CN113855248A - 一种手术机器人器械组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人器械组件，包括器械座、电机座、用于连接器械座与电机座的适配器，所述适配器与所述电机座之间设有定位组件，所述定位组件对所述适配器和所述电机座限位实现电机堵转，直至所述器械座、适配器、电机座三者对接完成后解除限位。本发明可快速实现器械座、适配器、器械之间的动力轴对接，同时不用绝对值编码器即可准确、快速定义并找到电机与手术器械的零点位置，并据此通过电机控制器械。

Description

一种手术机器人器械组件

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种手术机器人器械组件。

背景技术

在手术机器人系统中，器械座、适配器、电机座之间需实现快速拆装和动力传递。同时，要满足高精度对位、高精高效传递等要求。

高精度对位要求器械座的输入轴、适配器的传动轴、电机座的输出轴三者在轴线同轴度不高的情况下能够自动调节对准，使器械座、适配器、电机座各轴线对准至同轴度要求范围上，保证三者轴线基本共线，能够完成将电机座上的电机的动力通过适配器传递到器械座的输入轴，进而传递至器械末端手术操作部位上，并且能够准确确定器械的零点位置。

现有的零点定位常用方法是在电机输出轴加入绝对值编码器，或者在电机末端加入多圈绝对值编码器，这样做需要很大的安装面积和体积，尤其对于手术器械末端的高精度多轴控制，由于有多个电机座的输出轴，很难在一个微小壳体配置多个电机零点定位控制的编码器。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种手术机器人器械组件，无需绝对值编码器即可准确、快速找到电机与手术器械的零点位置，并据此通过电机控制器械。

技术方案：

一种手术机器人器械组件，包括器械座、电机座、用于连接器械座与电机座的适配器，所述适配器与所述电机座之间设有电机定位组件，所述电机定位组件对所述适配器和所述电机座限位实现电机堵转，直至所述器械座、适配器、电机座三者安装完成后解除限位。

在所述电机定位组件限位后所述适配器的传动轴和所述电机座的输出轴实现对接。

所述器械座上还设有器械定位组件，所述器械定位组件实现器械的转动限位。

所述电机座可伸缩地安装有输出轴，所述适配器活动安装有传动轴；所述电机定位组件在所述传动轴与所述输出轴对接时实现转动限位，并在所述器械座安装时所述传动轴下压所述输出轴解除限位。

所述电机定位组件为设置在所述适配器与所述传动轴之间的限位块和限位槽，在所述传动轴与所述输出轴对接时所述限位块和所述限位槽配合实现转动限位，在所述器械座安装时所述传动轴下压所述输出轴，所述限位块和所述限位槽脱离解除限位。

所述适配器上与所述器械座的输入轴对应处设置有容纳孔，所述传动轴活动安装在所述容纳孔内；在所述传动轴侧壁设置有限位块或限位槽，在所述容纳孔内壁对应位置处设置有相应的限位槽或限位块。

所述限位块设计为坡状。

所述限位槽与所述限位块的坡状相对应的一端设计为对应的坡状。

所述限位块的两端设计为竖直平面，所述限位槽的其中一端设计为坡状。

在所述容纳孔的内壁上沿径向向内延伸形成有安装块，在所述传动轴的外侧壁上开设有对应配合的安装槽，所述传动轴通过其安装槽与所述安装块的配合活动安装在所述容纳孔内。

在所述电机的电机轴上固定套设有转接件，所述输出轴下端滑动套设在所述转接件外，且其与所述转接件上端面之间通过弹簧连接。

所述转接件的侧壁上设有轴向设置的导槽或导轨，对应地，在所述输出轴下端内壁上设有对应的导轨或导槽，二者通过导轨与导槽配合实现所述输出轴与所述转接件之间的相对运动配合。

在所述输出轴侧壁与所述电机座上容置所述输出轴的活动槽内壁其中之一上设有零点限位槽，另一上对应位置处设有零点限位块；通过所述零点限位槽和所述零点限位块配合实现所述输出轴的转动限位，记录此时电机位置为电机零点位置；

在所述适配器与所述电机座对接时，所述传动轴下压所述输出轴，使得所述零点限位块与所述零点限位槽脱离，解除限位。

所述限位块为多个，且相对于所述容纳孔内壁的周向上均匀分布。

在所述传动轴的下端面中部开设有配位孔，在所述输出轴上端设有与所述传动轴下端面的配位孔对应配合的配位凸起。

在所述传动轴的上下端面均设有至少一凸起，在所述器械座的输入轴和所述输出轴对应端面上设有对应配合的凹槽。

所述传动轴的上下端面的凸起均为两个，且对称设置。

所述传动轴的上端面的两个凸起连线与所述传动轴的下端面的两个凸起连线相互垂直。

在所述适配器的上下端面均设有至少一卡扣，对应地，在所述器械座的下端面和所述电机座上端面上对应设有相应的卡孔。

所述适配器的上下端面均设有四个卡扣，且对称设置。

有益效果：本发明可快速实现器械座、适配器、器械之间的动力轴对接，同时不用绝对值编码器即可准确、快速定义并找到电机与手术器械的零点位置，并据此通过电机控制器械。

附图说明

图1为手术器械组件的结构示意图；

图2为手术器械组件另一角度的结构示意图；

图3为器械座的结构示意图；

图4为本发明器械座的内部结构图；

图5为适配器的俯视图；

图6为适配器的仰视图；

图7为图6的剖面图；

图8为电机座的结构图；

图9为本发明的手术器械组件组装定位的流程图；

图10为另一实施例的电机座结构示意图；

图11为图10中A处的局部剖面图。

其中，1为器械座，2为适配器，3为电机座；

11为输入轴，12为第一凹槽,13为第一卡孔，14为器械，15为限位端部，16为限位凸起；

21为容纳孔，211为安装块，212为限位块，22为传动轴，221为安装槽，222为限位槽，23为第一凸起，24为第二凸起，25为配位孔，26为卡扣；

31为电机，311为电机轴，312为转接件，32为活动槽，321为零点限位槽，33为输出轴，331为配位凸起，332为第二凹槽，333为零点限位块，34为弹簧，35为第二卡孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1为手术器械组件的结构示意图，如图1所示，本发明的手术机器人器械组件包括器械座1、适配器2及电机座3，电机座3一侧固定安装在手术机器人机械臂(未示出)上，器械座1和电机座3通过适配器2配合对接，器械14固定安装在器械座1上，在适配器2及电机座3上均开设有沿竖向贯通的通孔，用于穿设器械14。

图2、3所示，器械座1包括器械14及若干输入轴11，其中，输入轴11和器械14均通过轴承转动安装在器械座1的下端面上，手术机器人通过输入轴11将转矩传递至器械14，以实现器械14的各种操作；并在器械14运动至其对应的极限位置时限位，此时也即为器械14对应的零点位置。在本发明中，输入轴11的数量根据器械14的操作自由度和操作需求确定。

在每一输入轴11的下端面上开设有至少一个第一凹槽12，在器械座1的下端面上还开设有至少两个对称的第一卡孔13，进一步地，第一卡孔13为4个，且对称设置在器械座1的下端面上。

本发明中，输入轴11为4个，并以器械14为轴线对称分布在器械座1上。

图4为本发明器械座的内部结构图，如图4所示，以器械14的器械轴旋转为例，在本发明的器械座上开设有通孔，在其上设置有限位环，在限位环上设置有沿轴向延伸的限位凸起16，在器械14器械轴的端部设置有限位端部15，在限位端部15上设置有与限位环上的限位凸起16对应配合的凸起，限位端部15与限位环配合实现二者的相对旋转，同时二者通过凸起与限位凸起16的配合实现二者旋转的限位，即为器械轴的极限位置，也即器械轴的零点位置；输入轴11通过齿轮配合与器械轴的端部配合安装，用以传递转矩。

如图2、5所示，适配器2包括在适配器2上与器械座1上输入轴11对应位置处开设的容纳孔21及活动安装在容纳孔21内的传动轴22；在容纳孔21的内壁上沿径向向内延伸形成有安装块211，在传动轴22的侧壁上开设有对应配合的安装槽221，传动轴22通过其安装槽221与安装块211的配合活动安装在容纳孔21内，使得传动轴22可在容纳孔21内轴向上下运动但不脱离，如图6所示。在传动轴22的上端面上设有与输入轴11下端面上开设的第一凹槽12相对应配合的第一凸起23，在传动轴22的下端面上还设有第二凸起24，在传动轴22的下端面中部开设有配位孔25，如图7所示。

进一步地，第一凹槽12设计为两个，且对称设置在输入轴11的下端面上，第一凸起23对应设计，对应地，在适传动轴22的下端面上也设有两个第二凸起24，且两个第一凸起23连线与两个第二凸起24连线相互垂直。

在本发明中，在容纳孔21的内壁设有一限位块212，在传动轴22的侧壁开设有与其对应配合的限位槽222，该限位槽222与限位块212配合实现传动轴22的转动限位时，此时记录电机座3中对应电机31位置为其零点位置，并在器械座通过适配器与电机座配合对接后控制器械14运动至其对应的极限位置，并根据此时电机31内编码器记录的旋转角度，得到电机零点位置与器械14零点位置之间的角度差，并以此控制电机31。

进一步地，本发明的限位块可以设置在传动轴22的侧壁下部，对应的在容纳孔21的内壁下部设置对应的限位槽。

如图2、8所示，电机座3包括电机31及输出轴33，电机31固定安装在电机座3内，在其内设有记录电机31旋转角度的编码器；在电机座3上端面位于电机31所在位置处开设有活动槽32，在活动槽32内设置有电机座输出轴33，输出轴33与电机31的电机轴311之间通过弹簧34连接，并沿轴向滑动设置在活动槽32内，从而使得输出轴33可以沿其轴向相对于电机座3在轴向上运动。

进一步地，在电机31的电机轴311上固定套设有转接件312，输出轴33下端套设在转接件312外，且其与转接件312上端面之间通过弹簧34连接；转接件312的侧壁上设有轴向设置的导槽或导轨，对应地，在出轴33下端内壁上设有对应的导轨或导槽，二者通过导轨与导槽配合实现输出轴33与转接件312之间的相对运动配合，且电机31的电机轴311通过转接件312带动输出轴33转动。

在输出轴33上端设有与传动轴22下端面中部开设的配位孔25对应配合的配位凸起331，在其配位凸起331与其端部之间的阶梯处设有与传动轴22下端面上设置的第二凸起24配合的第二凹槽332，从而可保证输出轴33与输入轴11对接后的同轴度；进一步地，第二凹槽332为两个，且对称设置在输出轴33阶梯处上，如图2所示。

本发明的工作原理如图9所示，具体如下：

首先进行适配器与电机座适配对接：

当适配器2和电机座3适配时，输出轴33上的配位凸起331伸入适配器2上的传动轴22的配位孔25内，适配器2通过其传动轴22挤压输出轴33，从而使得输出轴33内的弹簧34受到压缩，同时输出轴33会把传动轴22从其容纳孔21内顶起来，电机座3内的电机31转动，电机轴311通过转接件312带动输出轴33转动，输出轴33与传动轴22之间通过摩擦配合带动传动轴22转动(也可能存在相对旋转)，传动轴22侧壁的限位槽222在转动过程中与容纳孔21的内壁的限位块212配合限位，从而限制传动轴22的旋转运动，此时输出轴33上的第二凹槽332与传动轴22下端面的第二凸起24会嵌合对接(在旋转过程中也有可能会实现嵌合对接)，嵌合后由于传动轴22被限制旋转，从而使得电机31堵转，将输出轴33此时的位置记录为对应电机31的零点位置，适配器2与电机座3对位安装成功。

适配器2与电机座3对位过程中，传动轴22上的容纳孔21内壁的限位块212只有在传动轴22被顶起且旋转到特定位置时才能卡住传动轴22侧壁的限位槽222，所以当适配器2安装后，输出轴33会顶起传动轴22并带动其旋转，当传动轴22上的限位槽222旋转到被容纳孔21内壁下部的限位块212卡住时，由于传动轴22下端面的第二凸起24与输出轴33上端面的第二凹槽332嵌合迫使两者同步，电机31堵转，此时确定此位置为对应电机31的零点位置。

其次进行器械座与适配器对接适配：

当在适配器2上装配器械座1时，此时器械座1、适配器2及电机座3安装完成，但是此时器械座1与适配器2之间并未完全对接(当然也存在输入轴11和传动轴22之间正好对接的可能)，输入轴11下端会接触传动轴22并对其构成下压力，从而通过传动轴22下压输出轴33，使其内的弹簧34被进一步压缩，此时因为适配器2与电机座3的对接配合，其内的传动轴22向下位移，使传动轴22侧壁的限位槽222与容纳孔21内壁的限位块212脱离，此时电机31可以正常旋转，电机31再次转动带动输出轴33转动，输出轴33带动传动轴22转动，传动轴22依靠其与输入轴11之间的摩擦力带动输入轴11转动，直至输入轴11转动到达极限位置，此时输入轴11先停转，传动轴22在转动过程中其上端面的第一凸起23与输入轴11下表面的第一凹槽12形成嵌合(当然在输入轴11转动到达极限位置之前的转动阶段也有可能发生嵌合，但是本发明设定的输入轴11极限位置限转可确保二者发生嵌合)，迫使电机31再次发生堵转，此时完成输入轴11与传动轴22的对位安装，并记录该极限位置为器械14对应的零点位置，同时得到电机零点位置与器械14零点位置之间的角度差。

此时手术器械驱动组件定位完成，即完成电机座3的电机31到输入轴11的动力传递和电机31的零点定位，可以确保驱动组件每个轴的稳固对接，精确定位驱动组件的每个轴的位置。

上述实施方式的电机零点定位工作在适配器2与电机座3适配工作阶段完成，电机31零点定位工作、适配器2与电机座3适配工作均在无菌适配器2上完成。

在本发明中，容纳孔21的内壁设置的限位块212可设计为坡状，限位块212可以设置在容纳孔21内壁下部位置，其最低处在传动轴22的限位槽222与容纳孔21的限位块212配合时与限位槽222的最低处平齐；如此可使传动轴22的限位槽222相对于限位块212的转动仅在顺时针或逆时针的一个方向会发生卡止限位，另一方向转动自由。进一步地，传动轴22的限位槽222与限位块212的坡状相对应的一端也可以设计为对应的坡状。

本发明中，限位块212的两端可以设计为竖直平面，而限位槽222的其中一端设计为坡状。

本发明还提供了另一种实施方式，电机31的零点定位工作、适配器2与电机座3的适配工作可分阶段完成，即电机31的零点定位工作在电机座3上实现，适配器2与电机座3的适配工作无菌适配器2上实现。具体如下：

如图10、11所示，在电机座3的活动槽32内侧壁中部沿周向开设有设定长度的零点限位槽321，在输出轴33的侧壁上对应配合设有零点限位块333，该零点限位块333与零点限位槽321配合实现输出轴33的转动限位时，此时记录电机座3中对应电机31位置为其零点位置，并在器械座通过适配器与电机座配合对接后记录器械14相应的极限位置为器械14对应的零点位置，同时得到电机零点位置与器械14零点位置之间的角度差，且零点限位块333轴向上的长度小于适配器2与电机座3配合对位时弹簧34的压缩量；输出轴33在活动槽32内被电机31带动转动时，通过零点限位块333在零点限位槽321内的运动限位，使得电机31堵转，则记录该位置为对应的电机31零点位置。

在适配器2与电机座3配合对位时，传动轴22下压输出轴33，弹簧34被压缩，迫使输出轴33下部的零点限位块333向下位移，从而使得输出轴33的零点限位块333与活动槽32内的零点限位槽321中脱离，脱离后可正常受电机31驱动转动。

其他结构和原理与实施例1相同。本实施例中，组件装配共包括输出轴33零点定位阶段、适配器2与电机座3适配阶段、适配器2与器械座1适配阶段。输出轴33零点定位阶段，记录电机31堵转位置为对应电机31的零点位置，而适配器2与电机座3适配阶段不再记录电机31的零点位置。

进一步地，本实施例中，容纳孔21的内壁下部设置的限位块212可设计为多个(如设为2个)，相对于容纳孔21内壁的周向上均匀分布，如此可保证传动轴22转动过程中的平稳性。

本实施例中，还可以只在电机座3的活动槽32内侧壁中部对应位置设置一零点限位凸起即可，通过该零点限位凸起与零点限位块333的配合实现输出轴33的转动限位，以记录对应的零点位置。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种手术机器人器械组件，包括器械座、电机座、用于连接器械座与电机座的适配器，其特征在于：所述适配器与所述电机座之间设有电机定位组件，所述电机定位组件对所述适配器和所述电机座限位实现电机堵转，直至所述器械座、适配器、电机座三者安装完成后解除限位。

2.根据权利要求1所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述电机定位组件限位后所述适配器的传动轴和所述电机座的输出轴实现对接。

3.根据权利要求1所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述器械座上还设有器械定位组件，所述器械定位组件实现器械的转动限位。

4.根据权利要求1所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述电机座可伸缩地安装有输出轴，所述适配器活动安装有传动轴；所述电机定位组件在所述传动轴与所述输出轴对接时实现转动限位，并在所述器械座安装时所述传动轴下压所述输出轴解除限位。

5.根据权利要求4所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述电机定位组件为设置在所述适配器与所述传动轴之间的限位块和限位槽，在所述传动轴与所述输出轴对接时所述限位块和所述限位槽配合实现转动限位，在所述器械座安装时所述传动轴下压所述输出轴，所述限位块和所述限位槽脱离解除限位。

6.根据权利要求5所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述适配器上与所述器械座的输入轴对应处设置有容纳孔，所述传动轴活动安装在所述容纳孔内；在所述传动轴侧壁设置有限位块或限位槽，在所述容纳孔内壁对应位置处设置有相应的限位槽或限位块。

7.根据权利要求5所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述限位块设计为坡状。

8.根据权利要求5所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述限位槽与所述限位块的坡状相对应的一端设计为对应的坡状。

9.根据权利要求5所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述限位块的两端设计为竖直平面，所述限位槽的其中一端设计为坡状。

10.根据权利要求4所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述容纳孔的内壁上沿径向向内延伸形成有安装块，在所述传动轴的外侧壁上开设有对应配合的安装槽，所述传动轴通过其安装槽与所述安装块的配合活动安装在所述容纳孔内。

11.根据权利要求4所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述电机的电机轴上固定套设有转接件，所述输出轴下端滑动套设在所述转接件外，且其与所述转接件上端面之间通过弹簧连接。

12.根据权利要求11所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述转接件的侧壁上设有轴向设置的导槽或导轨，对应地，在所述输出轴下端内壁上设有对应的导轨或导槽，二者通过导轨与导槽配合实现所述输出轴与所述转接件之间的相对运动配合。

13.根据权利要求4所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述输出轴侧壁与所述电机座上容置所述输出轴的活动槽内壁其中之一上设有零点限位槽，另一上对应位置处设有零点限位块；通过所述零点限位槽和所述零点限位块配合实现所述输出轴的转动限位，记录此时电机位置为电机零点位置；

在所述适配器与所述电机座对接时，所述传动轴下压所述输出轴，使得所述零点限位块与所述零点限位槽脱离，解除限位。

14.根据权利要求13所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述限位块为多个，且相对于所述容纳孔内壁的周向上均匀分布。

15.根据权利要求4所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述传动轴的下端面中部开设有配位孔，在所述输出轴上端设有与所述传动轴下端面的配位孔对应配合的配位凸起。

16.根据权利要求4所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述传动轴的上下端面均设有至少一凸起，在所述器械座的输入轴和所述输出轴对应端面上设有对应配合的凹槽。

17.根据权利要求16所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述传动轴的上下端面的凸起均为两个，且对称设置。

18.根据权利要求17所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述传动轴的上端面的两个凸起连线与所述传动轴的下端面的两个凸起连线相互垂直。

19.根据权利要求1所述的手术机器人器械组件，其特征在于：在所述适配器的上下端面均设有至少一卡扣，对应地，在所述器械座的下端面和所述电机座上端面上对应设有相应的卡孔。

20.根据权利要求19所述的手术机器人器械组件，其特征在于：所述适配器的上下端面均设有四个卡扣，且对称设置。

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