CN115038560A - 旋转位置检测单元 - Google Patents

Abstract

提供旋转位置检测单元，在以插入患者体内的插入构件可旋转的方式保持该插入构件的医疗用机器人中，能够以简单并且小型的结构来检测可旋转360度以上的插入构件的旋转位置。具备：电机；驱动侧滑轮，其连接于电机，电机使驱动侧滑轮以电机的驱动轴为中心进行旋转驱动；从动侧滑轮，其以第一旋转轴为中心进行旋转；传递带，其将驱动侧滑轮的旋转驱动向从动侧滑轮传递；旋转编码器，其连接于第一旋转轴，检测从动侧滑轮的旋转角度；以及控制部，其控制电机的驱动，旋转编码器的检测结果输入到控制部，插入构件伴随着驱动侧滑轮的旋转而旋转，驱动侧滑轮的直径小于从动侧滑轮的直径，控制部基于从动侧滑轮的旋转角度以及驱动侧滑轮的直径除以从动侧滑轮的直径而得的滑轮比，计算插入构件的旋转位置。

Description

旋转位置检测单元

技术领域

本发明涉及能够对医疗用机器人的插入构件的旋转位置进行检测的旋转位置检测单元。

背景技术

在专利文献1中记载的手术辅助机器人具备：插入部；臂部；光照射部，其照射具有与臂轴线平行的光轴的激光光束；拍摄部，其对激光光束的光像的轨迹进行拍摄；以及旋转驱动电机，其使臂部绕基准轴线旋转。使对臂部的操作输入与位置姿态关系对应，可实现对臂部的直观操作。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-80845号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在专利文献1记载的手术辅助机器人中，为了使对臂部的操作输入与位置姿态关系对应，需要用于对臂部的旋转位置(旋转角度)进行检测的检测装置，近年，例如期望相对于初始位置旋转正负270度等、总旋转角度超过360度的旋转功能。

但是，为了检测超过360度的旋转位置，例如，需要如下结构：使用多编码器的结构、在单圈编码器组合有原点限位开关的结构，因此会导致检测装置以及周边的机构复杂化、大型化。还有，因旋转超过360度，可能会导致检测装置周边的线束大幅扭转，由此产生断线等问题。与此相对，在设置有对线束的旋转量进行限制的止挡机构的情况下，存在进一步大型化，重量也增大的问题。

因此，本发明的目的在于提供旋转位置检测单元，在以插入患者体内的插入构件可旋转的方式保持该插入构件的医疗用机器人中，该旋转位置检测单元能够以简单并且小型的结构来检测能够旋转360度以上的插入构件的旋转位置。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本发明的旋转位置检测单元设置于以插入构件可旋转的方式保持插入构件的医疗用机器人，检测插入构件的旋转位置，旋转位置检测单元的特征在于，具备：电机；驱动侧滑轮，其连接于电机，电机使驱动侧滑轮以电机的驱动轴为中心进行旋转驱动；从动侧滑轮，其以第一旋转轴为中心进行旋转；传递带，其将驱动侧滑轮的旋转驱动向从动侧滑轮传递；旋转编码器，其连接于第一旋转轴，检测从动侧滑轮的旋转角度；以及控制部，其控制电机的驱动，旋转编码器的检测结果输入到该控制部，插入构件伴随着驱动侧滑轮的旋转而旋转，驱动侧滑轮的直径小于从动侧滑轮的直径，控制部基于从动侧滑轮的旋转角度以及驱动侧滑轮的直径除以从动侧滑轮的直径而得的滑轮比，来计算插入构件的旋转位置。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，具备以第二旋转轴为中心进行旋转的中间滑轮，插入构件连接于第二旋转轴，并以第二旋转轴为中心进行旋转，传递带具备：第一传递带，其将驱动侧滑轮与中间滑轮相连，将驱动侧滑轮的旋转驱动传递至中间滑轮；以及第二传递带，其将中间滑轮与从动侧滑轮相连，将中间滑轮的旋转驱动传递至从动侧滑轮，中间滑轮的直径小于从动侧滑轮的直径。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，驱动侧滑轮的直径与中间滑轮的直径相同。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，即使在插入构件的旋转范围超过360度的情况下，也以从动侧滑轮的旋转范围小于360度的方式设定滑轮比。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，电机相比于旋转编码器而配置于插入构件侧。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，驱动轴和第一旋转轴配置成位于同一轴上。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，具备限制构件，限制构件限制从动侧滑轮的旋转范围。

在本发明的旋转位置检测单元中，优选为，旋转编码器具备在沿着第一旋转轴的方向与从动侧滑轮相向的板，限制构件由突起部和限制部形成，突起部设置成在从动侧滑轮并向板侧延伸，限制部设置成在板并向从动侧滑轮延伸，并且配置于伴随着从动侧滑轮的旋转而移动的突起部的轨道上的既定位置。

发明的效果

根据本发明的旋转位置检测单元，在以插入患者体内的插入构件可旋转的方式保持该插入构件的医疗用机器人中，能够用简单并且小型的结构来检测可旋转360度以上的插入构件的旋转位置。

附图说明

图1是示出具备本发明的实施方式涉及的旋转位置检测单元的、医疗用机器人的保持体的结构的立体图。

图2是示出图1所示的保持体的内部的概要结构的立体图。

图3是示出图1所示的保持体的内部的概要结构的立体图。

图4是包括本发明的实施方式涉及的旋转位置检测单元的、医疗用机器人的功能框图。

图5是示出本发明的实施方式涉及的旋转位置检测单元的概要结构的立体图。

图6是示出本发明的实施方式涉及的旋转位置检测单元的概要结构的侧视图。

图7是示出本发明的实施方式涉及的旋转位置检测单元的概要结构的分解立体图。

图8是示出本发明的实施方式中的旋转编码器的概要结构的立体图。

图9的(a)、图9的(b)是示出本发明的实施方式中的旋转编码器的概要结构的分解立体图。

图10是示出本发明的实施方式中的滑轮和传递带的概要结构的后视图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式涉及的旋转位置检测单元。本实施方式是将旋转位置检测单元应用于医疗用机器人的例子，但本发明的旋转位置检测单元不限定于此。

在各图中示出X-Y-Z坐标来作为基准坐标。在以下的说明中，将Z1-Z2方向称为上下方向，将X1-X2方向称为前后方向，Y1-Y2方向称为左右方向。X1-X2方向与Y1-Y2方向相互垂直，包括它们在内的X-Y平面垂直于Z1-Z2方向。在图2、图3、图5～图10中，示出主要的结构构件，省略轴、螺钉、其它构件的图示。

本实施方式的医疗用机器人，具备方向、角度可变更的臂部，在臂部的前端设置图1所示的保持体10。支架21和以覆盖支架21的方式配置的分隔件22从保持体10的前端向前方延伸。向医疗用机器人的施行手术对象即患者的体内插入的插入构件，以可拆卸的方式被分隔件22安装于支架21。插入构件根据臂部的方向、角度的变更而变更姿态，另外如后所述，随着电机32的驱动而以旋转轴Am为中心进行旋转。

而且，作为插入构件，能够举出用于施行手术的处置器具、内窥镜。

支架21设为因内置于保持体10的电机32(参照图2～图4)的驱动而可绕沿着前后方向的旋转轴Am(第二旋转轴)进行旋转。如图4所示，从控制部31对电机32提供驱动信号，当电机32按照该驱动信号进行旋转时，支架21以旋转轴Am为中心进行旋转。控制部31按照来自施行手术者、辅助者操作的输入部33的指示信号，生成已设定了电机32的旋转速度、旋转持续时间、驱动间隔等的驱动信号，并提供至电机32。

如图5～图7所示，在电机32的驱动轴32a(图7)连接有作为驱动侧滑轮的第一滑轮41。因电机32的驱动，而第一滑轮41以将驱动轴32a的旋转中心轴(电机32的驱动轴)延长而成的中心轴Ad(第一旋转轴)为中心进行旋转驱动。即，中心轴Ad(第一旋转轴)与电机32的驱动轴为同一轴。第一滑轮41呈大致圆板状，在其外周面，沿周向形成有具有固定齿距的槽。电机32的驱动轴32a沿着前后方向(X1-X2方向)延伸，并且配置成与上述旋转轴Am平行。

第一滑轮41借助第一传递带51而与作为中间滑轮的第二滑轮42连接。第二滑轮42借助第二传递带52而与作为从动侧滑轮的第三滑轮43连接。第二滑轮42和第三滑轮43分别呈大致圆板状，在外周面，沿周向形成有具有固定齿距的槽。

如图6所示，第一滑轮41和第二滑轮42具有相同的直径L1。第一滑轮41和第二滑轮42的直径L1设定成小于第三滑轮43的直径L2。因而，第一滑轮41的直径除以第二滑轮42的直径而得的滑轮比为1，与之相对，第一滑轮41的直径除以第三滑轮43的直径而得的滑轮比小于1。

第二滑轮42以上述旋转轴Am为中心以可旋转的方式配置于第一滑轮41的上方。第一传递带51卷绕于第一滑轮41的外周面和第二滑轮42的外周面，当因电机32的驱动而第一滑轮41以中心轴Ad为中心进行旋转时，驱动力通过第一传递带51被传递至第二滑轮42，第二滑轮42以旋转轴Am为中心进行旋转。第一滑轮41和第二滑轮42具有相同的直径L1，因此第二滑轮42的旋转角度与第一滑轮41的旋转角度相同。

第三滑轮43以上述中心轴Ad为中心以可旋转的方式配置于第一滑轮41的后方。第二传递带52比第一传递带51靠后方，卷绕于第二滑轮42的外周面和第三滑轮43的外周面。当第二滑轮42以旋转轴Am为中心进行旋转时，驱动力通过第二传递带52被传递至第三滑轮43，第三滑轮43以中心轴Ad为中心进行旋转。

因而，当因电机32的驱动而第一滑轮41以中心轴Ad为中心进行旋转时，驱动力通过第一传递带51、第二滑轮42以及第二传递带52被传递至第三滑轮43。第一滑轮41和第二滑轮42的直径L1小于第三滑轮43的直径L2，因此第三滑轮43的旋转角度小于第一滑轮41和第二滑轮42的旋转角度。

将第一滑轮41与第二滑轮42的直径L1设为相同，由此能够使旋转角度相互相同，因此能够容易地对插入构件进行旋转控制。即，在第一滑轮41与第二滑轮42的直径不同的情况下，需要考虑它们之间的滑轮比来进行复杂的控制，但是通过将两者的直径设为相同，仅考虑第二滑轮42与第三滑轮43间的滑轮比来进行控制即可，因此能够容易进行控制。

当第二滑轮42旋转时，在其前方，与第二滑轮42连结的驱动板61(参照图2、图3、图5、图6)也以旋转轴Am为中心进行旋转。如图2所示，在驱动板61的前表面设置向前方延伸的多个连接轴62，在这些连接轴62的前端设置用于沿前后来驱动分隔件22的驱动机构63，并与分隔件22连接。驱动板61、连接轴62与驱动机构63借助被设置于保持体10的轴承64，可在保持体10内以旋转轴Am为中心进行一体地旋转。由此，当第二滑轮42旋转时，支架21和分隔件22也借助驱动板61、连接轴62以及驱动机构63而以旋转轴Am为中心进行旋转，被安装于分隔件22的插入构件也进行旋转。

如图4所示，从控制部31经由线缆82对驱动机构63提供控制信号，驱动机构63按照该控制信号进行驱动。因驱动机构63的驱动，沿前后方向(X1-X2方向)驱动分隔件22。

如图7所示，在第三滑轮43的后方，设置有对作为从动侧滑轮的第三滑轮43的旋转角度进行检测的编码器部70。由此，第一滑轮41、第三滑轮43以及编码器部70位于中心轴Ad上，因此有助于保持体10的小型化。

如图7和图8所示，编码器部70由以上述中心轴Ad为中心的大致圆板状的多个构件形成，从第三滑轮43侧起依次具备限制板71、基座板72、保持板73、检测部74。其中，限制板71、基座板72以及检测部74被固定于保持体10。

如图7所示，在编码器部70的后方设置有引导板81，该引导板81防止线缆82与保持板73接触并且用于规定线缆82的配线位置，该线缆82用于向用于沿前后驱动分隔件22的驱动机构63发送驱动信号。

根据以上的结构，在X1-X2方向从前方依次配置电机32、第一滑轮41、第三滑轮43以及编码器部70。即，以夹着第一滑轮41和第三滑轮43的方式，将电机32配置于前侧(插入构件侧)，将编码器部70配置于后侧。电机32是比编码器部70重的部件，因此能够使电机32与插入构件靠近，有助于保持体10的小型化。另外，能够在保持体10的重心附近配置电机32，因此也有助于提高保持体10的操作性。

如图9所示，保持板73具备轴73a、环板状的旋转板73b。轴73a从保持板73的内部向前方延伸，轴73a的后端固定于在保持板73内收容的旋转板73b。轴73a与旋转板73b以中心轴Ad为中心呈同心状并为一体。保持板73固定于保持体10，另一方面轴73a与旋转板73b可相对于保持板73而以中心轴Ad为中心进行相对旋转。

轴73a的前方端部插通于孔部43c(参照图10)内，并被固定销(未图示)固定于孔部43c，该孔部43c沿着中心轴Ad在厚度方向(X1-X2方向)将第三滑轮43贯通。由此，当第三滑轮43旋转时，轴73a以及旋转板73b也以中心轴Ad为中心进行旋转。

如图9的(a)、图9的(b)所示，在X1-X2方向，保持板73与检测部74相互相向。在检测部74的前表面74a的周向的一部分设置有传感器部74b。该传感器部74b配置成与保持板73的旋转板73b的周向的一部分相向。

旋转板73b和传感器部74b构成旋转编码器。作为旋转编码器的形式能够使用各种类型。例如在光学式的反射型的类型的情况下，传感器部74b具备光源和光接收元件，在旋转板73b，沿着周向以固定的间隔周期性地设置反射面与非反射面。传感器部74b的光源按照从控制部31提供的控制信号来发射光，控制部31接收光接收元件的检测信号(检测结果)。被提供至上述光源的控制信号与从控制部31向电机32提供的驱动信号同步。在这样的结构中，来自光源的发射光被反射面反射的光由光接收元件接收，基于该光接收结果和被提供至光源的控制信号，能够检测旋转板73b和与旋转板73b一并旋转的第三滑轮43的旋转方向和旋转位置(角度位置)。

这里，作为旋转编码器，能够使用各种类型，但当使用绝对式编码器时，能够检测绝对角度位置，因此当使在机器人的电源断开时的绝对角度位置存储于控制部31内的存储部时，在下次电源接通时不需要进行初始化，因此能够迅速地进行检测作业。

如图7所示，在沿着中心轴Ad的X1-X2方向，限制板71的前表面71a与第三滑轮43的后表面43a相互相向。

如图8所示，在限制板71的前表面71a设置有限制部71b，该限制部71b设置成向第三滑轮43侧延伸。限制部71b设置于圆板状的限制板71的周向的既定位置。

如图10所示，在第三滑轮43的后表面43a设置有圆柱状的突起部43b，该突起部43b设置成向限制板71侧延伸。突起部43b设置于具有圆板状的外形的第三滑轮43的周向的既定位置。突起部43b配置于在径向而与相互相向的限制板71的限制部71b对应的位置。

第三滑轮43以与限制板71相向的状态进行旋转，但在突起部43b与限制板71的限制部71b抵接的位置，旋转被限制。因而，限制部71b和突起部43b构成限制第三滑轮43的旋转角度的限制构件。按照第一滑轮41及第二滑轮42与第三滑轮43间的滑轮比，限制部71b和突起部43b被分别配置于第三滑轮43的旋转角度不会超过360度的位置。另外，根据插入构件的旋转角度的规格，以第三滑轮43的旋转角度可靠地小于360度的方式设定上述滑轮比。由此，即使将插入构件的旋转范围设为360度以上来使用的情况下，也不需要采用多编码器、限位开关等复杂的结构，能够用简单并且小型的结构的旋转编码器，稳定可靠地进行检测。

另外，使用作为中间滑轮的第二滑轮42，由此能够沿着X1-X2方向配置尺寸大的电机32和编码器部70，因此与将这些分散地配置的情况相比，能够使保持体10的尺寸小型化。

以下说明变形例。

在上述实施方式中，使因第一滑轮41的旋转而产生的驱动力经由第二滑轮42传递至第三滑轮，由编码器部70检测第三滑轮43的旋转位置，但也可取而代之，而是如下结构，省略第二滑轮42，以旋转轴Am为中心进行旋转的方式配置第三滑轮43。在该结构中，因第一滑轮41的旋转而产生的驱动力被直接传递至第三滑轮43。还有，与上述实施方式同样，在X1-X2方向，使编码器部70与第三滑轮43相向，由此能够检测第三滑轮43的旋转位置。根据该结构，能够将X1-X2方向的尺寸抑制得小。

当使第一滑轮41的直径大于第二滑轮42的直径时能够增大扭矩。

而且，在上述实施方式中，在电机32与第一滑轮41之间设置减速机(由于与电机32一体化而未图示)，由此即使是将第一滑轮41与第二滑轮42的直径设为相同的结构，也能够获得大的扭矩。

参照上述实施方式说明了本发明，但本发明不限定于上述实施方式，能够在改良的目的或本发明的思想的范围内进行改良或变更。

附图标记说明

10：保持体；21：支架；22：分隔件；31：控制部；32：电机；32a：驱动轴；33：输入部；41：第一滑轮(驱动侧滑轮)；42：第二滑轮(中间滑轮)；43：第三滑轮(从动侧滑轮)；43a：第三滑轮的后表面；43b：突起部；43c：孔部；51：第一传递带；52：第二传递带；61：驱动板；62：连接轴；63：驱动机构；64：轴承；70：编码器部；71：限制板；71a：限制板的前表面；71b：限制部；72：基座板；73：保持板；73a：轴；73b：旋转板；74：检测部；74a：检测部的前表面；74b：传感器部；81：引导板；82：线缆；Ad：中心轴(第一旋转轴)；Am：旋转轴(第二旋转轴)；L1：第一滑轮以及第二滑轮的直径；L2：第三滑轮的直径。

Claims (8)

1.一种旋转位置检测单元，设置于以插入构件可旋转的方式保持所述插入构件的医疗用机器人，检测所述插入构件的旋转位置，所述旋转位置检测单元的特征在于，具备：

电机；

驱动侧滑轮，其连接于所述电机，所述电机使所述驱动侧滑轮以所述电机的驱动轴为中心进行旋转驱动；

从动侧滑轮，其以第一旋转轴为中心进行旋转；

传递带，其将所述驱动侧滑轮的旋转驱动向所述从动侧滑轮传递；

旋转编码器，其连接于所述第一旋转轴，检测所述从动侧滑轮的旋转角度；以及

控制部，其控制所述电机的驱动，所述旋转编码器的检测结果输入到所述控制部，

所述插入构件伴随着所述驱动侧滑轮的旋转而旋转，

所述驱动侧滑轮的直径小于所述从动侧滑轮的直径，

所述控制部基于所述从动侧滑轮的所述旋转角度以及所述驱动侧滑轮的直径除以所述从动侧滑轮的直径而得的滑轮比，来计算所述插入构件的所述旋转位置。

2.根据权利要求1所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

具备以第二旋转轴为中心进行旋转的中间滑轮，

所述插入构件连接于所述第二旋转轴，并以所述第二旋转轴为中心进行旋转，

所述传递带具备：

第一传递带，其将所述驱动侧滑轮与所述中间滑轮相连，将所述驱动侧滑轮的旋转驱动传递至所述中间滑轮；以及

第二传递带，其将所述中间滑轮与所述从动侧滑轮相连，将所述中间滑轮的旋转驱动传递至所述从动侧滑轮，

所述中间滑轮的直径小于所述从动侧滑轮的直径。

3.根据权利要求2所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

所述驱动侧滑轮的直径与所述中间滑轮的直径相同。

4.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

即使在所述插入构件的旋转范围超过360度的情况下，也以所述从动侧滑轮的旋转范围小于360度的方式设定所述滑轮比。

5.根据权利要求2至权利要求4中的任一项所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

所述电机相比于所述旋转编码器而配置于所述插入构件侧。

6.根据权利要求5所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

所述驱动轴和所述第一旋转轴配置成位于同一轴上。

7.根据权利要求1至权利要求6中的任一项所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

具备限制构件，所述限制构件限制所述从动侧滑轮的旋转范围。

8.根据权利要求7所述的旋转位置检测单元，其特征在于，

所述旋转编码器具备在沿着所述第一旋转轴的方向与所述从动侧滑轮相向的板，

所述限制构件由突起部和限制部形成，

所述突起部设置成在所述从动侧滑轮并向所述板侧延伸，

所述限制部设置成在所述板并向所述从动侧滑轮延伸，并且配置于伴随着所述从动侧滑轮的旋转而移动的所述突起部的轨道上的既定位置。

Images