CN118177979A - 一种两自由度手术机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两自由度手术机器人关节，包括底座、安装于底座上的线性动力件、安装于底座且位于线性动力件一侧的夹具和安装于夹具上的器械，器械与夹具转动连接；器械的末端连接有丝杆和与丝杆螺纹连接的转动件，底座或夹具上设置有与器械的轴线平行的导向件，转动件与导向件滑动连接；线性动力件的输出端连接有驱动件，驱动件设置有供丝杆穿过的贯穿部且驱动件位于器械和转动件之间。通过一个直线动力件就可以实现分别驱动器械做直线运动和旋转运动，减少两自由度手术机器人在末端设置有动力件的数量，简化手术机器人的控制系统和降低机器人末端的重量。

Description

一种两自由度手术机器人关节

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，更具体地，涉及一种两自由度手术机器人关节。

背景技术

两自由度的手术机器人指的是能够驱动器械旋转和驱动器械在深度方向进给的机器人，这种类型的机器人为了保证器械旋转和进给动作的实现一般会在手术机器人末端关节处添加两个电机，一个电机用于控制器械旋转，一个电机用于控制器械做直线运动。但在末端使用两个电机实现两个自由度存在以下的缺陷：(1)末端增加了电机导致手术机器人的体积增大使得机器人的空间兼容性下降，在有限的空间下设备干涉的风险更大；(2)电机增加使系统复杂性增加，控制系统更复杂成本更高；(3)增加电机导致末端重量变大，在运动过程中的惯量增大会使得器械尖端的抖动变大增加手术的风险。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的两个电机分别驱动器械旋转和进给存在问题，提供一种两自由度手术机器人关节，只需要一个电机就可以同时控制器械的旋转和进给。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种两自由度手术机器人关节，包括底座、安装于所述底座上的线性动力件、安装于所述底座且位于所述线性动力件一侧的夹具和安装于所述夹具上的器械，所述器械与所述夹具转动连接；所述器械的末端连接有丝杆和与所述丝杆螺纹连接的转动件，所述底座或所述夹具上设置有与所述器械的轴线平行的导向件，所述转动件与所述导向件滑动连接；所述线性动力件的输出端连接有驱动件，所述驱动件设置有供所述丝杆穿过的贯穿部且所述驱动件位于所述器械和所述转动件之间。

在上述的技术方案中，器械可以是公开号为CN218484655U的专利文件中的镊剪装置或者具有相似结构的器械，其中相似结构指的是按压器械末端可以使得器械内部的部件做直线运动。直线动力件为直线电机，直线动力件带动驱动件沿着丝杆移动，由于驱动件具有贯穿部，因此驱动件的移动不会对丝杆造成影响，当驱动向器械的方向移动并且按压器械的末端时，器械末端的部件会带动丝杆和转动件一起向下运动，使得器械内部的部件做直线运动。当需要驱动器械旋转的时候，直线动力件带动驱动件向转动件的方向移动，当转动件向上移动的时候，由于与丝杆连接的驱动座在器械内受到限制无法脱出器械，因此丝杆无法跟随转动件移动，同时转动件也受到导向件的限制，无法转动，因此驱动件带动转动件沿着导向件直线滑动的时候，与转动件螺纹连接的丝杆会自转并且带动整个器械转动。

优选的，由于丝杆和转动件之间的相对运动会互相影响，在驱动件带动丝杆向下移动的时候，为了确保转动件能够跟随丝杆向下移动并且丝杆不会发生转动，将所述驱动件与所述器械的接触面的摩擦力设置为大于所述转动件与所述导向件之间的滑动摩擦力，当转动件克服与导向件的滑动摩擦力跟随丝杆向下运动时，驱动件和器械之间由于摩擦力的阻挡，丝杆无法发生转动，确保在控制器械镊子或者剪刀闭合的时候，器械不会发生旋转。

优选的，还包括电磁铁，所述转动件设置有连接部，所述电磁铁安装于所述连接部上，驱动件为金属材质。由于驱动件向器械的方向移动就会脱离转动件，导致转动件只能单方向移动，也就是器械只能单方向转动，也这样导致控制器械的灵活性不够。通过增加电磁铁，电磁铁在通电后可以吸附驱动件，驱动件向器械的方向移动也可以带着转动件一起移动，从而实现转动件能够带动器械正转或反转。

优选的，所述电磁铁设置有两个，分别位于所述转动件的两侧。电磁铁吸附驱动件的两侧，吸附力更好且让驱动件的受力更加均匀，驱动件在移动过程中不易脱离且不会发生卡顿。

优选的，还包括传动组件，所述传动组件包括连接所述线性动力件和所述驱动件的传动件，所述驱动件和所述传动件通过紧固件连接。通过传动件可以对驱动件的行程进行延长。

优选的，所述传动组件还包括限位块，所述限位块和所述传动件之间形成用于容纳所述驱动件的卡槽；所述驱动件位于所述卡槽内，所述紧固件穿过所述限位块与所述驱动件连接并将所述驱动件固定在所述卡槽内。驱动件位于卡槽内，当拧松紧固件的时候，驱动件就可以在卡槽内绕着紧固件转动，从而便于在安装的时候调整驱动件的位置从而让其贯穿部套装在丝杆上。

优选的，所述底座还安装有滑轨和安装于所述滑轨上的滑块；所述传动组件还包括与所述滑块和所述传动件连接的滑动件。直线动力件驱动传动件做直线运动的时候，受到滑轨和滑块的限制，传动件的直线运动更加稳定，不会发生偏移。

优选的，所述器械外表面套装有轴承，所述夹具通过夹紧所述轴承从而固定所述器械。

优选的，所述夹具包括与所述底座连接的夹具座和安装于所述夹具座上的夹具盖，所述器械位于所述夹具盖和所述夹具座之间；所述夹具座的底面设置有安装架，所述导向件安装于所述安装架上。导向件安装在夹具上，在安装的时候，可以将器械和夹具一体装好之后在固定到底座上，更便于组装。

优选的，所述夹具还包括用于将所述夹具座固定于所述底座上的锁紧件，所述锁紧件位于所述夹具座和所述夹具盖之间形成的腔体内；由于夹具座在装入器械后，器械与夹具座之间还是会留有间隙，将锁紧件安装于此处可以提高空间的利用，也可以避免锁紧件对转动件沿着导向件的运动造成干涉。

所述锁紧件包括与所述底座螺纹连接的螺杆部和与所述螺杆部连接且延伸至所述夹具座外的手柄部；所述夹具座设置供所述螺杆部穿过的通孔或螺纹孔。通过施力于手柄部可以拧松或者拧紧锁紧件，从而实现夹具座安装或拆卸。其中，设置手柄部可以无需使用工具进行装拆，同时，手柄部不会因为器械的遮挡而难以操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过一个直线动力件就可以实现分别驱动器械做直线运动和旋转运动，减少两自由度手术机器人在末端设置有动力件的数量，简化手术机器人的控制系统和降低机器人末端的重量。

附图说明

图1是本发明的一种两自由度手术机器人关节的结构示意图；

图2是本发明的底座、直线动力件、传动组件和驱动件的爆炸图；

图3是本发明的夹角、丝杆、器械和驱动件的爆炸图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1-3所示为一种两自由度手术机器人关节的实施例，包括底座1、安装于底座1上的线性动力件2和安装于底座1且位于线性动力件2一侧的夹具3和安装于夹具3上的器械4，器械4与夹具3转动连接；器械4的末端连接有丝杆5和与丝杆5螺纹连接的转动件6，底座1或夹具3上设置有与器械4的轴线平行的导向件7，转动件6与导向件7滑动连接；线性动力件2的输出端连接有驱动件8，驱动件8设置有供丝杆5穿过的贯穿部801且驱动件8位于器械4和转动件6之间，驱动件8与器械4末端的接触面的摩擦力设置为大于转动件6与导向件7之间的滑动摩擦力。本实施例的器械4为公开号为CN218484655U的专利文件中的镊剪装置或者具有相似结构的器械，其中相似结构指的是按压器械末端可以使得器械内部的部件做直线运动。镊剪装置的末端为驱动座，也就是器械4的末端为驱动座401，驱动件8位于驱动座401和转动件6之间，丝杆5与驱动座401连接。

具体的，还包括电磁铁9，转动件6设置有连接部601，电磁铁9安装于连接部601上。由于驱动件8向器械4的方向移动就会脱离转动件6，导致转动件6只能单方向移动，也就是器械4只能单方向转动，也这样导致控制器械4的灵活性不够。通过增加电磁铁9，电磁铁9在通电后可以吸附驱动件8，驱动件8向器械4的方向移动也可以带着转动件6一起移动，从而实现转动件6能够带动器械4正转或反转。电磁铁9设置有两个，分别位于转动件6的两侧。电磁铁9吸附驱动件8的两侧，吸附力更好且让驱动件8的受力更加均匀，驱动件8在移动过程中不易脱离且不会发生卡顿。

在一些实施方式中，还包括传动组件，传动组件包括连接线性动力件2和驱动件8的传动件10以及限位块12，驱动件8和传动件10通过紧固件11连接，限位块12和传动件10之间形成用于容纳驱动件8的卡槽；驱动件8位于卡槽内，紧固件11穿过限位块12与驱动件8连接并将驱动件8固定在卡槽内。驱动件8位于卡槽内，当拧松紧固件11的时候，驱动件8就可以在卡槽内绕着紧固件11转动，从而便于在安装的时候调整驱动件8的位置从而让其贯穿部801套装在丝杆5上。在本实施例中，驱动件8的贯穿部801连通至驱动件8的一侧，驱动件8可以在卡槽内绕着紧固件11转动来卡入至丝杆5处或者脱离丝杆5，让机器人的夹具3安装和直线动力件的安装可以分开互不影响，组装更加便利。同时，紧固件11可以使用手拧螺栓，通过拧紧手拧螺栓压紧在传动件10上从而实现驱动件8的固定且无需使用工具。

进一步的，底座1还安装有滑轨13和安装于滑轨13上的滑块14；传动组件还包括与滑块14和传动件10连接的滑动件15。直线动力件驱动传动件10做直线运动的时候，受到滑轨13和滑块14的限制，传动件10的直线运动更加稳定，不会发生偏移。在本实施例中，为了减少底座1的宽度，底座1在高度方向上安装有支架17，滑轨13安装于支架17上，其中，支架17位于直线动力件远离底座1一侧。

本实施例的工作原理或工作流程：直线动力件为直线电机，直线动力件带动驱动件8沿着丝杆5移动，由于驱动件8具有贯穿部801，因此驱动件8的移动不会对丝杆5造成影响，当驱动向器械4的方向移动并且按压器械4的驱动座时，由于驱动件8与器械4的接触面的摩擦力设置为大于转动件6与导向件7之间的滑动摩擦力，当转动件6克服与导向件7的滑动摩擦力跟随丝杆5向下运动时，驱动件8和器械4之间由于摩擦力的阻挡，丝杆5无法发生转动，确保在控制器械4镊子或者剪刀闭合的时候，器械4不会发生旋转，驱动座会带动丝杆5和转动件6一起向下运动，使得器械4的镊子能够闭合。当需要驱动器械4旋转的时候，直线动力件带动驱动件8向转动件6的方向移动，启动电磁铁9，让电磁铁9吸附驱动件8，使得驱动件8可以带动转动件6沿着导向件7上下滑动，转动件6上下滑动的过程中，由于与丝杆5连接的驱动座401在器械4内受到限制无法脱出器械4，本实施例中，器械4是上述所说的镊剪装置，该镊剪装置通过固定架实现限位，让驱动座无法脱离器械4的外管，因此丝杆5无法跟随转动件6移动，同时转动件6也受到导向件7的限制，无法转动，因此驱动件8带动转动件6沿着导向件7直线滑动的时候，与转动件6螺纹连接的丝杆5会自转并且带动整个器械4转动。

其中，当驱动件8带动转动件6向器械4方向移动的时候，丝杆5也会跟随向下运动，使得器械4的镊子或剪刀闭合，当丝杆5运动至器械4的极限位置时，丝杆5无法再向下运动，丝杆5就会发生旋转。而由于镊子或剪刀的闭合是在到达目标位置才需要进行控制的，而旋转器械4是为了更好让器械4以特定姿态到达目标位置，所以在器械4转动之前镊子或剪刀张开或闭合并不会有不良影响。

本实施例的有益效果：通过一个直线动力件就可以实现分别驱动器械4做直线运动和旋转运动，减少两自由度手术机器人在末端设置有动力件的数量，简化手术机器人的控制系统和降低机器人末端的重量。

实施例2

一种两自由度手术机器人关节的实施例2，与实施例1的区别在于，如图3所示，对夹具3进一步限定。

其中，夹具3通过轴承16与器械4转动连接，具体的，器械4外表面套装有轴承16。

具体的，夹具3包括与底座1连接的夹具座301和安装于夹具座301上的夹具盖302，器械4位于夹具盖302和夹具座301之间；夹具座301的底面设置有安装架303，导向件7安装于安装架303上。导向件7安装在夹具3上，在安装的时候，可以将器械4和夹具3一体装好之后在固定到底座1上，更便于组装。

在本实施例中，夹具3还包括用于将夹具座301固定于底座1上的锁紧件304，锁紧件304位于夹具座301和夹具盖302之间形成的腔体内；由于夹具座301在装入器械4后，器械4与夹具座301之间还是会留有间隙，将锁紧件304安装于此处可以提高空间的利用，也可以避免锁紧件304对转动件6沿着导向件7的运动造成干涉。锁紧件304包括与底座1螺纹连接的螺杆部和与螺杆部连接且延伸至夹具座301外的手柄部3041；夹具座301设置供螺杆部穿过的通孔或螺纹孔。通过施力于手柄部3041可以拧松或者拧紧锁紧件304，从而实现夹具座301安装或拆卸。其中，设置手柄部3041可以无需使用工具进行装拆，同时，手柄部3041不会因为器械4的遮挡而难以操作。

本实施例的其余特征和工作原理与实施例1一致。

实施例3

一种两自由度手术机器人关节系统的实施例，包括实施例1或实施例2的一种两自由度机器人、控制器、操作杆和脚踏开关，控制器分别与直线动力件、操作杆和脚踏开关电连接。该系统在初始化的状态下，直线动力件位于行程重点的位置，当控制器接收到操作杆使器械4旋转的信号时，电磁铁9吸合，线性电机向上运动器械4旋转，动作结束，电磁铁9断电。当控制器接收到脚踏的信号使得器械4动作，线性电机向下运动，器械4闭合。其中操作杆和脚踏开关的功能可以互换。

本实施例的其余特征和工作原理与实施例1或实施例2相同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两自由度手术机器人关节，包括底座(1)、安装于所述底座(1)上的线性动力件(2)和安装于所述底座(1)且位于所述线性动力件(2)一侧的夹具(3)和安装于所述夹具(3)上的器械(4)，所述器械(4)与所述夹具(3)转动连接；其特征在于，所述器械(4)的末端连接有丝杆(5)和与所述丝杆(5)螺纹连接的转动件(6)，所述底座(1)或所述夹具(3)上设置有与所述器械(4)的轴线平行的导向件(7)，所述转动件(6)与所述导向件(7)滑动连接；所述线性动力件(2)的输出端连接有驱动件(8)，所述驱动件(8)设置有供所述丝杆(5)穿过的贯穿部(801)且所述驱动件(8)位于所述器械(4)和所述转动件(6)之间。

2.根据权利要求1所述的远程手术操作手，其特征在于，所述驱动件(8)与所述器械(4)的接触面的摩擦力大于所述转动件(6)与所述导向件(7)之间的滑动摩擦力。

3.根据权利要求1所述的远程手术操作手，其特征在于，还包括电磁铁(9)，所述转动件(6)设置有连接部(601)，所述电磁铁(9)安装于所述连接部(601)上。

4.根据权利要求3所述的远程手术操作手，其特征在于，所述电磁铁(9)设置有两个，分别位于所述转动件(6)的两侧。

5.根据权利要求1所述的远程手术操作手，其特征在于，还包括传动组件，所述传动组件包括连接所述线性动力件(2)和所述驱动件(8)的传动件(10)，所述驱动件(8)和所述传动件(10)通过紧固件(11)连接。

6.根据权利要求5所述的远程手术操作手，其特征在于，所述传动组件还包括限位块(12)，所述限位块(12)和所述传动件(10)之间形成用于容纳所述驱动件(8)的卡槽；所述驱动件(8)位于所述卡槽内，所述紧固件(11)穿过所述限位块(12)与所述驱动件(8)连接并将所述驱动件(8)固定在所述卡槽内。

7.根据权利要求5所述的远程手术操作手，其特征在于，所述底座(1)还安装有滑轨(13)和安装于所述滑轨(13)上的滑块(14)；所述传动组件还包括与所述滑块(14)和所述传动件(10)连接的滑动件(15)。

8.根据权利要求1所述的远程手术操作手，其特征在于，所述器械(4)外表面套装有轴承(16)，所述夹具(3)通过夹紧所述轴承(16)从而固定所述器械(4)。

9.根据权利要求1-8任一所述的远程手术操作手，其特征在于，所述夹具(3)包括与所述底座(1)连接的夹具座(301)和安装于所述夹具座(301)上的夹具盖(302)，所述器械(4)位于所述夹具盖(302)和所述夹具座(301)之间；所述夹具座(301)的底面设置有安装架(303)，所述导向件(7)安装于所述安装架(303)上。

10.根据权利要求9所述的远程手术操作手，其特征在于，所述夹具(3)还包括用于将所述夹具座(301)固定于所述底座(1)上的锁紧件(304)，所述锁紧件(304)位于所述夹具座(301)和所述夹具盖(302)之间形成的腔体内；所述锁紧件(304)包括与所述底座(1)螺纹连接的螺杆部和与所述螺杆部连接且延伸至所述夹具座(301)外的手柄部(3041)；所述夹具座(301)设置供所述螺杆部穿过的通孔或螺纹孔。