一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節的制作方法
【專利摘要】一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，它涉及一種外科手術機器人被動關節。本發明為了解決現有液壓驅動鎖緊關節設計復雜，需要液壓泵站且液壓油易泄露；氣動驅動鎖緊關節設計需要氣泵，噪音大；電磁動力鎖緊方式發熱量大、強電磁干擾、關節體積大。本發明下殼體的上端可轉動內嵌到上殼體的下部，步進電機設置在電機座內，步進電機的輸出端由下至上依次與輸入軸、諧波減速器和輸出軸連接，彈性聯軸器套裝在步進電機的輸出軸與輸入軸上，齒輪設置在輸出軸上，殼體連接件、下軸承殼體和上軸承殼體由下至上依次安裝在電機座上，齒輪絲杠軸安裝在下殼體內，楔形摩擦件安裝支撐件上，編碼器安裝在編碼器連接件上。本發明用于外科手術機器人。
【專利說明】一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種外科手術機器人被動關節，具體涉及一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節。
【背景技術】
[0002]將機器人技術引入到外科手術中，提高了外科手術的操作精度和質量。在機器人外科手術中醫生需要手動調整機器人的關節，使機器人末端執行器調整到預定的位置，然后將機器人關節鎖死，以實現機器人末端執行器穩定定位。在機器人外科手術中要求機器人關節實現連續轉動、具有關節角度反饋、可實現任意位置可靠鎖緊的特點。目前，外科手術機器人被動關節的設計主要采用液壓驅動、氣動驅動及電磁動力鎖緊。液壓驅動鎖緊關節設計復雜，需要液壓泵站且液壓油易泄露不易于應用醫用機器人。氣動驅動鎖緊關節設計需要氣泵，在工作過程中產生的噪音較大。電磁動力鎖緊方式存在發熱量大、強電磁干擾、關節體積大的問題。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是為了解決現有液壓驅動鎖緊關節設計復雜，需要液壓泵站且液壓油易泄露不易于應用醫用機器人；氣動驅動鎖緊關節設計需要氣泵，在工作過程中產生的噪音大；電磁動力鎖緊方式存在發熱量大、強電磁干擾、關節體積大的問題。進而提供一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節。
[0004]本發明的技術方案是:一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，包括下殼體、底板、上殼體、頂蓋、電機座、步進電機、殼體連接件、彈性聯軸器、輸入軸、諧波減速器、下軸承殼體、輸出軸、齒輪、上軸承殼體、齒輪絲杠軸、導向件、支撐件、楔形摩擦件、編碼器軸、編碼器和編碼器連接件，下殼體的下端固定安裝有底板，下殼體的上端可轉動內嵌到上殼體的下部，頂蓋固定安裝在上殼體的上端，電機座固定安裝在下殼體內，步進電機設置在電機座內，步進電機的輸出端由下至上依次與輸入軸、諧波減速器和輸出軸連接，彈性聯軸器套裝在步進電機的輸出軸與輸入軸上，齒輪設置在輸出軸上，殼體連接件、下軸承殼體和上軸承殼體由下至上依次安裝在電機座上，齒輪絲杠軸安裝在下殼體內，且齒輪絲杠軸與齒輪相嚙合，導向件安裝在下殼體內并套設在齒輪絲杠軸上，且導向件I位于上軸承殼體的上方，支撐件安裝在導向件上，楔形摩擦件安裝支撐件上，編碼器軸安裝在下殼體的上端，編碼器連接件安裝在上殼體內編碼器軸的上方，編碼器安裝在編碼器連接件上，且編碼器位于編碼器軸的上端。
[0005]所述齒輪絲杠軸為空心齒輪絲杠軸。
[0006]本發明與現有技術相比具有以下效果:
[0007]1、采用基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，不需要輔助的氣泵、液壓站，避免了氣泵噪音和液壓油易泄露的缺點，同時去除了采用電磁元件產生的電磁干擾以及長時間工作發熱量大的缺點，因此本發明易于維護、操作簡單、便于與相關電氣設備集成。
[0008]2、本發明楔形摩擦件直接在步進電機的驅動下擠入下殼體和上殼體之間，使下殼體和上殼體實現鎖緊，下殼體和上殼體之間不存在任何連接零件，關節鎖緊力矩能夠達到30Nm,因此本發明具有鎖緊可靠，不存在任何的鎖緊間隙的特點。
[0009]3、本發明步進電機采用偏置式設計及齒輪絲杠軸的空軸設計，實現了關節內部走線，具有利于機器人系統集成特點。
[0010]4、本發明支撐件和齒輪絲杠軸構成的絲杠螺母副能夠在步進電機不工作的狀態下使關節保持既有鎖緊狀態，具有摩擦力自鎖的特點。
[0011]5、本發明編碼器實時檢測關節運動角度，從而解決了機器人運動學求解問題，為機器人末端執行器的控制提供了必要的技術支持。
[0012]6、本發明適用于外科手術中的機器人關節鎖緊、定位操作，有效的避免了液壓驅動鎖緊關節設計復雜，需要液壓泵站且液壓油易泄露不易于應用醫用機器人；氣動驅動鎖緊關節設計需要氣泵，在工作過程中產生的噪音大；電磁動力鎖緊方式存在發熱量大、強電磁干擾、關節體積大的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1本發明的主剖視圖。圖2是本發明所應用的外科手術機器人的結構示意圖。【具體實施方式】
[0014]【具體實施方式】一:結合圖1說明本實施方式，本實施方式包括下殼體1、底板2、上殼體3、頂蓋4、電機座5、步進電機6、殼體連接件7、彈性聯軸器8、輸入軸9、諧波減速器10、下軸承殼體11、輸出軸12、齒輪13、上軸承殼體14、齒輪絲杠軸15、導向件16、支撐件17、楔形摩擦件18、編碼器軸19、編`碼器20和編碼器連接件25，下殼體I的下端固定安裝有底板2，下殼體I的上端可轉動內嵌到上殼體3的下部，頂蓋4固定安裝在上殼體3的上端，電機座5固定安裝在下殼體I內，步進電機6設置在電機座5內，步進電機6的輸出端由下至上依次與輸入軸9、諧波減速器10和輸出軸12連接，彈性聯軸器8套裝在步進電機6的輸出軸與輸入軸9上，齒輪13設置在輸出軸12上，殼體連接件7、下軸承殼體11和上軸承殼體14由下至上依次安裝在電機座5上，齒輪絲杠軸15安裝在下殼體I內，且齒輪絲杠軸15與齒輪13相嚙合，導向件16安裝在下殼體I內并套設在齒輪絲杠軸15上，且導向件16位于上軸承殼體14的上方，支撐件17安裝在導向件16上，楔形摩擦件18安裝支撐件17上，編碼器軸19安裝在下殼體I的上端，編碼器連接件25安裝在上殼體3內編碼器軸19的上方，編碼器20安裝在編碼器連接件25上，且編碼器20位于編碼器軸19的上端。
[0015]本實施方式的楔形摩擦件18向上運動時，在摩擦力的作用下會使楔形摩擦件18、下殼體1、上殼體3形成一個整體，實現關節下殼體I和上殼體3的鎖緊狀態。楔形摩擦件18向下運動時，能夠使關節下殼體I和上殼體3進行任意旋轉運動。
[0016]本實施方式為使楔形摩擦件18實現上下運動，進而完成下殼體I和上殼體3的鎖緊及自由旋轉的狀態，需要將步進電機6輸出的旋轉運動轉換為楔形摩擦件18的上下運動。步進電機6固連到電機座5上，電機座5通過螺釘與下殼體I和底板2固定連接，步進電機6輸出軸通過彈性聯軸器8將動力傳遞到輸入軸9，諧波減速器10輸入鋼輪通過螺釘與殼體連接件5固定連接，諧波減速器10輸入端通過鍵與輸入軸9連接，經諧波減速器10減速后，諧波減速器10輸出鋼輪將動力傳遞給輸出軸12，輸出軸12分別由固定到下軸承殼體11的軸承和固定到上軸承殼體14的軸承支撐上，齒輪13通過鍵與輸出軸12連接，通過與齒輪絲杠軸15上的齒輪嚙合將步進電機6的動力傳遞到齒輪絲杠軸15上，齒輪絲杠軸15由固定到導向件16上的軸承和固定到下殼體I上的軸承支撐，可實現繞自身軸線的旋轉運動，齒輪絲杠軸15設計為中空軸，可實現關節的內部走線，齒輪絲杠軸15外部為高強度的螺紋，支撐件17與齒輪絲杠軸15構成絲杠螺母副，支撐件17兩側設計有導向槽，在固連到導向件13上導向銷21的作用下，支撐件17將齒輪絲杠軸15的旋轉運動轉化為沿軸線方向的直線運動，支撐件17通過螺釘與楔形摩擦件18固定，楔形摩擦件18在支撐件17的作用擠壓進或脫離開下殼體I與上殼體3之間的縫隙，實現下殼體I與上殼體3之間的鎖緊和自由旋轉運動。
[0017]為了對機器人末端進行控制，需要實時地檢測機器人關節的轉動角度，本發明中采用編碼器來進行關節旋轉角度的讀取，編碼器20通過彈簧鋼片固定安裝到編碼器連接件25上，編碼器連接件25通過螺釘與上殼體3固定連接，編碼器軸21 —端通過螺釘與下殼體I固定連接，編碼器軸21另一端同編碼器20輸入端連接，這樣在關節轉動過程中，能夠實現對關節轉動角度的實時檢測。
[0018]本發明基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，齒輪13和齒輪絲杠軸15的齒輪副傳動實現了步進電機6的偏置式設計；編碼器軸21與下殼體I連接軸部分設計了環行槽；齒輪絲杠軸15的中空軸設計；實現關節內部走線。采用了諧波減速器10及齒輪13、齒輪絲杠軸15構成的減速齒輪副傳動部件，增加了步進電機6的驅動能力，增大了對楔形摩擦件18的推動力，提高了下殼體I和上殼體3之間的鎖緊力矩。
[0019]楔形摩擦件18采用合適剛度、較大摩擦系數和耐磨性較好的材料制造。如合金招。
[0020]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的齒輪絲杠軸15為空心齒輪絲杠軸。如此設置，實 現了關節內部走線，具有利于機器人系統集成特點。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0021]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的外科手術機器人被動關節還包括導向銷21，導向銷21豎直設置在導向件16和支撐件17上。如此設置，便于為被動關節的運動提供導向。其它組成和連接關系與【具體實施方式】二相同。
[0022]【具體實施方式】四:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的外科手術機器人被動關節還包括擋板22，擋板22蓋裝在齒輪絲杠軸15的上端。其它組成和連接關系與【具體實施方式】三相同。
[0023]【具體實施方式】五:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的外科手術機器人被動關節還包括兩組軸承23和內套筒24，兩組軸承23套裝在位于上殼體3內的下殼體I上部，內套筒24套裝在兩組軸承23之間的下殼體I上部。如此設置，便于下殼體I和上殼體3之間靈活的轉動。其它組成和連接關系與【具體實施方式】四相同。
[0024]【具體實施方式】六:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的楔形摩擦件18為帶有錐角的金屬環形彈性摩擦件。如此設置，防磨效果好，使用壽命長。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一或四相同。[0025]本發明公開的是圖2中A部分的被動關節，結合圖1和圖2說明本發明的工作原理:
[0026]本發明的楔形摩擦件布置于下殼體和上殼體之間，楔形摩擦件通過螺釘與支撐件固定連接，支撐件通過動力傳遞機構將步進電機輸出的旋轉運動轉換為楔形摩擦件的直線運動；下殼體和上殼體之間安裝有軸承，下殼體和上殼體之間能夠相對轉動，當楔形摩擦件向上運動擠入下殼體和上殼體之間，關節下殼體和上殼體實現鎖緊。
[0027]為了實時地檢測關節旋轉過程中的旋轉角度，本發明的編碼器通過彈簧鋼片固定安裝到編碼器連接件上，編碼器連接件通過螺釘與上殼體固定連接，編碼器軸一端通過螺釘與下殼體固定連接，編碼器軸另一端同編碼器輸入端連接。當機器人關節運動時，下殼體和上殼體發生相對旋轉運動，編碼器能夠實現對關節旋轉角度的檢測。
[0028]進行機器人外科手術時，醫生在術前需要手動調整機器人關節來進行術前的手術設置。驅動步進電機朝一個方向旋轉后，通過諧波減速器、齒輪、齒輪絲杠軸、支撐件傳動后，楔形摩擦件向下運動，下殼體和上殼體脫離，使下殼體和上殼體能夠進行相對旋轉運動，此時醫生能夠較輕松的實現關節的旋轉，進而完成機器人末端執行器位置的調整，實現機器人術前位置設置。當醫生完成術前位置設置后，需要將關節進行鎖緊，從而進行相關的手術操作。在鎖緊過程中，驅動步進電機朝相反方向運動，通過諧波減速器、齒輪、齒輪絲杠軸、支撐件傳動后，楔形摩擦件向上運動，楔形摩擦件設計為一個帶有錐角的環形彈性件，楔形摩擦件能夠在徑向產行彈性變形，因此，當支撐件推著楔形摩擦件向上運動時，楔形摩擦件就會擠壓進下殼體和上殼體之間的環形間隙里，隨著楔形摩擦件向上運動位移的增大，楔形摩擦件在徑向產生的彈性變形量越大，這樣就會使下殼體和楔形摩擦件之間及楔形摩擦件和上殼體之間產生很大的摩擦力矩，進而實現了下殼體和上殼體之間的鎖緊，從而使關節保持不動。在關節鎖緊之后，由于支撐件和齒輪絲杠軸構成的絲杠螺母副具有自鎖作用，可以在步進電機 不工作的狀態下使下殼體和上殼體保持既有鎖緊狀態。在機器人術前設置過程中，通過調整步進電機運動量使楔形摩擦件向下運動合適的距離，使楔形摩擦件與下殼體和上殼體不完全脫離開，使下殼體和上殼體相對運動過程中保持一定量的摩擦阻尼力，提高了醫生術前關節手動調整的舒適性。
【權利要求】
1. 一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，其特征在于:它包括下殼體(I)、底板(2)、上殼體(3)、頂蓋(4)、電機座(5)、步進電機(6)、殼體連接件(7)、彈性聯軸器(8)、輸入軸(9)、諧波減速器(10)、下軸承殼體(11)、輸出軸(12)、齒輪(13)、上軸承殼體(14)、齒輪絲杠軸(15)、導向件(16)、支撐件(17)、楔形摩擦件(18)、編碼器軸(19)、編碼器(20 )和編碼器連接件(25 )，下殼體(1)的下端固定安裝有底板(2 )，下殼體(1)的上端可轉動內嵌到上殼體(3)的下部，頂蓋(4)固定安裝在上殼體(3)的上端，電機座(5)固定安裝在下殼體(1)內，步進電機(6)設置在電機座(5)內，步進電機(6)的輸出端由下至上依次與輸入軸(9)、諧波減速器(10)和輸出軸(12)連接，彈性聯軸器(8)套裝在步進電機(6 )的輸出軸與輸入軸(9 )上，齒輪(13 )設置在輸出軸(12 )上，殼體連接件(7 )、下軸承殼體(11)和上軸承殼體(14)由下至上依次安裝在電機座(5)上，齒輪絲杠軸(15)安裝在下殼體(1)內，且齒輪絲杠軸(15)與齒輪(13)相嚙合，導向件(16)安裝在下殼體(1)內并套設在齒輪絲杠軸(15)上，且導向件(16)位于上軸承殼體(14)的上方，支撐件(17)安裝在導向件(16)上，楔形摩擦件(18)安裝支撐件(17)上，編碼器軸(19)安裝在下殼體(1)的上端，編碼器連接件(25)安裝在上殼體(3)內編碼器軸(19)的上方，編碼器(20)安裝在編碼器連接件(25)上，且編碼器(20)位于編碼器軸(19)的上端。
2.根據權利要求1所述的一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，其特征在于:所述齒輪絲杠軸(15)為空心齒輪絲杠軸。
3.根據權利要求2所述的一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，其特征在于:所述外科手術機器人被動關節還包括導向銷(21)，導向銷(21)豎直設置在導向件(16)和支撐件(17)上。
4.根據權利要求3所述的一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，其特征在于:所述外科手術機器人被動關節還包括擋板(22)，擋板(22)蓋裝在齒輪絲杠軸(15)的上端。
5.根據權利要求4所述的一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，其特征在于:所述外科手術機器人被動關節還包括兩組軸承(23)和內套筒(24)，兩組軸承(23)套裝在位于上殼體(3 )內的下殼體(1)上部，內套筒(24)套裝在兩組軸承(23 )之間的下殼體(I)上部。
6.根據權利要求5所述的一種基于電機驅動鎖緊的外科手術機器人被動關節，其特征在于:所述楔形摩擦件(18)為帶有錐角的金屬環形彈性摩擦件。
【文檔編號】B25J17/02GK103622751SQ201310697988
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】潘博, 付宜利, 封海波, 牛國君 申請人:哈爾濱工業大學