CN103622751A - 一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节 - Google Patents

Abstract

一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，它涉及一种外科手术机器人被动关节。本发明为了解决现有液压驱动锁紧关节设计复杂，需要液压泵站且液压油易泄露；气动驱动锁紧关节设计需要气泵，噪音大；电磁动力锁紧方式发热量大、强电磁干扰、关节体积大。本发明下壳体的上端可转动内嵌到上壳体的下部，步进电机设置在电机座内，步进电机的输出端由下至上依次与输入轴、谐波减速器和输出轴连接，弹性联轴器套装在步进电机的输出轴与输入轴上，齿轮设置在输出轴上，壳体连接件、下轴承壳体和上轴承壳体由下至上依次安装在电机座上，齿轮丝杠轴安装在下壳体内，楔形摩擦件安装支撑件上，编码器安装在编码器连接件上。本发明用于外科手术机器人。

Description

一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节

技术领域

本发明涉及一种外科手术机器人被动关节，具体涉及一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节。

背景技术

将机器人技术引入到外科手术中，提高了外科手术的操作精度和质量。在机器人外科手术中医生需要手动调整机器人的关节，使机器人末端执行器调整到预定的位置，然后将机器人关节锁死，以实现机器人末端执行器稳定定位。在机器人外科手术中要求机器人关节实现连续转动、具有关节角度反馈、可实现任意位置可靠锁紧的特点。目前，外科手术机器人被动关节的设计主要采用液压驱动、气动驱动及电磁动力锁紧。液压驱动锁紧关节设计复杂，需要液压泵站且液压油易泄露不易于应用医用机器人。气动驱动锁紧关节设计需要气泵，在工作过程中产生的噪音较大。电磁动力锁紧方式存在发热量大、强电磁干扰、关节体积大的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有液压驱动锁紧关节设计复杂，需要液压泵站且液压油易泄露不易于应用医用机器人；气动驱动锁紧关节设计需要气泵，在工作过程中产生的噪音大；电磁动力锁紧方式存在发热量大、强电磁干扰、关节体积大的问题。进而提供一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节。

本发明的技术方案是：一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，包括下壳体、底板、上壳体、顶盖、电机座、步进电机、壳体连接件、弹性联轴器、输入轴、谐波减速器、下轴承壳体、输出轴、齿轮、上轴承壳体、齿轮丝杠轴、导向件、支撑件、楔形摩擦件、编码器轴、编码器和编码器连接件，下壳体的下端固定安装有底板，下壳体的上端可转动内嵌到上壳体的下部，顶盖固定安装在上壳体的上端，电机座固定安装在下壳体内，步进电机设置在电机座内，步进电机的输出端由下至上依次与输入轴、谐波减速器和输出轴连接，弹性联轴器套装在步进电机的输出轴与输入轴上，齿轮设置在输出轴上，壳体连接件、下轴承壳体和上轴承壳体由下至上依次安装在电机座上，齿轮丝杠轴安装在下壳体内，且齿轮丝杠轴与齿轮相啮合，导向件安装在下壳体内并套设在齿轮丝杠轴上，且导向件1位于上轴承壳体的上方，支撑件安装在导向件上，楔形摩擦件安装支撑件上，编码器轴安装在下壳体的上端，编码器连接件安装在上壳体内编码器轴的上方，编码器安装在编码器连接件上，且编码器位于编码器轴的上端。

所述齿轮丝杠轴为空心齿轮丝杠轴。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、采用基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，不需要辅助的气泵、液压站，避免了气泵噪音和液压油易泄露的缺点，同时去除了采用电磁元件产生的电磁干扰以及长时间工作发热量大的缺点，因此本发明易于维护、操作简单、便于与相关电气设备集成。

2、本发明楔形摩擦件直接在步进电机的驱动下挤入下壳体和上壳体之间，使下壳体和上壳体实现锁紧，下壳体和上壳体之间不存在任何连接零件，关节锁紧力矩能够达到30Nm，因此本发明具有锁紧可靠，不存在任何的锁紧间隙的特点。

3、本发明步进电机采用偏置式设计及齿轮丝杠轴的空轴设计，实现了关节内部走线，具有利于机器人系统集成特点。

4、本发明支撑件和齿轮丝杠轴构成的丝杠螺母副能够在步进电机不工作的状态下使关节保持既有锁紧状态，具有摩擦力自锁的特点。

5、本发明编码器实时检测关节运动角度，从而解决了机器人运动学求解问题，为机器人末端执行器的控制提供了必要的技术支持。

6、本发明适用于外科手术中的机器人关节锁紧、定位操作，有效的避免了液压驱动锁紧关节设计复杂，需要液压泵站且液压油易泄露不易于应用医用机器人；气动驱动锁紧关节设计需要气泵，在工作过程中产生的噪音大；电磁动力锁紧方式存在发热量大、强电磁干扰、关节体积大的问题。

附图说明

图1本发明的主剖视图。图2是本发明所应用的外科手术机器人的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括下壳体1、底板2、上壳体3、顶盖4、电机座5、步进电机6、壳体连接件7、弹性联轴器8、输入轴9、谐波减速器10、下轴承壳体11、输出轴12、齿轮13、上轴承壳体14、齿轮丝杠轴15、导向件16、支撑件17、楔形摩擦件18、编码器轴19、编码器20和编码器连接件25，下壳体1的下端固定安装有底板2，下壳体1的上端可转动内嵌到上壳体3的下部，顶盖4固定安装在上壳体3的上端，电机座5固定安装在下壳体1内，步进电机6设置在电机座5内，步进电机6的输出端由下至上依次与输入轴9、谐波减速器10和输出轴12连接，弹性联轴器8套装在步进电机6的输出轴与输入轴9上，齿轮13设置在输出轴12上，壳体连接件7、下轴承壳体11和上轴承壳体14由下至上依次安装在电机座5上，齿轮丝杠轴15安装在下壳体1内，且齿轮丝杠轴15与齿轮13相啮合，导向件16安装在下壳体1内并套设在齿轮丝杠轴15上，且导向件16位于上轴承壳体14的上方，支撑件17安装在导向件16上，楔形摩擦件18安装支撑件17上，编码器轴19安装在下壳体1的上端，编码器连接件25安装在上壳体3内编码器轴19的上方，编码器20安装在编码器连接件25上，且编码器20位于编码器轴19的上端。

本实施方式的楔形摩擦件18向上运动时，在摩擦力的作用下会使楔形摩擦件18、下壳体1、上壳体3形成一个整体，实现关节下壳体1和上壳体3的锁紧状态。楔形摩擦件18向下运动时，能够使关节下壳体1和上壳体3进行任意旋转运动。

本实施方式为使楔形摩擦件18实现上下运动，进而完成下壳体1和上壳体3的锁紧及自由旋转的状态，需要将步进电机6输出的旋转运动转换为楔形摩擦件18的上下运动。步进电机6固连到电机座5上，电机座5通过螺钉与下壳体1和底板2固定连接，步进电机6输出轴通过弹性联轴器8将动力传递到输入轴9，谐波减速器10输入钢轮通过螺钉与壳体连接件5固定连接，谐波减速器10输入端通过键与输入轴9连接，经谐波减速器10减速后，谐波减速器10输出钢轮将动力传递给输出轴12，输出轴12分别由固定到下轴承壳体11的轴承和固定到上轴承壳体14的轴承支撑上，齿轮13通过键与输出轴12连接，通过与齿轮丝杠轴15上的齿轮啮合将步进电机6的动力传递到齿轮丝杠轴15上，齿轮丝杠轴15由固定到导向件16上的轴承和固定到下壳体1上的轴承支撑，可实现绕自身轴线的旋转运动，齿轮丝杠轴15设计为中空轴，可实现关节的内部走线，齿轮丝杠轴15外部为高强度的螺纹，支撑件17与齿轮丝杠轴15构成丝杠螺母副，支撑件17两侧设计有导向槽，在固连到导向件13上导向销21的作用下，支撑件17将齿轮丝杠轴15的旋转运动转化为沿轴线方向的直线运动，支撑件17通过螺钉与楔形摩擦件18固定，楔形摩擦件18在支撑件17的作用挤压进或脱离开下壳体1与上壳体3之间的缝隙，实现下壳体1与上壳体3之间的锁紧和自由旋转运动。

为了对机器人末端进行控制，需要实时地检测机器人关节的转动角度，本发明中采用编码器来进行关节旋转角度的读取，编码器20通过弹簧钢片固定安装到编码器连接件25上，编码器连接件25通过螺钉与上壳体3固定连接，编码器轴21一端通过螺钉与下壳体1固定连接，编码器轴21另一端同编码器20输入端连接，这样在关节转动过程中，能够实现对关节转动角度的实时检测。

本发明基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，齿轮13和齿轮丝杠轴15的齿轮副传动实现了步进电机6的偏置式设计；编码器轴21与下壳体1连接轴部分设计了环行槽；齿轮丝杠轴15的中空轴设计；实现关节内部走线。采用了谐波减速器10及齿轮13、齿轮丝杠轴15构成的减速齿轮副传动部件，增加了步进电机6的驱动能力，增大了对楔形摩擦件18的推动力，提高了下壳体1和上壳体3之间的锁紧力矩。

楔形摩擦件18采用合适刚度、较大摩擦系数和耐磨性较好的材料制造。如合金铝。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的齿轮丝杠轴15为空心齿轮丝杠轴。如此设置，实现了关节内部走线，具有利于机器人系统集成特点。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外科手术机器人被动关节还包括导向销21，导向销21竖直设置在导向件16和支撑件17上。如此设置，便于为被动关节的运动提供导向。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外科手术机器人被动关节还包括挡板22，挡板22盖装在齿轮丝杠轴15的上端。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外科手术机器人被动关节还包括两组轴承23和内套筒24，两组轴承23套装在位于上壳体3内的下壳体1上部，内套筒24套装在两组轴承23之间的下壳体1上部。如此设置，便于下壳体1和上壳体3之间灵活的转动。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的楔形摩擦件18为带有锥角的金属环形弹性摩擦件。如此设置，防磨效果好，使用寿命长。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

本发明公开的是图2中A部分的被动关节，结合图1和图2说明本发明的工作原理：

本发明的楔形摩擦件布置于下壳体和上壳体之间，楔形摩擦件通过螺钉与支撑件固定连接，支撑件通过动力传递机构将步进电机输出的旋转运动转换为楔形摩擦件的直线运动；下壳体和上壳体之间安装有轴承，下壳体和上壳体之间能够相对转动，当楔形摩擦件向上运动挤入下壳体和上壳体之间，关节下壳体和上壳体实现锁紧。

为了实时地检测关节旋转过程中的旋转角度，本发明的编码器通过弹簧钢片固定安装到编码器连接件上，编码器连接件通过螺钉与上壳体固定连接，编码器轴一端通过螺钉与下壳体固定连接，编码器轴另一端同编码器输入端连接。当机器人关节运动时，下壳体和上壳体发生相对旋转运动，编码器能够实现对关节旋转角度的检测。

进行机器人外科手术时，医生在术前需要手动调整机器人关节来进行术前的手术设置。驱动步进电机朝一个方向旋转后，通过谐波减速器、齿轮、齿轮丝杠轴、支撑件传动后，楔形摩擦件向下运动，下壳体和上壳体脱离，使下壳体和上壳体能够进行相对旋转运动，此时医生能够较轻松的实现关节的旋转，进而完成机器人末端执行器位置的调整，实现机器人术前位置设置。当医生完成术前位置设置后，需要将关节进行锁紧，从而进行相关的手术操作。在锁紧过程中，驱动步进电机朝相反方向运动，通过谐波减速器、齿轮、齿轮丝杠轴、支撑件传动后，楔形摩擦件向上运动，楔形摩擦件设计为一个带有锥角的环形弹性件，楔形摩擦件能够在径向产行弹性变形，因此，当支撑件推着楔形摩擦件向上运动时，楔形摩擦件就会挤压进下壳体和上壳体之间的环形间隙里，随着楔形摩擦件向上运动位移的增大，楔形摩擦件在径向产生的弹性变形量越大，这样就会使下壳体和楔形摩擦件之间及楔形摩擦件和上壳体之间产生很大的摩擦力矩，进而实现了下壳体和上壳体之间的锁紧，从而使关节保持不动。在关节锁紧之后，由于支撑件和齿轮丝杠轴构成的丝杠螺母副具有自锁作用，可以在步进电机不工作的状态下使下壳体和上壳体保持既有锁紧状态。在机器人术前设置过程中，通过调整步进电机运动量使楔形摩擦件向下运动合适的距离，使楔形摩擦件与下壳体和上壳体不完全脱离开，使下壳体和上壳体相对运动过程中保持一定量的摩擦阻尼力，提高了医生术前关节手动调整的舒适性。

Claims (6)

1.一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，其特征在于：它包括下壳体（1）、底板（2）、上壳体（3）、顶盖（4）、电机座（5）、步进电机（6）、壳体连接件（7）、弹性联轴器（8）、输入轴（9）、谐波减速器（10）、下轴承壳体（11）、输出轴（12）、齿轮（13）、上轴承壳体（14）、齿轮丝杠轴（15）、导向件（16）、支撑件（17）、楔形摩擦件（18）、编码器轴（19）、编码器（20）和编码器连接件（25），下壳体（1）的下端固定安装有底板（2），下壳体（1）的上端可转动内嵌到上壳体（3）的下部，顶盖（4）固定安装在上壳体（3）的上端，电机座（5）固定安装在下壳体（1）内，步进电机（6）设置在电机座（5）内，步进电机（6）的输出端由下至上依次与输入轴（9）、谐波减速器（10）和输出轴（12）连接，弹性联轴器（8）套装在步进电机（6）的输出轴与输入轴（9）上，齿轮（13）设置在输出轴（12）上，壳体连接件（7）、下轴承壳体（11）和上轴承壳体（14）由下至上依次安装在电机座（5）上，齿轮丝杠轴（15）安装在下壳体（1）内，且齿轮丝杠轴（15）与齿轮（13）相啮合，导向件（16）安装在下壳体（1）内并套设在齿轮丝杠轴（15）上，且导向件（16）位于上轴承壳体（14）的上方，支撑件（17）安装在导向件（16）上，楔形摩擦件（18）安装支撑件（17）上，编码器轴（19）安装在下壳体（1）的上端，编码器连接件（25）安装在上壳体（3）内编码器轴（19）的上方，编码器（20）安装在编码器连接件（25）上，且编码器（20）位于编码器轴（19）的上端。

2.根据权利要求1所述的一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，其特征在于：所述齿轮丝杠轴（15）为空心齿轮丝杠轴。

3.根据权利要求2所述的一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，其特征在于：所述外科手术机器人被动关节还包括导向销（21），导向销（21）竖直设置在导向件（16）和支撑件（17）上。

4.根据权利要求3所述的一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，其特征在于：所述外科手术机器人被动关节还包括挡板（22），挡板（22）盖装在齿轮丝杠轴（15）的上端。

5.根据权利要求4所述的一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，其特征在于：所述外科手术机器人被动关节还包括两组轴承（23）和内套筒（24），两组轴承（23）套装在位于上壳体（3）内的下壳体（1）上部，内套筒（24）套装在两组轴承（23）之间的下壳体（1）上部。

6.根据权利要求5所述的一种基于电机驱动锁紧的外科手术机器人被动关节，其特征在于：所述楔形摩擦件（18）为带有锥角的金属环形弹性摩擦件。

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