CN114668511A - 手术机器人及大扭矩机器人关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大扭矩机器人关节模组，其具有电机，电机内设置电机转子及传动轴，传动轴为空心传动轴，空心传动轴支撑电机转子的部分，设置沿其径向向外伸出的转子支撑凸台；空心传动轴轴向的两端分别设置第一支撑轴承和第二支撑轴承，电机定子轴向的两端分别设置第一壳体和第二壳体，第一支撑轴承位于第一壳体的内圈，第二支撑轴承位于第二壳体的内圈。传动轴通过其转子支撑凸台支撑转子，传动轴的支撑外径增加，对应转子自重降低，降低转子的转动惯量，使得关节模组的可控制性提高，关节模组获得更大的调速调扭空间。本发明还提供了一种手术机器人。

Description

手术机器人及大扭矩机器人关节模组

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，更具体地说，涉及一种手术机器人及大扭矩机器人关节模组。

背景技术

利用手术机器人进行微创手术具有创口小、并发症少、术后恢复快等优势。外科医生通过操纵主手和主手操作柄，控制从手的运动,从手机械臂控制精确性对手术起着重要的作用，而关节模组是整个机械臂的动力和控制核心。而其动力性、其扭矩的可调范围是关节模组最重要的指标之一。

现有的关节模组存在关节模组扭矩小，结构笨重，转子转动惯量大、控制性差等缺点。对机器人的关节模组而言，产品的使用寿命和稳定性是重要的质量指标，关节模组结构多样性和更大的调速调扭空间将会为其技术应用提供更多的可能性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大扭矩机器人关节模组，以提高关节模组的工作性能；本发明还提供了一种手术机器人。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大扭矩机器人关节模组，其具有电机，所述电机内设置电机转子及传动轴，所述传动轴为空心传动轴，所述空心传动轴支撑所述电机转子的部分，设置沿其径向向外伸出的转子支撑凸台；

所述空心传动轴轴向的两端分别设置第一支撑轴承和第二支撑轴承，所述电机定子轴向的两端分别设置第一壳体和第二壳体，所述第一支撑轴承位于所述第一壳体的内圈，所述第二支撑轴承位于所述第二壳体的内圈。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述空心传动轴包括拼接配合的传动轴输入端和传动轴输出端，所述传动轴输入端和所述传动轴输出端围成所述空心传动轴的空心内腔，所述转子支撑凸台设于所述传动轴输入端的外端面上。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述传动轴输入端设置支撑所述电机转子的外套筒，所述传动轴输出端设置与所述外套筒插装并同心配合的内套筒，所述外套筒和所述内套筒沿径向抱紧配合形成所述转子支撑凸台，所述外套筒和所述内套筒沿轴向设置螺钉锁紧组件。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述空心传动轴的空心内腔内设置输出法兰的空心长轴，所述传动轴输出端设置台阶孔，所述台阶孔和所述空心长轴之间套装有第一油封密封环。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述电机的外周设置外壳，所述第一壳体为固装于所述外壳内圈的轴承套，所述轴承套的内圈设置安装所述第一支撑轴承的第一轴承安装孔，所述第二壳体为所述外壳沿径向伸出的外壳侧壁，所述外壳侧壁的内圈设置安装所述第二支撑轴承的第二轴承安装孔。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述轴承套的内圈还设置第二油封密封环，所述第二油封密封环对所述第一支撑轴承和所述减速机润滑腔室进行密封。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述传动轴输出端设置减速机，所述减速机内设置波发生器，所述传动轴输出端设置台阶传动部，所述波发生器键传动的安装在所述台阶传动部上，所述台阶传动部的端部设置对所述波发生器的轴向窜动进行限位的卡簧；

所述减速机的外圈设置关节模组中壳，所述中壳固装于所述外壳上。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述外壳内设置对所述轴承套的轴向装入进行外圈限位的可拆式座孔，所述中壳的法兰安装盘装入所述可拆式座孔内，所述法兰安装盘的侧壁面上布置多个圆柱形槽，所述圆柱型槽内具有对所述轴承套的轴向端面进行压紧的压紧弹簧，和填充于所述压紧弹簧内圈的圆柱填充柱。

优选地，在上述大扭矩机器人关节模组中，所述关节模组输出端设置扭矩传感器，所述传动轴输入端的端部固装刹车抱闸，所述刹车抱闸上固装编码器码盘，所述外壳上固装与所述编码器码盘配合的编码器读头。

一种手术机器人，包括传动配合的多个臂件，和设于相邻的所述臂件之间的关节模组，所述关节模组为如上任意一项所述的大扭矩机器人关节模组。

本发明提供的大扭矩机器人关节模组，其具有电机，电机内设置电机转子及传动轴，传动轴为空心传动轴，空心传动轴支撑电机转子的部分，设置沿其径向向外伸出的转子支撑凸台；空心传动轴轴向的两端分别设置第一支撑轴承和第二支撑轴承，电机定子轴向的两端分别设置第一壳体和第二壳体，第一支撑轴承位于第一壳体的内圈，第二支撑轴承位于第二壳体的内圈。传动轴通过其转子支撑凸台支撑转子，传动轴的支撑外径增加，对应转子自重降低，降低转子的转动惯量，使得关节模组的可控制性提高，关节模组获得更大的调速调扭空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的大扭矩机器人关节模组的外部结构示意图；

图2为本发明提供的大扭矩机器人关节模组的剖视图。

具体实施方式

本发明公开了一种大扭矩机器人关节模组，提高了关节模组的工作性能；本发明还提供了一种手术机器人。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

如图1和图2所示，图1为本发明提供的大扭矩机器人关节模组的外部结构示意图；图2为本发明提供的大扭矩机器人关节模组的剖视图。

本实施例提供了一种大扭矩机器人关节模组，其具有电机，电机内设置电机转子及传动轴，传动轴为空心传动轴，空心传动轴支撑电机转子的部分，设置沿其径向向外伸出的转子支撑凸台；空心传动轴轴向的两端分别设置第一支撑轴承7和第二支撑轴承71，电机定子轴向的两端分别设置第一壳体和第二壳体，第一支撑轴承7位于第一壳体的内圈，第二支撑轴承71位于第二壳体的内圈。传动轴通过其转子支撑凸台支撑转子，传动轴的支撑外径增加，对应转子自重降低，降低转子的转动惯量，使得关节模组的可控制性提高，关节模组获得更大的调速调扭空间。

在本案一具体实施例中，空心传动轴包括拼接配合的传动轴输入端1和传动轴输出端2，传动轴输入端1和传动轴输出端2围成空心传动轴的空心内腔，转子支撑凸台设于传动轴输入端1的外端面上。

传动轴分为两部分，由传动轴输入端1与传动轴输出端2两部分组成。两部分利用螺钉或销钉连接固定，且在同心配合后进行整体进行精加工，以此保证良好的同轴度。

传动轴一优选结构中，传动轴输入端1设置支撑电机转子的外套筒，传动轴输出端1设置与外套筒插装并同心配合的内套筒，外套筒和内套筒沿径向抱紧配合形成转子支撑凸台，外套筒和内套筒沿轴向设置螺钉锁紧组件。

在本案一具体实施例中，空心传动轴的空心内腔内设置输出法兰13的空心长轴，传动轴输出端2的内圈设置台阶孔，台阶孔和空心长轴之间套装有第一油封密封环3。在传动轴输出端2内圈设置一个第一油封密封环3，该第一油封密封环3依靠传动轴输出端2内部的台阶孔安装和定位，形成既能传递动力，在节省空间的情况下具备密封作用的结构。

在本案一具体实施例中，电机的外周设置外壳9，第一壳体为固装于外壳9内圈的轴承套4，轴承套4的内圈设置安装第一支撑轴承7的第一轴承安装孔，第二壳体为外壳9沿径向伸出的外壳侧壁，外壳侧壁的内圈设置安装第二支撑轴承71的第二轴承安装孔。通过设置拼接配合的传动轴，其内的空心结构使得其转动惯量降低，将第一支撑轴承7采用与轴承套4装配的方式进行安装，缩小了第一支撑轴承7的尺寸，第一支撑轴承7通过轴承套4间接连接到外壳9，第一支撑轴承7采用较小的轴径，由轴承内圈对传动轴进行支撑，传动轴获得较小的转动半径，降低了传动轴转动惯量，可有效提高电机响应速度，增强电机的控制性能。

在本案一具体实施例中，轴承套4的内圈还设置第二油封密封环26，第二油封密封环26实现对第一支撑轴承7和减速机润滑腔室进行密封。第一支撑轴承7采用轴承套4的支撑结构，第一支撑轴承7的左侧为减速机，右侧为电机的转子腔，在轴承套4靠近电机的一侧设置第二油封密封环26，对应的，可通过在轴承套4上加工安装第二油封密封环26的孔，保证第二油封密封环26的结构安装稳定性。减速机内部为减速机润滑器室，连通至第一支撑轴承7的左侧，第二油封密封环26实现了对减速机润滑腔室的密封，也实现对第一支撑轴承7的轴向密封。

在本案一具体实施例中，传动轴输出端2设置减速机，减速机内设有波发生器17，传动轴输出端2设有台阶传动部，波发生器17键传动安装在台阶传动部上，台阶传动部的端部设置对波发生器17的轴向窜动进行限位的卡簧16。传动轴输出端2通过平键15与波发生器17连接，轴向由卡簧16定位，此方式传动有较高的刚性，平键15能传递较大的扭矩，其布置在台阶传动部的平键安装槽内。

现有电机设计和模组设计，有预紧结构的，普遍采用电机预紧碟簧，预紧碟簧需要布置在两个配合面的中间，轴向需要占用额外的空间。对于追求小尺寸的手术机器人模组而言，是较大的缺点。

在本案一具体实施例中，外壳9内设置对轴承套4的轴向装入进行外圈限位的可拆式座孔，减速机外圈设有关节模组中壳91，中壳91固装在外壳9上，中壳91的法兰安装盘一侧装入可拆式座孔，法兰安装盘的侧壁面上布置多个圆柱形槽，圆柱形槽内设有对轴承套4的轴向端面进行压紧的压紧弹簧5，和填充于压紧弹簧5内圈的圆形填充柱6。

为结构的简化和安装便捷，轴承支撑系统通常为浮动式交叉定位系统，而大载荷下，模组存在较大的轴向力。本实施例采用弹簧限位设计，以压紧整个轴承系统，提高其传动刚性、提高回转精度，防止轴向窜动作用。

具体地，电机定子轴向安装会留下一定的安装间隙，利用外壳9上的可拆式座孔，轴承套4装入后与电机定子相对布置，后装入中壳91，由中壳91的法兰安装盘结构对轴承套4进行压紧，并在法兰安装盘上设置压紧结构，压紧结构包括对轴承套4的侧端面压紧的压紧弹簧5，弹簧5绕法兰安装盘圆周一圈布置，从而对轴承套4起到整体压紧的作用，消除转配间隙、减少轴向窜动。

同时，弹簧5对轴承套4为非刚性压紧结构，弹簧5弹力大小可采用预定的压紧值，可以抵消热胀的轴伸长和补偿冷缩轴缩短的影响。

具体布置时，在中壳91的法兰安装盘侧壁面上开设多个圆柱形槽，每一个圆柱形槽里面放置一个圆形填充柱6和弹簧5，圆形填充柱6对弹簧5进行导向支撑，依靠弹簧5的弹性对轴承套4起到压紧作用，同时，圆形填充柱6可防止润滑油脂离心运动甩到安装弹簧5的圆柱形槽的槽孔内，造成减速机润滑脂量减少。弹簧5压紧力作用在轴承套4侧面，而轴承套4装入外壳9的内侧设置限位台阶14，该限位台阶14将弹簧5压缩行程控制在一定范围，减少其持续将轴向力压到轴承7上，影响轴承寿命。

而采用弹簧5和圆形填充柱6设于对轴承套4压紧的弹簧组结构，可以利用中壳91的法兰安装盘的侧端面与轴承套4的配合面打孔的方式置入预紧弹簧5，极大的节约轴向空间。如图中所示轴承套4的剖视图，轴承套4的左侧布置安装第一支撑轴承7的第一支撑轴承安装孔，右侧设置安装油封26的孔。外圈与外壳9配合形成第一支撑轴承7的可拆式座孔，第一支撑轴承7布置于传动轴输出端2。传动轴与转子部分的左端支撑于轴承套4间接固定于外壳9，传动轴右端直接支撑于外壳9的外壳侧壁。

在本案一具体实施例中，关节模组的输出端设置扭矩传感器12，电机由传动轴输出动力，传动轴输出端2通过平键15与波发生器17连接，轴向由卡簧16定位，使得传动获得较高的刚性，平键15能传递较大的扭矩。减速机安装在中壳91内，并靠近输出法兰13布置，具体地，减速机的柔轮19与交叉轴承18的连接，为增强扭矩输出，增加了防滑垫套20，再在垫套20上固定螺钉21的连接方式，此方式可以避免螺钉21头部尖锐部与柔轮19的接触、减少应力集中风险，增强传动能力。再经过交叉轴承18、输出法兰13和力传感器12输出动力，输出法兰12作为输出接口，整个传动紧凑高扭矩、高刚性。

传动轴输入端1的端部固装刹车抱闸，刹车抱闸上固装编码器码盘24，外壳9上固装与编码器码盘24配合的编码器读头22。编码器位于传动轴输入端1，使模组输出端的结构简单，并获得高刚性。编码器采用后置结构，使得输出端无编码器，对于大力矩模组，输出端的径向尺寸比较大，采用编码器的尺寸也会比较大，后置编码器结构，可以采用小尺寸的编码器，达到了节约空间和简化结构的作用。同时，由于模组输出端去掉码盘安装法兰，减少了一个零件，使得输出刚性更佳。进一步地，输出端受扭矩传感器12形变的影响，影响其精度的测量，通过后置编码器结构，更利于编码器测量。

本实施例中，刹车抱闸既作为关节模组刹车的制动转子，也作为编码器码盘14的支撑体，起到简化结构和减小轴向空间的作用。输入端传动轴1的右端与刹车抱闸的抱闸方轴23连接，抱闸方轴23既能起到与刹车25配合起制动作用，也作为编码器码盘24的固定基座。编码器码盘24与间接固定在外壳9上的编码器读头22形成一组传感器，采集输入端的运动信息。

利用输出法兰13头部的法兰结构，及其轴向延伸形成的空心轴结构，关节模组可利用空心轴结构进行中空走线，整个关节模组构件结构简单，功能多样，既作为传动轴输出端2的连接转接件、也是信号采集传输件，还是中空走线通道。关节模组从头到尾始终贯穿，其端部为输出端与扭矩传感器12连接；其尾部连接到末端法兰10，末端法兰10上固定第二编码器码盘11。第二编码器码盘11与间接固定于外壳9的编码器读头22形成一组位置记录和速度采集传感器，获取输出端的运动信息。

基于上述实施例中提供的关节模组，本发明还提供了一种手术机器人，包括传动配合的多个臂件，和设于相邻的臂件之间的关节模组，该关节模组为上述实施例中提供的大扭矩机器人关节模组。

由于该手术机器人采用了上述实施例的大扭矩机器人关节模组，所以该手术机器人由大扭矩机器人关节模组带来的有益效果请参考上述实施例。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种大扭矩机器人关节模组，其特征在于，其具有电机，所述电机内设置电机转子及传动轴，所述传动轴为空心传动轴，所述空心传动轴支撑所述电机转子的部分，设置沿其径向向外伸出的转子支撑凸台；

所述空心传动轴轴向的两端分别设置第一支撑轴承和第二支撑轴承，所述电机定子轴向的两端分别设置第一壳体和第二壳体，所述第一支撑轴承位于所述第一壳体的内圈，所述第二支撑轴承位于所述第二壳体的内圈。

2.根据权利要求1所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述空心传动轴包括拼接配合的传动轴输入端和传动轴输出端，所述传动轴输入端和所述传动轴输出端围成所述空心传动轴的空心内腔，所述转子支撑凸台设于所述传动轴输入端的外端面上。

3.根据权利要求2所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述传动轴输入端设置支撑所述电机转子的外套筒，所述传动轴输出端设置与所述外套筒插装并同心配合的内套筒，所述外套筒和所述内套筒沿径向抱紧配合形成所述转子支撑凸台，所述外套筒和所述内套筒沿轴向设置螺钉锁紧组件。

4.根据权利要求3所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述空心传动轴的空心内腔内设置输出法兰的空心长轴，所述传动轴输出端设置台阶孔，所述台阶孔和所述空心长轴之间套装有第一油封密封环。

5.根据权利要求3所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述电机的外周设置外壳，所述第一壳体为固装于所述外壳内圈的轴承套，所述轴承套的内圈设置安装所述第一支撑轴承的第一轴承安装孔，所述第二壳体为所述外壳沿径向伸出的外壳侧壁，所述外壳侧壁的内圈设置安装所述第二支撑轴承的第二轴承安装孔。

6.根据权利要求5所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述轴承套的内圈还设置第二油封密封环，所述第二油封密封环对所述第一支撑轴承和所述减速机润滑腔室进行密封。

7.根据权利要求5所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述传动轴输出端设置减速机，所述减速机内设置波发生器，所述传动轴输出端设置台阶传动部，所述波发生器键传动的安装在所述台阶传动部上，所述台阶传动部的端部设置对所述波发生器的轴向窜动进行限位的卡簧；

所述减速机的外圈设置关节模组中壳，所述中壳固装于所述外壳上。

8.根据权利要求7所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述外壳内设置对所述轴承套的轴向装入进行外圈限位的可拆式座孔，所述中壳的法兰安装盘装入所述可拆式座孔内，所述法兰安装盘的侧壁面上布置多个圆柱形槽，所述圆柱型槽内具有对所述轴承套的轴向端面进行压紧的压紧弹簧，和填充于所述压紧弹簧内圈的圆柱填充柱。

9.根据权利要求8所述的大扭矩机器人关节模组，其特征在于，所述关节模组输出端设置扭矩传感器，所述传动轴输入端的端部固装刹车抱闸，所述刹车抱闸上固装编码器码盘，所述外壳上固装与所述编码器码盘配合的编码器读头。

10.一种手术机器人，包括传动配合的多个臂件，和设于相邻的所述臂件之间的关节模组，其特征在于，所述关节模组为如权利要求1-9中任意一项所述的大扭矩机器人关节模组。

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