CN116260274A - 一种手术器械用直线驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术器械用直线驱动器，包括：壳体和驱动装置。壳体包括：前端盖。驱动装置位于所述壳体内。驱动装置包括：第一马达、第二马达、传动机构、螺杆、行星组件和推杆。第一马达和第二马达均安装于壳体远离前端盖的一端。传动机构分别与第一马达和第二马达连接。螺杆的一端与传动机构连接，螺杆的另一端与行星组件连接。推杆靠近前端盖且与所述行星组件连接。所述第一马达和所述第二马达均驱动所述传动机构转动，转动的所述传动机构带动所述螺杆转动，所述行星组件通过转动的所述螺杆推动所述推杆做直线运动。本申请采用双马达冗余设计，当一台马达发生故障时，另一台马达可以继续工作，减少器械发生故障发生卡滞的情况发生。

Description

一种手术器械用直线驱动器

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种手术器械用直线驱动器。

背景技术

手术器械的电动化可以降低医护人员的工作负荷，提高微创手术的操作灵活性和精确性。在医疗领域对直线运动的器械需求较高，医疗器械对安全性的要求较高，现有的直线运动医疗器械只有单级保护，无法做到多级失效保护。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种手术器械用直线驱动器，所述驱动器包括：壳体和驱动装置；所述壳体包括：前端盖；所述驱动装置位于所述壳体内；所述驱动装置包括：第一马达、第二马达、传动机构、螺杆、行星组件和推杆；

所述第一马达和第二马达均安装于所述壳体远离所述前端盖的一端；

所述传动机构分别与所述第一马达和所述第二马达连接；

所述螺杆的一端与所述传动机构连接，所述螺杆的另一端与所述行星组件螺纹套接；

所述推杆靠近所述前端盖且与所述行星组件螺纹连接；

所述推杆为中空结构；

所述第一马达和所述第二马达均驱动所述传动机构转动，转动的所述传动机构带动所述螺杆转动，与所述螺杆套接的所述行星机构可以在转动的所述螺杆上进行直线运动，所述推杆与所述行星组件螺纹连接，所述螺杆可以部分进入中空的所述推杆内，所述行星组件通过转动的所述螺杆推动所述推杆做直线运动。

本申请上述第一方面提供的方案中，手术器械用直线驱动器中的传动机构通过第一马达和第二马达的双驱动方式进行转动，传动机构通过螺杆将驱动力传递至行星组件，行星组件推动推杆做直线运动；与相关技术中只有一个驱动源相比，通过第一马达和第二马达的冗余设计，当第一马达或第二马达任意一个发生故障时，推杆仍然可以在未故障的马达驱动下做直线运动以继续工作，避免手术过程中突然发生器械卡滞的情况出现；同时采用行星组件结构可以提升器械的传动效率，增加输出功率密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了本发明实施例所提供的直线驱动器内部结构示意图一；

图2示出了本发明实施例所提供的直线驱动器内部结构示意图二；

图3示出了本发明实施例所提供的直线驱动器的剖面结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的传动机构各部件连接关系示意图；

图5示出了发明实施例所提供的行星固定架、行星滚子和行星螺母的三者连接关系示意图；

图6示出了发明实施例所提供的螺杆与行星组件之间的连接示意图；

图7示出了发明实施例所提供的推杆外壳和马达外壳之间的连接关系示意图。

图标：

110、前端盖；111、第一马达；112、螺杆；113、力传感器；114、推杆；115、第一马达齿轮；116、马达外壳；117、传动机构外壳；118、推杆外壳；119、控制电路；210、行星螺母；211、行星固定架；212、行星滚子；213、三级传动齿轮；214、插入槽；215、手动轴；216、二级传动齿轮；217、轴承挡片；218、滚珠；219、支撑轴承；310、第二马达；311、第二马达齿轮；312、过渡齿轮；313、关节轴承；314、凸边。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

手术器械的电动化可以降低医护人员的工作负荷，提高微创手术的操作灵活性，精确性，可有效缩短手术时间，提高手术成功率，降低病患痛苦。因此手术器械的电动化，智能化是未来发展的趋势。

由于医疗器械中直线运动的需求很多，但直线驱动的系统较为复杂，需要集成多传感器，旋转直线转换机构，多闭环算法等，会耗费医疗设备开发人员大量精力。因此急需简便易用的一体化伺服系统以加快开发进度。同时手持器械对体积和重量要求很高，一体集成的设计与分立元件搭建相比可以设计制作得更加小巧紧凑，因此一体化设计更具优势。

本发明实施例提供了一种手术器械用直线驱动器，参见图1所示的直线驱动器内部结构示意图一和参见图2所示的直线驱动器内部结构示意图二，该驱动器包括：壳体和驱动装置，壳体包括：前端盖110。驱动装置位于壳体内。驱动装置包括：第一马达111、第二马达310、传动机构、螺杆112、行星组件和推杆114。第一马达111和第二马达310均安装于壳体远离前端盖110的一端。传动机构分别与第一马达110和第二马达310连接。螺杆112的一端与传动机构连接，螺杆112的另一端与行星组件螺纹套接。推杆114靠近前端盖110且与行星组件螺纹连接，推杆114为中空结构。

第一马达110和第二马达310均驱动传动机构转动，转动的传动机构带动螺杆112转动，与螺杆112套接的行星机构可以在转动的螺杆112上进行直线运动，推杆114与行星组件螺纹连接，螺杆112可以部分进入中空的推杆114内，行星组件通过转动的螺杆112推动推杆114做直线运动。

本发明实施例中，壳体为驱动器的外壳，第一马达111和第二马达310能够提供螺杆112的旋转驱动力，第一马达111和第二马达310的转速以及转动方向均相同。传动机构为多级直齿的传动方式。传动机构能够降低第一马达111和第二马达310的转速，同时还可以提升第一马达111和第二马达310的扭矩。螺杆112的外表为螺纹结构并与行星组件配合驱使行星组件做直线运动。需注意，上述的行星组件为现有技术，行星组件并不限制于型号和结构，只要与螺杆112配合能够实现直线运动即可。

参见图3所示的直线驱动器的剖面结构示意图和参见图4所示的传动机构各部件连接关系示意图，进一步地，传动机构，包括：第一马达齿轮115、第二马达齿轮311、二级传动齿轮216、过渡齿轮312、三级传动齿轮213。第一马达齿轮115和第二马达齿轮311分别与第一马达111和第二马达310连接。二级传动齿轮216分别与第一马达齿轮115、第二马达齿轮311和过渡齿轮312啮合。三级传动齿轮213固定于螺杆112且远离前端盖110的一端。三级传动齿轮213与过渡齿轮312啮合。第一马达齿轮115和第二马达齿轮311分别跟随第一马达111和第二马达310同步转动，第一马达齿轮115和第二马达齿轮311驱动二级传动齿轮216转动，通过二级传动齿轮216控制过渡齿轮312的转动，三级传动齿轮213在转动的过渡齿轮312的带动下转动，螺杆112跟随三级传动齿轮213转动。

具体地，第一马达齿轮115和第二马达齿轮311直接与第一马达111和第二马达310连接(以下为了方便阐述，统一将第一马达111和第二马达310统称为驱动源)。第一马达齿轮115和第二马达齿轮311通过三级传动齿轮213实现对螺杆112的驱动。行星组件受壳体的限制，行星组件与壳体接触部分无法在壳体内转动，当螺杆112转动时，行星组件只能进行水平方向的移动(原理类似丝杠螺杆的直线运动)，最终控制推杆114的直线运动。由于第一马达齿轮115和第二马达齿轮311的转速和旋转方向均相同，无论第一马达齿轮115还是第二马达齿轮311任意一个发生故障停止旋转，另一个均可以正常为二级齿轮216提供驱动力，因此直线驱动器实现了有效的多级保护，保证了在手术过程不会发生卡滞现场。

进一步地，参见图5所示的行星固定架、行星滚子和行星螺母的三者连接关系示意图和参见图6所示的螺杆与行星组件之间的连接示意图，行星组件包括：行星固定架211、行星螺母210和行星滚子212。行星固定架211为笼型结构且套接于行星螺母210内，行星螺母210上带有螺纹的凸边314与推杆114螺纹连接，行星滚子212嵌入至行星固定架211上。行星螺母210的内壁上具有与行星滚子212配合的环形槽，行星螺母210外壁设置凸起，驱动器内壁设置与凸起配合的滑槽。由于行星螺母210与驱动器之间有凸起和滑槽的设置，限制了行星螺母210只能沿螺杆112的轴向延长线方向进行运动，行星螺母210无法跟随螺杆112同步转动，行星螺母210在螺杆112的作用下沿直线后推动推杆114进行直线运动。

行星滚子212一侧与螺杆112外螺纹咬合，行星滚子212另一侧与行星螺母210内壁螺纹咬合。螺杆112转动后通过与行星滚子212的咬合带动行星固定架211转动，行星螺母210由于凸起的作用无法同步转动，行星螺母210只能沿滑槽做直线运动。推杆114与行星螺母210通过螺纹连接后，在行星螺母210的作用下，实现推杆114的直线运动。特别地，螺杆112在转动时可以穿过行星组件，推杆114与行星组件的端部螺纹连接，螺杆112穿过行星组件后可以进入中空的推杆114内，螺杆112的直径要小于推杆114的直径。推杆114的存在并不会影响螺杆112的运动。

具体地，行星螺母212被限制于行星固定架211内，行星螺母212无法跟随螺杆112转动，当螺杆112转动时，与螺杆112螺纹连接行星螺母212只能在螺纹的作用下进行直线运动。

进一步地，壳体还包括：轴承支撑组件，轴承支撑组件套在螺杆靠近传动机构的一端，轴承支撑组件对螺杆起到支撑作用。

轴承支撑组件包括：支撑组件本体、卡槽、支撑轴承219、轴承挡片217和滚珠218。支撑组件本体上设置有卡槽。螺杆112靠近传动机构的一端放置于卡槽内，滚珠218位于卡槽内，支撑轴承219套接在螺杆112靠近传动机构的一端，轴承挡片217固定于壳体底部。

再进一步地，参见图7所示的推杆外壳和马达外壳之间的连接关系示意图，该直线驱动器还包括：推杆外壳118、传动机构外壳117和马达外壳116。推杆外壳118位于螺杆112顶部且与前端盖110连接。马达外壳116位于推杆外壳118的上表面，第一马达111和第二马达310均安装于马达外壳116内。传动机构外壳117用于保护传动机构，传动机构外壳117位于推杆外壳118的上表面且与马达外壳116连接。

在本实施例中，为了可以手动驱动传动机构，上述传动机构还包括：手动轴215和摇柄。手动轴215固定于过渡齿轮312上，手动轴215上设置插入槽214，摇柄与插入槽214插接。转动摇柄使手动轴215转动，转动的手动轴215带动过渡齿轮312转动，过渡齿轮312带动三级传动齿轮213和螺杆112转动。

具体地，手动轴215和摇柄为直线驱动器的多级保护中的另一种实现方式，传动机构采用双马达的电驱动方式控制推杆114的直线运动。本实施例中采用手动驱动的方式同样可以实现推杆的直线运动。同时，当发生故障时，可以通过反向旋转摇柄控制推杆114从伤口处及时退出。正向旋转摇柄可以控制推杆114的前进。

本发明实施例中，直线驱动器还包括智能电控的保护方式，传动机构，还包括：控制电路119、限位轴承、力传感器113和线性位置传感器。限位轴承与壳体固定连接，螺杆112穿过壳体延伸至限位轴承且与限位轴承套接。力传感器113安装于限位轴承与螺杆112之间。线性位置传感器安装在行星组件上。控制电路119分别与所述第一马达111、所述第二马达310、力传感器113和线性位置传感器连接。力传感器113，能够采集限位轴承与螺杆112之间的压力信号。线性位置传感器，能够采集行星组件的位移信号。控制电路119接收力传感器113采集的压力信号和线性位置传感器采集的行星组件的位移信号，并根据压力信号和位移信号控制第一马达111和第二马达310转动。其中，该驱动器远离推杆的一端设置有关节轴承313。关节轴承313为球形万象设计，可消除力传感器113受到的干扰，减少力传感器113受到驱动器产生的扭矩，以保证力传感器113只受到螺杆112的轴向力。推杆114的端部可以用于安装负载(负载为手术用器件)，当使用驱动器时推杆的轴线和驱动器的运动轴线若发生不共线，则关节轴承313可以起到调节释放的作用，保证驱动器的正常使用。

具体地，双马达通过人为的控制开启或关闭，实现推杆114的直线运动。手摇摇215柄实现手动驱动并控制推杆114的直线运动。通过智能的控制电路119可以自动识别直线驱动器的异常，无需手动控制即可自动停止推杆114运动。其中，控制电路119包括但不限于单片机、处理器和可编程门阵列模块等。

在本实施例中，为了对直线驱动器进行电控，传动机构，还包括：控制电路119、限位轴承、力传感器113和线性位置传感器。限位轴承与壳体固定连接，螺杆112穿过壳体延伸至限位轴承且与限位轴承套接。力传感器113安装于限位轴承与螺杆112之间。线性位置传感器安装在行星组件上。控制电路119分别与所述第一马达111、所述第二马达310、力传感器113和线性位置传感器连接。力传感器113，能够采集限位轴承与螺杆112之间的压力信号。线性位置传感器，能够采集行星组件的位移信号。控制电路119接收力传感器113采集的压力信号和线性位置传感器采集的行星组件的位移信号，并根据压力信号和位移信号控制第一马达111和第二马达310转动。

通过智能的控制电路119可以自动识别直线驱动器的异常，无需手动控制即可自动停止推杆114运动。其中，控制电路119包括但不限于单片机、处理器和可编程门阵列模块。

综上所述，传动机构通过第一马达111和第二马达310的双驱动进行转动，第一马达111顺时针转动和第二马达310逆时针转动，传动机构通过第一马达齿轮115和第二马达齿轮311共同为二级齿轮216提供驱动力，二级齿轮216进行转动后可以继续通过啮合连接的方式带动过渡齿轮312转动，过渡齿轮312转动后驱动三级齿轮213转动。三级齿轮213安装于螺杆112上，螺杆112跟随三级齿轮213做同步转动的同时，螺杆112另一端驱动行星组件进行直线运动，最终在行星组件的作用下，推杆114实现直线运动；与相关技术中只有一个驱动源相比，通过第一马达111和第二马达310的冗余设计，当第一马达111或第二马达310任意一个发生故障时，推杆114的直线运动可以继续工作，避免手术过程中突然发生器械卡滞的情况，减少患者的疼痛和切口的损伤。同时采用行星组件结构可以提升器械的传动效率，增加输出功率密度。

以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述驱动器包括：壳体和驱动装置；所述壳体包括：前端盖；所述驱动装置位于所述壳体内；所述驱动装置包括：第一马达、第二马达、传动机构、螺杆、行星组件和推杆；

所述第一马达和第二马达均安装于所述壳体远离所述前端盖的一端；

所述传动机构分别与所述第一马达和所述第二马达连接；

所述螺杆的一端与所述传动机构连接，所述螺杆的另一端与所述行星组件螺纹套接；

所述推杆靠近所述前端盖且与所述行星组件螺纹连接；

所述推杆为中空结构；

所述第一马达和所述第二马达均驱动所述传动机构转动，转动的所述传动机构带动所述螺杆转动，与所述螺杆套接的所述行星机构可以在转动的所述螺杆上进行直线运动，所述推杆与所述行星组件螺纹连接，所述螺杆可以部分进入中空的所述推杆内，所述行星组件通过转动的所述螺杆推动所述推杆做直线运动。

2.根据权利要求1所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述传动机构，包括：第一马达齿轮、第二马达齿轮、二级传动齿轮、过渡齿轮、三级传动齿轮；

所述第一马达齿轮和第二马达齿轮分别与所述第一马达和所述第二马达连接；

所述二级传动齿轮分别与所述第一马达齿轮、第二马达齿轮和所述过渡齿轮啮合；

所述三级传动齿轮固定于所述螺杆且远离所述前端盖的一端；

所述三级传动齿轮与所述过渡齿轮啮合；

所述第一马达齿轮和第二马达齿轮分别跟随所述第一马达和所述第二马达同步转动，所述第一马达齿轮和第二马达齿轮驱动所述二级齿轮转动，通过所述二级齿轮控制所述过渡齿轮的转动，所述三级齿轮在转动的所述过渡齿轮的带动下转动，所述螺杆跟随所述三级齿轮转动。

3.根据权利要求2所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述传动机构，还包括：手动轴和摇柄；

所述手动轴固定于所述过渡齿轮上；

所述摇柄固定于所述手动轴上；

转动所述摇柄，使所述手动轴随着摇柄转动，转动的所述手动轴带动所述螺杆转动。

4.根据权利要求3所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述摇柄设置有插入槽，所述手动轴固定在所述插入槽内。

5.根据权利要求2所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述传动机构，还包括：控制电路、限位轴承、力传感器和线性位置传感器；

所述限位轴承与所述壳体固定连接；

所述螺杆穿过所述壳体延伸至所述限位轴承且与所述限位轴承套接；

所述力传感器安装于所述限位轴承与所述螺杆之间；

所述线性位置传感器安装在所述行星组件上；

所述控制电路分别与所述第一马达、所述第二马达、所述力传感器和所述线性位置传感器连接；

所述力传感器，能够采集所述限位轴承与所述螺杆之间的压力信号；

所述线性位置传感器，能够采集所述行星组件的位移信号；

所述控制电路接收所述力传感器采集的压力信号和所述线性位置传感器采集的所述行星组件的位移信号，并根据压力信号和位移信号控制所述第一马达和所述第二马达转动。

6.根据权利要求1所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，还包括：轴承支撑组件；

所述轴承支撑组件套在所述螺杆靠近所述传动机构的一端；

所述轴承支撑组件对所述螺杆起到支撑作用。

7.根据权利要求6所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述轴承支撑组件，包括：支撑组件本体、卡槽、支撑轴承、轴承挡片和滚珠；

支撑组件本体上设置有卡槽；所述螺杆靠近所述传动机构的一端放置于所述卡槽内；

所述滚珠位于所述卡槽内；

所述支撑轴承套接在所述螺杆靠近所述传动机构的一端；

所述轴承挡片固定于所述壳体底部。

8.根据权利要求1所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述第一马达齿轮与所述第二马达齿轮同向转动。

9.根据权利要求1所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述壳体还包括：推杆外壳、传动机构外壳和马达外壳；

所述推杆外壳与所述前端盖连接；

所述传动机构外壳位于所述推杆外壳的表面且与所述马达外壳连接；

所述马达外壳位于所述推杆外壳的上表面，所述第一马达和所述第二马达均安装于所述马达外壳内。

10.根据权利要求1所述的手术器械用直线驱动器，其特征在于，所述行星组件包括：行星固定架、行星螺母和行星滚子；

所述行星固定架为笼型结构且套接于所述行星螺母内；

所述行星螺母端部设置带有螺纹的凸边，所述行星螺母通过带有螺纹的凸边与所述推杆螺纹连接；

所述行星滚子嵌入至所述行星固定架上；所述螺杆外表面处的螺纹与所述行星滚子相互咬合；

所述行星螺母的内壁上具有与所述行星滚子配合的环形槽；

所述行星螺母外壁上设置凸起，所述驱动器内壁上设置有与所述凸起配合的滑槽；

所述凸起和所述滑槽的设置限制了行星螺母沿螺杆轴向进行旋转，行星螺母无法跟随螺杆同步转动，行星螺母在螺杆的作用下沿直线推动推杆进行直线运动。

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