CN111677833A

CN111677833A - 一种动力前置的轮系式rcm机构

Info

Publication number: CN111677833A
Application number: CN202010511942.1A
Authority: CN
Inventors: 孙良; 陈培杰; 李秦川; 张皓栋
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-09-18

Abstract

本发明公开了一种动力前置的轮系式RCM机构。传统轮系式RCM机构的齿轮传动存在尺侧间隙，动力后置惯性大。本发明包括转动架、第一行星架、第二行星架、第三行星架、手术刀、动力部件、主动齿轮、第一固定轴齿轮、第一中间齿轮、第三固定轴齿轮、第一外啮合轮系、第二外啮合轮系、第二固定轴齿轮、第二中间齿轮、第四固定轴齿轮、第一双联齿轮、第一锥齿轮、第二双联齿轮、第二锥齿轮、丝杠和丝杠螺母。本发明的第一外啮合轮系和第二外啮合轮系并联有利于减小因尺侧间隙引起的末端误差，第一电机、第二电机、第三电机均安装在转动架上，通过齿轮将动力输入，有利于减小手术刀的惯性质量。

Description

一种动力前置的轮系式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，具体涉及一种动力前置的轮系式RCM机构。

背景技术

操作微创手术机器人系统可以协助医生完成更精细的手术动作，减少手术时由于疲劳或手部震颤造成的损伤，同时保证手术损伤小、愈合快，为患者带来更理想的手术结果。目前，美国的达芬奇微创手术机器人系统已在临床广泛应用。小型化和低成本微创手术机器人系统是未来的发展趋势。

当前主流的微创手术机器人RCM机构是双平行四边形机构，这种RCM机构对于其组成部件各两杆的加工精度及装配要求都非常高，且由于杠杆作用的存在，驱动末端负载对于相应自由度驱动模块的驱动力要求较高。也有一些轮系式的RCM机构。如公开号为CN108266497A，发明名称为行星轮系式RCM机构的专利，它包括转动杆驱动电机、转动杆、主动行星架驱动电机、固定轮、第一中间轮、主动行星架、第一行星轮、太阳轮、从动行星架、第二中间轮、第二行星轮、手术刀、移动套筒、绳索、转动套筒、绳索电机、弹簧和手术刀电机；它通过在开链杆件上添加齿轮模拟平面四杆机构的运动来获得虚拟中心点。

然而，轮系式RCM机构也存在一些不足：1.通过一路齿轮进行传动，齿轮的啮合处会有间隙存在，难免存在误差，末端会抖动；2.手术刀的移动和转动动作通过独立的动力部件驱动，动力部件安装在执行末端，使得机构的刚度变差，容易引起抖动。

发明内容

本发明的目的是针对现有轮系式RCM机构的齿轮传动存在齿侧间隙、动力后置惯性大以及末端有误差的问题，提出一种刚度高、多路齿轮减小齿侧间隙的动力前置的轮系式RCM机构。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明包括转动架、第一行星架、第二行星架、第三行星架、手术刀、动力部件、主动齿轮、第一固定轴齿轮、第一中间齿轮、第三固定轴齿轮、第一外啮合轮系、第二外啮合轮系、第二固定轴齿轮、第二中间齿轮、第四固定轴齿轮、第一双联齿轮、第一锥齿轮、第二双联齿轮、第二锥齿轮、丝杠和丝杠螺母；所述的第一固定轴齿轮固定在转动架上，第一行星架与转动架相铰接，主动齿轮固定在第一行星架上；所述的第一中间齿轮和第三固定轴齿轮均铰接在第一行星架上，且第三固定轴齿轮与第二行星架固定；所述的第一中间齿轮由固定在一起的第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮组成，第一圆柱齿轮与第一固定轴齿轮啮合，第二圆柱齿轮与第三固定轴齿轮啮合；其中，第一固定轴齿轮、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和第一输出齿轮均为非圆齿轮；所述的第二固定轴齿轮与第一行星架固定；第二中间齿轮和第四固定轴齿轮均铰接在第二行星架上，且第二中间齿轮由固定在一起的第三圆柱齿轮和第四圆柱齿轮组成，第三圆柱齿轮与第二固定轴齿轮啮合，第四圆柱齿轮与第四固定轴齿轮啮合；第四固定轴齿轮与第三行星架固定；其中，第二固定轴齿轮、第三圆柱齿轮、第四圆柱齿轮和第二输出齿轮均为非圆齿轮；所述的第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一双联齿轮和第二双联齿轮均铰接在第三行星架上，第一双联齿轮由固定在一起的第五圆柱齿轮和第三锥齿轮组成；所述的第二双联齿轮由固定在一起的第六圆柱齿轮和第四锥齿轮组成；第一锥齿轮与第三锥齿轮啮合，第二锥齿轮与第四锥齿轮啮合；所述的丝杠同轴固定在第二锥齿轮上，丝杠螺母与丝杠构成螺旋副；手术刀与丝杠螺母构成转动副，并与第一锥齿轮中心位置处开设的滑道构成滑动副；第一外啮合轮系的输出齿轮与第二双联齿轮的第六圆柱齿轮啮合，第二外啮合轮系的输出齿轮与第一双联齿轮的第五圆柱齿轮啮合。所述的转动架由动力部件的一个驱动件驱动绕轴旋转，主动齿轮、第一外啮合轮系的输入齿轮和第二外啮合轮系的输入齿轮由动力部件的另外三个驱动件分别驱动；第一行星架、第二行星架和第三行星架三者平行状态下，手术刀的中心轴线与转动架的转动轴线同轴设置。

所述的动力部件包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；所述第四电机的输出轴与转动架固定，第一电机、第二电机、第三电机的底座均固定在转动架上；所述第一电机的输出轴与第一传动齿轮固定，第一传动齿轮与主动齿轮啮合；第三电机的输出轴与第一外啮合轮系的输入齿轮通过一个离合器连接，第二电机的输出轴与第二外啮合轮系的输入齿轮通过另一个离合器连接。

所述的第一外啮合轮系和第二外啮合轮系均包括输入齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮、第四传动齿轮、第五传动齿轮和输出齿轮；所述的第二传动齿轮铰接在转动架上，由固定在一起的第七圆柱齿轮和第八圆柱齿轮组成；所述的第七圆柱齿轮与输入齿轮啮合；第三传动齿轮和第四传动齿轮均铰接在第一行星架上，第四传动齿轮由固定在一起的第九圆柱齿轮和第十圆柱齿轮组成；第三传动齿轮两侧分别与第八圆柱齿轮和第九圆柱齿轮啮合；所述的输出齿轮由固定在一起的第十一圆柱齿轮和第十二圆柱齿轮组成；第五传动齿轮两侧分别与第十圆柱齿轮和第十一圆柱齿轮啮合。第一外啮合轮系的第十二圆柱齿轮与第二双联齿轮的第六圆柱齿轮啮合；第二外啮合轮系的第十二圆柱齿轮与第一双联齿轮的第五圆柱齿轮啮合。

本发明具有的有益效果是：

1.通过设置第一外啮合轮系和第二外啮合轮系将两股动力输入，多路齿轮并联有利于减小因齿侧间隙引起的末端误差。

2.通过离合器的离合控制，在调整手术刀角度姿态的时候将第一外啮合轮系和第二外啮合轮系的动力撤出，使齿轮空转，减小第一电机的扭矩；

3.第一电机、第二电机、第三电机均安装在转动架上，通过齿轮将动力输入，有利于减小手术刀的惯性质量，减小在运动时的惯性，提高刚度。

附图说明

图1是本发明的机构运动简图；

图2是本发明中转动架、第一行星架、第二行星架、第三行星架与手术刀的运动状态示意图；

图3是本发明中第一外啮合轮系或第二外啮合轮系的啮合传动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种动力前置的轮系式RCM机构，包括转动架1、第一行星架2、第二行星架3、第三行星架4、手术刀5、动力部件、主动齿轮20、第一固定轴齿轮21、第一中间齿轮22、第三固定轴齿轮23、第一外啮合轮系24、第二外啮合轮系25、第二固定轴齿轮33、第二中间齿轮34、第四固定轴齿轮35、第一双联齿轮41、第一锥齿轮42、第二双联齿轮44、第二锥齿轮45、丝杠46和丝杠螺母47；第一固定轴齿轮21固定在转动架1上，第一行星架2与转动架1相铰接，主动齿轮20固定在第一行星架2上；第一中间齿轮22和第三固定轴齿轮23均铰接在第一行星架2上，且第三固定轴齿轮23与第二行星架3固定；第一中间齿轮22由固定在一起的第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮组成，第一圆柱齿轮与第一固定轴齿轮21啮合，第二圆柱齿轮与第三固定轴齿轮23啮合；其中，第一固定轴齿轮21、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和第一输出齿轮23均为非圆齿轮(这里，圆柱齿轮是针对圆锥齿轮而言，非圆齿轮是针对节曲线来描述的，两者并不矛盾)；第二固定轴齿轮33与第一行星架2固定；第二中间齿轮34和第四固定轴齿轮35均铰接在第二行星架3上，且第二中间齿轮34由固定在一起的第三圆柱齿轮和第四圆柱齿轮组成，第三圆柱齿轮与第二固定轴齿轮33啮合，第四圆柱齿轮与第四固定轴齿轮35啮合；第四固定轴齿轮35与第三行星架4固定；其中，第二固定轴齿轮33、第三圆柱齿轮、第四圆柱齿轮和第二输出齿轮35均为非圆齿轮；第一锥齿轮42、第二锥齿轮45、第一双联齿轮41和第二双联齿轮44均铰接在第三行星架4上，第一双联齿轮41由固定在一起的第五圆柱齿轮和第三锥齿轮组成；第二双联齿轮44由固定在一起的第六圆柱齿轮和第四锥齿轮组成；第一锥齿轮42与第三锥齿轮啮合，第二锥齿轮45与第四锥齿轮啮合；丝杠46同轴固定在第二锥齿轮45上，丝杠螺母47与丝杠46构成螺旋副；手术刀5与丝杠螺母47构成转动副，并与第一锥齿轮42中心位置处开设的滑道构成滑动副；第一外啮合轮系24的输出齿轮与第二双联齿轮44的第六圆柱齿轮啮合，第二外啮合轮系25的输出齿轮与第一双联齿轮41的第五圆柱齿轮啮合。转动架1由动力部件的一个驱动件驱动绕轴旋转，主动齿轮20、第一外啮合轮系24的输入齿轮和第二外啮合轮系25的输入齿轮由动力部件的另外三个驱动件分别驱动；第一行星架2、第二行星架3和第三行星架4三者平行状态下，手术刀5的中心轴线与转动架1的转动轴线同轴设置。

动力部件包括第一电机11、第二电机12、第三电机13和第四电机15；第四电机15的输出轴与转动架1固定，第一电机11、第二电机12、第三电机13的底座均固定在转动架1上；第一电机11的输出轴与第一传动齿轮固定，第一传动齿轮与主动齿轮20啮合；第三电机13的输出轴与第一外啮合轮系24的输入齿轮通过一个离合器14连接，第二电机12的输出轴与第二外啮合轮系25的输入齿轮通过另一个离合器14连接。

如图3所示，第一外啮合轮系24和第二外啮合轮系25均包括输入齿轮243、第二传动齿轮242、第三传动齿轮246、第四传动齿轮244、第五传动齿轮245和输出齿轮241；第二传动齿轮242铰接在转动架1上，由固定在一起的第七圆柱齿轮和第八圆柱齿轮组成；第七圆柱齿轮与输入齿轮243啮合；第三传动齿轮246和第四传动齿轮244均铰接在第一行星架2上，第四传动齿轮244由固定在一起的第九圆柱齿轮和第十圆柱齿轮组成；第三传动齿轮246两侧分别与第八圆柱齿轮和第九圆柱齿轮啮合；输出齿轮241由固定在一起的第十一圆柱齿轮和第十二圆柱齿轮组成；第五传动齿轮245两侧分别与第十圆柱齿轮和第十一圆柱齿轮啮合。第一外啮合轮系24的第十二圆柱齿轮与第二双联齿轮44的第六圆柱齿轮啮合；第二外啮合轮系25的第十二圆柱齿轮与第一双联齿轮41的第五圆柱齿轮啮合；第一外啮合轮系24和第二外啮合轮系25的动力均从各自的输入齿轮243输入，从各自的输出齿轮241输出，第一外啮合轮系24用于控制手术刀5移动，第二外啮合轮系25用于控制手术刀5转动。

该动力前置的轮系式RCM机构，工作原理如下：

第一电机11、第二电机12、第三电机13和第四电机15均由控制器控制；第一电机11驱动第一行星架2、第二行星架3和第三行星架4转动，且动力经第一固定轴齿轮21、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、第一输出齿轮23、第二固定轴齿轮33、第三圆柱齿轮、第四圆柱齿轮和第二输出齿轮35的传输，则使第三行星架4绕以手术刀5前端端点为圆心做定点运动，形成一个扇形工作空间；第一电机11的驱动，再加上第四电机15的输出轴中心轴线与扇形工作空间的中心线同轴，第四电机15带动转动架1转动时，便使得第三行星架4形成一个圆锥工作空间。第一外啮合轮系24将第三电机13的动力输入，带动丝杠46转动，使丝杠螺母47移动，便能带动手术刀5移动；第二外啮合轮系25将第二电机12的动力输入，带动第一锥齿轮42转动，便能带动手术刀5转动。其中，第一电机11在转动时，两个离合器14均分离，使得第一外啮合轮系24和第二外啮合轮系25的各齿轮空转；当第一电机11驱动第三行星架4调整好姿态后，两个离合器14均接合，第二电机12和第三电机13的动力接入，两股动力可同时驱动，又可独立驱动。

本发明解决了现有轮系式RCM机构的齿轮传动存在齿侧间隙、动力后置惯性大以及末端有误差的问题，通过设置第一外啮合轮系24和第二外啮合轮系25将两股动力输入，多路齿轮并联有利于减小因齿侧间隙引起的末端误差；通过离合器14的离合控制，在调整手术刀角度姿态的时候将第一外啮合轮系和第二外啮合轮系的动力撤出，使齿轮空转，减小第一电机11的扭矩；第一电机11、第二电机12、第三电机13均安装在转动架1上，通过齿轮将动力输入，有利于减小手术刀的惯性质量，减小在运动时的惯性，提高刚度。

Claims

1.一种动力前置的轮系式RCM机构，包括转动架、手术刀、动力部件、主动齿轮、第一固定轴齿轮、第一中间齿轮、第三固定轴齿轮、第二固定轴齿轮、第二中间齿轮和第四固定轴齿轮，其特征在于：还包括第一行星架、第二行星架、第三行星架、第一外啮合轮系、第二外啮合轮系、第一双联齿轮、第一锥齿轮、第二双联齿轮、第二锥齿轮、丝杠和丝杠螺母；所述的第一固定轴齿轮固定在转动架上，第一行星架与转动架相铰接，主动齿轮固定在第一行星架上；所述的第一中间齿轮和第三固定轴齿轮均铰接在第一行星架上，且第三固定轴齿轮与第二行星架固定；所述的第一中间齿轮由固定在一起的第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮组成，第一圆柱齿轮与第一固定轴齿轮啮合，第二圆柱齿轮与第三固定轴齿轮啮合；其中，第一固定轴齿轮、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和第一输出齿轮均为非圆齿轮；所述的第二固定轴齿轮与第一行星架固定；第二中间齿轮和第四固定轴齿轮均铰接在第二行星架上，且第二中间齿轮由固定在一起的第三圆柱齿轮和第四圆柱齿轮组成，第三圆柱齿轮与第二固定轴齿轮啮合，第四圆柱齿轮与第四固定轴齿轮啮合；第四固定轴齿轮与第三行星架固定；其中，第二固定轴齿轮、第三圆柱齿轮、第四圆柱齿轮和第二输出齿轮均为非圆齿轮；所述的第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一双联齿轮和第二双联齿轮均铰接在第三行星架上，第一双联齿轮由固定在一起的第五圆柱齿轮和第三锥齿轮组成；所述的第二双联齿轮由固定在一起的第六圆柱齿轮和第四锥齿轮组成；第一锥齿轮与第三锥齿轮啮合，第二锥齿轮与第四锥齿轮啮合；所述的丝杠同轴固定在第二锥齿轮上，丝杠螺母与丝杠构成螺旋副；手术刀与丝杠螺母构成转动副，并与第一锥齿轮中心位置处开设的滑道构成滑动副；第一外啮合轮系的输出齿轮与第二双联齿轮的第六圆柱齿轮啮合，第二外啮合轮系的输出齿轮与第一双联齿轮的第五圆柱齿轮啮合；所述的转动架由动力部件的一个驱动件驱动绕轴旋转，主动齿轮、第一外啮合轮系的输入齿轮和第二外啮合轮系的输入齿轮由动力部件的另外三个驱动件分别驱动；第一行星架、第二行星架和第三行星架三者平行状态下，手术刀的中心轴线与转动架的转动轴线同轴设置。

2.根据权利要求1所述一种动力前置的轮系式RCM机构，其特征在于：所述的动力部件包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；所述第四电机的输出轴与转动架固定，第一电机、第二电机、第三电机的底座均固定在转动架上；所述第一电机的输出轴与第一传动齿轮固定，第一传动齿轮与主动齿轮啮合；第三电机的输出轴与第一外啮合轮系的输入齿轮通过一个离合器连接，第二电机的输出轴与第二外啮合轮系的输入齿轮通过另一个离合器连接。

3.根据权利要求1或2所述一种动力前置的轮系式RCM机构，其特征在于：所述的第一外啮合轮系和第二外啮合轮系均包括输入齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮、第四传动齿轮、第五传动齿轮和输出齿轮；所述的第二传动齿轮铰接在转动架上，由固定在一起的第七圆柱齿轮和第八圆柱齿轮组成；所述的第七圆柱齿轮与输入齿轮啮合；第三传动齿轮和第四传动齿轮均铰接在第一行星架上，第四传动齿轮由固定在一起的第九圆柱齿轮和第十圆柱齿轮组成；第三传动齿轮两侧分别与第八圆柱齿轮和第九圆柱齿轮啮合；所述的输出齿轮由固定在一起的第十一圆柱齿轮和第十二圆柱齿轮组成；第五传动齿轮两侧分别与第十圆柱齿轮和第十一圆柱齿轮啮合；第一外啮合轮系的第十二圆柱齿轮与第二双联齿轮的第六圆柱齿轮啮合；第二外啮合轮系的第十二圆柱齿轮与第一双联齿轮的第五圆柱齿轮啮合。