一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構的製作方法

2023-08-04 14:06:01 1

一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構，主要包括驅動系統，鋼絲繩傳動系統和末端執行機構三部分。驅動系統由後置的伺服電機、減速器及聯軸器組成，減速器輸出軸通過聯軸器與滾珠花鍵軸連接，將運動傳遞至鋼絲繩傳動系統。鋼絲繩傳動系統由鋼絲繩、滾珠花鍵、花鍵絲筒以及導向軸、導向輪組成，可實現鋼絲繩的圓周運動和直線運動之間相互轉化及鋼絲繩自身直線運動方向改變。末端執行機構固定於裝有直線導軌的伸縮支撐杆上，通過固絲裝置與鋼絲繩連接，將鋼絲繩的直線運動傳遞至末端執行機構。鋼絲繩以閉合迴路形式存在。本發明的直線伸縮機構具有佔用空間小、結構簡單、控制精密無回程誤差、傳動效率高等優點。
【專利說明】一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種直線伸縮機構，特別涉及一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構。

【背景技術】
[0002]微創外科手術是指醫生通過患者表皮微小切口，將細長的內窺鏡和手術器械深入至病灶進行操作的手術技術。與傳統的外科手術相比，具有創傷小、出血量少、術後恢復時間短等諸多優點。由於操作空間小、手術難度大，對醫生的水平要求高，限制了微創手術技術在精密手術中的運用。隨著機器人技術和信息化技術的發展，微創外科手術機器人應運而生，它穩定性強、靈敏度高、便於醫生操作，將醫療技術提高到了一個新的層面。同時，根據微創外科手術特點和要求，通常需要微創手術機器人存在一個可做直線伸縮運動的移動自由度。
[0003]現存的直線往復運動機構有多種，大致分為如曲柄滑塊結構、正弦結構等機構變換和利用錐齒輪、齒輪齒條、線性模組等改變傳動方式兩大類。前者不僅機構龐大而且運動行程較短，難以達到手術機器人的需要。後者對解決運動行程和機構體積方面雖有所改善，但是仍難以達到微創手術機器人的體積要求。此外由於齒輪配合存在間隙，不可避免的將回程誤差引入到系統中。
[0004]鋼絲繩傳動技術與傳統機械傳動技術相比，其優越性體現如下三方面:其一，適於長距離傳遞運動和動力，能夠將動力源布局在遠離關節位置處，簡化結構設計；其二，在長距離傳動過程中易於改變方向，傳動結構簡單、小巧緊湊，非常適用於有限空間內多自由度布局；其三，合適預緊力下無回差，可以吸收震動，使末端執行器運動更平穩。鋼絲繩傳動不僅廣泛應用於工業中，如電梯的升降、航空中纜繩牽引人造衛星等，也廣泛應用於靈巧手、醫療機器人或手術器械等的設計中，用於取代杆來進行運動和動力的傳遞。
[0005]目前一些微創手術機器人伸縮關節機構將鋼絲繩傳動的設計引入系統中，由安裝在機械臂前端的伺服電機產生驅動力，精簡了機構的體積，提高了行程和精度。但是，由於微創手術的特殊性，前置的電機可能會在機械臂運動過程中對手術操作產生影響或導致機械臂間發生運動幹涉，導致手術操作過程不能順利進行，因此機構和鋼絲繩傳動方式還存在很大的提升空間。


【發明內容】

[0006]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種可有效減小伸縮關節機構外形尺寸，使傳動穩定、精確同時成本較低，符合手術現場條件的用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構。
[0007]為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是:
[0008]一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構包括驅動系統，鋼絲繩傳動系統和末端執行機構三部分。
[0009]所述驅動系統主要由一安裝在伸縮支撐杆上端的伺服電機、減速器及聯軸器組成。減速器輸出軸通過聯軸器與滾珠花鍵軸連接，將伺服電機驅動力傳送至鋼絲繩傳動系統。電機軸及減速器軸與伸縮支撐杆伸縮方向保持平行，減速器軸線貫穿伸縮支撐杆截面幾何中心。
[0010]所述鋼絲繩傳動系統包括一滾珠花鍵以及通過鍵連接的花鍵絲筒，滾珠花鍵的特點在於傳遞扭矩的同時，花鍵套可在花鍵軸上軸向移動。將鋼絲繩左旋纏繞於花鍵絲筒上，鋼絲繩一端從花鍵絲筒的一端伸出，經過垂直於花鍵軸的一個導向軸改變鋼絲繩的傳動方向，其後經過三個導向輪改變鋼絲繩的傳動方向和水平位置。鋼絲繩另一端從花鍵絲筒另一端伸出，同樣經垂直於花鍵軸的另一個導向軸，改變一次傳動方向，經過導向輪，改變鋼絲繩傳動方向和水平位置。伸縮支撐杆的下端存在一個獨立導向輪，用於改變鋼絲繩的水平傳動方向和位置。鋼絲繩兩端通過固絲裝置與末端執行機構張緊固定，從而將鋼絲繩的運動傳送至末端執行機構，使鋼絲繩構成一個閉合迴路。
[0011]所述末端執行機構，通過螺紋連接與一直線導軌滑塊相連，直線導軌固定於直線伸縮支撐杆上。末端執行機構含有一個固定鋼絲繩用固絲裝置，該裝置具有一個貫穿的細長孔，將鋼絲繩穿過該細長孔後，在孔的上方開一個微小的凹形槽，凹形槽底端與孔保持平齊，鋼絲繩穿過孔後，用一個與凹形槽尺寸配合的凸形壓塊用螺紋連接壓緊，這樣壓緊的鋼絲繩的運動及動力就能傳送至末端執行機構。
[0012]本發明具有如下優點:
[0013]1.本發明傳動系統中所述鋼絲繩具有柔性，通過導向輪與導向軸的組合，機構實現圓周運動與直線運動間互變及直線運動自身方向互變。
[0014]2.本發明驅動電機後置對稱安裝，有效的解決了電機重力對機械臂產生的不平衡力矩，使機器人運動更加平穩流暢。後置的驅動電機亦可減小靠近手術器械末端體積，避免微創手術機器人機械臂間的幹涉。
[0015]3.本發明採用單個滾珠花鍵作為鋼絲繩傳動的核心部件，充分發揮了滾珠花鍵既可以傳遞扭矩又可以軸向線性移動的特性，大大精簡了機構體積。
[0016]4.本發明所述末端執行機構具有固絲裝置，從花鍵絲筒兩端伸出的鋼絲繩均穿過末端機構的小孔張緊後，由固絲裝置將兩段鋼絲繩壓緊，提高了傳動精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明運用於微創手術機器人中示意圖；
[0018]圖2為本發明平面結構及位置示意圖；
[0019]圖3為本發明驅動系統及鋼絲繩傳動系統主要組成及安裝示意圖；
[0020]圖4為本發明鋼絲繩傳動系統主要結構剖視圖；
[0021]圖5為本發明鋼絲繩傳動原理示意圖；
[0022]圖6為本發明末端執行機構示意圖；
[0023]圖7為本發明末端執行機構固絲原理示意圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結合具體實施例對本發明進行詳細描述。
[0025]本發明的一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構，用於解決狹小空間下，精密傳動的微創手術機器人手術器械直線驅動問題。
[0026]如圖1所示為本發明運用於微創手術機器人中示意圖，微創手術由其客觀特殊性要求其具有細長的手術器械5。微創手術機器人本體已具有關節1-1及關節1-2可分別提供Rl及R2兩個自由度。將手術器械5安裝於帶有快換功能的末端執行機構4上，鋼絲繩傳動系統3中鋼絲繩3-1在固絲裝置的作用下與末端執行機構4連接，驅動系統2產生驅動力，經過鋼絲繩傳動改變運動狀態，手術器械5可做直線伸縮運動T。
[0027]如圖2所示為本發明平面結構及位置示意圖，驅動系統2可為機構提供驅動力，鋼絲繩通過導向軸單元3-2，可將電機的圓周運動改變為直線運動，同理導向軸單元3-2也可用於將鋼絲繩的直線運動轉化為圓周運動。導向輪單元3-3包括鋼絲繩出入兩端導向輪，它可以在水平方向改變鋼絲繩的位置，從而可以與末端執行機構4上的穿絲孔4-1位置對應，使傳動過程鋼絲繩不受剪切力，增加鋼絲繩的耐久度。導向輪3-4位於伸縮支撐杆的下端，它可以反轉鋼絲繩的傳動方向。整個機構的鋼絲繩是一條閉合的迴路。
[0028]如圖3所示為本發明驅動系統及鋼絲繩傳動系統主要組成及安裝示意圖，驅動單元2-1由伺服電機及減速器組成的，減速器輸出軸2-1-1通過聯軸器2-2與鋼絲繩傳動系統中滾珠花鍵軸3-5連接。滾珠花鍵由花鍵軸3-5及花鍵套3-6組成，花鍵軸3-5上安裝有與其配合的軸承3-9。其特點在於花鍵套3-6在傳遞花鍵軸3-5給其的扭矩同時，花鍵套3-6亦可在花鍵軸3-5上進行無阻尼的軸向移動。花鍵絲筒3-7通過鍵連接與花鍵套3-6形成一體。滾珠花鍵保證了鋼絲繩傳動過程中，花鍵絲筒3-7為鋼絲繩傳遞旋轉動力的同時，鋼絲繩的出入位置不會因為鋼絲繩的螺旋而改變，因此保證鋼絲繩的位置相對於導向軸3-2-1、導向軸3-2-2靜止。導向軸3-2-1和導向軸3_2_2安裝於安裝座3_8_1和安裝座3-8-2中，安裝座中兩孔間中心位置距離即為鋼絲繩在花鍵絲筒3-7上出入兩端垂直距離。導向輪單元3-3保證了鋼絲繩在出入導向軸3-2-1及導向軸3-2-2時與其兩端鋼絲繩槽相切。
[0029]如圖4所示為本發明鋼絲繩傳動系統主要結構剖視圖。花鍵軸3-5兩端分別安裝有與其配合的軸承3-9及軸承3-10，保證花鍵軸可以順暢的旋轉。花鍵絲筒3-7與花鍵套3-6通過鍵3-11連接，因此花鍵絲筒3-7可為鋼絲繩傳遞動力的同時，沿著自身花鍵軸3-5軸向線性移動。
[0030]如圖5所示為本發明鋼絲繩傳動原理示意圖，花鍵絲筒3-7上緊密的纏著左旋的鋼絲繩，絲筒的左側上方伸出一端鋼絲繩c-l，鋼絲繩通過導向軸3-2-1第一次將圓周運動轉變為直線運動，沿著同側的導向軸3-2-2鋼絲繩C-1經由導向輪3-3-1內側、導向輪3-3-2外側和導向輪3-3-3內側，其目的是通過導向輪的組合使用在水平位置上改變鋼絲繩C-1的位置。C-1端鋼絲繩經導向輪3-3-3後，通過末端執行機構4的側面，在導向輪
3-4的作用下，C-1端鋼絲繩改變水平位置及傳動方向，返回至末端執行機構4，穿過鋼絲繩孔4-2。此外，從絲筒右下端伸出的鋼絲繩C-2將經過導向軸3-3-2改變其傳動方向，同時C-2端鋼絲繩經由導向輪3-3-5內側、導向輪3-3-4外側，穿過末端執行機構4的鋼絲繩孔
4-2。兩段鋼絲繩在鋼絲繩孔4-2內相交，張緊後由固絲裝置4-3將兩段鋼絲繩同時固定於末端執行機構4上。整個鋼絲繩的傳動以一個閉合迴路的形式存在，對於控制上具有極強的連續性和穩定性。當驅動單元以圖示方向旋轉時，花鍵絲筒3-7同步轉動，C-1端鋼絲繩放出，C-2端鋼絲繩收回，花鍵絲筒3-7將向圖中沿軸線左側運動，然而鋼絲繩的相對位置並不改變，此時末端執行機構4將向圖中左側運動，即伸縮支撐杆上端移動。
[0031]如圖6所示為本發明末端執行機構結構位置示意圖，末端執行機構4通過螺紋連接於帶有滑塊4-6的直線導軌4-5上，保證末端執行機構4儘可能小阻尼的做直線伸縮運動。
[0032]如圖7所示為本發明末端執行機構結構原理示意圖，4-2為用於穿鋼絲繩的穿絲孔，該孔貫穿於整個末端執行機構4，鋼絲繩C-1及鋼絲繩C-2分別從穿鋼絲繩孔4-2的兩側進入末端執行機構4。在其水平上方開一凹形固鋼絲繩用孔4-1，4-3為與其配合的凸形固鋼絲繩壓塊。鋼絲繩C-1與鋼絲繩C-2張緊後由螺釘4-4使固鋼絲繩壓塊4-3將其與末端執行機構4連接，從而使鋼絲繩C-1及鋼絲繩C-2均固定於末端執行機構4並使整個鋼絲繩形成一條閉合迴路，最終將電機的旋轉運動變為直線運動，從而實現手術器械5的移動自由度T。
【權利要求】
1.一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構，其特徵在於:它包括驅動系統，鋼絲繩傳動系統和末端執行機構三部分:所述驅動系統主要由後置的伺服電機、減速器及聯軸器組成，減速器輸出軸通過聯軸器與滾珠花鍵軸連接；鋼絲繩傳動系統由鋼絲繩、滾珠花鍵、花鍵絲筒以及導向軸和導向輪組成；末端執行機構固定於裝有直線導軌的伸縮支撐杆上，並通過固絲裝置與鋼絲繩連接。
2.按照權利要求1所述的一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構，其特徵在於:所述鋼絲繩傳動系統中包括一滾珠花鍵以及通過鍵連接的花鍵絲筒，其特點是花鍵絲筒傳遞電機扭矩的同時，可以在花鍵軸上進行無阻尼的線性移動，保證鋼絲繩的出入位置不因鋼絲繩的螺旋而改變。
3.按照權利要求1所述的一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構，其特徵在於:所述鋼絲繩傳動系統包括將鋼絲繩的螺旋運動與鋼絲繩的直線運動相互轉換的導向軸以及用於改變鋼絲繩直線傳動方向的導向輪。
4.按照權利要求1所述的一種用於微創手術機器人的鋼絲繩傳動直線伸縮機構，其特徵在於:所述直線伸縮機構能夠將驅動系統中旋轉運動轉換為平行於減速器輸出軸的直線運動。
【文檔編號】A61B19/00GK104224325SQ201410535759
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】桑宏強, 楊鋮浩, 許麗萍, 陳發, 劉芬, 貟今天, 張克 申請人:天津工業大學