CN110027009B - 一种新型可控阻尼关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型可控阻尼关节，包括关节输入板、关节输出板、磁粉离合器变阻尼部分、弹簧变阻尼部分；本发明能够通过弹簧变阻尼部分提供初始阻尼力矩，磁粉离合器变阻尼部分有靠近、定位、自锁、远离四个不同的工作状态，并且在这四个不同的工作状态下都能根据角度检测传感器检测到的关节相对转速通过控制器以及驱动器自动改变输入到磁粉离合器的电流以改变阻尼力矩。该发明能够适用在各种变阻尼场合，结构简单，安全可靠。

Description

一种新型可控阻尼关节

技术领域

本发明涉及机器人关节领域，具体是一种新型可控阻尼关节。

背景技术

目前国内大多数医院实施脊柱钻孔手术依然是医生手持骨钻进行钻孔手术，医生长时间的手术操作所带来的疲劳以及医生手部的生理颤抖增加了手术失误的可能性；因此使用脊柱钻孔辅助装置能够很大地降低手术的风险并减轻医生的负担。脊柱钻孔辅助装置中图像导航手术机器人、光学导航机器人等主动机器人在脊柱钻孔应用中取得了很好的效果。主动机器人的各个关节一般都带有高精度的电机和编码器，高精度的电机和编码器价格都是非常昂贵的，因此主动钻孔辅助机器人价格都是非常的昂贵，高达数百万，不能满足大规模推广需求。所以研发一款操作简便、精度高且成本低的脊柱手术钻孔辅助装置很有必要。其中脊柱钻孔辅助装置各个关节能够阻尼可调以及自锁是非常的必要。当医生实施钻孔定位时，直接拖动脊柱钻孔辅助装置到达指定位置，在拖动的过程中，装置离定位点较近时，如果各个关节的相对转速过大反而不利于定位；当装置离定位点较远时，如果各个关节的相对转速太小，拖动时间较长定位效率较低。

针对脊柱钻孔辅助装置定位，辅助装置各个关节能够阻尼可调以及自锁是非常的关键。

发明内容

本发明针对脊柱钻孔辅助装置定位过程中，装置离定位点较近时各个关节相对转速过大不利于定位以及装置离定位点较远时各个关节相对转速过小时定位效率低等问题，提供了一种新型可控阻尼关节，可实现脊柱钻孔辅助装置在靠近定位点时自动增加各关节阻尼以降低各关节速度，当脊柱钻孔辅助装置到定位点时，关节迅速增加阻尼使能传递的力矩大于手部拖动的力矩实现自锁，也可实现脊柱钻孔辅助装置离定位点较远时自动减小各关节阻尼以提高关节速度，使装置能够较少定位时间，提高作业效率。本发明提高了脊柱钻孔辅助装置的安全性能。

为了达到上述目的，本发明以下面技术方案实现：

一种新型可控阻尼关节，其特征在于：包括关节输入板（1）、关节输出板（13）、磁粉离合器变阻尼部分、弹簧变阻尼部分；所述磁粉离合器变阻尼部分包括磁粉离合器（9）、磁粉离合器轴（2）、角度检测传感器（11）、控制器以及磁粉离合器驱动器；所述弹簧变阻尼部分包括摩擦环（8）、压缩弹簧（5）、连接弹簧（12）、压环（4）、连接弹簧支撑板（3）、摩擦片（6）、摩擦块（7）；

所述磁粉离合器变阻尼部分包括磁粉离合器（9）、磁粉离合器轴（2）、角度检测传感器（11）、控制器以及磁粉离合器驱动器，其特征是，所述磁粉离合器轴（2）上端与所述关节输入板（1）固定连接，所述磁粉离合器轴（2）穿过所述磁粉离合器（9），并与磁粉离合器内转动部分连接，所述磁粉离合器轴（2）下端穿出所述磁粉离合器（9），并与角度检测传感器（11）内转动部分连接。

所述弹簧变阻尼部分包括摩擦环（8）、压缩弹簧（5）、连接弹簧（12）、压环（4）、连接弹簧支撑板（3）、摩擦片（6）、摩擦块（7），其特征是，所述连接弹簧支撑板（3）上端与所述关节输入板（1）固定连接，下端与所述连接弹簧（12）一端连接；所述连接弹簧（12）的另一端与所述摩擦块（7）连接；所述连接弹簧（12）及所述摩擦块（7）放在摩擦环（8）的圆形摩擦槽（82）中；所述摩擦环（8）与所述磁粉离合器（9）的外转动部分固定连接；所述压环（4）通过螺纹与摩擦环（8）上部凸台螺纹（81）连接；所述压环（4）下面装有压缩弹簧（5）；所述压缩弹簧（5）下面装有摩擦片（6）；所述摩擦片（6）下面装有摩擦块（7）以及连接弹簧（12）；所述压缩弹簧（5）套在摩擦环凸台（84）上；所述摩擦片（6）套在摩擦环凸台（84）上；所述压环（4）可以在摩擦环（8）上通过螺纹旋转从而压缩或放松压缩弹簧（5），所述压缩弹簧（5）压缩或放松压缩弹簧（5）下面的摩擦片（6），以改变摩擦块（7）与摩擦环（8）及摩擦片（6）之间的摩擦力；

一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述关节输入板（1）通过关节输入板凸台（101）与所述磁粉离合器变阻尼部分的磁粉离合器轴（2）固定连接，所述关节输入板凸台（101）在摩擦环（8）内，并与摩擦环（8）内侧之间有间隙，并且所述关节输入凸台（101）回转轴线与所述摩擦环（8）同心；所述角度检测传感器（11）外转动部分与关节输出板（13）固定连接；所述摩擦片（6）套在所述摩擦环凸台（84）上，并且与所述摩擦环（8）同心；

所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述摩擦片内圆面上有凸齿（61），所述摩擦环凸（84）台上有凹齿（83）；所述摩擦片凸齿（61）装在摩擦环凸台凹齿（83）中；

所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述摩擦块（7）为弧形结构，可以在摩擦环（8）上的摩擦槽（82）内做圆周滑动。

所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述摩擦片凸齿（61）与摩擦环凸台凹齿（83）之间存在间隙，所述摩擦片可以在摩擦槽凸台上下移动，而摩擦片通过摩擦片凸齿（61）与摩擦槽凸台凹齿（83）实现周向限位。

附图说明

图1是本发明一种新型可控关节示意图。

图2是本发明一种新型可控阻尼关节的部分结构爆炸示意图。

图3是本发明一种新型可控阻尼关节另一个方位示意图。

图4是本发明一种新型可控阻尼关节输入板结构示意图。

图5是本发明一种新型可控阻尼关节摩擦环结构示意图。

图6是本发明一种新型可控阻尼关节摩擦片结构示意图。

其中1为关节输入板，101为关节输入板凸台，2为磁粉离合器轴，3为连接弹簧支撑板，4压环，5压缩弹簧，6为摩擦片，61为摩擦片凸齿，7为摩擦块，8为摩擦环，81为摩擦环凸台螺纹，82为摩擦槽，83为摩擦环凸台凹齿，84为摩擦环凸台，9为磁粉离合器，11角度检测传感器，12为压缩弹簧，13为关节输出板。

具体实施方式

在下面详细描述本发明的具体实施案例,所述具体实施示例在附图中已经标出，相同元件或者结构自始至终都是用相同的标号。

在本发明的描述中，一些方向或者位置关系术语，如“上端”、“下端”、“一端”、“另一端”、“上部”、“中”、“下面”均是按附图所示的方位或者位置关系给出的；此外其他一些没有明确限定的术语都应该做广义的理解，例如“关节输入板”中的“板”不一定是板，又例如“固定连接”只是说没有相对运动，“固定连接”的两个物体也可能拆开，即可拆卸连接。

在脊柱钻孔辅助装置定位过程中，为了方便描述将脊柱钻孔辅助装置离定位点较远时靠近定位点的运动成为靠近过程，将脊柱钻孔辅助装置离定位点较近时靠近定位点的运动成为定位过程，将脊柱钻孔辅助装置达到定位点关节迅速增加阻尼实现自锁过程称为自锁，将脊柱钻孔辅助装置远离定位点或者钻完孔撤离钻臂的过程称为远离过程，并将脊柱钻孔辅助装置称为装置。并假定装置各个旋转关节装该发明新型变阻尼关节。

首先医生在实施钻孔手术时，医生首先调节旋转关节上的压环（4），通过旋紧或者旋松压环（4）来调整压环（4）在摩擦环凸台（81）上的上下位置，来调整压环下面套在摩擦环凸台（81）上的压缩弹簧（5）的松紧程度，具体来说当压环（4）右旋时，压环（4）在摩擦环凸台（81）上向下运动，并压紧压缩弹簧（5），以增加压缩弹簧对摩擦片（6）的压力，因而增加摩擦块与摩擦片以及摩擦槽（83）之间的摩擦力，最终达到增加初始摩擦力矩的作用；相反，当压环左旋时，压环在摩擦环凸台的上向上运动，并防松压缩弹簧，以减小压缩弹簧对摩擦片的压力，因而减小摩擦块与摩擦片以及摩擦槽之间的摩擦力，最终达到减小初始摩擦力矩的作用；初始阻尼由弹簧变阻尼部分提供。磁粉离合器变阻尼部分有四种不同的工作状态，分别是靠近过程、定位过程、自锁、远离过程，控制器也有相应的有四个按钮与靠近过程、定位过程、自锁、远离过程对应。

靠近过程，医生摁下靠近过程对应的靠近过程控制器按钮，控制器输入电信号给驱动器，使驱动器输入到磁粉离合器的电流减小到靠近过程需要的电流水平，以减小磁粉离合器传递的转矩，以提高医生拖动装置的效率；角度检测传感器时刻检测关节的运行状态，并以电信号反馈给控制器，当检测到关节转速较快时控制器又使驱动器输入到磁粉离合器的电流增大，以增加磁粉离合器传递的力矩，因而防止速度过快，当角度检测传感器检测到传动速度超过临界速度时，控制器会自动使驱动器输入给磁粉离合器的电流迅速增加到自锁电流水平，使整个装置处于自锁状态。

定位过程，医生摁下定位过程对应的定位过程控制器按钮，控制器输入电信号给驱动器，使驱动器输入到磁粉离合器的电流增加到定位过程需要的电流水平，以增加磁粉离合器传递的转矩，以降低医生拖动关节的速度，有利于医生拖动装置实现定位；角度检测传感器时刻检测关节的运行状态，并以电信号的形式反馈给控制器，使驱动器输入给磁粉离合器的电流维持在能够使各关节转速较低状态。

自锁状态，医生完成定位过程后可以摁下控制器对应的自锁状态按钮，控制器输入电信号给驱动器，使驱动器输入到磁粉离合器的电流迅速增加使关节实现自锁；角度检测传感器时刻检测关节运行状态，当检测到关节出现微小转动时，并以电信号的反馈给控制器，控制器处于报警状态，提醒医生判断是否需要重新定位。

远离过程，完成钻孔后退出钻头后，摁下控制器对应的远离过程按钮，控制输入电信号给驱动器，使驱动器输入到磁粉离合器的电流减小远离过程需要的电流水平，以减小磁粉离合器能传递的转矩，使医生拖动装置容易能快速撤离装置；角度检测传感器时刻检测装置的运行状态，并以电信号反馈给控制器，当检测到关节转速较快时控制器又使驱动器输入到磁粉离合器的电流增大，以增加磁粉离合器传递的力矩，因而防止速度过快，当角度检测传感器检测到传动速度超过临界速度时，控制器会自动使驱动器输入给磁粉离合器的电流迅速增加到自锁电流水平，使整个装置处于自锁状态。

Claims (5)

1.一种新型可控阻尼关节，其特征在于：包括关节输入板(1)、关节输出板(13)、磁粉离合器变阻尼部分、弹簧变阻尼部分；所述磁粉离合器变阻尼部分包括磁粉离合器(9)、磁粉离合器轴(2)、角度检测传感器(11)、控制器以及磁粉离合器驱动器；所述弹簧变阻尼部分包括摩擦环(8)、压缩弹簧(5)、连接弹簧(12)、压环(4)、连接弹簧支撑板(3)、摩擦片(6)、摩擦块(7)；

所述磁粉离合器变阻尼部分包括磁粉离合器(9)、磁粉离合器轴(2)、角度检测传感器(11)、控制器以及磁粉离合器驱动器，所述磁粉离合器轴(2)上端与所述关节输入板(1)固定连接，所述磁粉离合器轴(2)穿过所述磁粉离合器(9)，并与磁粉离合器内转动部分连接，所述磁粉离合器轴(2)下端穿出所述磁粉离合器(9)，并与角度检测传感器(11)内转动部分连接；

所述弹簧变阻尼部分包括摩擦环(8)、压缩弹簧(5)、连接弹簧(12)、压环(4)、连接弹簧支撑板(3)、摩擦片(6)、摩擦块(7)，所述连接弹簧支撑板(3)上端与所述关节输入板(1)固定连接，下端与所述连接弹簧(12)一端连接；所述连接弹簧(12)的另一端与所述摩擦块(7)连接；所述连接弹簧(12)及所述摩擦块(7)放在摩擦环(8)的圆形摩擦槽(82)中；所述摩擦环(8)与所述磁粉离合器(9)的外转动部分固定连接；所述压环(4)通过螺纹与摩擦环(8)上部凸台螺纹(81)连接；所述压环(4)下面装有压缩弹簧(5)；所述压缩弹簧(5)下面装有摩擦片(6)；所述摩擦片(6)下面装有摩擦块(7)以及连接弹簧(12)；所述压缩弹簧(5)套在摩擦环凸台(84)上；所述摩擦片(6)套在摩擦环凸台(84)上。

2.根据权利要求1所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述关节输入板(1)通过关节输入板凸台(101)与所述磁粉离合器变阻尼部分的磁粉离合器轴(2)固定连接，所述关节输入板凸台(101)在摩擦环(8)内，并与摩擦环(8)内侧之间有间隙，并且所述关节输入凸台(101)回转轴线与所述摩擦环(8)同心；所述角度检测传感器(11)外转动部分与关节输出板(13)固定连接；所述摩擦片(6)套在所述摩擦环凸台(84)上，并且与所述摩擦环(8)同心；所述关节输出板(13)与磁粉离合器(9)的外转动部分固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述摩擦片内圆面上有凸齿(61)，所述摩擦环凸台(84)台上有凹齿(83)；所述摩擦片凸齿(61)装在摩擦环凸台凹齿(83)中。

4.根据权利要求1所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述摩擦块(7)为弧形结构，可以在摩擦环(8)上的摩擦槽(82)内做圆周滑动。

5.根据权利要求3所述的一种新型可控阻尼关节，其特征是，所述摩擦片可以在摩擦槽凸台上下移动，而摩擦片通过摩擦片凸齿(61)与摩擦槽凸台凹齿(83)实现周向限位。

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