CN111166481B - 外科手术辅助机器人的器械减速器及器械系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外科手术辅助机器人的器械减速器，包括至少一个减速单元，各减速单元包括间隔设置的减速输出轴和至少一根减速中间轴；所述减速输出轴、中间轴和电机的输出轴通过同步带或钢丝传动。本发明提供了一种集群式传动的减速器，为实现器械的足够的工作自由度、功率、力反馈等功能提供了有效的解决途径，是器械实现力反馈的一个支撑技术，并且整体结构简单、非常紧凑，传动精度高，便于生产制造，便于维护保养。

Description

外科手术辅助机器人的器械减速器及器械系统

技术领域

本发明涉及一种减速结构，特别是涉及一种用于外科手术辅助机器人器械的减速结构。

背景技术

进行微创手术的医疗机器人，通过固定在机器人关节末端的器械对患者进行手术操作，如CN107951565A公开的腹腔镜手术机器人。具体而言，器械的操作部为夹钳或剪刀等部件，这些部件通过钢丝控制操作。由于机器人的特定构造和手术的特点，这些器械的爪部需设置于一细长杆的末端，控制操作部的钢丝通过细长杆的空腔。

操作爪部的动力源于电机，但电机的输出转速通常较高，因此需对应设计一减速结构，但对于器械的具体工作环境而言，则要求减速结构尽可能的紧凑，摩擦力小，以减小器械的体积，并为器械爪部的力反馈提供便利条件。

因此本领域技术人员致力于开发一种传动结构简单、传动摩擦小的外科手术辅助机器人的器械减速器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种传动结构简单、传动摩擦小的外科手术辅助机器人的器械减速器。

为实现上述目的，本发明提供了一种外科手术辅助机器人的器械减速器，包括至少一个减速单元，各减速单元包括间隔设置的减速输出轴和至少一根减速中间轴；所述减速输出轴、中间轴和电机的输出轴通过同步带或钢丝传动。

较佳的，所述减速输出轴和电机输出轴的轴心线重合。

较佳的，所述电机的安装座上固定有减速器的输出轴安装座；

所述输出轴安装座上一体设置有轴承安装轴；所述轴承安装轴和电机输出轴的轴心线重合；

所述减速输出轴通过轴承套装于所述轴承安装轴上。

为进一步简化结构，减小摩擦，所述轴承安装轴上套装有第一减速轴承和第二减速轴承；所述第一减速轴承和第二减速轴承通过衬套间隔设置；

所述第一减速轴承和第二减速轴承的外圈配合所述减速输出轴；所述第一减速轴承的上端面通过所述减速输出轴内腔的台阶定位；所述第二减速轴承的下端面通过设置于所述减速输出轴内腔的卡圈定位；

所述减速输出轴的上端设置有输出法兰。

较佳的，所述减速输出轴上设置有第一弹簧座；所述输出法兰套装于所述减速输出轴的上端，并设置有第二弹簧座；所述第一弹簧座与第二弹簧座之间设置有套装的弹簧；

所述输出法兰的内壁固定有限位销；所述减速输出轴上设置有与所述限位销对应的限位滑槽；所述限位销伸入所述限位滑槽中。

所述第一减速轴承的上端面设置有端盖；所述端盖通过螺钉与所述轴承安装轴固定连接。

为进一步简化结构，减小摩擦，所述输出轴安装座的下部具有容纳电机输出轴和同步带或钢丝传动的空间。

为进一步简化结构，减小摩擦，该减速器包括至少三个减速单元；

连接减速中间轴和减速输出轴的各同步带或钢丝的中心线通过各电机输出轴线的几何中心；

连接减速输出轴、中间轴和电机输出轴的各同步带或钢丝的长度相等。

为进一步简化结构，各减速单元仅设置一根减速中间轴；各所述减速中间轴设置于减速器座上。

电机安装座的上设置有多个与所述减速器座对应的螺孔；所述减速器座上相对设置有两个可与所述螺孔螺栓连接的连接支耳；所述连接支耳上设置有腰形孔。

本发明还提供了一种外科手术辅助机器人器械系统，包括如上所述的减速器。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种集群式传动的减速器，为实现器械的足够的工作自由度、功率、力反馈等功能提供了有效的解决途径，是器械实现力反馈的一个支撑技术，并且整体结构简单、非常紧凑，传动精度高，便于生产制造，便于维护保养。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是图2中I处的局部放大图。

图4是本发明一具体实施方式中动力部的结构示意图。

图5是本一具体实施方式中动力部的俯视结构示意图。

图6是图5的E-E旋转剖视结构示意图。

图7是图5的J-J剖视结构示意图。

图8是图7的L-L剖视结构示意图。

图9发明一具体实施方式中无菌分隔器的结构示意图。

图10图9俯视结构示意图。

图11图10的B-B剖视结构示意图。

图12发明一具体实施方式中无菌分隔器的立体结构示意图。

图13是图1的左视结构示意图。

图14是图13的C-C剖视结构示意图。

图15是图14中II处的局部放大图。

图16是图13的D-D剖视结构示意图。

图17是图16中III处的局部放大图。

图18是图13的I-I剖视结构示意图。

图19是图18中VII处的局部放大图。

图20是本发明一具体实施方式中无菌分隔器与动力部的连接结构示意图。

图21是本发明一具体实施方式中去掉器械盒后的结构示意图。

图22是图21的E-E剖视结构示意图。

图23是图21的F-F剖视结构示意图。

图24是图23中IV处的局部放大图。

图25是图23中V处的局部放大图。

图26是图21中VI处的局部放大图。

图27是图21的M向视图。

图28是图21的N向视图。

图29是本发明一具体实施方式中长杆钢丝带动轮与长杆转动轮的传动示意图。

图30是图29的剖视结构示意图。

图31是图30中VII处的局部放大图。

图32是图30中G-G的剖视结构示意图。

图33是本发明一具体实施方式中爪部的结构示意图。

图34是图33中H-H的剖视结构示意图。

图35是图33的P向结构示意图。

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至图35所示，一种外科手术辅助机器人器械系统，包括动力部100、无菌分隔器200和器械300。

本实施例中，动力部包括四个动力组，四个动力组101呈矩形并列。在其他具体实施方式中，可根据具体需要，如器械爪部操作自由度的数量等，设置动力组的数量。当然，也可仅设置一个动力组，通过传动部分的一个或多个输出，以达到控制器械爪部运动的目的。

如图1至图3所示，四个动力组均包括电机101，各电机101连接有减速器102，减速器的输出轴103上套装有伸缩式的输出法兰104。输出法兰104可与无菌分隔器200的过渡法兰201连接，过渡法兰201可与器械的输入法兰301连接，输出法兰104、过渡法兰201和输入法兰301的数量和位置相对应。显然，这样的驱动结构，电机的输出动力通过减速后，将以最短的传动路径传递给器械，因此这将有效的简化传动结构，更重要的是，这样简化的传动结构意味着传动过程中可能的摩擦点会更少。这样将节约电机功率，而且提高了传动精度，并使手术工具受到的阻力通过传动系统，反馈给电机。可在电机输出轴106处设置扭矩传感器采集手术的阻力数据，同时， 参考这些阻力的大小，对主刀医生操作的主手电机的转速和扭矩进行控制，则可实现让医生感觉手术操作的实时情况，从而使医生能够准确掌握手术动作轻重，使手术控制更精准。

作为一种较为简单紧凑的结构，输出法兰104、过渡法兰201和输入法兰301上设置有可配合的凸包1和缺口2。

如图3至图8所示，减速器102包括减速输出轴103和减速中间轴105。本实施例中，减速器设置为两级减速，即各减速器仅设置一根减速中间轴105，各减速中间轴105设置于减速器座108上。减速输出轴103、减速中间轴105和电机输出轴106通过同步带107传动。

在其他具体实施方式中，也可根据情况设置多个减速中间轴105，以达到多级减速的目的。减速输出轴103、减速中间轴105和电机输出轴也可设置传动轮，通过钢丝传动，以达到基本相同的较小摩擦的技术效果。

本实施例中，连接减速中间轴105和减速输出轴103的各同步带的中心线L通过各电机输出轴线的几何中心O，连接减速输出轴、中间轴和电机输出轴的各同步带或钢丝的长度相等。

电机101设置于电机安装座110上。电机安装座110上设置有多个与减速器座108对应的螺孔109，减速器座108上相对设置有两个可与螺孔109螺栓连接的连接支耳112，连接支耳112上设置有腰形孔113。减速器座等零部件组成的中心组合部件，在安装的初始状态是自由不固定的，装配好的位置由八个同步带确定，旋转中心组合部件，可同时张紧八个同步带，再旋紧螺钉114固定好连接支耳112和螺孔109，固定中心组合部件的位置，就完成了装配工作。由于中心组合部件的位置自由不固定，八个同步带张紧时，会自动补偿位置制造公差带来的差异，使相同长度的同步带或者钢丝达到同样的张紧程度。

电机的安装座110上固定有减速器的输出轴安装座115。

输出轴安装座115上一体设置有轴承安装轴116，轴承安装轴116上套装有第一减速轴承117和第二减速轴承118，第一减速轴承117和第二减速轴承118通过衬套119间隔设置。

第一减速轴承117和第二减速轴承118的外圈配合减速输出轴103，第一减速轴承117的上端面通过减速输出轴103内腔的台阶定位；第二减速轴承118的下端面通过设置于减速输出轴103内腔的卡圈121定位。

减速输出轴120上设置有第一弹簧座122，输出法兰104套装于减速输出轴120的上端，并设置有第二弹簧座123。第一弹簧座122与第二弹簧座123上设置有弹簧124。

104输出法兰的内壁固定有限位销125，减速输出轴103上设置有与限位销对应的限位滑槽126，限位销125穿过限位滑槽。

第一减速轴承117的上端面设置有端盖126，端盖126通过螺钉127与轴承安装轴116旋合连接。

输出轴安装座115的下部具有容纳电机输出轴106和同步带传动的空间120，电机输出轴106和减速输出轴103的轴心线重合。

如图9至图20所示，无菌分隔器200包括上隔板202和下隔板203，上隔板202和下隔板203对应设置有容纳过渡法兰201的空腔204，空腔204的内径大于过渡法兰201的外径。

上隔板202在空腔204的上端设置有第一轴向限位凸台205，下隔板203在空腔的下端设置有第二轴向限位凸台206，过渡法兰201的外表面设置有与第一轴向限位凸台205和第二轴向限位凸台206对应的第三轴向限位凸台207。

因此，四个过渡法兰在上下隔板中间，可以自由转动和自由沿着轴线移动，工作时，这四个过渡法兰只与上下相连的法兰接触，并同步旋转，不与其他任何零部件接触，因此不产生摩擦力，因此为实现手术的力反馈进一步提供了便利条件。

该器械系统设置有自锁卡扣结构，自锁卡扣结构包括第一结合部和第二结合部，即分别对应上隔板202和器械盒301，上隔板202上的两个边缘相对设置两个上卡扣座208，上卡扣座208上通过销轴209和套装于销轴209上的扭簧210设置有上卡扣211。上卡扣211上设置有第一卡位凸缘212，器械300的器械盒301上设置有与第一卡位凸缘212对应的第二卡位凸缘302。

上卡扣211包括间隔设置的两个安装臂211a，两个安装臂211a通过卡扣部211b连接为一体结构，安装臂211a套装于销轴209上。卡扣部211b整体上为楔形结构，卡位凸缘302上设置有与楔形斜面211c对应的第二斜面327。

器械盒301上设置有旋转卡扣的第一按压部，第一按压部位于第二卡位凸缘302的上方。第一按压部包括一体的按板323、限位板324和压板325，按板323和压板325彼此平行，限位板324位于按板323和压板325之间，且与按板323和压板325垂直。

器械盒301上设置有抵靠限位板324端面的限位凸缘326，限位凸缘326的宽度小于限位板324的宽度，按板323的顶面不高于限位凸缘326的根部。

上卡扣211上设置有与压板325对应的被压平面211d。

当上隔板202与器械盒301结合时，楔形斜面211c与第二斜面327首先接触，然后相对滑动，此时扭簧210弯曲。当器械达到目标位置时，扭簧210回弹，第一卡位凸缘212扣在第二卡位凸缘302上，实现锁紧。如果按压按板323，则压板325将推动卡扣部211b，从而克服扭簧210的弹力推动上卡扣旋转，从而使上隔板与器械盒分离。

下隔板203的两侧均设置有下卡扣座213，下隔板203与动力组连接的安装壳体214上设置有与下卡扣座213对应的第二按压部219，第二按压部219两端一体设置有片状插销215，中间设置有弹簧导向轴130大端盲孔。

下卡扣座213上设置有与弹簧导向轴130对应的通孔和第三弹簧座131，第三弹簧座131与弹簧导向轴130之间安装有弹簧132。安装壳体214上设置有与片状插销215对应的通孔216，片状插销215伸出该通孔216后与动力部壳体上对应的槽扣合。

本实施例中，为便于操作，上卡扣211和插销215的轮廓形状均设置为楔形结构。

如图1、图2和图21至图32所示，器械300包括器械盒301、器械座302、长杆303和爪部304。器械座上固定有轴承架305，轴承架305和器械座302通过轴承设置有输入法兰轴，输入法兰设置于输入法兰轴的下部。

长杆303通过轴承安装于器械座302上，长杆303的上部固定有长杆转动轮311。

动力部包括长杆动力组和爪部动力组，上述四个动力组100的其中之一作为长杆动力组，另三个作为爪部动力组。

长杆动力组对应的长杆输入法兰轴306上固定有长杆钢丝带动轮310，长杆钢丝带动轮310上缠绕有长杆钢丝309，长杆钢丝309一端与长杆钢丝带动轮310固定，另一端缠绕长杆转动轮311后与长杆钢丝带动轮310固定。

长杆钢丝带动轮310包括上长杆钢丝带动轮310a和下长杆钢丝带动轮310b。上长杆钢丝带动轮310a和下长杆钢丝带动轮310b位于长杆输入法兰轴306的第一安装轴承312a和第二安装轴承312b之间。上长杆钢丝带动轮310a和下长杆钢丝带动轮310b上对应设置有可扣合的锯齿310c。

长杆钢丝309一端与上长杆钢丝带动轮310a固定，另一端与下长杆钢丝带动轮310b固定。具体的固定方式为常规固定，如在钢丝带动轮上设置小孔，绳头穿过该小孔后设置绳结。

长杆钢丝转动轮311沿径向设置有钢丝固定座323，钢丝固定座323间隔设置有相对长杆钢丝转动轮311凸起的第一钢丝绳结部323a和第二钢丝绳结部323b。第一钢丝绳结部323a和第二钢丝绳结部323b具有容纳长杆钢丝309通过的第一导槽孔324a和第二导槽孔324b,第一导槽孔324a和第二导槽孔324b位于长杆钢丝309缠绕钢丝转动轮311的第一导槽325的路径上；

位于第一钢丝绳结部323a和第二钢丝绳结部323b之间的长杆钢丝309上固定有钢丝套326。钢丝固定座323上间隔设置有三条与第一导槽325重合的第二导槽327，中间的第二导槽与第一导槽孔324a和第二导槽孔324b路径重合。因此，传动时，钢丝与长杆钢丝转动轮311之间不会产生周向相对移动，另外，绳结的前后，总有一部分钢丝压在绳结部上，使钢丝固定不会脱出，利于生产操作。

第一安装轴承312a位于第二安装轴承312的上部，通过锁紧螺钉313锁紧。在其他具体实施方式中，也可采用锁紧螺母等类似结构实现锁紧。

如图33至图35所示，爪部动力组对应的爪部输入法兰轴314上固定有爪部钢丝带动轮315，爪部钢丝带动轮315上固定有爪部钢丝316，爪部钢丝316的另一端绕过导线槽轮317后穿过长杆303的空腔，并与爪部304连接。

器械座302对应长杆303的安装处设置有导线槽轮安装架318，导线槽轮安装架318上设置有导向槽轮319，导向槽轮319的位置与各爪部钢丝带动轮315相对应，数量为爪部钢丝带动轮315的两倍，其中之一作为进入长杆空腔导向用，另一个作为穿出长杆空腔导向用。

各爪部钢丝带动轮315包括上爪部钢丝带动轮315a和下爪部钢丝带动轮315b。上爪部钢丝带动轮315a和下爪部钢丝带动轮315b位于爪部输入法兰轴314的第三安装轴承320和第四安装轴承321之间。上爪部钢丝带动轮315a和下爪部钢丝带动轮315b上对应设置有可扣合的锯齿315c。

上爪部钢丝带动轮315a和下爪部钢丝带动轮315b上均固定有爪部钢丝316。具体的固定方式为常规固定，如在钢丝带动轮上设置小孔，绳头穿过该小孔后设置绳结。

第三安装轴320承位于第四安装轴承321的上部，通过锁紧螺母322锁紧。在其他具体实施方式中，也可采用锁紧螺钉等类似结构实现锁紧。

长杆303的末端设置为爪部304。爪部304包括与长杆303末端固定的爪部座328，爪部座328上通过第一铰轴329铰接有手术工具座333，手术工具座329的下端通过第二铰轴330铰接有第一工作部331和第二工作部332。第一铰轴329在爪部座333的两侧分别设置有两个第一导轮334和两个第二导轮335。手术工具座333在第一导轮334和第二导轮335的下方分别对应设置有两个第三导轮336和两个第四导轮337。手术工具座333、第一工作部331和第二工作部332上均设置有允许爪部钢丝缠绕的导槽和过孔。

动力组的爪部钢丝通过长杆303的内腔后，其中两组经第一导轮334、第三导轮336、第一工作部331上的导槽和过孔、第四导轮337和第二导轮335后，返回长杆内腔，然后经过导向槽轮319后与对应的爪部钢丝带动轮315固定。另一组爪部钢丝直接经过手术工具座333上的导槽和过孔返回长杆内腔，经过导向槽轮后与对应的爪部钢丝带动轮固定。

本实施例中，各轴承均为滚动轴承，从而使传动的摩擦力极小，因此为实现手术的力反馈进一步提供了便利条件。

本实施例中，凡涉及到旋转轴的部位，均设置有由聚四氟乙烯材料制作的轴瓦，从而使摩擦系数降到了非常小的地步，减小了摩擦力，为实现手术的力反馈进一步提供了便利条件。

上述器械系统工作时，动力部中电机的动力经过减速后，通过法兰直接传递给爪部钢丝带动轮和长杆钢丝带动轮，从而控制爪部工作，因此传动路径短，省去了诸多中间环节，相当于电机直接转动，从而拉动钢丝正转或反转。基于此，爪部的受力状态也将更灵敏的反馈给电机轴。在整个的钢丝传动过程中，只有在导向槽轮处产生摩擦，因此实现力的反馈更灵敏。

无菌分隔器的上下隔板用于夹住无菌罩，无菌罩将器械座、电机输出轴、机器人的机械臂（图中未示出）隔离，因此器械内部为无菌环境。

操作使用时，先把无菌分隔器200装在动力部100上，再把器械300装在无菌分隔器200上。

绝大多数情况下，输出法兰104、过渡法兰201和输入法兰301彼此之间没有结合，各凸包没有进入凹槽和缺口，爪部手术工具未得到控制。

转动电机101，在摩擦力的作用下，几个法兰可能同时转动，无相对旋转，直到器械爪部的手术工具的各自由度转到极限而被限位，被限位后，器械各法兰都会停止转动。

继续转动电机，过渡法兰201与输入法兰301产生相对运动，当法兰凸包正对凹槽时，在弹簧124的作用下，过渡法兰201向器械运动，凸包插入凹槽，完成了输入法兰301与过渡法兰201的结合。

此时，结合的两个法兰静止不动，继续转动电机101的情况下，减速器输出法兰104与无菌分隔器中的过渡法兰201产生相对运动，当凸包与缺口正对时，在弹簧124的作用下，减速器输出法兰104向无菌分隔器运动，凸包插入缺口，完成输出法兰104和过渡法兰201的结合。

分离时，分别取下器械和无菌分隔器时，就完成了法兰的分离。

因此，无菌分隔器的过渡法兰不需要对方向，只需将无菌分隔器和器械装上就行，系统会自动使法兰闭合，取下器械和无菌分隔器时，自动分离断开，无需更多的动作。并且过渡法兰在上下隔板中间，可以自由转动和自由沿着轴线移动，移动的行程与输出法兰104的行程相当。工作时，4个过渡法兰只与上下相连的法兰接触，并同步旋转，不与其他任何零部件接触，不产生摩擦力，因此实现力的反馈更灵敏。

由于上卡扣和下卡扣的设置，需要取下无菌分隔器时，用手捏住下卡扣，顺势就取下了。

工作一段时间后，钢丝可能松动，但是由于长杆钢丝带动轮和爪部钢丝带动轮上的锯齿状结构，相对旋转钢丝带动轮的上下两部分即可张紧钢丝，结束张紧时，锯齿相扣合，防止上下两部分钢丝带动轮向钢丝松动的方向旋转，经轴端的螺母或螺钉压紧后，钢丝就不再松动。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：包括多个减速单元，各减速单元包括减速输出轴和至少一根减速中间轴；所述减速输出轴、减速中间轴和电机的输出轴通过同步带或钢丝传动；

各减速单元仅设置一根减速中间轴，各所述减速中间轴设置于减速器座上；在安装的初始状态，所述减速器座是自由不固定的，通过旋转所述减速器座可同时张紧多个所述同步带或钢丝，再固定减速器座，完成装配工作。

2.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：所述减速输出轴和电机输出轴的轴心线重合。

3.如权利要求2所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：所述电机的安装座上固定有减速器的输出轴安装座；

所述输出轴安装座上一体设置有轴承安装轴；所述轴承安装轴和电机输出轴的轴心线重合；

所述减速输出轴通过轴承套装于所述轴承安装轴上。

4.如权利要求3所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：

所述轴承安装轴上套装有第一减速轴承和第二减速轴承；所述第一减速轴承和第二减速轴承通过衬套间隔设置；

所述第一减速轴承和第二减速轴承的外圈配合所述减速输出轴；所述第一减速轴承的上端面通过所述减速输出轴内腔的台阶定位；所述第二减速轴承的下端面通过设置于所述减速输出轴内腔的卡圈定位；

所述减速输出轴的上端设置输出法兰。

5.如权利要求4所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：所述减速输出轴上设置有第一弹簧座；所述输出法兰套装于所述减速输出轴的上端，并设置有第二弹簧座；所述第一弹簧座与第二弹簧座之间设置有套装的弹簧；

所述输出法兰的内壁固定有限位销；所述减速输出轴上设置有与所述限位销对应的限位滑槽；所述限位销伸入所述限位滑槽中。

6.如权利要求4所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：所述第一减速轴承的上端面设置有端盖；所述端盖通过螺钉与所述轴承安装轴固定连接。

7.如权利要求4所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：所述输出轴安装座的下部具有容纳电机输出轴和同步带或钢丝传动的空间。

8.如权利要求1至7任一所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：该减速器包括至少三个减速单元；

连接减速中间轴和减速输出轴的各同步带或钢丝的中心线通过各电机输出轴线的几何中心；

连接减速输出轴、中间轴和电机输出轴的各同步带或钢丝的长度相等。

9.如权利要求8所述的外科手术辅助机器人的器械减速器，其特征是：

电机安装座上设置有多个与所述减速器座对应的螺孔；所述减速器座上相对设置有两个可与所述螺孔螺栓连接的连接支耳；所述连接支耳上设置有腰形孔。

10.一种外科手术辅助机器人器械系统，其特征是：包括权利要求1至9任一所述的减速器。