1.本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种移动轴组件、机械臂及手术机器人。
背景技术：
2.随着医疗器械、计算机技术及控制技术的不断发展，微创手术以其手术创伤小、康复时间短、患者痛苦少等优点得到了越来越广泛的应用。而微创手术机器人以其高灵巧性、高控制精度、直观的手术图像等特点能够避免操作局限性，如过滤操作时手部的震颤等，广泛适用于腹腔、盆腔、胸腔等手术区域。
3.目前，微创手术机器人包括主手部分和从手部分，主手部分包括供医生操作的主操作臂，从手部分包括机械臂。在手术操作时，医生操作主手部分的主操作臂，主操作臂采集到医生的操作信号并经控制系统处理后生成传输给从手部分的机械臂的控制信号，从手部分的机械臂在该控制信号的控制下执行手术操作。
4.上述机器人手术过程中，机械臂的末端卡接手术器械，手术器械通过插在患者体表切口上的戳卡进入患者体内。由于戳卡轴的中心线与体表的交点为“不动点”，手术过程中，手术器械杆必须通过戳卡经过此点，以免扩大患者体表创口甚至造成手术事故。而在急停、突然断电或者抱闸等零部件损坏等特殊情况下，由于惯性机械臂会继续运动，可能造成人员伤害事故。
5.中国实用新型专利cn217390876u中公开了一种线性移动臂、从操作设备及手术机器人，其中描述了一种采用制动器、滚轮与绳索的制动机构的制动方式，将直线制动转换成旋转制动，且有效地解决停机或突然断电后由于惯性继续运动的问题，同时可适合各种安装方向的线性移动臂。
6.上述专利方案在正常情况下可以通过制动器的抱紧来限制运动，但是在制动器出现失灵时，缺乏替代防护措施，可能会造成安全事故。
技术实现要素：
7.基于此，本技术提供一种制动机构可靠度高的移动轴组件、机械臂及手术机器人。
8.第一方面，本技术提供了一种移动轴组件，包括固定件、可相对所述固定件线性移动地安装在所述固定件上的移动件、用于给所述移动件提供相对所述固定件的线性移动动力的驱动机构、以及制动机构，所述制动机构用于相对所述固定件制动所述移动件；所述移动轴组件还包括：保险机构，其用于在所述制动机构失效且所述移动件在惯性或所述驱动机构的作用下加速移动时截停所述移动件，所述保险机构包括伸出端，所述伸出端与所述移动件固定设置。
9.本技术方案通过在移动轴组件中增加保险机构，该保险机构能够在制动机构失效且移动件在惯性作用或驱动机构作用下继续加速移动时，截停移动件，从而避免移动件作超出设定的多余移动。
10.在一些优选技术方案中，所述保险机构包括收卷器，所述收卷器具有：支架，固定到所述固定件；卷轴，可在所述移动件的带动下相对于所述支架旋转；以及牵引件，缠绕在所述卷轴上以传递所述移动件对所述卷轴的驱动力；其中，所述牵引件具有所述伸出端。本优选方案提供一种具体的保险机构的设计方案，该保险机构中设置有收卷器，其可靠度高、零部件易于取得，制作成本低。
11.在一些优选技术方案中，所述保险机构还包括：棘轮组件，其设置在所述支架与所述卷轴之间，以在所述制动机构失效且所述移动件在惯性或所述驱动机构的作用下加速移动时，限制所述卷轴相对于所述支架的旋转。本优选方案提供一种具体的保险机构的设计方案，保险机构通过该棘轮组件可保证在移动件失控移动时迅速截停移动件，从而避免造成安全事故。
12.在一些优选技术方案中，所述棘轮组件包括：棘轮，固定设置在所述支架上；旋转盘，与所述卷轴固定设置；惯性轮，安装在所述旋转盘上并可在惯性作用下相对于所述旋转盘旋转；摆动爪，安装在所述旋转盘上并可相对于所述旋转盘在与所述棘轮啮合的第一位置和与所述棘轮脱离啮合的第二位置之间摆动；其中，所述摆动爪与所述惯性轮始终抵接，且在所述制动机构失效且所述移动件在惯性或所述驱动机构的作用下加速移动时，所述惯性轮相对于所述旋转盘的旋转能推动所述摆动爪从所述第二位置切换到所述第一位置。
13.在一些优选技术方案中，所述棘轮组件还包括：限位块，固定设置在所述旋转盘上并用于限制所述摆动爪和/或所述惯性轮相对于所述旋转盘的旋转角度。
14.在一些优选技术方案中，所述棘轮组件还包括：弹性构件，设置在所述摆动爪与所述旋转盘之间；所述弹性构件在变形状态下可向所述摆动爪施加使所述摆动爪保持在所述第二位置的作用力。本优选方案提供一种具体的棘轮组件的设计方案，该棘轮组件通过利用弹性构件使得摆动爪在移动件处于正常移动状态下能够被始终保持在第二位置，从而使得摆动爪始终处于可操作状态下。
15.进一步优选地，所述惯性轮被配置为于所述制动机构失效且所述移动件在惯性或所述驱动机构的作用下加速移动时，在惯性作用下所产生并施加于所述摆动爪的力能够克服所述弹性构件在变形状态下向所述摆动爪施加的所述作用力。
16.进一步优选地，所述的弹簧构件包括：板簧，其一端固定于旋转盘，另一端插入摆动爪中；或者扭簧，其固定在所述摆动爪的摆动轴上，一端抵接/固定于旋转盘。另一端抵接/插入摆动爪。
17.在一些优选技术方案中，所述棘轮与所述支架为一体部件，所述棘轮成型于所述支架的一端。
18.在一些优选技术方案中，所述棘轮组件还包括：阻尼器，其设置在所述旋转盘与所述惯性轮之间；所述阻尼器使得所述惯性轮在所述移动件匀速移动时跟随所述旋转盘同步转动。
19.在一些优选技术方案中，所述收卷器还具有：卷簧，其设置在所述支架与所述卷轴之间并且可在所述卷轴放卷所述牵引件的运动的带动下产生旋转扭矩以提供一个收卷所述牵引件的力。
20.在一些优选技术方案中，所述的牵引件包括：柔性带或线缆。
21.在一些优选技术方案中，所述牵引件包括：恒力弹簧，所述恒力弹簧提供的力矩等
于所需平衡的所述移动件的重力矩。本优选方案提供一种具体的牵引件的设计方案，在被运用到在竖直方向上移动或者相对竖直方向倾斜的倾斜方向上移动的移动轴组件时，能够平衡移动件的重力矩。
22.在一些优选技术方案中，所述驱动机构包括力矩电机和丝杠螺母组件，所述丝杠螺母组件中的丝杠与所述力矩电机的输出转轴传动设置，所述丝杠螺母组件中的螺母与所述移动件固定设置。
23.进一步优选地，所述制动机构还包括：抱闸，所述抱闸可选择性地松开或抱紧所述力矩电机的输出转轴。
24.第二方面，本技术提供了一种机械臂，包括：上述第一方面的技术方案或优选技术方案中提及的移动轴组件以及连接到所述移动轴组件上的操作手组件，所述操作手组件用于支撑手术器械。
25.第三方面，一种手术机器人，包括主手部分和从手部分，所述主手部分被配置为供医生操作并采集医生的操作信号以生成传输给所述从手部分的控制信号，所述从手部分被配置为在所述控制信号的控制下执行手术操作，所述从手部分包括上述第二方面中提及的机械臂。
26.本发明的其他优点将在随后的具体实施方式部分结合附图予以详细说明。
附图说明
27.图1为本技术一种实施方式提供的手术机器人的从手部分整体示意图；图2为本技术一种实施方式提供的机械臂的整体示意图；图3为本技术一种实施方式提供的移动轴组件的示意图；图4为本技术一种实施方式提供的收卷器的示意图；图5为图4的收卷器隐去第一端盖并示出卷簧的示意图；图6为图4的收卷器隐去第二端盖并示出棘轮组件的示意图；图7为图6中的棘轮组件的爆炸图；图8为本技术一种实施方式提供的旋转盘的示意图；图9为本技术一种实施方式提供的摆动爪的示意图。
28.图10为本技术的棘轮组件在移动件平缓移动时的状态示意图；其中，摆动爪处于第一位置；图11本技术的棘轮组件在移动件失速移动时的状态示意图；其中，摆动爪处于第二位置。
29.其中：100、从手部分；1、底座；2、升降柱；3、吊杆；10、机械臂；4、移动轴组件；5、操作手组件；51、转动关节；52、臂杆；41、固定件；42、抱闸；43、力矩电机；44、丝杠螺母组件；45、移动件；441、丝杠；442、螺母；451、移动板；47、收卷器；471、第一支架；472、第二支架；473、卷轴；474、柔性带；475、第一端盖；476、第二端盖；4741、下端部；478、卷簧；8、棘轮组件；81、棘轮；82、旋转盘；83、惯性轮；84、摆动爪；85、板簧；811、棘齿阵列；821、第一安装轴；822、第二安装轴；823、限位块。
实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
31.在本技术的描述中，术语
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上”、“下”、“顶”、“底”、“顺时针”、“逆时针”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
32.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或部件。
33.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接于”“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。本说明书中的
ꢀ“
若干个”指一个及以上数量。除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域人员通常理解的含义相同。
34.本技术提供一种手术机器人，包括主手部分和从手部分。医生通过操纵主手部分的主操作臂，间接实现对从手部分的机械臂动作进行控制，具体为：主操作臂采集到医生的操作信号经控制系统处理后生成从手部分的机械臂的控制信号，由从手部分执行手术操作。机器人手术过程中，从手部分的机械臂卡接手术器械。手术机器人的主手部分和从手部分可以被置于同一空间中；也可以分别位于不同空间位置，而将二者可以通过有线、或无线方式进行数据传输。
35.请结合参阅图1，其为手术机器人的从手部分的整体结构示意图。从手部分100包括底座1、安装在底座1上方的升降柱2、安装在升降柱2顶端的吊杆3以及分别安装在吊杆3上的若干个机械臂10。
36.参见图2，其示例出一种机械臂的整体结构示意图。该机械臂10包括相互连接的移动轴组件4和操作手组件5。操作手组件5包括若干个转动关节51以及若干个臂杆52。操作手组件5的末端能够支撑手术器械，以执行手术操作。
37.本例中，操作手组件5通过一个转动关节51安装在移动轴组件4上；操作手组件5将在移动轴组件4的带动下作线性移动，以及通过转动关节51相对于移动轴组件4转动。
38.参见图3，其示例出一种移动轴组件4的内部结构。移动轴组件4主要包括：固定件41、抱闸42、力矩电机43、丝杠螺母组件44、移动件45、直线导轨（图中未示出）和保险机构。
39.直线导轨安装在固定件41上，移动件45可沿直线导轨移动。丝杠螺母组件44安装在移动件45和力矩电机43之间。力矩电机43和丝杠螺母组件44构成用于给移动件45提供相对固定件41的线性移动动力的驱动机构。
40.丝杠螺母组件44包括丝杠441和螺母442。丝杠441的下端部与螺母441螺纹连接，螺母441与移动件45固定。在其他实施例中，丝杠螺母组件也可以由其他类型的传动机构替代，其只要能够在力矩电机和移动件之间传导供移动件相对固定件移动的驱动作用力均可。
41.力矩电机43安装在固定件41顶端。本例中，力矩电机43的输出转轴为双头转轴，其一端部连接抱闸42、另一端连接丝杠441的上端部。抱闸42布置在力矩电机43的上方并固定
在固定件41上。
42.由此，移动件45的线性移动由丝杠螺母组件44带动，力矩电机43驱动丝杠441旋转。当力矩电机43受控工作时，可以通过丝杠螺母组件44带动移动件45相对于固定件41作线性移动。
43.抱闸42构成控制移动件45移动的制动机构。抱闸42采用电磁铁原理：如断电时将抱紧力矩电机43的输出转轴，进而实现阻止丝杠441旋转从而实现制动；而解锁时给抱闸42通电即可。在其他实施例中，制动机构的方案不限于抱闸方案，其他用于相对固定件制动移动件的制动机构方案均可。
44.保险机构用于在制动机构（如抱闸42）失效且移动件45相对于固定件41的线性移动加速度超过阈值时，迅速截停移动件45。图3示例出的保险机构方案中，保险机构包括一收卷器47。其中，收卷器47固定在固定件41的顶端，并且收卷器47的伸出端（柔性带）将固定在与移动件45固定的移动板451上。
45.参见图4，其示例出一种收卷器47的结构；该收卷器47包括相对设置在第一支架471和第二支架472、转动支撑在第一支架471和第二支架472上的卷轴473、柔性带474、第一端盖475和第二端盖476。卷轴473可在移动件45的带动下相对于第一支架471和第二支架472旋转。如图3所示，柔性带474上部的固定端（图中未示出）固定在卷轴473上、下部的伸出端4741与移动板451固定。柔性带474缠绕在卷轴473上以传递移动件45对卷轴473的驱动力。在其他实施例中，收卷器上的柔性带也可以由其他牵引件替代，如钨丝绳、钢丝绳等。
46.参见图5，其示出了中隐藏第一端盖475后的收卷器47结构示意图。收卷器47包括卷簧478。卷簧478收纳在第一支架471内部并且被第一端盖475遮蔽。卷簧478的外圈与第一支架471固定，卷簧478的内圈与卷轴473固定。卷轴473的旋转运动可以带动卷簧478的内圈卷绕，使卷簧478产生旋转扭矩。通常，卷簧478所产生的扭转力矩比较小，只要满足能带动柔性带474卷绕即可，否则会影响移动件45的重力平衡的计算和控制。
47.参见图6，其示出了中隐藏第二端盖后的棘轮组件结构示意图。收卷器47包括棘轮组件8；棘轮组件8收纳在第二支架472内部并且被第二端盖476遮蔽。
48.参见图7，其示出了棘轮组件的拆分示意图；棘轮组件8包含：棘轮81、旋转盘82、惯性轮83、摆动爪84和板簧85。
49.棘轮81的内圈设置有沿周向排布的棘齿阵列811。本例中，棘轮81和第二支架472构成为一体部件，具体为：棘轮81成型于第二支架472上；在其他实施例中，二者也可以分别单独设置。旋转盘82与卷轴473固定，旋转盘82可以跟随卷轴473一起转动。
50.如图8所示，旋转盘82上固定设置有第一安装轴821和第二安装轴822，第一安装轴821的轴心线x1与卷轴473的轴心线x0重合，第二安装轴822的轴心线x2与第一安装轴821的轴心线x1平行。
51.如图6、图7、图10及图11所示，惯性轮83安装在旋转盘82上并可在惯性作用下相对于旋转盘82绕着第一安装轴821的轴心线旋转。惯性轮83与旋转盘82的质量不同，旋转盘82重量轻，惯性轮83重量大；在卷轴473瞬间加速时，由于旋转盘82和惯性轮83惯性的不同，瞬间启动时的响应速度不同，旋转盘82会相对于惯性轮83先行启动转动，即惯性轮83在惯性作用下相对旋转盘82旋转。
52.摆动爪84可以绕第二安装轴822的轴心线x2旋转地安装在旋转盘82上。本案中，摆
动爪84可相对于旋转盘82在与棘轮81啮合的第一位置（如图10所示的摆动爪位置）和与棘轮81脱离啮合的第二位置（如图11所示的摆动爪位置）之间旋转。
53.摆动爪84始终抵接惯性轮83，以使得惯性轮83在相对于旋转盘82旋转时能推动摆动爪84从第二位置旋转到第一位置。板簧85设置在摆动爪84与旋转盘82之间。板簧85的一端固定连接在旋转盘82上，另一端固定到摆动爪84内。
54.如图9所示，摆动爪84上设置有凹槽841，部分板簧85的另一端被固定插入到凹槽841内。板簧85变形可以给摆动爪84提供扭转力，即板簧85在变形状态下可向摆动爪84施加使摆动爪84保持在第二位置的作用力。
55.板簧85的主要作用是对摆动爪84施加弹力；在其他实施例中，其他任何能够施加弹力的弹簧构件都可以作为替代，例如在第二安装轴上设置扭簧，扭簧的一端抵接旋转盘、另一端抵接摆动爪；还可以在旋转盘与摆动爪之间设置压簧等。
56.旋转盘82上还固定设置有限位块823，该限位块823布置于摆动爪84的旋转路径上。该限位块823能够限制摆动爪84和惯性轮83相对于旋转盘82的旋转角度；在本案中，限位块823用于限制摆动爪84相对于旋转盘82从第二位置旋转到第一位置的旋转角度。
57.惯性轮83与旋转盘82之间还可以通过设置阻尼器（图中未示出），使得二者之间存在一定的阻尼；阻尼器使得在移动件相对于固定件的线性移动速度不超过阈值时，惯性轮83跟随旋转盘82同步转动；例如，固定件相对于固定件平缓移动，卷轴473平缓转动，旋转盘82和惯性轮83阻尼器作用下将能够一起同步旋转。当然，在其他实施例中，旋转盘和惯性轮之间也可以不用设置阻尼；如通过提高板簧85等弹性构件所能提供的弹力，以便克服惯性轮83在启动时施加给摆动爪84的旋转力矩，这样就间接导致棘轮组件8对移动件在过速下（此处的“移动件在过速下”指的是移动件处于加速移动的状态下）的加速度的容忍度提高。
58.本方案中的收卷器47主要承担制动保险的作用，还可以理解的是，如移动轴组件4所实现的为沿竖直方向的线性移动或沿相对竖直方向倾斜的线性移动时，其还可以设计为能发挥重力平衡的作用；如在该情况下，可以优选用恒力弹簧来替代柔性带474与卷簧478，设有恒力弹簧的收卷器47可以给移动件45提供一个恒定的拉力，从而起到平衡移动件45重力的作用；同样的，由于引入了一个与重力方向相反的向上拉力，此会间接导致棘轮组件8对在移动方向上的加速度的容忍度提高。
59.当移动轴组件4中的移动件45相当于固定件41作线性移动时，移动件45带动柔性带474同步移动，柔性带474移动可以带动卷轴473旋转，卷轴473旋转带动卷簧478卷绕；如：当移动件45相对于固定件41作靠近卷轴473方向的线性移动时，柔性带474带动卷轴473旋转，使卷簧478产生一个与卷轴旋转方向相反的扭转力矩；当移动件45相对于固定件41作远离卷轴473方向的线性移动时，卷簧478扭转力矩带动卷轴473旋转将柔性带474向上卷绕。
60.本案的保险机构被配置为在制动机构失效且移动件45相对于固定件41的线性移动加速度超过阈值时，才开始工作。该处的阈值，并不是利用仪器仪表直接测得的加速度阈值，而是在保险机构设计阶段被直接赋予的，其大小可以视需要来设计；其中，板簧的弹性系数、惯性轮的重力、卷簧的弹性系数以及阻尼器的阻尼系数都会对该阈值的大小产生都将产生直接影响；阈值越小，移动件在过速下的移动距离越短，保险机构截移动件所需的时间越短，即保险机构越敏捷；反之，阈值设计的越大，移动件45在过速下的移动距离越长，保险机构截移动件所需的时间越长，保险机构越笨拙。
61.下面阐述一下本案的收卷器47不同工作状态下，棘轮组件8中各个部件的状态变化。
62.当移动轴组件4中的移动件45相对于固定件71作平缓的匀速线性移动时，卷轴473在柔性带474的带动下平缓转动，卷轴473带动旋转盘82以及旋转盘82上的惯性轮83、摆动爪84和板簧85一起同步旋转。例如，如图10所示，摆动爪84在板簧85的作用下，被保持在位于与棘轮81脱离啮合的第二位置处，旋转盘82、惯性轮83、摆动爪84和板簧85一起同步沿顺时针方向旋转。
63.当移动轴组件4中的抱闸42失灵且移动件45相对于固定件41的线性移动的加速度超过阈值时，移动件45将带动柔性带474，使卷轴473瞬间加速，瞬时加速度很快，卷轴473带动旋转盘82瞬间加速转动，由于旋转盘82和惯性轮83的惯性不同，旋转盘82和惯性轮83瞬间启动时的响应速度不同，旋转盘82会先于惯性轮83转动一个角度，而惯性轮83还未启动转动。例如，如图11，旋转盘82在卷轴473带动下沿着顺时针转动（下述的转动方向以此作为参照）；相对于旋转盘82的逆时针转动而言，惯性轮83相当于相对于旋转盘82逆时针转动）；而由于摆动爪84及板簧85安装在旋转盘82上，并且无法相对于旋转盘82移动，所以摆动爪84及板簧85将完全跟随旋转盘82顺时针转动；此时，将出现旋转盘82和惯性轮83转动角度不同步；随着旋转盘82进一步绕着顺时针方向转动，惯性轮83将在克服板簧85的弹力f1的前提下（板簧85的弹力f1通常设置为很小），以作用力f2推动摆动爪84相对于旋转盘82绕逆时针转动，摆动爪84相对于旋转盘82绕逆时针方向的转动将使得摆动爪84从第二位置切换到与棘轮81啮合的第一位置，而当摆动爪84处于第一位置时，其受到棘轮81的转向限制作用而无法再次跟随旋转盘82沿着顺时针方向转动，而摆动爪84无法沿顺时针方向转动也将反过来影响旋转盘82，迫使旋转盘82无法进一步跟随卷轴473转动；与此同时，由于摆动爪84的反向转动（即沿逆时针转动）时受到旋转盘82上的限位块823作用，惯性轮83也无法再进一步推动摆动爪84继续旋转，即摆动爪84无法再从第一位置切换到第二位置；由此，摆动爪84停止不动，而旋转盘82在摆动爪84的作用力下也将无法继续沿顺时针转动，进而使卷轴473无法转动，卷轴473无法转动使柔性带474的伸出端停止伸出，从而限制移动件45进一步下落。
64.综上所述，本技术的移动轴组件，通过增设保险机构，其能够在制动机构失效且移动件的线性移动加速度超过阈值时，迅速响应，从而及时截停移动件。并且在保险机构中，采用收卷器结合棘轮组件的方案，结构可靠，反应速度块；其可在制动机构失效时替代制动机构失效时稳定发作制动作用，从而给移动轴组件提供除制动机构以外的双重防掉落保护，并且保险机构替代发挥制动作用，可以给工作人员提供了充足维修制动机构的时间；该移动轴组件被运用在携带手术器械的机械臂上时，可提高机械的可靠性；并且将该机械臂用在手术机器人中时，提高了该手术机器人的操作安全性，有效防止发生安全事故。
65.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。