一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂转让专利
申请号 : CN202110672748.6
文献号 : CN113303912B
文献日 : 2022-04-05
发明人 : 杨克己 , 崔露航 , 王云江 , 肖璇 , 胡鑫奔 , 朱永坚
申请人 : 浙江大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂,其特征在于,包括N段完全相同的子节段和驱动轴芯,每个子节段包括外部套筒和内部传动组件两部分;
所述外部套筒(1)为薄壁套筒结构,其内部设有一段内螺纹,其两端分别设有两个耳部,一端的两个耳部设有互相对称的凸台,另一端的两个耳部设有互相对称的通孔,所述外部套筒(1)通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒(1)相连,相邻两节段间凸台与通孔相互配合;
所述内部传动组件包括螺纹套管(3)、滑动套管(4)、齿轮组(5)、定滑轮组(6)和传动带(7);
所述螺纹套管(3)为空心套管结构,其内部设有内花键,其一端设有卡扣结构,其外壁通过外螺纹与所述外部套筒(1)的内螺纹相连,螺纹套管(3)通过螺纹副可以在外部套筒(1)内运动;
所述滑动套管(4)为空心套管结构,其前后两侧设有滑台,可在所述外部套筒(1)内沿轴向滑动,其左右两侧开有槽口,槽口内铣有与齿轮配合的齿条,其一端与所述螺纹套管(3)通过卡扣结构相连,滑动套管(4)与螺纹套管(3)可以相互转动;
所述齿轮组(5)由两个对称的齿轮组成,分别固定在所述外部套筒(1)侧壁的定位孔中,齿轮轴线方向与滑动套管(4)的槽口中心线垂直;
所述定滑轮组(6)由两个对称的定滑轮组成,分别固定在所述外部套筒(1)侧壁的定位孔中,每个定滑轮有两个滑槽,用于布置所述传动带(7);
所述外部套筒(1)一端的通孔侧壁上设有滑槽,用于布置下一节段的传动带(7);
所述传动带(7)是由四条带组成的二级传动,可以实现将齿轮组(5)的转动传递给所述外部套筒(1);
所述驱动轴芯(2)为头部铣有外花键的空心软轴,头部外花键可与不同节段的螺纹套管(3)内花键接触,从而实现对不同节段的分时驱动。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂,其特征在于,所述外部套筒(1)两端耳部的凸台轴线方向与通孔轴线方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂,其特征在于,所述外部套筒(1)侧壁开有定位孔,用于固定齿轮组(5)和定滑轮组(6)。
4.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂,其特征在于,所述外部套筒(1)内壁铣有滑道,所述滑动套管(4)的滑台可在所述外部套筒(1)内沿轴向滑动。
5.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂,其特征在于,所述驱动轴芯(2)可以自由弯曲但具有良好的抗扭转性能。
说明书 :
一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂
技术领域
背景技术
创外科手术中取得了广泛应用,其采用单个或多个毫米级的体表创口建立手术通道,由末
端执行器和蛇形臂组成的微器械通过通道进入手术部位。微创外科手术创伤小的特点要求
手术机器人系统末端的微器械尺寸足够小,同时满足运动空间和若干个自由度灵巧操作的
要求。
限空间布置灵巧的传动结构,带来了以下问题:1、多个自由度都需要绳索单独驱动,导致绳
索数量增多,布线困难;2、各个自由度之间耦合严重,导致控制复杂,传动精度低;3、自由度
的多少严重依赖传动机构需要的空间大小,整个蛇形臂的自由度受限。
发明内容
本发明提供一种基于齿轮齿条传动的模块化蛇形臂,以提高微创外科手术机器人手术操作
的灵巧性。
件两部分;
部套筒通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒相连,相邻两节段间凸台与通孔相互配
合;
卡扣结构相连,滑动套管与螺纹套管可以相互转动;
独立转动。由于各个关节的转动都来源于驱动轴芯的转动和内部传动组件的传递,不需要
为每一个自由度单独设置动力源和传动部件,所以传动布线简单。由于各个关节的弯曲是
分时独立的,因此各关节自由度相互间没有耦合,控制简单,传动精度高。由于各个关节的
弯曲都是由内部传动组件分时切换地与驱动轴芯相连实现的,因此整个蛇形臂的自由度可
以通过关节模块数量实现灵活增减。本发明通过巧妙设计蛇形臂的传动结构,满足了微创
手术对蛇形臂尺寸和灵巧性的要求,通过末端连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构,可以
实现精准地将末端执行机构送到工作区域,辅助外科医生完成微创外科手术。
附图说明
具体实施方式
部套筒1通过两端的耳部分别与前后节段的外部套筒1相连,相邻两节段间凸台与通孔相互
配合;
运动;
螺纹套管3通过卡扣结构相连,滑动套管4与螺纹套管3可以相互转动;
孔侧壁上设有滑槽,用于布置下一节段的传动带7;
手术。
过电机带动驱动轴芯2转动,通过控制驱动轴芯2的长度,可以实现驱动轴芯2在不同时刻与
不同节段的螺纹套管3相连,并通过花键将驱动轴芯2的转动传递给螺纹套管3。由于螺纹套
管3外壁通过螺纹副与外部套筒1内壁相连,所以螺纹套管3的转动会产生沿外部套筒1轴线
方向的移动。由于螺纹套管3与滑动套管4通过卡扣结构相连且二者可以相互转动,因此螺
纹套管3会带动滑动套管4沿外部套筒1轴线方向移动。滑动套管4通过齿轮齿条将运动传递
为齿轮组5的转动。齿轮组5通过定滑轮组6和传动带7构成的二级传动,带动下一节段的外
部套筒1转动,从而实现相邻两节段间的转动。
可以通过驱动轴芯2的内部通道进行传动。机器人系统通过合理控制驱动轴芯2与不同子节
段的螺纹套管3相连,并利用螺纹自锁的特性,可以实现灵巧地变换蛇形臂的位姿。尤其是
当不可避免地需要绕开一些关键的人体组织时,本发明提供的蛇形臂可以更好地实现灵巧
自如地将末端执行机构送到病灶附近,辅助完成一些外科微创手术,如超声消融、组织取
出、缝合、注射药物等。
提高整个蛇形臂的灵活性。
凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化,均属于本发
明的权利要求所限定的保护范围之内。