CN113907887B - 旋转伸缩制动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转伸缩制动系统，包括制动齿轮，其与制动钢丝预紧轮连接，制动钢丝预紧轮上连接有循环制动钢丝，循环制动钢丝从制动钢丝预紧轮的两侧引出后与导轮组连接，实现循环制动钢丝的循环转动，循环制动钢丝穿过钢丝制动组件，由钢丝制动组件锁紧或解锁循环制动钢丝，钢丝制动组件通过第一解锁钢丝与解锁控制组件连接，解锁控制组件同时通过第二解锁钢丝与升降丝杠的制动组件连接以同步拉伸控制。本发明通过循环制动钢丝以及钢丝制动组件的配合，使旋转自由度在完成初调后能锁紧制动而避免术中松动，以及需要调整时能快速解锁，采用一键解锁的方式，便于手术人员一键操作，完成两个自由度的解锁。

Description

旋转伸缩制动系统

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别涉及一种旋转伸缩制动系统。

背景技术

微创外科手术一般也称为介入式手术，它是通过在体表切开数个细小的切口(或依靠人体天然官腔)，借助于视觉显示系统的图像引导，将手术器械通过体表切口伸入体内进行治疗或诊断而完成的手术。微创手术技术使得大部分的外科手术告别了开放式的手术模式，将机器人技术应用于医疗外科手术已经变得越来越流行，机器人在操作稳定性、快捷性和精确性方面具有显著的优势，将机器人技术融入外科手术中，可以改进医生的手术环境，缩短患者的恢复时间。

微创外科手术的机器人具有实现不同自由度动作的机械臂，机械臂的末端连接其它的多自由度执行机构以及器械。一种手术机器人初始调整机械臂如图1所示，包括垂直臂以及与垂直臂底端连接的关节。其中，垂直臂具有竖直伸缩的自由度、以及相对于中轴线旋转的自由度，这两个自由度均集成在垂直部上，通过旋转及伸缩自由度使与关节连接的下端结构进行小范围的调整，使得末端器械在初始情况实现更精准的手术定位。垂直臂初调后的位置及角度需要进行锁紧，使上述初调自由度在手术过程中固定，确保虚拟不动点的固定，防止末端的执行器械对腹壁拉扯造成额外伤害，因此需要相应的制动系统。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于手术机器人机械臂的制动系统，使机械臂调整后锁紧制动可靠，同时解锁简单顺畅，满足手术机器人的初始调整需求。

为了达到上述目的，本发明提供了一种旋转伸缩制动系统，包括制动齿轮，所述制动齿轮与制动钢丝预紧轮连接，所述制动钢丝预紧轮上连接有循环制动钢丝，所述循环制动钢丝从所述制动钢丝预紧轮的两侧引出后与导轮组连接，实现所述循环制动钢丝的循环转动，所述循环制动钢丝穿过钢丝制动组件，由所述钢丝制动组件锁紧或解锁所述循环制动钢丝，所述钢丝制动组件通过第一解锁钢丝与解锁控制组件连接，所述解锁控制组件同时通过第二解锁钢丝与升降丝杠的制动组件连接，所述解锁控制组件对所述第一解锁钢丝以及所述第二解锁钢丝同步拉伸控制。

进一步地，所述制动钢丝预紧轮以及所述导轮组均位于支撑座的上表面，所述制动齿轮与所述制动钢丝预紧轮通过连接轴连接，所述连接轴穿过所述支撑座并被所述支撑座上的轴承旋转支撑，所述导轮组包括多个与所述支撑座转动连接的制动导轮，所述制动钢丝预紧轮与所述制动导轮环绕导向轴分布。

进一步地，所述钢丝制动组件包括制动支架，所述制动支架上连接有多个钢丝制动器，所述循环制动钢丝从对应的所述钢丝制动器穿过，所述制动支架上活动连接有解锁压板，所述解锁压板切换所述钢丝制动器的锁紧或解锁状态。

进一步地，所述第一解锁钢丝的第一端与所述解锁压板固定连接，所述第一解锁钢丝的第二端与所述解锁控制组件连接。

进一步地，所述钢丝制动器包括与所述制动支架固定的制动器外壳、以及与所述解锁压板固定的解锁推杆，所述制动器外壳与所述解锁推杆分别形成有所述循环制动钢丝穿过的第一通孔和第二通孔，所述解锁推杆的第一端活动设置在所述第一通孔内，同时所述解锁推杆的第一端与所述制动器外壳通过第一锁紧弹簧连接，所述第一锁紧弹簧保持压缩状态，所述解锁推杆的侧壁形成有贯穿的锁孔，所述锁孔内活动设置有滚珠，所述滚珠的外部与所述第一通孔的孔壁滚动接触，所述滚珠的内部与第二通孔内的所述循环制动钢丝接触，所述第一通孔包括孔径不变的圆柱面以及孔径逐渐缩小的圆锥面，通过所述圆锥面驱动所述滚珠锁紧所述循环制动钢丝。

进一步地，所述解锁压板的两端分别与一所述钢丝制动器的解锁推杆固定连接，所述解锁压板的中部与所述第一解锁钢丝的第一端连接。

进一步地，所述解锁控制组件包括设置在垂直调整壳体内部的解锁支架，所述解锁支架上铰接有解锁摇臂以及固定连接有解锁气缸，所述解锁摇臂的自由端与所述解锁气缸的伸缩杆连接，所述第一解锁钢丝以及所述第二解锁钢丝的第二端均与所述解锁摇臂的自由端连接，所述解锁气缸通过气管与解锁开关连通，同时所述解锁开关通过气管与外界供气装置连通，所述解锁开关的控制按钮延伸至所述垂直调整壳体的外部。

进一步地，所述制动支架与所述解锁支架之间还连接有弹簧管，所述制动支架与所述解锁支架之间的第一解锁钢丝位于所述弹簧管内。

进一步地，所述升降丝杠的制动组件包括与所述升降丝杠通过丝杠支撑座固定连接的制动棘轮、以及铰接在垂直调整壳体顶端的解锁摇杆，所述解锁摇杆的自由端连接有锁紧塞，所述锁紧塞与所述制动棘轮的卡槽相对应，所述解锁摇杆的自由端与所述第二解锁钢丝的第一端连接，同时所述解锁摇杆的自由端与第二锁紧弹簧连接。

进一步地，所述解锁摇杆与所述解锁支架之间还布置有多个过渡导轮，所述解锁摇杆与所述解锁支架之间的第二解锁钢丝绕过各个所述过渡导轮。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的旋转伸缩制动系统，通过循环制动钢丝以及钢丝制动组件的配合，使垂直臂的旋转自由度在完成初调后能锁紧制动而避免术中松动，以及需要调整时能快速解锁，制动可靠、解锁灵活；

本发明中钢丝制动组件通过钢丝制动器对循环制动钢丝锁紧，由解锁控制组件对解锁钢丝以及解锁压板的拉伸完成解锁，钢丝制动器通过解锁推杆上的钢珠与制动器外壳上的通孔结构配合完成对循环制动钢丝的锁紧制动或解锁，锁紧/解锁可靠；

本发明中解锁控制组件采用一键解锁的方式，且解锁控制组件同时解锁控制垂直臂的旋转自由度和伸缩自由度，便于手术人员一键操作，完成两个自由度的解锁；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的导向轴与支撑座连接结构示意图；

图3为本发明的钢丝制动组件结构示意图；

图4为本发明的钢丝制动器结构示意图；

图5为本发明的解锁控制组件结构示意图；

图6为本发明的升降丝杠的制动组件结构示意图。

【附图标记说明】

1-垂直调整壳体；2-支撑座；3-导向轴；4-丝杠螺母；5-升降丝杠；6-环形凸台；7-内齿圈；8-制动齿轮；9-制动钢丝预紧轮；10-循环制动钢丝；11-第一解锁钢丝；12-解锁控制组件；13-第二解锁钢丝；14-制动导轮；15-制动支架；16-钢丝制动器；17-解锁压板；18-制动器外壳；19-解锁推杆；20-第一锁紧弹簧；21-锁孔；22-滚珠；23-圆柱面；24-圆锥面；25-解锁支架；26-解锁摇臂；27-解锁气缸；28-气管；29-解锁开关；30-弹簧管；31-丝杠支撑座；32-制动棘轮；33-解锁摇杆；34-锁紧塞；35-第二锁紧弹簧；36-过渡导轮。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明的实施例提供了一种旋转伸缩制动系统，应用于手术机器人的垂直臂。垂直臂包括垂直调整壳体1，垂直调整壳体1内活动连接有旋转升降组件，旋转升降组件的底端与关节连接，具有旋转及伸缩的自由度。旋转升降组件具体包括支撑座2和导向轴3，支撑座2上固定连接有丝杠螺母4，同时垂直调整壳体1内转动连接有升降丝杠5，升降丝杠5穿入丝杠螺母4内形成螺纹配合，升降丝杠5相对于丝杠螺母4旋转时，驱动丝杠螺母4并带动支撑座2竖直位移。导向轴3的顶端与支撑座2转动连接，随支撑座2升降而相对于垂直调整壳体1伸缩，同时相对于支撑座2以及垂直调整壳体1旋转，导向轴的底端向下延伸出垂直调整壳体1并与关节连接。导向轴3的顶端形成有环形凸台6，环形凸台6被支撑座2的推力滚针轴承旋转支撑。

环形凸台6的内部形成有内齿圈7，旋转伸缩制动系统包括与内齿圈7啮合的制动齿轮8，制动齿轮8与制动钢丝预紧轮9连接而同步旋转，制动钢丝预紧轮9上连接有循环制动钢丝10，循环制动钢丝10通过缠绕以及端部固定的方式与制动钢丝预紧轮9连接，循环制动钢丝10从制动钢丝预紧轮9的两侧引出后与导轮组连接，采用绕行导轮组并相互连接的方式，实现循环制动钢丝10的循环转动。其中，循环制动钢丝10穿过钢丝制动组件，由钢丝制动组件锁紧或解锁循环制动钢丝10，锁紧时使循环制动钢丝10无法相对于制动钢丝预紧轮9伸缩，使得制动齿轮8无法相对于内齿圈7旋转，因而导向轴3无法相对于支撑座2旋转，形成旋转自由度的锁紧制动。

其中，钢丝制动组件通过第一解锁钢丝11与解锁控制组件12连接，解锁控制组件12同时通过第二解锁钢丝13与升降丝杠5的制动组件连接，由制动组件对升降丝杠5锁紧制动，使其无法旋转，形成伸缩自由度的锁紧制动。最终，通过解锁控制组件12将上述两个自由度的解锁控制集成一体，便于垂直臂的一键解锁操作。

其中，制动钢丝预紧轮9以及导轮组均位于支撑座2的上表面，制动齿轮8与制动钢丝预紧轮9通过连接轴连为一体结构，连接轴穿过支撑座2并被支撑座2上的轴承旋转支撑。导轮组包括多个与支撑座2转动连接的制动导轮14，制动钢丝预紧轮9与制动导轮14环绕导向轴3分布，相对应地循环制动钢丝10位于支撑座2上表面并包绕导向轴分布，提升结构布置的紧凑性。

钢丝制动组件包括制动支架15，制动支架15上连接有多个钢丝制动器16，循环制动钢丝10从对应的钢丝制动器16穿过，本实施例中制动支架15靠近其中一个制动导轮14的位置，使其引出的两段循环制动钢丝10穿过制动支架15上的钢丝制动器16。同时，制动支架15上活动连接有解锁压板17，解锁压板17切换钢丝制动器16的锁紧或解锁状态，对穿过的循环制动钢丝10锁紧或解锁。其中，第一解锁钢丝11的第一端与解锁压板17固定连接，第一解锁钢丝11的第二端与解锁控制组件12连接，在解锁控制组件12作用下，第一解锁钢丝11对解锁压板17产生作用，使解锁压板17切换钢丝制动器16的状态。

同时如图4所示，钢丝制动器16包括与制动支架15固定的制动器外壳18、以及第二端与解锁压板17固定的解锁推杆19，制动器外壳18与解锁推杆19分别形成有循环制动钢丝10穿过的第一通孔和第二通孔，解锁推杆19的第一端活动设置在第一通孔内，同时解锁推杆19的第一端与制动器外壳18通过第一锁紧弹簧20连接。解锁推杆19的侧壁形成有贯穿的锁孔21，锁孔21内设置有能自由滚动的滚珠22，滚珠22的外部与第一通孔的孔壁滚动接触，滚珠22的内部与第二通孔内的循环制动钢丝10接触。相对应地，第一通孔包括孔径不变的圆柱面23以及孔径逐渐缩小的圆锥面24。

其中，第一锁紧弹簧20是保持压缩状态的，解锁推杆19未被解锁压板17向内推动时，在第一锁紧弹簧20的弹性力作用下靠近第一通孔的第二端，滚珠22的外部与圆锥面24滚动接触，在圆锥面24孔径变小的情况下滚珠22向内挤压，将第二通孔内的循环制动钢丝10压紧，使循环制动钢丝10无法沿第二通孔或第一通孔自由滑动，形成锁紧状态。而术前需要初调自由度时，解锁控制组件12对第一解锁钢丝11拉伸，使解锁压板17推动解锁推杆19向第一通孔的第一端移动，克服第一锁紧弹簧20弹力做功，使得锁孔21以及滚珠22逐渐位于第一通孔的圆柱面23位置。由于圆柱面23的内径较大，因此滚珠22不再受挤压力，滚珠22内部仍与循环制动钢丝10滚动接触但不再对其锁紧，完成了循环制动钢丝10的解锁。当然圆柱面23的内径也不会超过范围，导致滚珠22从锁孔21内完全移出。解锁并初调垂直臂位置后，切换解锁控制组件12状态而不再对第一解锁钢丝11拉伸，因而解锁压板17不再受第一解锁钢丝11拉力，解锁推杆19在第一锁紧弹簧20作用下再次向第一通孔的第二端移动，推动解锁压板17远离制动支架15，滚珠22将循环制动钢丝10锁紧而完成垂直臂旋转自由度的锁紧制动。

其中，解锁压板17的两端分别与一钢丝制动器16的解锁推杆19固定连接，解锁压板17的中部与第一解锁钢丝11的第一端连接，由单块解锁压板17同步完成两个钢丝控制器16的解锁。

为提升术前初调操作的便捷性，本实施例中的解锁控制组件12采用一键解锁的方式。具体如图5所示，解锁控制组件12包括设置在垂直调整壳体1内部的解锁支架25，解锁支架25上铰接有解锁摇臂26以及固定连接有解锁气缸27，解锁摇臂26的自由端与解锁气缸27的伸缩杆连接，由解锁气缸27驱动解锁摇臂26绕铰接点的旋转动作。其中，第一解锁钢丝11以及第二解锁钢丝13的第二端均与解锁摇臂26的自由端连接，解锁摇臂26转动时对第一解锁钢丝11以及第二解锁钢丝13拉伸，使其第一端被拉伸而完成解锁动作。解锁气缸27通过气管28与解锁开关29连通，同时解锁开关29通过气管28与外界供气装置连通，由解锁开关29控制解锁气缸27的进气与排气过程。优选地，解锁开关29的控制按钮延伸至垂直调整壳体1的外部，便于手术人员一键操作，完成两个自由度的解锁。

作为进一步改进，制动支架15与解锁支架25之间还连接有弹簧管30，制动支架15与解锁支架25之间的第一解锁钢丝11位于弹簧管30内。通过弹簧管30的设置，使制动支架15与解锁支架25之间的第一解锁钢丝11行程确定，不会由于第一解锁钢丝11的拉伸、弯曲变形等发生改变，保证第一解锁钢丝11在解锁滑动过程中位于弹簧管30内部的长度不会变化。当解锁摇臂26带动第一解锁钢丝11的第二端移动一段距离产生拉伸时，第一解锁钢丝11的第一端也移动了相同距离，确保解锁控制的准确性。

同时如图6所示，升降丝杠5的制动组件包括与升降丝杠5通过丝杠支撑座31固定连接的制动棘轮32、以及铰接在垂直调整壳体1顶端的解锁摇杆33。其中，解锁摇杆33的自由端连接有锁紧塞34，锁紧塞34与制动棘轮32外缘上的卡槽相对应。解锁摇杆33的自由端与第二解锁钢丝13的第一端连接，同时解锁摇杆33的自由端与第二锁紧弹簧35连接。第二锁紧弹簧35保持压缩状态，当第二解锁钢丝13未对解锁摇杆33作用时第二锁紧弹簧35驱动解锁摇杆33绕铰接点旋转，使锁紧塞34卡入制动棘轮32的卡槽中，使得制动棘轮32无法旋转，完成升降丝杠5、即垂直臂升降自由度的锁紧制动。而解锁控制组件12拉动第二解锁钢丝13时，第二解锁钢丝13驱动解锁摇杆33反向旋转，将第二锁紧弹簧35压缩的同时使锁紧塞34从卡槽中退出，因此制动棘轮32可以自由旋转，完成垂直臂升降自由度的解锁。

本实施例中解锁摇杆33与解锁支架25之间不再设置弹簧管30，而通过多个过渡导轮36对第二解锁钢丝13导向，使第二解锁钢丝13维持预设的形式移动，同样能确保解锁控制的准确性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转伸缩制动系统，其特征在于，包括垂直调整壳体，垂直调整壳体内活动连接有旋转升降组件，旋转升降组件的底端与关节连接，具有旋转及伸缩的自由度，旋转升降组件包括支撑座和导向轴，支撑座上固定连接有丝杠螺母，同时垂直调整壳体内转动连接有升降丝杠，升降丝杠穿入丝杠螺母内形成螺纹配合，升降丝杠相对于丝杠螺母旋转时，驱动丝杠螺母并带动支撑座竖直位移；导向轴的顶端与支撑座转动连接，随支撑座升降而相对于垂直调整壳体伸缩，同时相对于支撑座以及垂直调整壳体旋转，导向轴的底端向下延伸出垂直调整壳体并与关节连接；导向轴的顶端形成有环形凸台，环形凸台被支撑座的推力滚针轴承旋转支撑；

环形凸台的内部形成有内齿圈，还包括与所述内齿圈啮合的制动齿轮，所述制动齿轮与制动钢丝预紧轮连接而同步旋转，所述制动钢丝预紧轮上连接有循环制动钢丝，所述循环制动钢丝从所述制动钢丝预紧轮的两侧引出后与导轮组连接，实现所述循环制动钢丝的循环转动，所述循环制动钢丝穿过钢丝制动组件，由所述钢丝制动组件锁紧或解锁所述循环制动钢丝，所述钢丝制动组件通过第一解锁钢丝与解锁控制组件连接，所述解锁控制组件同时通过第二解锁钢丝与升降丝杠的制动组件连接，所述解锁控制组件对所述第一解锁钢丝以及所述第二解锁钢丝同步拉伸控制；所述钢丝制动组件包括制动支架，所述制动支架上连接有多个钢丝制动器，所述循环制动钢丝从对应的所述钢丝制动器穿过，所述制动支架上活动连接有解锁压板，所述解锁压板切换所述钢丝制动器的锁紧或解锁状态；

所述第一解锁钢丝的第一端与所述解锁压板固定连接，所述第一解锁钢丝的第二端与所述解锁控制组件连接。

2.根据权利要求1所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述制动钢丝预紧轮以及所述导轮组均位于支撑座的上表面，所述制动齿轮与所述制动钢丝预紧轮通过连接轴连接，所述连接轴穿过所述支撑座并被所述支撑座上的轴承旋转支撑，所述导轮组包括多个与所述支撑座转动连接的制动导轮，所述制动钢丝预紧轮与所述制动导轮环绕导向轴分布。

3.根据权利要求1所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述钢丝制动器包括与所述制动支架固定的制动器外壳、以及与所述解锁压板固定的解锁推杆，所述制动器外壳与所述解锁推杆分别形成有所述循环制动钢丝穿过的第一通孔和第二通孔，所述解锁推杆的第一端活动设置在所述第一通孔内，同时所述解锁推杆的第一端与所述制动器外壳通过第一锁紧弹簧连接，所述第一锁紧弹簧保持压缩状态，所述解锁推杆的侧壁形成有贯穿的锁孔，所述锁孔内活动设置有滚珠，所述滚珠的外部与所述第一通孔的孔壁滚动接触，所述滚珠的内部与第二通孔内的所述循环制动钢丝接触，所述第一通孔包括孔径不变的圆柱面以及孔径逐渐缩小的圆锥面，通过所述圆锥面驱动所述滚珠锁紧所述循环制动钢丝。

4.根据权利要求3所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述解锁压板的两端分别与一所述钢丝制动器的解锁推杆固定连接，所述解锁压板的中部与所述第一解锁钢丝的第一端连接。

5.根据权利要求1所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述解锁控制组件包括设置在垂直调整壳体内部的解锁支架，所述解锁支架上铰接有解锁摇臂以及固定连接有解锁气缸，所述解锁摇臂的自由端与所述解锁气缸的伸缩杆连接，所述第一解锁钢丝以及所述第二解锁钢丝的第二端均与所述解锁摇臂的自由端连接，所述解锁气缸通过气管与解锁开关连通，同时所述解锁开关通过气管与外界供气装置连通，所述解锁开关的控制按钮延伸至所述垂直调整壳体的外部。

6.根据权利要求5所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述制动支架与所述解锁支架之间还连接有弹簧管，所述制动支架与所述解锁支架之间的第一解锁钢丝位于所述弹簧管内。

7.根据权利要求5所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述升降丝杠的制动组件包括与所述升降丝杠通过丝杠支撑座固定连接的制动棘轮、以及铰接在垂直调整壳体顶端的解锁摇杆，所述解锁摇杆的自由端连接有锁紧塞，所述锁紧塞与所述制动棘轮的卡槽相对应，所述解锁摇杆的自由端与所述第二解锁钢丝的第一端连接，同时所述解锁摇杆的自由端与第二锁紧弹簧连接。

8.根据权利要求7所述的旋转伸缩制动系统，其特征在于，所述解锁摇杆与所述解锁支架之间还布置有多个过渡导轮，所述解锁摇杆与所述解锁支架之间的第二解锁钢丝绕过各个所述过渡导轮。