Single-power double-stroke linear motion mechanism for endoscope robot

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本公开实施例提供了一种用于腔镜机器人的单动力双行程直线运动机构，可用于腔镜手术机器人器械臂驱动单元2及手术器械3进退控制。

如图1所示，本公开实施例提供的一种用于腔镜机器人的单动力双行程直线运动机构，包括：单动力双行程直线运动机构1、驱动单元2以及手术器械3。其中，驱动单元2安装在单动力双行程直线运动机构1上，手术器械3安装在驱动单元2上。

如图2所示，驱动单元2的第一端设于单动力双行程直线运动机构1上，驱动单元2的第二端用于安装腔镜机器人的至少一个手术器械3，其中，单动力双行程直线运动机构1包括的一级轨道底板10和二级轨道底板11的第二端端面不突出于机器人驱动单元的第二端。当单动力双行程直线运动机构1带动驱动单元2进行直线进退运动时，一级轨道底板10和二级轨道底板11上的直线轨道始终不会突出驱动单元2的第二端面，因此当单孔腔镜手术机器人单个机械臂上安装多个手术器械3时，不会因为存在多个轨道而干涉手术器械3的安装和拆卸。

如图3所示，在本公开实施例中，单动力双行程直线运动机构1包括：一级轨道底板10、二级轨道底板11、钢丝驱动模组、驱动单元悬臂18和驱动单元2。

一级轨道底板10上方设置一组第一直线导轨模组，下方设置一个滚珠丝杠模组13。每个第一直线导轨模组包括一条直线导轨122和一个第一滑块121。滚珠丝杠模组13用于驱动二级轨道底板11，滚珠丝杠模组13包括滚珠丝杠131、丝杠螺母132和螺母连接块14，滚珠丝杠131平行于第一直线导轨模组的轨道方向，安装在一级轨道底板10内，丝杠螺母132套设于滚珠丝杠131上，螺母连接块14连接丝杠螺母132和二级轨道底板11，当滚珠丝杠131受直线运动机构驱动时，将带动二级轨道底板11沿直线导轨122运动。

二级轨道底板11平行于一级轨道底板10，上方设置一组第二直线导轨模组，其第一端连接第一滑块121。由于二级轨道底板11与一级轨道底板10及直线导轨122的长度相当，当滚珠丝杠模组13驱动二级轨道底板11运动时，当二级轨道底板11的第一端滑动至一级轨道底板10的第一端时，二级轨道底板11的第二端到达一级轨道底板10的第二端；当二级轨道底板11反向运动时，最远二级轨道底板11的第一端到达一级轨道底板10的第二端。在本实施例中，对于一级轨道底板10、二级轨道底板11和驱动单元悬臂18，均以一级轨道底板10、二级轨道底板11和驱动单元悬臂18进行相对运动时，靠近使一级轨道底板10、二级轨道底板11和驱动单元悬臂18相互靠近的方向的一端为第一端，靠近使一级轨道底板10、二级轨道底板11和驱动单元悬臂18相互远离的方向的一端为第二端。

钢丝驱动模组包括两个U轮15和带端子钢丝16，两个U轮15分设于第二直线导轨模组两端。两个U轮15的U型槽相对，带端子钢丝16环绕在两个U轮15上，使上下两段钢丝平行于二级轨道底板11的轨道。带端子钢丝16的两个限位端子161安装于一级轨道底板10的第二端。一级轨道底板10的第二端设有端子限位结构106和钢丝拉紧部件17，端子限位结构106设于一级轨道底板10的第二端，用于固定带端子钢丝16的其中一个限位端子161；钢丝拉紧部件17与端子限位结构106相邻，与一级轨道底板10通过螺丝连接，用于固定带端子钢丝16的另一个限位端子161，通过调节螺丝使带端子钢丝16拉紧。当二级轨道底板11相对一级轨道底板10滑动时，由于环绕在两个U轮15上的带端子钢丝16在一级轨道底板10的第二端的位置被固定，环状的带端子钢丝16靠近所述一级轨道底板10的一侧相对一级轨道底板10不运动，长度在一端延长长，另一端缩短，而靠近所述一级轨道底板10的一侧则表现为相对二级轨道底板11两倍的速度和行程移动。

驱动单元悬臂18平行于二级轨道底板11，其第一端连接第二直线导轨模组的第二滑块123，且其第一端与带端子钢丝16连接，当二级轨道底板11运动时，带端子刚丝带动驱动单元悬臂18一起运动，当驱动单元悬臂18的第一端滑动至二级轨道底板11的第一端时，驱动单元悬臂18的第二端到达二级轨道底板11的第二端。其中，由于带端子钢丝16的上侧部分可以以相对二级轨道底板11两倍的速度和行程移动，驱动单元悬臂18连接在带端子钢丝16的上侧部分，则当滚珠丝杠模组13驱动二级轨道底板11向远离一级轨道底板10的方向移动时，驱动单元悬臂18将以两倍速度和行程运动，当二级轨道底板11到达相对一级轨道底板10的最远端时，驱动单元悬臂18同时也到达相对二级轨道底板11的最远端，参考图1。

如图1所示，驱动单元2设于驱动单元悬臂18的第二端。当二级轨道底板11和驱动单元悬臂18的运动到达最远端时，驱动单元2也随驱动单元悬臂18到达距离单动力双行程直线运动机构本体两倍长度的位置。

如图4所示，一级轨道底板10上表面的两侧各设有一组螺纹孔101，每一组螺纹孔101用于安装一组直线导轨模组的直线导轨122；在一级轨道底板10的两侧壁上皆有一个圆孔102用来安装滚珠丝杠模组13，其中，一级轨道底板10的一端的侧壁的圆孔102的边缘设有凸起结构103，用于当将本公开实施例提供的用于腔镜机器人的单动力双行程直线运动机构安装在其它机构上时，为安装其提供安装定位，同时这一端面包含有4个螺纹孔104用于在直线运动机构安装时提供紧固连接；在一级轨道底板10另一端面有两个柱形沉头孔105特征，其用于安装钢丝拉紧部件17时连接带端子钢丝16的其中一个端子，通过钢丝拉紧部件17来拉紧带端子钢丝16；在钢丝拉紧部件17所在的一端，在一级轨道底板10上还有一个端子限位结构106，用于安放带端子钢丝16另一侧的端子，在钢丝拉紧部件17拉紧钢丝时与钢丝拉紧部件17共同保证带端子钢丝16的拉紧力；在一级轨道底板10的第一端和第二端有一级轨道限位结构107，一级轨道限位结构107可以高于一级轨道底板10表面的矩形凸起，用于防止第一滑块121超出直线轨道的设计行程从直线导轨模组上脱出。

一级轨道底板10是整个直线运动机构的基础，其承载了第一直线导轨模组与滚珠丝杠模组13的安装，承载了带端子钢丝16的限位与涨紧，同时当整个直线运动机构与其他的零部件连接时，一级轨道底板10也承担连接紧固的作用。

在本实施例中，第一直线导轨模组为高精度的标准直线导轨模组，提供所需的载荷能力和运动精度；滚珠丝杠模组13，为高精度的滚珠丝杠131，传动效率高且直线精度高。

如图5所示，在二级轨道底板11的第一端和第二端都有矩形槽111，用来安装U轮15；二级轨道底板11的第一端上设有多个锥形沉头孔112，用于安装螺丝将二级轨道底板11安装到一级轨道底板10上第一直线导轨模组的第一滑块121上；二级轨道底板11在一侧有两组螺纹孔113，每一组螺纹孔113用于安装一组第二直线导轨模组；二级轨道底板11的第一端上设有柱形沉头孔114，用于紧固连接钢丝拉紧部件17；在二级轨道底板11的第一端和第二端的端面设二级轨道限位结构115，二级轨道限位结构115可以为高于二级轨道底板11表面的矩形凸起结构，用于防止第二滑块123超出直线轨道的行程范围从第二直线导轨模组上脱出。

如图6所示，在一级轨道底板10和二级轨道底板11的两侧各设置有一个直线导轨模组。每组直线导轨模组都包含直线导轨和滑块。

如图7所示，滚珠丝杠模组13包含滚珠丝杠131和丝杠螺母132，安装于一级轨道底板10两端的圆孔102。滚珠丝杠131转动驱动丝杠螺母132进行直线运动。

如图8所示，当一级轨道底板10和二级轨道底板11各安装了两组直线导轨模组，且二级轨道底板11安装在一级轨道底板10上直线导轨模组的第一滑块121上，此时二级轨道底板11可以在一级轨道底板10上沿第一直线导轨122轴向自由运动，二级轨道底板11上第二直线导轨模组的第二滑块123也可以沿着第二直线导轨124轴向自由运动。当二级轨道底板11的第一端到达一级轨道底板10的第二端时，机构到达最远行程点状态。

如图9所示，螺母连接块14通过螺丝连接将丝杠螺母132和二级轨道底板11固连。当滚珠丝杠转动驱动丝杠螺母132直线运动时，因丝杠螺母132与二级轨道底板11通过螺母链接块固连，故二级轨道底板11跟随丝杠螺母132同步直线运动。

如图10所示，U轮15由槽轮151，轴承152和中心轴153组成，槽轮151与轴承152外圆采用紧配合或者胶合连接，中心轴153穿过轴承152的内圆，且卡设在二级轨道底板11两端的矩形槽111内，为整个U轮15提供支撑。当二级轨道底板11沿第一导轨模组的直线轨道运动时，U轮15跟随二级轨道底板11同步运动。在运动过程中，U轮15与二级轨道底板11相对位置不变，U轮15可绕中心轴153转动。

如图11所示，带端子钢丝16环绕在两个U轮15上，带端子钢丝16两端分别设置一个限位端子161，其中一个限位端子161安放在一级轨道底板10上的端子限位结构106中，另一侧安放在钢丝拉紧部件17的限位槽171中。其中，钢丝拉紧部件17通过螺丝连接在一级轨道底板10上，并通过螺丝调整来拉紧带端子钢丝16。

当二级轨道底板11运动时，带端子钢丝16靠近一级轨道底板10一侧因为端子与一级轨道底板10固连而保持相对静止，带端子钢丝16另一侧的部分运动方向与二级轨道底板11一致，但速度和运动行程是二级轨道底板11的两倍。

如图12所示，驱动单元悬臂18靠近第二端(图中相对较窄的一端)的部位具有多个锥形沉头孔181用来安装手术机器人驱动单元2，其第一端(图中相对较宽的一端)的两侧具有多个通孔182，用于安装螺丝将驱动单元悬臂18与二级轨道底板11上第二直线导轨模组的第二滑块123固连。驱动单元悬臂18的第一端的底部沿中线设有一半圆形凹槽183，当驱动单元悬臂18安装到二级轨道底板11上第二直线导轨模组的第二滑块123上，带端子钢丝16刚好从驱动单元悬臂18的半圆形凹槽183中穿过。驱动单元悬臂18还包括钢丝压块19。通过螺丝将钢丝压块19固定在驱动单元悬臂18上并压紧带端子钢丝16，与半圆形凹槽183配合，将驱动单元悬臂18的第一端与带端子钢丝16连接固定。当带端子钢丝16运动时，将带动二级轨道底板11上第二直线导轨模组的第二滑块123以及驱动单元悬臂18进行同步运动。因此，当滚珠丝杠131输入转动运动时，将同时驱动二级轨道底板11以及驱动单元悬臂18运动，其中，驱动单元悬臂18的运动速度和行程皆为二级轨道底板11的两倍。

如图13所示，本公开实施例提供的用于腔镜机器人的单动力双行程直线运动机构包括双层轨道结构，可以实现所需行程的单动力双行程，其复位尺寸仅为行程范围的一半左右，相对于单层直线运动轨道的结构节省了一半的空间，且相比现有的螺母螺杆驱动或者齿轮齿条驱动的单驱动双行程机构，再不增加结构尺寸的基础上，传递同样的动力情况下所需的功耗更少。

本公开实施例提供的用于腔镜机器人的单动力双行程直线运动机构，在应用于单孔手术机器人时，可在一个本体机械臂上布局多个手术器械和腹腔镜，当手术器械在单动力双行程直线运动机构行程范围内运动时，轨道将不会突出或少量突出手术器械驱动单元平面，不会对手术器械的拆卸和安装产生干涉。

该单动力双行程直线运动机构包含两层直线运动轨道，当二层轨道底板11带着U轮15做直线运动时，因带端子钢丝16在靠近一层轨道底板这一侧相对于一层轨道底板静止，则在靠近驱动单元悬臂18这一侧钢丝的运动行程和速度是二层轨道底板本身的两倍。

该单动力双行程直线运动机构的两级直线运动分别由高精度滚珠丝杠131和拉紧的带端子钢丝16驱动，相比于现有的单动力双行程机构采用的齿轮齿条或者螺杆螺母的驱动形式，没有齿轮回程间隙和螺纹间隙的影响，其运动精度大大提高。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。