CN108013936B - 一种基于球关节的气动操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球关节的气动操作臂，操作臂由连杆和关节连接杆组成，所述连杆连接筒的两端分别安装一个球关节机构模块，关节连接杆的两端分别与连杆的球关节机构模块连接组成操作臂。本发明的有益效果在于能够实现在三维空间内对手术工具和器械的定位，在手术中提供较高的器械定位稳定性和定位精度，长时间操作不疲劳，减轻医生劳动强度。对于患者来讲，提高手术稳定性，减少手术器械操作不稳定的出错几率。对于不同的手术工具，可以通过调整弹簧参数和压缩气体压力来动态调节操作臂与手术器械的负载关系，适应多种手术需求。

Description

一种基于球关节的气动操作臂

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于球关节的气动操作臂。

背景技术

中国医疗成本上升快速，在医疗手术中，通常单个医生不能够独立完成外科手术任务，由于手术中使用多种器械，医生不能够同时操作这些器械，需要额外的助手进行辅助才可以完成手术。由于助手医生存在，主治医生需要与助手进行沟通才能够让助手把器械移动到指定的位置，沟通环节一旦不清晰将会延长手术时间，另外助手长时间工作存在器械定位不稳定的问题，因此需要一种能够稳定定位又能够快速根据医生意图的手术器械定位装置。

专利CN200910127112.2和公开了一种能够保持手术器具的方案，方案中采用伸缩弧形元件来调整末端器械方向，但是弧形伸缩元件占用空间大，并难于单手操作；专利CN201710683947.0公开了一种医用辅助器具方案，方案中采用螺旋副挤压球关节的构型方式锁紧，但是并不能够同时锁紧和同时解锁所有的运动关节。

发明内容

本发明的目的是为了解决医疗手术中存在主治医生不能够同时操作多个手术器械的问题，而发明了一种能够定位手术器械的操作臂。操作臂采用模块化设计，能够轻易的扩展成多关节组合样式，并且采用气体方式锁紧方便使用，能够同时锁紧和解锁所有关节。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于球关节的气动操作臂，包括连杆和关节连接杆，其特征在于，所述关节连接杆与连杆的球关节机构模块连接，所述连杆包括球关节机构模块、连接筒、盖板、三通接头、气管组成，所述连接筒的两端分别安装一个球关节机构模块，三通接头安装在连接筒内部，三通接相对的两端分别连接一根气管相接，三通接头的另一端穿过盖板，盖板安装在连接筒，盖板将三通接头锁在连接筒内；

所述球关节机构模块由关节套筒、球关节盖、球形零件、球关节金属衬套、球关节内碗、前活塞、顶杆、滑动销、弹簧、后活塞、密封圈和气动快速接头组成；关节套筒内螺纹与球关节盖外螺纹相适配，关节套筒和球关节盖连接后形成的腔体中部和端部的内孔直径与球形零件直径相等，球形腔体与球形零件适配，球形零件安装在球关节盖的球形腔体内，球形零件内设有球关节金属衬套，球形零件与球关节内碗相接触，球关节内碗具有凹曲面与球形零件适配，球关节内碗设有多孔结构，多孔结构用于供顶杆穿过，顶杆的另一端安装在前活塞上，顶杆上套有弹簧；所述的前活塞的外圆周上设有滑动销，滑动销安装在关节套筒上设有的I形槽内限制前活塞在关节套筒内的滑动范围；橡胶垫为圆形，放置在后活塞与前活塞之间并隔离两个活塞，前活塞和橡胶垫通过螺钉与后活塞连接形成一个活塞整体，前活塞与后活塞的外圆上均设有密封圈槽，密封圈安装在密封圈槽内，关节套筒的尾端固定有气动快速接头；所述关节连接杆与球形零件的球关节金属衬套连接，扩展连杆。

优选的，所述前活塞的外圆周上均布有至少两个滑动销，滑动销与关节套筒的I形槽的配合，前活塞、后活塞、橡胶垫与顶杆形成的整体能够在关节套筒内前后滑动。

优选的，所述球形零件为非金属材料制造，顶杆为金属材料制造。

优选的，所述球关节内碗设有与球形零件相适配的曲面，所述曲面可为凹球面、圆锥面和阶梯曲面，气动快速接头没有充入压缩气体时，在弹簧的弹力下，球形零件可在球关节内碗与球关节盖之间低摩擦转动，所述弹簧安装在前活塞与球关节内碗之间。

优选的，所述顶杆在弹簧和压缩流体的作用下与球形零件相接形成接触面或接触点或接触线，相接处具体由顶杆的末端形状决定；顶杆与球形零件接触的位置所在的截面为顶杆长度方向的截面积最小处或第二小处，相接处为接触点或接触线时，接触的位置所在的截面为截面积最小处；相接处为接触面时，接触的位置所在的截面为截面积最小处或第二小处。

优选的，所述球关节盖包括侧槽关节盖，侧槽关节盖具有侧槽结构，侧槽的宽度大于关节连接杆的直径，侧槽连接杆可放入侧槽中，至少有一个侧槽特征布置在侧槽关节盖中心线周围。

优选的，所述压缩气体也可以变更为具有压力的液体，完成填充进后活塞与关节套筒形成的内腔中，除了可以填充压缩气体，也可以填充压缩液体。

优选的，所述连杆连接关节连接杆，多段连杆和关节连接杆连接形成多连杆多关节形式的操作臂。

优选的，所述前活塞上固定有顶杆，所述顶杆种类和数量不限。

本发明一种基于球关节的气动操作臂，利用压缩气体锁紧关节，通过模块化设计将单个关节扩展成多关节冗余机械臂构型，能够实现在三维空间内对手术工具和手术器械的定位，在手术中，能够避免医生过度劳累，并且提供较高的器械定位稳定性和定位精度，减轻医生劳动强度，长时间操作不疲劳。对于患者来讲可提高手术稳定性，减少手术器械操作不稳定的出错几率。并且对于不同的手术和器械的定位，可以通过调整弹簧参数和压缩气体压力来动态调节操作臂与手术器械本身的负载关系，适应多种手术需求。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明模块连接结构示意图。

图3为本发明球关节机构模块结构示意图。

图4（a）为本发明其中一种顶杆结构示意图。

图4（b）为本发明另一种顶杆结构示意图。

图5（a）为本发明其中一种顶杆布置结构示意图。

图5（b）为本发明另一种顶杆布置结构示意图。

图6为本发明前活塞与顶杆复合结构示意图。

图7为本发明带侧边槽的球关节结构模块结构示意图。

图8（a）为本发明圆锥状内表面的球关节内碗结构示意图。

图8（b）为本发明圆锥状内表面的球关节内碗剖面结构示意图。

图9（a）为本发明阶梯状内表面的球关节内碗结构示意图。

图9（b）为本发明阶梯状内表面的球关节内碗剖面结构示意图。

图10为本发明八个球关节操作臂连接示意图。

图中：1连杆；1-1球关节机构模块；1-2连接筒；1-3盖板；1-4三通接头；1-5关节连接杆；1-6气管；2-1关节套筒；2-2球关节盖；2-3球形零件；2-4球关节金属衬套；2-5球关节内碗；2-6前活塞；2-7顶杆；2-8滑动销；2-9弹簧；2-10后活塞；2-11密封圈；2-12气动快速接头；2-13偏心顶杆；2-14凹形顶杆；2-15侧槽球关节盖；2-16侧槽；2-17锥面内碗；2-18阶梯内碗；2-19橡胶垫。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例

如图1到3所示，一种基于球关节的气动操作臂，包括连杆1和关节连接杆1-5，其特征在于，所述关节连接杆1-5与连杆1的球关节机构模块1-1连接，所述连杆1包括球关节机构模块1-1、连接筒1-2、盖板1-3、三通接头1-4、气管1-6组成，所述连接筒1-2的两端分别安装一个球关节机构模块1-1，三通接头1-4安装在连接筒1-2内部，三通接头1-4相对的两端分别连接一根气管1-6相接，三通接头1-4的另一端穿过盖板1-3，盖板1-3安装在连接筒1-2，盖板1-3将三通接头1-4锁在连接筒1-2内；气动操作臂的连杆1由两个球关节机构模块1-1连接在中空的连接筒1-2的两端，关节连接杆1-5的两端可以连接到球形零件2-3中的球关节金属衬套2-4中，因此通过四个球关节机构模块1-1、两个连接筒1-2与三个关节连接杆1-5可以组成两个连杆的操作臂构型。

单个连杆的内部是由与球关节机构模块1-1尾部气动快速接头2-12连接的气管1-6连接三通接头1-4组成，这样压缩气体通过三通接头1-4分别流入两段气管1-6中，进而分别进入球关节机构模块1-1的内腔中。

球关节机构模块1-1由关节套筒2-1、球关节盖2-2、球形零件2-3、球关节金属衬套2-4、球关节内碗2-5、前活塞2-6、顶杆2-7、滑动销2-8、弹簧2-9、后活塞2-10、密封圈2-11、橡胶垫2-19和气动快速接头2-12组成。关节套筒2-1设有圆柱孔内腔结构，球关节盖2-2内部尾端设有的球形形状与球形零件2-3外形吻合，腔体中部和端部的内孔直径与球形零件2-3直径相等；球形零件2-3为几何形状球体的非金属零件，能够在球关节盖2-2内转动。

进一步的，前活塞2-6外轮廓为圆柱面，前活塞2-6上设有多孔结构，其截面上有6个圆柱孔，顶杆7可以通过圆柱孔固定在前活塞2-6上；橡胶垫2-19为圆形，放置在后活塞2-10与前活塞2-6之间，将后活塞2-10与前活塞2-6隔离开，螺钉从后活塞方向将橡胶垫2-19和前后两个活塞相连接形成一个活塞整体，后活塞2-10与前活塞2-6外圆上均设有密封圈槽，密封圈槽用于放置密封圈2-11，所述前活塞2-6的外圆周上均布有两个滑动销2-8，通过两个滑动销2-8与关节套筒2-1的I形槽的配合，前活塞与后活塞形成的整体能够在关节套筒2-1内滑动，并由于密封作用保持压缩气体不泄漏。

顶杆2-7外形为圆柱形，其前端通过加工方法收缩成一点，前端整体成圆锥状，或收缩城圆锥体的一部分其前端仍然具有一定截面积。前活塞2-6的顶杆2-7上套有螺旋弹簧2-9，弹簧一端与前活塞2-6接触另一端与球关节内碗2-5接触。球关节内碗2-5具有周向均布的多孔结构能够允许顶杆2-7在孔中滑动，并且具有和球形零件2-3直径一样的凹球面，关节内碗2-5的凹球面被弹簧2-9压在球形零件2-3上。球关节盖2-2的端部外端具有外螺纹可以与2-1关节套筒的内螺纹旋合，将前活塞2-6、后活塞2-10、顶杆2-7、球关节内碗2-5、顶杆2-7和弹簧2-9等零件封装成一个整体模块。在关节套筒2-1的另一端固定有气动快速接头2-12。在没有通入压缩空气的情况下弹簧2-9将球关节内碗2-5压紧在球形零件2-3上，同时前后活塞整体也被推向远离球形零件2-3的方向，此时球形零件2-3可在球关节盖2-2与球关节内碗2-5之间低摩擦转动；当气动快速接头2-12通入压缩气体，气体推动后活塞2-10，带动前活塞2-6和顶杆2-7一同向球形零件2-3方向滑动，当顶杆2-7前端与球形零件2-3发生接触并迫使球形零件2-3发生形变，直到顶杆2-7与球形零件2-3两者之间的形变力与压缩气体压力达到平衡。

当关节套筒2-1腔内无压力时，关节连接杆1-5处能承受的负载可通过弹簧2-9的弹力和弹簧数量调节。当关节套筒2-1腔内充满压缩气体时，所能承受的负载主要由压缩气体的压力和顶杆2-7前端的截面积和顶杆数量决定。

当操作臂一端的关节连接杆1-5与手术台固定，另一端的关节连接杆1-5与手术器械固定时，操作者通过控制压缩气体是否进入三通接头1-4来手动控制球关节机构模块的运动，然后操作臂和手术器械保持静止。该实施方式可以定位手术器械，缓解医生疲劳。

实施例

如图4所示，本实施例是在实施例一的基础上将实施例一中顶杆2-7的首端形式进行变换得到的，例如将实施方式1中的同轴圆锥面变换成与顶杆2-7轴线具有一定偏心距的曲面而形成图4(a)的偏心顶杆2-13。或者保留顶杆2-7的外表面，从外向内将顶杆2-7的材料去除，形成图4(b)中的凹形顶杆2-14形状。其他未提及部件与实施例一相同不做改变。

实施例

如图5所示，本实施例是在实施例一的基础上变换得到，本实施例改变的是顶杆和弹簧的数量均匀或非均匀排布，而其他零件与结构与实施例一相同。举例说明为：通过改变安装在前活塞2-6上面的顶杆2-7、偏心顶杆2-13、凹形顶杆2-14的种类或者数量。例如图5(a)中安装有三个顶杆2-7和相应的弹簧2-9；图5(b)中安装有四个顶杆2-7和相应的弹簧。图5(a)展现的是通过改变顶杆和弹簧的数量进行均匀布置；图5(b)说明的是改变顶杆和弹簧的数量进行非均匀布置。

实施例

如图6所示，本实施例中通过混合将顶杆2-7、偏心顶杆2-13和凹形顶杆2-14安装到一个前活塞2-6上，其布置和数量的方案可以按照排列组合的方式进行。弹簧2-9放置在与前活塞接近同心的位置。其他零件和结构与实施方式1总相同。

实施例

如图7所示，本实施例中将实施例一中球关节盖2-2加入侧槽特征变换为图7中的侧槽球关节盖2-15，关节盖2-15具有侧槽2-16，侧槽的宽度大于关节连接杆1-5的直径，关节连接杆1-5可以放入侧槽结构2-16中，至少有一个侧槽2-16布置在侧槽关节盖2-15的中心线周围，图7为四个侧槽2-16布置在关节盖2-15周围的例子。

实施例

如图8所示，本实施例中将实施例一中的金属球关节内碗2-5内表面的凹球面变为图8(a)中的两段圆锥面的锥面内碗2-17，其横截面为两段与球形零件2-3相切的直线，形状如图8(b)所示，其他零件和结构与实施方式1中相同。

实施例

如图9所示，本实施例中将实施例一中的金属球关节内碗2-5的凹球面变为图9(a)中的阶梯面的阶梯内碗2-18，其横截面为阶梯直线，其阶梯直线的局部高点分布在与球形零件2-3直径大小相等且同心的圆上，形状如图9(b)所示。其他零件和结构与实施方式1中相同。

当横截面内表面为阶梯曲线时，阶梯曲线形成的曲面要保证至少有三个点或者一条曲线与球形零件2-3的球面接触。其他零件和结构形式与实施方式1中相同。

实施例

如图10所示，在实施方式一的基础上，通过扩充连杆1和关节连接杆1-5的数量，可以形成多关节操作臂。图10中为通过四个连杆1和5个连接杆1-5形成的多连杆操作臂。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于球关节的气动操作臂，包括连杆（1）和关节连接杆（1-5），其特征在于，所述关节连接杆（1-5）与连杆（1）的球关节机构模块（1-1）连接，所述连杆（1）包括球关节机构模块（1-1）、连接筒（1-2）、盖板（1-3）、三通接头（1-4）、气管（1-6）组成，所述连接筒（1-2）的两端分别安装一个球关节机构模块（1-1），三通接头（1-4）安装在连接筒（1-2）内部，三通接头（1-4）相对的两端分别连接一根气管（1-6）相接，三通接头（1-4）的另一端穿过盖板（1-3），盖板（1-3）安装在连接筒（1-2）上，盖板（1-3）将三通接头（1-4）锁在连接筒（1-2）内；

所述球关节机构模块（1-1）由关节套筒（2-1）、球关节盖（2-2）、球形零件（2-3）、球关节金属衬套（2-4）、球关节内碗（2-5）、前活塞（2-6）、顶杆（2-7）、滑动销（2-8）、弹簧（2-9）、后活塞（2-10）、密封圈（2-11）、橡胶垫（2-19）和气动快速接头（2-12）组成；关节套筒（2-1）内螺纹与球关节盖（2-2）外螺纹相适配，关节套筒（2-1）和球关节盖（2-2）连接后形成的腔体中部和端部的内孔直径与球形零件（2-3）直径相等，球形零件（2-3）安装在球关节盖（2-2）的球形腔体内，球形腔体与球形零件（2-3）适配，球形零件（2-3）内设有球关节金属衬套（2-4），球形零件（2-3）与球关节内碗（2-5）相接触，所述的球关节内碗（2-5）具有凹曲面与球形零件（2-3）适配，球关节内碗（2-5）并设有多孔结构，多孔结构用于供顶杆（2-7）穿过，顶杆（2-7）的另一端安装在前活塞（2-6）上，顶杆（2-7）上套有弹簧（2-9）；所述的前活塞（2-6）的外圆周上设有滑动销（2-8），滑动销（2-8）安装在关节套筒（2-1）上设有的I形槽内限制前活塞（2-6）在关节套筒（2-1）内的滑动范围；所述橡胶垫（2-19）为圆形，放置在后活塞（2-10）与前活塞（2-6）之间并隔离两个活塞，前活塞（2-6）和橡胶垫（2-19）通过螺钉与后活塞（2-10）连接形成一个活塞整体，前活塞（2-6）与后活塞（2-10）的外圆上均设有密封圈槽，密封圈（2-11）安装在密封圈槽内，关节套筒（2-1）的尾端固定有气动快速接头（2-12）,所述活塞整体、密封圈（2-11）与关节套筒（2-1）的内腔相适配，共同与气动快速接头（2-12）形成腔体结构；所述关节连接杆（1-5）与球形零件（2-3）的球关节金属衬套（2-4）连接；

在没有通入压缩空气的情况下弹簧（2-9）将球关节内碗（2-5）压紧在球形零件（2-3）上，同时前后活塞整体也被推向远离球形零件（2-3）的方向，此时球形零件（2-3）在球关节盖（2-2）与球关节内碗（2-5）之间低摩擦转动；

当气动快速接头（2-12）通入压缩气体，气体推动后活塞（2-10），带动前活塞（2-6）和顶杆（2-7）一同向球形零件（2-3）方向滑动，当顶杆（2-7）前端与球形零件（2-3）发生接触并迫使球形零件（2-3）发生形变，直到顶杆（2-7）与球形零件（2-3）两者之间的形变力与压缩气体压力达到平衡；

所述球形零件（2-3）的材质为非金属，顶杆（2-7）的材质为金属。

2.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述前活塞（2-6）的外圆周上均布有至少两个滑动销（2-8），滑动销（2-8）与关节套筒（2-1）的I形槽的配合，前活塞（2-6）、后活塞（2-10）、橡胶垫（2-19）与顶杆（2-7）形成的整体能够在关节套筒（2-1）内前后滑动。

3.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述球关节内碗（2-5）设有与球形零件（2-3）适配的曲面，所述弹簧（2-9）安装在前活塞（2-6）与球关节内碗（2-5）之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述曲面为凹球面或圆锥面或阶梯曲面。

5.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述顶杆（2-7）在弹簧（2-9）和压缩流体的作用下与球形零件（2-3）相接形成接触面或接触点或接触线，相接处具体由顶杆（2-7）的末端形状决定；顶杆（2-7）与球形零件（2-3）接触的位置所在的截面为顶杆（2-7）长度方向的截面积最小处或第二小处，相接处为接触点或接触线时，接触的位置所在的截面为截面积最小处；相接处为接触面时，接触的位置所在的截面为截面积最小处或第二小处。

6.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述球关节盖（2-2）加入侧槽特征变换为侧槽关节盖（2-15），所述侧槽关节盖（2-15）具有侧槽（2-16）结构，侧槽（2-16）的宽度大于关节连接杆（1-5）的直径，关节连接杆（1-5）放入侧槽（2-16）中，至少有一个侧槽（2-16）特征布置在侧槽关节盖（2-15）中心线周围。

7.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述压缩气体能够替换为具有压力的液体。

8.根据权利要求1所述的一种基于球关节的气动操作臂，其特征在于，所述连杆（1）连接关节连接杆（1-5），多段连杆（1）和关节连接杆（1-5）连接形成多连杆多关节形式的操作臂。

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