一种用于微创手术机器人远程中心运动的钢带传动机构制造技术

本发明专利技术公布了一种用于微创手术机器人远程中心运动的钢带传动机构，该机构主要包括动力系统、传动系统和骨架三大部分组成。解决了连杆传动结构复杂笨重、执行动作迟缓、传动精度低，以及钢丝绳传动预紧困难、走丝复杂、相互耦合还会发生抖动的问题。本发明专利技术使用钢带传动，当动力系统带动带轮一转动时，中臂会转动相同的角度，产生主旋转运动，随之产生的两个相对运动，使伸缩臂同向转动相同的角度，这样伸缩臂与中臂仍保持初始状态的时的夹角不变，保证了平行四边形。本钢带传动系统刚性好、结构紧凑、传动效率高、不打滑，能够实现精密传动，保证了微创手术机器人在运动过程中相对位置精度，从而提高了远程中心运动精度，即末端不动点位置精度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微创手术机器人远程中心运动的钢带传动机构
本专利技术涉及医疗机器人
，特别涉及一种微创手术机器人传动机构。
技术介绍
微创手术就是利用内窥镜等在人体内实行手术的一种新技术。相比于传统开口手术，微创手术伤口小，对组织的损伤轻，因此能够有效的缩短病人伤愈的时间，减轻开口手术给病人带来的痛苦。我国人口基数大，而且人民对先进的医疗技术和条件的需求日益增大，微创手术以其独特的优势在我国有巨大的发展前景。在手术的操作过程中，最重要的就是保证末端手术器械通过远程中心运动点即不动点，保证相对于病人身体做开口手术地方位置的稳定性和准确性。医疗器机器人传动过程中误差会累积，看似很小的误差到累积到最后可能很大，这样会造成不动点位置偏移，轻则导致手术失败，重则危及病人的生命。典型的微创手术机器人传动结构包括一些关节和连杆以提供不同的运动方式。随着技术的发展，传动方式也经历了多种变化，而要保证不动点的准确稳定，包括电气控制和机械传动两个方面，其中主要的就是机械传动部分。就大的方面来讲，在较长的距离传动中，一般使用普通带传动、同步齿形带传动、齿条传动或者钢丝绳传动，大部分难于实现精密传动，而且预紧难、结构不紧凑、占空间大、适用范围窄，与这些传动方式相比较，钢带传动具有以下优点：具有传统带传动的优点，能够远距离传送运动和动力；传动方式简单，占用空间小，传动结构紧凑；恰当的预紧能够保证上下钢带的同步精度，这样可以实现钢带精密传动。
技术实现思路
本专利技术主要是为了实现微创机器人末端手术器械通过不动点而设计的一种新型传动机构。传统实现不动点的方法主要有两种，一种是连杆结构传动，这种传动方式结构复杂笨重，执行动作迟缓，平稳性差，传动精度不高；另一种是钢丝绳传动，这种传动方式钢丝绳预紧困难，走丝复杂、相互耦合还会发生抖动。本传动结构使用钢带传动，具有同步性好、不打滑、传动效率高和适用范围广等优点，可实现精密传动，从而保证了不动点的位置精度。同时钢带的刚性好，能够增加微创手术机器人的承载能力，并使结构紧凑。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于微创手术机器人不动点远程中心运动的钢带传动机构，它包括骨架、动力系统以及机械传动系统三部分。骨架主要起支撑、安装元件的作用，而且微创手术机器人的各种位姿和运动也是通过驱动骨架来实现，其类似于人体骨骼；动力系统为传动系统提供传动的能量；传动系统使骨架保持一定的相对位置关系，保证末端不动点位置精度。所述骨架主要包括旋转臂、转角、大臂、中臂、小臂、伸缩臂等。所述旋转臂与转角为动力系统提供安装基体，所述大臂通过内六角螺栓与套筒固定，套筒又与转角通过螺栓固定在一起，所以大臂不发生转动，所述大臂与中臂、中臂与小臂均通过交叉滚子轴承配合连接在一起，彼此可相对转动，所述伸缩臂通过U形块与带轮六固定在一起。所述动力系统由电机、减速器、制动器组成。动力系统主要分布在转角与旋转臂上，提供微创手术机器人旋转的动力。所述的传动装置由六个不同的带轮、钢带、固定预紧块和两个固定块组成。动力最先传给带轮一，所述带轮一通过钢带将动力传给带轮二，所述带轮二由内六角螺栓穿透交叉滚子轴承内圈与中臂固定，固定块一将带轮三一端固定在大臂上，所述带轮三另一端通过钢带将动力传给带轮四；同理，带轮四由内六角螺栓穿透交叉滚子轴承内圈并与小臂固定，固定块二将带轮五一端固定在中臂上，所述带轮五另一端通过钢带将动力传给与末端伸缩臂相连的带轮六。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术采用钢带传动，钢带同步特性好，方便预紧，刚性高，能使微创手术机器人结构紧凑，承载能力强，易实现精密传动，消除了杆传动与钢丝绳传动结构复杂繁琐、运动不灵活、精度低等缺陷。2.本专利技术的结构紧凑合理，占用空间小，操作灵活。3.本专利技术中的钢带传动系统采用两根带控制一个自由度，钢带在带轮上空间错开固定，不相互耦合，向相反的方向缠绕半圈固定，极大的节约了空间，而且调节维护方便。能够有效解决钢丝绳传动带来的走丝复杂、相互耦合和抖动等问题。4.本专利技术采用的传动系统传动时存在相对旋转运动，即带轮的运动与臂的运动存在相对旋转运动，这样能保持大臂与小臂平行，以及中臂与伸缩臂之间的角度不变，从而保证了不动点位置的准确性，使各个臂运动连续而平稳。5.本专利技术末端U形块增加了限位，这样使微创手术机器人只能在一定的角度范围内摆动。6.本专利技术的传动结构不仅适用于微创手术机器人，而且对工业机器人或者其他的机械臂仍然适用。7.本专利技术的各个连接件采用中空结构，有利于控制器安装和走线。8.本专利技术设计了使各微创手术机器人保持初始相对位置的方法，这样提高了安装精度，而安装精度的提高保证了微创手术机器人在运动过程中相对位置精度，从而提高了末端不动点位置的精度。附图说明图1为本专利技术钢带传动应用于微创手术机器人的整体外观结构图；图2为本专利技术动力经过大臂传给中臂的结构剖视图；图3为本专利技术微创手术机器人内部钢带传动整体结构图；图4为本专利技术实现不动点的传动原理图；图5为本专利技术微创手术机器人限位装置图；图6为本专利技术微创手术机器人处于极限位置结构图；具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细描述。本专利技术是一种用于微创手术机器人的钢带传动机构，以保证末端不动点的位置精度，鉴于杆传动与钢丝绳传动保证末端不动点的结构复杂、稳定性不高的情况，本专利主要解决两个方面的问题：解决连杆传动结构复杂笨重、执行动作迟缓和传动精度低的问题；解决钢丝绳传动预紧困难、走丝复杂、相互耦合及抖动的问题。如图1所示为本专利技术钢带传动应用于微创手术机器人的整体外观结构图，微创手术机器人传动结构包括骨架1、动力系统2、传动系统3。骨架1包括旋转臂1-1、转角1-2、大臂1-3、中臂1-4、小臂1-5和伸缩臂1-6，其中大臂1-3与套筒2-6固定连接在一起，大臂1-3和中臂1-4、中臂1-4与小臂1-5通过交叉滚子轴承连接，彼此可相对转动。在传动系统3末端通过U形块3-11与伸缩臂1-6相连，伸缩臂1-6上安装手术器械4，最终实现两个旋转自由度R1、R2。如图2所示是动力经过大臂传给中臂的结构剖视图，大臂1-3由内六角螺栓固定在套筒2-6，套筒2-6由内六角螺栓固定在转角1-2上，使大臂1-3不会发生旋转运动。动力首先传给带轮一3-2，带轮一3-2通过钢带3-3-1与带轮二3-4连接并传递转矩，带轮二3-4通过内六角螺栓与交叉滚子轴承内圈3-11-1固定，中臂1-4通过内六角螺栓与该交叉滚子轴承内圈3-11-1固定，带轮二3-4转动就能带动中臂1-4旋转相同的角度，固定块一3-5将带轮三3-6一端固定在大臂1-3上，且固定块一3-5上有线槽3-5-1，方便控制器走线，带轮三3-6另一端通过两个空间错开、反方向缠绕的钢带3-3-3与钢带3-3-4与下一关节的带轮连接。如图3为本专利技术微创手术机器人内部钢带传动整体结构图，旋转臂1-1与转角1-2为微创手术机器人动力系统提供安装基体，转角1-2与旋转臂1-1连接，动力系统2将动力传给带轮一3-2，固定预紧块3-1将钢带3-3-1固定在1带轮上并将其预紧，钢带3-3-1以相同方法连接到带轮二3-4上，同理，钢带3-3-2将带轮一3-2与带轮二3-4连接，带轮二3-4通过内六角螺栓与交叉滚子轴承内圈固定，中臂1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微创手术机器人远程中心运动的钢带传动机构，其特征在于，它包括动力系统、传动系统和骨架三部分；所述动力系统主要包括电机和套筒；传动系统包括六个不同的带轮、钢带、固定块一、固定块二、U形块；所述骨架包括旋转臂、转角、大臂、中臂、小臂以及伸缩臂；所述的大臂通过螺栓与套筒固定，套筒通过螺栓与转角固定连接，大臂不会转动；所述大臂与中臂、中臂与小臂均通过交叉滚子轴承连接在一起，彼此可相对旋转；所述伸缩臂通过U形块与带轮六固定在一起；所述动力系统将动力传给带轮一，所述带轮一通过钢带将动力传给带轮二，所述带轮二通过内六角螺栓与交叉滚子轴承内圈固定，中臂通过内六角螺栓也与该交叉滚子轴承内圈固定，当带轮一通过两根空间错开、反向缠绕的钢带将动力传给带轮二带动其转动时，带轮二随即带动中臂转动，产生主旋转运动；所述固定块一将带轮三一端固定在大臂上，所述带轮三另一端通过两个空间错开、反向缠绕的钢带与带轮四连接；同理，带轮四由内六角螺栓与叉滚子轴承内圈固定，小臂通过内六角螺栓也与该交叉滚子轴承内圈固定，固定块二通过内六角螺栓将带轮五固定在中臂上；所述带轮五通过空间错开，反向缠绕的两根钢带将动力传给与末端伸缩臂相连的带轮六，使产生主旋转运动的同时产生相对旋转运动，维持各个臂之间的相对位置关系，从而实现微创手术机器人远程中心运动。...

【技术特征摘要】
1.一种用于微创手术机器人远程中心运动的钢带传动机构，其特征在于，它包括动力系统、传动系统和骨架三部分；所述动力系统主要包括电机和套筒；传动系统包括六个不同的带轮、钢带、固定块一、固定块二、U形块；所述骨架包括旋转臂、转角、大臂、中臂、小臂以及伸缩臂；所述的大臂通过螺栓与套筒固定，套筒通过螺栓与转角固定连接，大臂不会转动；所述大臂与中臂、中臂与小臂均通过交叉滚子轴承连接在一起，彼此可相对旋转；所述伸缩臂通过U形块与带轮六固定在一起；所述动力系统将动力传给带轮一，所述带轮一通过钢带将动力传给带轮二，所述带轮二通过内六角螺栓与交叉滚子轴承内圈固定，中臂通过内六角螺栓也与该交叉滚子轴承内圈固定，当带轮一通过两根空间错开、反向缠绕的钢带将动力传给带轮二带动其转动时，带轮二随即带动中臂转动，产生主旋转运动；所述固定块一将带轮三一端固定在大臂上，所述带轮三另一端通过两个空间错开、反向缠绕的钢带与带轮四连接；同理，带轮四由内六角螺栓与叉滚子轴承内圈固定，小臂通过内六角螺栓也与该交叉滚子轴承内圈固定，固定块二通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑宏强，杜南星，任奎源，杨世明，金国光，张新建，韩帅，刘玉兵，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12