CN113653757B - 摩擦阻尼装置及具有其的被动关节、手术机器人 - Google Patents

摩擦阻尼装置及具有其的被动关节、手术机器人 Download PDF

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Abstract

摩擦阻尼装置及具有其的被动关节、手术机器人，涉及手术机器人技术领域。为解决现有结构和电路复杂的手术机器人，此时如果出现电磁干扰或者其他因素造成永磁制动器突然得电，则有可能造成永磁制动器放开转动轴，使得转动轴自由转动。另一方面，手术助手等人员也可能会碰到机械臂，使得转动轴转动。有可能会导致重大的人身安全事故的问题。空心轴与轮毂同轴设置，且空心轴沿圆周外表面均匀的设有多个轮辐组件，每两个轮辐组件之间设有一个作动筒组件，每个作动筒组件底部通过螺栓与空心轴外壁固定连接，轮毂沿圆周外表面设有多个通孔，且每个作动筒组件的顶部插入轮毂外表面通孔的内部，轮毂的外表面上套设有摩擦轮。本发明适用于手术机器人。

Description

摩擦阻尼装置及具有其的被动关节、手术机器人
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，具体涉及摩擦阻尼装置及具有其的被动关节、手术机器人。
背景技术
微创手术机器人系统能够使医生在主操控台处通过二维或三维的显示设备观察病人体内的组织特征，并以遥控方式操控从操作机器人上的机械臂及手术工具器械来完成手术的操作。医生能够以与传统手术相同的方式及感觉来完成微创伤手术的操作，大大减轻了医生进行微创手术时的困难程度，同时也提高了手术的效率和安全性，并使得远程手术的实现发生了突破性的进展。它使医生能够远离病人的地方实施手术，或在病房中病人旁边进行手术操作，或也可以远程通过操作输入装置对远端接受设备进行控制，从而完成手术的操作。
在远程手术中，外科医生使用伺服机构等某种形式的遥控器操作手术器械的移动，而不是直接手持并移动器械。在远程手术系统中，外科医生通过操作主控制装置控制手术工作站，从而对病人执行手术操作，主控制装置又控制伺服机构手术器械的移动。但这种手术方式若要得以实现，必须有系统或装置支撑并带动手术器械运动的机械手。目前，机械手普遍采用串联结构实现多自由度的运动以及力的反馈，每个自由度的实现均需对应一个转动关节，因此转动关节对微创手术机器人系统来说至关重要。
现有的转动关节可分为主动关节和被动关节两类，被动关节中没有动力源，其主要起到调整机械臂的初始姿态、定位远心点的作用；主动关节中有动力源，其不仅可以起到以上功能，还能够在术中实现调整机械臂的微调。无论哪种关节，其均是通过电磁失电制动器或永磁制动器达到制动转动轴并将转动轴固定在预定位置的目的，然后进行下一步的手术操作。电磁失电制动器与永磁制动器均可在外接电源断电条件下通过弹簧弹力或永磁体的磁力使摩擦片与衔铁接触，从而产生制动转矩。现有的电磁失电制动器或永磁制动器工作原理如下：当电机开始工作时，制动器的线圈产生电流并在磁轭上产生磁场，然后磁轭上的磁场对衔铁吸引并离开制动盘上的摩擦片，从而电机可以无摩擦运转。当电机制动时候，电源断电，线圈上的电流衰减，导致磁力下降，衔铁靠弹簧弹力弹开并与制动盘的摩擦片接触产生制动转矩，使电机快速停止。当电机启动时，线圈通入电流，使电流产生与永磁体相反的磁场并与永磁体产生的磁场相抵消，然后靠电机轮毂上的板状弹簧将衔铁从摩擦片上拉回，从而使电机可以无摩擦运行。当电机开始制动时候，电源断电，电流迅速衰减，衔铁在永磁体的吸引下与摩擦片接触，从而使电机迅速制动。
综上所述，对于结构和电路复杂的手术机器人，此时如果出现电磁干扰或者其他因素造成永磁制动器突然得电，则有可能造成永磁制动器放开转动轴，使得转动轴自由转动。另一方面，手术助手等人员也可能会碰到机械臂，使得转动轴转动。对于正在进行手术的机器人来说，这极有可能会导致重大的人身安全事故的问题。
发明内容
本发明为解决现有结构和电路复杂的手术机器人，此时如果出现电磁干扰或者其他因素造成永磁制动器突然得电，则有可能造成永磁制动器放开转动轴，使得转动轴自由转动。另一方面，手术助手等人员也可能会碰到机械臂，使得转动轴转动。对于正在进行手术的机器人来说，这极有可能会导致重大的人身安全事故的问题，而提出摩擦阻尼装置及具有其的被动关节、手术机器人。
本发明一方面提供一种摩擦阻尼装置，其组成包括空心轴、摩擦轮、轮毂、作动筒组件和轮辐组件；
空心轴与轮毂同轴设置，且空心轴沿圆周外表面设有多个轮辐组件，多个轮辐组件之间设有至少两个作动筒组件，每个作动筒组件底部与空心轴外壁固定连接，轮毂沿圆周方向设有与作动筒组件数量相同的通孔，且每个作动筒组件的顶部插入轮毂的通孔内，轮毂的外表面上套设有摩擦轮；
进一步的，所述的作动筒组件包括力传递单元和力传感器；力传递单元一端与力传感器测量端面中部抵接，另一端与摩擦轮抵接，用于将摩擦轮受到的外界压力传递给力传感器以监测摩擦轮能够提供的摩擦力大小；
进一步的，所述的力传递单元包括顶杆、上套筒、下套筒、弹簧和作动杆；
下套筒上套设有上套筒，上套筒上表面的中央处设有传力杆，传力杆的上表面设有圆形凹槽，且凹槽的内部设有弹簧，弹簧的顶部设有一个作动杆，且作动杆的上表面中部设有通孔，顶杆的底部插入作动杆上表面通孔的内部；
进一步的，所述上套筒和下套筒分别沿圆周外表面均匀的设有两个套筒凸台，下套筒的每个套筒凸台上表面的中部设有螺纹通孔，下套筒通过套筒凸台上的螺纹通孔与套筒固定螺钉配合之后，与上套筒固定连接；
进一步的，所述的下套筒的内部嵌设有力传感器；下套筒的外表面设有一个u型通孔，上套筒的外表面设有一个n型通孔，u型通孔与n型通孔共同组成一个腰型孔；所述的力传感器的导线穿过下套筒外表面的u型通孔；
进一步的，所述的轮辐组件包括外轮辐、轮辐固定螺钉和内轮辐；外轮辐与内轮辐配合设置，且外轮辐通过轮辐固定螺钉与内轮辐固定连接，外轮辐与内轮辐配合面为阶梯状；
进一步的，所述的外轮辐与轮毂一体成型或焊接固定，所述的内轮辐与空心轴一体成型或焊接固定，所述的阶梯状配合面的走向相同，均朝向外轮辐或空心轴；
进一步的，所述的空心轴的上下表面分别设有一个盖板；至少一个所述的盖板的表面设有与作动筒组件数量相同的引线孔；
进一步的，在使用时，通过空心轴将之安装紧固到转动关节的转动轴上的预定位置。
本发明的另一方面提供一种被动关节，包括上述的摩擦阻尼装置、关节运动轴和关节外壳，上述空心轴与关节运动轴相连，上述摩擦轮的外表面与关节外壳的内表面相接触。
本发明的又一方面提供一种手术机器人，包括上述的被动关节。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明克服了现有技术的缺点，采用空心轴与轮毂同轴设置，且空心轴沿圆周外表面均匀的设有多个轮辐组件，每两个轮辐组件之间设有一个作动筒组件，每个作动筒组件底部通过螺栓与空心轴外壁固定连接，轮毂沿圆周外表面设有多个通孔，且每个作动筒组件的顶部插入轮毂外表面通孔的内部，轮毂的外表面上套设有摩擦轮，利用作动筒组件的顶杆穿过轮毂顶住摩擦轮的内圈，以防止电磁失电制动器或永磁制动器突然失效时转动轴自由转动而造成人身伤害。通过作动筒组件内的力传感器，从而可读取一定的数值，当摩擦轮磨损后，与金属外壳间的压力减小，从而力传感器的读数也会变小，以此来监测摩擦轮的磨损情况，便于及时维修更换。
通过空心轴将之安装紧固到转动关节的转动轴上的预定位置。利用外圈的耐磨橡胶制成的摩擦轮与转动关节处的金属外壳内壁面接触，为手术机器人的转动关节提供额外的摩擦阻力，避免出现电磁干扰或者其他因素造成永磁制动器突然得电，则有可能造成永磁制动器放开转动轴，使得转动轴自由转动的现象。
本发明采用两段式轮辐结构，便于阻尼装置的装配与维护。
附图说明
图1是本发明所述的一种摩擦阻尼装置的三维立体示意图；
图2是本发明所述的一种摩擦阻尼装置内部的三维立体示意图；
图3是本发明所述的一种摩擦阻尼装置中盖板的三维立体示意图；
图4是本发明所述的一种摩擦阻尼装置中轮辐组件的三维立体示意图；
图5是本发明所述的一种摩擦阻尼装置中作动筒组件的三维立体示意图；
图6是本发明所述的一种摩擦阻尼装置中作动筒组件的三维爆炸图；
图7是本发明所述的一种摩擦阻尼装置中作动筒组件与空心轴连接的三维立体示意图；
图8是本发明所述的一种摩擦阻尼装置的俯视图；
图9是本发明所述的一种摩擦阻尼装置的A-A剖视图；
图10是本发明所述的一种摩擦阻尼装置的侧视图；
图11是本发明所述的一种摩擦阻尼装置的B-B剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置包括空心轴1、摩擦轮2、轮毂5、作动筒组件6和轮辐组件7；
空心轴1与轮毂5同轴设置，且空心轴1沿圆周外表面设有多个轮辐组件7，多个轮辐组件7之间设有至少两个作动筒组件6，每个作动筒组件6底部与空心轴1外壁固定连接，轮毂5沿圆周方向设有与作动筒组件数量相同的通孔，且每个作动筒组件6的顶部插入轮毂5的通孔内，轮毂5的外表面上套设有摩擦轮2；
本具体实施方式，在使用时，通过空心轴1将之安装紧固到转动关节的转动轴上的预定位置。利用外圈的耐磨橡胶制成的摩擦轮2与转动关节处的金属外壳内壁面接触，为手术机器人的转动关节提供额外的摩擦阻力，以防止电磁失电制动器或永磁制动器突然失效时转动轴自由转动而造成人身伤害。在内部，空心轴1的外圈还固定有作动筒组件6，作动筒组件6的顶杆6-1穿过轮毂5顶住摩擦轮2的内圈。通过作动筒组件6内的力传感器6-8，从而可读取一定的数值。当摩擦轮2磨损后，与金属外壳间的压力减小，从而力传感器6-8的读数也会变小，以此来监测摩擦轮2的磨损情况，便于及时维修更换。摩擦阻力是由摩擦轮2与金属外壳内壁面间的摩擦系数和压力决定的，力传感器6-8监测的就是该压力，从而能够反映摩擦阻力的情况。当摩擦轮2磨损后，两者间的压力不足，就无法提供足够的摩擦阻力，从而会使该装置失效，此时就需要更换摩擦轮2。具体的，力传感器6-8电连接到控制系统，通过显示屏将读数显示给操作人员。控制系统可以根据需要设置为实时监测力传感器6-8的读数变化以观察关节转动过程中的摩擦力情况(动摩擦力)，也可以设置为在设备的每次开关机时监测读数，以便获取摩擦轮2的磨损情况。
具体实施方式二：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述的作动筒组件6包括力传递单元和力传感器6-8；力传递单元一端与力传感器6-8测量端面中部抵接，另一端与摩擦轮2抵接，用于将摩擦轮2受到的外界压力传递给力传感器6-8以监测摩擦轮2能够提供的摩擦力大小；
本具体实施方式，采用此种结构，提高该装置在转动时的稳定性。
具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述的力传递单元包括顶杆6-1、上套筒6-2、下套筒6-4、弹簧6-5和作动杆6-6；
下套筒6-4上套设有上套筒6-2，上套筒6-2上表面的中央处设有传力杆，传力杆的上表面设有圆形凹槽，且凹槽的内部设有弹簧6-5，弹簧6-5的顶部设有一个作动杆6-6，且作动杆6-6的上表面中部设有通孔，顶杆6-1的底部插入作动杆6-6上表面通孔的内部；
本具体实施方式，利用作动筒组件的顶杆穿过轮毂顶住摩擦轮的内圈。通过作动筒组件内的力传感器，从而可读取一定的数值。当摩擦轮磨损后，与金属外壳间的压力减小，从而力传感器的读数也会变小，以此来监测摩擦轮的磨损情况，便于及时维修更换，以防止电磁失电制动器或永磁制动器突然失效时转动轴自由转动而造成人身伤害。
具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述上套筒6-2和下套筒6-4分别沿圆周外表面均匀的设有两个套筒凸台6-3，下套筒6-4的每个套筒凸台6-3上表面的中部设有螺纹通孔，下套筒6-4通过套筒凸台6-3上的螺纹通孔与套筒固定螺钉6-7配合之后，与上套筒6-2固定连接；本具体实施方式，上下套筒固定牢靠，安装方便，便于对其中的力传感器进行固定。
具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三或四所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述的下套筒6-4的内部嵌设有力传感器6-8；下套筒6-4的外表面设有一个u型通孔，上套筒6-2的外表面设有一个n型通孔，u型通孔与n型通孔共同组成一个腰型孔；所述的力传感器6-8的导线穿过下套筒6-4外表面的u型通孔；
本具体实施方式，采用下套筒6-4的外表面设有一个u型通孔，上套筒6-2的外表面设有一个n型通孔，u型通孔与n型通孔共同组成一个腰型孔，便于将力传感器6-8的导线引出。
具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述的轮辐组件7包括外轮辐7-1、轮辐固定螺钉7-2和内轮辐7-3；外轮辐7-1与内轮辐7-3配合设置，且外轮辐7-1通过轮辐固定螺钉7-2与内轮辐7-3固定连接，外轮辐7-1与内轮辐7-3配合面为阶梯状；
本具体实施方式，采用外轮辐7-1与内轮辐7-3配合设置，且外轮辐7-1通过轮辐固定螺钉7-2与内轮辐7-3固定连接，为两段式的轮辐结构，便于装配。
具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述的外轮辐7-1与轮毂5一体成型或焊接固定，所述的内轮辐7-3与空心轴1一体成型或焊接固定，所述的阶梯状配合面的走向相同，均朝向外轮辐7-1或空心轴1；
本具体实施方式，采用两段式轮辐结构，便于阻尼装置的装配和维护。具体来说，将作动筒组件6安装于空心轴1上，将装配好的该部件，沿着一个方向合入轮辐组件7和轮毂5组成的部件中，由于作动筒组件6内具有弹簧，顶杆6-1可以稍微被往内压，当合入完成后，顶杆6-1穿过轮毂5的通孔从而完成卡接。再拧好外轮辐7-1与内轮辐7-3的轮辐固定螺钉7-2即装配完成。
具体实施方式八：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的阻尼装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种摩擦阻尼装置，所述的空心轴1的上下表面分别设有一个盖板3；至少一个所述的盖板3的表面设有与作动筒组件数量相同的引线孔3-2；具体的，空心轴1的上下表面分别沿圆周边缘至少设有两个方形连接块，且两个方形连接块沿空心轴1的轴线对称设置，每个方形连接块的上表面的中部设有螺纹孔，盖板3的上表面沿圆周方向至少设有两个固定螺钉安装孔3-1，每个固定螺钉安装孔3-1设有一个盖板固定螺钉4，盖板固定螺钉4的底部与空心轴1上其中一个方形连接块的螺纹孔配合连接。
本具体实施方式，采用盖板3的表面均匀的设有多个引线孔3-2，便于将力传感器6-8的导线引出。
具体实施方式九：本实施方式所述的一种被动关节，包括具体实施方式一至八任一项所述的摩擦阻尼装置、关节运动轴和关节外壳，空心轴1与关节运动轴相连，摩擦轮2的外表面与关节外壳的内表面相接触。本具体实施方式中，被动关节用于在设备的机械臂调整位姿时使用，即一般是设备正式开始操作前的对准的步骤，因此摩擦轮2与关节外壳的内表面接触摩擦的时间短，不会有散热等问题。
具体实施方式十：本实施方式所述的一种手术机器人包括具体实施方式九所述的被动关节。本具体实施方式中，手术机器人不会因为电磁异常或人员触碰发生机械臂运动的情况，减少了机器人手术的风险。
工作原理
在使用时，通过空心轴1将之安装紧固到转动关节的转动轴上的预定位置。利用外圈的耐磨橡胶制成的摩擦轮2与转动关节处的金属外壳内壁面接触，为手术机器人的转动关节提供额外的摩擦阻力，在内部，空心轴1的外圈还固定有作动筒组件6，作动筒组件6的顶杆6-1穿过轮毂5顶住摩擦轮2的内圈，以防止电磁失电制动器或永磁制动器突然失效时转动轴自由转动而造成人身伤害。通过作动筒组件6内的力传感器6-8，从而可读取一定的数值。当摩擦轮2磨损后，与金属外壳间的压力减小，从而力传感器的读数也会变小，以此来监测摩擦轮2的磨损情况，便于及时维修更换。

Claims (9)

1.一种摩擦阻尼装置，其特征在于：包括空心轴（1）、摩擦轮（2）、轮毂（5）、作动筒组件（6）和轮辐组件（7）；
空心轴（1）与轮毂（5）同轴设置，且空心轴（1）沿圆周外表面设有多个轮辐组件（7），多个轮辐组件（7）之间设有至少两个作动筒组件（6），每个作动筒组件（6）底部与空心轴（1）外壁固定连接，轮毂（5）沿圆周方向设有与作动筒组件数量相同的通孔，且每个作动筒组件（6）的顶部插入轮毂（5）的通孔内，轮毂（5）的外表面上套设有摩擦轮（2）；
所述的作动筒组件（6）包括力传递单元和力传感器（6-8）；力传递单元一端与力传感器（6-8）测量端面中部抵接，另一端与摩擦轮（2）抵接，用于将摩擦轮（2）受到的外界压力传递给力传感器（6-8）以监测摩擦轮（2）能够提供的摩擦力大小；
所述的力传递单元包括顶杆（6-1），利用作动筒组件（6）的顶杆（6-1）穿过轮毂（5）顶住摩擦轮（2）的内圈，使摩擦轮（2）与转动关节处的金属外壳内壁面接触。
2.根据权利要求1所述的摩擦阻尼装置，其特征在于：所述的力传递单元还包括上套筒（6-2）、下套筒（6-4）、弹簧（6-5）和作动杆（6-6）；
下套筒（6-4）上套设有上套筒（6-2），上套筒（6-2）上表面的中央处设有传力杆，传力杆的上表面设有圆形凹槽，且凹槽的内部设有弹簧（6-5），弹簧（6-5）的顶部设有一个作动杆（6-6），且作动杆（6-6）的上表面中部设有通孔，所述的顶杆（6-1）的底部插入作动杆（6-6）上表面通孔的内部。
3.根据权利要求2所述的摩擦阻尼装置，其特征在于：所述上套筒（6-2）和下套筒（6-4）分别沿圆周外表面均匀的设有两个套筒凸台（6-3），下套筒（6-4）的每个套筒凸台（6-3）上表面的中部设有螺纹通孔，下套筒（6-4）通过套筒凸台（6-3）上的螺纹通孔与套筒固定螺钉（6-7）配合之后，与上套筒（6-2）固定连接。
4.根据权利要求2或3所述的摩擦阻尼装置，其特征在于：所述的下套筒（6-4）的内部嵌设有力传感器（6-8）；下套筒（6-4）的外表面设有一个u型通孔，上套筒（6-2）的外表面设有一个n型通孔，u型通孔与n型通孔共同组成一个腰型孔；所述的力传感器（6-8）的导线穿过下套筒（6-4）外表面的u型通孔。
5.根据权利要求1所述的摩擦阻尼装置，其特征在于：所述的轮辐组件（7）包括外轮辐（7-1）、轮辐固定螺钉（7-2）和内轮辐（7-3）；外轮辐（7-1）与内轮辐（7-3）配合设置，且外轮辐（7-1）通过轮辐固定螺钉（7-2）与内轮辐（7-3）固定连接，外轮辐（7-1）与内轮辐（7-3）配合面为阶梯状。
6.根据权利要求5所述的摩擦阻尼装置，其特征在于：所述的外轮辐（7-1）与轮毂（5）一体成型或焊接固定，所述的内轮辐（7-3）与空心轴（1）一体成型或焊接固定，所述的阶梯状配合面的走向相同，均朝向外轮辐（7-1）或空心轴（1）。
7.根据权利要求1所述的一种摩擦阻尼装置，其特征在于：所述的空心轴（1）的上下表面分别设有一个盖板（3）；至少一个所述的盖板（3）的表面设有与作动筒组件数量相同的引线孔（3-2）。
8.一种被动关节，其特征在于：包括权利要求1至7任一项所述的摩擦阻尼装置、关节运动轴和关节外壳，空心轴（1）与关节运动轴相连，摩擦轮（2）的外表面与关节外壳的内表面相接触。
9.一种手术机器人，其特征在于：包括权利要求8所述的被动关节。
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