CN218576237U - 动力盒及控制臂 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种动力盒及控制臂，动力盒包括固定板及多个电机，电机的机体设于固定板，输出轴伸出固定板的上表面，还包括控制模块及与多个编码器，其中：编码器与电机一一对应，包括环形光栅盘及读数头，光栅盘套设于输出轴且朝向固定板的表面上具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线，读数头设于固定板的上表面且位于刻度线的正下方；控制模块设于固定板，且与电机及读数头通信连接，用于根据读数头所采集的刻度线的刻度信息控制电机的转动；由于编码器靠近电机的输出轴使得累计误差及精度损失小，精度达到22bit，远高于增量式编码器和磁栅尺，不具有消磁风险，编任意刻度线位置均可作为机械原点，能够实现故障快速恢复，节省手术时间。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种动力盒及控制臂。
背景技术
随着医疗器械、计算机技术及控制技术的不断发展，微创手术以其手术创伤小、康复时间短、患者痛苦少等优点得到了越来越广泛的应用。而微创手术机器人以其稳定性高、高灵巧性、高控制精度、直观的手术图像等特点能够避免操作局限性，如过滤操作时手部的震颤等，广泛适用于腹腔、盆腔、胸腔等手术区域。
目前，在手术时，医生通过主控制端发出指令遥控操作从端多机械臂集成多个自由度互相协作，动力盒在执行从端多机械臂运动的同时带动器械盒以满足医生需求的手术体位到达预定位置，以便于在不同手术体位下的实施切除、缝合等动作，完成外科手术。动力盒在运动时需要通过增量式编码器、磁栅尺或绝对值光栅编码器等检测装置获取其内电机的转动位置，但增量式编码器缺少机械原点，一旦断电之后会发生移动，计数脉冲无法记录，再次通电无法再次获取之前的原点位置，造成不可预测的误差，同时抗干扰能力较弱，外界信号会干扰到脉冲信号的传输，影响检测精度；磁栅尺虽具有固定的机械原点，但分辨率低于12bit，精度不足，同时还存在消磁风险；而绝对值光栅编码器受限于安装空间，只能安装在远离电机输出轴的位置，电机输出轴的旋转角度通过齿轮、同步带等传递到绝对值光栅编码器上，传递过程中由于齿轮背隙等存在会造成较明显的精度损失；这三种检测装置均存在较大的检测误差，造成电机对器械盒控制精度不足、不同步、累积误差等问题，进而影响医生细微动作的操作精度和体验，甚至是对患者造成不可逆的伤害。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种动力盒及控制臂，以能够实时调整电机的位置，提高医生细微动作的操作精度和体验。
本实用新型提供了一种动力盒，包括固定板及多个电机，所述电机的机体设于所述固定板，且所述电机的输出轴伸出所述固定板的上表面，还包括控制模块及与多个编码器，其中：
所述编码器与所述电机一一对应，所述编码器包括环形光栅盘及读数头，所述光栅盘套设于所述输出轴且朝向所述固定板的表面上具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线，所述读数头设于所述固定板的上表面且位于所述刻度线的正下方；
所述控制模块设于所述固定板，且与所述电机及所述读数头通信连接，用于根据所述读数头所采集的所述刻度线的刻度信息控制所述电机的转动。
在上述动力盒使用时，电机转动带动光栅盘随之转动，多圈刻度线随之旋转，读数头向着多圈刻度线发送一定波长的光线，并接收反射光线以获得刻度线的刻度信息，读数头将刻度信息传输至控制模块，控制模块根据刻度线的刻度信息得编码器的实时位置，以确定电机的运动位置与目标位置的差异，并控制电机运动进行实时调整，以便准确的达到目标位置；由于编码器靠近电机的输出轴设置且能够实时获取电机的物理位置，无需担心器械操作过程时间较长带来的累计误差，电机输出轴的旋转角度能够较短距离地传递到光栅盘上，减少传递过程中的精度损失；光栅盘具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线，使得精度达到22bit，远高于增量式编码器和磁栅尺，相对于磁栅尺不具有消磁风险，而且编码器的任意刻度线位置均可以作为机械原点，当遇到断电或信号中断输出轴位置变动，通电或者信号连接之后，控制模块可以通过编码器快速获取当前位置，并对比之前位置，进行快速调整和复原，以达到故障快速恢复的目的，从而节省手术过程的时间。
在其中一个实施例中，所述控制模块包括PCBA，所述PCBA设于所述固定板的上表面，且套设在所述输出轴的外侧，所述PCBA分别与所述电机及所述读数头通信连接。
在其中一个实施例中，所述PCBA和所述固定板通过定位孔和定位柱相配合以定位，所述定位孔设于所述PCBA和所述固定板中的一个，所述定位柱设于另一个。
在其中一个实施例中，所述读数头设于所述PCBA上。
在其中一个实施例中，所述编码器还包括环状的圆台，所述圆台设于所述输出轴，且与所述输出轴同轴，所述光栅盘设于所述圆台，且与所述圆台同轴。
在其中一个实施例中，所述圆台上开设有D型孔，且通过贯穿所述D型孔的紧固件固定于所述输出轴。
在其中一个实施例中，所述读数头的顶面与所述刻度线的距离为1.5±0.5mm。
在其中一个实施例中，所述刻度线的圈数为两个。
在其中一个实施例中，所述读数头的发射中心位于两圈所述刻度线的正中间。
另外，本实用新型还提供了一种控制臂，包括从端机械臂、隔离板及器械盒，还包括如上述任一项技术方案所述的动力盒，所述动力盒设于所述从端机械臂的末端关节，且通过所述隔离板与所述器械盒相连接。
在上述控制臂使用时，动力盒的电机转动带动光栅盘随之转动，多圈刻度线随之旋转，读数头向着多圈刻度线发送一定波长的光线，并接收反射光线以获得刻度线的刻度信息，读数头将刻度信息传输至控制模块，控制模块根据刻度线的刻度信息得编码器的实时位置，以确定电机的运动位置与目标位置的差异，并控制电机运动进行实时调整，以便准确的达到目标位置；由于编码器靠近电机的输出轴设置且能够实时获取电机的物理位置，无需担心器械操作过程时间较长带来的累计误差，电机输出轴的旋转角度能够较短距离地传递到光栅盘上，减少传递过程中的精度损失；光栅盘具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线，使得精度达到22bit，远高于增量式编码器和磁栅尺，相对于磁栅尺不具有消磁风险，而且编码器的任意刻度线位置均可以作为机械原点，当遇到断电或信号中断输出轴位置变动，通电或者信号连接之后，控制模块可以通过编码器快速获取当前位置，并对比之前位置，进行快速调整和复原，以达到故障快速恢复的目的，从而节省手术过程的时间。因此，具有该动力盒的控制臂能够提高医生细微动作的操作精度和体验。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的控制臂的结构示意图；
图2为本实用新型一实施例的动力盒的结构示意图；
图3为本实用新型一实施例的动力盒中于仅安装一电机时的结构示意图；
图4为图3中动力盒的俯视图；
图5为图3动力盒中光栅盘的俯视图；
图6为本实用新型另一实施例的动力盒的结构示意图；
图7为图6动力盒在A-A位置处的剖视图。
附图说明：
01、控制臂；
10、动力盒；
100、固定板；110、定位柱；
200、电机；210、机体；220、输出轴；
300、编码器；310、光栅盘；311、刻度线；320、读数头；321、发射中心；330、圆台；
400、PCBA；410、定位孔；
20、隔离板；
30、器械盒；
40、末端关节。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
在本实用新型的描述中，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
下面结合附图介绍本实用新型实施例提供的技术方案。
如图1、图2以及图3所示，本实用新型提供了一种动力盒10，应用到控制臂01上，用于带动器械盒30执行剪切、缝合等动作。该动力盒10包括固定板100及多个电机200，电机200的数目可以为两个、三个、四个、五个或是五个以上，每一个电机200的机体210通过螺纹连接、粘结、凹凸配合等方式固定于固定板100，电机200的输出轴220伸出固定板100的上表面，并且输出轴220相对于固定板100能够转动。
动力盒10还包括控制模块及与多个编码器300，编码器300与电机200一一对应，编码器300的数目与电机200相同，并且编码器300靠近电机200设置。编码器300包括环形光栅盘310及读数头320，光栅盘310套设于输出轴220上，较佳地，光栅盘310设置在输出轴220的端部。光栅盘310朝向固定板100的表面上具有多圈刻度线311，多圈刻度线311同心设置，并且多圈刻度线311在周向上两两错位设置的多圈刻度线311，读数头320设于固定板100的上表面，并且读数头320位于刻度线311的正下方，读数头320用于采集的刻度线311的刻度信息。
编码器300的结构形式具有多种，一种优选实施方式，如图4以及图5所示，刻度线311的圈数可以为两个，两圈刻度线311规律性排布后作为测量基准用于旋转运动测量的标尺，内圈刻度线311的任一刻度线311可以大致位于外圈刻度线311的两个相邻刻度线311的中间位置，单圈刻度线311的分辨率能够达到22bit，每个刻线都是唯一的对应360°内不同的角度，精度远高于增量式编码器和磁栅尺，光栅盘310处于不同的位置的情况下时，读数头320的受光元件根据是否接受光来变换对应的电平信号，形成二进制数，不同的二进制则对应不同的旋转角度，能够反映出光栅盘310及电机200的实时位置，任意刻线位置均可以作为机械原点，具有抗干扰能力强、掉电不丢失位置等特性。当然，刻度线311的圈数并不局限于此，还可以为其他能够满足要求的形式。
在上述两圈刻度线311的基础上，具体地，如图4以及图5所示，读数头320的发射中心321位于两圈刻度线311的正中间，以使得读数头320的光线能够发送到两圈刻度线311上，将经过光栅盘310反射后的光线经行A/D转换，从而能够准确地确定该位置对应的电机200旋转角度，提高检测精度。
为了便于光栅盘310的安装，一种优选实施方式，如图6以及图7所示，编码器300还包括环状的圆台330，圆台330设于输出轴220，并且圆台330与输出轴220同轴，在具体设置时，输出轴220和圆台330之间可以是键连接、轴套连接等。光栅盘310设于圆台330，并且与圆台330同轴，在具体设置时，光栅盘310通过粘结、凹凸配合、卡扣连接等方式固定在圆台330上。通过上述环状的圆台330一方面能够较为方便地实现光栅盘310和输出轴220的连接，降低安装难度，另一方面能够方便光栅盘310和输出轴220之间的定位，便于光栅盘310和输出轴220的轴心重合。
在上述圆台330的基础上，具体地，圆台330上开设有D型孔，并且圆台330通过贯穿D型孔的紧固件固定于输出轴220，在具体设置时，紧固件可以为螺丝、螺钉等。在安装的过程中通过工装和放大镜调整多个光栅盘310的同一位置刻度线311正对D型孔的中心位置，以使得多个光栅盘310的原点位置一致，确保安装的一致性。
在上述圆台330的基础上，通过轴环控制圆台330与固定板100之间的距离，进而确保读数头320与光栅尺在一个合理的距离范围内，具体地，读数头320的顶面与刻度线311的距离为1.5±0.5mm，较佳地，读数头320的顶面与刻度线311的距离可以为1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm。
控制模块设于固定板100，并且控制模块与电机200及读数头320之间通信连接，控制模块用于根据读数头320所采集的刻度线311的刻度信息控制电机200的转动。电机200实际达到位置，控制模块对比读数头320采样获取的光栅盘310的位置，一旦有误差存在，控制电机200进行补偿，最终电机200达到目标位置，从而形成一个闭环的控制方式，并且编码器300运行过程中对多圈数据的记录和存储需要借助程序进行记录，以实现多圈位置记录的目的。
控制模块具有多种结构形式，一种优选实施方式，如图2、图3以及图4所示，控制模块包括PCBA(Printed Circuit Board Assembly，装配后的印制电路板)400，PCBA400设于固定板100的上表面，并且PCBA400套设在输出轴220的外侧，PCBA400分别与电机200及读数头320通信连接。在具体设置时，PCBA400与电机200之间通过线缆相电连接，PCBA400与读数头320之间通过触点相电连接，当然，电连接方式并不局限于此，还可以为其他能够满足要求的方式。
在上述PCBA400的基础上，如图2以及图4所示，PCBA400和固定板100通过定位孔410和定位柱110相配合以定位，定位孔410设于PCBA400和固定板100中的一个，定位柱110设于PCBA400和固定板100中的另一个，以实现述PCBA400和固定板100的紧密配合，以确保PCBA400基板与固定板100的相对位置关系，进而保证读数头320和输出轴220的位置匹配。
在上述PCBA400的基础上，如图2、图3以及图4所示，读数头320设于PCBA400上，多个读数头320被集中固定在一块PCBA400上，以能够使得结构空间更为紧凑，适用于空间狭窄的动力盒10，便于实现动力盒10的小型化，并且PCBA400作为读数头320的载体，除对读数头320固定和定位作用外还起到对读数头320的供电，信号处理和传递的作用。
在上述动力盒10使用时，电机200转动带动光栅盘310随之转动，多圈刻度线311随之旋转，读数头320向着多圈刻度线311发送一定波长的光线，并接收反射光线以获得刻度线311的刻度信息，读数头320将刻度信息传输至控制模块，控制模块根据刻度线311的刻度信息得编码器300的实时位置，以确定电机200的运动位置与目标位置的差异，并控制电机200运动进行实时调整，以便准确的达到目标位置；由于编码器300靠近电机200的输出轴220设置且能够实时获取电机200的物理位置，无需担心器械操作过程时间较长带来的累计误差，电机200输出轴220的旋转角度能够较短距离地传递到光栅盘310上，减少传递过程中的精度损失；光栅盘310具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线311，使得精度达到22bit，远高于增量式编码器和磁栅尺，相对于磁栅尺不具有消磁风险，而且编码器300的任意刻度线311位置均可以作为机械原点，当遇到断电或信号中断输出轴220位置变动，通电或者信号连接之后，控制模块可以通过编码器300快速获取当前位置，并对比之前位置，进行快速调整和复原，以达到故障快速恢复的目的，从而节省手术过程的时间。
另外，如图1所示，本实用新型还提供了一种控制臂01，包括从端机械臂、隔离板20及器械盒30，还包括如上述任一项技术方案的动力盒10，动力盒10设于从端机械臂的末端关节40，并且动力盒10通过隔离板20与器械盒30相连接，动力盒10在执行从端多机械臂运动的同时带动器械盒30以满足医生需求的手术体位到达预定位置，以便于在不同手术体位下的实施切除、缝合等动作，完成外科手术。
在上述控制臂01使用时，由于动力盒10的编码器300靠近电机200的输出轴220设置且能够实时获取电机200的物理位置，无需担心器械操作过程时间较长带来的累计误差，电机200输出轴220的旋转角度能够较短距离地传递到光栅盘310上，减少传递过程中的精度损失；光栅盘310具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线311，使得精度达到22bit，远高于增量式编码器和磁栅尺，相对于磁栅尺不具有消磁风险，而且编码器300的任意刻度线311位置均可以作为机械原点，当遇到断电或信号中断输出轴220位置变动，通电或者信号连接之后，控制模块可以通过编码器300快速获取当前位置，并对比之前位置，进行快速调整和复原，以达到故障快速恢复的目的，从而节省手术过程的时间。因此，具有该动力盒10的控制臂01能够高医生细微动作的操作精度和体验。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种动力盒，包括固定板及多个电机，所述电机的机体设于所述固定板，且所述电机的输出轴伸出所述固定板的上表面，其特征在于，还包括控制模块和多个编码器，其中：
所述编码器与所述电机一一对应，所述编码器包括环形光栅盘及读数头，所述光栅盘套设于所述输出轴且朝向所述固定板的表面上具有同心且在周向上两两错位设置的多圈刻度线，所述读数头设于所述固定板的上表面且位于所述刻度线的正下方；
所述控制模块设于所述固定板，且与所述电机及所述读数头通信连接，用于根据所述读数头所采集的所述刻度线的刻度信息控制所述电机的转动。
2.根据权利要求1所述的动力盒，其特征在于，所述控制模块包括PCBA，所述PCBA设于所述固定板的上表面，且套设在所述输出轴上，所述PCBA分别与所述电机及所述读数头通信连接。
3.根据权利要求2所述的动力盒，其特征在于，所述PCBA和所述固定板通过定位孔和定位柱相配合以定位，所述定位孔设于所述PCBA和所述固定板中的一个，所述定位柱设于另一个。
4.根据权利要求2所述的动力盒，其特征在于，所述读数头设于所述PCBA上。
5.根据权利要求1所述的动力盒，其特征在于，所述编码器还包括环状的圆台，所述圆台设于所述输出轴，且与所述输出轴同轴，所述光栅盘设于所述圆台，且与所述圆台同轴。
6.根据权利要求5所述的动力盒，其特征在于，所述圆台上开设有D型孔，且通过贯穿所述D型孔的紧固件固定于所述输出轴。
7.根据权利要求5所述的动力盒，其特征在于，所述读数头的顶面与所述刻度线的距离为1.5±0.5mm。
8.根据权利要求1所述的动力盒，其特征在于，所述刻度线的圈数为两个。
9.根据权利要求8所述的动力盒，其特征在于，所述读数头的发射中心位于两圈所述刻度线的正中间。
10.一种控制臂，包括从端机械臂、隔离板及器械盒，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的动力盒，所述动力盒设于所述从端机械臂的末端关节，且通过所述隔离板与所述器械盒相连接。
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