CN113040919A - 一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，主要涉及微创外科手术机器人机械臂的重力补偿领域，解决外科手术机器人操作末端更换不同手术器械的重力补偿问题。该装置包括：重力补偿机构、制动机构、滑动机构和支撑机构四部分，所述重力补偿机构和滑动机构通过恒力弹簧连接在一起，通过直驱伺服电机的转动带动恒力弹簧的转动，从而将直驱伺服电机的旋转运动转化为滑动机构的直线运动。所述滑块机构下端连接着相关执行机构及其支撑机构和手术器械，通过恒力弹簧和直驱伺服电机的扭矩来平衡上述机构的重力，当外科手术机器人更换不同质量的手术器械时，可以通过改变直驱伺服电机扭矩来调整补偿力的大小。

Description

一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置

技术领域

本发明主要涉及微创手术机器人领域，具体涉及一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，用于微创手术机器人远程操作执行机构高度的调节。

背景技术

由于机器人辅助微创外科手术(RMIS)相对于传统开放式微创外科手术具有创伤小、术后粘连少、恢复快的优点受到广大患者的青睐。微创外科手术机器人机械臂一般包括：提供视野的内窥镜臂和用于手术操作的手术器械臂。手术器械末端执行器包括：镊子、剪刀、止血钳和持针器等。与传统(开放式)手术中使用的工具相似，不同之处在于，每个手术器械的末端执行器与其运动控制模块有30厘米左右的距离，以允许操作者将末端执行器引入手术部位，并控制末端执行器相对于手术部位运动。

目前，微创手术机器人一般由影像处理平台、患者手术平台、医生控制台3部分组成。外科医生坐在医生控制台，通过手动控制器(主控制器)一组脚踏板来控制手术器械和内窥镜的运动。手术器械与远程操作执行机构可以分离，因此该手术器械可以单独消毒，并可根据手术需要选择合适的手术器械。

手术器械安装在手术平台的机械臂上，机械臂一般重达十二至二十四公斤。手术过程中，外科医生必须将手术器械移动到患者病灶上方合适的位置，为了方便、灵活、安全的调整机械臂的高度，平衡手术器械、相关执行机构和支撑机构的重力是非常有必要的。但是，由于各种不同的手术器械具有不同的质量，使平衡变得更加困难，所以，提供一种方法来平衡外科手术器械及其相关的执行机构和支撑机构的重力，并且对不同质量、不同类型的外科手术器械是有效的，这种重力补偿方法对微创手术机器人的发展具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够平衡外科手术器械及其相关的执行结构和支撑机构的重力，并且对不同质量、不同类型的外科手术器械是有效的恒力弹簧传动装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置包括：支撑机构、重力补偿机构、制动机构、滑动机构四部分。重力补偿机构、制动机构和滑动机构通过螺钉固定在支撑结构上，装置的动力传动由重力补偿机构中的恒力弹簧完成。

所述支撑机构主要由安装底座、电机支撑架安装座、外壳和加强肋组成。所述电机支撑架安装座与安装底座通过螺钉垂直固定连接，而位于安装底座左右两侧的加强肋通过螺钉连接电机支撑架安装座和安装底座，从而起到加强整个支撑机构刚度的目的，而外壳与安装底座通过螺钉固定在一起。

所述重力补偿机构主要由左右电机支撑架、直驱伺服电机、绝对值编码器、绝对值编码器安装座、感应磁铁、法兰轴承、恒力弹簧、弹簧轮毂、恒力弹簧连接件组成。恒力弹簧的内径小于弹簧轮毂的外径，将恒力弹簧缠绕在弹簧轮毂上，由于恒力弹簧具有恢复原来形状的趋势，恒力弹簧之间将相互挤压，对弹簧轮毂产生一定的压力，从而在恒力弹簧之间、恒力弹簧与弹簧轮毂之间产生一定的摩擦力，起到固定恒力弹簧的作用。

所述制动机构主要由电磁铁、制动衔铁、防松螺钉、电磁铁连接件、石墨铜套、垫片、弹簧、凸肩螺钉、限位开关和限位开关安装座组成。当电磁铁失电时，电磁铁有磁性与制动衔铁吸附在一起，从而达到制动的目的，当电磁铁上电时，电磁铁失去磁性，电磁铁与制动衔铁分开，滑动机构恢复正常运动。当滑动机构运动到装置的上极限位置将触发限位开关，直驱伺服电机停止动作，达到保护电机的目的。

所述滑动机构主要由导轨、滑块、滑块固定座组成。两根导轨通过螺钉固定在安装底座的定位槽上，每个导轨上安装2个配套滑块，滑块通过螺钉固定在滑块固定座上，滑块固定座上端通过恒力弹簧连接件与恒力弹簧连接，通过螺钉将两者固定在一起，从而将直驱伺服电机的动力通过恒力弹簧传递给滑块固定座。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用高精度的绝对值编码器，当装置掉电后可以保存电机运动的位置，具有整体结构紧凑，占用体积小的特点。

2.本发明采用恒力弹簧传动，利用恒力弹簧的恒定弹力来平衡外科手术器械及其相关的执行机构和支撑机构的重力，利用伺服电机的扭矩补偿不同质量外科手术器械引起的重力变化，从而达到对于不同外科手术器械都能实现重力平衡的目的，方便术前外科医生对医疗机器人机械臂高度的调整。

3.本发明制动部分是单独设计的与购买的相比，电机的整体尺寸减小，从而减小整个装置的宽度，达到结构紧凑的目的，装置的位移限位由限位开关实现，当滑块固定座运动到极限位置时，将触发限位开关，电机停止运动，达到保护电机的目的。

4.本发明滑动部分由导轨与滑块实现，具有传动平稳，结构紧凑的优点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明工作状态示意图；

图3为本发明支撑机构的结构示意图；

图4为本发明重力补偿机构的结构示意图；

图5为本发明重力补偿机构的局部剖视图；

图6为本发明制动机构和滑动机构的局部示意图；

图7为本发明制动机构和滑动机构的局部剖视图一；

图8为本发明制动机构和滑动机构的局部剖视图二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，用于解决微创手术机器人操作末端安装不同手术器械的重力补偿问题。

如图1所示为本发明一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置的整体结构示意图，该装置包括：支撑机构1、重力补偿机构2、制动机构3和滑动机构4。重力补偿机构2、制动机构3和滑动机构4通过螺钉安装在支撑机构1上。重力补偿机构2中的直驱伺服电机带动弹簧轮毂转动，间接带动恒力弹簧的转动，恒力弹簧的另一端与滑动机构4中的滑块固定座连接，术前在外科医生的手动操作下，滑动机构4中的滑块固定座在导轨和滑块的导向作用下做直线运动，该装置的制动由制动机构3实现，运动的位置由重力补偿机构2中的绝对值编码器记录并保存。该装置将直驱伺服机的转动通过恒力弹簧转化为滑块固定座的直线运动，主要用于微创手术机器人远程操作执行机构高度的调节，本发明具有1个自由度。

如图2和图3所示，支撑机构1由电机支撑架安装座1-1、加强肋1-2、安装底座1-3和外壳1-4组成。电机支撑架安装座1-1垂直安装在安装底座1-3的一端，并通过螺钉固定。为了加强整个机构的刚度，在安装底座的两侧安装了加强肋1-2，为了安装时可以精准定位，在安装底座的安装位置设计了定位销和定位槽，从而保证电机支撑架安装座1-1和加强肋1-2安装时的精准定位，外壳1-4与安装底座1-3通过螺钉固定在一起。

如图4和图5所示，重力补偿机构由右电机支撑架2-1、左电机支撑架2-2、恒力弹簧2-3、恒力弹簧连接件2-4、直驱伺服电机定子2-5、直驱伺服电机转子2-6、弹簧轮毂2-7、绝对值编码器安装座2-8、绝对值编码器2-9、法兰轴承2-10和感应磁铁2-11组成。直驱伺服电机的定子2-5与右电机支撑架2-1通过螺钉连接，直驱伺服电机的转子2-6与弹簧轮毂2-7通过螺钉连接，法兰轴承2-10内圈与弹簧轮毂2-7左端的凸轴过渡配合安装在一起，法兰轴承2-10外圈与左电机支撑架2-2过渡配合安装在一起，绝对值编码器安装座2-8通过螺钉固定在左电机支撑架2-2的外侧，而绝对值编码器2-9固定在绝对值编码器安装座2-8内侧通过螺钉，绝对值编码器2-9配套的感应磁铁2-11固定在弹簧轮毂凸轴端面的凹槽内，当直驱伺服电机转子2-6转动带动弹簧轮毂2-7转动从而带动感应磁铁2-11转动时，绝对值编码器2-9可以根据感应磁铁2-11的转动从而记录电机转动的角度信息。恒力弹簧2-3缠绕在弹簧轮毂2-7上，由于恒力弹簧2-3的内径小于弹簧轮毂2-7的外径，恒力弹簧2-3会有恢复原来形状的趋势，从而缠绕在弹簧轮毂2-7上的恒力弹簧2-3彼此紧密贴合，对弹簧轮毂2-7产生一定的压力，此时恒力弹簧2-3与弹簧轮毂2-7之间产生一定的摩擦力，从而将恒力弹簧2-3的一端固定在弹簧轮毂2-7的凹槽内。恒力弹簧2-3的另一端通过恒力弹簧连接件2-4与滑块固定座4-3连接在一起，从而实现将直驱伺服电机的转动，转化为滑块固定座4-3的直线滑动。

如图6、图7和图8所示，制动机构3由限位开关3-1、限位开关安装座3-2、石墨铜套3-3、凸肩螺钉3-4、制动衔铁3-5、垫片3-6、电磁铁3-7、电磁铁连接件3-8、弹簧3-9、防松螺钉3-10组成。制动衔铁3-5通过螺钉固定在安装底座1-3，电磁铁3-7与电磁铁连接件3-8通过防松螺钉3-10连接在一起，将凸肩螺钉3-4穿过垫片3-6，然后穿过弹簧3-9穿入石墨铜套3-3中，石墨铜套3-3穿入滑块固定座4-3对应的孔内，两者之间为间隙配合，凸肩螺钉3-4和石墨铜套3-3间隙配合，石墨铜套3-3用螺钉固定在滑块固定座4-3对应的圆形定位槽内，最后根据所需要的弹力将凸肩螺钉3-4旋入电磁铁连接件3-8适当长度。电磁铁3-7与制动衔铁3-5之间留有1mm间隙，当电磁铁3-7失电时，电磁铁3-7有磁性，在磁力的作用下，弹簧3-9压缩，电磁铁3-7向制动衔铁3-5的方向移动，电磁铁3-7与制动衔铁3-5吸附在一起，从而达到制动的效果。当电磁铁3-7得电时，磁性消失与制动衔铁3-5脱离，滑块恢复正常运动。当滑块固定座4-3向上运动到极限位置时将触发限位开关3-1，直驱伺服电机将停止运动，起到保护电机的作用。

如图6和图7和图8所示，滑动机构由导轨4-1、滑块4-2和滑块固定座4-3组成。导轨4-1安装在安装底座1-3对应的定位槽内，然后通过螺钉固定，导轨4-1上的滑块4-2与滑块固定座4-3通过螺钉固定在一起。恒力弹簧2-3的一端与滑块固定座4-3通过恒力弹簧连接件2-4连接在一起，滑块固定座4-3的下端与相关执行机构、支撑机构和手术器械连接在一起，恒力弹簧2-3的弹力和直驱伺服电机的扭矩平衡上述机构的重力，当外科手术机器人根据不同手术需要更换不同的手术器械时，由于质量的改变，上述机构的重力也会发生改变，通过改变直驱伺服电机的扭矩来保持上述机构的重力平衡。

本发明，采用恒力弹簧2-3平衡相关执行机构、支撑机构和手术器械的重力，但是由于在微创手术过程中，需要更换不同的手术器械，不同的手术器械具有不同的质量，因此为了维持上述机构的平衡，将恒力弹簧2-3的一端缠绕在弹簧轮毂2-7上，直驱伺服电机安装在弹簧轮毂2-7内，通过直驱伺服电机的扭矩来调整因更换不同手术器械导致的重力不平衡。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，该装置包括：重力补偿机构、制动机构、滑动机构、和支撑机构四部分，其特征在于：所述重力补偿机构、制动机构和滑动机构通过螺钉安装在支撑机构上，所述重力补偿机构中的恒力弹簧和所述滑动机构中的滑块固定座通过恒力弹簧连接件连接，并由螺钉固定；

所述支撑机构主要由安装底座、电机支撑架安装座、外壳和加强肋组成，电机支撑架安装座与安装底座通过螺钉垂直固定连接，而位于安装底座左右两侧的加强肋通过螺钉连接电机支撑架安装座和安装底座，从而起到加强整个支撑机构刚度的目的，而外壳与安装底座通过螺钉固定在一起；

所述重力补偿机构主要由左右电机支撑架、直驱伺服电机、绝对值编码器、绝对值编码器安装座、感应磁铁、法兰轴承、恒力弹簧、弹簧轮毂、恒力弹簧连接件组成，恒力弹簧的内径小于弹簧轮毂的外径，将恒力弹簧缠绕在弹簧轮毂上，由于恒力弹簧具有恢复原来形状的趋势，恒力弹簧之间将相互挤压，对弹簧轮毂产生一定的压力，从而产生一定的摩擦力，起到固定恒力弹簧的作用；

所述制动机构主要由电磁铁、制动衔铁、防松螺钉、电磁铁连接件、石墨铜套、垫片、弹簧、凸肩螺钉、限位开关和限位开关安装座组成，通过控制凸肩螺钉旋入电磁铁连接件的深度调节弹簧压缩长度即弹簧的弹力；

所述滑动机构主要由导轨、滑块、滑块固定座组成，两根导轨通过螺钉固定在安装底座的定位槽上，每个导轨上安装2个配套滑块，滑块通过螺钉固定在滑块固定座上，滑块固定座上端通过恒力弹簧连接件与恒力弹簧连接，通过螺钉将两者固定在一起，从而将直驱伺服电机的动力通过恒力弹簧传递给滑块固定座。

2.按照权利要求1所述的一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，其特征在于：所述装置采用恒力弹簧传动，通过恒力弹簧的恒定弹力和直驱伺服电机的扭矩平衡外科手术器械及其相关执行机构和支撑机构的重力，利用直驱伺服电机的扭矩来调整不同质量外科手术器械引起的重力变化，从而达到对于不同的外科手术器械都能保持重力平衡的目的。

3.按照权利要求1所述的一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，其特征在于：所述制动机构通过对电磁铁掉电与上电控制电磁铁与制动衔铁的吸附与分离，凸肩螺钉在弹簧弹力的作用下控制电磁铁与制动衔铁间的彻底分离，该装置的位移限位由限位开关实现，当滑块固定座运动到极限位置时，将触发限位开关，电机停止运动，达到保护直驱伺服电机的目的。

4.按照权利要求1所述的一种具有重力补偿功能的恒力弹簧传动装置，其特征在于：所述装置将直驱伺服电机的旋转运动通过恒力弹簧传动转化为滑块固定座平行于安装底座的直线运动。

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