CN104768715A - 一种具有锁定装置的5自由度关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明的一实施例提供一种5自由度关节机构，其特征在于包括：基座；第一臂，其位于所述基座上侧并可以垂直轴为中心左右转动；第二臂，其一侧具有铰接单元，且位于所述第一臂上侧并可以垂直轴为中心左右转动；第三臂，其包括臂头和一侧与所述臂头相连接的多个连杆，所述第三臂与所述铰接单元连接且可以水平轴为中心上下转动；第四臂，其位于所述臂头下侧且可以垂直轴为中心左右转动；连接单元，其一侧与被支撑体连接，另一侧与所述第四臂连接，而且可以水平轴为中心上下转动；以及第一锁定装置，当所述基座和所述第一臂到达预定的相对位置时，第一锁定装置锁定所述第一臂的转动。所述第一臂具有第一锁定装置，所述第四臂具有第二锁定装置，所述第一臂与所述第四臂之间具有连接件，从而限制所述5自由度中的4自由度。

Description

一种具有锁定装置的5自由度关节机构

技术领域

本发明的一实施例涉及具有锁定装置的5自由度关节机构，其安装于医院等用于在接近患者的位置上获取图像的超声波摄影设备。更具体地，涉及一种5自由度关节机构，其包括基座、第一臂、第二臂、第三臂、第四臂、被支撑体连接单元，所述第一臂具有第一锁定装置，所述第四臂具有第二锁定装置，所述第一臂与所述第四臂间具有连接件，从而限制所述5自由度中的4自由度。

背景技术

该部分说明内容仅仅是为了给本发明的实施例提供背景信息，而不构成现有技术。

超声波摄影设备作为获取患者身体内部图像的设备得到广泛使用。具有被支撑体和探头部分(probe portion)的一体成型的超声波摄影设备相对较小，其通过主机下侧安装的滑轮(wheel)便于移动。

另外，作为超声波摄影设备的被支撑体的一实施例，可以考虑显示装置，这种显示装置正由CRT(阴极射线管)向LCD(液晶显示器)进化，因此被支撑体的重量也趋于减小，从而可以将具有多个关节臂的关节机构设置于主机的上部和被支撑体之间。

具有多个关节臂的关节机构能够使被支撑体容易地、迅速地移动，使其在水平、垂直及对角线等方向移动，而且能够使被支撑体移动至与主机相隔预定距离的位置上。

但是，安装在具有多个关节臂的关节机构的被支撑体由于在搬运或者保管主机的过程中发生的振动或者外力冲击等，其位置会发生较大变化。这种被支撑体的位置变化导致主机搬运或者保管上的不方便，而且搬运主机的过程中，会存在被支撑体碰撞墙面或者与行人发生碰撞的可能性，其结果，被支撑体损坏或者使行人或者搬运者受到伤害。

因此，急需开发一种能够锁住(lock)具有多个关节臂的关节机构的关节臂的锁定装置。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种可锁定的5自由度关节机构，其特征在于：基座；第一臂，其位于所述基座上侧并可以垂直轴为中心左右转动；第二臂，其一侧具有铰接单元，且位于所述第一臂上侧并可以垂直轴为中心左右转动；第三臂，其包括臂头和一侧与所述臂头相连接的多个连杆，所述第三臂与所述铰接单元连接且可以水平轴为中心上下转动；第四臂，其位于所述臂头下侧且可以垂直轴为中心左右转动；连接单元，其一侧与被支撑体连接，另一侧与所述第四臂连接，而且可以水平轴为中心上下转动；以及第一锁定装置，当所述基座和所述第一臂到达预定的相对位置时，所述第一锁定装置锁定(lock)所述第一臂的转动。

本发明的一实施例提供一种5自由度关节机构，其特征在于：基座；第一臂，其位于所述基座上侧并可以垂直轴为中心左右转动；第二臂，其一侧具有铰接单元，且位于所述第一臂上侧并可以垂直轴为中心左右转动；第三臂，其包括臂头和一侧与所述臂头相连接的多个连杆，所述第三臂与所述铰接单元连接且可以水平轴为中心上下转动；第四臂，其位于所述臂头下侧且可以垂直轴为中心左右转动；连接单元，其一侧与被支撑体连接，另一侧与所述第四臂连接，而且可以水平轴为中心上下转动；以及第一锁定装置，当所述基座和所述第一臂到达预定的相对位置时，所述第一锁定装置锁定(lock)所述第一臂的转动。

此外，本发明的一实施例提供一种超声波摄影设备，其特征在于包括：基座；所述基座上依次连接的第一臂、第二臂、第三臂、第四臂及被支撑体连接单元；以及锁定所述基座和所述第一臂的连接单元的第一锁定装置。

如上所述，根据本发明的一实施例，锁定装置用于限制包括基座、第一臂、第二臂、第三臂、第四臂及被支撑体连接单元的5自由度关节机构的4自由度，通过使用该锁定装置能够限制在搬运或者保管超声波摄影设备过程中发生的振动或者碰撞等导致安装在具有多个关节臂的关节机构上的被支撑体的位置改变。

此外，可通过限制该被支撑体的位置变化，为搬运或者保管主机时提供方便，并且减少了搬运主机的过程中被支撑体损坏或者使行人或者搬运人受到伤害的可能性。

附图说明

图1是显示5自由度关节机构的侧视图和部分放大图。

图2是显示第三臂的内部结构的结构图。

图3是显示被支撑体连接单元的结构的结构图。

图4是显示第一臂的内部结构的结构图。

图5是显示图1的臂头和第四臂的内部结构的结构图。

图6是显示挂钩锁定装置的内部结构的结构图。

图7是显示挂钩锁定装置的侧视图。

图8是显示臂锁定解除操作单元的组件的结构图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的部分实施例进行详细描述。标注附图标记时，即使相同技术特征在不同的附图中出现，也尽可能使用了相同的附图标记。同时还要注意，在通篇说明书中，如果认为对相关已知的技术特征和功能的具体说明可能会导致本发明主题不清楚，则省略其详细说明。

而且，说明本发明时，可以使用第一、第二、A、B、(a)、(b)等用语。这些用语仅仅是为了区分相应技术特征与其他技术特征，并非限定其本质、次序或顺序等。如果说明书记载一技术特征与另一技术特征“连接”、“结合”或“接触”，可以理解为一技术特征与另一技术特征直接连接或接触，也可以理解为各技术特征之间有另一技术特征与之相“连接”、“结合”或“接触”。

图1是显示5自由度关节机构1的侧视图和部分放大图。首先，原始位置状态是指图1中所示的状态，即第一臂3和第三臂5重叠，基座2和第四臂6不进行左右转动的状态下，面向5自由度关节机构1的前方的状态。

5自由度关节机构1包括基座2、第一臂3、第二臂4、第三臂5、第四臂6及被支撑体连接单元7。基座2支撑在主机上，其上侧具有第一臂休止面9，第一臂休止面9的中央具有第一转动支撑孔10。

第一臂3连接在基座2上且可以垂直轴为中心左右转动，其一侧具有第一端部11，其另一侧具有第二端部12，第一端部11的中央具有垂直设置的第一端部轴13，第二端部12的中央具有垂直设置的第二转动支撑孔14，第一端部轴13插在第一转动支撑孔10内，而且在基座2上能够以第一端部轴13为中心转动。第一臂3在基座2的第一臂休止面9上转动范围是，以原始位置状态为准相对于基座2能够左右转动90度。

第二臂4上部具有铰接单元15，其连接在第一臂3上且以垂直轴为中心能够进行左右转动，其下部具有第三端部16，而第三端部16的中央具有垂直设置的第三端部轴17，第三端部轴17插在第二转动支撑孔14，在第二端部12上可以第三端部轴17为中心转动。第二臂4在第一臂3的第二端部12上转动放的范围是，以原始位置状态为准相对于第一臂3能够左右转动90度。

5自由度关节机构1具有三个转动装置。三个转动装置分别设置在基座2和第一臂3之间、第一臂3和第二臂4之间以及第三臂5和第四臂6之间。所述三个转动装置的结构均类似，为了便于说明，以基座2和第一臂3之间的转动装置为例进行说明。

观察基座2和第一臂3之间的转动装置的结构可知，第一端部轴13插设于基座2上的第一转动支撑孔10中，在这种插设状态下第一端部轴13与连接板25相结合。第一端部轴13和第一转动支撑孔10之间插设有能够起到润滑作用的、例如以工程塑料为材料的圆筒形套。

被支撑体连接单元7以水平轴为中心能够上下转动地连接在第四臂6上，而且以垂直轴为中心，在前方-90度、后方15度的范围内倾斜，与第四臂6的转动无关。

图2是显示第三臂5的内部结构的结构图。图2(a)是第三臂5的俯视图，图2(b)是第三臂5的仰视图。第三臂5包括臂头18和多个连杆19。图2图示了四个连杆19。参照图2，四个连杆19用于连接臂头18和第二臂4，第三臂5的左侧和右侧各有两个且平行地上下布置。四个连杆19的一侧分别与第二臂4的铰接单元15的两个连接轴21连接，而另一侧分别与臂头18上的两个连接轴20连接。

当第三臂5在以铰接单元15的水平轴为中心进行上下转动时，通过连接臂头18和第二臂4的四个连杆19保持臂头18和水平轴的角度。

第三臂5的内部还可以包括姿势保持机构，其姿势可通过所述姿势保持机构得以保持。第三臂5相对于第二臂4的上下转动角度可以在预定的范围内通过手动操作连续调节，但是使用第三臂5中内置的姿势保持机构时，在不施加外力的前提下，其角度将得以保持。因此，不会发生由于被支撑体8的重量等原因使第三臂5自然下降的情况。

作为姿势保持机构的一实施例，可以使用气缸22。即，铰接单元15具有凸槽23，气缸的一侧与臂头18连接，而另一侧与铰接单元15的凸槽23连接。臂头18向上移动时气缸22拉长，臂头18向下移动时气缸22压缩。第三臂5的转动范围是以水平轴为中心上下40度和-10度。

第四臂6与臂头18连接且以水平轴为中心能够左右转动，第四臂6相对于臂头18转动的范围是以原始位置状态为准左右转动90度。

图3是显示被支撑体连接单元7的结构的结构图。图3(a)是被支撑体连接单元7的俯视图，图3(b)是被支撑体8向上倾斜时的结构图，图3(c)是被支撑体8向下倾斜时的结构图。

被支撑体连接单元7包括被支撑体固定单元27、倾斜轴28、外表面形成有倾斜调节槽29的一对凸轮板30、31、用于调节倾斜的一对限位器32、33、一对板簧34、35及一对扭簧36、37。

一对凸轮板30、31安置在被支撑体固定单元27上，其与被支撑体固定单元27一同转动。凸轮板30、31的外表面具有用于调节被支撑体8的倾斜范围的倾斜调节槽底部39，倾斜轴28具有能够与倾斜调节槽底部39的第一停止面或者第二停止面相接触的一对限位器32、33。限位器32、33的一侧面与第一停止面相接触或者另一侧面与第二停止面相接触时，凸轮板30、31的转动将会停止。固定有被支撑体固定单元16和凸轮板30、31的被支撑体8以轴线38为中心，在前方-90度和后方15度的范围内倾斜。

此时，当使用者倾斜被支撑体8时，板簧34、35对其施加压力，从而使被支撑体8保持倾斜状态，扭簧36、37起到给被支撑体8提供恢复力的作用，以使被支撑体8恢复原位。在板簧34、35和扭簧36、37的帮助下，使用者能够容易地调节被支撑体8的角度。

图4是显示第一臂3的内部结构的结构图。图4(a)是显示第一臂3的锁定状态的结构图，图4(b)是显示第一臂3的锁定解除状态的结构图。第一臂3的臂盖42内部具有臂槽43，臂槽底部44具有穿过第一端部11的圆筒形的垂直设置的第一锁定导引40。第一锁定导引40相对于第一端部轴13在5自由度关节机构1的前后方向的后侧上相隔一定距离设置。

此外，第一臂休止面9上具有上端开口的圆筒形的第二锁定导引41，所述第二锁定导引41垂直设置。相对于第一转动支撑孔10，圆筒形的第二锁定导引41形成于与5自由度关节机构1位于原始位置状态时的第一锁定导引40的位置相对应的位置上。

臂槽底部44的第一锁定导引40内具有截面为字母‘T’形状的第一锁钉45。第一锁钉45的上部具有第一凸缘部46，第一锁钉45的上端套设有第一弹簧47。第一弹簧47通过向臂槽底部44施加压力，使第一锁钉45在第一锁定导引40内向上移动。

臂槽43内部具有挂钩锁定盒48。挂钩锁定盒48具有贯穿其侧面的锁定轴导引79，锁定轴导引79内插设有锁定轴49。锁定轴49上连接有(镰刀)形状的第一锁钉按压装置50。

第一臂3位于基座2上第一锁定导引40和第二锁定导引41重叠的位置时，锁定轴49进行旋转，从而使第一锁钉按压装置50按压第一锁钉45的第一凸缘部46，则第一锁钉45随着第一和第二锁定导引40、41向下发生位置变化，同时压缩第一弹簧47。第一锁钉按压装置50与臂槽侧面51发生接触并被强制停止。

第一锁钉45的下端部插入第二锁定导引41中，从而锁定第一臂3相对于基座2的转动。第一锁定装置52包括第一锁钉45、第一锁钉按压装置50、第一弹簧47、第一锁定导引40以及第二锁定导引41。

图5是显示图1的臂头10和第四臂6的内部结构的结构图。图5(a)是显示第四臂6的锁定状态的结构图，图5(b)是显示第四臂6的锁定解除状态的结构图。第四臂6的第五端部53的中央具有垂直设置的第五端部轴54，臂头10的第四端部55的中央具有第三转动支撑孔56。第四臂6以第五端部轴54为中心转动。

第四臂6的第五端部53上具有垂直贯穿第四臂6的圆筒形的第三锁定导引57，所述第三锁定导引57位于正面观察5自由度关节机构时向左侧相隔预定距离的位置上，臂头10的第四端部55上具有沟槽58，所述沟槽58位于在5自由度关节机构1的原始位置状态下与第三锁定导引57相对应的位置。第三锁定导引57内具有截面为字母‘T’形状的第二锁钉59，第二锁钉59的下部套设有第二弹簧61。第二弹簧61向第二锁钉59施加弹力使其向下移动。

第二锁钉59通过凸轮62的旋转在第三锁定导引57内向上或向下移动发生位置变化。即，第二锁钉59的第二凸缘部60接触凸轮62上的宽支撑台63a的状态为第二锁钉59向下移动发生位置变化的情形，也就是第四臂6相对于第三臂5的锁定被解除的状态。此外，第二锁钉59的第二凸缘部60与凸轮62上的窄支撑台63b接触的状态为第二锁钉59向上移动发生位置变化的情形，也就是第四臂6相对于第三臂5的转动被锁定的状态。即，通过把第二锁钉59的前端插入沟槽58内来锁定第四臂6相对于第三臂5的转动。第二锁定装置64包括第二锁钉59、第二弹簧61、第三锁定导引57、沟槽58及凸轮62。

此外，图5显示连接件66的内部结构。图5(a)是显示用于准备连接件66与第一臂3结合的准备状态的结构图，图5(b)是显示连接件66的休止状态的结构图。连接件的上端具有凸轮62和凸轮轴，下端具有挂钩65。

第四臂6内部具有连接件66的休止空间67。连接件66通过操作者的手动操作进入休止空间67内部从而维持休止状态，而且从休止空间67引出后成为与安装在第一臂3内部的挂钩锁定装置68相结合的状态。连接件66在休止空间67内的休止状态下，如果使用者通过手动操作引出连接件66，则凸轮62同时也进行旋转。前面已对通过凸轮62的旋转锁定第四臂6相对于第三臂5的转动的情况进行了说明。

图6是显示挂钩锁定装置68的内部结构的结构图，即挂钩锁定装置68的上板73已被去除的状态。锁扣板69上形成有两个矩形的孔。较大的孔70用于锁住插入的挂钩65，较小的孔71用于插设锁定杆72。锁扣板69通过锁定杆72的移动在挂钩锁定装置68的两侧壁面上滑动。挂钩锁定装置68包括挂钩锁定盒48、锁扣板69、上板73及连接件66。

图7是显示挂钩锁定装置68的侧视图，即挂钩锁定装置68的上板73已被去除的状态。图7(a)是显示锁扣板69被打开的状态的结构图，图7(b)是显示锁扣板69被关闭状态的结构图。

连接件66被引出的状态下，使用者通过手动操作如果向下移动第三臂5，则连接件66的下端上形成的挂钩65将插入第一臂3上端的孔中，如通过旋转锁柄74使锁定杆72移动，则锁扣板69一同移动从而锁住挂钩65。因此，锁定第二臂4相对于第一臂3的转动，同时锁定第三臂5相对于第二臂4的转动。

图8是显示臂锁定解除操作单元的结构图。图8(a)是显示臂锁定解除操作单元的组件位置的立体图。图8(b)是显示挂钩65被挂钩锁定装置68锁定的状态的结构图，图8(c)是显示通过挂钩锁定装置68挂钩65锁定状态被解除的状态的结构图。臂锁定解除操作单元的结构说明如下，锁定轴75的一侧与锁柄74连接，另一侧与第三弹簧77连接，如果按压锁柄74，则第三弹簧77被压缩。此外，锁定轴75插设在挂钩锁定盒48上的锁定轴导引79内。锁定轴75上设置有第一锁钉按压装置50、锁定杆72及锁销76。在图8(b)的状态下按压锁柄74，如图8(b)所示从具有第三弹簧77为方向观察时，如果朝顺时针方向转动，则锁定轴75一同旋转，而且锁定轴75上设置的锁定杆72、第一锁钉按压装置50及锁销76也一同旋转。之后，锁定杆72使锁扣板69移动，第一锁钉按压装置50向上移动的同时向上移动第一锁钉45。这种情况，锁销76翻过凸槽78，如图8(c)所示，位于凸槽78的右侧，从而解除第一锁定装置52的锁定。此外，同时解除挂钩65的锁定，并保持该锁定解除状态，从而可以从第一臂3上部的孔取出连接件66。臂锁定解除操作单元包括锁柄74、锁定轴75、锁定杆72、锁销76及第三弹簧77。

本发明仅对具体实施例进行了说明，在本发明的技术思想范围内，可以对其进行各种变形和修改，这对于本技术领域的技术人员而言是显而易见的，这种变形和修改必然也属于本发明的权利范围。

附图标记说明：

1：5自由度关节机构

20：臂头上的两个连接轴

21：铰接单元上的两个连接轴

29：倾斜调节槽

38：轴线

52：第一锁定装置

64：第二锁定装置

66：连接件

68：挂钩锁定装置

Claims (27)

1.一种可锁定的5自由度关节机构，其特征在于包括：

基座；

第一臂，其位于所述基座上侧并可以垂直轴为中心左右转动；

第二臂，其一侧具有铰接单元，且位于所述第一臂上侧并可以垂直轴为中心左右转动；

第三臂，其包括臂头和一侧与所述臂头相连接的多个连杆，所述第三臂与所述铰接单元连接且可以水平轴为中心上下转动；

第四臂，其位于所述臂头下侧且可以垂直轴为中心左右转动；

连接单元，其一侧与被支撑体连接，另一侧与所述第四臂连接，而且可以水平轴为中心上下转动；以及

第一锁定装置，当所述基座和所述第一臂到达预定的相对位置时，所述第一锁定装置锁定所述第一臂的转动。

2.如权利要求1所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述基座的上侧具有第一臂休止面，所述第一臂休止面的中央具有第一转动支撑孔。

3.如权利要求2所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第一臂的一侧具有第一端部，另一侧具有第二端部，所述第一端部的中央具有垂直设置的第一端部轴，所述第二端部的中央具有垂直设置的第二转动支撑孔。

4.如权利要求3所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第一臂的所述第一端部轴插入所述第一转动支撑孔内，所述第一臂在所述基座上以所述第一端部轴为中心转动。

5.如权利要求4所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第一臂在所述基座的所述第一臂休止面上转动的范围是以原始位置为准左右90度。

6.如权利要求5所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第二臂的下侧具有第三端部，所述第三端部的中央具有垂直设置的第三端部轴。

7.如权利要求6所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第二臂的所述第三端部轴插入所述第二转动支撑孔，所述第二臂在所述第二端部以所述第三端部轴为中心转动。

8.如权利要求7所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第二臂在所述第一臂的所述第二端部上转动的范围是以所述原始位置为准左右90度。

9.如权利要求5所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述臂头的下侧具有第四端部，所述第四端部的中央具有垂直设置的第三转动支撑孔。

10.如权利要求1所述的5自由度关节机构，其特征在于：

当所述第三臂以所述铰接单元的水平轴为中心上回转动时，保持所述臂头与水平轴的角度。

11.如权利要求10所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第三臂的内部还包括姿势保持机构，所述第三臂的姿势通过所述姿势保持机构得以保持。

12.如权利要求10所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第三臂以水平轴为中心上下转动的范围以水平面为准，下侧为-10度，上侧为40度。

13.如权利要求9所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第四臂的上侧具有第五端部，所述第五端部的中央具有垂直设置的第五端部轴，所述第五端部与所述第五端部轴的间隔位置处具有沟槽。

14.如权利要求13所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第四臂的所述第五端部轴插入所述第三转动支撑孔，所述第四臂在所述臂头上以所述第五端部轴为中心转动。

15.如权利要求14所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第四臂在所述第四端部上转动的范围是以所述原始位置为准左右90度。

16.如权利要求1所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述被支撑体为显示装置。

17.如权利要求1至16中任一项所述的5自由度关节机构，其特征在于：

还包括第二锁定装置，当所述第四臂和所述第三臂到达预定的相对位置时，所述第二锁定装置锁定所述第四臂的转动。

18.如权利要求1至16中任一项所述的5自由度关节机构，其特征在于：

还包括连接件，其在所述第一臂和所述第四臂之间起到限制作用，而且连接在所述第四臂的下侧，所述连接件的上端形成有凸轮和凸轮轴，下端形成有挂钩。

19.如权利要求17所述的5自由度关节机构，其特征在于：

还包括连接件，其铰接在所述第四臂的下侧，可以水平轴为中心上下转动。

20.如权利要求18所述的5自由度关节机构，其特征在于：

所述第四臂的内部具有所述连接件的休止空间，所述连接件可以进入所述休止空间的内部或从所述休止空间引出。

21.如权利要求18所述的5自由度关节机构，其特征在于：

还包括挂钩锁定装置，其安装在所述第一臂的内部且通过锁柄使锁扣板滑动。

22.如权利要求21所述的5自由度关节机构，其特征在于：

还包括臂锁定解除操作单元，其可同时解除所述第一锁定装置的锁定状态和所述挂钩锁定装置的挂钩锁定状态。

23.一种超声波摄影设备，其特征在于包括：基座；所述基座上依次连接的第一臂、第二臂、第三臂、第四臂及被支撑体连接单元；以及锁定所述基座和所述第一臂的连接单元的第一锁定装置。

24.如权利要求23所述的超声波摄影设备，其特征在于：

还包括第二锁定装置，其用于锁定所述第三臂和所述第四臂的连接单元。

25.如权利要求23或24所述的超声波摄影设备，其特征在于：

还包括连接件，其用于连接所述第一臂和所述第四臂。

26.如权利要求25所述的超声波摄影设备，其特征在于：

还包括挂钩锁定装置，其安装在所述第一臂的内部且通过锁柄使锁扣板滑动。

27.如权利要求26所述的超声波摄影设备，其特征在于：

还包括臂锁定解除操作单元，其可同时解除所述第一锁定装置的锁定状态和所述挂钩锁定装置的挂钩锁定状态。