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用于微创手术 机器人的协作定位臂的模块化关节

阅读：1026发布：2020-09-10

专利汇可以提供用于微创手术机器人的协作定位臂的模块化关节专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于微创手术机器人的协作定位臂的模块化关节，包括：壳体、固定设置于壳体内的驱动机构和转动设置于壳体内的输出机构，其中：驱动机构和输出机构相连，驱动机构与其他模块化关节的输出机构或机架相连，输出机构与其他模块化关节的驱动机构或机械爪相连。本发明采用传动轴中的转动部分和固定部分的间隔分层结构；通过电机工作实现协作定位臂的主动工作，具有较大的输出力矩和合理的运动速度，控制精密程度高，尺寸小，重量轻，零件安装方便，保证了医护人员的人身安全。，下面是用于微创手术机器人的协作定位臂的模块化关节专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于微创手术机器人的协作定位臂的模块化关节，其特征在于，包括：壳体、固定设置于壳体内的驱动机构和转动设置于壳体内的输出机构，其中：驱动机构和输出机构相连，驱动机构与其他模块化关节的输出机构或机架相连，输出机构与其他模块化关节的驱动机构或机械爪相连；
所述的驱动机构包括：带有刹车的电机、与电机输出轴相连的行星齿轮箱、设置于齿轮箱输出轴和谐波输入机构，其中：谐波输入机构与输出机构相连；
所述的输出机构包括：扭矩传感器和与之相连的转动端，其中：扭矩传感器与输出机构相连并转动设置于壳体上，转动端接受来自驱动机构的扭矩并输出至其他模块化关节的驱动机构或机械爪。
2.根据权利要求1所述的模块化关节，其特征是，所述的壳体包括：固定上板、固定下板、固定侧板、前侧板和后侧板，其中：固定上板和固定下板分别设置于驱动机构和输出机构的上下两侧，固定侧板分别与固定上板和固定下板垂直相连，前侧板和后侧板分别设置于驱动机构的对应两侧。
3.根据权利要求1所述的模块化关节，其特征是，所述的转动端包括：柱状壳、转动侧板、转动上板、轴承座和旋转支撑圆环，其中：柱状壳分别和旋转支撑圆环与轴承座通过轴承过盈配合，轴承座和转动上板连接，转动侧板设置于转动上板和旋转支撑圆环之间，转动侧板上设有第二接口法兰。
4.根据权利要求1所述的模块化关节，其特征是，所述的谐波输入机构包括：谐波减速器、设置于谐波减速器的输入轴上的同步带轮，其中：谐波减速器与输出机构相连。
5.根据权利要求1所述的模块化关节，其特征是，所述的输出机构上进一步设有用于零位检测的霍尔传感器，该霍尔传感器包括：作为定子的PCB板和作为转子的磁铁固定块，PCB板由两块相同的半圆环板组成，其中：PCB板与固定下板连接，磁铁固定块与旋转支撑圆环连接。
6.根据权利要求1或2所述的模块化关节，其特征是，所述的驱动机构上进一步设有用于放大扭矩传感器输出的模拟信号的放大器、模数转换模块、驱动器和控制板，其中：驱动器向电机、失电制动器、编码器和扭矩传感器供电，控制板根据编码器、扭矩传感器和霍尔传感器的信号计算输出扭矩和输出转速并进一步控制电机。
7.根据权利要求6所述的模块化关节，其特征是，所述的输出扭矩Tc＝Tm×i×ηm×ηg×ηr，其中：Tc为模块化关节的总输出扭矩；i为传动总减速比；Tm为电机的输出扭矩；ηm为电机的传动效率；ηg为齿轮箱的传动效率；ηr为谐波减速器的传动效率；所述的输出转速其中：nc为关节的输出转速；i为传动总减速比；nm为电机的额定转速。
8.根据权利要求7所述的模块化关节，其特征是，将来自电机、行星齿轮箱和谐波减速器的参数表中的数据代入输出扭矩的计算公式中可得输出扭矩Tc为48N·m；将数据代入转速的计算公式中可得输出转速nc为9.98rpm。

说明书全文

用于微创手术 机器人的协作定位臂的模块化关节

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种医疗机器人领域的技术，具体是一种用于微创手术机器人的协作定位臂的模块化关节。

背景技术

[0002] 微创手术机器人在使用过程中需要与医护人员协同工作，这对其安全性提出了很高的要求。在现有的产品技术中，为保证安全性，用于微创手术的术前定位的机械臂通常是被动式的，很少有主动式定位机械臂的方案，不能实时采集控制和安全检测数据，无法很好控制机械臂的输出力矩和运动速度，容易对医护人员的人身安全造成威胁。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于微创手术机器人的协作定位臂的模块化关节，通过设置具有主动工作能力的传动轴，同时采用传动轴中的转动部分和固定部分的间隔分层结构，来带动协作定位臂的主动工作，输出扭矩大，速度控制精度高，零件安装方便，占据空间小，保证了医护人员的人身安全。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 本发明包括：壳体、固定设置于壳体内的驱动机构和转动设置于壳体内的输出机构，其中：驱动机构和输出机构相连，驱动机构与其他模块化关节的输出机构或机架相连，输出机构与其他模块化关节的驱动机构或机械爪相连。

[0006] 所述的驱动机构包括：带有刹车的电机、与电机输出轴相连的行星齿轮箱、设置于齿轮箱输出轴和谐波输入机构，其中：谐波输入机构与输出机构相连。

[0007] 所述的谐波输入机构包括：谐波减速器、设置于谐波减速器的输入轴上的同步带轮，其中：谐波减速器与输出机构相连。

[0008] 所述的输出机构包括：扭矩传感器和与之相连的转动端，其中：扭矩传感器与输出机构相连并转动设置于壳体上，转动端接受来自驱动机构的扭矩并输出至其他模块化关节的驱动机构或机械爪。

[0009] 所述的壳体包括：固定上板、固定下板、固定侧板、前侧板和后侧板，其中：固定上板和固定下板分别设置于驱动机构和输出机构的上下两侧，固定侧板分别与固定上板和固定下板垂直相连，前侧板和后侧板分别设置于驱动机构的对应两侧。

[0010] 所述的转动端包括：柱状壳、转动侧板、转动上板、轴承座和旋转支撑圆环，其中：柱状壳分别和旋转支撑圆环与轴承座通过轴承过盈配合，轴承座和转动上板连接，转动侧板设置于转动上板和旋转支撑圆环之间，转动侧板上设有第二接口法兰。

[0011] 所述的输出机构上进一步设有用于零位检测的霍尔传感器，该霍尔传感器包括：作为定子的PCB板和作为转子的磁铁固定块，PCB板由两块相同的半圆环板组成，其中：PCB板与固定下板连接，磁铁固定块与旋转支撑圆环连接。
技术效果

[0012] 与现有技术相比，本发明采用传动轴中的转动部分和固定部分的间隔分层结构；驱动器带动电机工作进行传动来实现协作定位臂的主动工作，具有较大的输出力矩和合理的运动速度，控制精密程度高，尺寸小，重量轻，零件安装方便，占据空间小，保证了医护人员的安全性。
附图说明

[0013] 图1为本发明的结构示意图；

[0014] 图2为本发明的剖视图；

[0015] 图3为实施例中多个模块化关节串联后的结构示意图；

[0016] 图中：编码器1、刹车2、电机3、行星齿轮箱4、前侧板5、后侧板6、第一接口法兰7、驱动机构8、输出机构9、同步带轮10、壳体11、转动端12、固定下板13、谐波输入轴14、谐波减速器15、霍尔传感器16、转动侧板17、磁铁固定块18、薄壁轴承19、旋转支撑圆环20、柱状壳21、长连杆22、转动上板23、RB5013轴承24、轴承座25、扭矩传感器26、微动开关27、固定上板28、第二接口法兰29、定制的PCB板30。

具体实施方式

[0017] 如图1所示，为本实施例涉及的一种微创手术用协作定位臂的模块化关节，包括：壳体11、固定设置于壳体11内的驱动机构8和转动设置于壳体内的输出机构9，其中：驱动机构8和输出机构9相连，驱动机构8与其他模块化关节的输出机构9或机架相连，输出机构9与其他模块化关节的驱动机构8或机械爪相连。

[0018] 如图2所示，所述的驱动机构8包括：带有编码器1和刹车2的电机3、与电机输出轴相连的行星齿轮箱4、设置于行星齿轮箱的输出轴上的同步带轮10和谐波减速机构，其中：同步带轮10与输出机构9相连。

[0019] 所述的输出机构9包括：扭矩传感器26和与之相连的转动端12，其中：扭矩传感器26与谐波输出机构相连并转动设置于输出机构9内，转动端12接受来自驱动机构8的扭矩并输出至其他模块化关节的驱动机构8或机械爪。

[0020] 所述的驱动机构8上进一步设有用于关节限位的微动开关27，其中：微动开关27设置于壳体11内。

[0021] 所述的输出机构9上进一步设有用于零位检测的霍尔传感器16，其中：该霍尔传感器16包括：作为定子的PCB板和作为转子的磁铁固定块18，PCB板由两块相同的半圆环板组成，其中：PCB板与固定下板13连接，磁铁固定块18与旋转支撑圆环20连接。

[0022] 所述的壳体11包括：固定上板28、固定下板13、固定侧板5、前侧板5和后侧板6，其中：固定上板28和固定下板13分别设置于驱动机构8和输出机构9的上下两侧，固定侧板5连接固定上板28和固定下板13并与之垂直，前侧板5和后侧板6分别设置于驱动机构8的对应两侧。

[0023] 所述的驱动机构8与输出机构9连接的另一侧设有第一接口法兰7，其中：第一接口法兰7设置于前侧板5和后侧板6之间。

[0024] 所述的转动端12包括：柱状壳21、转动侧板17、轴承座25、转动上板23和旋转支撑圆环20，其中：转动侧板17设置于转动上板23和旋转支撑圆环20之间，转动侧板17上设有第二接口法兰29。

[0025] 所述的转动上板23设置于轴承座25上，固定上板28设置于柱状壳21上。

[0026] 所述的谐波输入机构包括：设置于固定下板13上的谐波输入轴14以及转动设置于谐波输入轴14上的谐波减速器15，其中：谐波减速器15与转动端12相连。

[0027] 所述的谐波输入机构上进一步设有扭矩传感器26。

[0028] 所述的柱状壳21和旋转支撑圆环20之间设有用于过盈配合的薄壁轴承19。

[0029] 所述的柱状壳21和转动上板23之间设有用于过盈配合的RB轴承24和轴承座25。

[0030] 所述的前侧板5和后侧板6上设有用于连接第一接口法兰7的圆孔，其中：两个圆孔高度一致。

[0031] 所述的数模转换模块用于转换扭矩传感器26输出的模拟信号为控制板的数字信号。

[0032] 所述的驱动机构8上进一步设有用于放大扭矩传感器26输出的模拟信号的放大器、模数转换模块、驱动器和控制板，其中：驱动器向电机3、失电制动器2和编码器1供电，控制板根据编码器1、扭矩传感器26和霍尔传感器16的信号计算输出扭矩和输出转速并进一步控制电机3。

[0033] 所述的输出扭矩Tc＝Tm×i×ηm×ηg×ηr，其中：Tc为模块化关节的总输出扭矩；i为传动总减速比；Tm为电机的输出扭矩；ηm为电机的传动效率；ηg为行星齿轮箱的传动效率；ηr为谐波减速器的传动效率。来自电机、行星齿轮箱和谐波减速器的参数表中的数据代入输出扭矩的计算公式中可得输出扭矩Tc为48N·m。

[0034] 所述的输出转速其中：nc为关节的输出转速；i为传动总减速比；nm为电机的额定转速。将数据代入转速的计算公式中可得输出转速nc为9.98rpm。

[0035] 本装置实现了以下几个技术指标：

[0036] 1)总重量不大于7Kg，总尺寸小于25cmx20cmx15cm；

[0037] 2)最大力矩不小于50N·m；

[0038] 3)旋转速度小于10rpm；

[0039] 4)提供扭矩传感器反馈的数值，为实现随动控制和安全检测提供数据支持。

[0040] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

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