CN109431599A - 一种柔性关节机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性关节机构，包括第一驱动丝、关节段及弹性骨架，所述关节段包括若干串联且可相互转动的关节单元，所述第一驱动丝穿过所述关节段内的若干所述关节单元，相邻所述关节单元可跟随所述第一驱动丝的拉动和释放而相互转动，若干所述关节单元上均设有弹性骨架通道，所述弹性骨架通道用于供所述弹性骨架穿过，所述弹性骨架具有弹性，能够跟随所述关节单元的转动而弯曲。本发明中的柔性关节机构通过拉伸或释放驱动丝即可实现关节段的偏转，相应速度快、灵活度高，能够有效避免操作过程中的碰撞问题，且关节的结构简单紧凑、便于装配。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器材技术领域，尤其涉及一种柔性关节机构。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，将机器人应用于外科手术已经受到国内外医疗人员的高度重视，微创手术使得大部分的外科手术告别了开放式的手术模式，且具有创伤小、出血少、并发症少和术后恢复快的优点。
目前微创外科手术主要通过在患者身上开微小切口进行手术操作，由于手术范围有限，手术过程中存在器械之间相互碰撞问题，影响医疗人员对器械操作的精确度和控制力，降低了手术的安全性和实际精度。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种柔性关节机构，用于解决现有技术中柔性关节的结构复杂，灵活度不高的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种柔性关节机构，包括第一驱动丝、关节段及弹性骨架，所述关节段包括若干串联且可相互转动的关节单元，所述第一驱动丝穿过所述关节段内的若干所述关节单元，相邻所述关节单元可跟随所述第一驱动丝的拉动和释放而相互转动，若干所述关节单元上均设有弹性骨架通道，所述弹性骨架通道用于供所述弹性骨架穿过，所述弹性骨架具有弹性，能够跟随所述关节单元的转动而弯曲。
在一种优选的实施方式中，还包括若干固定关节，所述关节段的两端均连接有所述固定关节，所述关节段两端的所述固定关节上均开设有用于穿过所述弹性骨架的弹性骨架通孔以及用于固定所述弹性骨架的弹性骨架固定孔，所述弹性骨架通孔与所述弹性骨架固定孔连通，所述弹性骨架固定孔内设有限位体，所述限位体能够将弹性骨架限位于所述固定关节内。
在一种优选的实施方式中，还包括第二驱动丝，首端的所述固定关节连接有夹持件，所述第二驱动丝与位于首端的所述固定关节连接并依次穿过所述关节段内的若干所述关节单元，所述夹持件可跟随所述第二驱动丝的拉动和释放进行开合。
在一种优选的实施方式中，所述弹性骨架呈内部具有通道的螺旋状结构，所述第二驱动丝能够容置于所述弹性骨架内。
在一种优选的实施方式中，位于所述关节段首端的所述固定关节上开设有用于固定所述第一驱动丝的第一驱动丝固定孔，若干所述关节单元及位于所述关节段尾端的所述固定单元上均开设有用于供所述第一驱动丝穿过的第一驱动丝通道，所述第一驱动丝通道沿所述关节单元或所述固定关节的周向均匀分布。
在一种优选的实施方式中，包括若干个串联的所述关节段，任意相邻的两个所述关节段之间通过所述固定关节连接，任一所述关节段的两端均连接有所述固定关节；任一所述关节段首端连接的所述固定关节上均连接有所述第一驱动丝，所述第一驱动丝能够向末端的所述关节段延伸并贯穿所述固定关节之后的任一所述关节段。
在一种优选的实施方式中，所述关节段中，任一相邻的两个所述关节单元中的一个上设有弧形凸起，另一个上设有弧形凹槽，所述弧形凸起可嵌入所述弧形凹槽内并可在所述弧形凹槽内转动。
在一种优选的实施方式中，所述弧形凸起及所述弧形凹槽沿所述关节单元的直径方向延伸以呈圆柱状，所述弹性骨架通道沿所述关节单元的轴向贯穿所述弧形凸起及弧形凹槽，以将所述弧形凸起及所述弧形凹槽分别分成位于所述弹性骨架通道两侧的两段结构。
在一种优选的实施方式中，将所述关节段内的若干所述关节单元分别定义为第一关节单元、第二关节单元和第三关节单元，所述关节段包括分别位于首尾两端的所述第二关节单元和所述第三关节单元以及位于所述第二关节单元和第三关节单元之间的若干个所述第一关节单元；所述第一关节单元的一端面上设有所述弧形凸起，另一端面上开设有所述弧形凹槽，所述弧形凸起与所述弧形凹槽的延伸方向平行；所述第二关节单元与所述第三关节单元中的一个上设有所述弧形凸起，另一个上开设有所述弧形凹槽。
在一种优选的实施方式中，所述关节单元上设有所述弧形凸起或开设有所述弧形凹槽的表面上均设有两个凹形曲面，两个所述凹形曲面关于所述弧形凹槽或弧形凸起对称。
本发明的有益效果是：本发明中的柔性关节机构通过拉伸或释放驱动丝即可实现关节段的偏转，相应速度快、灵活度高，能够有效避免操作过程中的碰撞问题，且关节的结构简单紧凑、便于装配，并且通过固定关节对弹性骨架的锁定，提高了关节段之间的连接紧密性，同时预紧关节单元，有效减小了对驱动丝的拉伸作用力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明柔性关节机构一个实施例的结构示意图；
图2是本发明第一固定关节一个实施例的结构示意图；
图3是本发明第二固定关节一个实施例的结构示意图；
图4是图3所示第二固定关节另一方向的结构示意图；
图5是本发明第三固定关节一个实施例的结构示意图；
图6是本发明第一关节单元一个实施例的结构示意图；
图7是图6所示第一关节单元另一方向的结构示意图；
图8是本发明第二关节单元一个实施例的结构示意图；
图9是本发明第三关节单元一个实施例的结构示意图；
图10是本发明柔性关节机构一个实施例的摆动示意图；
图11是本发明柔性关节机构另一实施例的摆动示意图；
图12是本发明柔性关节机构又一实施例的摆动示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1，柔性关节机构包括若干串联连接的关节段100，关节段100的个数可根据实际需要进行选择，本实施例中的关节段100设置为两个，相邻关节段100之间通过固定关节200连接，关节段100的一端连接有用于进行手术操作的夹持件300，关节段100内穿设有驱动体400，拉动或释放驱动体400可使关节段100进行弯曲以及夹持件300进行开合。各关节段100的摆动速度快、灵活性高，优选的，同一关节段100内的关节单元100转动方向相同，不同关节段100内的关节单元100转动方向呈一定夹角，本实施例中的两个关节段100摆动方向垂直。
每一关节段100的首端和尾端均设有第二关节单元120和第三关节单元130，第二关节单元120和第三关节单元130之间设有若干个串联连接的第一关节单元110，第一关节单元110的个数可根据实际情况选择，本实施例中的每一关节段100内均设有三个第一关节单元110。两个关节段100的两端均连接有固定关节，两个关节段100之间通过固定关节连接，如此，两个关节段100就具有了三个固定关节，将三个固定关节分别定义为第一固定关节210，第二固定关节220及第三固定关节230。驱动体400包括用于实现关节单元100转动的第一驱动丝410、实现夹持件300开合的第二驱动丝420。柔性关节机构还包括弹性骨架430，关节段100内的各关节单元上及连接于关节段100两端的固定各关节上均开设有弹性骨架通孔，弹性骨架430能够穿过弹性骨架通孔，弹性骨架430具有弹性，能够随关节段100内各关节单元的转动而弯曲。进一步的，弹性骨架430呈内部具有通道的螺旋状结构，第二驱动丝420从所述弹性骨架430的通道内穿过。第二驱动丝420与夹持件300连接，通过驱动第二驱动丝420能够带动夹持件300进行开合。
具体的，参照图2-图5，第一固定关节210呈圆柱形，第一固定关节210的中心处设有弹性骨架通孔211，第一固定关节210的侧部设有弹性骨架固定孔212，弹性骨架固定孔212与弹性骨架通孔211连通，通过在弹性骨架固定孔212内设置限位柱可对从弹性骨架通孔211内穿过的弹性骨架430进行固定，弹性骨架430与固定关节200的定位，提高了柔性关节机构的相应速度，增大了刚度和结构稳定性，沿第一固定关节210的周向设置有供第一驱动丝410穿过的第一驱动丝通孔213和固定第一驱动丝410端部的第一驱动丝固定孔214。
第二固定关节220呈圆柱形，第二固定关节220的中心处设有用于穿设第二驱动丝420的第二驱动丝通道221和用于穿过弹性骨架430的弹性骨架通孔222，该第二驱动丝通道221和弹性骨架通孔222连通，第二固定关节220的侧部还设有用于定位弹性骨架430且与弹性骨架通孔222连通的弹性骨架固定孔223，沿第二固定关节220的周向设有用于穿设第一驱动丝410的第一驱动丝通孔224。
第三固定关节230呈圆柱形，第三固定关节230的中心处设有穿过弹性骨架430的弹性骨架通孔231和穿设第二驱动丝420的第二驱动丝通道232，弹性骨架通孔231和第二驱动丝通道232连通，第二驱动丝420从第三固定关节230穿过后与夹持件300连接，第三固定关节230的侧部还设有弹性骨架固定孔233，弹性骨架固定孔233与弹性骨架通孔231连通，弹性骨架固定孔233内设置有用于对弹性骨架430限位的限位体，沿第三固定关节230的周向还设有用于固定第一驱动丝410的第一驱动丝固定孔234。
通过固定关节200的连接，使得各关节段100之间连接更为紧密，弹性骨架通孔231与弹性骨架固定孔233的配合以及弹性骨架通孔222与弹性骨架固定孔223的配合可对弹性骨架430进行锁死定位，同时，弹性骨架430也起到预紧各关节单元的作用，有效减小了驱动体400的拉力，操作更为灵活。
弹性骨架430呈螺旋状且具有弹性，当弹性骨架固定孔233及弹性骨架固定孔223内的限位体插入弹性骨架430的螺旋间隙内时，实现限位体对弹性骨架430的定位，因弹性骨架430贯穿各关节段100，在弹性骨架430的弹力作用下，当拉动或释放第一驱动丝410时，使得第一关节单元110、第二关节单元120和第三关节单元130之间的转动更为流畅，提高了各关节段100的弯曲灵敏性及相应速度。另外弹性骨架430使得各关节段100内的第一关节单元110、第二关节单元120和第三关节单元130之间均紧密接触，避免出现关节段100内各单元因存在间隙而错位，对关节段100的弯曲造成影响。
参照图6-图9，第一关节单元110呈圆柱形，第一关节单元110的中心处设有用于穿设弹性骨架430的弹性骨架通道111，沿第一关节单元110的周向设有均匀分布的第一驱动丝通道112，本实施例中设有四个第一驱动丝通道112，第一驱动丝通道112的个数可根据实际情况确定，第一关节单元110的上下表面设置为凹形曲面115，该凹形曲面115相对于第一关节单元110的高度中心平面上下对称并相对于第一关节单元110的轴心对称，凹形曲面115可增大关节单元100的活动范围，实现关节段100的多角度摆动，灵活性高，第一关节单元110的上下表面还分别设有弧形凸起113和弧形凹槽114，该弧形凸起113和弧形凹槽114相对于第一关节单元110的高度中心平面对称，弧形凸起113可嵌入弧形凹槽114内并可在弧形凹槽114内转动。弧形凸起113与弧形凹槽114沿第一关节单元110的直径方向延伸以呈圆柱状，且弧形凸起113与弧形凹槽114的延伸方向平行，如此，在弹性骨架通道111沿第一关节单元110的轴向贯穿弧形凸起113与弧形凹槽114，如此就将弧形凸起113及弧形凹槽114分别分隔为两段。
第二关节单元120呈圆柱形，第二关节单元120的中心处设有穿设弹性骨架430的弹性骨架通道121，沿第二关节单元120的周向均匀分布有用于穿设第一驱动丝410的第一驱动丝通道122，本实施例中设有四个该第一驱动丝通道122，第二关节单元120的上表面为弧形曲面123，下表面为一平面，弧形曲面123相对于第二关节单元120的轴心对称，第二关节单元120上还设有弧形凸起124，该弧形凸起124相对于第二关节单元120的中心对称，该弧形凸起124可嵌入相邻的第一关节单元110内的弧形凹槽114内，并可相互转动。
第三关节单元130呈圆柱形，第三关节单元130的中心处设有穿设弹性骨架430的弹性骨架通道131，沿第三关节单元130的周向均匀分布有用于穿设第一驱动丝410的第一驱动丝通道132，本实施例中设有四个第一驱动丝通道132，第三关节单元130的上表面为弧形曲面133，下表面为一平面，弧形曲面133相对于第三关节单元130的轴心对称，第三关节单元130上还设有弧形凹槽134，与该弧形凹槽134相邻的第一关节单元110内的弧形凸起113可嵌入该弧形凹槽134内，并且二者可相互转动。
优选的，上述第一关节单元110、第二关节单元120内的弧形凸起的圆心角位于180°和360°之间，第一关节单元110和第三关节单元130内的弧形凹槽的圆心角在0°和180°之间，从而弧形凹槽的内部可全部与弧形凸起的外壁接触，在保证各关节单元之间相互转动的前提下，提高关节单元之间运动和连接的平稳性。
第三固定关节230位于柔性关节机构的首端，其两端分别连接夹持件300和关节段100，第二固定关节220位于柔性关节机构的尾端，第一固定关节210位于相邻关节段100之间，中间穿设有第二驱动丝420的弹性骨架430的首端穿过弹性骨架通孔231，并通过在弹性骨架固定孔233内设置限位件实现弹性骨架430的定位，第二驱动丝420穿过第二驱动丝通道232与夹持件300连接，弹性骨架430的另一端依次通过弹性骨架通孔231、与其相邻的关节段100内的弹性骨架通道131、若干个弹性骨架通道111、弹性骨架通道121、弹性骨架通孔211、另一关节段100内的弹性骨架通道131、若干个弹性骨架通道111、弹性骨架通道121、在弹性骨架通孔222内通过弹性骨架固定孔223内的限位件进行固定，第二驱动丝420同样依次通过上述部件，最后从第二驱动丝通道221内穿出，弹性骨架430与上述弹性固定孔及弹性骨架固定槽可设置为过渡配合，通过拉动和释放第二驱动丝221即可实现夹持件300的开合。
不同关节段100通过不同组的第一驱动丝410进行调节，将与夹持件300连接的关节段100定义为第一组关节段100，另一组为第二组关节段100，本实施例中设有两组第一驱动丝410，第一组的第一驱动丝410的一端固定于第一驱动丝固定孔234上，并依次穿过第一组关节段100内的第一驱动丝通道132、若干个第一驱动丝通道112、第一驱动丝通道122、第一驱动丝孔213，第二组关节段100内的第一驱动丝通道132、若干个第一驱动丝通道112、第一驱动丝通道122，并从第一驱动丝通孔224内穿出，拉动和释放第一组的第一驱动丝410可实现第一组关节段100的摆动，本实施例中每一组第一驱动丝410设有两根，且位于关节段100每一关节单元的同一直径上，提高第一驱动丝410的调节便利性及灵活性。第二组的第一组驱动丝410的一端固定于第一驱动丝固定孔214内，并依次穿过第二组关节段100内的第一驱动丝通道132、若干个第一驱动丝通道112、第一驱动丝通道122，最后从第一驱动丝通孔224内穿出，拉动或释放第二组的第一驱动丝410可实现第二组关节段100的摆动，本实施例中的第一组关节段100和第二组关节段100的摆动方向垂直。
当设置N组关节段100时，柔性关节机构具有N个自由度，此时第一驱动丝410则具有2N组，通过设置不同数量的关节段100以及不同的摆动角度，可提高柔性关节机构的操作灵活性，且各关节的结构简单，装配便捷，操作灵活，能够避免该柔性关节机构在操作时的碰撞问题。图10-图12为柔性关节机构不同摆动角度的形态。
以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种柔性关节机构，其特征在于，包括第一驱动丝、关节段及弹性骨架，所述关节段包括若干串联且可相互转动的关节单元，所述第一驱动丝穿过所述关节段内的若干所述关节单元，相邻所述关节单元可跟随所述第一驱动丝的拉动和释放而相互转动，若干所述关节单元上均设有弹性骨架通道，所述弹性骨架通道用于供所述弹性骨架穿过，所述弹性骨架具有弹性，能够跟随所述关节单元的转动而弯曲。
2.根据权利要求1所述的柔性关节机构，其特征在于，还包括若干固定关节，所述关节段的两端均连接有所述固定关节，所述关节段两端的所述固定关节上均开设有用于穿过所述弹性骨架的弹性骨架通孔以及用于固定所述弹性骨架的弹性骨架固定孔，所述弹性骨架通孔与所述弹性骨架固定孔连通，所述弹性骨架固定孔内设有限位体，所述限位体能够将弹性骨架限位于所述固定关节内。
3.根据权利要求2所述的柔性关节机构，其特征在于，还包括第二驱动丝，首端的所述固定关节连接有夹持件，所述第二驱动丝与位于首端的所述固定关节连接并依次穿过所述关节段内的若干所述关节单元，所述夹持件可跟随所述第二驱动丝的拉动和释放进行开合。
4.根据权利要求3所述的柔性关节机构，其特征在于，所述弹性骨架呈内部具有通道的螺旋状结构，所述第二驱动丝能够容置于所述弹性骨架内。
5.根据权利要求2所述的柔性关节机构，其特征在于，位于所述关节段首端的所述固定关节上开设有用于固定所述第一驱动丝的第一驱动丝固定孔，若干所述关节单元及位于所述关节段尾端的所述固定单元上均开设有用于供所述第一驱动丝穿过的第一驱动丝通道，所述第一驱动丝通道沿所述关节单元或所述固定关节的周向均匀分布。
6.根据权利要求2或5所述的柔性关节机构，其特征在于，包括若干个串联的所述关节段，任意相邻的两个所述关节段之间通过所述固定关节连接，任一所述关节段的两端均连接有所述固定关节；任一所述关节段首端连接的所述固定关节上均连接有所述第一驱动丝，所述第一驱动丝能够向末端的所述关节段延伸并贯穿所述固定关节之后的任一所述关节段。
7.根据权利要求1所述的柔性关节机构，其特征在于，所述关节段中，任一相邻的两个所述关节单元中的一个上设有弧形凸起，另一个上设有弧形凹槽，所述弧形凸起可嵌入所述弧形凹槽内并可在所述弧形凹槽内转动。
8.根据权利要求7所述的柔性关节机构，其特征在于，所述弧形凸起及所述弧形凹槽沿所述关节单元的直径方向延伸以呈圆柱状，所述弹性骨架通道沿所述关节单元的轴向贯穿所述弧形凸起及弧形凹槽，以将所述弧形凸起及所述弧形凹槽分别分成位于所述弹性骨架通道两侧的两段结构。
9.根据权利要求8所述的柔性关节机构，其特征在于，将所述关节段内的若干所述关节单元分别定义为第一关节单元、第二关节单元和第三关节单元，所述关节段包括分别位于首尾两端的所述第二关节单元和所述第三关节单元以及位于所述第二关节单元和第三关节单元之间的若干个所述第一关节单元；所述第一关节单元的一端面上设有所述弧形凸起，另一端面上开设有所述弧形凹槽，所述弧形凸起与所述弧形凹槽的延伸方向平行；所述第二关节单元与所述第三关节单元中的一个上设有所述弧形凸起，另一个上开设有所述弧形凹槽。
10.根据权利要求9所述的柔性关节机构，其特征在于，所述关节单元上设有所述弧形凸起或开设有所述弧形凹槽的表面上均设有两个凹形曲面，两个所述凹形曲面关于所述弧形凹槽或弧形凸起对称。
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