CN114652451A

CN114652451A - 器械臂驱动装置及使用其的器械臂

Info

Publication number: CN114652451A
Application number: CN202210424628.9A
Authority: CN
Inventors: 王树新; 王佳童; 赵建厂
Original assignee: Institute Of Medical Robot And Intelligent System Tianjin University
Current assignee: Institute Of Medical Robot And Intelligent System Tianjin University
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2022-06-24

Abstract

本公开提供一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂，其器械臂驱动装置，包括：第一驱动部、第二驱动部、第一传动齿轮、第一驱动轴、第二传动齿轮和第二驱动轴；第一传动齿轮与第一驱动部的驱动端相连；第一传动齿轮套设在第一驱动轴上；第二传动齿轮与第二驱动部的驱动端相连，且第二传动齿轮与第一传动齿轮同轴设置；第二传动齿轮套设在第二驱动轴上。

Description

器械臂驱动装置及使用其的器械臂

技术领域

本公开涉及器械臂技术领域，尤其涉及一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂。

背景技术

目前，具有不动点的手术机器人从端器械臂，在其手术工具导管轴向方向上设置有用于传递运动的连杆组件，为避免运动过程中组件与辅助手术器械或病人发生干涉，须将组件各连杆长度增大，进而增大了器械臂体积。手术机器人器械臂可视为悬臂梁结构，当其结构中各连杆长度增大，器械臂运动惯量也会随之增加，各构件运动过程中弹性变形量也会增加，进而手术工具末端重复定位精度降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂，以缓解现有技术中手术工具末端重复定位精度降低等技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种器械臂驱动装置，包括：

第一驱动部和第二驱动部；

第一传动齿轮，与所述第一驱动部的驱动端相连；

第一驱动轴，所述第一传动齿轮套设在所述第一驱动轴上；

第二传动齿轮，与所述第二驱动部的驱动端相连，且所述第二传动齿轮与所述第一传动齿轮同轴设置；以及

第二驱动轴，所述第二传动齿轮套设在所述第二驱动轴上。

在本公开的一些实施例中，所述第一驱动部包括：

第一驱动电机；以及

第一主动齿轮，与所述第一驱动电机的输出端连接，且所述第一主动齿轮与所述第一传动齿轮相啮合；

所述第二驱动部包括：

第二驱动电机；以及

第二主动齿轮，与所述第二驱动电机的输出端连接，且所述第二主动齿轮与所述第二传动齿轮相啮合。

在本公开的一些实施例中，还包括：

安装座，与从操作端连接；所述第一驱动电机安装在所述安装座的一外侧端面；所述第二驱动电机安装在所述安装座的另一外侧端面。

在本公开的一些实施例中，所述第一驱动轴为空心轴，所述第一驱动轴套设与所述第二驱动轴上。

根据本公开的另一个方面，提供了一种器械臂，用于手术机器人的从操作端，所述器械臂包括：

连接部，为可伸缩结构，包括主动端与从动端；

如上文所述的器械臂驱动装置；

第一驱动杆，所述第一驱动杆一端与所述第一驱动轴同轴连接，所述第一驱动杆另一端与所述连接部主动端连接；

第二驱动杆，所述第二驱动杆一端与所述第二驱动轴同轴连接；所述第二驱动杆另一端与所述连接部主动端连接；以及

远端执行部，所述远端执行部一端与所述连接部从动端连接，所述远端执行部另一端与执行机构连接；

所述器械臂驱动装置通过所述第一驱动杆和所述第二驱动杆驱动所述连接部沿一球面伸缩和/或摆动，且使得所述执行机构始终指向所述球面对应的球心。

在本公开的一些实施例中，所述第一驱动轴通过法兰与所述第一驱动杆上远离所述第二驱动杆一侧的端面固定连接；所述第二驱动轴通过法兰与所述第二驱动杆上远离所述第一驱动杆一侧的端面固定连接。

在本公开的一些实施例中，还包括：

辅助臂，所述辅助臂一端与所述连接部下方铰接，所述辅助臂另一端与所述远端执行部固接。

在本公开的一些实施例中，所述辅助臂包括：

被动伸缩臂，所述被动伸缩臂一端与所述远端执行部连接；以及

铰接连杆，所述铰接连杆一端与所述被动伸缩臂另一端铰接，所述铰接连杆另一端与所述连接部下方铰接。

在本公开的一些实施例中，所述连接部包括：

至少一个第一球面连接组件，所述第一球面连接组件一端与所述控制部的两个所述驱动杆分别通过两个转动副部件枢接；以及

第二球面连接组件，所述第二球面连接组件一端与所述第一球面连接组件另一端通过两个所述转动副部件枢接，所述第二球面连接组件另一端与所述远端执行部通过一个所述转动副部件枢接。

在本公开的一些实施例中，所述第一球面连接组件包括：

第一球面连杆，所述第一球面连杆一端与所述第一驱动杆通过一个所述转动副部件枢接；以及

第二球面连杆，所述第二球面连杆一端与所述第二驱动杆通过一个所述转动副部件枢接，且所述第一球面连杆中部与所述第二球面连杆中部通过一个所述转动副部件枢接。

在本公开的一些实施例中，所述第二球面连接组件包括：

第三球面连杆，所述第三球面连杆一端与所述第一球面连杆另一端通过一个所述转动副部件枢接；以及

第四球面连杆，所述第四球面连杆一端与所述第二球面连杆另一端通过一个所述转动副部件枢接；

所述第三球面连杆另一端和所述第四球面连杆另一端与所述远端执行部通过一个所述转动副部件枢接。

在本公开的一些实施例中，所述第一球面连杆的曲率半径等于或大于所述第二球面连杆的曲率半径；所述第四球面连杆的曲率半径等于或大于所述第三球面连杆的曲率半径。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的器械臂驱动装置通过驱动第一驱动杆和第二驱动杆带动球面可展结构，围绕空间一点做2自由度运动，并通过调整从操作臂的被动臂位姿，可对不动点空间位置进行调整，以适应不同手术的操作需求。

(2)本公开提供的器械臂在连接部下方设置有辅助臂，以提高球面可展结构刚度和承载能力。

(3)本公开提供的器械臂的第一驱动杆和第二驱动杆的转轴重合设置，使器械臂驱动装置的结构更加紧凑，减小手术其机器人体积。

附图说明

图1为本公开实施例器械臂的结构示意图。

图2为本公开实施例器械臂另一角度的结构示意图。

图3为本公开实施例器械臂的控制部的结构示意图。

图4为图3的爆炸结构示意图。

图5为图3中第一驱动电机至第一驱动杆的传动结构示意图。

图6为图3中第二驱动电机至第二驱动杆的传动结构示意图。

图7为本公开实施例应用于器械臂的机器人从操作端示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂，其器械臂驱动装置，包括：第一驱动部、第二驱动部、第一传动齿轮、第一驱动轴、第二传动齿轮和第二驱动轴；第一传动齿轮与第一驱动部的驱动端相连；第一传动齿轮套设在第一驱动轴上；第二传动齿轮与第二驱动部的驱动端相连，且第二传动齿轮与第一传动齿轮同轴设置；第二传动齿轮套设在第二驱动轴上。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开实施例中，提供了一种器械臂，包括：连接部、器械臂驱动装置、第一驱动杆、第二驱动杆和远端执行部，连接部为可伸缩结构，包括主动端与从动端；控制部的两个驱动杆分别与连接部主动端连接，控制部另一端与从操作端连接；远端执行部一端与连接部从动端连接，远端执行部另一端与执行机构连接；控制部控制连接部沿一球面伸缩和/或摆动，且使得执行机构始终指向球面对应的球心。

关于控制部进行详细说明，在本实施例中控制部包括：驱动装置101、第一驱动杆105和第二驱动杆106。驱动装置101上安装有第一驱动杆105和第二驱动杆106，用于控制器械臂L01的空间2自由度运动。所述第一驱动杆105和第二驱动杆106的转轴重合设置，其目的在于使驱动装置101结构更加紧凑，减小手术其机器人体积。

关于连接部进行详细说明，在本实施例中连接部包括多个第一球面连接组件和第二球面连接组件。多个第一球面连接组件和第二球面连接组件组合构成球面可展结构。多个第一球面连接组件中位于前端的第一球面连接组件作为主动端与控制部连接，位于末端的第一球面连接组件与第二球面连接组件连接。第二球面连接组件作为从动端安装有器械座104。

第一球面连接组件包括两个球面连杆102和与两个球面连杆102中部枢接的转动副部件103，两个球面连杆102的两端分别与相邻的第一球面连接组件中球面连杆102枢接，或与第一驱动杆105、第二驱动杆106枢接。结合附图1、2所示，与第一驱动杆105通过转动副部件103连接的球面连杆102作为第一球面连杆，与第二驱动杆106通过转动副部件103连接的球面连杆102作为第二球面连杆，第一球面连杆中部与第二球面连杆中部通过一个转动副部件103枢接。一般地，第一球面连杆的曲率半径等于或大于所述第二球面连杆的曲率半径。

第二球面连接组件包括两个球面连杆102，球面连杆102仅两端与相邻的第一球面连接组件中球面连杆102以及枢接所述远端执行部。结合附图1、2所示，与第一球面连杆通过转动副部件103连接的球面连杆102作为第三球面连杆，与第二球面连杆通过转动副部件103连接的球面连杆102作为第四球面连杆，第三球面连杆和第四球面连杆的末端同样作为球面可展结构的末端安装有器械座104。一般地，所述第四球面连杆的曲率半径等于或大于所述第三球面连杆的曲率半径。

对照图2，在所述球面可展结构下方设置有辅助臂107，用于提高球面可展结构刚度和承载能力。所述辅助臂107包括：被动伸缩臂108和铰接连杆109。铰接连杆109一端铰接安装在球面连杆102任一交叉连接处的转动副部件103下方，被动伸缩臂108一端固定安装在器械座104上，且被动伸缩臂108与连接部安装在器械座104同侧，被动伸缩臂108与铰接连杆109之间铰接连接。当连接部做空间2自由度运动时，辅助臂107可跟随可展结构的运动做被动运动。

本公开实施例提供了一种器械臂驱动装置，包括：第一驱动部、第二驱动部、第一传动齿轮、第一驱动轴、第二传动齿轮和第二驱动轴；第一传动齿轮与第一驱动部的驱动端相连；第一传动齿轮套设在第一驱动轴上；第二传动齿轮与第二驱动部的驱动端相连，且第二传动齿轮与第一传动齿轮同轴设置；第二传动齿轮套设在第二驱动轴上。其中，所述第一驱动部包括：第一驱动电机和第一主动齿轮。第一主动齿轮与所述第一驱动电机的输出端连接，且所述第一主动齿轮与所述第一传动齿轮相啮合。所述第二驱动部包括：第二驱动电机和第二主动齿轮。第二主动齿轮与所述第二驱动电机的输出端连接，且所述第二主动齿轮与所述第二传动齿轮相啮合。

下面对照附图对器械臂驱动装置101进行详细说明。图3为本公开实施例器械臂的控制部的结构示意图。如图3所示，所述器械臂驱动装置101包括：安装座101a、驱动电机、传动齿轮、驱动轴等。所述安装座101a用于安置器械臂驱动装置101内零部件。

对照图4，第一驱动杆105与第二驱动杆106的回转轴线重合设置。第一驱动轴101b用于驱动第一驱动杆105转动，所述第一驱动轴101b一端设置的法兰101c安装在第一驱动杆105上方，第一驱动轴101b回转轴线与第一驱动杆105转动轴线重合设置，第一传动齿轮101d套装在第一驱动轴101b上端面，第一驱动电机101e固定安装在安装座101a外侧端面，其输出轴上安装的第一主动齿轮101f与第一传动齿轮101d啮合，第一主动齿轮101f转动可带动第一传动齿轮101d、第一驱动轴101b、第一驱动杆105转动，如图5所示。

第二驱动轴101g用于驱动第二驱动杆106转动，所述第二驱动轴101g一端设置的法兰101h安装在第二驱动杆106下方，第二驱动轴101g回转轴线与第二驱动杆106转动轴线重合设置，第一驱动轴101b为空心轴，第二驱动轴101g另一端穿过第一驱动杆105、第一驱动轴101b、第一传动齿轮101d，第二传动齿轮101i套装在第二驱动轴101g上端面，第二驱动电机101j固定安装在安装座101a外侧端面，其输出轴上安装的第二主动齿轮101k与第二传动齿轮101i啮合，第二主动齿轮101k转动可带动第二传动齿轮101i、第二驱动轴101g、第二驱动杆106转动，如图6所示。

在本公开实施例中，还提供一种使用上述器械臂的从操作端。图7为本公开实施例应用于器械臂的机器人从操作端示意图。如图7所示，所述从操作端设置有可展的器械臂，用于连接手术器械与机器人主体，可展器械臂L01的包括球面可展结构，可围绕空间一点即不动点做2自由度运动。在手术实施前，通过调整从操作臂的被动臂位姿，可对不动点空间位置进行调整，以适应不同手术的操作需求。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种器械臂驱动装置及使用其的器械臂，本公开提供的器械臂驱动装置通过驱动第一驱动杆和第二驱动杆带动球面可展结构，围绕空间一点做2自由度运动，并通过调整从操作臂的被动臂位姿，可对不动点空间位置进行调整，以适应不同手术的操作需求。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种器械臂驱动装置，包括：

第一驱动部和第二驱动部；

第一传动齿轮，与所述第一驱动部的驱动端相连；

第一驱动轴，所述第一传动齿轮套设在所述第一驱动轴上；

第二驱动轴，所述第二传动齿轮套设在所述第二驱动轴上。

2.根据权利要求1所述的器械臂驱动装置，其中，

所述第一驱动部包括：

第一驱动电机；以及

所述第二驱动部包括：

第二驱动电机；以及

3.根据权利要求2所述的器械臂驱动装置，还包括：

4.根据权利要求1所述的器械臂驱动装置，其中，所述第一驱动轴为空心轴，所述第一驱动轴套设与所述第二驱动轴上。

5.一种器械臂，用于手术机器人的从操作端，所述器械臂包括：

连接部，为可伸缩结构，包括主动端与从动端；

如权利要求1至4中任一项所述的器械臂驱动装置；

6.根据权利要求5所述的器械臂，其中，所述第一驱动轴通过法兰与所述第一驱动杆上远离所述第二驱动杆一侧的端面固定连接；所述第二驱动轴通过法兰与所述第二驱动杆上远离所述第一驱动杆一侧的端面固定连接。

7.根据权利要求5所述的器械臂，还包括：

8.根据权利要求7所述的器械臂，其中，所述辅助臂包括：

9.根据权利要求5至8中任一项所述的器械臂，其中，所述连接部包括：

10.根据权利要求9所述的器械臂，其中，所述第一球面连接组件包括：

11.根据权利要求10所述的器械臂，其中，所述第二球面连接组件包括：

12.根据权利要求11所述的器械臂，其中，所述第一球面连杆的曲率半径等于或大于所述第二球面连杆的曲率半径；所述第四球面连杆的曲率半径等于或大于所述第三球面连杆的曲率半径。