CN216929716U - 一种手术器械及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种手术器械及手术机器人。手术器械包括前端执行器及可操作地连接至前端执行器的驱动组件，驱动组件包括驱动电机及连接在驱动电机与前端执行器之间的驱动线缆；驱动电机为永磁无刷同步电机，其包括定子和转子，定子包括定子芯及设置于定子芯的内圆周上的定子绕组，转子包括转子芯及依次排列于转子芯的外圆周上的多个永磁体，永磁体为海尔贝克阵列型永磁体，定子与转子同轴设置且在定子与转子之间形成气隙。由于驱动电机的输出扭矩增大，在组成驱动组件时，就可以在驱动组件中无需设置中间装置(例如减速机等)。这样，就可以减小驱动组件的惯量，提高响应速度，还可以减少动力的损耗，提高驱动组件的集成度。

Description

一种手术器械及手术机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗器械的技术领域，具体地，涉及一种手术器械及手术机器人。

背景技术

随着科技水平的提高，医疗器械的使用也越来越广泛。

现有的医疗器械中，例如手术机器人的前端手术器械，受到体积及重量的限制，多是在前端设置前端执行机构，重量比较大的驱动装置与前端执行机构之间通过驱动线缆等传动组件进行连接。其中，在驱动装置中设置有驱动电机。

为了能够使驱动电机向执行机构提供较大的输出扭矩，通常还会在驱动装置中设置中间装置(例如减速器)，驱动电机与中间装置连接，利用中间装置降低驱动电机转速，提高驱动电机输出扭矩。但是这样就会增大驱动装置的轴向长度增大且重量增加，由于减速比过大，导致驱动装置的惯量增大，响应速度变慢，难以满足手术等医疗环境中的使用条件。

实用新型内容

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本实用新型的一个方面，提供一种手术器械，包括前端执行器及可操作地连接至前端执行器的驱动组件，驱动组件包括驱动电机及连接在驱动电机与前端执行器之间的驱动线缆；驱动电机为永磁无刷同步电机，其包括定子和转子，定子包括定子芯及设置于定子芯的内圆周上的定子绕组，转子包括转子芯及依次排列于转子芯的外圆周上的多个永磁体，永磁体为海尔贝克阵列型永磁体，定子与转子同轴设置且在定子与转子之间形成气隙。

相较于现有的驱动电机来说，具有海尔贝克阵列型永磁体的驱动电机，可以在产生相同磁场的条件下，使用更少的永磁体，从而使驱动电机内更多的空间用于增大转子半径。转子的半径越大，在相同的电磁力下所产生的扭矩也就越大。由于驱动电机的输出扭矩增大，在组成驱动组件时，就可以在驱动组件中无需设置中间装置(例如减速机等)。这样，驱动组件的惯量减小，响应速度就可以提高。而且，驱动组件在传递动力的过程中，还可以减少动力的损耗。进一步地，由于无需设置中间装置，还可以减小驱动组件的尺寸，使驱动组件的集成度更高。

示例性地，转子芯由轻型材料制成。

示例性地，轻型材料包括碳纤维材料。

示例性地，定子绕组采用分数槽集中绕组，其中，在定子芯的内圆周上设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿极，相邻两个定子齿极之间限定出定子槽，定子齿极上缠绕有绕组线圈。

示例性地，定子芯上开设有21个定子槽，转子芯上设有22个磁极，每个磁极包括一对海尔贝克阵列型永磁体。

示例性地，永磁体沿转子的轴向长度比定子芯的轴向长度大10％。

示例性地，绕组线圈外包覆有采用导热系数大于预定阈值的环氧灌封胶形成的封装层。

示例性地，定子槽为倾斜n个定子槽距的斜槽，其中n小于1。

示例性地，n的取值范围为0.3～0.6。

示例性地，每个永磁体包括磁极方向相互垂直的第一磁钢和第二磁钢；且在相邻排列的两个永磁体中，第一磁钢的磁极方向相反，第二磁钢的磁极方向相反。

示例性地，第一磁钢和第二磁钢均为稀土磁钢。

示例性地，驱动电机还包括单圈绝对值磁编码器，单圈绝对值磁编码器包括：磁码盘，磁码盘包括主码道和游标码道，游标码道包围主码道、或者主码道包围游标码道；及电路板，电路板上集成有霍尔元件采集芯片和信号处理电路，霍尔元件采集芯片用于采集主码道与游标码道的磁极变化信息，信号处理电路用于对磁极变化信息进行处理，输出绝对位置信息。

示例性地，主码道的磁极距为1.5～2mm；游标码道的磁极距为1.5～2mm。

根据本实用新型的另一个方向，提供一种手术机器人，手术机器人包括主操作设备和上文中任一种手术器械，手术器械根据主操作设备的指令执行相应操作。

在实用新型内容中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本实用新型的优点和特征。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施方式及其描述，用来解释本实用新型的原理。在附图中，

图1为根据本实用新型的一个示例性实施例的驱动电机的剖视图；以及

图2为图1中的驱动电机的局部放大图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

100、定子；110、定子芯；111、定子齿极；112、定子槽；120、定子绕组；200、转子；210、转子芯；220、永磁体；221、第一磁钢；222、第二磁钢。

具体实施方式

在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本实用新型。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅示例性地示出了本实用新型的优选实施例，本实用新型可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行详细描述。

根据本实用新型提供一种手术器械。手术器械可以包括前端执行器及可操作地连接至前端执行器的驱动组件。前端执行器可以包括机械手、机械平台或是任何可执行动作的装置。驱动组件则可以是用来为前端执行器提供动力并将动力传递至前端执行器的装置。驱动组件可以包括驱动电机以及连接在驱动电机与前端执行器之间的驱动线缆。驱动电机可以作为动力源，驱动线缆则可以将驱动电机产生的动力传递至前端执行器上。

示例性地，驱动电机可以为永磁无刷同步电机。永磁无刷同步电机是可以通过电子电路换相或电流控制的永磁电机。永磁无刷同步电机可以具有和直流电机相似的优良调速性能，由于采用无刷结构，所以可克服直流电机采用机械式换向装置所引起的换向火花、可靠性低等缺点。

驱动电机可以包括定子100和转子200，如图1所示。

定子100可以包括定子芯110和定子绕组(未示出)。定子绕组可以设置于定子芯110周围。定子绕组120可以是指安装在定子芯上的绕组，在一个实施例中，定子绕组可以包括绕在定子芯110上面的铜线。

转子200可以包括转子芯210和永磁体220。多个永磁体220可以依次排列于转子芯210的外圆周上。定子100与转子200可以同轴设置且在定子100与转子200之间形成气隙。

驱动电机通电后，可以在定子绕组周围形成一个绕驱动电机几何轴线旋转的磁场。该几何轴线可以是定子100和转子200的轴线。该磁场可以驱动转子200上的永磁体220转动，从而带动转子200转动。

驱动电机的性能和永磁体的数量、永磁体的磁通强度、驱动电机输入电压大小等因素有关。本实用新型实施例中的驱动电机，永磁体220可以为海尔贝克阵列型永磁体。海尔贝克阵列可以通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，就可以在磁体一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场。通过该种规律排列的永磁体，可以增强单位方向上的场强，从而达到用最少量的永磁体产生最强的磁场。

相较于现有手术器械中的驱动电机来说，具有海尔贝克阵列型永磁体的驱动电机，可以在产生相同磁场的条件下，使用更少的永磁体，从而使驱动电机内更多的空间用于增大转子半径。转子200的半径越大，在相同的电磁力下所产生的扭矩也就越大。由于驱动电机的输出扭矩增大，在组成驱动组件时，就可以在驱动组件中无需设置中间装置(例如减速机等)，从而驱动组件的惯量减小，响应速度可以提高。而且，驱动组件在传递动力的过程中，还可以减少动力的损耗。进一步地，由于无需设置中间装置，还可以减小驱动组件的尺寸，使驱动组件的集成度更高。

例如，本实用新型一些实施例中提供的手术器械中驱动电机在叠厚25mm时输出扭矩可在无需减速器的条件下达到10Nm以上等级。

此外，现有技术中手术器械中的驱动电机转子不能选用非导磁材料来制作转子芯，否则转子上磁钢的n级和s级无法构成闭环。因此现有技术中手术器械中的驱动电机的转子多是采用钢材质，例如硅钢或10号钢等，转子重量大，转动惯量大。

而本实用新型所提供的手术器械中，由于转子上的永磁体采用海尔贝克阵列永磁体，海尔贝克阵列永磁体可以产生单边磁场分布，所以转子200可无需采用磁性材料为磁场提供通路，也就是说，转子可选用非导磁材料来制作，这样，不仅可以为转子芯210选择材料提供了较大的选择空间，而且可以使转子200具有较低的转动惯量和较高响应性能。

示例性地，转子芯210可以由轻型材料制成，例如铝合金、钛合金等金属材料，或者塑料、树脂等非金属材料，相比现有技术中使用硅钢片或10号钢制作的转子芯来说更轻，轻型材料能够减轻转子的重量，减小转子的转动惯量。优选地，轻型材料可以包括碳纤维材料。碳纤维材料具有重量轻、强度高、不生锈和耐腐蚀等优点，可以为转子200提供良好的机械性能。

示例性地，定子绕组可以采用分数槽集中绕组。其中，在定子芯110的内圆周上可以设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿极111。相邻两个定子齿极111之间限定出定子槽112。即定子齿极111和定子槽112依次设置。定子芯110还可以包括桶状的壳体，定子齿极111的根部与壳体连接，定子齿极111的端部朝向定子的轴线延伸。绕组线圈可以缠绕在定子齿极111上。在集中绕组中，每个绕组线圈在相应的定子齿极111上缠绕完后，可以进入相邻的下一个定子齿极111上进行缠绕，而不必跨过相邻的定子齿极去进行缠绕。这样，绕组线圈无重叠，相互之间绝缘好。另外，线圈端部的长度可以更短，这样，就可以更好地控制驱动电机在其轴向上的长度，进一步减小驱动电机的尺寸，有利于降低产品成本，而且还可以很好地控制驱动电机的发热。

示例性地，定子芯110上可以设置有21个定子槽112，转子芯210上可以设置22个磁极，每个磁极可以包括一对海尔贝克阵列型永磁体。这样，定子槽112的数量与磁极之间产生的最小公倍数就会很大。最小公倍数越大，转子200每转动一圈所被划分的份数就越多，这样，力矩波动较小，驱动电机转动时就会相对较平稳，而且还可以减小驱动电机的齿槽力矩。

示例性地，永磁体220可以沿转子200的轴向长度比定子芯110的轴向长度大10％。这样，可以提高永磁体220所产生的磁场，从而提高驱动电机的转矩。示例性地，绕组线圈外可以采用环氧灌封胶形成的封装层包覆，其中，封装层的导热系数可以大于预定阈值。对于用于手术器械中的驱动电机，将绕组线圈使用封装层包覆可以防止液体等进入绕组线圈中，避免绕组线圈在手术室反复消毒、反复清洗的环境中损伤。同时，由于封装层的导热系数较高，也可以对驱动电机起到良好的散热效果。优选地，环氧灌封胶可以采用具有高导热系数的环氧树脂。

示例性地，定子槽112还可以设置为斜槽，也就是说定子槽112与定子的轴线呈有一定的夹角，不平行。其中，定子槽112的倾斜量可以为n个定子槽距，其中n小于1。定子槽112具有相互连通的第一端和第二端，若定子槽112不倾斜，那么由第一端开始，沿定子的轴线延伸即为该定子槽112的第二端。若倾斜量n为1，那么由该定子的第一端开始，沿定子的轴线延伸，将达到相邻定子槽的第二端，这样以此类推。

具有该设置的驱动电机，可以减少转子200在转动时产生的振动和噪声，还可以减少转子200在转动过程中产生的波动。

示例性地，n的取值范围为0.3～0.6。优选地，n可以为0.583。其中0.5为定子槽倾斜的槽距，0.083是考虑到制造工艺误差选取的安全余量。根据物理实验所得，由于定子绕组采用集中绕组的形式，所以，如果n为0.5，就可以把输出的力矩波动降低10倍以上，但同时输出的力矩只会降低8％～10％，该力矩波动已经可以满足临床需要。但是如倾斜1个槽距，虽然力矩波动会进一步降低，但力矩也将要损失15％以上。综上，优选地，n可以选取0.583。

示例性地，每个永磁体220可以包括磁极方向相互垂直的第一磁钢221和第二磁钢222。在相邻排列的两个永磁体220中，第一磁钢221的磁极方向相反，第二磁钢222的磁极方向相反，如图2所示。通过该种规律排列的永磁体，可以增强单位方向上的场强，从而达到用最少量的永磁体产生最强的磁场。在一些实施例中，第一磁钢和第二磁钢的宽度可以为6.5mm，高度可以为3mm，其中宽度是指沿转子周向方向上的尺寸，高度是指沿转子径向方向上的尺寸。

示例性地，第一磁钢221和第二磁钢222可以均为稀土磁钢。由于稀土磁钢具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以容许所制成的驱动电机具有较大的气隙长度和气隙密度，因而在永磁体安放和磁路结构设计上有很大灵活性，可以根据使用场合，制成与传统驱动电机不同的结构形状和尺寸。这既可以进一步减少驱动电机的质量和转动惯量，提高驱动电机的反应灵敏度；又可以减少驱动电机转矩的脉动，增加运行的平稳性；还可以简化驱动电机的结构和工艺。

示例性地，驱动电机还可以包括单圈绝对值磁编码器。单圈绝对值磁编码器可以包括：磁码盘和电路板。

一些实施例中，单圈绝对值编码器可以选用双码道单圈绝对值编码器。示例性的，磁码盘可以包括主码道和游标码道。主码道和游标码道均可为由依次排列的多个磁极形成的环形磁栅，游标码道可以包围主码道、或者主码道包围游标码道。电路板上可以集成有霍尔元件采集芯片和信号处理电路。霍尔元件采集芯片可以用于采集主码道与游标码道的磁极变化信息，信号处理电路可以用于对磁极变化信息进行处理，输出绝对位置信息。

单圈绝对值编码器的转动轴线可以和转子的轴线同轴。当转子200转动时，可以带动单圈绝对值编码器转动。霍尔元件采集芯片可以根据主码道和游标码道的差异来对转子的转动角度精确测量。

利用单圈绝对值编码器检测驱动电机的转动参数是本领域技术人员所熟知的，不再进行赘述。

示例性地，主码道的磁极距可以为1.5～2mm。游标码道的磁极距可以为1.5～2mm。磁极距过小，其制造及装配难度过大；磁极距过大，磁码盘上所容纳的磁极数量就会减少，因此编码精度又会难以保证。而上述方案中将双码道单圈绝对值编码器中磁极距设计为1.5～2mm，可实现不低于17位的编码器精度。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种手术机器人，手术机器人可以包括主操作设备和上文中任一种手术器械。手术器械可以根据主操作设备的指令执行相应操作。主操作设备可以包括计算机、控制器和人机交互系统等。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“竖向”、“垂直”、“水平”和“顶”、“底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内”、“外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用区域相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述图中所示的一个或多个部件或特征与其他部件或特征的区域位置关系。应当理解的是，区域相对术语不但包含部件在图中所描述的方位，还包括使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件被整体倒置，则部件“在其他部件或特征上方”或“在其他部件或特征之上”的将包括部件“在其他部件或构造下方”或“在其他部件或构造之下”的情况。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。此外，这些部件或特征也可以其他不同角度来定位(例如旋转90度或其他角度)，本文意在包含所有这些情况。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (14)

1.一种手术器械，包括前端执行器及可操作地连接至所述前端执行器的驱动组件，所述驱动组件包括驱动电机及连接在所述驱动电机与所述前端执行器之间的驱动线缆；其特征在于，所述驱动电机为永磁无刷同步电机，其包括定子和转子，所述定子包括定子芯及设置于所述定子芯的内圆周上的定子绕组，所述转子包括转子芯及依次排列于所述转子芯的外圆周上的多个永磁体，所述永磁体为海尔贝克阵列型永磁体，所述定子与所述转子同轴设置且在所述定子与所述转子之间形成气隙。

2.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述转子芯由轻型材料制成。

3.根据权利要求2所述的手术器械，其特征在于，所述轻型材料包括碳纤维材料。

4.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述定子绕组采用分数槽集中绕组，其中，在所述定子芯的内圆周上设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿极，相邻两个定子齿极之间限定出定子槽，所述定子齿极上缠绕有绕组线圈。

5.根据权利要求4所述的手术器械，其特征在于，所述定子芯上开设有21个定子槽，所述转子芯上设有22个磁极，每个磁极包括一对所述海尔贝克阵列型永磁体。

6.根据权利要求5所述的手术器械，其特征在于，所述永磁体沿所述转子的轴向长度比所述定子芯的轴向长度大10％。

7.根据权利要求4所述的手术器械，其特征在于，所述绕组线圈外包覆有采用导热系数大于预定阈值的环氧灌封胶形成的封装层。

8.根据权利要求4所述的手术器械，其特征在于，所述定子槽为倾斜n个定子槽距的斜槽，其中n小于1。

9.根据权利要求8所述的手术器械，其特征在于，n的取值范围为0.3～0.6。

10.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，每个所述永磁体包括磁极方向相互垂直的第一磁钢和第二磁钢；且在相邻排列的两个所述永磁体中，所述第一磁钢的磁极方向相反，所述第二磁钢的磁极方向相反。

11.根据权利要求10所述的手术器械，其特征在于，所述第一磁钢和所述第二磁钢均为稀土磁钢。

12.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述驱动电机还包括单圈绝对值磁编码器，所述单圈绝对值磁编码器包括：

磁码盘，所述磁码盘包括主码道和游标码道，所述游标码道包围所述主码道、或者所述主码道包围所述游标码道；及

电路板，所述电路板上集成有霍尔元件采集芯片和信号处理电路，所述霍尔元件采集芯片用于采集所述主码道与所述游标码道的磁极变化信息，所述信号处理电路用于对所述磁极变化信息进行处理，输出绝对位置信息。

13.根据权利要求12所述的手术器械，其特征在于，所述主码道的磁极距为1.5～2mm；所述游标码道的磁极距为1.5～2mm。

14.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括主操作设备和如权利要求1-13任一项所述的手术器械，所述手术器械根据所述主操作设备的指令执行相应操作。

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