CN112539256A - 传动带轮耳及其与被驱动单元连接结构 - Google Patents

传动带轮耳及其与被驱动单元连接结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种传动带轮耳及其与被驱动单元连接结构，所述传动带轮耳，包括轮部和耳部，所述轮部包括相对设置的两个圆端面以及连接两个所述圆端面的侧面，所述侧面包括主圆弧面和半圆弧面，所述半圆弧面的首端与所述主圆弧面相连，所述半圆弧面的终端用于连接传动带，所述半圆弧面沿所述轮部的轴向的宽度小于所述主圆弧面的宽度，且所述半圆弧面与所述主圆弧面共同形成一段供所述传动带转动贴合的呈连续的圆弧面；所述耳部固定于所述轮部，所述耳部位于对应所述半圆弧面沿其宽度方向相对于所述主圆弧面收缩的位置，并且所述耳部沿所述轮部的径向延伸至高出所述半圆弧面，所述耳部用于所述传动带轮耳与被驱动单元的连接安装。

Description

传动带轮耳及其与被驱动单元连接结构
技术领域
本发明涉及机械传动单元连接结构技术领域，更具体涉及手术机器人的机械臂与末端执行器负载单元的连接结构。
背景技术
医疗手术微器械具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和感染等优点，广泛的应用于各种手术中。在手术过程中，将多个机械臂通过控制移动到病人的身体上面，并通过病人皮肤的预置小孔完成相应的手术。机械臂通过钢丝或者钢带连接末端执行器械单元，从而使末端执行器械顺利通过在人体上的开孔并可围绕开孔点自由旋转。
带轮传动的单元模组，一般情况下会选用刚度极大而结构又非常紧凑的不锈钢带及带轮构成，而由于钢带接头的存在占据了一定的长度，为了实现超过正负90度的带轮旋转，如附图2所示，传统的带轮110’与钢带(传动带300)缠绕方案中，会将传动带300一分为二，一部分单向绕制使其不含传动带接头301的活动部分的包覆角度范围可超过90度；另一部分从反方向绕制也使其不含传动带接头301的活动部分的包覆角度范围可超过90度。相应的，现有的带轮110’也会因为传动带300的两侧包覆角度的不同一分为二，且将传动带接头301适当地下沉设置在带轮接头槽113’内，避免带轮110’在转动过程中与机械臂内腔产生干涉。此设置可保证在机械臂关节正负90度的往复转动中，传动带接头301不会被拉扯离开带轮110’圆弧面，且一般情况下传动带300的包角越大意味着传动带300与带轮110’的摩擦力越大，从而减少传动带接头301的受力，提高安全裕度。
同时，在手术过程中，有多支机械臂参与手术。由于手术的开孔极小，一般希望机械臂可制作得非常地紧凑，机械臂占用的空间厚度很小，从而可在有限空间内避免机械臂间的互相干涉。现有的机械臂和末端器械单元连接的关节点，一般在末端器械单元上设置了内耳朵式的连接筋；具体如附图1所示，末端器械单元(被驱动单元200)与带轮110’连接的位置设置带轮固定耳120’，带轮110’与带轮固定耳120’固定连接，带轮固定耳120’与被驱动单元一体化设计，从而带轮110’与被驱动单元200相对位置固定，带轮110’转过多少角度，被驱动单元200就转过多少角度。在传统方案中，被驱动单元200的带轮固定耳120’与带轮110’各占据一定的厚度，二者连接后塞入机械臂的外耳朵内部，并通过销轴贯穿内外耳朵，实现器械单元与机械臂末端的连接。机械臂的外耳朵、带轮固定耳120’与带轮110’三者加起来是末端机械臂可行的最小厚度。在机械臂厚度最小化和机械臂、末端器械的刚度最大化的目标约束下，一般难以实现两个目标同时达到，只能通过取舍找到机械臂厚度和机械臂与末端器械刚度的折衷值。
因此，有必要提出一种新的带轮与被驱动单元连接的结构，以实现带轮与被驱动单元的紧凑连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种传动带轮耳及其与被驱动单元连接结构，针对现有的末端器械组件的筋条型耳朵、机械臂与带轮三者连接的刚度和厚度的空间矛盾，提出一种同时实现小厚度和大刚度的轮耳复合方案。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
一种传动带轮耳，包括：
轮部，所述轮部包括相对设置的两个圆端面以及连接两个所述圆端面的侧面，所述侧面包括主圆弧面和半圆弧面，所述半圆弧面的首端与所述主圆弧面相连，所述半圆弧面的终端用于连接传动带，所述半圆弧面沿所述轮部的轴向的宽度小于所述主圆弧面的宽度，且所述半圆弧面与所述主圆弧面共同形成一段供所述传动带转动贴合的呈连续的圆弧面；以及，
耳部，所述耳部固定于所述轮部，所述耳部位于对应所述半圆弧面沿其宽度方向相对于所述主圆弧面收缩的位置，并且所述耳部沿所述轮部的径向延伸至高出所述半圆弧面，所述耳部用于所述传动带轮耳与被驱动单元的连接安装。
进一步地，所述耳部包括与所述半圆弧面相邻且垂直于所述半圆弧面的第一端面、与所述第一端面相对的第二端面、连接所述第一端面和所述第二端面并与所述主圆弧面相接的第一侧面、连接所述第一端面和所述第二端面的位于所述传动带轮耳顶部的连接顶面以及位于所述半圆弧面上方并与所述连接顶面相接的第二侧面，通过所述连接顶面与所述被驱动单元的杆件平面固定连接。
进一步地，所述半圆弧面的终端设置接头槽，所述接头槽用于将连接所述传动带且与所述接头槽形状匹配的传动带接头收容并形成卡接。
进一步地，所述接头槽设置一个腹部和小于所述腹部尺寸的一个口部，所述口部朝向所述半圆弧面开口。
进一步地，所述口部的上方与所述第二侧面相接，所述连接顶面位于所述接头槽上方，所述连接顶面与所述接头槽之间间隔一段距离。
进一步地，所述传动带轮耳包括两个所述半圆弧面和两个所述耳部，且所述传动带轮耳沿径向呈奇对称结构。
进一步地，分别位于左右两侧的所述半圆弧面的圆弧段均大于90°。
进一步地，所述主圆弧面的圆弧段等于180°；所述半圆弧面的宽度为所述主圆弧面的一半，两个所述半圆弧面沿所述轮部的轴向部分重合，并且共用一个所述主圆弧面。
进一步地，所述耳部的第一侧面与所述主圆弧面接触处呈圆滑过渡。
本发明进一步提供一种传动带轮耳与被驱动单元连接结构，包括本发明提供的上述传动带轮耳，所述传动带轮耳通过所述耳部与所述被驱动单元连接。
进一步地，所述被驱动单元为机械臂末端执行器。
与相关技术相比，本发明的传动带轮耳及其与被驱动单元连接结构中，采用了较现有技术更为简洁的轮耳一体设计，通过在与现有技术的带轮类似的轮部基础上进行改进，利用传动带缠绕的结构特点，在轮部上方增设耳部，直接利用与轮部一体化设计的耳部将传动带轮耳与被驱动单元固定，其优点是减少了现有技术中带轮固定耳的部件，从而使得本发明的传动带轮耳连接的厚度减小，传动带轮耳与被驱动单元的连接结构更加紧凑，进而使得手术机械臂更加小巧，间接降低了机械臂的重量，提高了控制的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是现有技术的带轮与被驱动单元连接结构示意图；
图2是现有技术的带轮与传动带连接结构示意图；
图3是本发明传动带轮耳的主平面结构图；
图4是本发明传动带轮耳的立体结构图；
图5是本发明传动带轮耳的俯视结构图；
图6是本发明传动带轮耳与被驱动单元连接结构的结构示意图；
图7是本发明传动带轮耳与被驱动单元连接结构的局部结构示意图；
图8是本发明传动带轮耳与被驱动单元连接结构运用时安装传动带的示意图；
图9是本发明传动带轮耳与被驱动单元连接结构运用于机械臂时的结构示意图；
图10是运用本发明传动带轮耳与被驱动单元连接结构的机械臂。
附图标记说明：
传动带轮耳100、轮部110、主圆弧面111、半圆弧面112、接头槽113、圆端面114、转动轴安装孔115、耳部120、第一端面121、左第一端面121-1、右第一端面121-2、第二端面122、左第二端面122-1、右第二端面122-2、第一侧面123、连接顶面124、主连接面1241、中间连接面1242、定位孔1243、第二侧面125、被驱动单元200、传动带300、传动带接头301、机械臂外壳400、带轮110’、带轮接头槽113’、带轮固定耳120’。
具体实施方式
在下面的说明书中，参考示出本发明的几个实施例。应当理解，可以利用其它实施例，并且在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以进行机械成分、结构、电气以及操作的改变。下面的详细说明书不应被视为是限制意义的，并且本发明的实施例的范围仅由授予专利权的权利要求限定。
本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明主要解决的技术问题是提供传动带轮耳及其与被驱动单元紧凑型连接结构，解决被驱动单元、机械臂与带轮三者刚度和厚度的空间矛盾，提出一种同时实现小厚度和大刚度的轮耳复合方案。
如附图3-5所示，本发明提供一种传动带轮耳，所述传动带轮耳100包括轮部110和耳部120，所述轮部110主体呈圆柱形结构，包括相对设置的两个圆端面114以及连接两个所述圆端面114的侧面，所述侧面包括主圆弧面111和半圆弧面112，所述半圆弧面112的首端与所述主圆弧面111相连，所述半圆弧面112沿所述轮部的轴向的宽度小于所述主圆弧面111的宽度，且所述半圆弧面112与所述主圆弧面111共同形成一段呈连续的圆弧面，所述耳部120固定于所述轮部110，所述耳部120位于对应所述半圆弧面112沿其宽度方向相对于所述主圆弧面111收缩的位置，并且所述耳部120沿所述轮部110的径向延伸至高出所述半圆弧面112。
结合附图8所示，所述传动带轮耳100中，所述半圆弧面112的终端用于连接传动带300，所述半圆弧面112与所述主圆弧面111共同形成的一段呈连续的圆弧面供所述传动带300转动贴合，所述耳部120用于所述传动带轮耳100与被驱动单元200的连接安装。
在该实施例中，所述主圆弧面111和半圆弧面112构成传动带300转动缠绕的圆弧范围，所述主圆弧面111和半圆弧面112设置在原带轮固有的轮部位置，轮部110整体仍呈圆柱形结构，只是在圆柱形上部设置的凸起耳部120形成本发明的传动带轮耳100，耳部120用于与被驱动单元固定连接，本发明采用较现有技术更为简洁的轮耳一体设计，通过在带轮的轮部110基础上进行改进，利用传动带300缠绕的结构特点，在轮部110上方增设耳部120，直接利用与轮部110一体化设计的耳部120将带轮与被驱动单元200固定，其优点是减少了如附图1中带轮固定耳120’的部件，从而使得传动带轮耳100连接的厚度减小，传动带轮耳100与被驱动单元200的连接结构更加紧凑，进而使得手术机械臂更加小巧，间接降低了机械臂的重量，提高了手术的精准度。
进一步地，所述耳部120包括与所述半圆弧面112相邻且垂直于所述半圆弧面112的第一端面121、与所述第一端面121相对的第二端面122、连接所述第一端面121和所述第二端面122并与所述主圆弧面111相接的第一侧面123、连接所述第一端面121和所述第二端面122的位于所述传动带轮耳100顶部的连接顶面124以及位于所述半圆弧面112上方并与所述连接顶面124相接的第二侧面125，所述连接顶面124为平面，通过所述连接顶面124与所述被驱动单元200的杆件末端平面固定连接，从而实现所述轮耳100和所述被驱动单元200的固定连接，具体地，所述连接顶面124通过机械连接或者焊接或者整体一体化加工之一的连接形式固定连接到所述被驱动单元200的主臂的平面。
在该实施例中，通过耳部120的合理结构设计，进而通过平面连接工艺实现传动带轮耳100与被驱动单元200的连接，避免了传统连接方式采用机械插接连接，机械插接连接方式在长期运作过程中可能引起连接松动问题，本发明的平面连接工艺避免了长期运行后连接松动问题的出现，提高了可靠性。
进一步地，所述半圆弧面112的终端设置接头槽113，所述接头槽113用于将连接所述传动带300且与所述接头槽113形状匹配的传动带接头301收容并形成卡接，进一步地，所述接头槽113设置一个腹部和小于所述腹部尺寸的一个口部，所述口部朝向所述半圆弧面112开口，在具体应用中，所述传动带接头301设置在所述接头槽113内，所述传动带300从所述口部伸出所述接头槽113，并沿所述半圆弧面112贴合延伸。
在该实施例中，设置腹大口小的接头槽113连接传动带接头301，避免了需要设置螺钉固定接头的方案，既简化了接头连接的结构，又便于实现在轮部110上方合理设计出耳部120。
进一步地，所述接头槽113的所述口部的上方与所述耳部120的所述第二侧面125相接，所述连接顶面124位于所述接头槽113上方并间隔一段距离，从而保证接头部位连接后不与机械臂或被驱动单元200之间发生干涉，结构上简单，而效果有保证。
进一步地，所述传动带轮耳100以附图3中中心线L为轴沿径向呈奇对称结构，左右两侧分别包括一个所述半圆弧面112、一个所述接头槽113和一个所述耳部120，以此可以实现两条传动带300正负传动的功能要求，具体的，所述耳部120的所述第一端面121、所述第二端面122、第二侧面125也在左右两侧分别奇对称地设置，即如附图4中标注的相对的左第一端面121-1和左第二端面122-1以及右第一端面121-2和右第二端面122-2，第二侧面125亦分别位于两侧，易于理解，图中未做标示，奇对称的结构能满足两侧连接传动带300的使用需求，且对称结构有利于受力均衡。
进一步地，分别位于左右两侧的所述半圆弧面112的圆弧段均大于90°，从而实现所述传动带轮耳100超过正负90°的转动，进一步地，所述主圆弧面111的圆弧段等于180°，所述半圆弧面112的宽度为所述主圆弧面111的一半，两个所述半圆弧面112沿所述轮部110的轴向部分重合，并且共用一个所述主圆弧面111，这样设计的轮部110的结构最简单，进一步地，所述耳部120的第一侧面123与所述主圆弧面111接触处呈圆滑过渡，并向远离主圆弧面111的方向延伸和扩大，从而所述传动带轮耳100各部位连接自然合理、外观圆滑美观，且增大了轮耳100与被驱动单元200的固定连接处的接触面积，进一步地，所述连接顶面124包括位于两侧的主连接面1241和连接主连接面1241的中间连接面1242，进一步地，所述连接顶面124上设置过线孔1243，所述过线孔1243用于将电线通过该孔伸入所述被驱动单元200中，从而提高二者连接安装时的准确性和效率，进一步地，所述轮部110沿其轴向设置贯穿两所述圆端面的转动轴安装孔115，所述转动轴安装孔115用于连接机械臂的转动轴。
在以上实施例中，通过耳部120与接头部位的配合，使得该轮耳100能同时满足接头和耳部120连接，保证钢带正常缠绕，传动带轮耳100带动被驱动单元200可旋转的角度不变，同时，实现了机械臂厚度的减小及机械臂与末端器械连接刚度的加强，后续安装也不会与机械臂之间形成干涉。
如附图6-10所示，为一种传动带轮耳与被驱动单元连接结构，所述传动带轮耳100通过所述耳部120与所述被驱动单元200连接，所述连接为固定连接，所述固定连接工艺为机械连接或者焊接或者整体一体化加工之一的方式，所述固定连接是将所述耳部120的连接顶面124与被驱动单元200的其中一个平面连接，所述被驱动单元200为机械臂末端执行器，具体是手术机器人的末端器械单元，连接后，所述传动带300末端的所述传动带接头301卡接在所述接头槽113内，位于所述连接顶面124之下，所述第二侧面125保持接头与被驱动单元200的杆件之间存在一个不会发生干涉的安全距离，该连接结构的连接过程是，先如附图6和7中所示，将传动带轮耳100与被驱动单元200连接固定，然后如附图8所示，在接头槽113内插入传动带接头301，最后如附图9所示，通过转动轴安装孔115套接转动轴并在外部安装机械臂外壳400，完成连接安装，连接安装完成后，所形成的机械臂整体结构如附图10所示，是一种用于手术机器人的机械臂。
在该连接结构中，被驱动单元200的连接与传动带轮耳100实现“半连接”，即利用传动带300在传动带轮耳100上只缠绕约一半，传动带轮耳100分左右两部分及传动带300分为左右两条的空间特点，利用传动带轮耳100上传动带300未缠绕的部分制作耳部120与被驱动单元200相连，从而大幅度省去现有技术中手术机器人的末端器械单元上的筋条型耳朵占有的厚度，有效压缩机械臂末端杆件的厚度，实现更紧凑及更高刚度的连接。
在附图7中，可选择这种轮耳复合结构的右上半部和左下半部去除材料，当然，也可以选择右下半部和左上半部去除材料，总之，在凹陷处布置传动带300形成绕转轴中心奇对称的形式，通过这种结构的布局可以大幅度减少机械臂杆件的厚度，并通过增加机械臂杆件两端耳朵的材料而起到增强刚度的作用。
进一步地，所述传动带300优选为钢带，也可以是其它带、绳等其它柔性传动机构，只要该柔性传动构件在运动过程中，角度的变化并不占据整个被驱动轮，且被驱动轮与下一个关节杆件的连接与此柔性传动机构共同占据同一空间层，形成密度更高的空间利用关系，均可描述为相同原理的方案。
与相关技术相比，本发明的传动带轮耳100及其与被驱动单元200连接结构中，采用了较现有技术更为简洁的轮耳一体设计，通过在与现有技术带轮类似的轮部110基础上进行改进，利用传动带300缠绕的结构特点，在轮部110上方增设耳部120，直接利用与轮部110一体化设计的耳部120将传动带轮耳100与被驱动单元200固定，其优点是减少了现有技术中带轮固定耳120’的部件，从而使得本发明的传动带轮耳100连接的厚度减小，传动带轮耳100与被驱动单元200的连接结构更加紧凑，进而使得手术机械臂更加小巧，间接降低了机械臂的重量，提高了控制的精准度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种传动带轮耳，其特征在于，包括：
轮部，所述轮部包括相对设置的两个圆端面以及连接两个所述圆端面的侧面，所述侧面包括主圆弧面和半圆弧面，所述半圆弧面的首端与所述主圆弧面相连，所述半圆弧面的终端用于连接传动带，所述半圆弧面沿所述轮部的轴向的宽度小于所述主圆弧面的宽度，且所述半圆弧面与所述主圆弧面共同形成一段供所述传动带转动贴合的呈连续的圆弧面；以及，
耳部，所述耳部固定于所述轮部，所述耳部位于对应所述半圆弧面沿其宽度方向相对于所述主圆弧面收缩的位置，并且所述耳部沿所述轮部的径向延伸至高出所述半圆弧面，所述耳部用于所述传动带轮耳与被驱动单元的连接安装。
2.根据权利要求1所述的传动带轮耳，其特征在于，所述耳部包括与所述半圆弧面相邻且垂直于所述半圆弧面的第一端面、与所述第一端面相对的第二端面、连接所述第一端面和所述第二端面并与所述主圆弧面相接的第一侧面、连接所述第一端面和所述第二端面的位于所述传动带轮耳顶部的连接顶面以及位于所述半圆弧面上方并与所述连接顶面相接的第二侧面，通过所述连接顶面与所述被驱动单元的杆件平面固定连接。
3.根据权利要求2所述的传动带轮耳，其特征在于，所述半圆弧面的终端设置接头槽，所述接头槽用于将连接所述传动带且与所述接头槽形状匹配的传动带接头收容并形成卡接。
4.根据权利要求3所述的传动带轮耳，其特征在于，所述接头槽设置一个腹部和小于所述腹部尺寸的一个口部，所述口部朝向所述半圆弧面开口。
5.根据权利要求4所述的传动带轮耳，其特征在于，所述口部的上方与所述第二侧面相接，所述连接顶面位于所述接头槽上方，所述连接顶面与所述接头槽之间间隔一段距离。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的传动带轮耳，其特征在于，所述传动带轮耳包括两个所述半圆弧面和两个所述耳部，且所述传动带轮耳沿径向呈奇对称结构。
7.根据权利要求6所述的传动带轮耳，其特征在于，分别位于左右两侧的所述半圆弧面的圆弧段均大于90°。
8.根据权利要求7所述的传动带轮耳，其特征在于，所述主圆弧面的圆弧段等于180°；所述半圆弧面的宽度为所述主圆弧面的一半，两个所述半圆弧面沿所述轮部的轴向部分重合，并且共用一个所述主圆弧面。
9.根据权利要求2所述的传动带轮耳，其特征在于，所述耳部的第一侧面与所述主圆弧面接触处呈圆滑过渡。
10.一种传动带轮耳与被驱动单元连接结构，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的传动带轮耳，所述传动带轮耳通过所述耳部与所述被驱动单元连接。
11.根据权利要求10所述的传动带轮耳与被驱动单元连接结构，其特征在于，所述被驱动单元为机械臂末端执行器。
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