用于微创手术机器人的微型谐波传动装置

为什么微创手术机器人需要微型精密传动？

微创手术机器人对精密传动系统提出了极为严苛的要求。

与传统工业机器人不同，手术机器人必须在高度受限的机械空间内实现精确运动。传动系统可能需要控制微小的手术器械、腕关节、末端执行器或柔性机构，同时保持紧凑尺寸、低回程间隙、高定位精度和可靠的重复精度。

当传动机构需要集成在靠近手术器械远端的位置时，挑战将更加严峻。

这正是微型谐波传动能够提供重要传动方案的应用场景。

HONPINE 为紧凑型机器人机构开发微型谐波减速器解决方案，适用于传统齿轮箱可能占用过多空间或引入过大传动间隙的场合。

HONPINECSF-mini 系列围绕微型精密运动系统的需求设计，为手术机器人、微型机器人关节、精密仪器、光学机构及其他空间受限设备提供紧凑型传动解决方案。

微创手术机器人的两种传动架构

传动架构对谐波减速器如何集成到手术机器人系统中具有重要影响。

从机械角度来看，有两种方案尤为相关。

外置驱动与腱索传动

在外置驱动架构中，电机和减速机构设置在患者体外或狭窄器械轴的外部。

外部驱动单元产生所需运动，而腱索或线缆则将运动通过器械轴传递至远端机构。

对于这种架构，微型谐波齿轮箱不一定需要安装在手术器械内部。

相反，谐波减速器可以集成到外部执行器或驱动模块中。

这种布置可为传动部件提供更多可用空间，并可简化维护和系统集成。

此时，关键工程挑战转移至腱索传动系统。

线缆弹性、摩擦、布线、预紧力和滞后效应都会影响电机侧运动与远端运动之间的关系。随着执行器与末端执行器之间距离增加，这些影响对于高精度运动控制会变得愈发重要。

集成于远端器械中的微型谐波传动

另一种架构是将微型传动装置直接置于器械内部或靠近远端腕关节的位置。

在这种配置中，微型谐波传动可替代部分长距离腱索传动路径。

执行器和减速机构的位置更接近运动关节，使传动更加直接。

这种架构对于下一代紧凑型手术机器人、柔性内窥镜机器人、微型机器人器械以及其他远端运动性能至关重要的系统尤具吸引力。

然而，其工程要求也变得大幅更加严苛。

谐波齿轮箱必须占用极小空间，同时仍需提供所要求的扭矩、定位性能、机械强度和使用可靠性。

为什么微型谐波传动对机器人器械关节具有价值？

将传动装置移近关节的一个根本优势，是减少长距离柔性传动路径。

腱索驱动机构会在执行器与远端关节之间引入弹性和滞后。这些影响可能使精确位置控制和力相关控制策略更为复杂。

当微型谐波传动布置在更靠近关节的位置时，传动路径可以更加紧凑且机械连接更直接。

这可以带来多项潜在工程优势：

降低传动弹性

更短的机械传动路径可减小长柔性腱索和线缆对运动响应的影响。

更直接的关节控制

将减速机构布置在靠近关节的位置，可使执行器运动与关节运动之间的关系更加直接。

紧凑型精密传动

微型谐波齿轮箱可在有限安装空间内提供高减速比。

低回程间隙运动

当远端关节需要精确双向定位时，较低的传动回程间隙十分重要。

高集成潜力

微型减速器可与微型电机、编码器、轴承及其他部件集成，形成紧凑型机器人关节。

这些特性使微型谐波传动技术对于先进机器人器械尤其具有吸引力。

核心挑战：传动尺寸

小型化是手术机器人传动系统面临的最大工程挑战之一。

传统工业机器人可能拥有足够的安装空间，用于容纳相对较大的减速器、电机、轴承、编码器和制动器。

手术器械则截然不同。

其机械空间可能极为有限，特别是在器械远端附近。

当可用直径接近数毫米或约厘米级尺寸时，每个部件都会成为空间布局问题的一部分。

减速器必须与电机、轴承、编码器、结构部件、布线及其他机构争夺空间。

这形成了一项艰难的工程平衡：

更小的尺寸不能以牺牲所需传动性能为代价。

这正是微型谐波传动技术面临特别严峻挑战的领域之一。

为什么谐波齿轮箱小型化并非只是缩小标准减速器？

一种常见误解是，只需缩小较大谐波减速器的尺寸，即可制造出微型谐波齿轮箱。

实际上，小型化会带来一系列不同的制造和工程挑战。

随着关键部件尺寸减小，制造公差相对于整体部件尺寸的重要性会不断提高。

柔轮、刚轮、波发生器、轴承接口及其他精密部件必须在极小的机械空间内保持所需的几何关系。

同时，更小的结构仍必须承受重复载荷，并保持稳定的啮合特性。

这意味着微型谐波减速器的开发不仅仅是几何尺寸缩放。

它还需要针对结构、材料、制造工艺、装配公差和性能验证进行专门优化。

HONPINE CSF-Mini：面向紧凑型机器人系统的微型谐波传动

HONPINE 的 CSF-mini 微型谐波减速器系列专为安装空间是关键约束条件的紧凑型精密传动应用而开发。

CSF-mini 系列为希望在更小型机器人机构中集成谐波减速、且不采用传统大尺寸谐波齿轮箱的工程师提供了解决方案。

根据所需系统架构，微型谐波减速器可与电机、编码器、轴承和控制系统组合，以形成紧凑型精密关节。

该架构适用于微型机器人关节、机器人器械、光学机构、精密定位系统及其他传动体积直接影响整体设备设计的应用。

对于医疗和手术机器人，必须根据完整器械架构和适用的系统要求，对具体集成方式进行评估。

适用于微型机器人关节的 CSF-Mini

微型机器人关节需要兼具多种难以同时实现的特性。

关节需要足够小以适应可用机械空间，同时仍能提供足够的输出扭矩和精确的双向运动。

微型谐波齿轮箱可作为紧凑型电机与机器人关节之间的减速级。

由此形成的架构可用于需要在以下因素之间取得平衡的应用：

• 有限的安装空间

• 高减速比

• 低回程间隙

• 精确角度定位

• 紧凑型机械集成

• 重复双向运动

• 高扭矩密度

这些要求不仅适用于手术机器人，也适用于微型机械臂、柔性机器人、检测机构、光学系统和专用机器人关节。

适用于内窥镜和柔性机器人系统的微型谐波传动

柔性内窥镜机器人带来了更高层次的机械复杂性。

器械必须在受限通道中导航，同时控制远端的多个自由度。

传统长距离传动机构可能会引入摩擦、弹性、滞后和布线复杂性。

集成于远端关节附近的微型谐波传动提供了一种根本不同的设计方法。

无需通过长柔性机构将所有运动从相对较远的执行器传递过来，减速机构可布置得更靠近关节。

这可简化机械传动路径，并有可能提升远端机构的可控性。

然而，此类集成需要审慎考虑可用空间、热特性、灭菌要求、密封、材料、润滑、装配及整体医疗器械架构。

这些要求必须在系统层面进行评估，而不能仅根据减速器外部尺寸进行选择。

传动越小，精度越重要

小型化提高了制造精度的重要性。

当减速器变得更小时，即使是微小的尺寸偏差，也可能在部件几何尺寸中占据显著比例。

因此，微型谐波传动的性能在很大程度上取决于其关键部件的精度及其装配关系。

HONPINE 注重包括柔轮、刚轮和波发生器在内的关键传动部件的制造一致性。

对于微型应用，目标并不只是制造更小的齿轮箱。

目标是在显著缩小的机械空间内保持稳定的传动特性。

微型机器人传动中的低回程间隙

当微型齿轮箱用于精密机器人定位时，回程间隙变得尤为重要。

在手术机器人机构中，传动级的微小角度误差可能影响远端器械的最终位置。

当器械包含多个关节，或误差通过串联机构累积时，这种影响会更加显著。

低回程间隙微型谐波传动有助于减小减速级内的机械间隙，并在电机旋转与输出运动之间提供更可预测的关系。

然而，实际系统精度不仅取决于减速器。

编码器分辨率、轴承间隙、结构变形、电机控制、装配公差和机械架构都会影响最终定位性能。

因此，应将微型谐波齿轮箱作为完整运动控制系统的一部分进行评估。

尺寸只是微型谐波传动选型的一部分

对于高度紧凑的机器人机构，选择可能实现的最小减速器不一定是最佳方案。

必须根据完整的运行要求对减速器进行评估。

重要考量因素包括输出扭矩、减速比、转速、允许载荷、回程间隙、扭转刚度、工作周期、安装尺寸、轴配置、轴承布置、编码器集成和环境要求。

对于手术机器人，还可能根据传动装置位于器械与患者接触部分的内部或外部，而适用额外的系统级要求。

这一区别至关重要。

用于外部执行器的减速器不应被自动视为适合集成到远端手术器械中。

最终选型必须基于完整器械设计和适用的验证要求。

外部驱动还是远端微型谐波传动？

在外部腱索驱动架构与远端微型谐波传动之间进行选择，取决于机器人系统的优先需求。

外部驱动架构可为电机和减速机构提供更多安装空间，并可能简化机械操作。

远端微型谐波传动可提供更紧凑、更直接的传动架构，并有可能减小长距离腱索传动的影响。

没有任何一种架构在所有情况下都更优。

适当的解决方案取决于器械直径、自由度数量、所需关节扭矩、运动精度、传动距离、环境条件、灭菌策略和整体系统架构。

因此，HONPINE 建议在选择减速器型号之前，先评估传动架构。

为什么微型谐波传动与手术机器人的未来息息相关？

随着手术机器人系统持续向更小型化和更灵巧化发展，传动技术也必须相应演进。

未来的机器人器械可能需要在更小的机械空间内实现更多自由度。

这对日益紧凑的电机、编码器、轴承、传动装置和集成控制系统产生了需求。

微型谐波传动为在有限空间内实现高减速比精密传动提供了一种潜在解决方案。

该技术尤其适用于需要紧凑尺寸、精确角运动和低机械回程间隙的机器人机构。

对于 HONPINE 而言，微型谐波传动并不局限于某一种特定的医疗机器人架构。

相同的工程原理也可应用于微型机器人关节、光学定位系统、精密仪器、紧凑型机械臂及其他空间受限机构。

为什么选择 HONPINE 的微型谐波传动解决方案？

HONPINE 为精密运动系统开发谐波减速器产品，在此类系统中，尺寸、精度、传动性能和集成要求必须综合考虑。

CSF-mini 系列为开发紧凑型机器人和精密机构的工程师提供了微型谐波齿轮箱选项。

HONPINE 可根据目标应用，协助客户评估减速器尺寸、减速比、输出要求、安装配置和集成要求。

对于先进机器人系统，最合适的传动解决方案并不总是现有尺寸最小的齿轮箱。

而是既能提供所需传动性能，又能适配机械架构并满足所需运行条件的齿轮箱。

在开发微型机器人关节和高度受限机构时，这种系统级方法尤为重要。

结论

微创手术机器人是微型精密传动最具挑战性的应用领域之一。

无论系统采用带腱索传动的外部执行器，还是将微型减速器直接集成至远端机器人关节，传动架构都必须应对尺寸、精度、机械响应和可靠性方面的严苛限制。

在需要紧凑、高减速比、低回程间隙齿轮箱的场合，微型谐波传动可提供颇具吸引力的传动解决方案。

HONPINE 的 CSF-mini 系列专为满足微型精密运动系统需求而设计，为机器人关节、精密仪器、光学机构及其他空间受限应用提供紧凑型微型谐波齿轮箱选择。

对于下一代微创机器人和微型机器人系统，挑战不再仅仅是实现高传动精度。

挑战是在极其有限的机械空间内实现这种精度。

这正是微型谐波传动技术日益重要的原因。