CN109476020B - 用于机器人关节的齿轮组件 - Google Patents

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Abstract

一种机械臂(1)包括：第一臂节段(310)和第二臂节段(311)，第一臂节段和第二臂节段通过具有第一旋转轴线(305)的第一转动关节(301)和具有不平行于第一旋转轴线的第二旋转轴线(306)的第二转动关节(302)联接至彼此；和关节机构，用于使第一臂节段围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线相对于第二臂节段铰接转动，所述关节机构包括：第一从动齿轮(312)，其围绕与第一旋转轴线重合的转轴(317)布置，所述转轴与机械臂的第一臂节段紧固在一起；第二从动齿轮(313)，其围绕第二旋转轴线布置，与机械臂的第二臂节段紧固在一起并且围绕第一旋转轴线与第一从动齿轮紧固在一起；第一驱动齿轮(314)，其被构造成驱动第一从动齿轮围绕转轴旋转，第一驱动齿轮被布置成接合第一从动齿轮；第二驱动齿轮(315)，用于驱动第二从动齿轮围绕第二旋转轴线旋转；中间齿轮装置(316)，其被布置成接合第二驱动齿轮和第二从动齿轮，并且围绕第一旋转轴线布置，由此能够驱动中间齿轮装置围绕第一旋转轴线相对于第一臂节段旋转。

Description

用于机器人关节的齿轮组件
技术领域
本发明涉及用于机器人关节的驱动装置。具体而言，一些实施方式涉及机器人手腕内的驱动装置。
背景技术
操纵物体所需的机器人例如可以是工业机器人或外科手术机器人，这种机器人经常具有由刚性元件构成的臂，这些刚性元件通过若干柔性关节串联地联接在一起。关节可以是任何类型，但是典型地是转动关节或转动关节和移动关节的组合。臂从基座 (基座的位置可以是固定的或可移动的)延伸出并且终止于工具或用于工具的附件。工具例如可以是抓取工具、切割工具、照明工具、辐射工具或成像工具。臂中的末级关节可以称为手腕。手腕可以允许仅围绕单个轴线进行运动，或者它可以是允许围绕多个轴线旋转的复杂或复合铰接件。
在外科手术机器人的情况下，有若干重要准则影响臂的远端关节的设计。
1.对于臂，特别是其手腕所在的远端部分来说，理想的是尺寸小。这允许多个这种机械臂紧密接近地工作，并且因此打开该臂能够执行的更宽的外科手术范围。
2.对于关节来说，理想的是能够输送高扭矩，从而使得它们能够承载更重的工具，并且向工具末端输送高加速度。
3.对于所有铰接件来说，理想的是具有位置和力/扭矩传感器，从而使得控制机构能够从这些传感器获得数据，并且理想的是这些传感器获取精确读数。
4.对于机械臂的远端部分来说，理想的是尽可能轻，以减小必须由机械臂的更近端关节施加的力。
5.对于围绕关节的运动来说，理想的是要平稳。这导致运动控制改善，并且在需要高精度位置控制时(诸如在外科手术期间)特别重要。
6.对于机械臂的远端部分来说，理想的是尽可能轻，以减小必须由机械臂的更近端关节施加的力。
这些重要准则使得难以设计出一款最好地平衡所有要求的臂。
一个特别的问题是如何将马达和传动装置装配在机械臂的手腕内。这种装置应该紧凑，但是也允许高刚度和进行扭矩传递。许多现有设计都对这些准则中的某种准则进行妥协。
机械臂的关节需要一种改进的驱动装置。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种机械臂，该机械臂包括：第一臂节段和第二臂节段，所述第一臂节段和所述第二臂节段通过第一转动关节和第二转动关节联接至彼此，该第一转动关节具有第一旋转轴线，该第二转动关节具有不平行于所述第一旋转轴线的第二旋转轴线；和关节机构，该关节机构用于使所述第一臂节段围绕所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线相对于所述第二臂节段铰接转动，所述关节机构包括：第一从动齿轮，该第一从动齿轮围绕与所述第一旋转轴线重合的转轴布置，所述转轴与所述机械臂的第一臂节段紧固在一起；第二从动齿轮，该第二从动齿轮围绕所述第二旋转轴线布置，与所述机械臂的第二臂节段紧固在一起并且围绕所述第一旋转轴线与所述第一从动齿轮紧固在一起；第一驱动齿轮，该第一驱动齿轮被构造成驱动所述第一从动齿轮围绕所述转轴旋转，所述第一驱动齿轮被布置成接合所述第一从动齿轮；第二驱动齿轮，该第二驱动齿轮用于驱动所述第二从动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转；以及中间齿轮装置，该中间齿轮装置被布置成接合所述第二驱动齿轮和所述第二从动齿轮，并且围绕所述第一旋转轴线布置，由此能够驱动所述中间齿轮装置围绕所述第一旋转轴线相对于所述第一臂节段旋转。
所述第一旋转轴线可以横向于所述第二旋转轴线。
所述第一旋转轴线可以相交于所述第二旋转轴线。
所述第一驱动齿轮可以附装至沿着所述第一臂节段延伸的第一驱动轴。
所述第二驱动齿轮可以附装至沿着所述第一臂节段延伸的第二驱动轴。
所述第一驱动轴和所述第二驱动轴可以位于所述转轴所在的平面的一侧。
所述第一从动齿轮可以为环形齿轮。
所述第一从动齿轮可以为准双曲面齿轮。
所述中间齿轮装置可以安装在所述转轴上，所述转轴的每个端部都安装至所述第一臂节段。
所述中间齿轮装置可以包括被布置成接合所述第二驱动齿轮的第一中间齿轮和被布置成接合所述第二从动齿轮的第二中间齿轮。
所述第一中间齿轮可以与所述第二中间齿轮紧固在一起。
所述第一从动齿轮和所述第一中间齿轮中的至少一个可以为扇形。
仅所述第一从动齿轮可以为扇形。
所述扇形的操作弧可以小于或等于50度。
所述第一中间齿轮可以为环形齿轮。
所述第一中间齿轮可以为准双曲面齿轮。
所述第一驱动齿轮和所述第一从动齿轮可以形成第一准双曲面齿轮组，并且所述第二驱动齿轮和所述第一中间齿轮可以形成第二准双曲面齿轮组，所述第一准双曲面齿轮组和所述第二准双曲面齿轮组具有相等的斜偏移。
所述第二中间齿轮和所述第二从动齿轮可以为锥齿轮。
所述第二中间齿轮和所述第二从动齿轮可以为等径锥齿轮。
所述关节机构可以进一步包括托架，该托架通过所述第一转动关节附装至所述第一臂节段并通过所述第二转动关节附装至所述第二臂节段，所述托架与所述第一从动齿轮紧固在一起。
所述第一转动关节和所述第二转动关节可以为所述机械臂的手腕关节。
所述机械臂可以是外科手术机械臂。
所述机械臂可以包括围绕所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线与所述第二臂节段紧固在一起的工具或工具附件。
所述机械臂可以进一步包括：第三臂节段，该第三臂节段相邻于所述第二臂节段并且位于所述第二臂节段的与所述关节机构相反的一侧；和第三转动关节，该第三转动关节将所述第三臂节段附装至所述第二臂节段，其中，所述第三臂节段包括工具或工具附件。
所述机械臂可以进一步包括控制单元，该控制单元被布置成通过驱动所述第一驱动轴和所述第二驱动轴旋转而对命令所述机械臂运动的命令信号作出响应，所述控制单元被构造成当命令所述机械臂围绕所述第一轴线铰接转动而不围绕所述第二轴线铰接转动时，驱动所述第一轴旋转以围绕所述第一轴线进行铰接转动，并且还驱动所述第二轴旋转从而取消围绕所述第二轴线的连带铰接转动。
附图说明
现在将参照附图以示例的方式描述本发明。在这些图中：
图1示出了外科手术机械臂的一般表示。
图2更详细地示出了外科手术机械臂的手腕。
图3从远端位置一侧示出了手腕的关节机构的一部分。
图4示出了关节机构的放大视图，其中为了清楚起见省略了机械臂的其余部分。
图5A至图5C示出了关节机构的各种二维视图。
图6在近端方向上在纵向平面上以剖视图示出了关节机构。
具体实施方式
图1示出了外科手术机器人，该外科手术机器人具有从基座2延伸出的臂1。该臂包括若干个刚性臂节段或肢体3。这些肢体通过转动关节4联接。最近端肢体3a 通过关节4a联接至基座。该最近端肢体和其他肢体通过关节4中的其他关节串联联接在一起。手腕5由四个单独转动接头构成。手腕5将臂的一个肢体3b联接至最远端肢体3c。最远端肢体3c承载用于外科手术器械或工具9的附件8。肢体3b可以被称为“前臂”。所述臂的每个关节4都具有：一个或多个马达6，马达6能够被操作成在相应的关节处引起旋转运动；以及一个或多个位置和/或扭矩传感器7，传感器7 能够提供关于该关节处的当前配置和/或载荷的信息。为了清楚起见，图1中仅示出了其中一些马达和传感器。用于工具的附装点8可以适当地包括如下中的任一个或多个：(i)允许将工具机械地附装至臂的构造；(ii)用于向和/或从工具传送电气和/或光学功率和/或数据的接口；以及(iii)用于驱动工具的一部分进行运动的机械驱动器。一般来说，优选的是将马达布置在关节附近(所述马达驱动所述关节进行运动)，从而改善重量分布。用于马达、扭矩传感器和编码器的控制器可以通过臂来分布。这些控制器经由通信总线连接至控制单元10。
控制单元10包括处理器11和存储器12。存储器12以非暂时性方式存储软件，该软件可由处理器执行以控制马达6的操作，以使臂1以这里描述的方式操作。具体而言，该软件能够根据来自于传感器7以及来自于外科医生命令接口13的输入来控制处理器11以(例如借助于分布式控制器)使马达驱动。控制单元10联接至马达6，以根据由软件的执行产生的输出对它们进行驱动。控制单元10联接至传感器7以从这些传感器接收所感测的输入，并且联接至命令接口13以从其接收输入。相应的联接例如可以均是电缆或光缆，或者可以通过无线连接提供。命令接口13包括一个或多个输入装置，借此用户能够以期望方式请求臂的运动。所述输入装置例如可以是可手动操作的机械输入装置，如控制手柄或操纵杆，或者是非接触式输入装置，如光学手势传感器。存储在存储器12中的软件被配置成响应于这些输入并且使臂的关节按照预定控制策略相应地移动。该控制策略可以包括响应于命令输入调制臂的运动的安全特征。因而，简言之，外科医生能够在命令接口13处控制机械臂1以执行期望外科手术过程的方式移动。控制单元10和/或命令接口13可以远离臂1。
图2更详细地示出了机器人的手腕5。该手腕包括四个手腕关节300、301、303、 303和臂节段310和311。这些关节串联地布置，其中臂的刚性部分从每个关节延伸至下一个关节。该手腕的最近端关节300将臂节段3b连接至臂节段310。关节300 具有“侧倾”旋转轴线304，旋转轴线304大体沿着臂的紧邻手腕的铰接件的肢体3b 的延伸线指向。手腕的次最远端关节301将臂节段310连接至臂节段311。关节301 具有“俯仰”旋转轴线305，在关节300和301的所有构造中，旋转轴线305都垂直于轴线304。手腕302的次最远端接头302将臂部310连接至臂部311。关节302具有“摇摆”旋转轴线306。在关节301和302的所有构造中，轴线305和306都大体为非平行旋转轴线。在该示例中，轴线305和306在关节301和302的所有构造中都垂直于彼此。在该手腕的一些构造中，轴线306也垂直于轴线304。手腕的次最远端关节303将臂节段311连接至臂节段3c。因此，相对于关节301和302，臂节段3c 位于臂节段311的相反侧。关节303具有“侧倾”旋转轴线307，旋转轴线307在关节302和303的所有构造中都垂直于轴线306。在手腕的一些构造中，轴线307还垂直于轴线305并与轴线304平行(并优选共线)。这里可以没有任何其他关节将臂节段3c连接至臂节段311。因此，臂节段3c(并因此工具附装点8)可以围绕轴线305 和306与臂节段311紧固在一起，从而围绕这些轴线在臂节段311和附装点8之间没有任何相对运动。
优选的是，轴线305和306彼此相交，因为这样会给出特别紧凑的构造。对于手腕的一些构造来说，关节300和303可以定位成使得轴线304和307能够穿过轴线 305和306的交点。
这种设计的手腕的有利之处在于，它允许在臂节段3c的远端处附装至附装点8 的工具具有宽的运动范围，但是所述手腕能够以相对紧凑形式组装，并且在该运动范围的某些部分处没有奇点，奇点会要求各个关节处具有过高运动速率。
在图3至图6中示出了用于实现手腕5的示例关节机构的各种视图。图3至图6 聚焦于与图2中的关节301和302相关联的机构。图3示出了关于第一臂节段310 的关节机构，其中为了清楚起见省略了第二臂节段311。图4示出了关节机构的放大视图，其中为了清楚起见省略了臂节段310和311。图5A至图5C示出了关节机构的各种二维视图，图6在横向于臂节段310的长度的平面中示出了臂节段310的远端的剖视图。
首先参照图3和图4，总体上以附图标记30表示该关节机构。关节机构30被布置成使臂节段310能够相对于臂节段311(为了清楚起见在这些附图中被省略了)围绕非平行轴线305和306铰接转动(articulate)。臂节段310具有外部壳体323。该外部壳体可以是刚性的并且限定臂节段310的外表面。外部壳体323限定内部容积，机械臂的部件，诸如马达、传感器(例如位置和/或扭矩传感器)、缆线和其他部件，可以容纳在该内部容积中。臂节段311也包括类似地限定用于容纳臂的部件的内部容积的外部壳体，但是为了清楚起见将该外部壳体从图3中省略了。
臂节段310和311(包括它们相关的外部壳体)可围绕轴线305和306相对于彼此移动。轴线305和306大体为非平行轴线。在该示例中，轴线305和306彼此垂直并且还相交。
关节机构30包括第一从动齿轮312、第二从动齿轮313、第一驱动齿轮314和第二驱动齿轮315。第一驱动齿轮314和第二驱动齿轮315可以另选地被称为输入齿轮，而第一从动齿轮312和第二从动齿轮313可以另选地被称为输出齿轮。该关节机构还包括总体以附图标记316表示的中间齿轮装置，该中间齿轮装置将第二驱动齿轮315 联接至第二从动齿轮313。
参照图6，能够看到，第一从动齿轮经由托架322联接至第一臂节段310。托架 322围绕转轴317布置或安装在转轴317上。转轴317与旋转轴线305重合。转轴317 安装至臂节段310并因而与臂节段310紧固在一起。托架322经由横向间隔开的轴承 324和325安装至臂节段310，轴承324和325允许托架322相对于臂节段310围绕转轴317(并因而围绕轴线305)进行相对旋转，从而限定转动关节301。第一从动齿轮312与托架322紧固在一起。也就是说，齿轮312和托架322相对于彼此固定。齿轮312固定地安装至托架322。齿轮312可以抵靠托架322。即，托架322可以与齿轮312接触或接口。在其他示例中，托架322可以与齿轮312紧固在一起，但是通过一个或多个中间部件(如间隔件、垫片等)物理分开。在该具体示例中，齿轮312 经由测量围绕轴线305施加的扭矩的扭矩传感器331联接至托架322。
托架322还支撑第二从动齿轮313。托架322经由轴承326联接至第二从动齿轮313，以允许托架322和齿轮313围绕旋转轴线306进行相对旋转。齿轮313以其他方式与托架322紧固在一起，并且特别地围绕旋转轴线305紧固，从而在齿轮313 和托架322之间没有围绕轴线305的相对旋转或运动。托架322经由轴承326联接至第二从动齿轮313限定了转动关节302。齿轮313与臂区段311紧固在一起。
由于托架322支撑第一从动齿轮和第二从动齿轮的功能，托架322可以另选地被称为机架或毂。
臂可以(如图所示)进一步包括用于测量围绕关节301和302的扭矩的扭矩传感器331和332。扭矩传感器331测量围绕旋转轴线305的扭矩，而扭矩传感器332测量围绕旋转轴线306的扭矩。这些传感器容纳在由外部壳体323限定的内部容积内。两个传感器都包括采取套筒形式的管状部件。扭矩传感器331座置在转轴317周围，并且扭矩传感器332座置在轴线306周围，即围绕轴线306布置。两个传感器331 和332都可以联接至控制单元10并且可以被构造成向该控制单元提供所感测的扭矩读数。
现在返回来参照图4，将更详细地描述关节机构的结构。
第一从动齿轮312为环形齿轮或冠状齿轮。它另外形成为扇形，也就是说，由它的齿限定的弧小于360度。该扇形具有操作弧，即它能够被驱动的旋转运动范围，该旋转运动范围小于360度。该扇形的齿弧可以大于其操作弧。这是因为小齿轮314 不与齿轮312进行点接触，而是接合它的齿的子组以对其进行驱动。因而，小齿轮 314不能驱动齿轮312经过与其齿弧相等的运动范围。
齿轮312围绕旋转轴线305安置或布置。齿轮312因此具有作为其旋转轴线的轴线305。详细地说，第一从动齿轮312可旋转地安装在转轴317上(在图5A和图5C 中更清楚地看到)，从而它能够围绕轴线305相对于臂节段310旋转。
从动齿轮312由第一驱动齿轮314接合，第一驱动齿轮314在该示例中为小齿轮。当将如这里使用的术语“接合”应用于一对齿轮时，是指一个齿轮的齿与另一个齿轮的齿啮合或连接。
小齿轮314附装至第一驱动轴318，第一驱动轴318由安装在臂节段310中的第一电动马达(未示出)驱动。驱动轴318通过轴承327安装在臂节段310中，以允许该驱动轴围绕其纵向轴线329相对于臂节段310旋转(在图5C中最清楚地示出)。驱动轴318沿着臂节段310延伸并且在其(远端)终端处附装至小齿轮314。小齿轮 314可以与驱动轴318紧固在一起。在关节301和302的所有构造中，驱动轴318都在垂直于旋转轴线305的方向上延伸。换句话说，驱动轴的纵向轴线329在关节301 和302的所有构造中都垂直于旋转轴线305。
如下面将更详细地描述的，驱动齿轮314驱动从动齿轮312围绕轴线305旋转。
第一驱动齿轮314的旋转轴线(轴线319)和第一从动齿轮312的旋转轴线(轴线305)是非平行的(具体而言，它们彼此垂直)，并且不是相交的，如图5A和图 5B中最清楚地示出。第一从动齿轮312因此是斜齿轮。在该具体示例中，第一从动齿轮312为准双曲面齿轮，而驱动齿轮314为准双曲面小齿轮。可以将它们一起称为准双曲面齿轮组。斜偏移，即轴线329和305之间的垂直距离，被表示为d。
第二从动齿轮313为围绕轴线306布置的锥齿轮。它围绕旋转轴线306布置并且被布置成围绕该轴线相对于第一臂节段310和第一从动齿轮312进行旋转。第二从动齿轮313与臂节段311紧固在一起。第二从动齿轮313可以安装至臂节段311。从动齿轮313和臂节段311可以被布置成使得齿轮313抵靠臂节段311。底架从动齿轮313 还围绕旋转轴线305与第一从动齿轮312紧固在一起。也就是说，齿轮312和313 不能围绕轴线305进行相对旋转或运动。换句话说，齿轮312和313可以彼此紧固在一起，不过齿轮313能够围绕轴线306相对于齿轮312旋转。这意味着第一从动齿轮 312围绕轴线305的旋转使第二从动齿轮313围绕轴线305进行对应的旋转。
第二从动齿轮313通过这些齿轮的与托架322(图6中所示)的联接而围绕旋转轴线305与第一从动齿轮312紧固在一起。这是因为：i)第一从动齿轮312与托架 322紧固在一起；以及ii)第二从动齿轮313经由轴承326安装至托架322以允许齿轮313和托架围绕旋转轴线306进行相对旋转，但是在其他方面与托架紧固在一起。第二从动齿轮313因此围绕旋转轴线305与第一从动齿轮312紧固在一起。
在另选布置中，第二从动齿轮313可以经由轴承固定或安装至第一从动齿轮312，以允许这两个从动齿轮围绕旋转轴线306进行相对旋转。这种布置将使这两个从动齿轮能够围绕轴线305紧固在一起，而无需将第二从动齿轮313安装至托架322。
因为第一从动齿轮312为部分圆形形式，所以第二从动齿轮313可以以如下方式定位，即：其与一圆相交，该圆围绕轴线305与齿轮312重合并且半径等于齿轮312 的最外部分。这在图5A和图5B中最清楚地示出。该布置对于减小关节机构的尺寸特别有用。
第二从动齿轮313由第二驱动齿轮315驱动以围绕轴线306旋转。在该示例中，第二驱动齿轮315是小齿轮。该小齿轮与第二驱动轴319紧固在一起，第二驱动轴 319由安装在臂节段310中的第二电动马达(未示出)驱动。第二驱动轴319沿着臂节段310的长度延伸并且在其远端终端处附装至驱动齿轮315。驱动轴319通过轴承 328安装在臂节段310中，轴承328允许该驱动轴围绕其纵向轴线330相对于臂节段 310旋转。
在关节301和302的所有构造中，驱动轴319并因此其纵向轴线330都在垂直于旋转轴线305的方向上延伸。驱动轴319因此平行于驱动轴318。驱动轴319还关于包含旋转轴线306并垂直于轴线305的第一平面与驱动轴318对称(在图5A中最清楚地看到)。第一平面因此包含旋转轴线306和臂节段310的中心线。从图5A可以进一步看到，驱动轴318和319都位于包含转轴317(和旋转轴线305)的第二平面的同一侧。该第二平面平行于臂部310的纵向方向或轴线。因而，第二平面分别平行于驱动轴318和319的纵向轴线329和330。在关节301和302中的至少一个构造中，该第二平面垂直于轴线306。在所示的布置中，该构造是当臂部310的纵向轴线平行于臂部311的纵向轴线时(即，当臂部311相对于臂部310不俯仰或摇摆时)的构造。
在图示的布置中，驱动齿轮314和315也位于包含轴线305并且垂直于臂部310 的纵向轴线的第三平面的同一侧(图5B和图5C中最清楚地示出)。在关节301和302 的至少一个构造中，第三平面既包含轴线305又包含轴线306。该构造是当臂部310 的纵向轴线平行于臂部311的纵向轴线时(即，当臂部311相对于臂部310不俯仰或摇摆时)的构造。
第二驱动齿轮315和第二从动齿轮313通过中间齿轮装置316联接以将驱动齿轮315的旋转传递至从动齿轮313。详细地说，中间齿轮装置316既接合驱动齿轮315 又接合从动齿轮313。在该示例中，中间齿轮装置包括接合驱动齿轮315的第一中间齿轮320和接合从动齿轮313的第二中间齿轮321。第一和第二中间齿轮彼此紧固在一起。如图5A和图5C最清楚地示出的，中间齿轮320和321固定或安装至彼此。具体而言，齿轮320抵靠齿轮321。
第一中间齿轮320为环形齿轮或冠状齿轮。第二中间齿轮321是锥齿轮。两个齿轮都与第一从动齿轮312一样可旋转地安装在转轴317上并因布置在轴线305周围。因而，中间齿轮装置316围绕轴线305布置，即该中间齿轮装置具有作为其旋转轴线的轴线305。中间齿轮装置316可围绕转轴317旋转，从而它能够相对于臂节段310 围绕轴线305进行相对旋转。如能够在图5A中看到的，中间齿轮装置316和第一从动齿轮312定位在转轴317上，使得它们位于旋转轴线306的相反侧。中间齿轮装置 316和第一从动齿轮312因此位于包含轴线306并垂直于轴线305的平面的相反侧。因而，该中间齿轮装置在沿着旋转轴线305的方向上位于第一从动齿轮312的单一侧。
第二驱动齿轮315的旋转轴线(轴线330)和中间齿轮320的旋转轴线(轴线305) 是非平行的和非相交的。因而，与第一从动齿轮312一样，第一中间齿轮320为斜齿轮。在该示例中，第一中间齿轮320为准双曲面齿轮，并且驱动齿轮315是准双曲面小齿轮。驱动齿轮315和第一中间齿轮320因此形成准双曲面齿轮组。
第一中间齿轮320和第一从动齿轮312具有相同的半径和齿密度(即每个单位圆周的齿数)。它们还可以具有相同的齿廓。不过在该布置中，当在剖视图(如图5A 和图5C所示)中观看时，齿轮320和312具有不同宽度，但是在其他布置中，齿轮 320和312可以相同，不过齿轮312为扇形。第一中间齿轮320和第一从动齿轮312 还具有相等的斜偏移：即驱动齿轮314的旋转轴线329与从动齿轮312的旋转轴线 305之间的偏移d等于驱动齿轮315的旋转轴线330和齿轮320的旋转轴线305之间的偏移d。这在图5A和图5B中最清楚地示出。齿轮312和320因此为相同的准双曲面齿轮，不过齿轮312为扇形。类似地，驱动齿轮314与驱动齿轮315相同。
第二中间齿轮321和第二从动齿轮313具有相等的齿数和1：1的传动比。齿轮 321和313因此为等径锥齿轮。等径锥齿轮可以是直齿的或螺旋齿的。
现在将描述关节机构30的操作。
为了驱动围绕轴线305的运动，第一马达操作以驱动驱动轴318围绕其纵向轴线329相对于臂节段310旋转。驱动轴318的旋转使从动齿轮314围绕轴线329旋转。因为驱动齿轮314的齿与从动齿轮312的齿啮合，所以驱动齿轮314的旋转驱动从动齿轮312围绕其旋转轴线305相对于臂节段310旋转。这经由关节301驱动第二从动齿轮313(并因此臂节段311)围绕轴线305相对于臂节段310旋转。暂时参照图6，可以看到第一从动齿轮312围绕轴线305的旋转如何使托架322(托架322与齿轮312 紧固在一起)围绕该轴线旋转。这又使第二从动齿轮313(第二从动齿轮313围绕轴线305与托架322紧固在一起)也围绕轴线305旋转。
第一从动齿轮312能够在任一角方向上围绕轴线305旋转。围绕轴线305的旋转方向取决于驱动齿轮314的旋转方向。也就是说，驱动齿轮314围绕驱动轴318的纵向轴线329在第一方向上的旋转使臂节段311围绕轴线305在第一方向上相对于臂节段310旋转；并且驱动齿轮314围绕轴线329在与第一方向相反的第二方向上的旋转使臂节段311围绕轴线305在与第一方向相反的第二方向上相对于臂节段310旋转。
应注意的是，在驱动轴319保持静止的同时第二从动齿轮313围绕轴线305的旋转也将使第二从动齿轮313围绕轴线306相对于第一从动齿轮312(并因此还相对于托架322和臂节段310)旋转，从而使臂节段311围绕轴线306相对于臂节段310进行连带运动。当期望围绕轴线305进行孤立运动时，控制系统10可以操作以与驱动轴318串联地驱动驱动轴319，以将围绕轴线305的旋转与围绕轴线306的旋转隔离。在所示的布置中，驱动轴319被以与驱动轴318相同的角方向驱动以将围绕轴线305 的旋转隔离。因此，控制系统10可以被构造成在驱动驱动轴318时驱动驱动轴319，以防止齿轮313围绕旋转轴线306相对于齿轮312旋转。
为了驱动围绕轴线306的运动，第二马达操作以驱动驱动轴319围绕其纵向轴线330相对于臂节段310旋转。驱动轴319的旋转使所附装的第二驱动齿轮315也围绕轴线330相对于臂节段310旋转。第二驱动齿轮315的齿与第一中间齿轮320的齿啮合，因此第二驱动齿轮315的旋转驱动第一中间齿轮围绕其旋转轴线305旋转。第一中间齿轮320与第二中间齿轮321紧固在一起，因此第二驱动齿轮315的旋转也使第二中间齿轮321围绕其旋转轴线305旋转。第二中间齿轮321接合第二从动齿轮313，因此齿轮321的旋转驱动齿轮313围绕其旋转轴线306旋转。因而，第二中间齿轮 321和第二从动齿轮313(在该示例中，第二中间齿轮321和第二从动齿轮313形成一对等径锥齿轮)操作以将中间齿轮装置围绕其旋转轴线305的旋转转换成第二从动齿轮围绕轴线306的旋转。中间齿轮装置316因而操作以将第二驱动齿轮315围绕其所附装的驱动轴319的纵向轴线330的旋转转换成围绕非相交轴线306的旋转。
中间齿轮装置316能够在任一角方向上围绕轴线305旋转，并且第二从动齿轮 313能够在任一角方向上围绕轴线306旋转。中间齿轮装置316围绕轴线305的旋转方向(并因此第二从动齿轮313围绕轴线306的旋转方向)取决于第二驱动齿轮315 围绕驱动轴319的纵向轴线330的旋转方向。也就是说，第二驱动齿轮315围绕轴线 330在第一方向上的旋转使臂节段311围绕轴线306在第一方向上相对于臂节段310 旋转；并且第二驱动齿轮315围绕轴线330在第二方向上的旋转使臂节段311围绕轴线306在与第一方向相反的第二方向上相对于臂节段310旋转。
应注意的是，中间齿轮装置316与第一从动齿轮312安装在相同的转轴317上，但是没有与转轴317紧固在一起。例如，在图5A和图5C中能够看到，中间齿轮装置316和第一从动齿轮312在转轴317上横向间隔开。中间齿轮装置316和从动齿轮 312因此能够围绕轴线305相对于彼此旋转。这意味着驱动轴319的旋转(该旋转使第二从动齿轮313围绕轴线306旋转)不会使齿轮313围绕轴线305进行连带运动。因而，关节机构30允许第二从动齿轮313(并因此允许臂节段311)围绕轴线306相对于臂节段310进行孤立旋转，而无需驱动齿轮318的补偿运动。
关节机构30还能够驱动臂节段311围绕轴线305和306二者相对于臂节段310 进行复合运动。驱动围绕两个轴线同时旋转的一个方式是在保持驱动轴319固定的同时驱动驱动轴318，如上所述。在某些情况下，第二从动齿轮313围绕轴线305的合成旋转可能是令人期望而不是连带的。在其他情况下，两个关节301和302的复合铰接运动可以通过串联地驱动两个驱动轴318和319实现。控制单元10可以通过控制驱动轴318和319的相关电动马达而独立地控制每个驱动轴318和319的转速和方向。这样，控制单元10能够分别控制围绕每个轴线305和306的旋转方向和围绕轴线305 转速与围绕轴线306的转速的比(反之亦然)。围绕轴线305的转速和围绕轴线306 的转速之比可以分别依赖于驱动齿轮314和315的转速比。例如，与驱动齿轮314 相对于驱动齿轮315的较低转速相比，第一驱动齿轮314相对于第二驱动齿轮315 的更高转速使围绕轴线305相对于围绕轴线306的旋转量相对更大。
以上描述的示例关节机构30的各个方面可以有助于提供一种用于将一个机械臂节段相对于另一个机械臂节段进行铰接转动的有利机构。
机构30使得通过具有两个非平行相交的旋转轴线的一对关节能够将一个机械臂节段相对于另一个机械臂节段进行铰接转动，而无需为了实现运动而在任一个臂节段中安装万向节。这能够减小臂节段的长度，因为它们不需要容纳万向节或用于它们在铰接运动期间的运动的空间。避免实现运动的万向节还导致关节运动更为平稳。
该机构可以方便地布置成使得两个驱动齿轮314和315及它们的相关驱动轴318和319位于包含轴线305的平面的一侧(如图5中所示)。通过将外部壳体323的内部容积内的空间释放出来容纳机械臂的其他部件如电缆、传感器等，在臂节段310 的外部壳体323中提供了高效的打包布置。
中间齿轮装置316的设计及其具有单个旋转轴线305的事实使其能够与第一从动齿轮312安装在相同的转轴317上。使用单个转轴(该转轴在其两个终端处固定以支撑中间齿轮装置和第一从动齿轮)提供了刚性布置，且该转轴的潜在弯曲较小。减小转轴的弯曲可以有助于提高来自于测量围绕该转轴的扭矩的扭矩传感器331的读数的精度。
将中间齿轮装置316和第一从动齿轮312都安装在公共转轴317上还可以通过将扭矩传感器332从关节外部滑动就位而简化扭矩传感器332的安装和/或维护。
关节机构30的布置使得能够使用大量类似部件。例如，第一从动齿轮312和第一中间齿轮320可以具有相同半径和齿廓，这意味着它们可以使用共同设备来制造。这又意味着驱动齿轮314可以具有与驱动齿轮315相等的齿廓，这意味着它们也可以使用共同设备制造。相关的驱动轴318和319也可以相同。另外，第二中间齿轮321 和第二从动齿轮313可以形成具有相等齿数和相等节面角和压力角的一对等径锥齿轮。如果这些等径锥齿轮还是直齿轮，则齿轮321和313可以相同。机械不同部件的数量减小可以降低机构的设计和制造努力及成本。
尽管已经参照图3至图6所示的具体示例进行了上述公开，但是将认识到，可以对所述关节机构进行各种修改。
例如，在上述实施方式中，第一从动齿轮312是扇形，但是在其他示例中，第一中间齿轮320可以是扇形，而第一从动齿轮312不是扇形(也就是说，第一从动齿轮 312可以具有360度的操作弧)。另选地，第一从动齿轮312和第一中间齿轮320都可以是扇形。在仅需要减小关节的操作角度的某些实现中可以允许使两个齿轮都为扇形，并且这样能够使关节机构减轻重量并且潜在减小尺寸。
扇形的操作弧可以根据关节机构30的机械实现而改变。该操作弧可以例如小于270°、或者为180°或90°或60°。在图3至图6中所示的关节机构30的具体实现中(即：位于机械臂的手腕中)，已经认识到，扇形312的操作弧可以减小至50°，从而使得该机构提供围绕轴线305的±25°的旋转。这是因为关节300、301、302 和303的布置(即：一对侧倾关节，在该对侧倾关节之间具有俯仰和摇摆关节)提供机械冗余度，这意味着即使对于围绕轴线305的受限运动范围，也能够实现机械臂的远端的宽位置范围。将扇形312的操作弧减小至50°可以导致关节机构的大小和重量进一步减小。例如，±25°的旋转运动范围可以仅仅需要该扇形具有限定跨越90°的弧的齿。
在上述示例中，将第一从动齿轮312和第一中间齿轮320描述为准双曲面齿轮。准双曲面齿轮的使用允许以相对紧凑的形式提供相对高的扭矩能力。然而，这些齿轮可以大体为任何适当类型的环形齿轮。例如，第一从动齿轮312和第一中间齿轮320 中的一个或两个都可以是另一种类型的斜轴齿轮，诸如
Figure BDA0001951322720000141
齿轮或蜗轮。于是驱动齿轮314和315中的一个或两个都可以视情况而定为Spiroid小齿轮或蜗轮。作为另一个示例，第一从动齿轮312和第一中间齿轮320中的一个或两个可以是锥齿轮，从而相关的驱动齿轮314和315的旋转轴线与旋转轴线305相交。这些锥齿轮可以是直齿的或螺旋齿的。
第二中间齿轮321和第二从动齿轮313不需要与上述示例中一样为等径锥齿轮，但是可以总体上为锥齿轮。也就是说，齿轮321和313的传动比无需为1：1，并且这些齿轮不需要具有相等的齿数。
已经将中间齿轮装置316和第一从动齿轮描述为安装在共同转轴317上。在另选布置中，中间齿轮装置316和第一从动齿轮312可以安装在相应的悬置转轴上。这种布置可以用来在齿轮装置和从动齿轮之间提供容积，该容积可以用于容纳机械臂的其他部件，诸如传感器、电子器件等。
在以上描述的图示示例中，关节机构30被布置成使得两个旋转轴线305和306 正交。转轴305和306不一定正交，并且一般可以为两个非平行的相交轴线。它们可以彼此基本正交。轴线305和306之间的角度可以通过布置第二中间齿轮321和第二从动齿轮313来设置。也就是说，第二从动齿轮313和第二中间齿轮321可以被布置成使得第二从动齿轮313的旋转轴线(轴线306)不垂直于第二中间齿轮321的旋转轴线(轴线305)。另外，轴线305不一定垂直于臂部310的纵向方向。例如，关节机构可以被布置成使得轴线305相对于臂节段310的纵向轴线倾斜。
已经将中间齿轮装置316描述为包括两个中间齿轮320和321。然而，该中间齿轮装置可以仅包括围绕轴线305布置的一个齿轮。例如，中间齿轮装置316可以包括既接合驱动齿轮315又接合第二从动齿轮313的单个锥齿轮。另选地，中间齿轮装置可以包括均围绕轴线305布置的三个或更多个中间齿轮。这些中间齿轮中的第一中间齿轮可以接合驱动齿轮315，而这些中间齿轮中的第二中间齿轮可以接合从动齿轮 313。其余的中间齿轮可以用来驱动机械臂的其他部件，或者形成驱动齿轮315和从动齿轮313之间的变速装置的一部分。
已经将关节机构描述为在机械臂的手腕中实现。然而，将认识到，该机构可以在将机械臂的一个臂节段联接至机械臂的另一个臂节段的任何适当的关节中实现。该关节可以是位于机械臂的更近端的另一个关节，诸如肘关节或位于运动链的近端处的某个其他关节。另外，该关节机构不一定在外科手术机器人中实现，而是可以在其他类型的机器人(诸如工业机器人)中实现。
由此，申请人将这里描述的每个单独特征以及两个或更多个这种特征的任何组合孤立地公开到这样的程度，即：这些特征或组合能够根据本领域技术人员的公知常识总体上基于本申请来进行，而不管这些特征或特征组合是否解决了这里公开的任何问题，并且不对权利要求的范围构成限制。申请人指明，本发明的各个方面可以由任何这种单独特征或特征组合构成。鉴于上述描述，对本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (18)

1.一种外科手术机械臂，该外科手术机械臂包括：具有第一纵向轴线的第一臂节段和具有第二纵向轴线的第二臂节段，所述第一臂节段和所述第二臂节段通过第一转动关节和第二转动关节联接至彼此，该第一转动关节具有与所述第一纵向轴线垂直的第一旋转轴线，该第二转动关节具有与所述第二纵向轴线垂直的、与所述第一旋转轴线相交且不平行于所述第一旋转轴线的第二旋转轴线；和关节机构，该关节机构用于使所述第一臂节段围绕所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线相对于所述第二臂节段铰接转动，所述关节机构包括：
第一从动齿轮，该第一从动齿轮围绕与所述第一旋转轴线重合的转轴布置，所述转轴与所述外科手术机械臂的所述第一臂节段紧固在一起；
第二从动齿轮，该第二从动齿轮围绕所述第二旋转轴线布置，与所述外科手术机械臂的所述第二臂节段紧固在一起并且围绕所述第一旋转轴线与所述第一从动齿轮紧固在一起；
第一驱动齿轮，该第一驱动齿轮被构造成驱动所述第一从动齿轮围绕所述转轴旋转，所述第一驱动齿轮被布置成接合所述第一从动齿轮；
第二驱动齿轮，该第二驱动齿轮用于驱动所述第二从动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转；
中间齿轮装置，该中间齿轮装置被布置成接合所述第二驱动齿轮和所述第二从动齿轮，并且围绕所述第一旋转轴线布置，由此能够驱动所述中间齿轮装置围绕所述第一旋转轴线相对于所述第一臂节段旋转，所述中间齿轮装置包括被布置成接合所述第二驱动齿轮的第一中间齿轮和被布置成接合所述第二从动齿轮的第二中间齿轮；并且
其中，所述第一从动齿轮和所述第一中间齿轮中的至少一个为扇形。
2.根据权利要求1所述的外科手术机械臂，其中，所述第一旋转轴线横向于所述第二旋转轴线。
3.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第一驱动齿轮附装至沿着所述第一臂节段延伸的第一驱动轴。
4.根据权利要求3所述的外科手术机械臂，其中，所述第二驱动齿轮附装至沿着所述第一臂节段延伸的第二驱动轴。
5.根据权利要求4所述的外科手术机械臂，其中，所述第一驱动轴和所述第二驱动轴位于所述转轴所在的平面的一侧。
6.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第一从动齿轮为环形齿轮或者准双曲面齿轮。
7.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述中间齿轮装置安装在所述转轴上，所述转轴的每个端部都安装至所述第一臂节段。
8.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第一中间齿轮与所述第二中间齿轮紧固在一起。
9.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，仅所述第一从动齿轮为扇形。
10.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述扇形的操作弧小于或等于50度。
11.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第一中间齿轮为环形齿轮或者准双曲面齿轮。
12.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第一驱动齿轮和所述第一从动齿轮形成第一准双曲面齿轮组，并且所述第二驱动齿轮和所述第一中间齿轮形成第二准双曲面齿轮组，所述第一准双曲面齿轮组和所述第二准双曲面齿轮组具有相等的斜偏移。
13.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第二中间齿轮和所述第二从动齿轮为锥齿轮或者等径锥齿轮。
14.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述关节机构进一步包括托架，该托架通过所述第一转动关节附装至所述第一臂节段并通过所述第二转动关节附装至所述第二臂节段，所述托架与所述第一从动齿轮紧固在一起。
15.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述第一转动关节和所述第二转动关节为所述外科手术机械臂的手腕关节。
16.根据权利要求1或2所述的外科手术机械臂，其中，所述外科手术机械臂包括围绕所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线与所述第二臂节段紧固在一起的工具或工具附件。
17.根据权利要求16所述的外科手术机械臂，其中，所述外科手术机械臂包括：第三臂节段，该第三臂节段相邻于所述第二臂节段并且位于所述第二臂节段的与所述关节机构相反的一侧；和第三转动关节，该第三转动关节将所述第三臂节段附装至所述第二臂节段，其中，所述第三臂节段包括工具或工具附件，具有与所述第二纵向轴线共线的第三纵向轴线，并且能够相对于所述第二臂节段围绕所述第三纵向轴线旋转。
18.根据权利要求4所述的外科手术机械臂，该外科手术机械臂进一步包括控制单元，该控制单元被布置成通过驱动所述第一驱动轴和所述第二驱动轴旋转而对命令所述外科手术机械臂运动的命令信号作出响应，所述控制单元被构造成当命令所述外科手术机械臂围绕所述第一旋转轴线铰接转动而不围绕所述第二旋转轴线铰接转动时，驱动所述第一驱动轴旋转以围绕所述第一旋转轴线进行铰接转动，并且还驱动所述第二驱动轴旋转从而取消围绕所述第二旋转轴线的连带铰接转动。
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