CN108035965B - 一种刚柔两级锁紧球关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚柔两级锁紧球关节，球关节内布置有两级活塞，具有两级锁紧状态；当流体压力不足以同时推动两级活塞时，球关节处于柔性锁紧状态，当流体压力可以同时推动两级活塞时，球关节处于刚性锁紧状态。通过连接套筒将球关节与套筒首尾两端固定而形成球关节连杆，再将两个或多个球关节连杆相连，可形成多自由度操作臂，可以对工具或手术器械进行定位；当对各个连杆施加不同的压力时，可控制球关节的锁紧状态，以适应不同的关节负载。

Description

一种刚柔两级锁紧球关节
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种关节锁紧装置。
背景技术
在医疗手术和医学实验中，由于手术和实验中需要使用多种器械，操作者不能够同时操作很多器械，需要额外的助手才能进行手术和实验。增加了人力支出，假如手术和实验时间过长，操作者和助手容易疲劳，并且手持器械不稳定。因此需要一种能够帮助操作者对手术器械和实验工具能够稳定定位的装置，适应不同的操作任务。
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。首先，这种方式并不能够同时锁紧和同时解锁所有的运动关节；其次，其锁紧原理为刚性零件挤压刚性零件产生摩擦力来限制零件之间的相对运动，不具备多级刚性和柔性锁紧的灵活性。
发明内容
本发明的提供一种刚柔两级锁紧球关节，是为了解决医疗和医学实验中需要夹持手术工具和器械操作者不能够同时操作，很多器械需要额外的助手协助的问题，利用该锁紧关节可以组成多关节构型的操作臂，可以对手术工具和器械进行定位。解决操作人员不能够同时操作多个手术工具和器械的问题。该锁紧关节具有两级锁紧状态，柔性锁紧状态和刚性锁紧状态，适合不同条负载件下的锁紧需要。当流体压力不足以同时推动二级活塞时，球关节处于柔性锁紧状态，当流体压力可以同时推动二级活塞时，球关节处于刚性锁紧状态。本发明通过连接套筒将球关节与套筒两端固定形成球关节连杆，再将两个或多个球关节连杆相连，可形成多自由度操作臂，可以对手术器械或实验工具进行定位，可以允许实验者同时操作多个实验工具，提高实验效率和成功率。通过连接套筒将球关节与套筒首尾两端固定而形成球关节连杆，再将两个或多个球关节连杆相连，可形成多自由度操作臂，可以对工具或手术器械进行定位；当对各个连杆施加不同的压力时，可控制球关节的锁紧状态，以适应不同的关节负载。
一种刚柔两级锁紧球关节，包括球关节模块，球关节模块由第一关节套筒、第一球关节盖、球形零件、第一球关节金属衬套、连接杆、主活塞、第一二级活塞、弹簧、密封圈A、流体快速接头、密封圈B组成；第一球关节盖一端设有外螺纹，该外螺纹与第一关节套筒上设有的内螺纹适配，第一关节套筒靠近外螺纹处具有与平面结构相适配的内腔结构；第一球关节盖和第一关节套筒通过螺纹连接，第一球关节盖和第一关节套筒配合将球形零件、主活塞与第一二级活塞封闭在内腔中，的球形零件安装在第一球关节盖内，球形零件上镶嵌有第一球关节金属衬套，第一球关节金属衬套固定连接连接杆；球形零件与主活塞相接触，主活塞与弹簧的一端接触，弹簧的另一端与第一二级活塞接触，弹簧将主活塞压在球形零件上，同时将第一二级活塞压在第一关节套筒底部，主活塞和第一二级活塞上套有密封圈A；密封圈B安装在主活塞的端面，流体快速接头安装在第一关节套筒尾部；的球关节模块与连接杆连接构成关节连杆；
主活塞由平面结构，球状凸起，球状凸起与关节球连续相切特征，密封圈槽，端面密封圈槽，轴面，内孔构成；主活塞一端的外圆周上设有平面结构，并与第一关节套筒的内腔形状相适配，的平面结构用于保证主活塞在第一关节套筒中前后滑动时不发生转动，主活塞一端上设有内凹的弧面，的弧面上设有球状凸起，球状凸起以由大到小的规律向主活塞的轴线排布，当球状凸起的直径变小，其周向均布的凸起个数增加；球状凸起向轴线靠拢时直径变小，但是其截面始终与球形零件与主活塞接触时的外圆相切，形成球状凸起与关节球连续相切特征；主活塞上设有密封圈槽，密封圈槽用于中放置密封圈，形成密封结构；主活塞另一端的端面上设有端面密封圈槽，端面密封圈槽中放置密封圈来隔离第一二级活塞与主活塞；主活塞的轴面上套有弹簧，的主活塞上设有内孔，内孔底面与主活塞一端设有弧面的最小距离大于0.01mm，内孔用于主活塞受到的压力过大时破坏内孔的底部卸载压力，主活塞与球形零件配合，当没有流体充入时，主活塞与第一球关节盖在弹簧的弹力下形成的腔体允许球形零件转动；同样的情况适用同心通气主活塞、通心球形零件和第一球关节盖形成的腔体，主活塞和第一二级活塞之间安装有弹簧；弹簧是由压缩时能产生抵抗力，在压力撤销时能够恢复原状的弹性结构和材料所构成的零件。
优选的，主活塞上的球状凸起当压缩流体充入腔体时，压入球形零件表面，流体压力撤销时，球形零件表面恢复原状。
优选的，球关节模块与曲形连接杆和连接套筒组合成一个球关节连杆。
优选的，的第二球关节模块可为同心通气球关节，同心通气球关节由第二关节套筒、第二球关节盖、通心球形零件、第二球关节金属衬套、第一软管，同心通气主活塞、第二二级活塞、滑动接头、密封圈C、内环密封圈和流体快速接头组成；第二球关节盖与第二关节套筒通过螺纹连接，第二球关节盖内腔具有内凹球面并与通心球形零件适配；通心球形零件上镶嵌有第二球关节金属衬套，允许第一软管从中间通过；同心通气主活塞与第二二级活塞上套有密封圈C，可在第二关节套筒的内腔中滑动；同心通气主活塞与第二二级活塞之间安装有弹簧，第二二级活塞内圈上装有密封圈C，允许第二二级活塞在长轴面上前后滑动；滑动接头安装有密封圈C，能在内腔中滑动；滑动接头的一端装有第一软管，流体快速接头安装在第二关节套筒的尾部；同心通气主活塞由平面结构，球状凸起，球状凸起与关节球连续相切特征，密封圈槽，端面密封圈槽，长轴面，台阶，滑动接头腔体组成。
优选的，滑动接头、密封圈C和第一软管在同心通气主活塞的内腔中滑动。
本发明的有益效果在于：本发明基于二级活塞结构，利用不同流体压力推动活塞运动进而限制球关节运动，达到刚性锁紧或者柔性锁紧的目的。通过模块化设计将这种刚柔两级锁紧球关节设计成单个模块，通过模块之间的扩展连接构成机械臂构型，来完成一些机械臂可以完成的任务，例如用球关节构成的操作臂实现在三维空间内对手术工具和手术器械的定位，能够避免医生过度劳累，减轻医生劳动强度，长时间操作不疲劳；利用操作臂对实验工具进行定位，可以允许实验者同时操作多个实验工具，提高实验效率和成功率。
附图说明
图1为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的外部结构图。
图2为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的剖视结构图。
图3为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的主活塞结构图。
图4为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的锁紧原理图。
图5为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的关节模块扩展方式。
图6为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的同心通气型号结构图。
图7为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的同心通气型号主活塞结构图。
图8为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的同心通气型号的扩展方式。
图9为本发明一种刚柔两级锁紧球关节的同心通气型号扩展成的操作臂。
图中：1/球关节模块；1-1/第一关节套筒；1-2/第一球关节盖；1-3/球形零件；1-4/第一球关节金属衬套；1-5/连接杆；1-6/主活塞；1-7/第一二级活塞；1-8/弹簧；1-9/密封圈A；1-10/流体快速接头；1-11/密封圈B；2-1/平面结构；2-2/球状凸起；2-3/球状凸起与关节球连续相切特征；2-4/密封圈槽；2-5/端面密封圈槽；2-6/轴面；2-7/内孔；3-1/曲形连接杆；3-2/三通接头端盖；3-3/三通接头；4/同心通气球关节；4-1/第二关节套筒；4-2/第二球关节盖；4-3/通心球形零件；4-4/第二球关节金属衬套；4-5/第一软管；4-6/同心通气主活塞；4-7/二级活塞；4-8/滑动接头；4-9/密封圈C；4-10/内环密封圈；5-1/长轴面；5-2/台阶；5-3/滑动接头腔体；6-1/连接套筒；6-2/第二软管；6-3/排气阀。
具体实施方式
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。
实施例一：
参照图1，本发明所述的一种刚柔两级锁紧球关节，其外部基本结构由第一关节套筒1-1，第一球关节盖1-2和球形零件1-3和流体快速接头1-10组成。其中第一球关节盖1-2与第一关节套筒1-1通过螺纹连接，第一球关节盖1-2外圆周有拧紧结构可将两者旋紧；流体快速接头1-10安装在第一关节套筒1-1尾部，为流体入口；
参照图2，球关节模块由镶嵌在球形零件1-3上的第一球关节金属衬套1-4，连接杆1-5构成球关节运动部分。主活塞1-6与第一二级活塞1-7上套有密封圈A1-9，可以在第一关节套筒1-1的内腔中滑动；主活塞1-6与第一二级活塞1-7之间安装有弹簧1-8，弹簧1-8将主活塞1-6压在球形零件1-3上，同时将第一二级活塞1-7压在第一关节套筒1-1底部，活塞1-7与第一关节套筒1-1形成封闭腔体；
参见图3，主活塞1-6的结构由平面结构2-1，球状凸起2-2，球状凸起与关节球连续相切特征2-3，密封圈槽2-4，端面密封圈槽2-5，轴面2-6，内孔2-7特征构成；主活塞1-6一端的外圆周上设有平面结构2-1，平面结构2-1与第一关节套筒1-1的内腔形状相适配，所述的平面结构2-1用于保证主活塞1-6在第一关节套筒1-1中前后滑动时不发生转动；球状凸起2-2以由大到小的规律向主活塞1-6的轴线靠近，并且当球状凸起2-2的直径逐渐变小，其周向均布的凸起个数就越密集，见图3(a)；随着球状凸起2-2向轴线靠拢时的直径变小，但是其截面始终与球形零件1-3的外圆相切，形成球状凸起与关节球连续相切特征2-3；所述密封圈槽2-4用于中放置密封圈，形成密封结构；端面密封圈槽2-5中放置密封圈隔离第一二级活塞1-7与主活塞1-6；弹簧1-8套在轴面2-6上，内孔2-7的底部与主活塞1-6的弧形面之间至少具有0.01mm厚度，压力过大时内孔2-7破坏，压力得到卸载。
参见图4(a)压缩流体通过1-10进入第一关节套筒1-1的圆柱腔内时，推动第一二级活塞1-7向主活塞1-6靠近，当压力不足以压缩弹簧1-8致使第一二级活塞1-7与主活塞成为一体时，球关节处于柔性锁紧状态，锁紧效果为弹簧1-8将主活塞1-6压在球形零件1-3上面；进一步的，参见图4(b)，当压缩流体通过1-10进入第一关节套筒1-1的腔内时，当压力足够大，流体将推动第一二级活塞1-7向主活塞靠近并且压缩弹簧1-8，直到第一二级活塞1-7与主活塞1-6和密封圈B1-11接触；球关节达到刚性锁紧状态，流体将推动第一二级活塞1-7与主活塞1-6一起，压紧球形零件1-3。
参见图5，球关节模块1可以通过与各种形状的连接杆连接构成关节连杆。曲形连接杆3-1的首尾两端各连接球关节模块1，曲形连接杆3-1中部安装有三通接头3-3，球关节模块的快速接头1-10与三通接头3-3用软管连接后，再将三通接头端盖3-2固定在曲形连接杆3-1上形成关节连杆，在三通接头3-3通入流体可以同时控制两个球关节模块的锁紧状态。一个球关节模块固定在基座，另一个球关节与实验工具或手术器械连接时，该连杆可以起到定位作用。应用多个该连杆组成的操作臂可以同时操作多个实验工具和手术器械，减轻医生劳动强度。
实施例二：本实施例是在实施例一的基础上变换的到的，本实施例中将实施例一中的球关节模块1换成同心通气结构的球关节4，同心通气结构可以保持锁紧功能的同时允许该球关节的流体通过本地关节的内部流道流入相邻球关节的内腔。当同心通气结构球关节4进行扩展时，可以利用一个流体入口见其他球关节内腔全部充满。
见图6，同心通气球关节4由第二关节套筒4-1，第二球关节盖4-2和通心球形零件4-3，第二球关节金属衬套4-4，第一软管4-5，同心通气主活塞4-6，第二二级活塞4-7，滑动接头4-8，密封圈C4-9，内环密封圈4-10和流体快速接头1-10组成。其中第二球关节盖4-2与第二关节套筒4-1通过螺纹连接，第二球关节盖4-2内腔具有内凹球面，通心球形零件放入后无缝隙；通心球形零件4-3上镶嵌有第二球关节金属衬套4-4为中空套管结构，允许第一软管4-5从中间穿过；同心通气主活塞4-6与第二二级活塞4-7上套有密封圈A1-9，可以在第二关节套筒4-1的内腔中滑动；同心通气主活塞4-6与第二二级活塞4-7之间安装有弹簧1-8，弹簧1-8将同心通气主活塞4-6压在通心球形零件4-3上，同时将第二二级活塞4-7压在第二关节套筒4-1底部；第二二级活塞4-7内圈上还镶有内环密封圈4-10，能够使得第二二级活塞4-7在同心通气主活塞4-6上前后滑动。滑动接头4-8上面安装有密封圈C4-9，能够在同心通气主活塞4-6的内腔5-4中滑动，并且滑动接头4-8的一端装有第一软管4-5；流体快速接头1-10安装在第二关节套筒4-1尾部，为流体入口。
参见图7，同心通气主活塞4-6的结构由平面结构2-1，球状凸起2-2，球状凸起与关节球连续相切特征2-3，密封圈槽2-4，端面密封圈槽2-5，长轴面5-1，台阶5-2，滑动接头腔体5-3构成；平面结构2-1与第二关节套筒4-1的内腔相适配，并允许同心通气主活塞4-6在第二关节套筒4-1中前后滑动而不发生转动；球状凸起2-2以由大到小的规律向同心通气主活塞4-6的轴线靠近，并且当球状凸起2-2的直径逐渐变小，其周向均布的凸起个数就越密集，见图7(a)；随着球状凸起2-2向轴线靠拢时的直径变小，但是其截面始终与通心球形零件4-3的外圆相切，形成球状凸起与关节球连续相切特征2-3；密封圈槽2-4中可放置密封圈，形成密封结构；端面密封圈槽2-5中放置密封圈，对二级活塞5-3与同心通气主活塞4-6隔离；长轴面5-1上可安装弹簧1-8，滑动接头腔体5-3允许滑动接头4-8前后滑动，台阶5-2对滑动接头4-8起限位作用。
参见图8，同心通气球关节4与连接套筒6-1首尾连接时，第二软管6-2连接两个球关节的快速接头1-10，在其中一个球关节首部的第一软管4-5安装排气阀6-3，形成通心型球关节的连杆。当在其中一个球关节4-5处通入压缩流体时，流体将充满所有球关节的内腔锁紧所有球关节。
参见图9，将图8中的关节连杆扩展成四个球关节与两个连接套筒6-1的构型，在最末端的第一软管4-5处通入压缩流体，流体将通过内部的软管连接和流道充满所有四个球关节内腔实现四个球关节的锁紧。当排气阀6-3按下时，流体排出，球关节可实现人手操控下的自由运动。
实施例三：
本实施例是在实施例二的基础上变换得到的，实施例二中的排气阀6-3也可以将最末端的同心通气球关节4的一端的第一软管4-5封闭，其他零件不改变，同样实现锁紧功能。
实施例四：本实施例是在实施例一的基础上稍作变换得到的，所述主活塞1-6的球状凸起2-2大小保持不变并与球形零件1-3保持相切，其他零件保持不变，同样可以实现刚柔两级锁紧功能。
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 (5)

1.一种刚柔两级锁紧球关节，其特征在于，包括球关节模块（1），球关节模块（1）由第一关节套筒（1-1）、第一球关节盖（1-2）、球形零件（1-3）、第一球关节金属衬套（1-4）、连接杆（1-5）、主活塞（1-6）、第一二级活塞（1-7）、弹簧（1-8）、密封圈A（1-9）、流体快速接头（1-10）、密封圈B（1-11）组成；所述第一球关节盖（1-2）一端设有外螺纹，该外螺纹与第一关节套筒（1-1）上设有的内螺纹适配，所述第一关节套筒（1-1）靠近外螺纹处具有与平面结构（2-1）相适配的内腔结构；第一球关节盖（1-2）和第一关节套筒（1-1）通过螺纹连接，第一球关节盖（1-2）和第一关节套筒（1-1）配合将球形零件（1-3）、主活塞（1-6）与第一二级活塞（1-7）封闭在内腔中，所述的球形零件（1-3）安装在第一球关节盖（1-2）内，球形零件（1-3）上镶嵌有第一球关节金属衬套（1-4），第一球关节金属衬套（1-4）固定连接连接杆（1-5）；球形零件（1-3）与主活塞（1-6）相接触，主活塞（1-6）与弹簧（1-8）的一端接触，弹簧（1-8）的另一端与第一二级活塞（1-7）接触，弹簧（1-8）将主活塞（1-6）压在球形零件（1-3）上，同时将第一二级活塞（1-7）压在第一关节套筒（1-1）底部，主活塞（1-6）和第一二级活塞（1-7）上套有密封圈A（1-9）；密封圈B（1-11）安装在主活塞（1-6）的端面，流体快速接头（1-10）安装在第一关节套筒（1-1）尾部；所述的球关节模块（1）与连接杆连接构成关节连杆；
所述主活塞（1-6）由平面结构（2-1），球状凸起（2-2），球状凸起与关节球连续相切特征（2-3），密封圈槽（2-4），端面密封圈槽（2-5），轴面（2-6），内孔（2-7）构成；主活塞（1-6）一端的外圆周上设有平面结构（2-1），并与第一关节套筒（1-1）的内腔形状相适配，所述的平面结构（2-1）用于保证主活塞（1-6）在第一关节套筒（1-1）中前后滑动时不发生转动，主活塞（1-6）一端上设有内凹的弧面，所述的弧面上设有球状凸起（2-2），球状凸起（2-2）以由大到小的规律向主活塞（1-6）的轴线排布，当球状凸起（2-2）的直径变小，其周向均布的凸起个数增加；所述球状凸起（2-2）向轴线靠拢时直径变小，但是其截面始终与球形零件（1-3）与主活塞（1-6）接触时的外圆相切，形成球状凸起与关节球连续相切特征（2-3）；主活塞（1-6）上设有密封圈槽（2-4），所述密封圈槽（2-4）用于中放置密封圈，形成密封结构；所述主活塞（1-6）另一端的端面上设有端面密封圈槽（2-5），所述端面密封圈槽（2-5）中放置密封圈来隔离第一二级活塞（1-7）与主活塞（1-6）；所述主活塞（1-6）的轴面（2-6）上套有弹簧（1-8），所述的主活塞（1-6）上设有内孔（2-7），内孔（2-7）底面与主活塞（1-6）一端设有弧面的最小距离大于0.01mm，内孔（2-7）用于主活塞（1-6）受到的压力过大时破坏内孔（2-7）的底部卸载压力，所述主活塞（1-6）与球形零件（1-3）配合，当没有流体充入时，主活塞（1-6）与第一球关节盖（1-2）在弹簧（1-8）的弹力下形成的腔体允许球形零件（1-3）转动；同样的情况适用同心通气主活塞（4-6）、通心球形零件（4-3）和第一球关节盖（1-2）形成的腔体，所述主活塞（1-6）和第一二级活塞（1-7）之间安装有弹簧（1-8）；所述弹簧（1-8）是由压缩时能产生抵抗力，在压力撤销时能够恢复原状的弹性结构和材料所构成的零件。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔两级锁紧球关节，其特征在于，所述主活塞（1-6）上的球状凸起（2-2）当压缩流体充入腔体时，压入球形零件（1-3）表面，流体压力撤销时，球形零件（1-3）表面恢复原状。
3.根据权利要求1所述的一种刚柔两级锁紧球关节，其特征在于，所述球关节模块（1）与曲形连接杆（3-1）和连接套筒（6-1）组合成一个球关节连杆。
4.根据权利要求1所述的一种刚柔两级锁紧球关节，其特征在于，第二球关节模块为同心通气球关节（4），同心通气球关节（4）由第二关节套筒（4-1）、第二球关节盖（4-2）、通心球形零件（4-3）、第二球关节金属衬套（4-4）、第一软管（4-5），同心通气主活塞（4-6）、第二二级活塞（4-7）、滑动接头（4-8）、密封圈C（4-9）、内环密封圈（4-10）和流体快速接头（1-10）组成；第二球关节盖（4-2）与第二关节套筒（4-1）通过螺纹连接，第二球关节盖（4-2）内腔具有内凹球面并与通心球形零件（4-3）适配；通心球形零件（4-3）上镶嵌有第二球关节金属衬套（4-4），允许第一软管（4-5）从中间通过；同心通气主活塞（4-6）与第二二级活塞（4-7）上套有密封圈A（1-9），可在第二关节套筒（4-1）的内腔中滑动；同心通气主活塞（4-6）与第二二级活塞（4-7）之间安装有弹簧（1-8），第二二级活塞（4-7）内圈上装有内环密封圈（4-10），允许第二二级活塞（4-7）在长轴面（5-1）上前后滑动；滑动接头（4-8）安装有密封圈C（4-9），能在内腔（5-4）中滑动；滑动接头（4-8）的一端装有第一软管（4-5），流体快速接头（1-10）安装在第二关节套筒（4-1）的尾部；所述同心通气主活塞（4-6）由平面结构（2-1），球状凸起（2-2），球状凸起与关节球连续相切特征（2-3），密封圈槽（2-4），端面密封圈槽（2-5），长轴面（5-1），台阶（5-2），滑动接头腔体（5-3）组成。
5.根据权利要求4所述的一种刚柔两级锁紧球关节，其特征在于，所述滑动接头（4-8）、密封圈C（4-9）和第一软管（4-5）在同心通气主活塞（4-6）的内腔（5-4）中滑动。
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