CN109623890B - 非规则物体的自适应夹持装置及夹持方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械领域，公开了一种非规则物体的自适应夹持装置，包括定位平台、柔性夹持机构，柔性夹持机构包括柔性夹具支架、并联的多个柔性夹具；每个柔性夹具包括弹簧安装杆、弹簧及压盘，弹簧安装杆一端活动安装在柔性夹具支架内，另一端与压盘铰接使压盘可以绕铰接中心摆动；弹簧套设于弹簧安装杆外且置于柔性夹具支架与压盘之间，以使弹簧安装杆在柔性夹具支架内运动时弹簧对柔性夹具支架和铰接转轴产生自适应压力。该夹持装置除了包括柔性夹持机构，还包括位置调整机构与切削机构。本发明的目的是解决非规则物体尤其是弹性组织在夹持时容易产生大幅度弹性形变甚至屈服形变以及无效夹持的技术问题。

Description

非规则物体的自适应夹持装置及夹持方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，更具体地，涉及一种非规则物体的自适应夹持装置及夹持方法。

背景技术

目前用于非规则形状物体的夹持装置，一般先在物体表面选取多个约束点或施力点，然后采用刚性接触的方式进行夹紧。对于非规则物体，包括弹性组织，刚性接触夹持的方式带来诸多缺点，包括：约束点数量难以人为选取；不具普适性：若被夹持物体形状改变，需要重新设计夹具；缺乏灵活性：夹紧力不足，非规则物体难以固定；夹紧力过大，非规则物体尤其是弹性组织容易产生过大的弹性形变甚至塑性形变，在这种情况下对物体进行切削操作，则物体由于变形无法保证切割面为平面，继续加大夹持力时会使物体产生塑性形变，致使物体结构产生不可逆的破坏，无法恢复。因此，现亟需一种可以保证较小夹持形变且能有效约束非规则物体空间位置的夹持装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非规则物体的自适应夹持装置及夹持方法，其目的在于解决非规则物体尤其是弹性组织在夹持时容易产生大幅度弹性形变甚至屈服形变及无效夹持的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种非规则物体的自适应夹持装置，包括定位平台、柔性夹持机构，所述柔性夹持机构包括柔性夹具支架、并联的多个柔性夹具；

每个所述柔性夹具包括弹簧安装杆、弹簧及压盘，所述弹簧安装杆一端活动安装在所述柔性夹具支架内，另一端与所述压盘铰接使压盘可以绕铰接中心摆动；

所述弹簧套设于所述弹簧安装杆外且置于所述柔性夹具支架与所述压盘之间，以使所述弹簧安装杆在所述柔性夹具支架内运动时弹簧对柔性夹具支架和铰接转轴产生自适应压力。

优选地，所述弹簧安装杆通过刚性铰链与所述压盘为刚性铰接，所述弹簧安装杆可绕自身轴线转动，所述压盘相对于所述弹簧安装杆绕一个方向摆动。

优选地，所述弹簧安装杆通过柔性铰链与所述压盘柔性铰接，所述压盘相对于所述弹簧安装杆绕任意方向摆动。

优选地，所述压盘的外部材料为弹性材料，所述弹性材料包括橡胶、硅胶、海绵中的任意一种。

优选地，所述柔性夹具支架包括夹具安装架及高度调节杆，所述夹具安装架设置于所述高度调节杆上，所述高度调节杆垂直设置于所述定位平台上，所述弹簧安装杆活动安装在所述夹具安装架上使设置于所述夹具安装架上的柔性夹具可相对于所述定位平台移动。

优选地，所述定位平台上设置有滑块导轨，所述滑块导轨内设置有一垂直于所述定位平台的限位滑块，所述限位滑块可沿所述滑块导轨移动以与所述高度调节杆形成夹持空间，从而对非规则物体形成约束。

优选地，还包括设置在所述定位平台下部的位置调整机构，所述位置调整机构包括底座、滚珠丝杠、手柄，所述滚珠丝杠设置于所述底座上；所述滚珠丝杠包括螺杆与螺母，所述螺母设置于所述定位平台下部，所述螺杆的一端设置有手柄。

优选地，还包括切削机构，所述切削机构包括一对切削用导轨支架、一对刀片夹具导轨、一对刀片夹具、刀片，所述切削用导轨支架连接在所述底座上且与所述定位平台垂直，一对所述刀片夹具导轨分别连接在所述切削用导轨支架上，一对所述刀片夹具分别活动连接在所述刀片夹具导轨上，所述刀片安装在所述刀片夹具之间。

优选地，所述切削机构还包括连接在所述底座上的一对切削用导轨支架安装杆，所述切削用导轨支架可绕所述切削用导轨支架安装杆转动以补偿由于加工误差造成的两个所述刀片夹具安装狭缝没有对齐时导致的刀片无法安装或者安装之后产生形变。

为实现上述目的，本发明还提供了一种采用上述任意一项所述非规则物体的自适应夹持装置的夹持方法，所述夹持方法包括：

根据被夹持的非规则物体的大小确定所述柔性夹具的数量，根据被夹持的非规则物体的杨氏模量与屈服强度确定各受力点在允许的变形下能承受的最大夹持力，根据所述各受力点能承受的最大夹持力确定每个所述柔性夹具的行程范围；

根据被夹持的非规则物体的形状，自适应地确定每个所述压盘的角度及夹持力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提出了一种非规则物体的夹持装置，包括定位平台、柔性夹持机构，柔性夹持机构包括柔性夹具支架、并联的多个柔性夹具；每个柔性夹具包括弹簧安装杆、弹簧及压盘，弹簧安装杆一端活动安装在柔性夹具支架内，另一端与压盘刚性铰接或者柔性铰接；弹簧套设于弹簧安装杆外且置于柔性夹具支架与压盘之间，以使弹簧安装杆在柔性夹具支架内运动时弹簧对柔性夹具支架和铰接转轴产生自适应压力。通过多个柔性夹具可对非规则物体实施多点约束，提供可自适应调节的合适夹持力，保证较小夹持形变。此外，由于该自适应夹持装置具有普适性，可作为类似虎钳的标准工具，实现多种非规则形状物体的夹持，降低成本。

(2)本发明还提出了该夹持装置的夹持方法，通过该方法，包括：根据被夹持的非规则物体的杨氏模量与屈服强度确定其在允许的变形下能承受的最大夹持力，所述最大夹持力确定多个所述弹簧的刚度系数和尺寸；根据被夹持的非规则物体表面与定位平台之间的高度确定每个压盘与柔性夹具支架之间距离的排布。该方法通过确定合适的弹簧及压盘高度排布可以很好地实现自适应夹持，且该夹持方法简单，使用方便。

附图说明

图1是本发明的非规则物体的自适应夹持装置结构示意图；

图2为柔性夹持机构的结构示意图；

图3为弹簧安装杆与压盘之间设置的柔性铰链的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-柔性夹具支架；102-柔性夹具；103-压盘；104-高度调节杆；105-弹簧安装杆；106-柔性铰链；201-底座；202-导轨底座支架；203-定位平台；204-手柄；205-滚珠丝杠；206-滑块导轨；207-限位滑块；301-刀片夹具；302-刀片；303-刀片夹具导轨；304-切削用导轨支架；305-切削用导轨支架安装杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出的一种非规则物体的夹持装置，包括定位平台203、设置在定位平台203上的柔性夹持机构，该柔性夹持机构包括柔性夹具支架101、并联的多个柔性夹具102；

每个柔性夹具102包括弹簧安装杆105、弹簧及压盘103，弹簧安装杆105一端活动安装在柔性夹具支架101内(如安装在柔性夹具支架101上的安装孔内)，另一端与压盘103铰接；弹簧套设于弹簧安装杆105外且置于柔性夹具支架101与压盘103之间，以使弹簧安装杆105在柔性夹具支架101内运动时弹簧对柔性夹具支架101和铰接转轴产生自适应压力。

其中，定位平台203用于定位待夹持的非规则物体，包括弹性组织，如未包埋生物组织、琼脂糖包埋组织等；柔性夹具支架101作为支架，可在其上安装多个柔性夹具102；通过多个柔性夹具102可进行多点约束及夹持，使被夹持的非规则物体被稳固夹持；弹簧安装杆105可垂直于定位平台203上下移动，从而使套设在弹簧安装杆105外的弹簧进行对应压缩和拉伸，调整连接在弹簧安装杆105上的压盘103相对于非规则物体的位置，进而根据物体的不同形状相应调整，实现自适应夹持。通过更换不同刚度系数及尺寸的弹簧，可调节最大夹紧力的大小，进而为不同的物体提供合适的夹持力，而且采用弹簧夹持还可保证较小的夹持形变。压盘103的作用是减小夹持接触点对物体的压强，避免物体由于压强过大产生屈服形变。通过上述结构的夹持装置，能够对非规则物体实现很好的夹持，并且由于该夹持装置采用的部件少、结构简单，成本也低。

该柔性夹具102在夹持不规则物体时至少有两种方式：

其一，通过弹簧安装杆105与压盘103刚性铰接的结构实现，该刚性链接通过弹簧安装杆与压盘之间设置刚性铰链，具体可以为压盘通过插销可转动设置于弹簧安装杆的底端，弹簧安装杆105可绕自身轴线转动，以保证作用在物体上的夹持力垂直于夹持点所在的切面，压盘103相对于弹簧安装杆105绕一个方向摆动，即弹簧安装杆105转动一个角度，压盘103绕一个方向摆动，弹簧安装杆转动第二个角度，压盘103再绕另一个方向摆动。此种夹持方式的优势是刚度大、抗扰动能力强、成本低，还可适用于夹持活体动物。

其二，通过弹簧安装杆105与压盘103柔性铰接的结构实现，该柔性铰接通过在弹簧安装杆105与压盘103之间设置柔性铰链106，柔性铰链106由柔性材料制成且可实现任意角度弯曲，柔性材料为钛合金、铍青铜、7075铝合金中的任一种金属材料，或者为聚丙烯、多晶硅的任一种非金属材料；柔性材料的屈服强度与弹性模量的比值为5500及以上。可实现压盘103相对于弹簧安装杆105绕任意方向摆动，图3为弹簧安装杆105与压盘103之间设置柔性铰链的结构示意图。这种夹持方式的优势在于结构简单、操作方便、灵活度更高。

考虑到待夹持的非规则物体较软，优选地，压盘103的外部材料为弹性材料，包括橡胶、硅胶、海绵等，且该材料的表面摩擦系数比较大。弹簧安装杆105和弹簧的数量可以根据需要夹持物体的尺寸、形状等决定，同时弹簧安装杆105和弹簧的数量相同。

优选地，柔性夹具支架101包括夹具安装架及高度调节杆104，夹具安装架设置于高度调节杆104上，高度调节杆104垂直设置于定位平台203上，弹簧安装杆105活动安装在夹具安装架上的使设置于夹具安装架上的柔性夹具102可相对于定位平台203移动。通过高度调节杆104，可以调节柔性夹具102与定位平台203的距离，即可以根据待夹持非规则物体的高度进行相应地调整，使组织被夹稳。此外，该高度调节杆104也可作为其中一个约束面，用于物体的约束。

优选地，如图2所示，柔性夹持机构的结构示意图，定位平台203上设置有滑块导轨206，滑块导轨206内设置有一垂直于定位平台203的限位滑块207，限位滑块207可沿滑块导轨206移动，限位滑块与高度调节杆一起形成夹持空间；通过该限位滑块207在滑块导轨206上移动，即可实现根据待夹持非规则物体的横向宽度对夹持空间进行相应地调整，其中限位滑块作为一个约束面、高度调节杆作为另一个约束面，用以对非规则物体形成约束与定位。

优选地，本发明提出的夹持装置还包括设置在定位平台203下部的位置调整机构，也可称为进给机构，当不规则物体夹稳后，可以通过该位置调整机构对物体的位置进行调整。该位置调整机构包括底座201、滚珠丝杠205、手柄204，其中滚珠丝杠205设置于底座201上；滚珠丝杠包括螺杆与螺母，螺母设置于定位平台203下部，螺杆的一端设置有手柄204，转动手柄204后滚珠丝杠205会沿垂直于刀刃、平行于定位平台203的方向运动，从而带动设置在滚珠丝杠205上的定位平台203运动进而改变物体的位置。此外，为避免滚珠丝杠205上的螺母倾覆，所以另外在底座203上设置位于定位平台203下的并行导轨和滑块，使得定位平台203能够平稳的运动。

优选地，本发明提出的夹持装置还包括切削机构，该切削机构包括一对切削用导轨支架304、一对刀片夹具导轨303、一对刀片夹具301、刀片302，切削用导轨支架304连接在底座201上且与定位平台203垂直，一对刀片夹具导轨303分别连接在切削用导轨支架304上，一对刀片夹具301，分别通过滑块活动连接在刀片夹具导轨303上，刀片302通过紧定螺钉安装在在刀片夹具301上，刀片夹具301可带动刀片302在刀片夹具导轨303上沿切削用导轨支架304上下运动，刀片302和被夹持的非规则物体形成需要的相对运动。对非规则物体进行切削时，刀片302垂直定位平台203向下运动即可完成切削。

优选地，该切削机构还包括连接在底座201上的一对切削用导轨支架安装杆305，通过切削用导轨支架安装杆305可以绕自身轴线转动的特性，该切削用导轨支架304可绕切削用导轨支架安装杆305转动以补偿两个刀片夹具301的安装狭缝由于加工误差导致没有对齐时造成的刀片302无法安装或者安装之后产生的形变。此外，该夹持装置还可包括导轨底座支架202，该导轨底座支架202作为连接件位于底座201与切削用导轨支架304与底座之间。

由此可见，本发明提出的非规则物体夹持装置除可用于实现表面形状不规则的物体的夹持外，整个装置还可具有定位及切削功能。

本发明还提出了一种上述夹持装置的夹持方法，包括：

根据被夹持的非规则物体的大小确定所述柔性夹具的数量，根据被夹持非规则物体的杨氏模量与屈服强度确定各受力点在允许的变形下能承受的最大夹持力，根据各受力点能承受的所述最大夹持力确定每个所述柔性夹具的行程范围；

根据被夹持的非规则物体的形状，每个所述压盘会自动调节自身的空间姿态，自适应地确定每个所述压盘的角度及夹持力。

本夹持方法可以根据被夹持物体表面尺寸和表面形状的起伏程度不同，相应的增减柔性夹具的数目。在每个柔性夹具长度一致的情况下，每一个柔性夹具的夹持力大小与被夹持物体与柔性夹具接触表面距离定位平台的高度成正比，为了使不同柔性夹具之间的夹持力相差不致过大，根据被夹持的非规则物体表面与所述定位平台之间的高度确定各柔性夹具的行程范围；为了使压力更均匀，将压盘的角度根据非规则物体表面形状进行自适应调整，从而使得压盘贴在非规则物体表面上。

如对于猴脑组织，将整个夹持机构的压盘排布为弧形，用以部分补偿被猴脑组织夹持表面的高度差。

工作过程：

首先是夹持机构通过多个柔性夹具中的弹簧安装杆、弹簧、压盘对不规则物体实现夹持，然后转动位置调整机构(进给机构)中的滚珠丝杠，由定位平台将被夹持组织运送到指定位置，放下刀片，由切削机构完成切削。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，包括定位平台、柔性夹持机构，所述柔性夹持机构包括柔性夹具支架、并联的多个柔性夹具；

每个所述柔性夹具包括弹簧安装杆、弹簧及压盘，所述弹簧安装杆一端活动安装在所述柔性夹具支架内，另一端与所述压盘铰接使压盘可以绕铰接中心摆动；

所述弹簧套设于所述弹簧安装杆外且置于所述柔性夹具支架与所述压盘之间，以使所述弹簧安装杆在所述柔性夹具支架内运动时弹簧对柔性夹具支架和铰接转轴产生自适应压力；

还包括切削机构，所述切削机构包括一对切削用导轨支架安装杆，一对切削用导轨支架、安装在切削用导轨支架上的一对刀片夹具，安装在两个刀片夹具之间的刀片，所述切削用导轨支架可绕所述切削用导轨支架安装杆转动以补偿由于加工误差造成的两个所述刀片夹具安装狭缝没有对齐时导致的刀片无法安装或安装之后产生形变。

2.如权利要求1所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，所述弹簧安装杆通过刚性铰链与所述压盘为刚性铰接，所述弹簧安装杆可绕自身轴线转动，所述压盘相对于所述弹簧安装杆绕一个方向摆动。

3.如权利要求1所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，所述弹簧安装杆通过柔性铰链与所述压盘柔性铰接，所述压盘相对于所述弹簧安装杆绕任意方向摆动。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，所述压盘的外部材料为弹性材料，所述弹性材料包括橡胶、硅胶、海绵中的任意一种。

5.如权利要求4所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，所述柔性夹具支架包括夹具安装架及高度调节杆，所述夹具安装架设置于所述高度调节杆上，所述高度调节杆垂直设置于所述定位平台上，所述弹簧安装杆活动安装在所述夹具安装架上使设置于所述夹具安装架上的柔性夹具可相对于所述定位平台移动。

6.如权利要求5所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，所述定位平台上设置有滑块导轨，所述滑块导轨内设置有一垂直于所述定位平台的限位滑块，所述限位滑块可沿所述滑块导轨移动以与所述高度调节杆形成夹持空间。

7.如权利要求4所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，还包括设置在所述定位平台下部的位置调整机构，所述位置调整机构包括底座、滚珠丝杠、手柄，所述滚珠丝杠设置于所述底座上；所述滚珠丝杠包括螺杆与螺母，所述螺母设置于所述定位平台下部，所述螺杆的一端设置有手柄。

8.如权利要求7所述的非规则物体的自适应夹持装置，其特征在于，所述切削机构还包括一对刀片夹具导轨，所述切削用导轨支架连接在所述底座上且与所述定位平台垂直，一对所述刀片夹具导轨分别连接在所述切削用导轨支架上，一对所述刀片夹具分别活动连接在所述刀片夹具导轨上，所述刀片安装在所述刀片夹具之间。

9.一种采用如权利要求1-8中任意一项所述非规则物体的自适应夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述夹持方法包括：根据被夹持的非规则物体的大小确定所述柔性夹具的数量，根据被夹持的非规则物体的杨氏模量与屈服强度确定各受力点在允许的变形下能承受的最大夹持力，根据所述各受力点能承受的最大夹持力确定每个所述柔性夹具的行程范围；

根据被夹持的非规则物体的形状，自适应地确定每个所述压盘的角度及夹持力。

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