PL237444B1 - Robot hybrydowy - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest robot hybrydowy o pięciu stopniach swobody, zawierający podstawę, ramiona połączone przegubami i chwytak. Robot charakteryzuje tym, że składa się z dwóch mechanizmów płaskich (A i B), które zorientowane są w przestrzeni prostopadle tak, że gdy pierwszy mechanizm płaski (A) znajduje się w płaszczyźnie poziomej to drugi mechanizm płaski (B) ułożony jest w płaszczyźnie pionowej i w skład pierwszego mechanizmu płaskiego (A) wchodzą dwa człony pryzmatyczne, pierwszy człon pryzmatyczny (1) i drugi człon pryzmatyczny (2), poruszające się po prowadnicach, pierwszej prowadnicy (I) i drugiej prowadnicy (II), oraz dwa przeguby obrotowe, pierwszy przegub obrotowy (a) i drugi przegub obrotowy (b) połączone trzecią prowadnicą (III), przy czym pierwszy przegub obrotowy (a) jest połączony z trzecią prowadnicą (III) poprzez trzeci człon pryzmatyczny (3), zaś prowadnice, pierwsza prowadnica (I) i druga prowadnica (II) stanowią podstawę robota, natomiast drugi mechanizm płaski (B) zawiera w sobie trzy człony pryzmatyczne (4, 5, 6) poruszające się po trzeciej prowadnicy (III), przy czym te człony pryzmatyczne (4, 5, 6) są połączone za pomocą układu ramion (IV) połączonych za pomocą przegubów obrotowych (c).

Description

Przedmiotem wynalazku jest robot hybrydowy o pięciu stopniach swobody, znajdujący zastosowanie przy pracach montażowych oraz manipulacji, również przy zabiegach medycznych.

Znane są roboty lub manipulatory o kilku stopniach swobody.

Znany z patentu nr PL208563 manipulator równoległy o pięciu stopniach swobody zawiera ruchomą platformę stanowiącą przegub łączący trzy ramiona. Ramiona poruszane są za pomocą napędów liniowych mocowanych do bazy poprzez przeguby uniwersalne umieszczone w jednej płaszczyźnie.

Dokładniej, trzy ramiona o zmiennej długości są wyposażone w siłowniki liniowe i człony wysuwne, połączone przegubowo - w układzie przestrzennym krawędzi bocznych ostrosłupa ściętego - między bazą manipulatora i bazą uchwytu. Przeguby łączące ramiona z bazą manipulatora są przegubami obrotowymi o 2 stopniach swobody, a przeguby uchwytu łączące drugie końce ramion z bazą uchwytu są przegubami obrotowymi o 1 stopniu swobody. Z bazą uchwytu przeguby uchwytu połączone są za pośrednictwem wspólnego przegubu obrotowego, w którym osie przegubów uchwytu leżą w płaszczyznach prostopadłych do osi wspólnego przegubu obrotowego. Istota rozwiązania polega na tym, że człony wysuwne ramion łożyskowane są obrotowo w korpusach ramion, przy czym w co najmniej dwóch ramionach połączone są one przez przelotowe złącza napędowe z zespołami obrotu. W rozwiązaniu takim o pozycji bazy uchwytu względem bazy manipulatora decydują siłowniki liniowe, natomiast o orientacji osi tej bazy - zespoły obrotu członów wysuwnych.

Dla orientacji chwytaka wystarczającym jest, gdy dwa ramiona mają zespoły obrotu członów wysuwnych. Zastosowanie zespołów obrotu na wszystkich trzech ramionach podnosi parametry eksploatacyjne robota. Całość układu tworzy zamknięty łańcuch kinematyczny, charakteryzujący się wysoką sztywnością.

Inny manipulator przedstawiony w opisie patentowym zgłoszenia międzynarodowego WO 99 10 137 ma sześć siłowników liniowych z poosiowymi prowadnicami wzdłużnymi. Człony nieruchome siłowników zamocowane są sztywno do bazy manipulatora, równolegle względem siebie oraz w usytuowaniu kołowym. Człony ruchome siłowników połączone są przez łączniki z bazą uchwytu, przy czym połączenie to realizowane jest na obu końcach każdego łącznika poprzez przeguby obrotowe o dwóch stopniach swobody, z dwoma przecinającymi się prostopadle osiami obrotu. Łączniki są wzdłużnie wygięte i w przestrzeni roboczej, między nieruchomą bazą manipulatora i ruchomą bazą uchwytu krzyżują się parami ze sobą.

Znany jest również manipulator Stewarta posiadający sześć ramion o zmiennej długości, łączących bazę manipulatora z bazą uchwytu poprzez przeguby kulowe lub uniwersalne. Sterowana długość poszczególnych ramion pozwala na orientację uchwytu w sześciu stopniach swobody. Zakres ruchów w poszczególnych stopniach swobody zależy od sposobu mocowania ramion oraz od długości wys unięcia ramion. W rozwiązaniu takim zwiększenie zakresu ruchu w jednym stopniu swobody powoduje równoczesne zmniejszenie w innym, a ponadto, zmiana długości roboczej każdego ramienia wpływa na wszystkie pozostałe stopnie swobody, co znacznie komplikuje układ sterowania.

Znane jest z chińskiego opisu patentowego CN 102211252A laserowe urządzenie do cięcia, w którym głowica lasera umieszczona jest przesuwnie na belce która z kolei umieszczona jest przesuwnie na dwóch szynach położonych równolegle względem siebie, ale prostopadle do belki nośnej.

Głowica lasera umieszczona jest przesuwnie na belce za pomocą przesuwnych prętów łączących.

Znane jest z amerykańskiego opisu patentowego US20040052628A1 urządzenie do programowalnego podtrzymywania i przemieszczania elementu ruchomego w ustalonym fragmencie przestrzeni, przydatne w obróbce maszynowej. Element posiada kilka (co najmniej dwa) przegubów obrotowych połączonych prętami z platformami przesuwnymi, również wyposażonymi w przeguby obrotowe, które umieszczone są na szynach umożliwiających liniowy ruch platform przesuwnych.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US8973768B1 system robota suwnicowego. Urządzenie składa się z ruchomego mostu zawieszonego na dwóch szynach, który łączy się z szynami za pomocą wysuwanych łączników umożliwiających zmianę nachylenia mostu względem szyn. Na ruchomym moście zawieszona jest instalacja nośna.

W niektórych dziedzinach istotne jest specyficzne ukształtowanie robota lub manipulatora w połączeniu z dużą precyzją działania. Do tych dziedzin należy chirurgia, zwłaszcza chirurgia w ginekologii i urologii. Roboty wykorzystywane podczas zabiegów chirurgicznych muszą zapewniać bardzo dużą precyzję i sztywność, oraz muszą mieć postać i zakres ruchu dostosowane do konkretnych potrzeb lekarzy chirurgów. W szczególności, istnieje zapotrzebowanie na urządzenie, które ułatwi podawanie

PL 237 444 B1 komórek macierzystych do mięśnia zwieracza pęcherza moczowego u kobiet. Z abieg ten przeprowadzany jest u kobiet z problemem wysiłkowego nietrzymania moczu. Szacuje się, że ponad połowa kobiet po 60 roku życia oraz 60-70 procent kobiet po porodzie ma z tym problem. Jedną z metod leczenie jest precyzyjne podanie komórek macierzystych w mięsień. Zlokalizowanie miejsca oraz jego nakłucie jest bardzo trudne przy prowadzeniu operacji w sposób tradycyjny, stąd też potrzeba stworzenia robota, który mógłby przeprowadzić ten proces pod kontrolą lekarza. Obecnie nie ma na świecie robotów, które umożliwiłyby przeprowadzenie takiego zabiegu.

Robot hybrydowy o pięciu stopniach swobody, zawierający podstawę, ramiona połączone przegubami i chwytak, według wynalazku charakteryzuje się tym, że składa się z dwóch mechanizmów płaskich, które zorientowane są w przestrzeni prostopadle tak, że gdy pierwszy mechanizm płaski znajduje się w płaszczyźnie poziomej to drugi mechanizm płaski ułożony jest w płaszczyźnie pionowej i w skład pierwszego mechanizmu płaskiego wchodzą dwa człony pryzmatyczne pierwszy i drugi poruszające się po prowadnicach pierwszej i drugiej, oraz dwa przeguby obrotowe pierwszy i drugi, połączone trzecią prowadnicą, przy czym pierwszy przegub obrotowy jest połączony z trzecią prowadnicą poprzez trzeci człon pryzmatyczny, zaś prowadnice pierwsza i druga stanowią podstawę robota, natomiast drugi mechanizm płaski zawiera w sobie kolejne trzy człony pryzmatyczne poruszające się po trzeciej prowadnicy, przy czym te człony pryzmatyczne są połączone za pomocą układu ramion połączonych za pomocą przegubów obrotowych.

Korzystnie człony pryzmatyczne napędzane są za pomocą napędu liniowego.

Korzystnie człony pryzmatyczne napędzane są za pomocą napędu śrubowego.

Korzystnie napęd jest elektryczny, korzystnie napęd stanowi silnik prądu stałego lub silnik krokowy.

Korzystnie napęd jest pneumatyczny liniowy.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładach wyk onania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat struktury kinematycznej robota hybrydowego, fig. 2 przedstawia w widoku perspektywicznym robota hybrydowego z napędem bezpośrednim obrotowym, a fig. 3 przedstawia w widoku perspektywicznym robota hybrydowego z napędem liniowym.

Jak widać na schemacie przedstawionym na figurze 1 robot hybrydowy według wynalazku składa się z dwóch mechanizmów płaskich A i B. Mechanizmy płaskie A i B zorientowane są w przestrzeni prostopadle tak, że gdy pierwszy mechanizm płaski A znajduje się w płaszczyźnie poziomej to drugi mechanizm płaski B ułożony jest w płaszczyźnie pionowej.

W skład pierwszego mechanizmu płaskiego A wchodzą dwa człony pryzmatyczne, pierwszy człon pryzmatyczny 1 i drugi człon pryzmatyczny 2, poruszające się po prowadnicach odpowiednio, pierwszej prowadnicy I i drugiej prowadnicy II oraz dwa przeguby obrotowe, pierwszy przegub obrotowy a i drugi przewód obrotowy b połączone trzecią prowadnicą III, gdzie pierwszy przegub obrotowy a połączono z trzecią prowadnicą III poprzez trzeci człon pryzmatyczny 3.

Prowadnice pierwsza I i druga II stanowią podstawę robota.

Drugi mechanizm płaski B zawiera w sobie trzy człony pryzmatyczne 4, 5, 6 poruszające się po trzeciej prowadnicy III. Człony te połączono za pomocą układu ramion IV łączonych za pomocą przegubów obrotowych c.

Przedstawiony na figurze 2 robot hybrydowy wykorzystuje napędy bezpośrednie 9 przymocowane bezpośrednio do członów pryzmatycznych, odpowiednio 4, 5, 6. Napędy 9 umieszczone są na śrubie 10. Sama śruba 10 jest unieruchomiona. Wskutek tego obracające się napędy 9 przesuwają się razem z członami pryzmatycznymi 4, 5, 6, które poruszają się po trzeciej prowadnicy III.

W przykładzie wykonania uwidocznionym na figurze 3, napędy 9 popychają człony pryzmatyczne 4, 5, 6 poprzez śrubę 10, z tym że w tym przykładzie napędy 9 nie poruszają się z członami pryzmatycznymi 4, 5, 6, gdyż są utwierdzone.

Przy takiej konfiguracji napędy 9 mogą być elektryczne (prądu stałego, krokowe itp.) ze śrubą lub pneumatyczne liniowe itp.

W obu przykładach wykonania przedstawionych na fig. 2 i fig. 3, górne końce ramion IV połączone są z platformą 7, na której zamocowany jest chwytak 8.

Robot hybrydowy według wynalazku może być stosowany do zabiegów chirurgicznych, w szczególności ginekologicznych i urologicznych. Szczególnie korzystne jest zastosowanie robota hybrydowego według wynalazku do operacji podania komórek macierzystych do mięśnia zwieracza cewki moczowej u kobiet. Kontrolowany przez lekarza robot może przeprowadzić taką operację bardziej precyzyjnie.

PL 237 444 B1

Robot hybrydowy według wynalazku składa się z dwóch mechanizmów. Jest to pierwsza zaleta, która w znacznym stopniu podnosi walory pracy w obszarze miednicy mniejszej. Mechanizm „pionowy” jest mechanizmem płaskim, dzięki czemu bez problemu mieści się pomiędzy nogami pacjenta. Mechanizm ten jest mechanizmem równoległym a co za tym idzie daje dużą sztywność i precyzję przy niewielkiej masie układu. Dodatkowo człony liniowe (pryzmatyczne) ułożono na jednej prowadnicy. Uzyskuje się przez to łatwe wysunięcie końcówki robota z pacjenta w przypadku sytuacji awaryjnych. Mechanizm pionowy posiada trzy stopnie swobody, umożliwiając ruch końcówki w osi pionowej, osi od i do pacjenta oraz pochylenie końcówki. Szczególną zaletą jest duży ruch od i do pacjenta. W zaproponowanym rozwiązaniu zakres ten jest największy. Dlatego robot hybrydowy może służyć do wszelkich zabiegów urologicznych jak i ginekologicznych lub innych wykonywanych w obszarze miednicy mniejszej zarówno u kobiet jak i u mężczyzn.

Mechanizm „poziomy” jest uzupełnieniem robota hybrydowego. Dodaje dwa stopnie swobody: ruch poziomy i obrót. Ruchy te są przydatne w początkowej fazie zabiegu, kiedy to lekarz orientuje końcówkę robota względem pacjenta. Mechanizm ten posiada jeszcze jedną zaletę. Jego konfiguracja pozwala na łatwe przymocowanie robota hybrydowego do stołu operacyjnego.

Połączenie mechanizmu „pionowego” i „poziomego” umożliwia lekarzowi pełną swobodę pracy, przy niezwykle zwartej konstrukcji robota. Jest to kolejna zaleta proponowanego rozwiązania, gdyż z obserwacji przeprowadzonych przez autorów wynalazku wynika, iż podczas operacji medycznych przestrzeń dla robota jest bardzo mała. Przy stole operacyjnym znajduje się wiele innych urządzeń i uniknięcie kolizji umożliwia tylko dedykowana konstrukcja w postaci robota hybrydowego.

Claims (5)

1. Robot hybrydowy o pięciu stopniach swobody, zawierający podstawę, ramiona połączone przegubami i chwytak, znamienny tym, że składa się z dwóch mechanizmów płaskich (A i B), które zorientowane są w przestrzeni prostopadle tak, że gdy pierwszy mechanizm płaski (A) znajduje się w płaszczyźnie poziomej to drugi mechanizm płaski (B) ułożony jest w płaszczyźnie pionowej i w skład pierwszego mechanizmu płaskiego (A) wchodzą dwa człony pryzmatyczne, pierwszy człon pryzmatyczny (1) i drugi człon pryzmatyczny (2), poruszające się po prowadnicach, pierwszej prowadnicy (I) i drugiej prowadnicy (II), oraz dwa przeguby obrotowe, pierwszy przegub obrotowy (a) i drugi przegub obrotowy (b) połączone trzecią prowadnicą (III), przy czym pierwszy przegub obrotowy (a) jest połączony z trzecią prowadnicą (III) poprzez trzeci człon pryzmatyczny (3), zaś prowadnice, pierwsza prowadnica (I) i druga prowadnica (II) stanowią podstawę robota, natomiast drugi mechanizm płaski (B) zawiera w sobie trzy człony pryzmatyczne (4, 5, 6) poruszające się po trzeciej prowadnicy (III), przy czym te człony pryzmatyczne (4, 5, 6) są połączone za pomocą układu ramion (IV) połączonych za pomocą przegubów obrotowych (c).

2. Robot według zastrz. 1, znamienny tym, że człony pryzmatyczne (1, 2, 3, 4, 5, 6) napędzane są za pomocą napędu liniowego.

3. Robot według zastrz. 1, znamienny tym, że człony pryzmatyczne (1, 2, 3, 4, 5, 6) napędzane są za pomocą napędu śrubowego.

4. Robot według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd jest elektryczny, korzystnie napęd stanowi silnik prądu stałego lub silnik krokowy.

5. Robot według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd jest pneumatyczny liniowy.