CN102672718A - 一键锁紧被动式七自由度机械臂 - Google Patents

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Abstract

一种一键锁紧被动式七自由度机械臂，包括：电磁座、下球副、下挺杆机构、一键锁紧机构、上挺杆机构、上球副、末端夹持机构。电磁座由磁力固定于手术台侧，下球副中的钢球焊接于螺柱上通过螺纹连接与电磁座固定形成底座，下挺杆与下钢球通过下球副罩连接，下挺杆和上挺杆分别与一键锁紧机构中的两个对应圆锥凸轮外沿相切，上挺杆通过上球副罩与上球副中的钢球连接，钢球末端通过螺栓上的螺纹连接末端夹持机构。本发明采用圆锥凸轮旋钮，依靠人力一键锁紧，完全依靠机械机构实现，能承受一定的负载，具有良好的通用性，并且保证较高的灵活度和完全被动性和简洁性，不会因操作复杂、可靠性差而影响辅助医疗的效果和质量。

Description

一键锁紧被动式七自由度机械臂
技术领域
本发明涉及一种一键锁紧被动七自由度机械臂，用于计算机辅助临床医疗和牙科手术领域。
背景技术
目前人们使用临床医疗辅助器材大多为进口，价格昂贵，且多为电动，操作复杂，灵活性不高。在牙科手术领域，目前有一些通过机床上使用的万向微调磁性表座改进而成的辅助定位小型机械臂在使用之中，但该机械臂存在载荷轻、自由度少且缩紧不牢靠、用处单一等缺点。为解决以上这些问题，需要一种能被动一键锁紧的多自由度(大于等于六个自由度)机械臂装置。
经文献检索发现，中国专利申请号：200910092342.X，该专利技术公开了一种应用于光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂，包括导航臂，导航臂上依此设置A-F六个关节，其中关节A-D为被动式关节，E、F为主动式关节，主动关节E能够实现圆周上的转动，主动关节F能够实现半径方向摆动，所述导航臂上设有控制被动式关节的通断电开关。此发明的特点在于，结合光动力治疗中的特点，将“主动”自由度与“被动”自由度有机结合降低控制系统的复杂度，从而提高系统手术效果及系统刚度和可靠性。此发明的医用机械臂由于负载较小(载荷为末端夹持的激光笔)及设计形状的原因应用局限于光动力治疗，同时，该装置仍保留两个主动关节，电源、控制系统等附加设备依然存在，装置较多，关节锁紧复杂，且每个关节一个自由度，关节较多，维护要求高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有临床辅助机械臂机构的不足及国内该项研究设计的空白，提供一种用于计算机辅助临床医疗和牙科手术领域的被动七自由度一键缩紧机械臂，使其能一键锁紧，能承受一定的负载(如10kg)具有良好的通用性，并且保证较高的灵活度和完全被动性和简洁性，不因操作复杂、可靠性差而影响辅助医疗的效果和质量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电磁座、下球副、下挺杆机构、一键锁紧机构、上挺杆机构、上球副、末端夹持机构。连接方式为：电磁座由磁力固定于手术台侧，下球副与电磁座固定形成底座，下挺杆机构和上挺杆机构分别与一键锁紧机构中的两个对应圆锥凸轮(两圆锥凸轮为一个整体)接触，上挺杆机构与上球副中的钢球连接，该钢球末端连接末端夹持机构。
一键锁紧机构包括：旋钮、圆锥凸轮、大外筒盖、小外筒盖。连接方式为：大外筒盖、小外筒盖均为U形半圆柱外筒，圆锥凸轮是两个圆锥凸轮组成的一个整体，这两个圆锥凸轮分别放入对应的大外筒盖、小外筒盖中，接口部分套上轴套；圆锥凸轮前端中心与旋钮固接为一体，前端外部攻有螺纹，与对应轴套螺纹咬合，将旋钮及圆锥凸轮旋转运动转化成直线运动。两半大、小外筒盖之间通过螺栓连接在一起。另外，大外筒盖和小外筒盖在锁紧时会相互靠拢接触，产生摩擦力矩，锁紧中间旋转副。
本发明有两个结构功类似、功能相同的挺杆机构，即上、下挺杆机构。挺杆机构包括：内挺杆、弹簧、上下两个轴套、外筒。连接方式为：弹簧套于挺杆接近球副一端，弹簧一端与内挺杆上的台阶接触，另一端与对应球副台阶面接触，可使旋钮松开时使挺杆与钢球脱离接触；每根挺杆上与套筒对应的上下位置分别有凸出台阶用于安装轴套，便于挺杆上下滑动和装拆；外筒一端与锁紧机构外筒通过冒耳螺栓联接在一起，另一端与对应球副通过螺栓联接在一起，使支撑反力能传到机座。由于所在工作环境(力和力矩大小不同)不同，上、下挺杆机构在挺杆杆径、外筒直径方面略有不同(下挺杆较大)。
本发明中，末端夹持机构包括：松螺栓、左夹片、右夹片、压缩弹簧。连接方式为：右夹片前端圆柱攻有螺纹，通过螺纹连接于上钢球上，左右夹片形如老虎钳夹片，通过咬合松螺栓相互联接，左右夹片上均开有凹槽及其中的小凸台用于卡入压缩弹簧，使其在自然条件下夹片前端夹持部分为张紧状态，双头螺柱穿过上球副的轴套与钢球通过螺纹连接紧固在一起，这样可以适当增大末端夹持的空间活动角度。
本发明有两个结构相似、功能相同的球副机构：上球副和下球副。上、下球副均包括：钢球、球副罩、球副盖。连接方式为：下钢球焊接于连接在底座的圆柱螺栓上，钢球外半球套于球副罩下端，并与球副盖(套于钢球另一半球面)通过沉头螺栓联接在一起，球副套上端联接于对应外筒。这样钢球就可以在球套中自由旋转而又不脱离球套。上球副与之类似，只是上钢球不是固连于底座上，而与末端夹持机构联接。
本发明采用圆锥凸轮及其下外筒、上外筒实现七个自由度(上下各一个球面副和中间一个旋转副)的一键锁紧，具有灵活性好，可操作性强，结构简单，锁紧可靠等特点。可以用计算机辅助临床骨科手术设备上(外加传感器)，使这些设备有自动定位、牵引的功能。也可以作为牙医诊所辅助设备，帮助牙医进行准确高效的定位和诊断。
附图说明
图1本发明的总体结构示意图；
图2本发明全剖俯视图；
图3本发明旋转剖和半剖侧视图；
图4本发明正视图；
图中：电磁座1、下球副2、下挺杆机构3、一键锁紧机构4、上挺杆机构5、上球副6、末端夹持机构7、球副底座8、下球副盖9、钢球10、下球副罩11、弹簧12、轴套13、下挺杆14、第一外筒15、旋钮16、带后圆台的圆锥凸轮17、大外筒盖18、小外筒盖19、轴套20、第二外筒21、上挺杆22、弹簧23、上球副罩24、上球副盖25、钢球26、小轴套27、双头螺柱28、右夹片29、压缩弹簧30、左夹片31、松螺栓32。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施提供一种一键锁紧被动式七自由度机械臂，包括：电磁座1、下球副2、下挺杆机构3、一键锁紧机构4、上挺杆机构5、上球副6、末端夹持机构7。连接方式为：电磁座1由磁力固定于手术台侧，下球副2与电磁座1固定形成底座，下挺杆机构3和上挺杆机构5分别与一键锁紧机构4中的两个对应圆锥凸轮(两圆锥凸轮为一个整体)接触，上挺杆机构5与上球副6中钢球连接，该钢球末端连接末端夹持机构7。
如图2所示，下球副2包括：球副底座8、下球副盖9、钢球10、下球副罩11。连接方式为：球副底座8通过螺纹分别连接钢球10和电磁座1，钢球10分别套入下球副盖9和下球副罩11的球形凹槽中，下球副盖9与下球副罩11通过沉头螺钉连接在一起。
下挺杆机构3包括：弹簧12、轴套13、下挺杆14、第一外筒15。其连接方式为：弹簧12套在下挺杆14外接近下球副2一端，弹簧一端顶住下挺杆14轴肩，另一端顶住下球副罩11圆台面，两个轴套13挤压入第一外筒15上下两端中并分别套入下挺杆14的上下台肩，第一外筒15与球副罩11通过盈配合和短螺柱固连。
一键锁紧机构4包括：旋钮16、带后圆台的圆锥凸轮17、大外筒盖18、小外筒盖19。连接方式为：大外筒盖18、小外筒盖19均为U形半圆柱外筒，带后圆台的圆锥凸轮17是两个圆锥凸轮组成的一个整体，这两个圆锥凸轮分别放入对应的大外筒盖18、小外筒盖19中，接口部分套上轴套；旋钮16(可外购)通过末端螺柱与圆锥凸轮17的前端中心螺纹孔配合，并在周围加以点焊固结，圆锥凸轮17放入由大外筒盖18、小外筒盖19组成半圆柱槽中，各连接处均通过轴套连接配合，大外筒盖18、小外筒盖19与第一外筒15、第二外筒21组成圆柱半槽的大小外筒另一半通过冒耳螺栓固结在一起(大外筒盖18、小外筒盖19对应的另外一半圆筒分别焊接在第一外筒15上、第二外筒21上，从图4中也可看出)，另外，在旋钮16中部大圆柱外沿攻有螺纹，其与大外筒盖18前端的攻有螺纹孔的轴套配合连接，这样可以将旋钮16的旋转运动转化为圆锥凸轮的水平移动。
如图3所示，上挺杆机构5包括：轴套20、第二外筒21、上挺杆22、弹簧23。连接方式与下挺杆机构3类似，为：弹簧23套在挺杆22外接近上球副6一端，弹簧23一端顶住上挺杆22轴肩，另一端顶住下球副罩24圆台面，两个轴套20挤压入第二外筒21上下两端中并分别套入上挺杆22的上下台肩，第二外筒21与球副罩24通过盈配合和短螺柱固连。
上球副6包括：上球副罩24、上球副盖25、钢球26、小轴套27、双头螺柱28。连接方式为：钢球26分别套入上球副罩24和上球副盖25中的球形中孔中，上球副罩24和上球副盖25通过沉头螺钉连接，双头螺柱28穿过小轴套27拧入钢球26中。另一端通过螺母连接末端夹持机构7。
如图4所示，末端夹持机构7包括：右夹片29、压缩弹簧30、左夹片31、松螺栓32。连接方式为：右夹片29通过螺母、双头螺柱固结在钢球26上，左夹片31与右夹片29之间通过松螺栓咬合，压缩弹簧30两端分别套在右夹片29和左夹片31上的相对小圆台上。
本实施例中，下球副2通过下钢球底座与电磁座1固结，下挺杆3内部挺杆插入下球副2圆柱孔中咬合钢球，外套筒与下球副2过盈配合且通过短螺栓紧固连接，上挺杆3外筒与一键锁紧机构4前半圆柱外筒焊接，两半圆柱外筒建通过冒耳螺栓连接紧固在一起，一键锁紧机构4与上挺杆22、上挺杆22与上球副6的连接方式与一键锁紧机构4与下挺杆14、下挺杆14与下球副2的连接方式类似，上球副6通过钢球经由双头螺栓柱与末端夹持机构7固连。
如图所示，图1为一键锁紧被动七自由度机械臂的临界状态。假设旋钮中部螺纹为右旋，则当旋钮继续向右旋转时，被动七自由度机械臂开始锁紧所有关节，当旋钮向左旋转时，七自由度机械臂的所有关节开始松开，末端夹持机构可在人力牵引下在涉及范围内自由运动。
假设旋钮中部螺纹为右旋，考虑机械臂锁紧情况。在临界情况时，圆锥凸轮17的末端圆台已经与小外筒盖19外圆面接触，旋钮16继续向右旋转时，旋钮16带动圆锥凸轮向右水平移动，圆锥凸轮17的两个小圆锥分别挤压对应下挺杆14和上挺杆22(仅下挺杆14可见)，下挺杆14向下移动，挤压钢球10，由于钢球10通过球副底座8与电磁座固结，所以挤压力传导到下球副罩11和下球副盖9上，产生与负载抗衡的摩擦力和摩擦力矩，从而锁紧下球副，同样，挺杆22也挤压钢球26，上球副也被锁进；与此同时，圆锥凸轮17的末端圆台也会挤压小外筒盖19外圆面，使之与大外筒盖18靠拢，接触，挤压，从而产生能够抗衡外负载的摩擦力和摩擦力矩，中间旋转副随之锁紧。到此，所有关节都被同时锁进。
松开机械臂的操作原理与之完全相反，在此不再赘述。
本发明采用圆锥凸轮旋钮，依靠人力一键锁紧，完全依靠机械机构实现，能承受一定的负载(如10kg)具有良好的通用性，并且保证较高的灵活度和完全被动性和简洁性，不会因操作复杂、可靠性差而影响辅助医疗的效果和质量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征在于包括：电磁座(1)、下球副(2)、下挺杆机构(3)、一键锁紧机构(4)、上挺杆机构(5)、上球副(6)及末端夹持机构(7)；连接方式为：电磁座(1)由磁力固定于手术台侧，下球副(2)与电磁座固定(1)形成底座，下挺杆机构(3)和上挺杆机构(5)分别与一键锁紧机构(4)中的两个圆锥凸轮接触，这两圆锥凸轮为一个整体；上挺杆机构(5)与上球副(6)中钢球连接，该钢球末端连接末端夹持机构(7)。
2.根据权利要求1所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是，所述一键锁紧机构(4)包括：旋钮(16)、圆锥凸轮(17)、大外筒盖(18)及小外筒盖(19)；连接方式为：圆锥凸轮(17)是两个圆锥凸轮组成的一个整体，这两个圆锥凸轮分别放入大外筒盖(18)、小外筒盖(19)中，接口部分套上轴套；圆锥凸轮(17)前端中心与旋钮(16)固接为一体，前端外部攻有螺纹，与对应轴套螺纹咬合，将旋钮(16)及圆锥凸轮(17)旋转运动转化成直线运动；大外筒盖(18)和小外筒盖(19)在锁紧时会相互靠拢接触，产生摩擦力矩，锁紧中间旋转副。
3.根据权利要求2所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是，所述大外筒盖(18)、小外筒盖(19)均为U形半圆柱外筒，大、小外筒盖连接在一起。
4.根据权利要求3所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是，所述圆锥凸轮(17)放入由大外筒盖(18)、小外筒盖(19)组成的半圆柱槽中，各连接处均通过轴套连接配合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是：所述下挺杆机构(3)包括：弹簧(12)、轴套(13)、下挺杆(14)、第一外筒(15)；连接方式为：弹簧(12)套在下挺杆(14)外接近下球副(2)一端，弹簧(12)一端顶住下挺杆(14)轴肩另一端顶住下球副罩(11)圆台面，两个轴套(13)挤压入第一外筒(15)上下两端中并分别套入下挺杆(14)的上下台肩，第一外筒(15)与球副罩(11)通过盈配合和短螺柱固连。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是：所述上挺杆机构(5)包括：轴套(20)、第二外筒(21)、上挺杆(22)、弹簧(23)；连接方式为：弹簧(23)套在挺杆(22)外接近上球副(6)一端，弹簧(23)一端顶住上挺杆(22)轴肩，另一端顶住下球副罩(24)圆台面，两个轴套(20)挤压入第二外筒(21)上下两端中并分别套入上挺杆(22)的上下台肩，第二外筒(21)与球副罩(24)通过盈配合和短螺柱固连。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是：所述下球副(2)包括：球副底座(8)、下球副盖(9)、钢球(10)、下球副罩(11)；连接方式为：球副底座(8)通过螺纹分别连接钢球(10)和电磁座(1)，钢球(10)分别套入下球副盖(9)和下球副罩(11)的球形凹槽中，下球副盖(9)与下球副罩(11)通过沉头螺钉连接在一起。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是：所述上球副(6)包括：上球副罩(24)、上球副盖(25)、钢球(26)、小轴套(27)、双头螺柱(28)；连接方式为：钢球(26)分别套入上球副罩(24)和上球副盖(25)中的球形中孔中，上球副罩(24)和上球副盖(25)通过沉头螺钉连接，双头螺柱(28)穿过小轴套(27)拧入钢球(26)中，另一端连接末端夹持机构(7)。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一键锁紧被动式七自由度机械臂，其特征是：所述末端夹持机构(7)包括：松螺栓(32)、左夹片(31)、右夹片(29)、压缩弹簧(30)；连接方式为：右夹片(29)前端圆柱攻有螺纹，通过螺纹连接于上球副(6)钢球上，左夹片(31)、右夹片(29)通过咬合松螺栓(32)相互联接，左右夹片上均开有凹槽及凹槽中的小凸台用于卡入压缩弹簧(30)，在自然条件下夹片前端夹持部分为张紧状态，双头螺柱(28)穿过上球副的轴套(27)与钢球(26)连接紧固在一起。
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