CN108266498A - 一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式rcm机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构。RCM机构虚拟中心点的位置、工作空间大小等特性直接影响微创手术机械的工作性能。本发明转动电机使转动杆实现一个方向的转动；输入电机驱动中间传动轮系使得套筒实现一个方向的转动；手术刀电机驱动手术刀实现一个方向的转动，绳索电机控制嵌套在套筒中的手术刀实现一个方向上的移动。本发明在第三行星架做平移运动的前提下，通过非圆齿轮保证第三行星齿轮旋转中心的运动轨迹为圆弧段，准确实现手术刀绕虚拟中心点进行三个方向上的转动，并实现手术刀在过虚拟中心点的轴线上进行移动，从而在微创手术中准确定位手术位置点，且机构简单，齿轮啮合保证运动准确性。

Description

一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构
技术领域
本发明属于医疗机械领域，涉及微创手术机械，具体涉及一种末端执行器绕空间内某个固定的虚拟中心点做旋转运动的平面轮系RCM机构。
背景技术
随着科学技术的快速发展，微创手术日趋成熟并且受到极大的欢迎，相比传统手术微创手术有创口小、疼痛轻、恢复快、住院时间短、出血少等特点，降低了传统手术对人体的危害，无论是生理上还是心理上病人们都更加倾向于微创手术。
由于病人身上切口的限制，微创手术操作空间有限，光靠医生的双手很难直接完成手术，现在一般都是借助于微创手术机械来完成，在微创手术机械中RCM机构被广泛使用。RCM机构的自由度，虚拟中心点的位置，工作空间大小等特性直接影响微创手术机械的工作性能，可见RCM机构的重要性。
发明内容
本发明的目的是根据微创手术医疗器械的要求，提供一种RCM机构。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括主传动轴、机架、转动电机、转动杆、中间传动轮系、输入电机、手术刀电机、绳索、弹簧、绳索电机、套筒、滑道和手术刀；所述的转动电机固定在机架上；转动杆的一端与转动电机的输出轴固定，输入电机固定在转动杆的另一端；转动电机的输出轴水平设置，且输入电机的输出轴轴线与转动电机的输出轴轴线垂直设置；所述的主传动轴与输入电机的输出轴固定。
所述的中间传动轮系包括第一行星架、第一太阳轮、第一中间齿轮、第一行星齿轮、第一中间轴、第一行星轴、第二行星架、第二太阳轮、第二中间齿轮、第二行星齿轮、第二中间轴、第二行星轴、第三行星架、第三太阳轮、第三中间齿轮、第三行星齿轮、第三中间轴和第三行星轴；第一行星架的一端与主传动轴固定；所述的第一太阳轮固定在转动杆上，第一中间轴固定在第一行星架中部，第一行星轴固定在第一行星架另一端；所述的第一中间齿轮通过轴承支承在第一中间轴上，并与第一太阳轮啮合；第一行星齿轮通过轴承支承在第一行星轴上，并与第一中间齿轮啮合；第二行星架的一端与第一行星齿轮固定，第二太阳轮与第一行星轴固定；第二中间轴固定在第二行星架中部，第二行星轴固定在第二行星架另一端；第二中间齿轮通过轴承支承在第二中间轴上，并与第二太阳轮啮合；第二行星齿轮通过轴承支承在第二行星轴上，并与第二中间齿轮啮合；第三行星架的一端与第二行星齿轮固定，第三太阳轮与第二行星轴固定；第三中间轴固定在第三行星架中部，第三行星轴固定在第三行星架另一端；第三中间齿轮通过轴承支承在第三中间轴上，并与第三太阳轮啮合；第三行星齿轮通过轴承支承在第三行星轴上，并与第三中间齿轮啮合。第一太阳轮动力传至第二行星齿轮的总传动比为1；所述的第三太阳轮、第三中间齿轮和第三行星齿轮均为非圆齿轮，转动电机停止状态下，第三行星齿轮旋转中心的运动轨迹为圆弧段。
所述套筒的侧部与第三行星齿轮固定，滑道与套筒构成滑动副；手术刀嵌套在滑道中，手术刀的顶端与手术刀电机的输出轴固定；手术刀电机固定在滑道上；手术刀电机的输出轴轴线与转动电机的输出轴轴线相交，且手术刀电机的输出轴轴线与输入电机的输出轴轴线垂直；滑道与套筒之间设置弹簧，绳索电机固定在套筒上；绳索一端固定在滑道上，另一端固定在绳索电机的输出轴上。
所述的滑道嵌套在套筒中。
所述的弹簧套置在滑道上，弹簧两端分别由滑道顶端的凸缘和套筒的顶面限位，所述的弹簧为压缩弹簧。
本发明的有益效果是：
1.本发明能够准确实现手术刀绕着一个虚拟中心点运动，并实现手术刀在过虚拟中心点的轴线上进行移动，可以使手术刀绕着需要动手术的患处运动，提高手术下刀的精准度，同时该机构可以实现手术刀从不同的角度下刀，操作简单，手术结束时可以用电机使手术刀退出到安全范围，能为提高手术的成功率做出贡献。
2.本发明的三个行星架能进行三级折展，展开时手术刀离支架远，增大了医护人员的作业空间，并且折叠时占用收纳空间小。
3.本发明的执行末端较细，包裹手术刀的只有套筒，手术时医护人员的视野较好。
4.本发明采用的是轮系式的RCM机构，机构简单，设计原理简单，设计及装配中容易实现，传动平稳可靠，运动平缓。该机构的齿轮均为平面齿轮，易于加工且成本大大降低，更适合于生产实践。
附图说明
图1是本发明的中间传动轮系结构示意图。
图2是本发明的装配示意图。
图3是本发明中第一行星架上各齿轮的装配示意图。
图4是本发明中第二行星架上各齿轮的装配示意图。
图5是本发明中第三行星架上各齿轮以及手术刀的装配示意图。
图中：1、第一行星架，2、主传动轴,3、第一太阳轮，4、第一中间轴，5、第一中间齿轮，6、第一行星轴，7、第一行星齿轮，8、第二行星架，9、第二太阳轮，10、第二中间轴，11、第二中间齿轮，12、第二行星轴,13、第二行星齿轮，14、第三行星架，15、第三太阳轮，16、第三中间轴，17、第三中间齿轮，18、第三行星轴,19、第三行星齿轮，20、机架，21、转动电机，22、转动杆，23、输入电机，24、手术刀电机，25、绳索，26、弹簧，27、绳索电机，28、套筒，29、滑道，30、手术刀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构，包括主传动轴2、机架20、转动电机21、转动杆22、中间传动轮系、输入电机23、手术刀电机24、绳索25、弹簧26、绳索电机27、套筒28、滑道29和手术刀30；转动电机21固定在机架20上；转动杆22的一端与转动电机21的输出轴固定，输入电机23固定在转动杆22的另一端；转动电机21的输出轴水平设置，且输入电机23的输出轴轴线与转动电机21的输出轴轴线垂直设置；主传动轴2与输入电机23的输出轴固定。
如图1、图3、图4、图5所示，中间传动轮系包括第一行星架1、第一太阳轮3、第一中间齿轮5、第一行星齿轮7、第一中间轴4、第一行星轴6、第二行星架8、第二太阳轮9、第二中间齿轮11、第二行星齿轮13、第二中间轴10、第二行星轴12、第三行星架14、第三太阳轮15、第三中间齿轮17、第三行星齿轮19、第三中间轴16和第三行星轴18；第一行星架1的一端与主传动轴2固定；第一太阳轮3固定在转动杆22上，第一中间轴4固定在第一行星架1中部，第一行星轴6固定在第一行星架1另一端；第一中间齿轮5通过轴承支承在第一中间轴4上，并与第一太阳轮3啮合；第一行星齿轮7通过轴承支承在第一行星轴6上，并与第一中间齿轮5啮合；第二行星架8的一端与第一行星齿轮7固定，第二太阳轮9与第一行星轴6固定；第二中间轴10固定在第二行星架8中部，第二行星轴12固定在第二行星架8另一端；第二中间齿轮11通过轴承支承在第二中间轴10上，并与第二太阳轮9啮合；第二行星齿轮13通过轴承支承在第二行星轴12上，并与第二中间齿轮11啮合；第三行星架14的一端与第二行星齿轮13固定，第三太阳轮15与第二行星轴12固定；第三中间轴16固定在第三行星架14中部，第三行星轴18固定在第三行星架14另一端；第三中间齿轮17通过轴承支承在第三中间轴16上，并与第三太阳轮15啮合；第三行星齿轮19通过轴承支承在第三行星轴18上，并与第三中间齿轮17啮合。第三太阳轮15、第三中间齿轮17和第三行星齿轮19均为非圆齿轮。
如图2、图5所示，套筒28的侧部与第三行星齿轮19通过牙嵌固定，滑道29嵌套在套筒28中，并与套筒构成滑动副；手术刀30嵌套在滑道29中，手术刀30的顶端与手术刀电机24的输出轴固定；手术刀电机24固定在滑道29上，驱动手术刀转动；手术刀电机24的输出轴轴线与转动电机21的输出轴轴线相交，且手术刀电机24的输出轴轴线与输入电机23的输出轴轴线垂直；滑道与套筒之间设置弹簧26，绳索电机27固定在套筒上；绳索25一端固定在滑道上，另一端固定在绳索电机的输出轴上。绳索电机转动拉紧绳索，从而压缩弹簧，实现手术刀的纵向移动。
该三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构的工作原理：
动力由4个电机输入，转动电机21可以使转动杆22绕x轴转动实现一个方向的转动；输入电机23驱动第一行星架1相对转动杆22转动，而第一太阳轮3与转动杆22固定，第一太阳轮3与第一中间齿轮5啮合、第一中间齿轮5与第一行星齿轮7啮合，使得第一行星齿轮7相对转动杆22作平面运动；第一行星齿轮7与第二行星架8固定，使得第二行星架8相对转动杆22作平面运动；第二太阳轮9与第一行星轴6固定，第二中间齿轮11与第二太阳轮9啮合，第二行星齿轮13与第二中间齿轮11啮合，使得第二行星齿轮13相对转动杆22作平面运动；第二行星齿轮13与第三行星架14固定，使得第三行星架14相对转动杆22作平面运动；第三太阳轮15与第二行星轴12固定，而第三行星齿轮19与套筒28牙嵌固定，第三太阳轮15与第三中间齿轮17啮合，第三中间齿轮17与第三行星齿轮19啮合，使得套筒绕y轴转动实现一个方向的转动；手术刀电机24驱动手术刀30绕z轴实现一个方向的转动，绳索电机27通过收放固定在滑道29上的绳索25控制嵌套在套筒28中的手术刀30实现z轴方向上的移动。本发明要准确实现手术刀绕虚拟中心点O进行三个方向上的转动，并实现手术刀在过虚拟中心点O的轴线上进行移动，还需要保证以下两点：(1)转动电机21停止状态下，通过第一行星架1和第二行星架8上的各齿轮啮合传动，来保证第三行星架14做平面内的平移运动(没有转动，这里只需做到第一太阳轮3至第二行星齿轮13整个传动链的总传动比为1)；(2)在第三行星架14做平移运动的前提下，通过第三太阳轮15、第三中间齿轮17和第三行星齿轮19的非圆节曲线来保证第三行星齿轮19的旋转中心的运动轨迹为圆弧段。本发明机构能准确实现手术刀绕虚拟中心点O(圆弧段的圆心)进行三个方向上的转动，并实现手术刀在过虚拟中心点O的轴线上进行移动，从而在微创手术中准确定位手术位置点，且机构简单，设计原理简单，设计及装配中容易实现，齿轮啮合保证运动准确性。

Claims (3)

1.一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构，包括主传动轴、机架、转动电机、转动杆、输入电机、手术刀电机、绳索、弹簧、绳索电机、套筒、滑道和手术刀，其特征在于：还包括中间传动轮系；所述的转动电机固定在机架上；转动杆的一端与转动电机的输出轴固定，输入电机固定在转动杆的另一端；转动电机的输出轴水平设置，且输入电机的输出轴轴线与转动电机的输出轴轴线垂直设置；所述的主传动轴与输入电机的输出轴固定；
所述的中间传动轮系包括第一行星架、第一太阳轮、第一中间齿轮、第一行星齿轮、第一中间轴、第一行星轴、第二行星架、第二太阳轮、第二中间齿轮、第二行星齿轮、第二中间轴、第二行星轴、第三行星架、第三太阳轮、第三中间齿轮、第三行星齿轮、第三中间轴和第三行星轴；第一行星架的一端与主传动轴固定；所述的第一太阳轮固定在转动杆上，第一中间轴固定在第一行星架中部，第一行星轴固定在第一行星架另一端；所述的第一中间齿轮通过轴承支承在第一中间轴上，并与第一太阳轮啮合；第一行星齿轮通过轴承支承在第一行星轴上，并与第一中间齿轮啮合；第二行星架的一端与第一行星齿轮固定，第二太阳轮与第一行星轴固定；第二中间轴固定在第二行星架中部，第二行星轴固定在第二行星架另一端；第二中间齿轮通过轴承支承在第二中间轴上，并与第二太阳轮啮合；第二行星齿轮通过轴承支承在第二行星轴上，并与第二中间齿轮啮合；第三行星架的一端与第二行星齿轮固定，第三太阳轮与第二行星轴固定；第三中间轴固定在第三行星架中部，第三行星轴固定在第三行星架另一端；第三中间齿轮通过轴承支承在第三中间轴上，并与第三太阳轮啮合；第三行星齿轮通过轴承支承在第三行星轴上，并与第三中间齿轮啮合；第一太阳轮动力传至第二行星齿轮的总传动比为1；所述的第三太阳轮、第三中间齿轮和第三行星齿轮均为非圆齿轮，转动电机停止状态下，第三行星齿轮旋转中心的运动轨迹为圆弧段；
所述套筒的侧部与第三行星齿轮固定，滑道与套筒构成滑动副；手术刀嵌套在滑道中，手术刀的顶端与手术刀电机的输出轴固定；手术刀电机固定在滑道上；手术刀电机的输出轴轴线与转动电机的输出轴轴线相交，且手术刀电机的输出轴轴线与输入电机的输出轴轴线垂直；滑道与套筒之间设置弹簧，绳索电机固定在套筒上；绳索一端固定在滑道上，另一端固定在绳索电机的输出轴上。
2.根据权利要求1所述的一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构，其特征在于：所述的滑道嵌套在套筒中。
3.根据权利要求1所述的一种三行星架九齿第二行星架二级行星轮系式RCM机构，其特征在于：所述的弹簧套置在滑道上，弹簧两端分别由滑道顶端的凸缘和套筒的顶面限位，所述的弹簧为压缩弹簧。
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CN113916686A (zh) * 2021-08-23 2022-01-11 浙江理工大学 一种球铰刚度测试装置及其对球铰刚度的测试方法

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