具有快换接口功能的外科手术机器人用二自由度机构

摘要

本发明提供的是一种具有快换接口功能的外科手术机器人用二自由度机构。包括直线运动机构和旋转快换机构。直线移动机构主要包括：电机驱动部件、同步带、限位遮光片A、滑块、限位遮光片B、直线运动机构支架、支架上端板、同步带预紧装置、光电开关B、机械限位挡板B、滑块安装板、导轨、机械限位挡板A、光电开关A、光栅条、连接架。旋转快换机构主要包括：旋转下壳体、齿轮A、光电开关遮光片、磁栅读数头、光电开关、旋转支架、光栅读数头、电机、旋转空心轴和齿轮。本发明的稳定性和灵活性好，结构精巧，重量轻，易于计算机控制，极大地弥补了微创手术机器人手指自由度数少、作业空间狭小的缺陷。本机构也可以应用到别的机器人系统上。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种具有移动、旋转两个自由度和手指快换功能的机构，主要用于微创 手术用的医疗设备。

背景技术

与常规开刀手术相比，微创手术在治疗效果、减轻痛苦、恢复周期、医疗成本等方面具 有明显优势。它主要借助先进的医疗器械和设备以微小的创伤来进行手术，随着机器人技术 和相关技术的发展微创手术机器人的手术范围逐渐涉及更复杂的手术领域，手术操作也向智 能化和精确化发展。目前微创手术机器人主要通过对微器械手指的控制和操作来完成手术， 但微器械手指自由度较少，作业空间不是很理想，手指更换也不是很方便。为了进一步降低 了手术操作的难度，增加了手术效率，同时减少给患者带来的不必要的附加损伤。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有移动、旋转两个自由度，具有手指快换功能，稳定灵活， 易于计算机控制的具有快换接口功能的外科手术机器人用二自由度机构。

本发明的目的是这样实现的：

包括直线运动机构和旋转快换机构，

所述直线运动机构的组成为电机驱动部件1-1安装在直线运动机构支架1-6上，支架上 端板1-8安装在直线运动机构支架1-6的上端，光电开关B1-10、机械限位挡板B1-11、导轨 1-14、机械限位挡板A1-15、光电开关A1-16至上而下依次安装在直线移动机构支架1-6内， 滑块1-4安装在导轨1-14上面，滑块安装面板1-12固定在滑块1-4上面，光栅条1-17贴在 直线运动机构支架1-6的侧面的凹槽里，限位遮光片A1-3、限位遮光片B1-5分别固定在滑 块安装板1-12上面，同步带与滑块安装面板固定，直线运动机构支架1-6上端通过同步带预 紧装置1-9安装大带轮A，电机驱动部件1-1中包含大带轮B，同步带1-2连接于大带轮A与 大带轮B之间；

所述旋转快换机构的组成为旋转下壳体2-1固定在旋转支架2-15上，轴承2-5、轴承2-7 安装在轴承支座2-6上，旋转空心轴2-19插入轴承支座2-6，齿轮A2-2固定在旋转空心轴 2-19上，弹簧夹2-8、弹簧2-9安装在光电开光遮光片2-11的豁口处，弹簧夹盖板2-10和 光电开光遮光片2-11固定在轴承支座2-6上，磁栅读数头2-13固定在磁栅读数头安装板2-12 上，磁栅读数头安装板2-12又固定在旋转支架2-15上，光栅读数头安装板2-16和光栅读数 头2-17作为整体安装在旋转支架2-15上，电机2-18也安装在旋转支架2-15上面，齿轮B2-20 和电机2-18的输出轴固连在一起，齿轮B2-20和齿轮A2-2啮合；

旋转支架2-15固定在滑块安装板1-12上。

所述电机驱动部件主要包括小带轮A1-1-2、小带轮B1-1-4、同步带1-1-5、轴1-1-10、 电机1-1-11、大带轮A1-1-12，大带轮A1-1-12开有凹槽安装轴承1-1-8，轴1-1-10上对称 分布轴承1-1-8、轴套1-1-6，大带轮A1-1-12固定在轴1-1-10上面，小带轮B1-1-4也固定 在轴1-1-10上，电机1-1-11通过固定在电机安装板1-1-13安装在直线运动机构支架1-6上 面，小带轮A1-1-2固定在电机1-1-11的输出轴上，电机安装板1-1-13上面加工有长孔。

同步带预紧装置1-9的组成为大带轮B1-9-2固联在光轴1-9-8上，光轴1-9-8两侧对称 分布着轴承1-9-4和轴套1-9-3使之成为一个整体安装在游动支架1-9-5上，支架上端板1-8 和游动支架1-9-5连接，直线运动机构支架1-6上面的长孔，通过调整螺母1-9-6和螺钉1-9-1 调整大带轮B1-9-2和大带轮A1-1-12的中心距。

为了进一步降低了手术操作的难度，增加了手术效率，同时减少给患者带来的不必要的 附加损伤。本发明所设计的微创手术机器人用移动旋转快换机构，具有移动和旋转两个自由 度，且具备手指快换功能，考虑到手术对机器人的精度要求较高，本设计除了选用带有编码 器的直流电机外在机构末端还有用于位移监测光栅尺和磁栅。本机构的稳定性和灵活性好， 结构精巧，重量轻，易于计算机控制，极大地弥补了微创手术机器人手指自由度数少、作业 空间狭小的缺陷。本机构具有通用性也可以应用到别的机器人系统上。

本发明一种具有快换接口功能的外科手术机器人用2自由度机构，具有以下特点：

1、本发明不但具有直线运动和旋转运动两个自由度，还具有快换接口功能且机构简单易 行，便于控制。

2、本发明结构精巧，运动灵活，能更好的满足微创手术机器人对作业空间的要求。

3、本发明的移动自由度，通过电机带动同步带和滑块在导轨上移动，同步带具有预紧装 置，运动平稳，精度高。

4、本发明的移动自由度实现机构具有光电限位和机械限位功能，旋转自由度具有光电限 位功能，这使机构运行更加安全。

5、本发明除过电机自带编码器用于运动量检测外，在末端还有高精度的光栅和磁栅用于 检测实际运动量，通过软件编程可以提高系统精度。极大的满足微创手术机器人对精度的要 求。

6、本发明可以安装在各类机器人的末端可广泛应用在各类机器人上，具有良好的通用性。

附图说明

图1是本发明的整体机构图。

图2是本发明的直线运动机构示意图。

图3是直线运动机构电机驱动部件示意图。

图4是同步带预紧装置示意图。

图5是旋转快换机构示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，并结合附图加以说明。

结合图1，本发明的一种具有快换接口功能的外科手术机器人用2自由度机构主要由直 线移动机构1、旋转快换机构2组成。直线移动机构1具有直线运动功能和电机驱动、位移 检测、光电限位、机械限位功能；旋转快换机构2具有旋转运动功能和手指快换、角位移检 测、光电限位功能。

结合图2，直线移动机构1主要由以下几部分组成：电机驱动部件1-1、同步带1-2、限 位遮光片A1-3、滑块1-4、限位遮光片B1-5、直线运动机构支架1-6、直线运动机构后盖1-7、 支架上端板1-8、同步带预紧装置1-9、光电开关B1-10、机械限位挡板B1-11、滑块安装板 1-12、螺钉1-13、导轨1-14、机械限位挡板A1-15、光电开关A1-16、光栅条1-17、连接架 1-18。

电机驱动部件1-1安装在直线运动机构支架1-6上面，直线运动机构后盖1-7通过螺钉 固定在直线运动机构支架1-6上端面，支架上端板1-8通过四个内六角螺钉安装在直线运动 机构支架1-6的上端，光电开关B1-10、机械限位挡板B1-11、导轨1-14、机械限位挡板A1-15、 光电开关A1-16、至上而下依次安装在直线移动机构支架1-6的底部，滑块1-4安装在导轨 1-14上面，滑块安装面板1-12通过四个内六角螺钉1-13固定在滑块1-4上面使之成为一个 整体。1-17光栅条贴在直线运动机构支架1-6的侧面的凹槽里。限位遮光片A1-3、限位遮光 片B1-5分别通过螺钉固定在滑块安装板1-12上面，同步带通过螺钉和滑块安装面板固定。 这样同步带1-2的运动就可以带动滑块安装板1-12和滑块1-4沿着导轨1-14做直线运动了。 当滑块1-4运动到正极限位置时限位遮光片B1-5就会遮住光电开关B1-10的光源，此时光电 开关B1-10就会产生限位信号，机械限位挡板B1-11可以在光电开光B1-10失灵的情况下起 到限位作用。当滑块1-4移动到负极限位置时限位遮光片A1-3就会遮住光电开光A1-16的光 源，此时光电开光A1-16就会产生限位限号，机械限位挡板A1-15可以在光电开光A1-16失 灵的情况下起到限位作用。通过光电限位和机械限位的作用可以使机构更加安全的运动。连 接架1-18可以使整个机构和机器人系统连接起来。

结合图2、图3，电机驱动部件1-1主要由以下几部分组成：螺钉1-1-1、螺钉1-1-14、 螺钉1-2-15、小带轮A1-1-2、小带轮外壳1-1-3、小带轮B1-1-4、同步带1-1-5、轴套1-1-6、 轴承挡圈1-1-7、轴承1-1-8、轴承端盖1-1-9、轴1-1-10、电机1-1-11、大带轮A1-1-12、 电机安装板1-1-13。

小带轮外壳1-1-3通过螺钉1-1-1安装在直线运动机构支架1-6上面。大带轮A1-1-12 开有凹槽安装轴承1-1-8，轴1-1-10上对称分布轴承1-1-8、轴套1-1-6，其中一侧轴承外 圈用轴承挡圈1-1-7轴向定位，另一侧轴承外圈用轴承端盖1-1-9定位。大带轮A1-1-12通 过紧定螺钉固定在轴1-1-10上面，小带轮B1-1-4也固定在轴1-1-10上，小带轮B1-1-4的 运动就会带动大带轮A1-1-12运动进而带轮同步带1-2的运动。电机1-1-11通过四个螺钉 1-1-15固定在电机安装板1-1-13上面，电机安装板1-1-13通过螺钉1-1-14安装在直线运 动机构支架1-6上面，小带轮A1-1-2固定在电机1-1-11的输出轴上面，这样电机1-1-11的 转动可以带动小带轮A1-1-2的转动进而通过同步带1-1-5带动小带轮B1-1-4的运动从而带 动轴1-1-10的转动来驱动大带轮A的转动。电机安装板1-1-13上面加工有长孔可以调整电 机安装板1-1-13和直线运动机构支架1-6之间的相对位置，从而可以调整小带轮A1-1-2和 小带轮B1-1-4的中心距来调整同步带1-1-5的松紧。

结合图2、图3、图4，同步带预紧装置1-9主要由以下几部分组成（如图4所示）：螺 钉1-9-1、大带轮B1-9-2、轴套1-9-3、轴承1-9-4、游动支架1-9-）、螺母1-9-6、螺母1-9-7、 光轴1-9-8。

大带轮B1-9-2固联在光轴1-9-8上，光轴1-9-8两侧对称分布着轴承1-9-4和轴套1-9-3， 使之成为一个整体安装在游动支架1-9-5上面，支架上端板1-8通过螺栓1-9-7和游动支架 1-9-5连接，直线运动机构支架1-6上面的长孔，通过调整螺母1-9-6和螺钉1-9-1，可以调 整大带轮B1-9-2和大带轮A1-1-12的中心距。

结合图5，旋转快换机构2主要由以下几部分组成：旋转下壳体2-1、齿轮A2-2、紧定 螺钉2-3、轴承挡圈2-4、轴承2-5、轴承2-7、轴承支座2-6、弹簧夹2-8、弹簧2-9、弹簧 夹盖板2-10、光电开关遮光片2-11、磁栅读数头安装板2-12、磁栅读数头2-13、光电开关 2-14、旋转支架2-15、光栅读数头安装支架2-16、光栅读数头2-17、电机2-18、旋转空心 轴2-19、齿轮B2-20。

旋转下壳体2-1通过螺钉固定在旋转支架2-15上面。轴承2-5、2-7安装在轴承支座2-6 上面，分别用轴承挡圈2-4挡住外圈，旋转空心轴2-19插入轴承支座2-6。齿轮A2-2通过 紧定螺钉2-3固定在旋转空心轴2-19上。弹簧夹2-8、弹簧2-9安装在光电开光遮光片2-11 的豁口处通过螺钉将弹簧夹盖板2-10和光电开光遮光片2-11固定在轴承支座2-6上面、磁 栅读数头2-13固定在磁栅读数头安装板2-12上面。磁栅读数头安装板2-12又固定在旋转支 架2-15上面。光栅读数头安装板2-16和光栅读数头2-17作为整体安装在旋转支架2-15上 面。电机2-18也安装在旋转支架2-15上面，齿轮B2-20和电机2-18的输出轴固连在一起。 齿轮B20和齿轮A2-2啮合。这样电机2-18运动通过齿轮B2-20和齿轮A2-2的啮合将旋转运 动传递给旋转空心轴2-19。这样可以实现插入旋转空心轴2-19里面的手指或其他操作器械 的旋转。通过手动捏夹弹簧夹2-8可以实现弹簧夹2-8的夹紧与松开。这样可以实现插入旋 转空心轴2-19里面的手指或其他操作器械的换取。

结合图1、图2、图3、图4、图5对本微创手术机器人用移动旋转快换机构的功能进行 总体说明。本微创手术机器人用移动旋转快换机构主要由直线移动机构1和旋转快换机构2 组成。

直线移动机构1可以实现滑块1-4在导轨1-14上面的直线移动。滑块安装板1-12上预 留有安装螺纹孔可以将旋转支架2-15固定在滑块安装板1-12上面，这样整个旋转快换机构 2既可一和滑块1-4一起做直线移动了。具体的是这样运动的：电机1-1-11运动带动小带轮 A1-1-2旋转，通过同步带1-1-5运动进而带动大带轮A1-1-12的旋转。大带轮A1-1-12的转 动带动大带轮B1-9-2的转动。随之滑块1-4和同步带1-2一起沿着导轨1-14做直线运动， 同时光栅读数头2-17扫过光栅条1-17的表面产生位移信号。通过检测光栅读数头2-17的信 息可以知道实际的直线位移。其中大带轮A1-1-12和大带轮B1-9-2的中心距和小带轮A1-1-2 和小带轮B1-1-4的中心距可以通过螺钉来调整，进而调整同步带1-1-5和同步带1-2的松紧 度。当直线运动到达极限位置的时候，光电开关A1-16和光电开光B1-10会产生限位信号， 机械限位挡板A1-15和机械限位挡板B1-11会起到机械限位作用，使安全性能得到提高。通 过连接架1-18可以使整个机构和机器人系统连接起来。

旋转快换机构2可以实现插入旋转空心轴2-19里面的手指或者其他器械的旋转和快速换 取。具体的是这样运动的：电机2-18带动齿轮B2-18和齿轮A2-2的啮合，进而带动旋转空 心轴2-19的旋转，插入旋转空心轴2-19里面的器械就会产生旋转运动。光电开关2-14可以 对旋转运动起到限位作用。在插入旋转空心轴的器械上面装上磁栅的话，就可以读取改器械 的旋转信息。手动捏夹弹簧夹2-8可以实现弹簧夹2-8的夹紧与松开。这样可以实现插入旋 转空心轴2-19里面的器械的换取。

滑块安装板1-12上预留有安装螺纹孔可以将旋转支架2-15固定在滑块安装板1-12上 面，这样整个旋转快换机构2就可以和滑块1-4一起做直线移动了。这样就能实现插入旋转 空心轴2-19里面的器械的移动旋转和快换功能。