CN114681060B - 手术机器人及其关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术机器人关节模组，包括模组电机和布置于模组电机内的传动轴，模组电机工作，由传动轴传输动力，驱动传动轴的传动轴输出端输出动力，经减速机将动力传输至动力输出法兰，利用传动轴的中空结构，在传动轴内同轴布置过线套筒，用于线缆的布置，过线套筒一端固定连接于输出法兰，另一端经传动轴延伸至关节模组的末端，传动轴的传动轴输入端布置有位置编码器和速度编码器，位置编码器由过线套筒传递位置和运动信息，传动轴直接经减速机将动力传输至动力输出法兰，使得传动结构布置更加紧凑。本发明还提供了一种手术机器人。

Description

手术机器人及其关节模组

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其关节模组。

背景技术

微创手术机器人可以达到减轻医生在手术过程中的体力劳动、提高操作精度，同时减轻患者的创伤、减少术后恢复时间等目的。操作者通过操纵主手和主手操作柄，由传感器记录主手和操作柄位置、运动等信息，控制算法映射到从手，从而实现对从手和手术器械的控制以进行手术操作。整个系统都依赖于对机械臂的精确控制。关节模组是整个控制系统的直接受控和动力总成单元。

然而，现有产品中的关节模组传动部件较多，位置布置松散，存在关节刚性不足，相对弯矩不足等缺点。关节模组内部传动结构复杂，存在润滑不良、漏油、散热不良等问题，直接影响了其寿命。多部件传动结构，导致关节模组存在体积大、质量大等缺点，已经不适用于手术机器人的使用，影响其产品一致性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种手术机器人关节模组，以优化关节模组的结构；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：

一种手术机器人关节模组，包括模组电机和布置于所述模组电机内的传动轴，所述传动轴的传动轴输出端顺序设置有减速机和动力输出法兰，中空结构的所述传动轴内布置有过线套筒，所述过线套筒固定连接于所述输出法兰；所述传动轴的传动轴输入端布置有位置编码器和速度编码器。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述输出法兰中部开设容置过线套筒通过的中心孔，所述中心孔的外侧布置台阶安装孔，所述台阶安装孔内设有浮动环，所述浮动环的轴向设有与所述台阶安装孔的内壁配合的第一凸台和第一凹槽；

所述浮动环的轴向端面布置第二凹槽，所述过线套筒的外壁面伸出搭接于所述第二凹槽内的第二凸台。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述第一凸台沿所述浮动环的轴向伸出布置，所述第一凸台和所述第二凹槽包括沿所述浮动环的径向对称布置的两组；

所述第二凸台和所述第二凹槽包括沿所述浮动环径向布置的两组。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述传动轴输入端顺序布置有刹车抱闸和速度传感器，所述过线套筒伸出于所述传动轴输入端，所述位置传感器安装于所述过线套筒上。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述模组电机的外圈设置机壳，所述速度传感器的位置编码器码盘安装于所述刹车抱闸上，所述速度传感器的速度编码器读头安装于所述机壳上。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述位置编码器的位置编码器码盘固定于所述过线套筒上，所述机壳上伸出尾部保护座，所述位置编码器的位置编码器读头固装于所述尾部保护座上。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述机壳内设有对所述传动轴的端部进行压紧的外套，所述外套的内圈布置第一油封孔腔，所述第一油封孔腔的开孔方向与与所述减速机的刚轮相对；

所述传动轴具有伸入所述第一油封孔腔的环形部，所述环形部的径向外圈布置油封衬套，所述第一油封孔腔内布置与所述油封衬套配合的第一油封环。

优选地，在上述手术机器人关节模组中，所述传动轴的内圈设置第二油封孔腔，所述第二油封孔腔内布置有抱装于所述过线套筒上的第二油封环。

一种手术机器人，其具有机械臂，所述机械臂上设有关节模组，所述关节模组为如上任意一项所述的手术机器人关节模组。

本发明提供的手术机器人关节模组，包括模组电机和布置于模组电机内的传动轴，模组电机工作，由传动轴传输动力，驱动传动轴的传动轴输出端输出动力，经减速机将动力传输至动力输出法兰，利用传动轴的中空结构，在传动轴内同轴布置过线套筒，用于线缆的布置，过线套筒一端固定连接于输出法兰，另一端经传动轴延伸至关节模组的末端，传动轴的传动轴输入端布置有位置编码器和速度编码器，位置编码器由过线套筒传递位置和运动信息。通过将位置编码器和速度编码器同时后置，传动轴直接经减速机将动力传输至动力输出法兰，使得传动结构布置更加紧凑，可取消传动环节的非必要结构零件，减少轴向连接环节，输出法兰端部连接扭矩传感器作为输出接口，使得传动结构的刚性增强，控制响应更快。

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为本发明提供的手术机器人关节模组的内部结构剖视图；

图2为图1中浮动环的结构示意图；

图3为图2中浮动环装配结构的爆炸视图。

具体实施方式

本发明公开了一种手术机器人关节模组，优化了关节模组的结构；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-图3所示，图1为本发明提供的手术机器人关节模组的内部结构剖视图；图2为图1中浮动环的结构示意图；图3为图2中浮动环装配结构的爆炸视图。

本实施例提供了一种手术机器人关节模组，包括模组电机和布置于模组电机内的传动轴3，模组电机工作，由传动轴3传输动力，驱动传动轴3的传动轴输出端输出动力，经减速机将动力传输至动力输出法兰11，利用传动轴3的中空结构，在传动轴3内同轴布置过线套筒10，用于线缆的布置，过线套筒10一端固定连接于输出法兰11，另一端经传动轴3延伸至关节模组的末端，传动轴3的传动轴输入端布置有位置编码器和速度编码器，位置编码器由过线套筒10传递位置和运动信息。通过将位置编码器和速度编码器同时后置，传动轴3直接经减速机将动力传输至动力输出法兰11，使得传动结构布置更加紧凑，可取消传动环节的非必要结构零件，减少轴向连接环节，输出法兰11端部连接扭矩传感器9作为输出接口，使得传动结构的刚性增强，控制响应更快。

具体结构设计上，模组电机的动力输出端采用一级传动，模组电机采用无框电机输出扭矩，经谐波减速机后传出动力。对于电机的安装具体布置上，如图1所示，电机转子1依靠螺钉与传动轴3连接固定，电机定子2直接与关节模组的外壳18通过螺钉连接，传动轴3由第一支撑轴承4和第二支撑轴承5支撑定位，把动力由模组电机传递到减速机的中间联系零件，其一端接电机转子1，一端与减速机波发生器6连接。

传动布置的谐波减速机为轻薄型减速机，其内圈布置谐波发生器6，极大节省关节模组的轴向空间。减速机输出端的柔轮7与交叉轴承8连接，使得输出端有较好的承载能力和抗冲击能力。交叉轴承8通过必要的中间连接件输出法兰11与扭矩传感器9连接，固定方式为螺钉和销钉。

扭矩传感器9在输出端的布置，使得关节模组而具备力感知功能，在传动过程检测输出的扭矩大小，最后由扭矩传感器9直接作为输出接口。

关节模组通过过线套筒10实现中空走线，薄壁空心结构的过线套筒10由于其结构特点，在加工和装配时容易产生一定程度的变形。如果比较刚性的固定连接到动力输出端，另一端采用微型轴承33支撑的方式，轴承33容易卡滞和“别”坏。

而位置传感器的位置信息的传递需要轴向定位良好，此处采用浮动式结构在周向可传递运动，径向可以允许一定的让位。

具体地，如图3所示，输出法兰11中部开设容置过线套筒10通过的中心孔110，中心孔的外侧布置台阶安装孔110，台阶安装孔110内设有浮动环16，浮动环16的径向伸出第一凸台161，台阶安装孔110的内壁设置第一凹槽111，第一凸台161和第一凹槽111配合传递周向扭矩；浮动环16的轴向端面布置第二凹槽162，过线套筒10的外壁面伸出搭接于第二凹槽162内的第二凸台101，将周向扭矩传递至过线套筒10。

过线套筒10和输出法兰11之间有一个浮动环16，浮动环16的设计为两段相差90°设置有凸台和凹槽结构，凸台和凹槽结构分别于电机输出法兰11的凹槽和过线套筒10的凸起相配合。设置浮动环16与输出法兰11和过线套筒10均为松配合结构，在径向上留有可以轻微移动的间隙，使得有一定的浮动空间，而凹槽和凸台的扣合连接传递了轴向的力和运动状态。

具体地，第一凸台161沿浮动环16的径向伸出布置，第一凸台161和第一凹槽111包括沿浮动环16的径向对称布置的两组；第二凸台101和第二凹槽162包括沿浮动环16径向布置的两组。凸台和凹槽结构均采用沿径向成对布置，相邻的结构之间相差90°，保证动力传递稳定性。

如图1中所示输出法兰11位于左侧的布置位置，关节模组的左侧为动力输出端，右侧为传感器布置端，在本案一具体实施例中，传动轴3输入端顺序布置有刹车抱闸和速度传感器，过线套筒10伸出于传动轴输入端，位置传感器安装于过线套筒10上。

本实施例中，关节模组进行两组编码器后置设计，实现关节模组的速度和位置进行测量，相较于现有的位置编码器在扭矩传感器9的外侧结构，由于扭矩传感器9自身有弹性形变，会影响编码器工作精度。

通过将位置编码器移动到速度编码器的外侧，借助浮动环16的浮动方式进行扭矩传递，自浮动环16采集动力输出端位置，并由过线套筒10传递给尾部的位置编码器，可以避免弹性形变影响位置编码器精度问题。

走线上，将位置编码器移动到关节模组尾部，可以简化编码器走线。关节模组前半段不再有编码器线缆，动力输出端的信息采集通过过线套筒10来传递位置和运动信息，

在本案一具体实施例中，模组电机的外圈设置机壳18，速度传感器的速度编码器码盘27安装于刹车抱闸上，速度传感器的速度编码器读头28安装于18机壳上。

在本案一具体实施例中，位置编码器的位置编码器码盘19固定于过线套筒10上，机壳18上伸出尾部保护座17，位置编码器的位置编码器读头22固装于尾部保护座上。

过线套筒10的左端与动力输出端的输出法兰11连接固定，保持其位置和运动信息和输出端一致。

过线套筒10右端内侧设置速度传感器，外侧设置位置传感器。位置传感器的位置编码器码盘19与码盘法兰盘20连接，连接方式上采用径向紧定螺钉21压紧连接，为一种避免占用轴向空间的一种可靠连接方式。

与之对应的速度编码器读头22为固定状态，通过两者相对运动，采集旋转状态的编码器码盘19的位置和运动信息。

位置编码器读头22的固定方式为利用螺钉21，穿入中空的调整圆柱25连接到尾部保护座32上。而尾部保护座32通过尾部轴承座17与模组外壳18连接固定在一起的。

调整圆柱25可以在装配的过程通过选配调整，来获得位置编码器码盘19和位置编码器读头22之间的合适高度。

对于动力输入端速度传感器的结构布置，传动轴3与刹车抱闸的抱闸方轴26连接，速度编码器码盘27固定于抱闸方轴26上，使得速度编码器码盘27随传动轴3和电机转子1同步运动，使得其能反映电机的位置和运动信息。而与速度编码器码盘27对应的速度编码器读头28通过螺钉固定于机壳18上，两者距离同样通过调整圆柱29调节。

另外，为降低同时布置位置传感器和速度传感器带来的轴向距离增加，将关节模组的尾部的半圆弧形尾部轴承座17和保护盖通过一定的错位和构型上的避让设计使得两组编码器得以紧凑布置。

在本案一具体实施例中，机壳18内设有对传动轴3的端部进行压紧的外套31，外套31的内圈布置第一油封孔腔，第一油封孔腔的开孔方向与与减速机的刚轮30相对；传动轴3具有伸入第一油封孔腔的环形部，环形部的径向外圈布置油封衬套15，第一油封孔腔内布置与油封衬套15配合的第一油封环14。

传动轴3的内圈设置第二油封孔腔，第二油封孔腔内布置有抱装于过线套筒10上的第二油封环32。

密封系统旨在解决关节模组的润滑问题，减速机润滑油的稳定量对传动能力、系统摩擦、散热能力和整机寿命起着至关重要的作用。另外，关节模组的应用场景定位为医疗行业，不予许油油污的泄露，相比于工业要求，良好的密封很重要。

设计上，利用整体结构的特点，以尽可能不增轴向尺寸，排布于径向空间的原则，进行油封布置。具体如图1所示，将第一油封环14布置于连接减速机刚轮30的必要螺钉24与轴承4为直径的径向内部空间，即将第一油封环14的布置几乎不增长模组轴向的增长。

第一油封环14的依靠外套31上开设的第一油封孔腔安装固定，传动轴3的中部伸出环形部，第一油封环14的内唇与固定于传动轴3环形部上的油封衬套15配合，此配合面即为密封面。

在传动轴3和过线套筒10之间设置第二油封环32，利用传动轴3减重挖空空间形成第二油封孔腔，第二油封孔腔与减速机相对进行布置，第二油封环32的唇口与过线套筒10进行配合，此为密封面，通过第二油封环32内侧所接触的接触面公差尺寸，允许我们在密封性能强和摩擦力损耗大之间取得平衡。

基于上述实施例中提供的手术机器人关节模组，本发明还提供了一种手术机器人，其具有机械臂，机械臂上设有关节模组，该关节模组为上述实施例中提供的手术机器人关节模组。

由于该手术机器人采用了上述实施例的手术机器人关节模组，所以该手术机器人由手术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 (9)

1.一种手术机器人关节模组，其特征在于，包括模组电机和布置于所述模组电机内的传动轴，所述传动轴的传动轴输出端顺序设置有减速机和动力输出法兰，中空结构的所述传动轴内布置有过线套筒，所述过线套筒固定连接于所述动力输出法兰；所述传动轴的传动轴输入端布置有位置编码器和速度编码器，所述过线套筒用于将所述动力输出法兰的位置和运动信息传递至所述位置编码器，所述速度编码器的码盘随所述传动轴和电机转子同步运动，使得其能反映电机的位置和运动信息。

2.根据权利要求1所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述动力输出法兰中部开设容置过线套筒通过的中心孔，所述中心孔的外侧布置台阶安装孔，所述台阶安装孔内设有浮动环，所述浮动环伸出第一凸台，所述台阶安装孔的内壁设置第一凹槽，所述第一凸台和所述第一凹槽配合传递周向扭矩；

所述浮动环的轴向端面布置第二凹槽，所述过线套筒的外壁面伸出搭接于所述第二凹槽内的第二凸台，将所述周向扭矩传递至所述过线套筒。

3.根据权利要求2所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述第一凸台沿所述浮动环的轴向伸出布置，所述第一凸台和所述第一凹槽包括沿所述浮动环的径向对称布置的两组；

所述第二凸台和所述第二凹槽包括沿所述浮动环径向布置的两组。

4.根据权利要求3所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述传动轴输入端顺序布置有刹车抱闸和速度传感器，所述过线套筒伸出于所述传动轴输入端，位置传感器安装于所述过线套筒上。

5.根据权利要求4所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述模组电机的外圈设置机壳，所述速度传感器的速度编码器码盘安装于所述刹车抱闸上，所述速度传感器的速度编码器读头安装于所述机壳上。

6.根据权利要求5所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述位置编码器的位置编码器码盘固定于所述过线套筒上，所述机壳上伸出尾部保护座，所述位置编码器的位置编码器读头固装于所述尾部保护座上。

7.根据权利要求5所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述机壳内设有对所述传动轴的端部进行压紧的外套，所述外套的内圈布置第一油封孔腔，所述第一油封孔腔的开孔方向与所述减速机的刚轮相对；

所述传动轴具有伸入所述第一油封孔腔的环形部，所述环形部的径向外圈布置油封衬套，所述第一油封孔腔内布置与所述油封衬套配合的第一油封环。

8.根据权利要求7所述的手术机器人关节模组，其特征在于，所述传动轴的内圈设置第二油封孔腔，所述第二油封孔腔内布置有抱装于所述过线套筒上的第二油封环。

9.一种手术机器人，其具有机械臂，所述机械臂上设有关节模组，其特征在于，所述关节模组为如权利要求1-8中任意一项所述的手术机器人关节模组。