医疗外科机器人的应用研究 ，有 些医院相继采用国外的机器人进行微小创伤等系列手术 ， 如膜替换 、 心脏动脉搭桥 等手术。 哈 尔滨工业大学、 北京航空航天大学、 北 京理工大学等也开展了 在 医疗 上手术 机器人的研究。 同时 比较国内和国外现状可以看出 ,国内医院的 医疗外科机器人的研究规模和范围小 ， 机器人功能 比较 简单 ， 能够执行的手术种类 较 少 ， 临床试验 使用较 少。在推广方面 还没有正式的 形成商业化运作的产品 ， 不能 满足不同医院 以及 科室的特殊需求。 而且 在 形式和 政策方面 ，国内 缺少跨学科研究激励 的相关 机制 并且 缺乏科研机构、院和产业界的密切合作 ,从而 严重的 影响了 微创 外科机器人的研究开发和产业化。 学的 加拿大不列颠哥伦比亚大学研 制的 图 外的 构 本文所描述的设计工作的首要目标是设计一个三自由度绳驱动 依靠舵机驱动，用两组钢丝绳耦合传动，使末端执行器可绕虚拟中心二维转动，并沿着自身轴线进行一维插入运动。 本机构样机选用舵机驱动，主要原因是与伺服电机相比， 舵机具有以下一些特点： (1) 体积紧凑，便于安装； (2) 输出力矩大，稳定性好； (3) 控制简单，便于和数字系统接口。 同时由于 舵机 比较 容易控制，结构设计简单，不需要齿轮传动，带传动等复杂的结构。在同样能实现样机基本的功能的情况下，选择舵机更方 便。 本机构设计采用的钢丝绳传动具有以下的优点： 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 4 （ 1）钢丝绳能够传递长距离的负载 （ 2）钢丝绳能够承受多种载荷及变载荷的作用 （ 3）钢丝绳具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度和抗冲击韧性 （ 4）钢丝绳在高速工作条件下，耐磨、抗震、运转稳定性好 （ 5）钢丝绳的耐腐蚀性好，能够在各种有害介质的恶劣环境中正常工作 （ 6）钢丝绳的柔软性能好，适宜于牵引、拉拽、捆扎等多方面的用途 （ 7）钢丝绳的承载安全系数大，使用安全可靠 综合考虑了舵机的转角范围，机构外形美观和加工精度等问题，本设计有具体的性能数 据要求，包括以下几个方面： 机构尺寸 250140 30构重量 600g 运动范围 180120 最大速度 20 / 动范围 25位精度 大速度 25mm/对以上的任务，本文完成的工作包括 : （ 1） 理论验证绳驱动可以实现 构的基本功能； （ 2） 用 和 个零件 的过程； （ 3） 通过 将 每 个零件组装的过程； 文构成 第一章 前言 ：介绍课题来源、背景及目的， 第二章 绳驱动 简单介绍 自由度的定义及计算、三自由度的优点、 自由度绳驱动 驱动及其基本原理，综合 以上 理论证明了绳驱动 第三章 介绍了 两种典型的 分析，同时详细的介绍了 绳驱动 文） 5 机构的分析 。 第四章 介绍了 三自由度绳驱动 构设计： 构样机的设计过程，以及各个零件的细节设计说明 以及设计中出现的问题及解决的办法。 零件装配和装配 中可能存在的问题 的 解决办法 。 第 五 章 总结和展望。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 6 基本原理 述 本章简单介绍了 首先介绍了自由度的定义及计算，从而引出 绍了 自由度绳驱动 细的介绍了三自由度绳驱动 后 引出绳驱动 分析了绳驱动的优缺点。 由度的定义 、 计算 及三自由度的优点 根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为 了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目），称为机构自由度（ of of 其数目常以 F 表示。如果一个构件组合体的自由度 F0，他就可以成为一个机构，即表明各构件间可有相对运动；如果 F=0，则它将是一个结构（ 即已退化为一个构件。机构自由度又有平面机构自由度和空间机构自由度。 平面机构自由度及计算方法： 设 平面机构 有 K 个构件。除去固定构件 (机架），则机构中的活动构件数为：1。 在未用运动副联接之前，这些活动构件的自由度总数为 3n。当运动副将构件联接起来组成机构之后，机构中各构件具有的自由度就减少了，若机构中的低副数（主要有移动副，转动副）为副（主要有凸轮机构，齿轮机构等）数为机构中全部运动副所引入的约束总数为 2P。因此活动构件的自由度总数减去运动副引入的约 束总数就是该机构的自由度（旧称机构活动度），以 F 表示，即 32n P P 这就是计算平面机构自由度的公式。由公式可知，机构自由度 F 取决于活动的构件数目以及运动副的性质（低副或者高副）和个数。 空间机构自由度 ： 由于空间机构中各自由构件的自由度位 6，所具有的运动副类型可以从 I 级副，其所提供的约束数目分别为 1 到 5,设一个空间机构共有 n 个活动构件， 级副， 级副， 级副， 级副和 文） 7 级 副，则空间机构的自由度为： 55 4 3 2 1 16 ( 5 4 3 2 ) 6 n P P P P P n i p 式中， i 为 i 级运动副的约束数。 自由度的多少取决于机构的原动件，本文所选择的 3 个自由度是因为机构在建立的 间坐标系中，既可以绕 X 轴转动，也可以绕 Z 轴转动和沿 足设计需求，同时可以使机构的外形美观，尺寸计算简便，结构简单，控制方便和成本低等优点。 构的定义 及优点 构是一种利用机构 来 实现固定 的 虚拟转动中心的 一种 机构 ， 它 可以使末端执行器绕空间内的某个固定点做旋转运动， 而 且 该虚拟固定点在机构的 远端 。 构作为机器人的腕部结构可以使末端 的 执行器 围 绕空间内的某个固定点做旋转运动， 而 且 该虚拟固定点在机构远端 ， 同时 构结构简单，控制方便，成本低廉，所以开发一种新型的 构并能嵌入到机器人系统中，以更好地辅助微创外科手术显得十分必要。 自由度绳驱动 构组成 及基本原理 本机构一共分为七部分： 第一部分是轴承外套， 轴承外套既是与基座连接的，也是机械臂的第一个关节，增加轴的灵活性。由于它承载的重 量不大，弯矩也小一些，所以只用两个螺钉固定就够了。 第二部分是轴，轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件 ，根据轴线形状的不同，轴分为曲轴和直轴两类；根据轴的承载情况转轴、心轴和传动轴，本文中的轴将 转动角度传递给末端执行器，从而完成末端执行器围绕虚拟远程转动中心转动的工作。 第三部分是 联轴器，联轴器主要用来连接轴和轴（或连接轴与其他回转零件），机器运转时两轴不能分离，只有机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离，用以传递运动与转矩， 补偿由于制造和安装 误差造成所联接两轴的轴向位移 ,径向位移和角位移，避免轴端产生过大的附加载荷，缓和减速机工作时轴北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 8 上的扭转冲击，改变轴系的共振转速， 当机器受到意外的过载时，往往会造成传动装置或其他机件的损坏。假如在传动轴系中采用安全联轴器，利用联袖器中联接元件的破断、分离或打滑，起到安全保护作用， 同时改善传动系统的工作性能。 第四部分是机械臂，机械手臂是目前在 机器人 技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置， 广泛应用于半导体制造、工业、医疗、军事、以及太空探索等领域 。 以医疗为例，有许多大型医学中心使用以手动操控方式之机械手 臂，结合 显微影像 显示系统所结合的手术型机器人。 尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个 相同 的特点，就是能够接受 机器发来的相关 指令，精确地定位到三维 或二维 空间上的某一点进行作业 ，从而完成相关的功能 。本文的 机械臂在 连接两个关节，它的长度决定着远程运动中心与整体机构距离的远近。 第五部分是 末端执行模块 ，带动末端执行器的插入运动。 第六部分是钢丝绳，对于绳驱动 丝绳就好像机器人的神经一样，围绕着机器人全身，牵引着机械臂的每个动作。 第七部分是舵机，舵机的主要功能是为机械臂提供动力。 本文的三自由度绳驱动虚拟远程运动中心机构，它由舵机做驱动力，通过两组钢丝绳传动，使其末端套管针可绕虚拟中心二维转动，并沿着自身轴线进行插入运动。 图 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 9 章小结 本章简单介绍了 介绍了机械中的自由度的定义及计算，通过自由度的定义和计算引出 构的定义，将 构 引入本文里，同时比较了 构的优点介绍了已有的 三自由度绳驱动 构的组成包括： 轴承外套、轴、联轴器、机械臂、 末端执行模块、钢丝绳和舵机， 通过初步的查阅一咨询，力求机构的简单化，紧接着 详细 地 介绍了三自由度绳驱动 构组成的 每一 个零件以及这些零件在机构中所起的作用，最后 提 出绳驱动构原理。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 10 3. 三自由度绳驱动 构 分析 述 本章重点的分析了 双平行四杆型 构和 等比同向传动型 构，从而引出了 一种特殊的等比同向传动型 构 绳驱动 构 ，其次通过对各个零件的计算和验证，最后设计和选择机构中适合的各个零件，同时对在设计的过程中遇到的问题提出解决的方法 。 种典型的 构分析 平行四杆型 构分析 双平行四杆 实现末端执行器绕虚拟中心转动的一类 平行四杆型 以，我们在这里以双平行四杆型 析 图 如图 以进行一维转动。 由平行四边形定理可知， 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 11 所以，当 角 度时， 角度。并且， 样 点的距离始终不变 一维旋转，所以 双平行四杆 关 的一维 结构模型 可以归纳如图 中，图 构 。由于机构中 过去除不 一样的相关 的约束，可以 演化 出其他几种 不同的 结构形式。此外，还可通过改变固定端，得到如图 g 样的 结构。 图 维 的 双平行四杆型 0种 不同的 构型 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 12 双平行四杆型 下所示 ： 机构的 结构简单，驱动 装置 可 以放置在基座处； 可以 通过连杆的 不同的 弯折变 形 可以 灵活 的 安排 此来 适应不同的应用要求； 运动范围较大。 然而任何机构都有自身的缺点，本机构的 缺点在于杆件之间的干涉以及平行四杆存在奇异位型， 然 而 机构的 奇异位形是 指 当机构 的运动进入某种临界状态的时候 所具有的 一种 特定 的位形， 并且 在这种临界状态下，机构的实际自由度数与其理论自由度数 不 相等，可能 存在两种情况：机构丧失了应有的自由度 或者是 机构获得了额外的自由度。如图 端杆出现两个不同运动方向，而且方向不定 ， 影响其运动范围；另外，由于铰链数目多造成机构刚度较差。 图 由于安装 机构的时候 必须 得 考虑到安装末端执行器以及 和 底座固定的铰链或者电机等需要占据一定的空间。为了保证末端执行器 的 轴线通过虚拟中心点，一般有如图 里以安装末端执行器为例：图 而使末端执行器通过虚拟中心；得虚拟中心移动一定距离，以满足安装需要。 （ a） （ b） 图 端执行器通过虚拟中心点的两种方法 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 13 （ a） （ b） （ c） （ d） 图 如图 末端加上独立的移动副和绕手术工具自转的转动副则构成一个实用的 4自由度 图 现在，有很多 如腹腔外科手术的 “ 手术机器人，加拿大哥伦比亚大学 2 等比同向 传动型 构分析 等比同向传动型 然形式上有所改变，但基本原理相同。 如图 动比为 1，两个带轮转动方向相同。可以看出，这样一套等比同向的传动系统可以等效为一组平行四杆机构。任意等比同向的传动方式都可以用来代替平行四杆结构，如带传动，齿轮传动，链传动等等。 图 域等比同向传动的 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 14 可以使用等比同向传动机构代替基于平行四杆 可以代替全部的两组平行四杆机构（如图 （ a）平行四杆型 构简图 （ b）同步带型 构原理图 图 如图 示，当 角度时，由 于 同步带 的 传动， 且四边形以 角度。 同时 因为 固定不动的 ，所以 转过 角度。 而因为 是两轮的同心轴，所以 将 转过 角度，由 于 同步带 的 传动 ， 且四边形 所以 再经过带传动 转过 角度。 这样无论轮怎么转动， 1终与 由平行四边形的性质知， 点的距离始终不变， 一维旋转，所以 如果机构整体可以同时沿 可以实现 果 样就构成了三自由度 同步带型 结构紧凑，体积小； 因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减少。所以在同样的传动比下，同北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 15 步带传动具有较紧凑的结构。 运动范围可达 360 360 ； 工作时无滑动，有准确的传动比 ，同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是 实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比， 即 机构两个转动都没有奇异位形。 维护保养方便，运转费用低 ； 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的钢丝等材料制成，故在运转过程中带仲长很小，不需要像三角带、链等经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低碍多。 缺点在于带传动中，压紧带轮 和 传动装置 的 结构 比较 复杂，导致重量比较大；另外，制造成本比较高。 等比同向传动型 传动，绳传动等方式。 齿轮传动精度低，传动距离也受限制。齿轮传动精度低，传动距离也受限制。因为，如果使用齿轮进行等比同向传动， 首先，在一组传动中，齿轮的数量要为奇数个。传动距离就是传动链中奇数个齿轮的直径和，不可以任意改变其传动距离。其次，传动链中齿轮至少有 3个，齿轮传动又不可避免齿轮间隙，很大程度的影响了传动精度和控制精度。因为，如果使用齿轮进行等比同向传动，所以不适于用在高精度，重量轻的 链传动传动距离不受限制，但精度很低 。 链传动 只能实现平行轴间链轮的同向传动，运转时由于瞬时传动比变化且产生振动和动载荷，导致产生多边形效应；同时，当链轮使用较长时间磨损后容易发生跳齿，而且工作时有较大的噪音，不宜用在载荷变化很大、 高速和急速反向的传动中， 而且铰链与传动齿轮间有间隙也会影响传动精度 。 绳传动则可以很好的避免齿轮传动和链传动中精度不高的问题，传动距离也不受限制。相对同步带传动而言，绳传动结构简单，重量轻。但绳索是不可收缩的，而转动需要双向传动，这就需要两端固定绳索，使其与传动轮间没有相对滑动，这就可以保证传动精度。 现在，同步带型 得到越来越多的关注，应用的前景也越来越广泛。 殊的等比同向 传动型 构 绳驱动 构 分析 弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不 伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合， 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 16 绳驱动机器与常规驱动机器人相比的不同之处在于采用钢绳而不是刚性连杆来驱动自身重量以及负载 ,它发展于上世纪四五十年代 ,并应用于外科手术等医学领域 这使得它有以下优点 : 可以产生很大的加 速度和速度 ,具有较小的惯性 ; 负载能力大 ; 工作空间大 ; 组装系统经济。 绳驱动是一种特殊的等比同向传动型 构。所以一个自由度的绳驱动 构的实现原理是与同步带相同的 。如图 示，由舵机 3 转动钢丝绳驱动装置 实现单自由度旋转范围为 180 。基座部分 1 与轴承座 2 连接，轴承座 2 通过轴承与轴 9 连接，连接板 4 固连在轴 9 和轴承座 1 上。轴承座 1通过轴承与轴 5 连接，钢丝绳绕在轴承座 2 和轴 5 上，滑轮组 25、 26 用来限制钢丝绳的位置。轴承座 1 通过轴承与轴 5 连接，连接板 4 固连在轴 5 和轴承座 7 上。轴承座 7 通过轴承与轴 6 连接，钢丝绳绕在轴承座 1 和轴 6 上，滑轮组 25、 26 用来限制钢丝绳的位置。轴 6 与末端工具夹持装置 14 固连。 图 构 钢丝绳的末端固定于轴承座 2上，中间固定在轴 5上。轴承座 2和轴 5上有钢丝绳的导向槽。当连接板 4和轴 9旋转一定的角度时，由于钢丝绳的作用，轴 5也相应的旋转一定的角度，使得轴 5相对与基座 24的角度恒定不变，从而连接板 4保持与基座 24平行。钢丝绳的缠绕方法与之相同，钢丝绳末端固定于轴承座 1上，中间固定在轴 6上，使得轴 6相对连接板 4的角度恒定不变，保证末端工具的轴线 2和连接板 4平行。如图 基座 24上加垂直于轴线 3方向的舵机 1，可以由舵机 1驱动固定转轴 8绕轴线 1进行 120 度旋转。这样整体机构就加了一个自由度，成为二自由度绳驱动 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 17 图 动 构 本机构样机的总体结构如图 术工具的中轴线 2与旋转轴线 1、3相交于一点，这个点即为远程运动中心（ 整个机构在不用时可以折叠以节省空间。末端执行器由舵机 2驱动 15、 16、 17、 19组成的曲柄滑块机构。滑轨 19固定在平板 14上，滑块 17沿滑轨直线运动，手术工具适配装置由盖板 19 和适配板 18组成，适配板 18使用 于不同直径的手术工具，应使用不同的手术工具适配装置，以确保手术工具的轴线 2 与轴线 1 相交。这样就有了末端插入运动的第三个自由度。整体机 构最终实现三自由度绳驱动 图 章小结 本章介绍了现有 种是平行四杆型，通过两组平行四边形耦合，形成一个新的大平行四边形。另一种是等比同北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 18 向传动型，通过两组同步带传动，所有转角相同，使三个带轮圆心和以虚拟远程中心组成新的平行四边形。两种机构虽然形式有所差别，但最后都可以实现机构末端围绕虚拟远程运动中心转动，可谓 “ 殊途同归 ” 。 经过本章的理论推导，证明绳驱动 驱动 构原理类似于同步 带传动的原理。但是通过与其他形式的等比同向传动型 驱动有结构简单，体积小重量轻等优点，比同步带传动构更具优势，并且符合预定的设计目标 。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 19 构组成的设计 和 选择及零件装配 述 本章将 主要 阐述三自由度绳驱动 据本机构样机的特点，将整个机构 分为不同的零件进行 设计 和选择 。 包括轴、轴承外套、机械臂等的设计和舵机以及联轴器的选择。 在设计中，运用 件的三维模型，并创建整体机构装配体三维的模型 ，同时通过 承外套、机械臂和零件的装配图等二维图进行绘制 。在建模过程中，各个零件的结构设计始终围绕着预定设计目标，以达到最符合以上条件的状态。 4 2 轴承外套的设计 （ a）基座轴承 的 外套 （ b）关节 的 轴承外套 1 （ c）关节轴承外套 2 （ d）关节 的 轴承外套 3 图 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 20 轴承外套的结构如图 样机总共需要 4个型号相同的轴承 ，但考虑到 4个轴承外套所处的位置和功能上的差异性，它们的结构各不相同，有的复杂，有的简单。下面将分别介绍设计的详细过程。 如图 a） 所示，无绕绳基座的轴承外套结构比较简单。它是整个机构与外部卡具固定轴的轴承外套。由于承载了整个机构的重量，受弯矩较大，所以用四个螺钉将其固定在基座上。考虑到它不需其他的功能，所以设计时，尽可能将它设计得很简单，很薄，很轻。 如图 b） 所示，这个轴承外套既是与基座连接的，也是机械臂的第一个关节。由于它承载的重量不大，弯矩也小一些，所以只用两个螺钉固定就够了。 它上面的定位销是在绕钢丝绳的时候，使机械臂 线孔是防止绕钢丝绳时，钢丝绳彼此重叠，影响转动半径，最终影响虚拟转动中心的转动精度。固定钢丝绳的两个螺纹孔是靠垫片将绕过螺钉的钢丝绳压紧而固定的。 如图 c） 所示，与末端执行器连接的轴承外套外形也比较简单，功能也比较少。定位销是绕钢丝绳时，起机械臂 b 与末端执行器相互垂直的作用。固定板的槽是要与机械臂 定板处的圆弧，不是为了外形而倒的圆角，而是加工时铣刀半径所产生的。 如图 d） 所示，关节轴承外套 2是连接两个机 械臂的，它起着承上启下的作用。图中可以看出，它的结构复杂，附带的功能很多。首先，定位销是在绕钢丝绳时，保持两个机械臂垂直的。其次，固定板的槽是要与机械臂 要比机械臂的板厚深，以不干扰轴与它的连接。再次，绕线槽的宽度要足够可以使钢丝绳绕过两匝，槽的直径也要与对应轴上的槽直径相等，它要求的加工精度很高，是关系整个机构成败的关键结构。最后，卡环槽是为轴承定位的，使轴承不产生轴向的移动。 上述设计模型全部由 计过程中，充分考虑了零件功能，零件外形，零件重量，零件加工工艺 简单等方面。 4 3 轴的设计 轴是组成机器的主要零件之一，一切作回转运动的传动零件