CN113524257A - 一种重力平衡支撑臂及应用其的磁锚定设备 - Google Patents

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CN113524257A CN202111058456.XA CN202111058456A CN113524257A CN 113524257 A CN113524257 A CN 113524257A CN 202111058456 A CN202111058456 A CN 202111058456A CN 113524257 A CN113524257 A CN 113524257A
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张伟文
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方皎
王建平
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Abstract

本发明公布了一种重力平衡支撑臂，包括肩关节、水平转动悬臂、肘关节和升降悬浮臂，其中水平转动悬臂的两端分别与肩关节和肘关节转动连接，肘关节与升降悬浮臂的一端转动连接，水平转动悬臂以水平转动悬臂与肩关节的连接点为轴带动所述升降悬浮臂在水平平面内旋转，升降悬浮臂以升降悬浮臂与肘关节的连接点为支点在水平平面内旋转及在竖直平面内升降；升降悬浮臂进一步包括升降支座、空心悬臂、钢丝调整座、钢丝、滑轮、弹簧固定块、弹簧、弹簧活动块和铰链，本发明的重力平衡支撑臂，结构简单可靠，成本低廉，体积小巧，重量大幅减轻，操作无阻尼感，无噪音，可精确传递手部动作，操作轻松不易疲劳，具备较强的市场竞争力。

Description

一种重力平衡支撑臂及应用其的磁锚定设备
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及到一种重力平衡支撑臂及应用其的磁锚定设备。
背景技术
磁锚定技术是利用磁体间的磁场吸引力，使锚定磁体对靶磁体进行非接触性空间锚定的技术，该技术在内镜手术中的应用具有减少戳卡数量、降低术后疼痛和并发症的优点，目前在内镜手术临床应用中已日趋成熟。
磁锚定技术包含外锚定磁体和体内的靶磁体，其中，外锚定磁体目前通常由手术助手在手术过程中全程手持，并根据主刀医师要求随时调整位置，非常耗费手术助手的体力和精力。
针对上述不足，目前已出现一些解决方案，例如使用六轴协助机器人控制外锚定磁体位置，或使用固定支架固定外锚定磁体，但六轴协助机器人成本昂贵，占用手术空间较大，操作不直观，甚至有碰伤患者的风险，而传统的固定支架难以灵活快速地调整外锚定磁体的位置和角度。
市面上常见的重力平衡部件或方案也普遍存在明显的技术缺陷，如气弹簧的活动阻尼大，出力受温度影响，无法调节；配重块体积庞大、重量大；恒力弹簧负载能力差，寿命短；而传统的弹簧助力方案通常需额外附加较大的阻尼，升降操作手感不一致，活动较费力，无法实现真正意义上的全浮动操作。
有鉴于此，业界亟待开发体积小巧、活动灵便，可在工作空间内任意点浮动的重力平衡支撑臂及其磁锚定医疗设备。
发明内容
为了解决现有技术的不足，第一方面，本发明提供一种重力平衡支撑臂，包括肩关节、水平转动悬臂、肘关节和升降悬浮臂，所述水平转动悬臂的两端分别与所述肩关节和所述肘关节转动连接，所述肘关节与所述升降悬浮臂的一端转动连接，所述水平转动悬臂以水平转动悬臂与肩关节的连接点为轴带动所述升降悬浮臂在水平平面内旋转，所述升降悬浮臂以升降悬浮臂与肘关节的连接点为支点在水平平面内旋转及在竖直平面内升降；
所述升降悬浮臂包括升降支座、空心悬臂、钢丝调整座、钢丝、滑轮、弹簧固定块、弹簧、弹簧活动块和铰链，所述空心悬臂的两端分别连接升降支座及铰链，所述弹簧固定块固设于所述空心悬臂内部，所述弹簧的两端分别连接弹簧固定块及弹簧活动块，所述钢丝的一端固定连接所述钢丝调整座，所述钢丝的另一端绕过所述滑轮连接所述弹簧活动块。
进一步的，所述肩关节设置具有第一转动轴线的第一转动副，所述肩关节可绕所述第一转动轴线在水平面转动。
进一步的，其特征在于：所述水平转动悬臂的一端固定连接所述肩关节，并可随所述肩关节绕所述第一转动轴线在水平面转动。
进一步的，所述肘关节通过具有第二转动轴线的第二转动副连接所述水平转动悬臂，所述肘关节可绕所述第二转动轴线相对于所述水平转动悬臂转动，所述第二转动轴线与所述第一转动轴线平行。
进一步的，所述肘关节包含两个平行且不同心的第二转动轴线。
进一步的，所述升降悬浮臂的一端通过具有第三转动轴线的第三转动副连接在所述肘关节上，并可绕第三转动轴线相对于所述肘关节在竖直平面内转动，所述第三转动轴线与所述第二转动轴线垂直。
进一步的，所述升降支座连接所述肘关节，所述升降支座可绕所述第三转动轴线相对于所述肘关节在竖直平面内转动。
进一步的，所述空心悬臂的一端固定连接所述升降支座，所述空心悬臂可随所述升降支座绕所述第三转动轴线相对于所述肘关节转动。
进一步的，所述空心悬臂是空心圆管形、空心方管形或空心异形结构任一种。
进一步的，所述钢丝调整座固定连接所述肘关节，用于固定所述钢丝的一端。
进一步的，所述钢丝调整座通过调整所述钢丝长度调整钢丝拉力。
进一步的，所述钢丝的另一端绕过所述滑轮的一侧转向并固定连接所述弹簧活动块。
进一步的，所述滑轮内置于所述空心悬臂中，用于改变所述钢丝方向，当所述空心悬臂绕所述第三转动轴线转动时，所述滑轮相对于所述钢丝滚动。
进一步的，所述弹簧固定块内置于所述空心悬臂中，用于阻挡弹簧移动。
进一步的，所述弹簧是圆线压簧、矩形压簧、拉簧、对顶波簧的任一种。
进一步的，所述弹簧活动块连接所述钢丝的另一端，所述弹簧活动块在所述空心悬臂中沿轴向滑动，用于将所述弹簧产生的弹力转化为所述钢丝的拉力。
进一步的，所述升降支座内置可调节的阻尼装置，所述阻尼装置采用碟簧、摩擦片、扭簧的任一种方式实现阻尼可调。
进一步的，所述升降悬浮臂的末端进一步设置万向旋转磁头，所述升降悬浮臂的另一端通过具有第四转动轴线的第四转动副连接到万向旋转磁头，其中第四转动轴线与第三转动轴线平行。
进一步的，所述铰链连接所述空心悬臂的另一端，所述铰链可绕所述第四转动轴线相对于所述空心悬臂转动。
进一步的，所述重力平衡支撑臂进一步设置连杆，所述连杆的两端分别连接铰链和钢丝调整座，所述铰链可与所述升降支座、所述空心悬臂及所述连杆组成平行四边形连杆机构。
第二方面，本发明提供一种磁锚定设备，包括底座、主立柱、重力平衡支撑臂和万向旋转磁头，所述重力平衡支撑臂包括肩关节、水平转动悬臂、肘关节和升降悬浮臂，所述主立柱的两端分别连接所述底座与所述肩关节，所述万向旋转磁头连接于所述升降悬浮臂。
进一步的，所述底座设置至少三个以上脚轮。
进一步的，所述磁锚定设备固定安装于地面、墙壁或天花板。
进一步的，所述主立柱的两端分别连接底座与肩关节。
进一步的，所述主立柱是可伸缩的套管。
进一步的，所述肩关节设置具有第一转动轴线的第一转动副，所述肩关节可绕所述第一转动轴线在水平面转动。
进一步的，所述万向旋转磁头与设置于所述升降悬浮臂一端的铰链连接。
进一步的，所述万向旋转磁头内置外锚定磁体。
本发明提供的重力平衡支撑臂，外观简洁美观，零件结构简单，可靠性高，成本低廉，相较于传统的配重块平衡方案，体积小巧，重量大幅减轻；相较于市面上常见的气弹簧平衡方案，操作无阻尼感，无噪音，可精确传递手部动作，操作轻松不易疲劳，具备较强的市场竞争力。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中带重力平衡支撑臂的磁锚定设备的结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例中重力平衡支撑臂的结构示意图。
图3是图2所示升降悬浮臂的第一实施例的局部剖视图。
图4是图2所示升降悬浮臂的第一实施例在不同工作状态的运动示意图。
图5是图2所示升降悬浮臂的第二实施例的局部剖视图。
图6是图2所示升降悬浮臂的第二实施例在不同工作状态的运动示意图。
图7是图2所示升降悬浮臂的第三实施例的局部结构示意图。
各序号及对应的名称分别为：
底座10，主立柱20，重力平衡支撑臂30，万向旋转磁头40，肩关节301，水平转动悬臂302，肘关节303，升降悬浮臂304，升降支座3041，空心悬臂3042，钢丝调整座3043，钢丝3044，滑轮3045，弹簧固定块3046，弹簧3047，弹簧活动块3048，铰链3049，连杆3050。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明的带重力平衡支撑臂的磁锚定设备的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，该磁锚定医疗设备包括底座10、主立柱20、重力平衡支撑臂30和万向旋转磁头40，其中：
底座10可安装3个或以上脚轮以方便随时移动；
进一步地，底座10也可不含脚轮，固定安装于地面、墙壁上，或吊装于天花板上，本发明对此不做限制；
主立柱20包括上端和下端，主立柱20的下端固定连接于底座10上；
进一步地，主立柱20可为一整体，也可为可调整伸缩长度的套管式设计；
重力平衡支撑臂30进一步包括肩关节301、水平转动悬臂302、肘关节303及升降悬浮臂304，其中肩关节301连接主立柱20的上端；
进一步参考图2本发明重力平衡支撑臂的结构示意图，本发明的一些实施例中，空间全浮动重力平衡支撑臂30可包括肩关节301、水平转动悬臂302、肘关节303和升降悬浮臂304，其中：
肩关节301通过具有第一转动轴线AA的第一转动副连接到主立柱20上端，并可绕第一转动轴线AA相对于主立柱20水平转动；
水平转动悬臂302包括第一端和与第一端相反的第二端，所述第一端固定连接肩关节301，并可跟随肩关节301绕第一转动轴线AA相对于主立柱20水平转动；
肘关节303通过具有第二转动轴线BB的第二转动副连接在水平转动悬臂302的第二端上，并可绕第二转动轴线BB相对于水平转动悬臂302水平转动，其中第二转动轴线BB与第一转动轴线AA平行；
进一步地，肘关节303可以包含两个平行且不同心的第二转动轴线BB，也可以只有一个第二转动轴线BB，在设置两个第二转动轴线BB的情形下，其机械连接关系属于本领域普通技术人员的常规设计，在此不再赘述；
升降悬浮臂304包括第一端和与第一端相反的第二端，升降悬浮臂304的第一端通过具有第三转动轴线CC的第三转动副连接在肘关节303上，并可绕第三转动轴线CC相对于肘关节303转动，其中第三转动轴线CC与第二转动轴线BB垂直；
升降悬浮臂304的第二端通过具有第四转动轴线DD的第四转动副连接到万向旋转磁头40，其中第四转动轴线DD与第三转动轴线CC平行。
图3是图2所示升降悬浮臂的第一实施例的局部剖视图，该升降悬浮臂304进一步包括升降支座3041、空心悬臂3042、钢丝调整座3043、钢丝3044、滑轮3045、弹簧固定块3046、弹簧3047、弹簧活动块3048和铰链3049；
万向旋转磁头40连接重力平衡支撑臂30的升降悬浮臂304，所述万向旋转磁头40进一步连接铰链3049；
优选的，万向旋转磁头40内置外锚定磁体（图中未标示），可带动该外锚定磁体沿两个互相垂直的旋转轴任意角度转动。
优选的，升降支座3041内置可调节的阻尼装置（图中未示出），例如采用碟簧、摩擦片、扭簧等方式实现阻尼可调，同时，该阻尼装置可以补偿因为物料差异、装配误差等原因造成的不平衡现象。
图5是图2所示升降悬浮臂的第二实施例的局部剖视图，该第二实施例中的升降悬浮臂304包括升降支座3041、空心悬臂3042、钢丝调整座3043、钢丝3044、滑轮3045、弹簧固定块3046、弹簧3047、弹簧活动块3048和铰链3049，其中：
升降支座3041连接肘关节303，并可绕第三转动轴线CC相对于肘关节303转动，进一步的，升降支座3041内置可调节的阻尼装置（图中未示出），例如采用碟簧、摩擦片、扭簧等方式实现阻尼可调，同时，该阻尼装置可以补偿因为物料差异、装配误差等原因造成的不平衡现象；
空心悬臂3042包括第一端和与第一端相反的第二端，所述第一端固定连接升降支座3041，并可随升降支座3041绕第三转动轴线CC相对于肘关节303转动；
进一步地，空心悬臂3042可为空心圆管形、空心方管形或其它空心异形结构，本发明对此不做限制；
钢丝调整座3043固定连接肘关节303，用于固定钢丝3044的其中一端；
进一步地，钢丝调整座3043可调整钢丝3044的长度，在弹簧3047的弹性系数衰退时，通过调整钢丝3044的长度可控制拉力大小，以快速校准重力平衡偏差；
钢丝3044包括第一端和与第一端相反的第二端，钢丝3044的第一端连接钢丝调整座3043，第二端绕过滑轮3045的一侧后转向并固定连接弹簧活动块3048；
钢丝3044也可采用无弹性的柔性线材；
滑轮3045内置于空心悬臂3042中，用于改变钢丝3044方向，当空心悬臂3042绕第三转动轴线CC转动时，滑轮3045相对于钢丝3044沿轴向滚动。
弹簧固定块3046内置于空心悬臂3042中，用于阻挡弹簧3047移动；
弹簧3047包括第一端和与第一端相反的第二端，弹簧3047的第一端固定连接弹簧固定块3046，弹簧3047的第二端连接于弹簧活动块3048上，并受弹簧活动块3048的压迫或拉伸而产生反向弹力；
进一步地，弹簧3047可为圆线压簧、矩形压簧、拉簧、对顶波簧等所有弹力随变形量线性变化的弹性部件，本发明对此不做限制；
弹簧活动块3048连接钢丝3044的第二端，可在空心悬臂3042中沿轴向滑动，用于将弹簧3047产生的弹力转化为钢丝3044的拉力；
铰链3049连接空心悬臂3042的第二端，并可绕第四转动轴线DD相对于空心悬臂3042转动；
进一步地，铰链3049可绕第四转动轴线DD自由转动，受重力作用，在空心悬臂3042绕第三转动轴线CC转动时，铰链3049可始终保持为竖直方向。
图4是图2所示升降悬浮臂的第一实施例在不同工作状态的运动示意图，图6是图2所示升降悬浮臂的第二实施例在不同工作状态的运动示意图，当升降悬浮臂304绕第三转动轴线CC转动时，钢丝3044在滑轮3045和钢丝调整座3043间的长度随之变化，因钢丝3044总长度一定，则钢丝3044带动弹簧活动块3048沿空心悬臂3042轴向运动，弹簧3047受弹簧活动块3048压迫或拉伸而产生的弹力通过钢丝3044转化为平衡重力的拉力，该拉力对升降悬浮臂304产生的扭矩在任意角度均与重力产生的扭矩大小一致、方向相反，从而升降悬浮臂304可在任意角度保持悬浮状态。
图7是图2所示升降悬浮臂的第三实施例的局部结构示意图，本发明的第三实施例中，铰链3049可与升降支座3041、所述空心悬臂3042及连杆3050组成传统的平行四边形连杆机构，所述连杆3050的两端分别连接铰链3049和钢丝调整座3043。
优选的，升降支座3041内置可调节的阻尼装置（图中未示出），例如采用碟簧、摩擦片、扭簧等方式实现阻尼可调，同时，该阻尼装置可以补偿因为物料差异、装配误差等原因造成的不平衡现象。
在空心悬臂3042绕第三转动轴线CC转动时，铰链3049受平行四边形连杆机构约束可始终保持为竖直方向。
以最普遍的胆囊切除术为例，使用本发明的磁锚定医疗设备时，医护人员先将本设备放置于临近手术病床的合适位置，确保本设备的工作空间覆盖手术区域，将患者按常规手术流程进行麻醉、穿刺等操作后，将内置小磁体或导磁性材料的磁锚定夹送入患者腹腔内，夹持于胆囊的合适位置上，然后移动本发明磁锚定设备的万向旋转磁头40，利用其内置的外锚定磁体对磁锚定夹的磁场力作用，对胆囊进行移动、提拉等操作，从而协助主刀医师保持术野清晰，提高手术效率，并且实现减少戳卡，减少患者术后的痛苦及缩短恢复周期。
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 (28)

1.一种重力平衡支撑臂，其特征在于：包括肩关节、水平转动悬臂、肘关节和升降悬浮臂，所述水平转动悬臂的两端分别与所述肩关节和所述肘关节转动连接，所述肘关节与所述升降悬浮臂的一端转动连接，所述水平转动悬臂以水平转动悬臂与肩关节的连接点为轴带动所述升降悬浮臂在水平平面内旋转，所述升降悬浮臂以升降悬浮臂与肘关节的连接点为支点在水平平面内旋转及在竖直平面内升降；所述升降悬浮臂包括升降支座、空心悬臂、钢丝调整座、钢丝、滑轮、弹簧固定块、弹簧、弹簧活动块和铰链，所述空心悬臂的两端分别连接升降支座及铰链，所述弹簧固定块固设于所述空心悬臂内部，所述弹簧的两端分别连接弹簧固定块及弹簧活动块，所述钢丝的一端固定连接所述钢丝调整座，所述钢丝的另一端绕过所述滑轮连接所述弹簧活动块。
2.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述肩关节设置具有第一转动轴线的第一转动副，所述肩关节可绕所述第一转动轴线在水平面转动。
3.如权利要求2所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述水平转动悬臂的一端固定连接所述肩关节，并可随所述肩关节绕所述第一转动轴线在水平面转动。
4.如权利要求2所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述肘关节通过具有第二转动轴线的第二转动副连接所述水平转动悬臂，所述肘关节可绕所述第二转动轴线相对于所述水平转动悬臂转动，所述第二转动轴线与所述第一转动轴线平行。
5.如权利要求4所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述肘关节包含两个平行且不同心的第二转动轴线。
6.如权利要求4所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述升降悬浮臂的一端通过具有第三转动轴线的第三转动副连接在所述肘关节上，并可绕第三转动轴线相对于所述肘关节在竖直平面内转动，所述第三转动轴线与所述第二转动轴线垂直。
7.如权利要求6所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述升降支座连接所述肘关节，所述升降支座可绕所述第三转动轴线相对于所述肘关节在竖直平面内转动。
8.如权利要求6所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述空心悬臂的一端固定连接所述升降支座，所述空心悬臂可随所述升降支座绕所述第三转动轴线相对于所述肘关节转动。
9.如权利要求8所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述空心悬臂是空心圆管形、空心方管形或空心异形结构任一种。
10.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述钢丝调整座固定连接所述肘关节，用于固定所述钢丝的一端。
11.如权利要求10所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述钢丝调整座通过调整所述钢丝长度调整钢丝拉力。
12.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述钢丝的另一端绕过所述滑轮的一侧转向并固定连接所述弹簧活动块。
13.如权利要求6所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述滑轮内置于所述空心悬臂中，用于改变所述钢丝方向，当所述空心悬臂绕所述第三转动轴线转动时，所述滑轮相对于所述钢丝滚动。
14.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述弹簧固定块内置于所述空心悬臂中，用于阻挡弹簧移动。
15.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述弹簧是圆线压簧、矩形压簧、拉簧、对顶波簧的任一种。
16.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述弹簧活动块连接所述钢丝的另一端，所述弹簧活动块在所述空心悬臂中沿轴向滑动，用于将所述弹簧产生的弹力转化为所述钢丝的拉力。
17.如权利要求1所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述升降支座内置可调节的阻尼装置，所述阻尼装置采用碟簧、摩擦片、扭簧的任一种方式实现阻尼可调。
18.如权利要求6所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述升降悬浮臂的末端进一步设置万向旋转磁头，所述升降悬浮臂的另一端通过具有第四转动轴线的第四转动副连接到万向旋转磁头，其中第四转动轴线与第三转动轴线平行。
19.如权利要求18所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述铰链连接所述空心悬臂的另一端，所述铰链可绕所述第四转动轴线相对于所述空心悬臂转动。
20.如权利要求19所述的重力平衡支撑臂，其特征在于：所述重力平衡支撑臂进一步设置连杆，所述连杆的两端分别连接铰链和钢丝调整座，所述铰链可与所述升降支座、所述空心悬臂及所述连杆组成平行四边形连杆机构。
21.一种磁锚定设备，其特征在于：包括底座、主立柱、重力平衡支撑臂和万向旋转磁头，所述重力平衡支撑臂包括肩关节、水平转动悬臂、肘关节和升降悬浮臂，所述主立柱的两端分别连接所述底座与所述肩关节，所述万向旋转磁头连接于所述升降悬浮臂。
22.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述底座设置至少三个以上脚轮。
23.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述磁锚定设备固定安装于地面、墙壁或天花板。
24.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述主立柱的两端分别连接底座与肩关节。
25.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述主立柱是可伸缩的套管。
26.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述肩关节设置具有第一转动轴线的第一转动副，所述肩关节可绕所述第一转动轴线在水平面转动。
27.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述万向旋转磁头与设置于所述升降悬浮臂一端的铰链连接。
28.如权利要求21所述的磁锚定设备，其特征在于：所述万向旋转磁头内置外锚定磁体。
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