零位检测结构和检测方法、器械驱动盒以及手术机器人

技术领域

本发明至少一实施例涉及一种零位检测结构和检测方法、器械驱动盒以及手术机器人。

背景技术

微创手术机器人一般由医生控制台、患者手术平台组成。患者手术平台装配有一条或多条多轴手术臂，手术器械装备于手术臂上，器械的各种动作受器械驱动盒驱动，接收来自医生控制台的控制指令，在与手术臂动作配合下，完成相应的手术动作。

发明内容

本发明的至少一实施例提供一种零位检测结构和检测方法、器械驱动盒以及手术机器人，具体为一种器械驱动盒内的电机输出端的零位检测结构和检测方法以及含有该零位检测结构手术机器人。

本发明的至少一实施例提供一种应用于手术机器人的器械驱动盒的电机输出端的零位检测结构，包括：电机，具有输出端；减速器，与所述电机的输出端相连并与所述电机同心设置，且具有输出轴；以及测距传感器，与所述输出轴相对设置；所述电机被配置为带动所述减速器的输出轴转动，所述输出轴具有第一开槽，所述测距传感器被配置为检测其与所述减速器的输出轴之间的距离以在所述第一开槽经过所述测距传感器的位置时输出零位信号以确定零位。

例如，所述测距传感器位于所述减速器的输出轴的半径的延长线上。

例如，所述测距传感器包括反射式光电检测传感器。

例如，所述第一开槽为位于所述输出轴的边缘的凹陷。

例如，所述测距传感器与所述减速器的所述输出轴的轴线的相对位置固定。

本发明的实施例还提供一种器械驱动盒，包括上述任一零位检测结构，所述器械驱动盒具有容纳腔，所述电机和所述减速器均位于所述容纳腔内。

例如，所述器械驱动盒具有安装座和上盖，所述上盖具有第二开槽以形成检测腔进而使得所述输出轴和所述测距传感器在所述检测腔内彼此面对。

例如，所述检测腔为暗室。

例如，所述器械驱动盒具有多个独立的容纳腔，在每个容纳腔内设有一个电机和与该电机相连的一个减速器，每个减速器上具有一个第一开槽。

例如，所述器械驱动盒具有至少五个独立的容纳腔，每个电机对应至少一个测距传感器，多个测距传感器分布于所述器械驱动盒的两侧。

例如，位于所述器械驱动盒的同一侧的至少两个测距传感器连接为一体结构。

例如，零位检测结构还包括电路板，所述测距传感器与所述电路板相连，所述器械驱动盒具有卡槽结构，所述电路板通过所述卡槽结构固定。

例如，所述卡槽结构包括第一卡槽结构和第二卡槽结构，所述安装座具有所述第一卡槽结构，所述上盖具有所述第二卡槽结构，所述第一卡槽结构和所述第二卡槽结构配合以固定所述电路板。

例如，所述容纳腔包括第一容纳腔和第二容纳腔，所述安装座具有所述第一容纳腔，所述上盖具有所述第二容纳腔，所述第一卡槽结构在所述容纳腔的轴线方向上凸出于所述第一容纳腔，所述第二卡槽结构包括凹腔。

本发明的实施例还提供一种手术机器人，具有上述任一的零位检测结构或包括上述任一的器械驱动盒。

本发明的实施例还提供一种应用于手术机器人的器械驱动盒的电机输出端的零位检测方法，包括：采用电机带动减速器的输出轴转动；以及采用测距传感器检测其与所述减速器的输出轴之间的距离以在所述减速器的所述输出轴上的第一开槽经过所述测距传感器的位置时输出零位信号以确定零位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1A和图1B是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中去除上盖的立体示意图。

图2A和图2B是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的电机和减速器的立体示意图。

图3是本发明的实施例提供的一种零位检测结构的检测原理的示意图。

图4是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的电路板和设置在电路板上的测距传感器的立体示意图。

图5是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的安装座的立体示意图。

图6A是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的安装座和电路板的装配示意图。

图6B是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的安装座和安装有测距传感器的电路板的装配示意图。

图7A至图7C是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的上盖和电路板的装配示意图。

图8A是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的上盖的俯视图。

图8B是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的上盖和安装有测距传感器的电路板的装配示意图。

图9是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的上盖、安装有测距传感器的电路板和减速器的输出轴的装配示意图。

图10是本发明的实施例提供的一种零位检测结构中的检测腔的示意图。

图11是本发明的实施例提供的一种零位检测方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

器械驱动盒内的多个电机运动，经过减速器作为器械动作的原始动力输出，其动作组合复杂，旋转方向多变，设计加工和装配等工艺复杂，减速器输出轴的零位对手术动作的精准度非常重要；而器械驱动盒接近手术臂的末端，需要尽可能减小体积，减轻重量。因此需要一个简捷可靠的零位检测设计。

目前常见磁性编码器，其电机角度解析方式对电机厂的要求比较高，一般需要安装在电机上，工艺复杂，而且易受高温、磁场的影响失效。器械驱动盒在小的空间分布多个永磁电机反复动作，局部热量较大。也有厂家增加额外传动机构将电机旋转动作按比例输出到更大的空间去检测，但增加了结构的复杂程度，易形成误差积累，空间设计难度和成本增加。

本发明的实施例提供一种零位检测结构和检测方法以及含有该零位检测结构的手术机器人，具有结构简洁、检测可靠、工艺可靠、且成本低等有益效果。

以下结合附图对本发明的实施例提供的零位检测结构和零位检测方法进行说明。

本发明的至少一实施例提供一种零位检测结构和检测方法，具体为一种器械驱动盒内的电机输出端零位的检测结构和检测方法。

如图1A至图10所示，本发明的至少一实施例提供一种零位检测结构，包括：电机1、减速器2、以及测距传感器3。

如图2A和图2B所示，电机1具有输出端101。减速器2与电机1的输出端101相连并与电机1同心设置，且具有输出轴201。

如图1A和图1B所示，测距传感器3与输出轴201相对设置。如图1A至图2B所示，电机1被配置为带动减速器2的输出轴201转动。如图1A图1B、图2B、以及图3所示，输出轴201具有第一开槽NC1，测距传感器3被配置为检测其与减速器2的输出轴201之间的距离以在第一开槽NC1经过测距传感器3的位置时输出零位信号以确定零位。

本发明的实施例提供的零位检测结构，可以对电机的输出端（减速器的输出轴）进行零位检测，结构简洁、检测可靠、工艺可靠、且成本低。

如图1A、图1B、图2B、以及图3所示，第一开槽NC1位于输出轴201的边缘位置处。设置第一开槽NC1以使得输出轴201具有凹陷，即，第一开槽NC1为位于输出轴201的边缘的凹陷，从而在旋转一周的过程中，输出轴201与测距传感器3之间的距离在第一开槽NC1处发生变化。此处的距离是指间距。即，输出轴201与测距传感器3之间的距离是指输出轴201的边缘与测距传感器3之间的距离。

例如，如图1A、图1B、图2B、以及图3所示，测距传感器3与减速器2的输出轴201的轴线的相对位置固定。即，测距传感器3与减速器2的输出轴201的轴线的相对位置不变化。图3示出了减速器2的输出轴201的轴线A0。在图3中，轴线A0垂直于纸面。轴线A0可以为输出轴201的旋转轴。因第一开槽NC1的设置，变化的是测距传感器3与减速器2的边缘之间的距离。

例如，如图1A、图1B、图6B、图9、以及图10所示，为了利于准确测距，测距传感器3位于减速器2的输出轴201的半径的延长线上。图10示出了减速器2的输出轴201的轴线A0（可看作输出轴201的圆心）。测距传感器3面向减速器2的输出轴201的轴线。

例如，在本发明的实施例中，测距传感器3与减速器2的输出轴201之间的最小距离为毫米级别。例如，测距传感器3与减速器2的输出轴201之间的最小距离为3-5毫米，但不限于此。

在本发明的实施例中，减速器2的输出轴201的轴线A0也可称作减速器2的轴线A0。轴线A0可以为输出轴201的旋转轴。

例如，如图4所示，零位信号包括脉冲信号。即，测距传感器3通过其与输出轴201之间的距离变化使得输出信号形成为脉冲形式，通过输出信号可以获得零位。如图4所示，在脉冲位置，即为电机输出端的零位。零位信号的形式不限于图4所示，可根据需要而定。

测距传感器3用于测量输出轴201和测距传感器3之间的距离。例如，如图3所示，测距传感器3包括反射式光电检测传感器。

如图3所示，测距传感器3检测自身与减速器的输出轴201之间的距离。当电机旋转带动减速器的输出轴转动时，每次第一开槽NC1通过测距传感器的位置时，其距离产生大的变化，与之对应的，测距传感器3在电信号的驱动下，产生一个脉冲信号，经调理电路进行处理整形后作为零位。

如图3所示，调理电路包括电阻，但不限于此。图3中两个电阻R1和R2之间的电压V1可为5V，但不限于此。图3还示出了接地端GND。

如图3所示，测距传感器3可以包括发射器A和接收器B，发射器A发出的光线照射到输出轴201上，被输出轴201反射的光线被接收器B接收，从而，可以获得输出轴201和测距传感器3之间的距离。例如，发射器A可以为光源，例如为LED灯，接收器B可以为光敏元件。

例如，如图1A、图1B、图5至图10所示，零位检测结构还包括器械驱动盒4，器械驱动盒4具有容纳腔M，电机1和减速器2均位于容纳腔M内。

例如，如图1A、图1B、图5至图10所示，为了防止不同的测距传感器互相干扰，器械驱动盒4具有多个独立的容纳腔M，在每个容纳腔M内设有一个电机1和与该电机1相连的一个减速器2，每个减速器2的输出轴201上具有一个第一开槽NC1，每个输出轴201可对应至少一个测距传感器3。不同的容纳腔M彼此独立，互不干扰，以不影响测距传感器3的检测。

例如，如图1A、图1B、图5至图10所示，器械驱动盒4具有至少五个独立的容纳腔M，每个电机1对应至少一个测距传感器3，多个测距传感器3分布于器械驱动盒4的两侧。

本发明的实施例以器械驱动盒4具有五个独立的容纳腔M，外围的四个电机1中的每个电机1对应一个测距传感器3，中间的一个电机1对应两个测距传感器3为例。

为保证测距传感器3的光电检测信号互不干扰，为每一个测距传感器3提供一个独立的容纳腔M，以解决在小体积空间内，近距离检测多个电机零位的问题。

例如，如图1A、图1B、图5至图10所示，上面三个测距传感器3位于器械驱动盒4的上侧，下面三个测距传感器3位于器械驱动盒4的下侧。

例如，如图1A、图1B、图5至图10所示，器械驱动盒4具有安装座401和上盖402，容纳腔M包括第一容纳腔M1和第二容纳腔M2，安装座401具有第一容纳腔M1，上盖402具有第二容纳腔M2。例如，电机1和减速器2的主体部设置在第一容纳腔M1内，减速器2的输出轴201的至少一部分位于第二容纳腔M2内。

例如，如图1B、图4、图6A至图10所示，零位检测结构还包括电路板5，测距传感器3与电路板5相连，器械驱动盒4具有卡槽结构400，电路板5通过卡槽结构400固定在器械驱动盒4上。电路板5通过器械盒内部的卡槽结构400进行固定，保证测距传感器3与减速器2的输出轴201的相对位置不变。

例如，如图5、图6A至图7C所示，卡槽结构400包括第一卡槽结构4010和第二卡槽结构4020。安装座401具有第一卡槽结构4010，上盖402具有第二卡槽结构4020。第一卡槽结构4010和第二卡槽结构4020配合实现电路板5的固定。

例如，如图5、图6A至图7C所示，容纳腔M包括第一容纳腔M1和第二容纳腔M2，安装座401具有第一容纳腔M1，上盖402具有第二容纳腔M2，第一卡槽结构4010在容纳腔M的轴线方向上凸出于第一容纳腔M1，第二卡槽结构4020包括凹腔。容纳腔M的轴线方向可与输出轴201的轴线A0的延伸方向相同。

例如，如图1B、图4、图6A至图10所示，电路板5包括硬质电路板501和柔性电路板502，测距传感器3设置在硬质电路板501上。硬质电路板501通过卡槽结构400固定在器械驱动盒4上。例如，硬质电路板501包括印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB），柔性电路板502包括柔性印刷电路（Flexible Printed Circuit，FPC）板，但不限于此。在本发明的实施例中，固定电路板5可指将硬质电路板501固定。

例如，测距传感器3依附于硬质电路板501上，硬质电路板501经过柔性电路板502连通并引出。

例如，位于器械驱动盒4的同一侧的至少两个测距传感器3连接为一体结构。

例如，如图1A、图1B、图5至图10所示，上面三个测距传感器3连接为一体结构，下面三个测距传感器3连接为一体结构。不同的测距传感器3的硬质电路板501可以通过柔性电路板502相连。

例如，多个测距传感器3为一组，通过刚柔混合电路板（不限于刚柔混合电路板，含柔性电气连接部件）形成一个整体结构件。

例如，如图7A至图7C、以及图10所示，上盖402具有第二开槽NC2以形成检测腔DM进而使得输出轴201和测距传感器3在检测腔DM内彼此面对。从而，可以获得抗干扰性能强的零位检测结构。检测腔DM位于容纳腔M内，例如位于第二容纳腔M2内。图7B是图7A的局部放大图。

因不同的容纳腔M彼此独立，相应的，不同的检测腔DM也彼此独立，以避免距离检测的互相干扰。

本发明的实施例提供的零位检测结构，可通过以下方式安装。硬质电路板501通过安装座401和上盖402的卡槽结构400（第一卡槽结构4010和第二卡槽结构4020），使之贴紧安装座401，保证测距传感器3与减速器2的输出轴201的轴线的相对距离不变；同时安装座401和上盖402保证硬质电路板501不会上下移动。

本发明的实施例的附图示出了五个电机、分别与五个电机同心的五个减速器、每个减速器具有一个输出轴、每个输出轴具有一个第一开槽、分别分布于器械驱动盒4的上下两侧的两个电路板。

本发明的实施例还提供一种器械驱动盒，包括：安装座401；上盖402，与安装座401配合以形成容纳腔M；电机1，位于容纳腔M内并具有输出端101；减速器2，与电机1的输出端101相连并与电机1同心设置，且具有输出轴201；以及测距传感器3，与输出轴201相对设置；电机1被配置为带动减速器2的输出轴201转动，输出轴201具有第一开槽NC1，测距传感器3被配置为检测其与减速器2的输出轴201之间的距离以在第一开槽NC1经过测距传感器3的位置时输出零位信号以确定零位。

本发明的实施例提供的器械驱动盒，通过设置第一开槽NC1和测距传感器3，来进行电机1的输出端101的零位的确定。结构简洁、检测可靠、工艺可靠、且成本低。

例如，如图7A至图7C、以及图10所示，在器械驱动盒中，上盖402具有第二开槽NC2以形成检测腔DM进而使得输出轴201和测距传感器3在检测腔DM内彼此面对。

例如，检测腔DM为暗室，以避免外界光线对测距传感器3的测距产生影响，利于测距传感器3例如反射式光电检测传感器的测距，从而利于零位检测。安装座401和上盖402配合使得在上盖402的第二开槽NC2处形成暗室。

例如，如图7A至图7C、以及图10所示，在器械驱动盒中，为了防止不同的测距传感器互相干扰，设置彼此独立的多个容纳腔M，以使得多个检测腔DM彼此独立。

关于器械驱动盒，可参照之前的关于零位检测结构的描述，在此不再赘述。

本发明的实施例还提供一种手术机器人，包括上述任一的零位检测结构或上述任一的器械驱动盒。例如，手术机器人为微创手术机器人。

手术机器人是一种用于辅助医生进行手术、康复治疗等任务的机器人。手术机器人可以提高手术的精确性、减少手术风险、增加患者的舒适度，并提高医生的操作效率。

手术机器人需要进行精细的运动控制，例如，需要使得手术执行组件进行升降运动。例如，手术执行组件包括手术刀（例如电刀或超声刀等）、内窥镜、止血钳等。

图11是本发明的实施例提供的一种零位检测方法的示意图。

如图1A至图11所示，本发明的至少一实施例还提供一种零位检测方法，包括：采用电机1带动减速器2的输出轴201转动，采用测距传感器3检测其与减速器2的输出轴201之间的距离以在输出轴201上的第一开槽NC1经过测距传感器3的位置时输出零位信号以确定零位。

本发明的实施例提供的零位检测方法，在第一开槽NC1处距离变化，从而测距传感器3可输出零位信号以确定零位，简便快捷，并可准确检测零位。

本发明的实施例提供一种应用于手术机器人的器械驱动盒的电机输出端的零位检测方法，包括：采用电机带动减速器的输出轴转动；以及采用测距传感器在暗室内检测其与减速器的输出轴之间的距离以在减速器的输出轴上的第一开槽经过测距传感器的位置时输出零位信号以确定零位，测距传感器为反射式光电检测传感器。该零位检测方法，采用测距传感器在暗室内检测其与减速器的输出轴之间的距离，以避免外界光线对反射式光电检测传感器的测距产生影响，利于反射式光电检测传感器的测距，从而利于零位检测。

本发明的实施例附图中，只涉及到与本发明的实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的各个实施例的特征之间可以进行组合，以得到新的实施例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。