CN115252148A - 器械操作臂的驱动设备及手术机器人用的手术器械 - Google Patents

Abstract

一种器械操作臂的驱动设备，包括：驱动装置，包括第一基座、以及安装在所述第一基座上的多个驱动部，每个驱动部包括输出轴；控制装置，包括第二基座、以及安装在所述第二基座上的多个控制部，每个控制部包括从动轴，每个所述从动轴被构造成驱动所述器械操作臂产生相应运动；以及多个连接部，每个所述连接部包括：轴承座，安装在所述输出轴上；以及两个单向轴承，以相反旋向的方式设置在所述轴承座内；在所述驱动装置与控制装置安装过程中，所述从动轴分别插入所述单向轴承内，使得所述驱动部分别通过所述连接部驱动所述从动轴转动，同时限制所述从动轴和所述驱动部之间的相对转动。

Description

器械操作臂的驱动设备及手术机器人用的手术器械

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种用于驱动手术机器人的器械操作臂产生相应运动的驱动设备及手术机器人用的手术器械。

背景技术

目前手术机器人的器械操作臂一般采用驱动丝驱动的方式。在实际的应用中，为了便于安装和调试，多采用分体式的设计方式，即将器械操作臂和驱动设备分别安装，以便于在装配过程中对驱动丝的张紧力和控制程序进行调试，避免调试过程中电机工作异常对前端器械产生破坏。但在对接过程中，需要进行对接调试，对接成功后需要对电机进行初始化，占用一定时间。在需要频繁更换器械的情况下，反复进行电机初始化也会影响手术的效率。

发明内容

为至少部分地克服上述提及的至少一种或者其它发明的技术缺陷，本发明的至少一种实施例提供一种器械操作臂的驱动设备及手术机器人用的手术器械，通过设置轴承座和与轴承座配合的、以相反旋向的方式设置两个单向轴承，实现在驱动装置与控制装置安装过程中无需周向调试，避免电机反复初始化的目的。

根据本公开的一个方面，提供了一种器械操作臂的驱动设备，包括：驱动装置，包括第一基座、以及安装在所述第一基座上的多个驱动部，每个驱动部包括输出轴；控制装置，包括第二基座、以及安装在所述第二基座上的多个控制部，每个控制部包括从动轴，每个所述从动轴被构造成驱动所述器械操作臂产生相应运动；以及多个连接部，每个所述连接部包括：轴承座，安装在所述输出轴上；以及两个单向轴承，以相反旋向的方式设置在所述轴承座内；在所述驱动装置与控制装置安装过程中，所述从动轴分别插入所述单向轴承内，使得所述驱动部分别通过所述连接部驱动所述从动轴转动，同时限制所述从动轴和所述驱动部之间的相对转动。

在本公开实施例中，所述驱动装置还包括多个连接板，分别从所述第一基座朝向所述第二基座延伸，所述连接板包括连接孔；以及所述控制装置还包括多个连接爪，分别从所述第二基座朝向所述第一基座延伸，所述连接爪的末端设置有凸起，所述凸起被配置为分别与所述连接板上的孔配合连接，以限制所述控制装置相对于所述驱动装置的移动。

在本公开实施例中，所述第二基座包括：后基座，所述从动轴的一端穿过所述后基座与所述单向轴承套接；前基座，与所述后基座平行设置，其中，所述从动轴的另一端可转动地安装在所述前基座上，所述前基座上设有适用于安装所述器械操作臂的安装孔，所述器械操作臂的驱动丝穿过所述前基座与所述从动轴连接。

在本公开实施例中，每个所述控制部包括：缠丝轴，所述缠丝轴的一端插入所述单向轴承内，另一端分别转动地安装在所述后基座和所述前基座上用作所述从动轴带动所述驱动丝移动；以及所述控制装置还包括多个导丝轮，安装在所述前基座上并位于所述安装孔和所述缠丝轴之间，以将所述驱动丝从所述器械操作臂引导至所述缠丝轴。

在本公开实施例中，每个所述控制部还包括：至少一个缠丝轮，套设于所述缠丝轴的另一端上，以在所述缠丝轴驱动下缠绕或者解绕所述驱动丝。

在本公开实施例中，所述驱动装置包括：多个电机，安装在所述第一基座的与所述连接部相对的一侧。

在本公开实施例中，所述驱动装置还包括：多个减速器，多个所述减速器的一端分别设置在多个所述电机上，所述减速器的另一端用作所述输出轴，以与所述连接部结合。

在本公开实施例中，所述单向轴承与所述轴承座之间为过盈配合。

在本公开实施例中，所述单向轴承包括多个滚动体，所述单向轴承基于卡紧原理具有一个转动方向的自由度。

根据本公开的另一个方面，提供了一种手术机器人用的手术器械，包括：如上述的驱动设备；器械操作臂，与所述驱动设备连接，被配置为执行手术动作。

根据本发明实施例，通过设置连接部的轴承座安装在输出轴上，在驱动装置与控制装置安装过程中，从动轴插入连接部的两个相反旋向布置的单向轴承中，由于连接部的两个单向轴承以相反旋向设置，即驱动方向相反，且单向轴承只允许从动轴在一个方向上转动，因此，在从动轴插入连接部后两个单向轴承共同限制了从动轴相对于连接部的两个方向的转动，从而使得安装在电机的输出轴上的轴承座通过两个单向轴承驱动从动轴转动。因此，在驱动装置与控制装置整体安装的过程中，无需再进行周向方向的调整，只需在轴向方向上实现对接，就可以实现驱动装置与控制装置的整体安装。

附图说明

图1是根据本发明示意性实施例的驱动装置与控制装置安装后的立体图；

图2是根据本发明示意性实施例的驱动装置的立体图；

图3是根据本发明示意性实施例的控制装置的立体图；

图4是根据本发明示意性实施例的控制部的爆炸图；

图5是根据本发明示意性实施例的连接部的爆炸图；

图6是根据本发明示意性实施例的控制装置的另一视角的立体图；

图7是根据本发明示意性实施例的控制装置的再一视角的立体图；

图8是根据本发明示意性实施例的驱动部、连接部和控制部安装后的爆炸图；

图9是根据本发明示意性实施例的单向轴承的俯视图；

图10是根据本发明示意性实施例的器械操作臂的立体图；以及

图11是根据本发明示意性实施例的驱动装置与控制装置安装前的立体图。

附图标记说明

1：驱动装置；

11：第一基座；

12：驱动部；

121：输出轴；

13：连接板；

14：电机；

15：减速器；

2：控制装置；

21：第二基座；

211：后基座；

212：前基座；

2121：安装孔；

213：后轴承；

214：前轴承；

22：控制部；

221：从动轴；

222：缠丝轴；

223：缠丝轮；

2231：固定螺丝；

23：连接爪；

24：导丝轮

3：连接部；

31：轴承座；

32：单向轴承；

321：滚动体；

322：外圈；

323：内圈；

4：器械操作臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了上述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

在器械操作臂的驱动设备的驱动装置与控制装置整体对接过程中，需要借助于两个表面分布有凸起点和与凸起点配合的凹陷点的圆形零件，例如，具有键槽的轴承座和具有与键槽配合凸键的从动轴，将驱动装置的电机的输出轴和控制装置结合在一起，以实现驱动装置对控制装置的驱动。在对接过程的初始阶段，两零件接触后，凸起点和凹陷点可能存在并未咬合的情况，需要通过电机初始化过程，向左、右分别旋转寻找咬合位置，当凸起点和凹陷点咬合之后，初始化过程结束。整个初始化过程需要占用一定时间，然而手术过程经常需要频繁的更换手术器械，因此，此种对接方式需要反复进行电机初始化进程，进而会影响手术的效率，并且，当电机和从动轴对接之后，电机的左右旋转容易引起手术器械不必要的偏摆，容易对手术器械本身以及目标组织造成破坏。

为此，本发明实施例提出了一种器械操作臂的驱动设备。

图1是根据本发明示意性实施例的驱动设备的立体图；图2是根据本发明示意性实施例的驱动装置1的立体图；图3是根据本发明示意性实施例的控制装置2的立体图；图4是根据本发明示意性实施例的控制部22的爆炸图。

如图1所示，本发明的实施例提供一种器械操作臂4的驱动设备，包括驱动装置1、控制装置2和多个连接部3。

具体地，如图2所示，驱动装置1包括第一基座11以及安装在第一基座11上的多个驱动部12，每个驱动部12包括输出轴121。

如图3所示，控制装置2包括第二基座21以及安装在第二基座21上的多个控制部22。如图1和图4所示，每个控制部22包括从动轴221，每个从动轴221被构造成驱动器械操作臂4产生相应运动。

图5是根据本发明示意性实施例的连接部3的爆炸图。

如图5，每个连接部3包括轴承座31和两个单向轴承32。如图1、如图2和图5所示，轴承座31安装在输出轴121上，两个单向轴承32以相反旋向的方式设置在轴承座31内。在驱动装置1与控制装置2安装过程中，从动轴221分别插入单向轴承32内，使得驱动部12分别通过连接部3驱动从动轴221转动，同时限制从动轴221和驱动部12之间的相对转动。

根据本公开实施例，将连接部3的轴承座31安装在输出轴121上，在驱动装置1与控制装置2安装过程中，连接部3预先安装在驱动装置的输出轴上，从动轴221插入连接部3的两个相反旋向布置的单向轴承32中，由于连接部3的两个单向轴承以相反旋向设置，即驱动方向相反，且单向轴承32只允许从动轴在一个方向上转动，从而使得安装在电机的输出轴上的轴承座通过两个单向轴承驱动从动轴转动。因此，在从动轴221插入连接部3后，两个单向轴承32共同限制了从动轴221相对于连接部3在两个方向上的转动。因此，在驱动装置1与控制装置2整体安装的过程中，无需再进行周向方向的调整，只需在轴向方向上实现连接部与从动轴对接，就可以实现驱动装置1与控制装置2的整体安装。

如图1至图3所示，在一些实施例中，驱动装置1还包括多个连接板13，分别从第一基座11朝向第二基座21延伸，连接板13包括连接孔。控制装置2还包括多个连接爪23，分别从第二基座21朝向第一基座11延伸，连接爪23的末端设置有凸起，凸起被配置为分别与连接板13上的孔配合连接，以限制控制装置2相对于驱动装置1的移动。连接爪23具有一定柔性，通过对连接爪23施加压力可以解除驱动装置1和控制装置2的安装状态。

图6是根据本发明示意性实施例的控制装置2的另一视角的立体图；图7是根据本发明示意性实施例的控制装置2的再一视角的立体图。

如图1、图6和图7所示，第二基座21包括后基座211和前基座212。具体地，从动轴221的一端穿过后基座211与单向轴承32套接。前基座212与后基座211平行设置。从动轴221的另一端可转动地安装在前基座212上，前基座212上设有适用于安装器械操作臂4的安装孔2121，器械操作臂4的驱动丝穿过前基座212与从动轴221连接。器械操作臂4通过安装孔2121穿过前基座212，器械操作臂4的驱动丝在前基座212与后基座211所形成的空间内，缠绕在从动轴221上。

图8是根据本发明示意性实施例的驱动部12、连接部3和控制部22安装后的爆炸图。

如图6至图8所示，在一些实施例中，每个控制部22包括缠丝轴222。具体地，缠丝轴222的一端插入单向轴承32内，另一端分别转动地安装在后基座211和前基座212上用作从动轴221带动驱动丝移动。驱动丝可以通过缠丝轴222上的凹槽缠绕在缠丝轴222上，在输出轴121带动连接部3转动进而带动缠丝轴222转动的情况下，驱动丝缠绕或解绕于缠丝轴222。后基座211和前基座212上可以分别设置定位孔，定位孔中可以分别安装有前轴承214和后轴承213，缠丝轴222可以通过前轴承214和后轴承213，安装在前基座212和后基座211上。

如图6所示，在一些实施例中，控制装置2还包括多个导丝轮24，安装在前基座212上并位于安装孔2121和缠丝轴222之间，以将驱动丝从器械操作臂4穿过前基座212引导至缠丝轴222。通过设置导丝轮24，引导来自于器械操作臂4的在轴向方向上延伸的驱动丝改变行进方向并在径向方向上引导至缠丝轴222，从而调节驱动丝控制器械操作臂4的操作方式和操作方向。如图6和图8所示，在一些实施例中，每个控制部22从动轴221还包括至少一个缠丝轮223，套设于缠丝轴222的另一端上，以在缠丝轴222驱动下缠绕或者解绕驱动丝。可以通过将缠丝轮223安装在缠丝轴222上代替缠丝轴222上的凹槽结构，每个缠丝轮223可以对应一条驱动丝，可以通过设置多个缠丝轮223，进而通过一个缠丝轴222控制多根驱动丝。缠丝轮223上可以设置固定螺丝2231，在通过旋转缠丝轮223，使得驱动丝达到预设预紧力的情况下，可以通过拧紧固定螺丝2231，限制缠丝轮223与缠丝轴222的相对转动。通过设置导丝轮24安装在前基座212上并位于安装孔2121和缠丝轮223之间，引导来自于器械操作臂4的在轴向方向上延伸的驱动丝改变行进方向并在径向方向上引导至缠丝轮223，从而调节驱动丝控制器械操作臂4的操作方式和操作方向。可以理解，导丝轮24的个数与缠丝轮223的个数可以相同。

如图1和图8所示，在一些实施例中，驱动装置1包括多个电机14，安装在第一基座11的与连接部3相对的一侧。电机14的个数可以与连接部3和控制部22的个数相同，通过设置多个电机14实现分别驱动控制部22转动。

如图8所示，在一些实施例中，驱动装置1还包括多个减速器15，多个减速器15的一端分别设置在多个电机14上，减速器15的另一端用作输出轴121，以与连接部3结合。通过设置减速器15可以调节电机14的转速，以满足器械操作臂4的工作需求。电机14可以通过螺钉安装在第一基座11上，减速器15可以通过螺钉安装在电机14上，减速器15上可以设置多个定位孔，轴承座31可以通过定位孔安装在减速器15上。

在一些实施例中，单向轴承32与轴承座31之间为过盈配合，以使单向轴承32与轴承座31相对稳定，避免在从动轴221插入或拔出单向轴承32的情况下产生松动。

图9是根据本发明示意性实施例的单向轴承32的俯视图。

如图9所示，在一些实施例中，单向轴承包括多个滚动体321、外圈322和内圈323，单向轴承基于卡紧原理具有一个转动方向的自由度。

单向轴承中的滚动体可以为滚轴、滚子、楔块、滚针或者滚珠，通过设置外圈322和内圈323之间的结构可以使单向轴承只能向一个方向滚动，而在另一个方向上会产生很大的阻力。

例如，楔块式单向轴承在轴承的内圈和外圈之间会设置一组凸轮楔块。凸轮楔块有两个大小不同的直径，其中，长经的尺寸大于内圈与外圈之间的间距，而短经则小于轴承内圈和外圈之间的距离，在凸轮楔块之间有一根圆柱形的绕线弹簧首尾相连形成一种环形弹簧设置在楔块的支点上，通过弹簧的作用，可以让楔块复位。

例如，斜坡和滚子式单向轴承包括多个滚子、内圈和外圈和与滚子接触的弹簧。轴承的外圈与普通轴承一样，是一个筒子式的外圈，内圈是一个带有斜坡的圆圈。滚子始终与内圈和外圈接触，滚子的工作面为斜坡即滚轴倾斜放置，当轴承顺着滚子处于下坡状态，下坡处空间大，滚子不会受到影响。当逆着转时，滚子是上坡，上坡处比较窄，滚子被卡住，轴承被锁死。

本发明的实施例还提供一种手术机器人用的手术器械，包括上述的驱动设备和与驱动设备连接的器械操作臂4。具体地，器械操作臂4被配置为执行手术动作，通过驱动设备可以控制器械操作臂4执行摆动和开合动作。

图10是根据本发明示意性实施例的器械操作臂4的立体图；图11是根据本发明示意性实施例的驱动装置1与控制装置2安装前的立体图。

如图10所示，器械操作臂4包括刚性杆41、多自由度关节42以及前端开合钳43。如图11所示，器械操作臂4安装于前基座212中心处。器械操作臂4的各组驱动丝从末端引出后，可以通过导丝轮24与缠丝轮223连接。在电机14通电后，可以通过控制电机轴的转动，控制每一组缠丝轮223的转动，进而可以控制器械操作臂4执行摆动和开合动作。

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，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，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，而仅示意本发明实施例的内容。

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，能够根据通过本发明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。

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。

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

Claims (10)

1.一种器械操作臂的驱动设备，包括：

驱动装置，包括第一基座、以及安装在所述第一基座上的多个驱动部，每个驱动部包括输出轴；

控制装置，包括第二基座、以及安装在所述第二基座上的多个控制部，每个控制部包括从动轴，每个所述从动轴被构造成驱动所述器械操作臂产生相应运动；以及

多个连接部，每个所述连接部包括：

轴承座，安装在所述输出轴上；以及

两个单向轴承，以相反旋向的方式设置在所述轴承座内；

在所述驱动装置与控制装置安装过程中，所述从动轴分别插入所述单向轴承内，使得所述驱动部分别通过所述连接部驱动所述从动轴转动，同时限制所述从动轴和所述驱动部之间的相对转动。

2.根据权利要求1所述的驱动设备，其中：

所述驱动装置还包括多个连接板，分别从所述第一基座朝向所述第二基座延伸，所述连接板包括连接孔；以及

所述控制装置还包括多个连接爪，分别从所述第二基座朝向所述第一基座延伸，所述连接爪的末端设置有凸起，所述凸起被配置为分别与所述连接板上的孔配合连接，以限制所述控制装置相对于所述驱动装置的移动。

3.根据权利要求1所述的驱动设备，所述第二基座包括：

后基座，所述从动轴的一端穿过所述后基座与所述单向轴承套接；

前基座，与所述后基座平行设置，其中，所述从动轴的另一端可转动地安装在所述前基座上，所述前基座上设有适用于安装所述器械操作臂的安装孔，所述器械操作臂的驱动丝穿过所述前基座与所述从动轴连接。

4.根据权利要求3所述的驱动设备，每个所述控制部包括：

缠丝轴，所述缠丝轴的一端插入所述单向轴承内，另一端分别转动地安装在所述后基座和所述前基座上用作所述从动轴带动所述驱动丝移动；以及

所述控制装置还包括多个导丝轮，安装在所述前基座上并位于所述安装孔和所述缠丝轴之间，以将所述驱动丝从所述器械操作臂引导至所述缠丝轴。

5.根据权利要求4所述的驱动设备，每个所述控制部还包括：

至少一个缠丝轮，套设于所述缠丝轴的另一端上，以在所述缠丝轴驱动下缠绕或者解绕所述驱动丝。

6.根据权利要求1所述的驱动设备，所述驱动装置包括：

多个电机，安装在所述第一基座的与所述连接部相对的一侧。

7.根据权利要求6所述的驱动设备，所述驱动装置还包括：

多个减速器，多个所述减速器的一端分别设置在多个所述电机上，所述减速器的另一端用作所述输出轴，以与所述连接部结合。

8.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述单向轴承与所述轴承座之间为过盈配合。

9.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述单向轴承包括多个滚动体，所述单向轴承基于卡紧原理具有一个转动方向的自由度。

10.一种手术机器人用的手术器械，包括：

如权利要求1至9中任一所述的驱动设备；

器械操作臂，与所述驱动设备连接，被配置为执行手术动作。

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