CN103616105B - 可检测传动力并进行传动的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可检测传动力并进行传动的装置，它包括主动轴承和被动轴承，主动轴承和被动轴承的轴线彼此平行并上下间隔设置，联轴器与主动轴承的内圈紧固配合，在主动轴承的外圈上与其过盈配合的套有外圈套，在外圈套上套有主动轴承侧橡胶套，主动轴承的内圈与主动轴承的外圈通过弹性元件相连，一个角度传感器用于测量主动轴承的外圈和内圈的相对转角；在被动轴承的内圈内插有与被动轴承的内圈运紧固配合的支承轴，支承轴的一端与支撑板的长孔在预定的位置固定相连，被动轴承侧橡胶套套在被动轴承的外圈上，在被动轴承侧橡胶套上套有与其过盈配合的第二外圈套。采用本方法使得该机构可以测得微小传动力，同时又可进行有效的传动。

Description

可检测传动力并进行传动的装置

技术领域

本发明涉及一种涉及机器人自动化领域中可检测传动力的装置，特别涉及针对辅助血管内微创介入手术机器人的导丝传动、其他医疗机械人以及工业自动化领域要求精确地传动和传动力检测的装置。

背景技术

随着自动化和机器人技术的发展进步，机械设备的智能化水平不断提高，人机交互的可靠性，柔顺性和安全性也得到了很大程度的发展。然而人机交互的环境下设备的缺乏外界力的检测设备或者使用力传感器检测交互过程中的力，很多场合下这种检测难以达到使用的要求，比如噪声干扰太大和动态情况下测量误差大。

典型的实例是辅助血管内微创介入手术机器人代替医生向人体内部插入导管或者导丝，由于插入导丝长度较长，很多此类机器人采用滚子带动导丝或者导管插入的方式，在插入过程中，需要实时检测插入导丝或者导管的阻力，由于力传感器没有安装在设备的最前端，也就是设备的很大的惯量导致的力也作用在传感器上，采集到的力的信噪比小，很难有效的祛除噪声以得到稳定的阻力信息。

将弹性元件连接在电机输出与负载之间形成串联弹性驱动器在1997年的美国专利(5650704)中阐述了线性弹性驱动器的力反馈控制方法；旋转弹性驱动器则在2011年美国专利(US 2011/0067517 A1)中针对人形机器人的设计加以阐述。这两者都是直接利用弹性元件形变产生的力作为驱动力，例如沿弹性元件形变方向的推力，拉力或扭转力。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种既可以测得微小传动力，同时又可进行有效的传动的可检测传动力并进行传动的装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的可检测传动力并进行传动的装置，它包括主动轴承和被动轴承，所述的主动轴承和被动轴承的轴线彼此平行并上下间隔设置，联轴器一侧插在所述的主动轴承的内圈内并与主动轴承的内圈紧固配合，所述的联轴器另一侧与电机的电机轴固定相连，在所述的主动轴承的外圈上与其过盈配合的套有第一外圈套，在所述的第一外圈套上套有主动轴承侧橡胶套，所述的主动轴承的内圈与主动轴承的外圈通过弹性元件相连，一个角度传感器用于测量主动轴承的外圈和内圈的相对转角或者用于测量主动轴承的外圈的绝对转角；在所述的被动轴承的内圈内插有与被动轴承的内圈紧固配合的支承轴，所述的支承轴的一端插在支撑板的长孔内并且支承轴能够在所述的长孔内沿着与被动轴承轴线垂直的方向上下移动，所述的支承轴的一端与支撑板的长孔在预定的位置固定相连，被动轴承侧橡胶套套在被动轴承的外圈上并与被动轴承的外圈过盈配合，在所述的被动轴承侧橡胶套上套有与其过盈配合的第二外圈套，所述的电机以及支撑板分别与支撑装置相连。

本发明的优点在于：

针对需要实时检测传动力的传动场合，特别是微小传动力的场合，本装置发挥了轴承内外圈可以高精度的相对运动，同时摩擦力小的优势，通过弹性元件将轴承内外圈连接起来，外界环境作用在轴承外圈的周向力得以最大限度的反应在弹性元件的弹性形变上，使得该机构可以测得微小传动力，同时又可进行有效的传动。这种设计可以使得在传动过程中在外界的复杂的接触力环境下实现更好的柔顺性，特别是人机交互领域保障了操作的安全性和操作性。

附图说明

图1是本发明的可检测传动力并进行传动的装置的侧示图；

图2是图1所示的装置的主视图；

图3是本发明的图1所示的结构的测试原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明的可检测传动力并进行传动的装置，它包括主动轴承和被动轴承，所述的主动轴承和被动轴承的轴线彼此平行并上下间隔设置，联轴器6一侧插在所述的主动轴承的内圈3-2内并与主动轴承的内圈3-2紧固配合，所述的联轴器另一侧与电机20的电机轴固定相连，所述的主动轴承的外圈3-1与第一外圈套2过盈配合，使其之间的摩擦力大于传动过程中的传动力，以保证在传动过程中无相对滑动。在所述的第一外圈套2上套有主动轴承侧橡胶套10，主动轴承侧橡胶套10通过张紧力固定在主动轴承第一外圈套2上，使其更换方便，实现一次性使用。所述的主动轴承的内圈3-2与主动轴承的外圈3-1通过弹性元件9相连，一个角度传感器8用于测量主动轴承的外圈和内圈的相对转角或者用于测量主动轴承的外圈的绝对转角；在所述的被动轴承的内圈17-1内插有与被动轴承的内圈紧固配合的支承轴14，所述的支承轴的一端插在支撑板13的长孔内并且支承轴能够在所述的长孔内沿着与被动轴承轴线垂直的方向上下移动，所述的支承轴的一端与支撑板的长孔在预定的位置固定相连，支撑板13上开有长孔使得被动轴承的轴线与主动轴承的轴线之间的距离可调，即被动轴承可沿着与其轴线垂直的方向移动，同时优选的为防止被动轴承的支撑轴14沿与被动轴承的轴线和长孔中心线垂直的方向转动，从而导致被传动物体11的夹紧效果不良，被动轴承的内圈17-1通过设置在其两侧的压紧螺母15和套筒16固定在支撑板13上。被动轴承侧橡胶套18套在被动轴承的外圈17-2上并与被动轴承的外圈过盈配合，在所述的橡胶套18上套有与其过盈配合的第二外圈套12。被动轴承在传动过程中的主要作用是使传动物体11压紧主动轴承，同时尽量不在传动方向上给传动物体11施加力，为实现这一作用，硬度较大的第二外圈套12套在被动轴承侧橡胶套18上，同时针对横截面是圆形的传动物体(如辅助血管内微创介入手术机器人的导丝或者导管)，优选的在所述的第二外圈套12上设置有“V”型槽，保证传动物体11不发生轴向移动；被动轴承的第二外圈套12与导丝直接接触，可以采用硬度较大的金属，以保证V型槽在压紧过程中不变形。为了满足卫生要求，第二外圈套12是一次性的，被动轴承侧橡胶套18也是一次性用品。所述的电机与电机支撑装置19相连，支撑板与支撑板支撑装置相连。

电机20的电机轴与联轴器6可用顶丝4连接也可使用键连接。所述的电机可以采用伺服电机，步进电机等。

优选的实现联轴器与主动轴承紧固配合所采用的结构为联轴器6与主动轴承内圈通过压紧螺母5连接，利用摩擦力使得联轴器6和主动轴承内圈的运动保持一致；也可采用过盈配合，也可产生足够大的摩擦力来实现联轴器6和主动轴承内圈的运动一致；也可采用非标准轴承，内圈和外圈带键槽的轴承，通过键连接使得联轴器6和主动轴承内圈运动一致。

主动轴承内圈与外圈通过弹性元件9连接，若弹性元件为弹簧片，则可使用螺栓或者顶丝7弹簧片的两端，使其与主动轴承内圈以及外圈固定连接。所述的弹性元件9还可以是具有弹性的杆，板簧，扭簧等。根据其材料特性不同，形状结构不同，计算相应的弹性形变量与弹性力的关系，设计相应的链接固定方式。

为增大主动轴承外圈3-1与被传动物体11之间的摩擦力，采用大摩擦系数材料如主动轴承侧橡胶套10等套在主动轴承第一外圈套2上，其尺寸和材质根据实际需要选择，必须使得其与第一外圈套2和传动物体11之间无相对滑动。在辅助血管内微创介入手术机器人应用实例中，主动轴承侧橡胶10直接接触导丝或者导管，因此是一次性零件，本装置可以方便的安装和拆卸该零件。

主动轴承的外圈和内圈之间的相对转角可以通过传感器测得，如：主动轴承的外圈的转动的测量采用角度传感器8(角度计)，角度传感器8的固定部件与联轴器6固定连接，角度传感器8的转动部件通过刚性连杆1与主动轴承第一外圈套2相连。也可以采用传感器测量外圈绝对转角得到主动轴承的外圈和内圈之间的相对转角，如霍尔角度传感器，光学角度传感器等，霍尔传感器的安装使用方法：在主动轴承外圈上放置永磁铁，霍尔传感器的本体靠近主动轴承外圈，这样主动轴承外圈旋转时会带动永磁铁转动，从而改变霍尔传感器周围的磁场强度，因此霍尔传感器就能将这种变化转化为主动轴承外圈的转角；光学角度传感器只需将光学部件，发送和接受器靠近轴承外圈，便可检测轴承外圈的转动，类似于光电鼠标的原理，是通过图像处理的方式检测运动的。

电机为直流有刷电机并配有编码器，由于传动过程中，传动力通过弹性元件9的弹性形变测得，因此可以采用位置作为反馈信息的闭环控制，也可以采用力作为反馈信息的闭环控制，也可采用多闭环控制。如图2所示，被传动物体的位移量x为电机输出轴的转角θ与传感器8所测的角度β之和与外圈套2半径r的乘积即x＝(θ+β)r_ao；

传动过程中传动力F与弹性元件9的弹性形变β有关，与主动轴承滚子和外圈之间的摩擦力f_a有关，与主动轴承的外圈的运动情况θ+β有关，与被动轴承的运动情况有关，与被动轴承内外圈之间的摩擦力有关。如图2，电机输出的扭矩T:

$T=I_{\mathrm{ai}}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+f_a{r}_i+F_s{r}_{\mathrm{ao}}---\left(1\right)$

其中T为电机输出扭矩；I_ai为主动轴承内圈转动惯量；f_a为主动轴承内圈与滚子之间的摩擦力；F_s为主动轴承内外圈之间弹性元件形变产生的力；r_ao为主动轴承外圈套的半径；r_i为主动轴承内圈外侧的半径；I_ai可以通过计算或者测量计算间接得到。

针对辅助血管内微创介入手术传动物体为导丝因此其质量可以忽略不计，对主动轴承外圈以及外圈套作为一个整体进行动力学分析如下：

$F_s{r}_{\mathrm{ao}}+f_a{r}_o-{\mathrm{Fr}}_{\mathrm{ao}}=I_{\mathrm{ao}}(\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}})+I_{\mathrm{po}}(\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}})+f_p{r}_o---\left(2\right)$

其中F为传动力，即需要测量的传动过程中的阻力；I_ao为主动轴承外圈以及外圈套的转动惯量；I_po为被动轴承外圈以及外圈套的转动惯量；r_o为主动轴承外圈内侧的半径；由于轴承内外圈与滚子之间的摩擦很小，一般情况下可以忽略，因此上面两式可写作：

$T=I_{\mathrm{ai}}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+F_s{r}_{\mathrm{ao}}---\left(3\right)$

$F=F_s-I_{\mathrm{ao}}(\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}})/r_{\mathrm{ao}}-I_{\mathrm{po}}(\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}})/r_{\mathrm{ao}}---\left(4\right)$

公式(3)是电机输出扭矩的表达式，可以根据此公式实现电机的扭矩控制。式(4)中角度θ和角度β可以测量得到，I_ai和I_po可以通过计算或者测量间接得到，主动和被动轴承的内外圈的内外半径也可测得，力F_s根据不同弹性元件的形变量与力之间的关系可以计算获得，因此此方法可以有效测量微小阻力即式中的传动力F。

Claims (8)

1.可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：它包括主动轴承和被动轴承，所述的主动轴承和被动轴承的轴线彼此平行并上下间隔设置，联轴器一侧插在所述的主动轴承的内圈内并与主动轴承的内圈紧固配合，所述的联轴器另一侧与电机的电机轴固定相连，在所述的主动轴承的外圈上与其过盈配合的套有第一外圈套，在所述的第一外圈套上套有主动轴承侧橡胶套，所述的主动轴承的内圈与主动轴承的外圈通过弹性元件相连，一个角度传感器用于测量主动轴承的外圈和内圈的相对转角或者用于测量主动轴承的外圈的绝对转角；在所述的被动轴承的内圈内插有与被动轴承的内圈紧固配合的支承轴，所述的支承轴的一端插在支撑板的长孔内并且支承轴能够在所述的长孔内沿着与被动轴承轴线垂直的方向上下移动，所述的支承轴的一端与支撑板的长孔在预定的位置固定相连，被动轴承侧橡胶套套在被动轴承的外圈上并与被动轴承的外圈过盈配合，在所述的被动轴承侧橡胶套上套有与其过盈配合的第二外圈套，所述的电机以及支撑板分别与支撑装置相连。

2.根据权利要求1所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：所述的弹性元件是板簧、扭簧、弹簧片或者具有弹性的杆中的一种。

3.根据权利要求2所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：所述的弹簧片两端通过螺栓或者顶丝与主动轴承内圈以及外圈固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：一个用于测量主动轴承的外圈和内圈的相对转角的角度传感器的固定部件与联轴器固定连接，角度传感器的转动部件通过刚性连杆与第一外圈套相连。

5.根据权利要求1或2所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：用于测量主动轴承的外圈的绝对转角的角度传感器为霍尔角度传感器或者光学角度传感器中的一种。

6.根据权利要求1或2所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：在所述的第二外圈套上设置有“V”型槽。

7.根据权利要求1或2所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：所述的被动轴承的内圈通过设置在其两侧的压紧螺母和套筒固定在支撑板上。

8.根据权利要求1或2所述的可检测传动力并进行传动的装置，其特征在于：所述的电机采用伺服电机或者步进电机中的一种。