CN111529064A - 一种手术机器人直线驱动装置及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人直线驱动装置及手术机器人，其技术方案为：包括旋转自由度模块、器械驱动模块、运动传递模块和快换模块，所述旋转自由度模块与器械驱动模块相连，所述器械驱动模块的输出端与运动传递模块相连，所述运动传递模块的输出端连接快换模块；通过运动传递模块将器械驱动模块的旋转运动变为直线运动并传递至快换模块，以实现其快速更换。本发明可以更好地实现不同末端执行器的快速更换；具有通用性，可以实现手术机器人系统的模块化使用，降低使用成本。

Description

一种手术机器人直线驱动装置及手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种手术机器人直线驱动装置及手术机器人。

背景技术

随着微创手术的发展，手术机器人的使用与研究都飞速发展起来，目前，手术机器人按照驱动方式主要可以分为杆驱动，内置弹性元件驱动、线驱动等，其中线驱动能够最大限度地减小手术机器人的体积，更有利于微创手术的开展，故而得到了广泛的应用。

目前，世界上商业化最成功的手术机器人-Da Vinci手术机器人所使用的驱动装置即为线驱动的驱动方式。Da Vinci生产的手术机器人应用于腹腔镜手术领域，利用直流伺服电机作为动力装置，输出的运动经过转盘传动转化为驱动丝的平移运动，以实现对末端执行器的驱动，而且其驱动装置带有快换机构，能够实现对不同的腹腔镜手术机器人末端执行器械的快速更换。但是轮盘形式的运动传递方式会扩大电机输出运动的误差，一定程度上影响手术机器人末端执行结构的控制精度，且其电机布置方式会使整体径向尺寸过大，对手术机器人的大臂运动造成一定的影响。

此外也有学者提出了直线驱动方式，即利用滚珠丝杠来将驱动电机输出的旋转运动转化为驱动丝的平移运动，这样的驱动方式一定程度上减小的了电机输出运动的误差放大，能够提高精度。但是发明人发现，目前的装置大多都是针对特定的末端执行机构设计的，不具备通用性，也没有合理有效的快换功能，并不能满足目前手术机器人的应用需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种手术机器人直线驱动装置及手术机器人，可以更好地实现不同末端执行器的快速更换；具有通用性，可以实现手术机器人系统的模块化使用，降低使用成本。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种手术机器人直线驱动装置，包括旋转自由度模块、器械驱动模块、运动传递模块和快换模块，所述旋转自由度模块与器械驱动模块相连，所述器械驱动模块的输出端与运动传递模块相连，所述运动传递模块的输出端连接快换模块；通过运动传递模块将器械驱动模块的旋转运动变为直线运动并传递至快换模块，以实现其快速更换。

作为进一步的限定，所述旋转自由度模块包括驱动机构、与驱动机构相连的旋转关节。所述驱动机构包括同步带机构，所述同步带机构通过传动轴连接旋转关节；所述旋转关节包括套设在一起的固定环和安装盘，安装盘与固定环之间连接若干牛眼轴承。

作为进一步的限定，所述器械驱动模块包括沿安装盘圆周方向均匀布置的若干驱动电机，安装盘一侧安装若干驱动器，驱动电机的控制线和电源线与驱动器相连，驱动器的引出线与套设在传动轴上的滑环相连。

作为进一步的限定，所述运动传递模块包括多组滚珠丝杠副、直线导轨副，每组滚珠丝杠副和直线导轨副之间安装力传感器；其中多组滚珠丝杠副相互平行且围成环状结构。

作为进一步的限定，所述快换模块包括快换接头、快换夹和驱动丝接头，快换夹安装于快换接头一端；所述快换夹具有多个用于固定驱动丝接头的卡扣。

第二方面，本发明实施例还提供了一种手术机器人，包括所述的直线驱动装置。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式通过旋转自由度模块，可以实现无论是连续体手术机器人还是刚性手术机器人的整体旋转自由度，且结构简单，避免了将旋转自由度设置在执行器械上造成的尺寸加大、结构复杂等问题；

(2)本发明的一个或多个实施方式器械驱动模块的驱动电机圆周排列，驱动器也使用圆周排列，使结构合理，减小了整体尺寸，并通过设置滑环避免使用过程中出现的线路缠绕问题；

(3)本发明的一个或多个实施方式使用滚珠丝杠进行运动传递，并在输出运动时添加直线导轨副，减小了摩擦，提高了传动过程的精度；

(4)本发明的一个或多个实施方式在运动传递模块中使用力传感器，在驱动连续体手术机械臂时可以进行预先校准，并且测知驱动丝的张力也可以方便地进行末端器械的力估计，以便进行力反馈操作，同时力传感器置于驱动系统中，也不会加大末端器械的尺寸；

(5)本发明的一个或多个实施方式具有快换模块，通过快换夹与运动传递模块配合，能够实现驱动丝接头的快换。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的总体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的旋转自由度模块的驱动机构示意图；

图3(a)是本发明根据一个或多个实施方式的旋转关节侧视图；

图3(b)是图3(a)的B-B剖视图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的旋转关节主视图；

图5(a)-5(b)是本发明根据一个或多个实施方式的第二驱动电机安装示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式第二驱动电机控制线路配置示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的运动传递模块结构示意图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的直线导轨副安装示意图；

图9(a)-9(b)是本发明根据一个或多个实施方式的第一安装架结构示意图；

图10是本发明根据一个或多个实施方式的快换夹结构示意图；

图11(a)-11(b)是本发明根据一个或多个实施方式的驱动丝接头示意图；

其中，1、第一驱动电机，2、第一轴承座，3、固定盘，4、第二同步带轮，5、第一连接杆,6、安装座，7、第二驱动电机，8、固定环，9、第二联轴器，10、丝杠，11、螺母，12、连接件，13、力传感器，14、第二连接杆,15、第二轴承座，16、直线导轨，17、快换卡盘，18、快换接头，19、第一安装架，20、滑块，21、滑块头，22、导杆，23、牛眼轴承，24、滑环，25、传动轴，26、第一联轴器，27、连接轴，28、平键，29、第一同步带轮，30、同步带，31、安装盘，32、驱动器，33、第二安装架，34、快换夹，35、驱动丝接头，36、卡扣，37、卡持部，38、配合部，39、穿孔，40、定位柱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种手术机器人直线驱动装置，如图1所示，包括旋转自由度模块、器械驱动模块、运动传递模块和快换模块，所述旋转自由度模块与器械驱动模块相连，所述器械驱动模块的输出端与运动传递模块相连，实现输出运动的传递；所述运动传递模块的输出端与快换模块相连，实现快换模块及末端执行器的快速更换。

具体的，旋转自由度模块包括旋转关节和驱动机构，驱动机构通过旋转关节连接器械驱动模块、运动传递模块，以实现装置整体旋转。如图2所示，所述驱动机构包括第一驱动电机1、同步带30、第一同步带轮29、第二同步带轮4、传动轴25，所述第一驱动电机1安装于固定盘3一侧，且第一驱动电机1的电机轴穿过固定盘3并通过第一联轴器26与连接轴27相连，第一同步带轮29固定在连接轴27上。在本实施例中，第一同步带轮29与连接轴27通过平键28连接，可以理解的，在其他实施例中，第一同步带轮29与连接轴27也可以采用其他方式固定。

第二同步带轮4与第一同步带轮29通过同步带30相连，所述第二同步带轮4与传动轴25相连。固定盘3侧面安装第一轴承座2，第一轴承座2与第一驱动电机1位于同一侧，且第一轴承座2比第一驱动电机1的安装位置靠近固定盘3的中心。所述传动轴5通过轴承与第一轴承座2相连，第一驱动电机1通过第一同步带轮29、同步带30、第二同步带轮4将旋转运动传递给传动轴25，从而带动整个驱动装置旋转。

所述传动轴25的输出端与旋转关节固定，且旋转关节与固定盘3之间通过多个第一连接杆5相连。所述第一连接杆5沿旋转关节、固定盘3的周向均匀分布。在本实施例中，第一连接杆5的两端均有螺纹，一端直接与旋转关节螺纹连接，另一端与固定盘利3用轴肩与螺母连接。优选地，本实施例设置三个第一连接杆5。当然，在其他实施例中，第一连接杆5与旋转关节、固定盘3可以采用其他连接方式，第一连接杆5也可以设置三个以上。

如图3(a)所示，所述旋转关节包括固定环8、安装盘31和若干牛眼轴承23，所述安装盘31设于固定环8内侧，安装盘31与固定环8之间连接若干牛眼轴承23。具体的，如图3(b)所示，安装盘31的周向外侧开设有两个环形槽，固定环8沿其径向开设若干螺纹孔，牛眼轴承23的外壁也加工有螺纹，牛眼轴承23通过拧入所述螺纹孔与安装盘31的环形槽配合。通过旋转牛眼轴承23可以实现其在固定环8径向位置的调整，从而调整安装盘31与固定环8的相对位置，以调整旋转运动的轴线位置，使旋转运动更加稳定。

如图4所示，牛眼轴承23沿固定环8周向交错布置，即，相邻的两个牛眼轴承23，一个与其中一个环形槽配合，一个与另外的环形槽配合。在本实施例中，设置12个牛眼轴承23，每个环形槽配合6个牛眼轴承23。可以理解的，在其他实施例中，牛眼轴承23也可以设置其他数个。旋转自由度的旋转关节由两列均匀排布的牛眼轴承23实现，从而实现大半径的旋转运动的支承。

器械驱动模块包括第二驱动电机7、驱动器32、滑环24，所述第二驱动电机7沿安装盘31的圆周方向均匀布置；在本实施例中，第二驱动电机7设置八个。如图5(a)和图5(b)所示，安装盘31靠近边缘位置开设安装孔，第二驱动电机7穿过所述安装孔并与安装盘31固定，固定方式可以采用螺栓、螺钉等。如图6所示，安装盘31靠近固定盘3的一侧固定有安装座6，所述安装座6侧面固定驱动器32。

第二驱动电机7的控制线和电源线与驱动器32相连，驱动器32的后端(以图6所示方向为参考)引出线与滑环24前端相连；所述滑环24套设于传动轴25上并与之过盈连接。在整体旋转时，由于滑环24一端为转子一端为定子，在接线时，将线路由转子端接入，定子端接出；滑环24后端引出的线路为静止的线，并通过在固定盘3上开孔的方式引出，以实现对旋转模块的线控，防止控制线、电源线打结。

运动传递模块包括多组滚珠丝杠副，滚珠丝杠副个数与第二驱动电机7相同，所述第二驱动电机7通过第二联轴器9连接滚珠丝杠副的一端，滚珠丝杠副的另一端通过轴承连接第一安装架19。具体的，如图7所示，滚珠丝杠副包括丝杠10、与丝杠10螺纹连接的螺母11，丝杠10一侧设有与其平行的导杆22；所述导杆22一端与安装盘31固定，另一端与第一安装架19相连。

所述螺母11通过连接件12连接力传感器13，所述连接件12与导杆22滑动连接，丝杠10旋转，螺母11带动连接件12、力传感器13沿导杆22移动。所述力传感器13通过第二连接杆14连接滑块头21，所述滑块头21通过滑块20与直线导轨16相连。

如图1和图8所示，多个直线导轨16相互平行且围成环状结构，滑块20与直线导轨16滑动连接，滑块头21固定于滑块20一侧，多组滚珠丝杠副关于安装盘31中心围成环状结构。力传感器13在丝杠螺母的作用下移动时，滑块头21沿直线滑轨16移动。通过将力传感器13安装于传动模块之中，可以实现末端机构开始使用前预紧的准确性，同时也便于工作过程中的力反馈操作。本实施例中，设置八组滚珠丝杠副，当然，在其他实施例中，滚珠丝杠副也可以设置其他个数，可根据实际要求选择。

所述直线导轨副与第一安装架19、第二安装架33相连接，如图9(a)和图9(b)所示，第一安装架19呈圆盘形，其周向开设有用于滑块20、滑块头21穿过的通孔。第二安装架33垂直穿过第一安装架19并与之固定，直线导轨16沿第二安装架33的周向排布。圆周排布的滚珠丝杠副配合导杆22与直线导轨副，在传递运动过程中避免的干摩擦现象的出现。所述第二安装架33一端固定有多个定位柱40，通过定位柱40实现快换接头18的定位。

快换模块包括快换接头18、快换夹34、驱动丝接头35，驱动丝连接到驱动丝接头35上；如图11(a)和图11(b)所示，驱动丝接头35包括连接为一体的卡持部37、配合部38，配合部38位于卡持部37一侧并与之垂直。所述卡持部37开设有穿孔39，用于固定驱动丝，驱动丝从穿孔39穿入并打结固定。配合部38的截面呈圆弧形，所述滑块头21开设有与配合部38相适配的卡槽，配合部38卡入所述卡槽中实现驱动丝接头35与滑块头21的连接，以实现驱动丝与运动传递模块的连接。

进一步的，快换夹34安装于快换接头18一端，快换接头18通过与第二安装架33一侧定位柱40相配合实现径向的定位。快换接头18的前端形状可随意更换而不影响驱动性能，从而实现对多种手术器械的驱动。如图10所示，所述快换夹34呈环形，其内侧分布有若干用于固定驱动丝接头35的卡扣36。驱动丝接头35与快换夹34连接时，卡持部37卡接于卡扣36中。在需要进行快换操作时，第一驱动电机1驱动运动传递模块往前端运动，从而使驱动丝接头35卡入到快换夹34的卡扣36处，此时转动快换夹34，即可带动驱动丝接头35与滑块头21之间相对运动，从而使两者脱开，实现快换。

进一步的，快换接头18通过与第二安装架33一侧的定位柱40相配合实现径向的定位，同时驱动丝由快换接头18的一侧接入，通过其内部的驱动丝通道由另一侧伸出与运动传递模块相连，驱动丝预紧，即可实现快换接头18的固定(将其“拉紧”)。快换夹34通过其上的小孔与快换接头18配合实现定位，并同样通过上述的驱动丝“拉紧”行为，实现固定。

实施例二：

本实施例提供了一种手术机器人，包括实施例一所述的直线驱动装置、手术器械，所述手术器械与直线驱动装置相连，且手术器械可以为连续体手术器械，还可以是刚性手术器械。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，包括旋转自由度模块、器械驱动模块、运动传递模块和快换模块，所述旋转自由度模块与器械驱动模块相连，所述器械驱动模块的输出端与运动传递模块相连，所述运动传递模块的输出端连接快换模块；通过运动传递模块将器械驱动模块的旋转运动变为直线运动并传递至快换模块，以实现其快速更换。

2.根据权利要求1所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述旋转自由度模块包括驱动机构、与驱动机构相连的旋转关节。

3.根据权利要求2所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述驱动机构包括同步带机构，所述同步带机构通过传动轴连接旋转关节；所述旋转关节包括套设在一起的固定环和安装盘，安装盘与固定环之间连接若干牛眼轴承。

4.根据权利要求3所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述安装盘的周向外侧开设有两个环形槽，牛眼轴承沿固定环周向交错布置以与两个环形槽配合。

5.根据权利要求3所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述器械驱动模块包括沿安装盘圆周方向均匀布置的若干驱动电机，安装盘一侧安装若干驱动器，驱动电机的控制线和电源线与驱动器相连，驱动器的引出线与套设在传动轴上的滑环相连。

6.根据权利要求1所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述运动传递模块包括多组滚珠丝杠副、直线导轨副，每组滚珠丝杠副和直线导轨副之间安装力传感器；其中多组滚珠丝杠副相互平行且围成环状结构。

7.根据权利要求6所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述滚珠丝杠副配置有导杆，立传感器通过连接件与导杆滑动连接并由滚珠丝杠副驱动。

8.根据权利要求6所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述直线导轨副安装滑块头，所述滑块头用于安装驱动丝接头；滑块头通过连接杆与力传感器相连。

9.根据权利要求1所述的一种手术机器人直线驱动装置，其特征在于，所述快换模块包括快换接头、快换夹和驱动丝接头，快换夹安装于快换接头一端；所述快换夹具有多个用于固定驱动丝接头的卡扣。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的直线驱动装置。

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