CN107088093A - 一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，包括底座、直线导轨、至少一个驱动模组、与驱动模组数量一致的柔性曲管、电子驱动装置；所述直线导轨固定设置在底座上；所述驱动模组与直线导轨滑动连接；所述驱动模组与柔性曲管可拆卸式连接；所述排线装置与底座一侧垂直设置；所述电子驱动装置设置于底座一端上部，所述电子驱动装置与驱动模组电性连接。本发明对驱动模组进行模块化设计，可以根据需要方便的增加或减少驱动模组的数量，无需改动整体机械设计。通过控制驱动模组中电机的转动，可以控制柔性曲管机器人的身体形状和前端位置。另外，考虑了驱动模组导线的引导方法，避免系统故障。

Description

一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置。

背景技术

柔性曲管机器人是一种新型手术机器人，通常其直径不到2.5毫米，长度在200毫米到500毫米之间，身体上有多个自由度可任意弯曲，特别适用于微创或者无创手术使用，尤其是对精度要求高，器官组织敏感的手术，如神经外科手术和心外手术。

每一套机器人含多根柔性曲管组成，每根柔性曲管由两个电机驱动，一个电机负责曲管的转动，一个电机负责曲管的直线往复运动。目前医疗机器人驱动装置往往采用非模块化设计，当需要的曲管数量发生变化，机器人就要重新设计，增加了机器人的设计和制造费用。

多级曲管机器人要求每个曲管之间必须是在一条同心轴线上，运动的时候也是沿着同一轴线旋转或者前后运动。以往的设计中，往往采用实心轴电机控制曲管的转动或者直线运动，这样设计必然需要有一套空心齿轮系或者正时皮带，使电机置于曲管的侧面。这些齿轮增加了机器人的设备成本和维护成本。齿轮的空程现象也会加大系统的整体误差。

另外，目前此类医疗机器人的驱动装置设计没有考虑导线的引导方法。此类装置一般含三根或者以上柔性曲管，即需要六个以上电机，而且电机在工作时会前后快速运动。所以导线的引导和安装特别关键，否则容易引起系统故障。但是之前的设计大多没有给导线设计引导装置。

综上可知，所述医疗机器人的驱动装置，实际中存在不便的问题，所以有必要加以改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置。对驱动模组进行模块化设计，通过控制驱动模组中电机的转动，可以控制柔性曲管机器人的身体形状和前端位置。此装置的驱动全部采用空心轴电机，相比于之前的设计，体积小巧，重量轻，成本低，安全性高。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，包括底座、直线导轨、至少一个驱动模组、与驱动模组数量一致的柔性曲管、电子驱动装置；所述直线导轨固定设置在底座上；所述驱动模组与直线导轨滑动连接；所述驱动模组与柔性曲管可拆卸式连接；所述排线装置与底座一侧垂直设置；所述电子驱动装置设置于底座一端上部，所述电子驱动装置与驱动模组电性连接。

较佳地，所述驱动模组包括空心长轴电机、空心螺纹电机、L型支架、滚珠滑块；所述L型支架的平行面下部与滚珠滑块可拆卸式连接，上部与直线支架一端连接；所述直线支架另一端连接第一限位开关；所述空心长轴电机与空心螺纹电机的侧面均与L型支架的垂直面可拆卸式连接。

较佳地，所述空心长轴电机输出轴固定连接对应柔性曲管一端；与驱动模组数量一致的空心螺纹电机与丝杆活动连接。

较佳地，所述驱动模组的数量在两个以上，所述柔性曲管之间嵌套连接，形成多级柔性曲管。

较佳地，所述底座另一端上部固定安装U型支架；所述U型支架垂直短板与丝杆一端固定连接；所述柔性曲管另一端穿过U型支架垂直长板通孔活动连接。

较佳地，所述底座的排线装置一侧设置与驱动模组数量一致的第一光遮断器，另一侧U型支架附近设置第二限位开关。

较佳地，所述空心长轴电机输出轴附近设置与驱动模组数量一致的第二光遮断器。

较佳地，该驱动装置还包括排线装置，沿长度方向设于一侧，所述排线装置包括与驱动模组数量一致的空心铝管。

较佳地，所述电子驱动装置包括电机的驱动电路、以太网驱动器、基于Arm的单片机主板。

较佳地，所述底座为塑料材质、有机玻璃材质、或铝合金材质，上部设置T型槽或者定位孔。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

(1)、模块化设计：每根曲管对应一个驱动模块，如果需要增加曲管机器人的级数，也就是曲管的数量，多增加一个驱动模块即可，不需要改动其它部分；

(2)、机械结构简单：所有驱动模组的直线运动是在同一个丝杠上面完成，整个机器人的体积小，重量轻(小于3.5千克)，方便将其安装或者悬挂在其他机械结构上结合使用，节约手术室大量空间；

(3)、造价低：采用小型步进电机，价格低廉，精度也很高；步进电机的控制电路非常简单便宜，也不需要高精度码盘做反馈，开环控制就可以达到满足需求所要的精度；

(4)、减少系统空程误差：采用空心轴电机，曲管可以直接连接到电机的输出轴上面，不需要中间的齿轮系或正时皮带；丝杠也可以直接从电机中心穿过，也不需要中间的齿轮箱或正时皮带；降低了元件成本和维护成本，减少了系统空程误差；

(5)、安全保障：设计中包含空心铝管用作引导模组的导线，导线会以螺旋线的方式缠绕在铝管上，并随着模组的运动前后伸缩，既保障了导线的安全，又不影响机器人的正常运动。

附图说明

图1为本发明的后视角立体图；

图2为本发明舍去一个驱动模组的正视图；

图3为本发明的前视角立体图；

图4为本发明的柔性曲管示意。

其中，附图标识说明：

1—底座， 2—直线导轨，

3—驱动模组， 4—柔性曲管，

5—排线装置， 6—电子驱动装置，

7—直线支架， 8—第一限位开关，

9—丝杆， 10—U型支架，

11—第一光遮断器， 12—第二限位开关，

13—第二光遮断器， 31—空心长轴电机，

32—空心螺纹电机， 33—L型支架，

34—滚珠滑块， 41—第一柔性曲管，

42—第二柔性曲管， 43—第三柔性曲管，

51—空心铝管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1至3所示，一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，包括底座1、直线导轨2、至少一个驱动模组3、与驱动模组3数量一致的柔性曲管4、电子驱动装置6；所述直线导轨2固定设置在底座1上；所述驱动模组3与直线导轨2滑动连接；所述驱动模组3与柔性曲管4可拆卸式连接；所述排线装置5与底座1一侧垂直设置；所述电子驱动装置6设置于底座1一端上部，所述电子驱动装置6与驱动模组3电性连接。

其中，所述驱动模组3包括空心长轴电机31、空心螺纹电机32、L型支架33、滚珠滑块34；所述L型支架33的平行面下部与滚珠滑块34可拆卸式连接，上部与直线支架7一端连接；所述直线支架7另一端连接第一限位开关8；所述空心长轴电机31与空心螺纹电机32的侧面均与L型支架33的垂直面可拆卸式连接；所述空心长轴电机31安装在空心螺纹电机32上方(或者空心长轴电机31安装在空心螺纹电机32下方均可)。

所述驱动模组3经由空心长轴电机31输出轴连接柔性曲管4一端；当驱动模组3数量在两个及以上时，所述柔性曲管4之间嵌套连接，形成多级柔性曲管4；与驱动模组3数量一致的空心螺纹电机32与丝杆9活动连接。

所述底座1另一端上部固定安装U型支架10；所述U型支架10垂直短板与丝杆9一端固定连接；所述柔性曲管4另一端穿过U型支架10垂直长板通孔活动连接。所述底座1的排线装置5一侧设置与驱动模组3数量一致的第一光遮断器11，另一侧U型支架10附近设置第二限位开关12。

所述空心长轴电机31输出轴附近设置与驱动模组3数量一致的第二光遮断器13。本发明中，该驱动装置还包括排线装置5，沿长度方向设于一侧，所述排线装置5包括与驱动模组3数量一致的空心铝管51。所述电子驱动装置6包括电机的驱动电路、以太网驱动器、基于Arm的单片机主板。所述底座1为塑料材质、有机玻璃材质、或铝合金材质，上部设置T型槽(或者定位孔)。

本发明工作原理：

在本实施例中，所述驱动模组3包括三个，对应第一柔性曲管41、第二柔性曲管42，第三柔性曲管43。每根柔性曲管4与空心长轴电机31输出轴一一对应连接，并由空心长轴电机31驱动柔性曲管4的旋转运动；三个空心螺纹电机32之间通过丝杆9活动连接，空心螺纹电机32在丝杆9上做线性运动，从而驱动柔性曲管4做直线往复运动。三根柔性曲管4嵌套连接，共有6个自由度，通过控制空心长轴电机31和空心螺纹电机32的驱动，可以控制柔性曲管机器人的身体形状和前端位置。

每个驱动模组3的L型支架33平行面上部通过直线支架7安装第一限位开关8，是为了在某两个或多个驱动模组3之间发生碰撞时，可以及时停止机器人的运动，起到很好的防护作用。另外，安装在U型支架10附近的第二限位开关12，可以防止距离U型支架10最近的驱动模组3与U型支架10发生碰撞。

安装在底座1侧面的第一光遮断器11，用于定位驱动模组3的直线运动的零点；安装在空心长轴电机31输出轴附近的第二光遮断器13，用于定位驱动模组3的旋转角度的零点。每次柔性曲管机器人开机时候先是向前运动到接触第一限位开关8、第二限位开关12，然后退回到第一光遮断器11、第二光遮断器13的位置，并以此为零点，计算各个驱动模组3的位置。

三个驱动模组3对应三根空心铝管51，每个驱动模组3大约需要15根导线，因为电机在工作时会快速前后运动，采用螺旋导线，如同电话线，缠绕在侧面的空心铝管51上，可以随着驱动模组3的移动而伸缩，避免引起系统故障。

驱动电子装置6包括以太网驱动器、基于Arm的单片机主板、每个电机的驱动电路，这些电路被封装在一个盒子里，盒子侧面有通风口，内部装有风扇进行通风，避免发热引起故障。

底座1为T型槽，使得其他零件的安装和调整特别方便，重量也较轻。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，包括底座、直线导轨、至少一个驱动模组、与驱动模组数量一致的柔性曲管、电子驱动装置；所述直线导轨固定设置在底座上；所述驱动模组与直线导轨滑动连接；所述驱动模组与柔性曲管可拆卸式连接；所述排线装置与底座一侧垂直设置；所述电子驱动装置设置于底座一端上部，所述电子驱动装置与驱动模组电性连接。

2.根据权利要求1所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述驱动模组包括空心长轴电机、空心螺纹电机、L型支架、滚珠滑块；所述L型支架的平行面下部与滚珠滑块可拆卸式连接，上部与直线支架一端连接；所述直线支架另一端连接第一限位开关；所述空心长轴电机与空心螺纹电机的侧面均与L型支架的垂直面可拆卸式连接。

3.根据权利要求2所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述空心长轴电机输出轴固定连接对应柔性曲管一端；与驱动模组数量一致的空心螺纹电机与丝杆活动连接。

4.根据权利要求2所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述驱动模组的数量在两个以上，所述柔性曲管之间嵌套连接，形成多级柔性曲管。

5.根据权利要求3所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述底座另一端上部固定安装U型支架；所述U型支架垂直短板与丝杆一端固定连接；所述柔性曲管另一端穿过U型支架垂直长板通孔活动连接。

6.根据权利要求4所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述底座的排线装置一侧设置与驱动模组数量一致的第一光遮断器，另一侧U型支架附近设置第二限位开关。

7.根据权利要求3所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述空心长轴电机输出轴附近设置与驱动模组数量一致的第二光遮断器。

8.根据权利要求1所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，该驱动装置还包括排线装置，沿长度方向设于一侧，所述排线装置包括与驱动模组数量一致的空心铝管。

9.根据权利要求1所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述电子驱动装置包括电机的驱动电路、以太网驱动器、基于Arm的单片机主板。

10.根据权利要求1所述的多级柔性曲管医疗机器人的模块化驱动装置，其特征在于，所述底座为塑料材质、有机玻璃材质、或铝合金材质，上部设置T型槽或者定位孔。