一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人

1.本发明涉及机器人技术领域，具体为一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人。


背景技术：

2.鼻咽癌是一种非常常见的头颈部恶性肿瘤，通常发生在鼻炎黏膜柱状上皮。若不及时进行手术切除，肿瘤细胞会向四处扩散。但由于鼻腔结构微小且细长，一般的外科手术器械难以到达鼻咽处，也难以进行鼻咽癌病变组织的切除以及术后缝合操作。一种灵活且细小并能够深入到鼻咽处的手术机器人具有十分重要的意义，而其驱动机构的驱动性能以及重量决定了整个同心管机器人的操控性能以及重量，因此驱动机构也作为同心管机器人的重要研究部分。
3.现有的同心管手术机器人多采用丝杆导轨的传动方案，其驱动速度较慢、同心管末端的运动速度不足、重量较大，安装不便，不具有防堵转保护，并且采用丝杆导轨的同心管机器人由于安装的限制难以实现模块化设计。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人，能有效的解决背景技术提出的问题。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人，包括底板及若干设于底板的驱动模块，所述驱动模块的整体尺寸沿底板的长度方向依次递减或依次递增，所述驱动模块之间为嵌套式结构；
7.所述驱动模块包括第一方向驱动组、第二方向驱动组及内部套设有同心管的圆管，所述圆管连接第一方向驱动组及第二方向驱动组，所述第一方向驱动组、第二方向驱动组用于圆管的移动和旋转；
8.所述第一方向驱动组与第二方向驱动组上均设有防堵转组件，所述防堵转组件包括万向摩擦轮套及若干设于万向摩擦轮套上的摩擦轮，所述万向摩擦轮套为镂空结构，所述摩擦轮与圆管接触，所述摩擦轮与圆管压紧进行滚动摩擦配合；
9.所述第一方向驱动组与第二方向驱动组呈反方向设置，并且所述第一方向驱动组和第二方向驱动组底部均连接设有驱动装置，所述第一方向驱动组件和第二方向驱动组通过该驱动装置在圆管上形成相互垂直力。
10.特别的，所述第一万向驱动组与第二万向驱动组分别设于圆管的两端，所述第一方向驱动组及第二方向驱动组均包括同步带轮组、轴套、轴承、底座及电机盒，所述同步带轮组与万向摩擦轮套连接，所述万向摩擦轮套预留有螺纹孔用于连接摩擦轮；
11.所述底座通过螺栓与电机盒固定连接，所述电机盒用于固定驱动装置，该驱动装置为伺服电机，所述电机盒固定设于底板上。
12.特别的，所述同步带轮组依次连接轴套和轴承，并且所述圆管依次穿过同步带轮组、轴套、轴承及万向摩擦轮套。
13.特别的，所述摩擦轮的数量为4-6个，并且所述摩擦轮沿圆管的周向等间距设置，所述摩擦轮通过驱动装置沿圆管的周向旋转移动。
14.特别的，所述驱动模块还包括第一固定件及若干第二固定件，所述第一固定件、第二固定件均用于固定第一方向驱动组和第二方向驱动组，所述第一固定件设于第二固定件之间，并且所述第二固定件对称设于圆管的两端。
15.特别的，所述第一固定件与第二固定件均由可拆卸的轴承盖组成，所述轴承盖通过螺栓进行固定。
16.特别的，所述摩擦轮与圆管的中心轴之间的安装角度为30度-60度。
17.特别的，所述圆管的材质为橡胶，设于所述驱动模块上的圆管的直径依次沿底板的长度方向递增或递减，并且所述圆管之间可相互套合。
18.特别的，所述同步带轮组包括一组齿轮盘及与齿轮盘啮合连接的传动带，所述其中一个齿轮盘与伺服电机轴连接。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明的一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人，在使用的过程中具有如下至少之一的有益效果：
21.该驱动方式采用万向摩擦轮驱动机构，使机器人具有轻量化以及模块化设计，同时能够提高驱动模块的驱动速度。一体化设计的摩擦轮套能够提供更加稳定的摩擦力以及预留便于安装的螺丝刀位置，该摩擦轮套为镂空结构，结构更加轻便还可弹性变形提供正压力，摩擦轮的安装部位发生一定变形，以此产生压紧力，相比于弹簧产生的压紧力，该一体化设计所提供的正压力更加稳定，也保证了更加稳定的压紧配合以及驱动。前后两个摩擦轮为对称结构，能够产生两个相反方向的驱动力，摩擦轮与圆管通过压紧滚动配合的方式，具有最大输出驱动力和堵转保护功能。所采用的相邻两级驱动模块相互嵌套结构能够提升机器人的最大移动范围，同时根据所需的自由度可自由安装任意数量的模块。
附图说明
22.图1为本发明一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人的整体结构示意图；
23.图2为本发明一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人的单个驱动模块的整体结构示意图；
24.图3为本发明一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人的单个驱动模块的侧面结构示意图；
25.图4为本发明一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人的单个驱动模块的驱动组结构示意图；
26.图5为本发明一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人的单个驱动模块的分解结构示意图；
27.图6为本发明一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人的运动方向示意图。
28.图中标号：
29.1、同步带轮组；2、轴套；3、轴承；4、万向摩擦轮套；5、摩擦轮；6、轴承盖；7、圆管；8、底座；9、电机盒；10、底板；11、驱动模块；12、第一方向驱动组；13、第二方向驱动组；14、第一固定件；15、第二固定件；16、防堵转组件；17、伺服电机。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.如图1-6所示，本发明提供了一种基于万向摩擦轮驱动机构的同心管手术机器人，包括底板10及若干设于底板10的驱动模块11，所述驱动模块11的整体尺寸沿底板10的长度方向依次递减或依次递增，所述驱动模块11之间为嵌套式结构；
32.其中，底板10与驱动模块11可拆卸连接，驱动模块11依次沿底板10的长度方向进行设置，该驱动模块11的数量为3个，可根据实际需求进行安装，其中相邻的驱动模块11尺寸不相等，设置在驱动模块11中的圆管7与相邻驱动模块11中的圆管7套合，该结构在传动装置的作用下进行运动，其运动速度较快、质量较轻，可通过模块化设计在安装的时候提高了安装效率和拆卸效率。
33.所述驱动模块11包括第一方向驱动组12、第二方向驱动组13及内部套设有同心管的圆管7，所述圆管7连接第一方向驱动组12及第二方向驱动组13，所述第一方向驱动组12、第二方向驱动组13用于圆管7的移动和旋转；
34.当通过驱动装置的电机传递扭矩到万向摩擦轮5上，摩擦轮5与圆管7压紧滚动摩擦配合，使得万向摩擦轮5的运动带动着圆管7运动，使得圆管7产生旋转以及平移运动，同时，由于同心管依次穿过并连接驱动模块11的圆管7，该同心管进行同步移动和旋转，同心管连接末端执行器，结合嵌套式结构，同心管机器人在运作时能最大化提升机器人的移动范围。
35.所述第一方向驱动组12与第二方向驱动组13上均设有防堵转组件16，所述防堵转组件16包括万向摩擦轮套4及若干设于万向摩擦轮套4上的摩擦轮5，所述万向摩擦轮套4为镂空结构，并且，所述万向摩擦轮套4与摩擦轮5的安装部一体成型，摩擦轮5通过螺栓固定在安装部上。所述摩擦轮5与圆管7接触，通过所述摩擦轮5与圆管7压紧进行滚动摩擦配合；
36.其中，图6为两个万向摩擦轮套4的展开图，中间的方块代表着圆管7的展开图，两侧万向摩擦轮套4上的箭头表示万向摩擦轮套4的旋转运动，圆管7与万向摩擦轮套4进行配合。左侧的摩擦轮5向上进行旋转运动，其运动分解到摩擦轮5上则为v1t(沿着摩擦轮5切线方向)与v1a(沿着摩擦轮5轴线方向)，由于摩擦轮5可以进行自由滚动，即在摩擦轮5切线方向的分速度(v1t)不会对圆管7最终运动产生影响，只有轴线方向的分速度(v1a)能对圆管7产生影响。右边的运动分析同理，最终在圆管7上合成一个最终速度。
37.摩擦轮5与圆管7压紧滚动摩擦的传动方式能够提高过载脱开配合的效果，从而具有堵转保护功能。
38.所述第一方向驱动组12与第二方向驱动组13呈反方向设置，并且所述第一方向驱
动组12和第二方向驱动组13底部均连接设有驱动装置，所述第一方向驱动组12件和第二方向驱动组13通过该驱动装置在圆管7上形成相互垂直力。
39.本实施例的驱动机构的驱动功能，可应用于同心管手术机器人中的单根同心管的推进以及旋转的驱动装置、连续体机器人以及所有需要推进旋转的机械设备中，该驱动机构具有较快平移与旋转速度、质量较轻以及摩擦轮5堵转保护等特点，同时可实现模块化安装。
40.进一步说明的是，所述第一万向驱动组与第二万向驱动组分别设于圆管7的两端，所述第一方向驱动组12及第二方向驱动组13均包括同步带轮组1、轴套2、轴承3、底座8及电机盒9，所述同步带轮组1与万向摩擦轮套4连接，所述万向摩擦轮套4预留有螺纹孔用于连接摩擦轮5；
41.其中，第一方向驱动组12与第二方向驱动组13前后对称设置在圆管7上，两个万向摩擦轮套4能够产生两个相反方向的驱动力，该万向摩擦轮套4还采用了镂空设计，该结构能大幅度降低整体的重量，此外，镂空结构在一定程度上摩擦轮5的安装部位发生变形，以此产生压紧力，相比于弹簧产生的压紧力，该一体化结构所提供的正压力更加稳定，也保证了更加稳定的压紧配合以及驱动。
42.万向摩擦轮套4在安装摩擦轮5时由于其是一体化结构的原因，在安装处预留安装螺纹的位置，在安装过程中也变得更加方便。
43.所述底座8通过螺栓与电机盒9固定连接，所述电机盒9用于固定驱动装置，该驱动装置为伺服电机17，所述电机盒9固定设于底板10上。该驱动装置可以控制速度，位置精度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。并且该电机为无刷驱动，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，智能化程度高，并且其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。其结构在维护上更加方便，效率高，运行温度低，电磁辐射小，长寿命，可用于各种环境。
44.进一步说明的是，所述同步带轮组1依次连接轴套2和轴承3，并且所述圆管7依次穿过同步带轮组1、轴套2、轴承3及万向摩擦轮套4。轴套2和轴承3套设在万向摩擦轮套4的一端，万向摩擦轮套4与圆管7之间具有活动间隙，其中轴套2与轴承3由同步带轮组1将扭矩传动至万向摩擦轮套4上，该结构能产生平移以及旋转运动。
45.进一步说明的是，所述摩擦轮5的数量为4-6个，并且所述摩擦轮5沿圆管7的周向等间距设置，所述摩擦轮5通过驱动装置沿圆管7的周向旋转移动。设置在圆管7上的两个万向摩擦轮套4环形安装了4到6个摩擦轮5，通过摩擦轮5与圆管7压紧进行滚动摩擦配合，该驱动机构能提供的最大驱动力的上限取决于摩擦轮5与圆管7的最大静摩擦力，若圆管7发生堵转，堵转力超过最大静摩擦力，则会发生相对滑动，那么电机的扭矩将不会继续传递给圆管7，以此保证安全。
46.进一步说明的是，所述驱动模块11还包括第一固定件14及若干第二固定件15，所述第一固定件14、第二固定件15均用于固定第一方向驱动组12和第二方向驱动组13，所述第一固定件14设于第二固定件15之间，并且所述第二固定件15对称设于圆管7的两端。第一固定件14与第二固定件15的底部与底座8一体成型，第一固定件14用于连接同步带轮组1，第二固定件15这设置在万向摩擦轮套4中间，并且第二固定件15和万向摩擦轮套4的连接处还设置轴承3。
47.进一步说明的是，所述第一固定件14与第二固定件15均由可拆卸的轴承盖6组成，所述轴承盖6通过螺栓进行固定。该轴承盖6两侧开设有螺孔，并且轴承盖6呈半圆形，另一半轴承盖6则固定在底座8上，结构安装方便，稳定性强。
48.进一步说明的是，所述摩擦轮5与圆管7的中心轴之间的安装角度为30度-60度，其优选的安装角度为45度。摩擦轮5与圆管7的中心轴线成45度，圆管7上的两个万向摩擦轮套4对圆管7产生相互垂直的运动，从而对圆管7进行驱动，该45度角为摩擦轮5套旋转运动分解到圆管7平移与旋转运动的投影角度，角度越大表示摩擦轮5套的运动更多分解为圆管7的旋转运动，相反角度越小则更多分解为平移运动，而45度则表示分解到圆管7平移运动以及旋转运动的速度相等，当驱动圆管7时，所需旋转线速度以及平移线速度大小近似。
49.进一步说明的是，所述圆管7的材质为橡胶，设于所述驱动模块11上的圆管7的直径依次沿底板10的长度方向递增或递减，并且所述圆管7之间可相互套合。针对该驱动机构模块化搭建机器人平台，可使用多级尺寸大小不同的驱动机构进行搭建。驱动模块11的尺寸以及模块所配合的圆管7的管径从上一级模块到下一级模块逐级减小，该结构能够保证相邻两个模块中，后一级的圆管7能够被前一级的圆管7包裹嵌套，从而组合后的机器人中增加单个模块的最大移动距离。
50.进一步说明的是，所述同步带轮组1包括一组齿轮盘及与齿轮盘啮合连接的传动带，所述其中一个齿轮盘与伺服电机17轴连接。通过该结构使电机产生的动力传输至连接同步带轮组1的万向摩擦轮套4上，由于摩擦轮5与圆管7压紧滚动摩擦配合，使得万向摩擦轮5的运动带动着圆管7运动，圆管7产生旋转以及平移运动，所述圆管7中的同心管末端还设有末端执行器。
51.综上所述，本实施例的万向摩擦轮5环形得绕着圆管7，圆管7与万向摩擦轮套4进行配合。电机传递扭矩到万向摩擦轮5上，摩擦轮5与圆管7压紧滚动摩擦配合，万向摩擦轮5的运动带动着圆管7运动，使得圆管7产生旋转以及平移运动，其中圆管7上的同心管的末端连接有末端执行器，并通过圆管7上的驱动组同步运动。当驱动机构通过摩擦轮5与圆管7压紧进行滚动摩擦配合后，该驱动机构能提供的最大驱动力的上限取决于摩擦轮5与圆管7的最大静摩擦力，若圆管7发生堵转，堵转力超过最大静摩擦力，则会发生相对滑动，那么电机的扭矩将不会继续传递给圆管7，具有防堵转效果。并且，本实施采用三个尺寸大小不同的驱动模块11搭建而成，同时根据所需的自由度可自由安装任意数量的模块。
52.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。