CN113059556A - 一种多关节多自由度医用压电微机械操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多关节多自由度医用压电微机械操作手，包括底座，底座的顶面转动连接有立柱，立柱上滑动连接有滑块，滑块的一侧固定有轴座，轴座内铰接有机械臂的一端，机械臂的另一端转动连接有机械手；机械臂包括首尾相连的第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，第一机械臂的一端与轴座铰接，第一机械臂的另一端转动连接第二机械臂；第三机械臂远离第二机械臂的一端与转动组件固接；第一机械臂与第二机械臂之间、第二机械臂与第三机械臂之间设有连接装置。本发明实现了机械手的多关节多角度的运动，没有驱动电机，运动灵活，结构简单，无需多余的传动链，体积小，传动效率高，压电陶瓷运动相应速度快精度高，不受电磁干扰影响，可靠性高。

Description

一种多关节多自由度医用压电微机械操作手

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种多关节多自由度医用压电微机械操作手。

背景技术

近年来，随着微机电系统、微夹持机械、微纳驱动器等相关技术的高速发展，在高技术领域中机器人的研制与生产迅猛发展起来并已成为一门新兴技术，从而更加促进了机械手的发展，使得微夹持机械手能更好的实现机械化与自动化的有机结合。同时伴随着精密超精密加工、电子学、生物技术、精密测量等领域的快速发展，人类对超精密微夹持机械手的需求也越来越高，全世界各大科研中心也积极地对微夹持技术进行研究与实验。而传统的机械手体积较大、结构复杂、运动分辨率低，早已无法满足现代工业中精密微纳机械夹持操作、精密超精密加工、微机电系统等领域的应用需求，故研制一种超精密微夹持机械手就显得极为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种多关节多自由度医用压电微机械操作手，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多关节多自由度医用压电微机械操作手，包括底座，所述底座的顶面转动连接有立柱，所述立柱上滑动连接有滑块，所述滑块的一侧固定有轴座，所述轴座内铰接有机械臂的一端，所述机械臂的另一端转动连接有机械手，所述机械手包括转动组件和夹持组件；

所述机械臂包括首尾相连的第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，第一机械臂的一端与所述轴座铰接，所述第一机械臂的另一端转动连接所述第二机械臂；所述第三机械臂远离所述第二机械臂的一端与所述转动组件固接；

所述第一机械臂与所述第二机械臂之间设有连接装置；所述第二机械臂与所述第三机械臂之间也设有所述连接装置；

所述轴座包括支撑架，所述支撑架为空心管状结构，所述支撑架的两端面分别周向且等距开设有四个定位槽，位于同一端面的四个所述定位槽内分别可拆卸连接有定位梁，四个所述定位梁之间固定有环形振子，所述定位梁的上端面和下端面分别粘接有一片转动压电陶瓷片。

优选的，所述第一机械臂包括球形块，所述球形块与所述轴座球形铰接，所述球形块位于两个所述环形振子之间，所述球形块远离所述轴座的一端固接有第一金属基体的一端，所述第一金属基体的另一端开设有第一V型槽，所述第一金属基体的上端面和下端面分别粘接有第一压电陶瓷片，所述第一金属基体上开设有第一通孔，所述第一通孔与所述第一V型槽的方向相同，所述连接装置与所述第一通孔滑动连接。

优选的，所述第二机械臂包括第二圆柱轴，所述第二圆柱轴与所述第一V型槽转动连接；所述第二圆柱轴的侧面固接有第二金属基体，所述第二金属基体远离所述第二圆柱轴的一端开设有第二V型槽；所述第二金属基体的上端面和下端面分别粘接有第二压电陶瓷片，所述第二金属基体上开设有第一通孔，所述第二通孔与所述第二V型槽的方向相同。

优选的，所述第二圆柱轴的端面开设有第二轴孔，所述第二轴孔内固定连接有所述连接装置，所述第二轴孔通过所述连接装置连接所述第一通孔。

优选的，所述连接装置包括平行且对称设置的两块夹板，两块所述夹板之间的距离与所述第一金属基体的宽度相同；两块夹板的两端之间分别固接有转轴和柱销，所述柱销与所述第一通孔滑动连接，所述转轴与所述第二轴孔固接。

优选的，所述夹持组件包括底梁，所述底梁的两端分别铰接有夹持手，两个所述夹持手对称设置，所述底梁上固定有夹持压电叠堆，所述夹持压电叠堆远离所述底梁的一端固接有动力杆，所述动力杆的两端分别铰接有传动杆的一端，所述传动杆的另一端与所述夹持手铰接。

优选的，所述转动组件包括外套管和套接在所述外套管内的内轴，所述外套管与所述第三机械臂固接，所述内轴与所述底梁固接。所述外套管内对称嵌设有磁铁，所述外套管的内壁固定有内齿轮，所述内齿轮的内径与所述内轴相适配。

优选的，所述内轴上周向开设有若干制动孔，所述制动孔内滑动连接有制动压电叠堆；所述内轴外缠绕有线圈。

优选的，所述滑块开设有与所述立柱相适配的通孔，所述通孔四周周向开设有若干定位孔，所述定位孔的底部固定有电磁铁，所述定位孔靠近所述立柱的一端滑动连接有定位柱，所述定位柱与所述电磁铁之间固接有弹簧，所述定位柱远离所述电磁铁的一端固定有卡箍所述卡箍与所述立柱可拆卸连接。

本发明公开了以下技术效果：相对于现有技术，本发明通过设置首尾相连的第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，使与机械臂相连的机械手能实现上下多角度的运动，依靠摩擦力驱动，不需要额外的驱动电机，运动灵活，结构简单；机械臂通过球形块与轴座相连，轴座内设有压电陶瓷片和环形振子，使得球形块能在环形振子之间进行多方向运动，没有驱动电机，无需多余的传动链，体积小，传动效率高，压电陶瓷运动响应速度快精度高，不受电磁干扰影响，可靠性高。

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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多关节多自由度医用压电微机械操作手的主视图；

图2为本发明轴座的结构示意图；

图3为本发明滑块的结构示意图；

图4为本发明机械手的结构示意图；

图5为本发明转动组件结构示意图；

图6为本发明支撑架的立体图；

图7为本发明环形振子的立体图；

图8为本发明连接装置的结构示意图；

图9为本发明第一机械臂的结构示意图；

图10为本发明第二机械臂的结构示意图；

图11为图5中A的局部放大图；

其中，1为底座，2为立柱；3为滑块；4为轴座；5为机械手；6为第一机械臂；7为第二机械臂；8为第三机械臂；9为连接装置；301为定位孔；302为电磁铁；303为定位柱；304为弹簧，305为卡箍；401为支撑架；402为定位槽；403为定位梁；404为环形振子；405为转动压电陶瓷片；501为底梁；502为夹持手；503为夹持压电叠堆；504为动力杆；505为传动杆；506为外套管；507为内轴；508为磁铁；509为内齿轮；510为制动孔；511为制动压电叠堆；512为线圈；601为球形块；602为第一金属基体；603为第一V型槽；604为第一压电陶瓷片；605为第一通孔；701为第二圆柱轴；702为第二金属基体；703为第二V型槽；704为第二压电陶瓷片；705为第二通孔；706为第二轴孔；901为夹板；902为转轴；903为柱销。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-11，本发明提供一种多关节多自由度医用压电微机械操作手，包括底座1，底座1的顶面转动连接有立柱2，立柱2上滑动连接有滑块3，滑块3能在立柱2上上下滑动，滑块3的一侧固定有轴座4，轴座4内铰接有机械臂的一端，机械臂的另一端转动连接有机械手5，机械手5包括转动组件和夹持组件；

机械臂包括首尾相连的第一机械臂6、第二机械臂7和第三机械臂8，第一机械臂6的一端与轴座4铰接，第一机械臂6的另一端转动连接第二机械臂7；第三机械臂8远离第二机械臂7的一端与转动组件固接；

第一机械臂6与第二机械臂7之间设有连接装置9；第二机械臂7与第三机械臂8之间设有连接装置9；

第一机械臂6包括球形块601，球形块601与轴座4球形铰接，球形块601位于两个环形振子404之间，球形块601远离轴座4的一端固接有第一金属基体602的一端，第一金属基体602的另一端开设有第一V型槽603，第一金属基体602的上端面和下端面分别粘接有第一压电陶瓷片604，第一金属基体602上开设有第一通孔605，第一通孔605与第一V型槽603的方向相同，连接装置9与第一通孔605滑动连接；第二机械臂7包括第二圆柱轴701，第二圆柱轴701与第一V型槽603转动连接；第二圆柱轴701的侧面固接有第二金属基体702，第二金属基体702远离第二圆柱轴701的一端开设有第二V型槽703；第二金属基体702的上端面和下端面分别粘接有第二压电陶瓷片704，第二金属基体702上开设有第一通孔705，第二通孔705与第二V型槽703的方向相同；第二圆柱轴701的端面开设有第二轴孔706，第二轴孔706内转动连接有连接装置9，第二轴孔706通过连接装置9连接第一通孔605；当第一压电陶瓷片604接通具有相位差的信号，使第一压电陶瓷片604产生不同的激励振动，进而使连接装置9在第一通孔706内进行运动，拉动第二圆柱轴701，由于第二圆柱轴701与第一V型槽603的两侧壁接触，使第二圆柱轴701产生转动，进而带动第二机械臂7运动，运动的方向和幅度与施加的信号的决定；同理对第二压电陶瓷片704接通具有相位差的信号能带动第三机械臂8运动，进而带动机械手5运动。

连接装置9包括平行且对称设置的两块夹板901，两块夹板901之间的距离与第一金属基体602的宽度相同；两块夹板901的两端之间分别固接有转轴902和柱销903，柱销903与第一通孔605滑动连接，转轴902与第二轴孔706转动连接；

轴座4包括支撑架401，支撑架401为空心管状结构，支撑架401的两端面分别周向且等距开设有四个定位槽402，位于同一端面的四个定位槽402内分别可拆卸连接有定位梁403，四个定位梁403之间固定有环形振子404，定位梁403的上端面和下端面分别粘接有一片转动压电陶瓷片405，两个环形振子404将球形块601卡住，当对转动压电陶瓷片405接通不同的电信号，两个环形振子404根据不同的电信号产生不同的驻波振动，使与两个环形振子404接触的球形块601产生特定方向的转动，进而带动机械臂进行上下或左右方向的运动。

进一步优化方案，夹持组件包括底梁501，底梁501的两端分别铰接有夹持手502，两个夹持手502对称设置，底梁501上固定有夹持压电叠堆503，夹持压电叠堆503远离底梁501的一端固接有动力杆504，动力杆504的两端分别铰接有传动杆505的一端，传动杆505的另一端与夹持手502铰接，当对夹持压电叠堆503通电时，夹持压电叠堆503根据电信号产生伸长或缩短的形变，进而带动动力杆504远离或靠近底梁501，动力杆504运动产生的力通过与之铰接的传动杆505传递，进而带两个动夹持手502靠近或分离，完成夹持动作。

进一步优化方案，转动组件包括外套管506和套接在外套管506内的内轴507，外套管506与第三机械臂8固接，内轴507与底梁501固接。外套管506内对称嵌设有磁铁508，外套管506的内壁固定有内齿轮509，内齿轮509的内径与内轴507相适配；内轴507上周向开设有若干制动孔510，制动孔510内滑动连接有制动压电叠堆511，制动压电叠堆511的头部形与内齿轮509的齿形相适配；内轴507外缠绕有线圈512，当对线圈512通电时，根据电磁效应原理，内轴507将进行转动，进而带动夹持组件转动，将夹持组件夹持的物体转动到需要的角度；制动压电叠堆511接通不同的电信号时，产生收缩或伸长的运动，伸长时，制动压电叠堆511的顶部伸出制动孔510然后与内齿轮509的齿啮合，防止夹持组件转动，保证夹持动作的精确性，收缩时，制动压电叠堆511的顶部收缩会制动孔510内，内轴507可以进行自由转动，便于调节夹持组件的角度。

进一步优化方案，滑块3开设有与立柱2相适配的通孔，通孔四周周向开设有若干定位孔301，定位孔301的底部固定有电磁铁302，定位孔301靠近立柱2的一端滑动连接有定位柱303，定位柱与电磁铁302之间固接有弹簧304，定位柱304远离电磁铁302的一端固定有卡箍305卡箍305与立柱2可拆卸连接，需要滑块3滑动时，电磁铁302不通电，弹簧304收缩，拉动定位杆303向电磁铁304运动，卡箍305随之运动与立柱2分离，滑块3即可在立柱2上进行滑动，电磁铁302通电时，电磁铁302产生磁性，磁性与定位杆303的磁性互斥，将定位杆303弹出，推动卡箍305顶住立柱2，使滑块3固定在立柱2上，不在进行滑动。

使用方法:首先将底座1放到指定位置，然后进行有效固定，然后控制滑块3在立柱2上滑动到适当位置，然后对滑块3内的电磁铁302通电，电磁铁302产生磁性并与定位柱303互斥，将定位柱303推向立柱2，定位柱303带动卡箍305与立柱2卡住，滑块3即固定在立柱2上不移动。

根据需要对第一压电陶瓷片604，第二压电陶瓷片704通入具有相位差的驱动信号，第一压电陶瓷片604，第二压电陶瓷片704根据获得的驱动信号的不同，产生不同的机械变形，通过连接装置9分别使第二机械臂7和第三机械臂8分别按照驱动信号进行运动，最终带动机械手5移动到待夹持的物体位置。

对夹持压电叠堆503通入电信号，夹持压电叠堆503根据电信号收缩变形，拉动动力杆504向底梁501运动，通过与运动杆504铰接的传动杆505将两个夹持手502推开，两个夹持手502之间的距离增加，直到与待夹持的物体适配，然后在对夹持压电叠堆503通入相反电信号，夹持压电叠堆503根据电信号舒张变形，推动动力杆504向远离底梁501的方向运动，通过传动杆505将两个夹持手502拉近，两个夹持手502之间的距离减小，最终将待夹持的物体夹持牢固。

然后对粘接在环形振子404顶面的底面的压电陶瓷片405接入电信号，使两个环形振子404分别产生不同的超声驻波振动，带动与两个环形振子404接触的球形块601进行上下或左右方向的运动，同时结合第二机械臂7和第三机械臂8的运动，将机械手5夹持的物体放到预定位置，然后再次松开机械手5的两个夹持手502放开物体即可。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：包括底座(1)，所述底座(1)的顶面转动连接有立柱(2)，所述立柱(2)上滑动连接有滑块(3)，所述滑块(3)的一侧固定有轴座(4)，所述轴座(4)内铰接有机械臂的一端，所述机械臂的另一端转动连接有机械手(5)，所述机械手(5)包括转动组件和夹持组件；

所述机械臂包括首尾相连的第一机械臂(6)、第二机械臂(7)和第三机械臂(8)，第一机械臂(6)的一端与所述轴座(4)铰接，所述第一机械臂(6)的另一端转动连接所述第二机械臂(7)；所述第二机械臂(7)的另一端转动连接所述第三机械臂(8)，所述第三机械臂(8)远离所述第二机械臂(7)的一端与所述转动组件固接；

所述第一机械臂(6)与所述第二机械臂(7)之间设有连接装置(9)；所述第二机械臂(7)与所述第三机械臂(8)之间设有连接装置(9)；

所述轴座(4)包括支撑架(401)，所述支撑架(401)为空心管状结构，所述支撑架(401)的两端面分别周向且等距开设有四个定位槽(402)，位于同一端面的四个所述定位槽(402)内分别可拆卸连接有定位梁(403)，四个所述定位梁(403)之间固定有环形振子(404)，所述定位梁(403)的上端面和下端面分别粘接有一片转动压电陶瓷片(405)。

2.根据权利要求1所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述第一机械臂(6)包括球形块(601)，所述球形块(601)与所述轴座(4)球形铰接，所述球形块(601)位于两个所述环形振子(404)之间，所述球形块(601)远离所述轴座(4)的一端固接有第一金属基体(602)的一端，所述第一金属基体(602)的另一端开设有第一V型槽(603)，所述第一金属基体(602)的上端面和下端面分别粘接有第一压电陶瓷片(604)，所述第一金属基体(602)上开设有第一通孔(605)，所述第一通孔(605)与所述第一V型槽(603)的开设方向相同，所述连接装置(9)与所述第一通孔(605)滑动连接。

3.根据权利要求2所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述第二机械臂(7)包括第二圆柱轴(701)，所述第二圆柱轴(701)与所述第一V型槽(603)转动连接；所述第二圆柱轴(701)的侧面固接有第二金属基体(702)，所述第二金属基体(702)远离所述第二圆柱轴(701)的一端开设有第二V型槽(703)；所述第二金属基体(702)的上端面和下端面分别粘接有第二压电陶瓷片(704)，所述第二金属基体(702)上开设有第一通孔(705)，所述第二通孔(705)与所述第二V型槽(703)的开设方向相同。

4.根据权利要求3所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述第二圆柱轴(701)的端面开设有第二轴孔(706)，所述第二轴孔(706)内固定连接有所述连接装置(9)，所述第二轴孔(706)通过所述连接装置(9)连接所述第一通孔(605)。

5.根据权利要求4所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述连接装置(9)包括平行且对称设置的两块夹板(901)，两块所述夹板(901)之间的距离与所述第一金属基体(602)的宽度相同；两块夹板(901)的两端之间分别固接有转轴(902)和柱销(903)，所述柱销(903)与所述第一通孔(605)滑动连接，所述转轴(902)与所述第二轴孔(706)转动连接。

6.根据权利要求1所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述夹持组件包括底梁(501)，所述底梁(501)的两端分别铰接有夹持手(502)，两个所述夹持手(502)对称设置，所述底梁(501)上固定有夹持压电叠堆(503)，所述夹持压电叠堆(503)远离所述底梁(501)的一端固接有动力杆(504)，所述动力杆(504)的两端分别铰接有传动杆(505)的一端，所述传动杆(505)的另一端与所述夹持手(502)铰接。

7.根据权利要求6所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述转动组件包括外套管(506)和套接在所述外套管(506)内的内轴(507)，所述外套管(506)与所述第三机械臂(8)固接，所述内轴(507)与所述底梁(501)固接；所述外套管(506)内对称嵌设有磁铁(508)，所述外套管(506)的内壁固定有内齿轮(509)，所述内齿轮(509)的内径与所述内轴(507)相适配。

8.根据权利要求7所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述内轴(507)上周向开设有若干制动孔(510)，所述制动孔(510)内滑动连接有制动压电叠堆(511)；所述内轴(507)外缠绕有线圈(512)。

9.根据权利要求1所述的多关节多自由度医用压电微机械操作手，其特征在于：所述滑块(3)开设有与所述立柱(2)相适配的通孔，所述通孔四周周向开设有若干定位孔(301)，所述定位孔(301)的底部固定有电磁铁(302)，所述定位孔(301)靠近所述立柱(2)的一端滑动连接有定位柱(303)，所述定位柱与所述电磁铁(302)之间固接有弹簧(304)，所述定位柱(304)远离所述电磁铁(302)的一端固定有卡箍(305)，所述卡箍(305)与所述立柱(2)可拆卸连接。

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