CN110179542A - 一种被动臂及具有该被动臂的机械设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械结构技术领域，提供一种被动臂及具有该被动臂的机械设备，所述被动臂包括关节结构以及用于连接关节结构的连接件，关节结构内填充有液态金属，转动副结构与液态金属接触，关节结构上布置有用于控制液态金属在固态和液态之间切换的温度调节部件。本发明实施例提供的被动臂和机械设备，采用内置有液态金属的关节结构，且关节结构的各转动副结构与液态金属接触，利用温度调节部件对液态金属进行升温和降温，从而实现液态金属在固态和液态之间的切换，进而能够通过液态金属实现其对关节结构的转动副结构的锁定和解锁，相比于传统被动臂的关节结构，其内部不需要复杂的机械结构和传动结构，结构简单，体积小，重量轻。

Description

一种被动臂及具有该被动臂的机械设备

技术领域

本发明涉及机械结构技术领域，更具体地，涉及一种被动臂及具有该被动臂的机械设备。

背景技术

被动臂作为一种被动式机械结构，主要用于把持和固定，其空间结构具有灵活多变的特点，使得其在工业、农业以及医疗等领域的应用越来越广泛。在实际应用中，被动臂的空间位置决定了其机械结构的工作范围，在不同的应用中，或者同一应用中不同人的操作，被动臂的位置需要根据实际情况有所改变，高度位置也要随之调整。被动臂一般由多个关节组成，各关节之间用连杆进行连接，每个关节都能够单独调整，并且每个关节可以具有多个自由度，从而实现各种空间位置的变化组合，以满足不同的应用需求。

以手术辅助操作为例，手术中需要依据医生需求对手术器械、手术肢体等进行固定，以避免医生扶持器械、肢体过程中产生移动发生意外。由于应用需求不同，被动臂需要较多的自由度调整同时提供较大的维持力。现有被动臂主要由多个关节组成，通过逐个关节锁定实现较大的维持力，在实际使用中带来较大不便。同时，由于多个自由度运动需求，被动臂多采用机械方式依靠摩擦力锁紧各关节，导致被动臂的结构较为复杂，且体积庞大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供一种被动臂及具有该被动臂的机械设备，以解决现有的被动臂结构复杂、体积庞大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面，提供一种被动臂，包括关节结构以及用于连接所述关节结构的连接件，所述关节结构至少包括一个转动副结构，所述关节结构内填充有液态金属，所述转动副结构与所述液态金属接触，所述关节结构上布置有用于控制所述液态金属在固态和液态之间切换的温度调节部件。

进一步地，所述关节结构还包括壳体，所述壳体内部设有腔体结构，所述转动副结构与所述壳体密封且转动连接，所述液态金属填充在所述腔体结构内。

进一步地，所述转动副结构穿过所述腔体结构的内部或套接在所述腔体结构的外部。

进一步地，所述关节结构包括多个所述转动副结构，多个所述转动副结构装设在所述壳体上且互不干涉。

进一步地，所述被动臂还包括：控制部件和控制开关，所述控制开关与所述控制部件电连接，所述控制部件与各所述关节结构上的温度调节部件电连接。

进一步地，所述温度调节部件包括加热部件和降温部件，所述加热部件和所述降温部件分别与所述控制部件电连接。

进一步地，所述加热部件为加热丝或加热盘，所述降温部件为冷却器或散热器。

进一步地，所述控制开关为脚踏开关。

进一步地，所述连接件为刚性连杆或柔性连杆。

根据本发明实施例的第二方面，还提供一种机械设备，包括本发明第一方面任一所述的被动臂。

(三)有益效果

本发明实施例提供的被动臂及具有被动臂的机械设备，所述被动臂采用内置有液态金属的关节结构，并且关节结构的各转动副结构与液态金属接触，利用温度调节部件对液态金属进行升温和降温，从而实现液态金属在固态和液态之间的切换，进而能够通过液态金属实现其对关节结构的转动副结构的锁定和解锁，相比于传统被动臂的关节结构，其内部不需要复杂的机械结构和传动结构，结构简单，可以减小整个被动臂的体积，重量轻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中被动臂的结构示意图；

图2为本发明实施例中关节结构的内部结构示意图；

图中：1、关节结构；2、连接件；3、转动副结构；4液态金属；5、温度调节部件；6、壳体；7、腔体结构；8、控制部件；9、控制开关；31、第一转动副结构；32、第二转动副结构；51、加热部件；52、降温部件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种被动臂，其结构包括一个或者多个关节结构1，当只有一个关节结构1时，可在关节结构1的两侧分别安装连接件2，两个连接件2通过一个关节结构实现位置调整；当有多个关节结构1时，相邻的两个关节结构1之间通过连接件2进行连接，连接件2的端部分别与对应端关节结构1的转动副结构3相连。

其中，关节结构1包括一个或者多个转动副结构3，每个转动副结构3代表一个关节结构1的一个自由度。本实施例中的转动副结构3以两个为例(即两个自由度)进行具体说明。

对于每个关节结构来说，在关节结构1的内部填充设置有液态金属4，液态金属4是一种不定型、可流动液体的金属，在不同的温度条件下其具有不同的存在状态，本发明实施例主要利用液态金属的对于不同温度条件下的状态特性，使其能够在固态和液态之间切换，来实现液态金属对转动副结构3的锁定和解锁。

具体地，转动副结构3需要与液态金属4接触，液态金属4可以是包围在转动副结构3的外部，也可以位于转动副结构3的内部。通过在关节结构1上布置温度调节部件5，温度调节部件5可以设置在关节结构1的内部，也可以设置在关节结构1的外部，只要能够实现液态金属4在固态和液态之间的切换控制即可。

具体的工作过程如下：液态金属在初始状态下为固态(工作时温度调节部件5处于降温状态)，当需要解锁时，调节温度调节部件5使液态金属4的温度上升，液态金属4慢慢发生相变并转换为液态，各转动副结构3解锁，此时手动调节连接件2和各关节结构1的转动副结构3。达到需要调整的位置后，使温度调节部件5降温，液态金属4慢慢发生相变并转换为固态，与转动副结构3粘接为一个整体，各转动副结构3锁定，从而将调整后的被动臂结构固定。

当然，需要说明的是，温度调节部件5能够升温，也能够实现降温，具体的升温时间和温度、降温时间和温度以所选用的液态金属4的具体物理特性相关，本领域技术人员可以根据实际情况进行调整和设置。

本发明实施例提供的被动臂，通过采用具有液态金属的关节结构，并利用温度调节部件对液态金属进行升温和降温，从而实现液态金属在固态和液态之间的切换，进而能够通过液态金属实现其对关节结构的转动副结构的锁定和解锁，相比于传统被动臂的关节结构，其内部不需要复杂的机械结构和传动结构，结构简单，可以减小整个被动臂的体积，重量轻。

在上述实施例的基础上，关节结构1还包括壳体6，壳体6作为整个关节结构1的支撑部件其内部设有腔体结构7。各转动副结构3可转动地装设在壳体6上，以保证各转动副3能够正常转动；并且各转动副结构3与壳体6之间采用密封连接，以防止液态金属4泄漏。

其中，液态金属4充满整个腔体结构7的内部，转动副结构3可以穿过该腔体结构7的内部，或者套接在该腔体结构7的外部，以保证液态金属4能够与转动副结构3接触。

在上述各实施例的基础上，转动副结构3为两个，分别为第一转动副31结构和第二转动副结构32，第一转动副结构31和第二转动副结构32均装设在壳体3上且互不干涉。

具体地，在本实施例中，连接件2可与该关节结构1的第一转动副结构31固定连接，第一转动副结构31穿过壳体6并可在壳体内部自由转动，壳体6上预先留有供第一转动副结构31安装的孔结构，该孔结构穿过腔体结构7，从而使得第一转动副结构31在该孔结构内安装时能够与腔体结构7内部的液态金属4接触。

而本实施例中的第二转动副结构32套接在壳体6的外部，且位于第一转动副结构31的另一侧，保证二者互不干涉。第二转动副结构32可绕壳体6的外部转动，并且第二转动副结构32的内侧壁与腔体结构7内部的液态金属4接触。该关节结构1的第二转动副结构32可与另一连接件2的端部相连，利用连接件2将各关节结构1串接起来。

其中，壳体6的内部设置有旋转连接结构，第二转动副结构32的内侧壁与该旋转连接结构相连，一方面能够对第二转动副结构32进行定位，另一方面能够保证二者之间的相对转动。

在上述各实施例的基础上，连接件2的一端可与其中一个关节结构1的第一转动副结构31或者第二转动副结构32相连，连接件2的另一端也同样与另一关节结构1的第一转动副结构31或者第二转动副结构32相连。连接件1通过连接不同的转动副结构3，从而实现被动臂不同的空间姿态的组合，当然，部分姿态可通过对内部液态金属的现编温度控制进行调整而达到一致。

进一步地，上述各实施例中的连接件2为刚性连杆或柔性连杆，若连接件2采用刚性连杆，如钢结构杆件，则只能通过对关节结构1的自由度调整实现其空间姿态和位置的改变，具有一定的局限性。

若连接件2采用柔性连杆，则除了对关节结构1进行自由度的调整以外，还能够通过调整连接件的弯曲程度和弯曲方向来进行辅助调整，其调整灵活性较大。需要说明的是，柔性连杆具体可采用可挠金属管件，当然也可在可挠金属管件的内部填充液态金属，采用关节结构同样的方式控制其相变，从而便于调整其弯曲程度和弯曲方向。

在上述各实施例的基础上，为了方便对关节机构1进行控制，所述被动臂还包括：控制部件8和控制开关9，控制开关9与控制部件8电连接，控制部件8与各关节结构1上的温度调节部件5电连接。其中，为了方便操作人员进行操作，控制开关9具体可采用脚踏开关，这样能够不影响操作人员的手部动作，因为一般利用被动臂工作时，操作人员会利用手进行相应的操作或者把持相应的物件。

其中，控制部件8为常用的温度控制器，只要能够实现相应的温度调节功能即可。脚踏开关为自动回弹结构，自然回弹状态下控制控制部件8发出降温调节信号，使温度调节部件5对液态金属4进行降温，使液态金属4维持固态。

当需要调整机械臂的空间姿态时，操作人员可踩下脚踏开关时，控制部件8发出升温调节信号，使温度调节部件5对液态金属4进行加热升温，从而使液态金属4逐渐切换为液态，进而对关节结构1解锁，从而能够对各关节结构1和连接件2进行位置调整，被动臂需要成型定位时，松开脚踏开关后等待数秒即可对各关节结构1进行锁定。

上述实施例中，温度调节部件5具体包括加热部件51和降温部件52，本实施例中的加热部件51和降温部件52均布置在壳体6的外侧壁上，这样能够方便安装和布线，并且加热部件51和降温部件52可以在壳体6外侧的多处进行布置，以加快对液态金属的升温和降温。同时，控制部件8内部也包括有加热控制部件和降温控制部件，加热部件51与加热控制部件电连接，降温部件52与降温控制部件电连接，脚踏开关交替控制加热控制部件和降温控制部件，进而实现液态金属4在固态和液态之间的切换。

其中，加热部件51可采用加热丝或加热盘，降温部件52可采用冷却器或散热器，加热部件51和降温部件52均可通过连接件或者粘接的方式固定在壳体6的外侧，并通过壳体6进行升温和降温传导，因此壳体6的厚度不宜太厚，而且宜采用导热效率高的材料制成。

本发明实施例还提供一种机械设备，该机械设备包括如上述各实施例中所述的被动臂，该机械设备也可以是具有上述实施例中所述被动臂的机械结构或者部件。具体地，所述被动臂的结构包括多个关节结构1，相邻的两个关节结构1之间通过连接件2进行连接，对于每个关节结构来说，在关节结构1的内部填充设置有液态金属4。本发明实施例利用液态金属的对于不同温度条件下的状态特性，使其能够在固态和液态之间切换，来实现液态金属对转动副结构3的锁定和解锁。

具体地，转动副结构3需要与液态金属4接触，液态金属4可以是包围在转动副结构3的外部，也可以位于转动副结构3的内部。通过在关节结构1上布置温度调节部件5，液态金属在初始状态下为固态(工作时温度调节部件5处于降温状态)，当需要解锁时，调节温度调节部件5使液态金属4的温度上升，液态金属4慢慢发生相变并转换为液态，各转动副结构3解锁，此时手动调节连接件2和各关节结构1的转动副结构3。达到需要调整的位置后，使温度调节部件5降温，液态金属4快速发生相变并转换为固态，与转动副结构3粘接为一个整体，各转动副结构3锁定，从而将调整后的被动臂结构固定。

当然，本实施例中的机械设备还可以包括底座结构以及相应的夹持机构，被动臂最下端的关节结构1可与底座结构连接，被动臂最上端的关节结构1可与夹持机构连接，夹持机构根据不同的作业需求会有所不同。

本实施例中的机械设备具体可为医疗器械或者手术机器人等，这些机械设备都能够通过应用上述各实施例中具有液态金属的关节结构进行空间位姿调整，易于控制，不需要加装额外的缓冲装置，结构简单，体积小，且重量轻。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种被动臂，包括关节结构以及用于连接所述关节结构的连接件，所述关节结构至少包括一个转动副结构，其特征在于，所述关节结构内填充有液态金属，所述转动副结构与所述液态金属接触，所述关节结构上布置有用于控制所述液态金属在固态和液态之间切换的温度调节部件。

2.根据权利要求1所述的被动臂，其特征在于，所述关节结构还包括壳体，所述壳体内部设有腔体结构，所述转动副结构与所述壳体密封且转动连接，所述液态金属填充在所述腔体结构内。

3.根据权利要求2所述的被动臂，其特征在于，所述转动副结构穿过所述腔体结构的内部或套接在所述腔体结构的外部。

4.根据权利要求3所述的被动臂，其特征在于，所述关节结构包括多个所述转动副结构，多个所述转动副结构装设在所述壳体上且互不干涉。

5.根据权利要求1所述的被动臂，其特征在于，还包括：控制部件和控制开关，所述控制开关与所述控制部件电连接，所述控制部件与各所述关节结构上的温度调节部件电连接。

6.根据权利要求5所述的被动臂，其特征在于，所述温度调节部件包括加热部件和降温部件，所述加热部件和所述降温部件分别与所述控制部件电连接。

7.根据权利要求6所述的被动臂，其特征在于，所述加热部件为加热丝或加热盘，所述降温部件为冷却器或散热器。

8.根据权利要求5或6所述的被动臂，其特征在于，所述控制开关为脚踏开关。

9.根据权利要求1所述的被动臂，其特征在于，所述连接件为刚性连杆或柔性连杆。

10.一种机械设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一所述的被动臂。