CN115530985A - 一种柔性臂的近端驱动结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性臂的近端驱动结构，包括用于驱动柔性臂的远端执行结构弯曲运动的驱动组件，所述驱动组件包括驱动机构、通过驱动机构驱动实现其往复运动的驱动绳及分别与驱动绳固定连接的两根牵引丝，所述牵引丝与所述远端执行结构的某一自由度配合连接以实现在驱动绳的带动下实现该自由度的运动。本发明结构简单，整体重量更轻、更易加工、成本更低、尺寸更加紧凑，相比于丝杠的固定和动力连接，结构复杂度也明显降低，同时可方便地通过增加该传动链的数量来增加柔性臂末端的自由度，方案更容易实现和推广。

Description

一种柔性臂的近端驱动结构

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种柔性臂的近端驱动结构。

背景技术

技术的发展和进步推动着手术机器人技术的丰富和完善，也使得手术机器人技术越来越成熟、应用也越来越多。手术机器人的发展及应用不仅减轻了医生在手术中的体力劳动，同时也使得患者在手术中伤口更小、出血更少、术后感染风险更低、恢复更快等。对于手术机器人，人们不单单要求手术机器人可以使用多个机械臂多个手术开孔完成相应的手术，更希望手术机器人手术开孔更少、器械自由度更高、可达位置更多、活动空间更大等，对于这些需求，柔性臂能更好的满足。柔性臂不仅具有较高的自由度，由于臂体具有柔性，当柔性臂进入人体内可根据内脏器官空间做姿态调整，这样器械末端既可以绕过组织不对组织造成伤害，同时又可以到达病人病灶完成手术操作。

目前柔性臂远端实现结构中存在一些缺陷，如零件之间通过铰链连接，这使得传动结构安装困难，盘叠式的远端执行结构不仅能满足手术场景力学要求，同时也使得整体安装方便，加工也比较容易实现。在近端驱动结构中，利用丝杠螺母的形式驱动镍钛合金丝做直线运动，这种结构的整体尺寸和重量都比较大，且成本高昂，不利于柔性臂技术的应用及推广。

发明内容

发明目的：针对上述不足，本发明提出一种柔性臂的近端驱动结构，利用钨丝绳驱动以及导向的原理实现镍钛合金丝的直线运动，不仅精简了整体结构，同时极大的减轻了传动结构的重量、减小了外形尺寸，器械成本也明显降低，更有利于柔性臂器械的应用和普及。

技术方案：

一种柔性臂的近端驱动结构，包括：用于驱动柔性臂的远端执行结构弯曲运动的驱动组件，所述驱动组件包括驱动机构、通过驱动机构驱动实现其往复运动的驱动绳及分别与驱动绳固定连接的两根牵引丝，所述牵引丝与所述远端执行结构的某一自由度配合连接以实现在驱动绳的带动下实现该自由度的运动。

所述驱动组件的数量根据所述远端执行结构弯曲运动的自由度设置。

所述驱动组件还设有分别连接所述驱动绳与所述牵引丝的传动件，带动所述牵引丝在所述驱动绳的往复运动作用下进行运动。

在所述传动件的两侧均转动安装有导轮，所述驱动绳绕设于其两端的导轮上以改变驱动绳的延伸方向。所述传动件滑动安装于承载体上设置的滑槽中，所述导轮设置于所述滑槽的两端。

所述滑槽方向垂直于所述承载体所在平面。

在所述传动件上沿其滑动方向开设有用于穿设驱动绳的绳槽和用于穿设牵引丝的丝槽；在所述传动件上位于所述绳槽与所述丝槽之间还穿设有用于固定所述驱动绳和所述牵引丝的销轴。

所述驱动机构包括驱动电机及与所述驱动电机的电机轴连接的传动绞盘，所述驱动绳两端与所述牵引丝连接配合后绕设于所述传动绞盘上。

在所述传动绞盘上设置有两段方向相反的绕线槽，所述驱动绳两端分别固定并绕设于所述传动绞盘的两段绕线槽上。

所述驱动组件安装于承载体上，在所述承载体上还安装有用于调节所述驱动绳张紧的张紧件。

所述张紧件包括通过弹性件安装于所述承载体上的张紧支架，在所述张紧支架上还转动安装有张紧轮，所述驱动绳绕设于所述张紧轮上。

所述驱动绳采用钨丝绳，所述牵引丝采用镍钛合金丝。

有益效果：

1、本发明结构简单，整体重量更轻、更易加工、成本更低、尺寸更加紧凑，相比于丝杠的固定和动力连接，结构复杂度也明显降低，同时可方便地通过增加该传动链的数量来增加柔性臂末端的自由度，方案更容易实现和推广。

2、本发明通过一根锁紧销轴固定到传动件上可减少驱动绳与合金丝之间的间距，进而减少合金丝受力对驱动绳产生的倾覆力矩，也减少了传动件与滑槽之间的摩擦力。

3、本发明还增加了张紧结构，有利于驱动绳的张紧延长器械使用寿命，张紧结构的弹力由蝶形弹簧提供，减少了张紧轮结构的轴向尺寸，使得结构更加小巧紧凑，进而使得器械座整体尺寸减少。

附图说明

图1为本发明的柔性臂的结构示意图；

图2为远端执行结构示意图；

图3为远端执行结构末端的结构示意图；

图4为本发明的柔性臂近端驱动结构示意图；

图5为驱动组件示意图；

图6为传动绞盘的结构示意图；

图7为驱动组件的截面图；

图8为传动件的结构示意图；

图9为张紧结构示意图；

图10为本发明柔性臂的工作示意图。

图中，1-近端驱动结构，2-远端执行结构；

11-承载体，12-驱动组件，13-固定盘，14-立柱，15-引导管；

111-承载板，112-固定块；

1121-轮槽，1122-滑槽；

121-驱动电机，122-传动绞盘，123-导轮组，124-驱动绳，125-传动件，126-随动合金丝，127-张紧件；

1221-上绕线槽，1222-下绕线槽；

1231-第一导轮，1232-第二导轮，1233-第三导轮，1234-第四导轮；

1251-绳槽，1252-丝槽，1253-锁紧销轴；

1271-碟簧，1272-张紧支架，1273-张紧轮；

21-穿行段，22-弯曲段，23-锁紧盘；

211-过丝盘，221-骨架管，222-骨架盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1为本发明的柔性臂的结构示意图，如图1所示，本发明的柔性臂包括近端驱动结构1和远端执行结构2，参照图2，本发明的柔性臂近端驱动结构1包括承载体11、设置于承载体11上的驱动组件12、与远端执行结构2端部固定连接的固定盘13、用于连接承载体11与固定盘13的立柱14以及设置于承载体11与固定盘13之间用于穿设驱动组件12中用于传动的合金丝的引导管15。

如图1、2所示，远端执行结构2包括穿行段21、弯曲段22和锁紧盘23，其中穿行段21为若干过丝盘211配合安装形成，过丝盘211为环形盘，其上间隔开设有沿竖直方向的若干组过丝孔，从而形成合金丝穿设的通道；过丝孔的组数与柔性臂的姿态调整自由度相关，也即与近端驱动结构1的驱动组件12数量一致，如柔性臂的自由度调整为偏摆与俯仰两个自由度，那么过丝孔的组数为两组，且每组过丝孔相对设置于过丝盘的周向上。如图3所示，弯曲段22包括设置于其内可实现偏摆或俯仰的骨架管221及在骨架管221外沿其长度方向套设的若干骨架盘222，骨架管221为中空结构，且骨架管221柔性可弯曲；骨架盘222固定套设于骨架管221外，其上间隔开设有沿竖直方向的若干组过丝孔，过丝孔的设置与过丝盘211上一致，从而形成合金丝穿设的通道。如图3所示，锁紧盘23上间隔开设有沿竖直方向的若干组固丝孔，固丝孔的数量设置与过丝盘211和骨架盘222上的过丝孔一致。合金丝穿过引导管15后依次穿设于穿行段21的若干过丝盘211上开设的过丝孔、弯曲段22的若干骨架盘222上开设的过丝孔，再固定于锁紧盘23上的固丝孔内。

如图4所示，承载体11包括与固定盘13通过立柱14配合连接的承载板111及安装于承载板111上的若干固定块112，固定块112成对设置，固定块112的对数与驱动组件12对应。以图中所示的竖直方向定义为上下方向，在固定块112的上下两端分别开设有用于转动安装导轮的轮槽1121，在固定块112上开设有沿上下方向的滑槽1122，如图7所示。

参照图4、5，驱动组件12包括驱动电机121、传动绞盘122、导轮组123，传动件125、驱动绳124及随动合金丝126。驱动电机121固定安装于承载板111下方；传动绞盘122设置于承载板111上方并与驱动电机121的电机轴配合安装，其与成对设置于承载板111上的固定块112成三角布置，且在两固定块112上下两端的轮槽1121内均转动安装有导轮，其中一固定块112上端和下端安装的导轮分别为第一导轮1231和第二导轮1232，另一固定块112下端和上端安装的导轮分别为第三导轮1233和第四导轮1234，从而形成导轮组123；在传动绞盘122上设置有两段方向相反的绕线槽，分别为上绕线槽1221和下绕线槽1222，如图6所示；驱动绳124一端固定并绕设于传动绞盘122的上绕线槽1221上，并依次绕经第一导轮1231、穿设固定块112、绕经第二导轮1232、绕经第三导轮1233、穿设另一固定块112，绕经第四导轮1234，最后绕设并固定于传动绞盘122的下绕线槽1222上，如图5所示。传动件125滑动设置于固定块112内的滑槽1122内，穿设于固定块112内的驱动绳124与传动件之间125无相对滑动配合连接，随动合金丝126上端与传动件之间125固定连接，其下端依次穿过引导管15、过丝盘211及骨架盘222，最终固定于锁紧盘23上；通过驱动电机121带动传动绞盘122转动，可以带动驱动绳124在其绕经路径上的运动，从而可以带动两固定块112内的传动件125在竖直方向上的相对滑动，进而通过传动件125带动对应随动合金丝126的随动，从而可以通过两随动合金丝126实现远端执行结构2的姿态调整动作。

本发明中，驱动组件12的数量与柔性臂的姿态调整自由度一致，本实施例中以柔性臂的偏摆或俯仰动作为例进行说明。

进一步地，如图8所示，传动件125形状与固定块112上开设的滑槽1122一致，其上沿竖直方向开设有用于穿设驱动绳124的绳槽1251和用于穿设随动合金丝126的丝槽1252；同时，在传动件125上位于绳槽1251与丝槽1252之间还开设有垂直于绳槽1251与丝槽1252方向的销轴槽，该销轴槽均与绳槽1251与丝槽1252连通，通过如此设计，在传动件125的绳槽1251与丝槽1252内分别穿设驱动绳124和随动合金丝126后，通过在销轴槽内穿设锁紧销轴1253可以通过锁紧销轴1253与驱动绳124和随动合金丝126之间的摩擦力实现驱动绳124和随动合金丝126与传动件125之间的固定连接，也即无相对滑动连接。

更进一步地，锁紧销轴1253穿设于销轴槽内时，其与驱动绳124和随动合金丝126接触的两侧分别嵌入绳槽1251与丝槽1252内，从而可以更进一步压紧驱动绳124和随动合金丝126，从而增大其与二者之间的摩擦力。

本发明通过一锁紧销轴1253即可同时压紧随动合金丝126和驱动绳124，有效地减小传动件125的径向尺寸，也使得结构设计可以做的更小更紧凑。但本发明并不止于此，本发明可以直接将随动合金丝126和驱动绳124固定于传动件125上；也可以通过两锁紧销轴分别压紧随动合金丝126和驱动绳124，从而实现可拆卸安装。

在本发明中，驱动绳124采用钨丝绳，随动合金丝126采用镍钛合金丝。但本发明中，随动合金丝126的材料包括且不限于镍钛合金丝，任何具有一定刚性且能发生弯曲的材料都可以，同样驱动绳124的材料也包括且不限于钨丝绳，任何具有柔性的能弯折且耐磨、抗拉的材料都可以。

进一步地，由于镍钛合金丝有较大的刚度和硬度，钨丝绳较为柔软，本发明中的销轴槽相对于绳槽1251和丝槽1252非对称设置，其更偏向于绳槽1251，从而在锁紧销轴1253穿设于销轴槽内时，锁紧销轴1253可以更多地压紧钨丝绳，同时也能压住镍钛合金丝。

参照图4、9，本发明的驱动组件12还包括张紧件127，张紧件127固定安装于承载板111上位于两固定块112下端的导轮之间的驱动绳124穿经线路上，其包括通过碟簧1271竖直安装于承载板111上的张紧支架1272，转动安装于张紧支架1272上的张紧轮1273，驱动绳124经第二导轮1232后绕经张紧轮1273上后再绕设于第三导轮1233上。本发明通过碟簧1271的弹性实现张紧轮1273与驱动绳124之间的配合，从而可以自适应调整驱动绳124的张紧，采用碟簧1271更有利于节省结构空间，在本发明中，对于整个传动链来说，张紧件127是非必须的，对于耗材而言如果使用寿命要求不高可以不用张紧件127。

图10为本发明柔性臂的工作示意图，本发明以一组驱动组件12的传动为例，当驱动电机121沿着某个方向转动时，传动绞盘122跟随驱动电机121沿着该方向旋转，传动绞盘结构122转动带动驱动绳124在导轮组123的引导下运动，由于传动件125和驱动绳124、随动合金丝126固连，故驱动绳124带动传动件125在滑槽1122内上下移动，这样一固定块112内的传动件125就会拉动随动合金丝126，另一固定块112内的传动件125推动随动合金丝126，两随动合金丝126末端均穿经穿行段21和弯曲段22后与锁紧盘23固连，从而通过两根随动合金丝126的一收一放可以带动锁紧盘23由A位置运动到B位置从而实现器械末端位姿调整。

本发明只详细说明了柔性臂末端一个自由度的摆动，可通过增加驱动电机121数量、传动链对应数量以及柔性臂串联的数量实现柔性臂末端更多的自由度。

本发明采用钨丝绳的传动方案，结构组成主要是钨丝绳、导轮、绞盘和滑块，这些零件都较小较轻，相比于利用常见的直线运动方案如丝杠传动，该方案整体重量更轻、更易加工、成本更低、尺寸更加紧凑，相比于丝杠的固定和动力连接，结构复杂度也明显降低，同时可方便地通过增加该传动链的数量来增加柔性臂末端的自由度，方案更容易实现和推广；镍钛合金丝与锁紧盘固连故为受力件，将钨丝绳、镍钛合金丝通过一根锁紧销轴固定到滑块上可减少钨丝绳与镍钛合金丝之间的间距，进而减少镍钛合金丝受力对钨丝绳产生的倾覆力矩，也减少了滑块与导向滑槽之间的摩擦力；另外本发明还增加了钨丝绳的张紧结构，有利于钨丝绳的张紧延长器械使用寿命，张紧轮结构的弹力由蝶形弹簧提供，减少了张紧轮结构的轴向尺寸，使得该方案结构更加小巧紧凑，进而使得器械座整体尺寸减少。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：包括用于驱动柔性臂的远端执行结构弯曲运动的驱动组件，所述驱动组件包括驱动机构、通过驱动机构驱动实现其往复运动的驱动绳及分别与驱动绳固定连接的两根牵引丝，所述牵引丝与所述远端执行结构的某一自由度配合连接以实现在驱动绳的带动下实现该自由度的运动。

2.根据权利要求1所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：所述驱动组件的数量根据所述远端执行结构弯曲运动的自由度设置。

3.根据权利要求1所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：所述驱动组件还设有分别连接所述驱动绳与所述牵引丝的传动件，带动所述牵引丝在所述驱动绳的往复运动作用下进行运动。

4.根据权利要求3所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：在所述传动件的两侧均转动安装有导轮，所述驱动绳绕设于其两端的导轮上以改变驱动绳的延伸方向。

5.根据权利要求4所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：所述传动件滑动安装于承载体上设置的滑槽中，所述导轮设置于所述滑槽的两端。

6.根据权利要求5所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：所述滑槽方向垂直于所述承载体所在平面。

7.根据权利要求3所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：在所述传动件上沿其滑动方向开设有用于穿设驱动绳的绳槽和用于穿设牵引丝的丝槽；在所述传动件上位于所述绳槽与所述丝槽之间还穿设有用于固定所述驱动绳和所述牵引丝的销轴。

8.根据权利要求1所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：所述驱动机构包括驱动电机及与所述驱动电机的电机轴连接的传动绞盘，所述驱动绳两端与所述牵引丝连接配合后绕设于所述传动绞盘上。

9.根据权利要求8所述的柔性臂的近端驱动结构，其特征在于：在所述传动绞盘上设置有两段方向相反的绕线槽，所述驱动绳两端分别固定并绕设于所述传动绞盘的两段绕线槽上。

10.根据权利要求1所述的柔性臂近端驱动结构，其特征在于：所述驱动组件安装于承载体上，在所述承载体上还安装有用于调节所述驱动绳张紧的张紧件。

11.根据权利要求10所述的柔性臂近端驱动结构，其特征在于：所述张紧件包括通过弹性件安装于所述承载体上的张紧支架，在所述张紧支架上还转动安装有张紧轮，所述驱动绳绕设于所述张紧轮上。

12.根据权利要求1～11任一所述的柔性臂近端驱动结构，其特征在于：所述驱动绳采用钨丝绳，所述牵引丝采用镍钛合金丝。

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