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 機械臂轉動關節及醫生機械臂

 
【申请公布号:CN110393587A;申请权利人:山东威高手术机器人有限公司;发明设计人: 王炳强; 孔康; 张淮峰; 李建民; 江万里; 孙明云; 隋鹏锦; 孙之建;】
 
摘要:
 
本发明涉及一种機械臂轉動關節及醫生機械臂,其解决了现有微创手术机器人中机械臂的转动关节体积较大,关节运动检测装置的测量精度低的技术问题,其包括基座、第一臂杆、抱闸、转轴、编码器、编码器安装板、第一同步帶轮、同步帶和第二同步帶轮,抱闸与基座固定连接,第一同步帶轮与基座固定连接,转轴通过下轴承与基座连接,转轴的上部分与第一臂杆的下部固定连接,第一臂杆的上部通过上轴承与基座连接,转轴穿过第一同步帶轮的中心孔,转轴的下部分设于抱闸的轴孔中,编码器与第一臂杆固定连接,第二同步帶轮与编码器的转轴固定连接,同步帶连接于第二同步帶轮和第一同步帶轮之间。本发明广泛用于医疗器械技術領域。 
 
主權項:
 
1.一种机械臂转动关节,其特征在于,包括基座、第一臂杆、抱闸、转轴、编码器、第一同步帶轮、同步帶和第二同步帶轮,所述抱闸与基座固定连接,所述第一同步帶轮与基座固定连接,所述转轴通过下轴承与基座连接,所述转轴的上部分与第一臂杆的下部固定连接,第一臂杆的上部通过上轴承与基座连接,所述转轴穿过第一同步帶轮的中心孔,所述抱闸设有抱闸块和轴孔,所述转轴的下部分设于抱闸的轴孔中,抱闸的抱闸块与转轴连接,所述编码器与第一臂杆固定连接,所述第二同步帶轮与编码器的转轴固定连接,所述同步帶连接于第二同步帶轮和第一同步帶轮之间。 
 
 
要求:

1.一种机械臂转动关节,其特征在于,包括基座、第一臂杆、抱闸、转轴、编码器、第一同步帶轮、同步帶和第二同步帶轮,所述抱闸与基座固定连接,所述第一同步帶轮与基座固定连接,所述转轴通过下轴承与基座连接,所述转轴的上部分与第一臂杆的下部固定连接,第一臂杆的上部通过上轴承与基座连接,所述转轴穿过第一同步帶轮的中心孔,所述抱闸设有抱闸块和轴孔,所述转轴的下部分设于抱闸的轴孔中,抱闸的抱闸块与转轴连接,所述编码器与第一臂杆固定连接,所述第二同步帶轮与编码器的转轴固定连接,所述同步帶连接于第二同步帶轮和第一同步帶轮之间。
 
2.根據權利要求1所述的機械臂轉動關節,其特征在于,所述機械臂轉動關節還包括連接軸,所述連接軸與基座固定連接,所述上軸承與連接軸連接。
 
3.一种机械臂转动关节,其特征在于,包括基座、转轴、第一臂杆、下轴承、上轴承、编码器、第一同步帶轮和第二同步帶轮,所述转轴与第一臂杆固定连接,所述转轴的上端通过上轴承与基座连接,所述转轴的下端通过下轴承与基座连接,所述第一同步帶轮与基座固定连接,所述转轴穿过第一同步帶轮的中心孔,所述编码器与第一臂杆固定连接,所述第二同步帶轮与编码器的转轴固定连接,所述同步帶连接于第二同步帶轮和第一同步帶轮之间。
 
4.一种机械臂转动关节,其特征在于,包括基座、带轮轴、抱闸及编码器安装座、抱闸、转轴、编码器、固定同步帶轮、转动同步帶轮、同步帶、钢带、大钢带轮和小钢带轮,所述带轮轴与基座固定连接,所述抱闸及编码器安装座的左端通过轴承与带轮轴连接,所述抱闸与抱闸及编码器安装座固定连接,所述抱闸设有轴孔,所述编码器固定连接于抱闸及编码器安装座上,所述固定同步帶轮与带轮轴21固定连接,所述转动同步帶轮与编码器中的转轴固定连接,所述同步帶连接于固定同步帶轮和转动同步帶轮之间,所述转轴通过轴承与抱闸及编码器安装座的右端转动连接,转轴的下部分设于抱闸的轴孔中,所述大钢带轮与带轮轴固定连接,大钢带轮的圆周上设有若干个连接柱,所述小钢带轮与转轴固定连接,小钢带轮的圆周上设有若干个连接柱,所述钢带上设有若干个圆孔,钢带的左端套在大钢带轮上,大钢带轮上的连接柱穿过钢带左侧的圆孔,钢带的右端套在小钢带轮上,小钢带轮上的连接柱穿过钢带右侧的圆孔。
 
5.一種醫生機械臂,其特征在于,包括如權利要求球1-4任意一項所述的機械臂轉動關節。
 
6.一種醫生機械臂,其特征在于,包括基座、第一臂杆、第二臂杆和轉動連接座,所述第一臂杆的後端與基座通過如權利要求1-4任意一項所述的機械臂轉動關節連接,第一臂杆能夠在水平面上轉動;所述第二臂杆與轉動連接座通過如權利要求1-4任意一項所述的機械臂轉動關節連接,第二臂杆能夠在垂直面上轉動;轉動連接座與第一臂杆的前端通過如權利要求1-4任意一項所述的機械臂轉動關節連接,轉動連接座能夠在水平面上轉動。
 
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
技術領域
 
本发明涉及微创外科手术机器技術領域,具体而言,涉及一种機械臂轉動關節及醫生機械臂。
 
背景技術
 
參考申請公布號爲CN109091237A、名稱爲微創手術器械輔助系統的中國發明專利申請,以腹腔鏡爲代表的微創外科被譽爲20世紀醫學科學對人類文明的重要貢獻之一,微創手術操作是指醫生利用細長的手術工具通過人體表面的微小切口探入到體內進行手術操作的。它與傳統的開口手術相比具有手術切口小、出血量少、術後疤痕小、恢複時間快等優點,這使得病人遭受的痛苦大大減少;因此微創外科被廣泛的應用于臨床手術。
 
參考申請公布號爲CN109091238A、名稱爲分體式微創手術器械輔助系統的中國發明專利申請,微創外科手術機器人系統包括醫生操作台,外科醫生通過操作醫生機械臂來精准地控制患者操作台的器械機械臂上的一個或多個手術器械執行各種手術動作。
 
外科手術器械是外科手術操作的必備工具,其可以執行不同功能,包括夾持、切除、切割、縫合、吻合等。外科手術器械具有不同的配置,其包括執行末端,腕節、器械杆、器械盒等,外科手術器械被插入,穿過開口,以實施遠程外科手術。
 
然而,微創手術機器人在帶來諸多益處的同時,也存在一系列技術缺陷,如:1)手術設備結構複雜,體積龐大,占用手術室的空間,微創手術機器人中機械臂的轉動關節體積較大;2)手術設備昂貴,手術成本高,難以在國內醫院普及;3)機械臂的關節運動檢測裝置的測量精度低。因此,需要對微創手術機器人結構不斷優化,降低成本,縮小體積,以克服上述缺點。
 
發明內容
 
本发明就是为了解决现有微创手术机器人中机械臂的转动关节体积较大,关节运动检测装置的测量精度低的技术问题,提供了一种体积小,关节运动参数测量更准确的機械臂轉動關節及醫生機械臂。
 
本发明提供一种机械臂转动关节,包括基座、第一臂杆、抱闸、转轴、编码器、第一同步帶轮、同步帶和第二同步帶轮,抱闸与基座固定连接,第一同步帶轮与基座固定连接,转轴通过下轴承与基座连接,转轴的上部分与第一臂杆的下部固定连接,第一臂杆的上部通过上轴承与基座连接,转轴穿过第一同步帶轮的中心孔,抱闸设有抱闸块和轴孔,转轴的下部分设于抱闸的轴孔中,抱闸的抱闸块与转轴连接,编码器与第一臂杆固定连接,第二同步帶轮与编码器的转轴固定连接,同步帶连接于第二同步帶轮和第一同步帶轮之间。
 
優選地,機械臂轉動關節還包括連接軸,連接軸與基座固定連接,上軸承與連接軸連接。
 
本发明还提供一种机械臂转动关节,包括基座、转轴、第一臂杆、下轴承、上轴承、编码器、第一同步帶轮和第二同步帶轮,转轴与第一臂杆固定连接,转轴的上端通过上轴承与基座连接,转轴的下端通过下轴承与基座连接,第一同步帶轮与基座固定连接,转轴穿过第一同步帶轮的中心孔,所述编码器与第一臂杆固定连接,所述第二同步帶轮与编码器的转轴固定连接,同步帶连接于第二同步帶轮和第一同步帶轮之间。
 
本发明还提供一种机械臂转动关节,包括基座、带轮轴、抱闸及编码器安装座、抱闸、转轴、编码器、固定同步帶轮、转动同步帶轮、同步帶、钢带、大钢带轮和小钢带轮,带轮轴与基座固定连接,抱闸及编码器安装座的左端通过轴承与带轮轴连接,抱闸与抱闸及编码器安装座固定连接,抱闸设有轴孔,编码器固定连接于抱闸及编码器安装座上,固定同步帶轮与带轮轴21固定连接,转动同步帶轮与编码器中的转轴固定连接,同步帶连接于固定同步帶轮和转动同步帶轮之间,转轴通过轴承与抱闸及编码器安装座的右端转动连接,转轴的下部分设于抱闸的轴孔中,大钢带轮与带轮轴固定连接,大钢带轮的圆周上设有若干个连接柱,小钢带轮与转轴固定连接,小钢带轮的圆周上设有若干个连接柱,钢带上设有若干个圆孔,钢带的左端套在大钢带轮上,大钢带轮上的连接柱穿过钢带左侧的圆孔,钢带的右端套在小钢带轮上,小钢带轮上的连接柱穿过钢带右侧的圆孔。
 
本發明還提供一種醫生機械臂,包括前述機械臂轉動關節。
 
本發明還提供一種醫生機械臂,包括基座、第一臂杆、第二臂杆和轉動連接座,第一臂杆的後端與基座通過前述的機械臂轉動關節連接,第一臂杆能夠在水平面上轉動;第二臂杆與轉動連接座通過前述的機械臂轉動關節連接,第二臂杆能夠在垂直面上轉動;轉動連接座與第一臂杆的前端通過前述的機械臂轉動關節連接,轉動連接座能夠在水平面上轉動。
 
本發明的有益效果是,具有結構輕巧、易操縱,精度高,體積小,成本低的優勢,可實時、准確地反饋機械臂關節運動參數,而且具有鎖緊關節的功能。本發明尤其適用于低速、輕載的使用條件,如以主從跟隨形式操縱的微創手術機器人的醫生機械臂轉動關節。
 
本發明進一步的特征,將在以下具體實施方式的描述中,得以清楚地記載。
 
附圖說明
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
圖1是醫生機械臂的結構示意圖;
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
圖2是第一臂杆和基座之間的關節結構示意圖;
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
图3是第一同步帶轮和第二同步帶轮的摆动及转动角度的比例关系示意图;
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
圖4是不設置抱閘的關節結構示意圖;
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
圖5是增加關節鎖緊力矩的關節結構示意圖;
 
機械臂轉動關節及醫生機械臂
圖6是鋼帶的連接示意圖。
 
圖中符號說明:
 
1.基座,2.第一臂杆,3.第二臂杆,4.手腕,5.抱闸,5-2.抱闸块,6.连接轴,7.第一同步帶轮,8.第二同步帶轮,9.同步帶,10.编码器安装板,11.编码器,12.上轴承,13.转动连接座,14.第一关节的转动轴线,15.第二关节的转动轴线,16.第三关节的转动轴线;17.转轴,18.上轴承,19.下轴承;20.基座,21.带轮轴,22.抱闸及编码器安装座,23.抱闸,24.编码器,25.轴承,26.固定同步帶轮,27.转动同步帶轮,28.同步帶,29.钢带,29-1.圆孔,30.大钢带轮,31.小钢带轮,32.轴线一,33.轴线二;34.转轴,35.下轴承;36.转轴,37.轴承。
 
具體實施方式
 
以下參照附圖,以具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
 
如圖1所示的醫生機械臂,第一臂杆2的後端與基座1通過關節連接,第一臂杆2能夠在水平面上轉動,第二臂杆3與轉動連接座13通過關節連接,第二臂杆3能夠在垂直面上轉動,轉動連接座13與第一臂杆2的前端通過關節連接,轉動連接座13能夠在水平面上轉動。
 
如图2所示的第一臂杆2与基座1之间的关节结构,通过螺钉将抱闸5固定安装在基座1上,第一同步帶轮7与基座1固定连接,连接轴6通过螺钉与基座1固定连接,第一臂杆2的后端的上部通过上轴承12与连接轴6转动连接。转轴34的上部分与第一臂杆2的后端的下部通过螺钉固定连接,转轴34通过下轴承35与基座1转动连接。转轴34穿过第一同步帶轮7的中心孔。抱闸5采用现有技术的公知结构,其设有抱闸块5-2和轴孔,转轴34的下部分设于抱闸5的轴孔中,抱闸块5-2通过平键与转轴34连接,断电状态下,抱闸块5-2被抱紧,转轴34进而被锁紧而不能转动;通电状态下,抱闸块5-2被释放,转轴34进而能够在下轴承35的支撑下转动。编码器安装板10与第一臂杆2固定连接,编码器11与编码器安装板10固定连接,第二同步帶轮8与编码器11的转轴固定连接(第二同步帶轮8转动能够带动编码器11的转轴转动),同步帶9连接于第二同步帶轮8和第一同步帶轮7之间。
 
关节的位置反馈功能依靠编码器实现,使编码器11动作产生信号的过程是:基座1静止不动,使第一臂杆2转动,同步帶9就会在第一同步帶轮7上缠动,并带动第二同步帶轮8转动,也就是实现如图3所示的行星运动,第二同步帶轮8以第一同步帶轮7的轴线为中心进行公转的同时,第二同步帶轮8自身进行自转(自转的方向与公转方向相反)。设第二同步帶轮8公转的角速度为ω1、角度为θ1,第二同步帶轮8自转的角速度为ω2、角度为θ2,第一同步帶轮7的半径为R1,第二同步帶轮8的半径为R2,则有ω1*R1=ω2*R2,即θ1/θ2=ω1/ω2=R2/R1,由此可见,可实现变速、变角度传动。
 
需要说明的是,如果第一臂杆2静止不动,使基座1转动,在第一同步帶轮7转动带动第二同步帶轮8转动,编码器11也会产生信号。总之,只要第一臂杆2和基座1相对运动,编码器11就会检测出运动数据。
 
連接軸6可以被安裝在手術機器人系統的某個支架上。
 
对于作为制动器使用的抱闸5,其主要作用是在不需要第一臂杆2转动动作的时候将第一臂杆2锁死。那么,不设置抱闸的关节结构如图4所示,转轴17与第一臂杆2的后端固定连接,转轴17的上端通过上轴承18与基座1连接,转轴17的下端通过下轴承19与基座1连接,第一同步帶轮7与基座1固定连接,转轴17穿过第一同步帶轮7的中心孔。编码器安装板10与第一臂杆2固定连接,编码器11与编码器安装板10固定连接,第二同步帶轮8与编码器11的转轴固定连接(第二同步帶轮8转动能够带动编码器11的转轴转动),同步帶9连接于第二同步帶轮8和第一同步帶轮7之间。编码器11的检测工作过程与图3中编码器的工作过程相同。
 
對于第二臂杆3與轉動連接座13之間的關節結構,也可以采用圖2或圖4所示結構。對于轉動連接座13與第一臂杆2之間的關節結構,也可以采用圖2或圖4所示結構。
 
如图5所示的增加关节锁紧力矩的关节结构,带轮轴21与基座20固定连接,抱闸及编码器安装座22的左端通过轴承25与带轮轴21转动连接,抱闸23与抱闸及编码器安装座22的右端固定连接,抱闸23设有抱闸块和轴孔,编码器24固定安装在抱闸及编码器安装座22上,固定同步帶轮26与带轮轴21的下端固定连接,转动同步帶轮27与编码器24中的转轴固定连接,同步帶28连接于固定同步帶轮26和转动同步帶轮27之间,转轴36通过轴承37与抱闸及编码器安装座22的右端转动连接,转轴36的下部分设于抱闸23的轴孔中,抱闸23的抱闸块通过平键与转轴36连接;参考图6,大钢带轮30与带轮轴21的上部分固定连接,大钢带轮30的圆周上设有若干个连接柱30-1,小钢带轮31与转轴36的上部固定连接,小钢带轮31的圆周上设有若干个连接柱31-1,钢带29上设有若干个圆孔29-1,钢带29的左端套在大钢带轮30上(连接柱30-1穿过钢带29左侧的圆孔29-1),钢带29的右端套在小钢带轮31上(连接柱31-1穿过钢带29右侧的圆孔29-1),实现传动。转动关节的锁紧依靠钢带传动及抱闸的锁紧功能实现,抱闸23在通电状态下,抱闸及编码器安装座22以带轮轴21为中心转动,转动同步帶轮27以轴线一32为中心公转的同时自转(编码器24产生信号),转轴36也会以轴线一32为中心公转的同时自转。断电状态下,抱闸23的抱闸块被抱紧,转轴36进而被锁紧不能自转,在钢带29的作用下,抱闸及编码器安装座22不能以轴线一32为中心转动,进而实现抱闸及编码器安装座22与带轮轴21的锁紧制动。设抱闸23的理论最大锁紧力矩为M1 n.m,关节理论最大锁紧力矩为M2 n.m。转轴36与钢带29啮合处半径为R1,带轮轴21与钢带29啮合处半径为R2。则有M1/R1=M2/R2,即M2=M1R2/R1。若R2>R1,则关节锁紧力矩增大。钢带传动结构弹性变形量小,不打滑,抗拉强度高。
 
應用圖5所示的關節結構時,將機械臂的臂杆與抱閘及編碼器安裝座22固定連接。
 
以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述,該描述沒有限制性,附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一,實際的結構並不局限于此。所以,如果本領域的技術人員受其啓示,在不脫離本發明創造宗旨的情況下,采用其它形式的零件構型、驅動裝置以及連接方式不經創造性的設計與該技術方案相似的結構方式及實施例,均應屬于本發明的保護範圍。
 
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