CN113662667B - 手动离合装置及具有其的集成关节、手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手动离合装置，包括壳体，上壳体与下壳体固定连接构成壳体，且上壳体与下壳体连接时构成腔体，腔体内自下而上依次设置有调节板、下离合板和上离合板，下离合板和上离合板分别与输入端和输出端传动连接，下离合板和上离合板之间至少设置有两个锁止柱体，下离合板上至少开有两个分别供锁止柱体穿过的通孔，上离合板上至少开有两个分别供锁止柱体嵌入的凹槽，下离合板和上离合板之间通过锁止柱体实现传动连接，调节板为磁板，锁止柱体为磁性材料制成，锁止柱体能够吸附在调节板上。本发明结构简单可靠，能够在断电或者紧急情况下快速实现输入端与输出端的脱开，提高了手术机器人在使用时的安全性。

Description

手动离合装置及具有其的集成关节、手术机器人

技术领域

本发明涉及一种手术机器人关节用的离合装置。

背景技术

由于集成化关节与输出轴之间的连接与传动装置具有结构简单、传动效率高、响应快、重量轻、强度高、抗疲劳和抗冲击能力较好的优点，同时在机器人的动力传动设备中安装空间小，能够使集成关节与次级结构的传动输出保持良好的动力传输与较快的速度响应，因此其广泛的应用于多自由度的手术机器人关节中。

而现有集成化关节的控制装置和驱动装置整合在一个机械空间内部，同时由于通常机械系统中的离合装置安装在执行机构附近，因此集成化关节中缺乏离合操作功能。同时，现有集成关节使用的谐波减速器或者大减速比变速器，在断电时制动器会锁止住输出轴的旋转运动，因此不便于灵活迅速的反向驱动控制，在操作中遇到紧急情况或者无电流通断时会出现不可转动关节的问题，造成手术机器人关节紧急反向驱动响应时间延长，应急措施与操作反应时间较长，并导致控制恢复手术机器人状态变量过程繁琐，影响了手术机器人操作效果，在机器人辅助手术中会造成运动控制安全性的问题。因此研发高操作安全性的集成关节是十分必要的，对我国多自由度手术机器人发展具有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供手动离合装置及具有其的集成关节、手术机器人。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种手动离合装置，包括壳体，上壳体与下壳体固定连接构成壳体，且上壳体与下壳体连接时构成腔体，腔体内自下而上依次设置有调节板、下离合板和上离合板，下离合板和上离合板分别与输入端和输出端传动连接，下离合板和上离合板之间至少设置有两个锁止柱体，下离合板上至少开有两个分别供锁止柱体穿过的通孔，上离合板上至少开有两个分别供锁止柱体嵌入的凹槽，下离合板和上离合板之间通过锁止柱体实现传动连接，调节板为磁板，锁止柱体为磁性材料制成，锁止柱体能够吸附在调节板上，调节板的侧边设置有至少两个拨杆，壳体位于每个拨杆处均开有与其相配合的导向锁止槽。

优选的，所述上壳体与下壳体分别开有上壳装配孔和下壳装配孔，下离合板具有下轴端，下轴端与下壳装配孔之间通过轴承实现连接，且输入端具有的传动轴通过与下轴端的配合，实现输入端与下离合板的传动连接，上离合板具有上轴端，上轴端与上壳装配孔之间通过轴承实现连接，输出端具有的传动轴通过与上轴端的配合，实现输出端与上离合板的传动连接。

优选的，所述锁止柱体沿圆周方向均匀布置，通孔的大小、形状与锁止柱体相匹配，凹槽的大小、形状与锁止柱体相匹配。

优选的，所述下离合板和上离合板之间沿周向均匀设置有六个锁止柱体，下离合板位于下轴端的外周沿周向均匀开有六个分别与锁止柱体相配合的通孔，上离合板位于上轴端的外周沿周向均匀开有六个分别与锁止柱体相配合的凹槽。

优选的，所述调节板的侧边沿周向均匀设置有三个拨杆，壳体外周沿周向均匀开有三个安装拨杆的导向锁止槽，每个导向锁止槽均具有滑移斜面，且导向锁止槽位于滑移斜面的两端均具有限位平面。

优选的，所述每个导向锁止槽分别包括位于上壳体下端沿口的上半槽和位于下壳体上端沿口的下半槽，上半槽和下半槽的大小、形状均与拨杆相匹配，当上壳体与下壳体固定连接构成壳体时，上半槽与下半槽组合构成导向锁止槽，上半槽与下半槽的结构相同。

优选的，所述锁止柱体为回转体。

优选的，所述锁止柱体为圆柱体；

或者锁止柱体为椭球体；

或者锁止柱体为前后两端为平面的椭球体。

优选的，所述调节板与下壳体之间还具有弹性构件，弹性构件的两端抵接于调节板和下壳体上为二者提供靠近或远离彼此的作用力。

一种集成关节，包括手动离合装置。

一种手术机器人，包括集成关节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在集成关节中增加手动离合功能，在紧急或失电等情况下，可迅速实现集成关节的人工反向运动，继而缩短手术机器人关节反向驱动的响应时间，尽可能不影响手术机器人的操作效果，提高手术机器人在操作时的安全性；

同时本发明能够通过带磁性的调节板带动锁止柱体上下运动，实现输入、输出端的结合与断开，用相对简单的结构实现离合的目的，既能够保证可靠使用，同时也降低了成本；

进一步的，本发明能够通过调节板与下离合板来实现锁止柱体的上下运动，继而使得锁止柱体脱开上离合板，这样的结构使得上、下离合板相对位置的静止，不会因为离合而运动，继而提高了集成关节的运动精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明去掉其中一个把手9后的立体结构示意图；

图3为本发明去掉上壳体1后的爆炸示意图；

图4为本发明下离合板5的立体结构示意图；

图5为本发明下离合板5的结构示意图；

图6为本发明压簧3放置在下壳体2内时的立体结构示意图；

图7为本发明上离合板6的立体结构示意图；

图8为本发明上离合板6的结构示意图；

图9为本发明锁止柱体7为圆柱体时的结构示意图；

图10为本发明锁止柱体7为椭球体时的结构示意图；

图11为本发明锁止柱体7为前后两端为平面的椭球体时的结构示意图。

图中：1上壳体、101上壳装配孔、102上半槽、2下壳体、201下壳装配孔、202下半槽、3压簧、4调节板、401拨杆、5下离合板、501通孔、502下轴端、6上离合板、601凹槽、602上轴端、7锁止柱体、8导向锁止槽、9把手。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1-11，一种手动离合装置，包括壳体，上壳体1与下壳体2固定连接构成壳体，且上壳体1与下壳体2连接时构成腔体，腔体内自下而上依次设置有调节板4、下离合板5和上离合板6，下离合板5和上离合板6分别与输入端和输出端传动连接，下离合板5和上离合板6之间至少设置有两个锁止柱体7，下离合板5上至少开有两个分别供锁止柱体7穿过的通孔501，上离合板6上至少开有两个分别供锁止柱体7嵌入的凹槽601，下离合板5和上离合板6之间通过锁止柱体7实现传动连接，调节板4为磁板，锁止柱体7为磁性材料制成，锁止柱体7能够吸附在调节板4上，调节板4的侧边设置有至少两个拨杆401，壳体位于每个拨杆401处均开有与其相配合的导向锁止槽8。

优选的，拨杆401和调节板4一体成型，并且为了操作人员的舒适性，拨杆401套有把手9，把手9靠近壳体的部分设置为与壳体形状相适配的圆弧面，从而方便把手9的转动。可以理解的是，拨杆401也可以采用装配的方式与调节板4固定连接，例如拨杆401插入或者旋入调节板4上设置的孔中。相应的，拨杆401和把手9可以为一个零部件，例如拨杆401为金属件，在其上注塑有把手9。

由于锁止柱体7为磁性材料，因此能够始终吸附在调节板4上的，当本手动离合装置需要断开时，操作人员转动把手9，调节板4通过导向锁止槽8向下运动的同时，吸附锁止柱体7向下运动脱出凹槽601，从而断开上下离合板间的动力连接。且由于上下离合板间具有一定的初始装配间隙(在应用于微创手术机器人关节的场景下，间隙尺寸在0.2-1mm之间，优先为0.3-0.5mm，本实施例中间隙为0.5mm；可以理解的是，当应用于其他场景时，如上下离合板的尺寸较大，锁止柱体7的尺寸会相应变大，则相应的间隙尺寸可以放大，只要能满足上下离合板相对高速转动时不发生干涉即可)，转动关节带动上离合板6运动时，下离合板5及调节板4等不会对转动关节造成阻力，可实现转动关节的灵活调整。当本手动离合装置需要接合时，操作人员反向转动把手9，调节板4通过导向锁止槽8向上运动的同时，推动锁止柱体7向上运动嵌入凹槽601，从而接合上下离合板间的动力连接。且由于下离合板5和调节板4间具有一定的初始装配间隙(间隙尺寸在1-2mm之间，本实施例中间隙为1.5mm，同理，在其他应用场景下，该尺寸可以发生变化)，下离合板5自身转动时，不会直接接触调节板4，而是通过锁止柱体7与调节板4相接触，用滚动摩擦替代滑动摩擦，减小了摩擦阻力，提高了传动效率和本装置的使用寿命。

锁止柱体8可以是铁、镍等能被磁铁吸引的材质制成，也可以是表面或内部是能被磁铁吸引的材质制成。本实施例中，内部为铁芯，外表面镀铬以提高锁止柱体7的耐磨性。相应的，调节板4为磁板指的是调节板4具有磁性，能够吸附磁性材料，可以是上层具有磁性的复合板，也可以全为磁性板。本实施例中，调节板4为上层是永磁体、下层是金属的复合板。

优选的，所述上壳体1与下壳体2分别开有上壳装配孔101和下壳装配孔201，下离合板5具有下轴端502，下轴端502与下壳装配孔201之间通过轴承实现连接，且输入端具有的传动轴通过与下轴端502的配合，实现输入端与下离合板5的传动连接，上离合板6具有上轴端602，上轴端602与上壳装配孔101之间通过轴承实现连接，输出端具有的传动轴通过与上轴端602的配合，实现输出端与上离合板6的传动连接。本实施例中，上壳体1和下壳体2是通过沿周向布置的六个螺钉固定在一起的，而两个轴承实现了上轴端602与下轴端502相对于壳体的自由转动和支撑。在将本离合装置实际使用到关节中时，可以将本装置壳体与关节的壳体固定，或者使本装置壳体成为关节的壳体的一部分。而上轴端602与下轴端502与输入输出端的传动轴是分别固定连接的，因此，上下离合板与关节壳体的位置是固定的，仅能发生相对转动。从而在本离合装置接合或断开的时候，输入输出端的位置不会发生改变，提高了应用本离合装置的机构(如关节)的位置精度，更有利于机构(如关节)的定位和控制。

优选的，所述锁止柱体7沿圆周方向均匀布置，通孔501的大小、形状与锁止柱体7相匹配，凹槽601的大小、形状与锁止柱体7相匹配。相匹配的意思是指通孔501的大小恰好能够使锁止柱体7自由通过，形状与锁止柱体7是相似的，例如锁止柱体7为圆柱体，则通孔501的形状就是矩形通孔；凹槽601的大小恰好能够使锁止柱体7嵌入，形状与锁住柱体7嵌入的部分是相似的，例如锁止柱体7为圆柱体，则凹槽601的形状就是圆柱体的一部分(如圆柱体的一半)。

优选的，所述下离合板5和上离合板6之间沿周向均匀设置有六个锁止柱体7，下离合板5位于下轴端502的外周沿周向均匀开有六个分别与锁止柱体7相配合的通孔501，上离合板6位于上轴端602的外周沿周向均匀开有六个分别与锁止柱体7相配合的凹槽601。可以理解的是，锁止柱体7和凹槽601的数量并不是一定要相等，事实上，只要有足够数量的凹槽601能够供锁止柱体7嵌入即可。例如将凹槽601的数量设置为锁止柱体7的两倍，此时锁止柱体7会更容易嵌入凹槽601中，有利于缩短离合装置接合过程耗费的时间。当然，凹槽601不宜设置过多，否则会影响上离合板6的结构强度。虽然通孔501一般与锁止柱体7的数量设置为相同的(锁止柱体7会一直位于通孔501内)，但也并非对其数量关系的限制。

所述调节板4的侧边沿周向均匀设置有三个拨杆401，壳体外周沿周向均匀开有三个安装拨杆401的导向锁止槽8，每个导向锁止槽8均具有滑移斜面，且导向锁止槽8位于滑移斜面的两端均具有限位平面。

导向锁止槽8通过与拨杆401的配合，可以在调节板4转动时起到导向和固定的作用，拨杆401的径向上至少有一侧与导向锁止槽8接触，从而产生一个摩擦力，拨杆401在滑移斜面上运动时就能够带动调节板4在转动的同时上升或者下降，而当拨杆401到达限位平面时，就可以实现锁止的目的了，而通过弹性构件3向上或向下施加的作用力，就能够更好地将拨杆401抵在限位平面上(提高了摩擦力的大小)，从而实现调节板4自身的固定。拨杆401还可以包括弹性材料，此时拨杆401的尺寸可以设置比导向锁止槽8的尺寸稍微大一点(尺寸大多少取决于设计的拨动力的大小)，从而实现一个过盈配合的效果，也能够起到锁止的作用。拨杆可以整体由弹性材料组成，也可以是内部金属杆外部包裹一层弹性材料。

可以理解的是，导向锁止槽8可以位于上壳体1上，也可以位于下壳体2上，还可以一部分位于上壳体1、另一部分位于下壳体2上。当锁止导向槽8全部位于上壳体1或下壳体2上时，位于便于装配，将拨杆401采用装配的方式与调节板4固定连接，例如拨杆401插入或者旋入调节板4上设置的孔中。当锁止导向槽8同时位于上壳体1和下壳体2上时，拨杆401既可以与调节板4装配固定，也可以一体成型，减少零部件数量并节省装配时间。优选的，所述每个导向锁止槽8分别包括位于上壳体1下端沿口的上半槽102和位于下壳体2上端沿口的下半槽202，上半槽102和下半槽202的大小、形状均与拨杆401相匹配，当上壳体1与下壳体2固定连接构成壳体时，上半槽102与下半槽202组合构成导向锁止槽8，上半槽102与下半槽202的结构相同。上下半槽相同结构的设置，一方面可以方便拨杆401和调节板4的装配，另一方面还可以适用同一套模具和机加工设备，节约加工制造成本。

优选的，所述锁止柱体7为回转体。

回转体的结构可以保证锁止柱体7在旋转时它的每个部分旋转到固定一个位置时都是一样的形状，这样能够更好地与通孔501、凹槽601和调节板4相配合，同时保证调节板4和锁止柱体7始终是线接触，便于减小调节板4和下离合板5之间的传动摩擦力。

优选的，所述锁止柱体7为圆柱体；

以锁止柱体7为圆柱体为例，圆柱体作为一个标准的回转体可以起到离合的目的，而实际使用时，为了保证传动时锁止柱体7不从上离合板6的凹槽601中脱出，凹槽601的深度H1≥圆柱直径D3的一半，优选H1＝(0.55～0.6)*D3，而为了保证锁止柱体7顺利进入凹槽601，凹槽601的宽度D1＝(0.5～0.51)*D3，长度L1＝(1～1.02)*L3；

而为了保证锁止柱体7断开时顺利向下运动，下离合板5的通孔501的宽度D2＝(0.5～0.52)*D3，长度L2＝(1.01～1.03)*L3，并且L2≥L1，D2≥D1(即通孔501的截面尺寸不小于凹槽601的最大截面尺寸)。

另一方面，锁止柱体7还可以为椭球体；椭球体的设置可以减少锁止柱体7与调节板4的接触线的长度，能够进一步减小调节板4和下离合板5之间的传动摩擦力，但对于调节板4对锁止柱体7的吸附力存在一定的负面影响，且提高了加工难度。

另一方面，锁止柱体7还可以为前后两端为平面的椭球体；将椭球体的前后两端“削去”，可以降低加工难度，同时保留了低摩擦力的特点。

优选的，所述调节板4与下壳体2之间还具有弹性构件3，弹性构件3的两端抵接于调节板4和下壳体2上为二者提供靠近或远离彼此的作用力。例如，弹性构件3为压簧，两端分别固定在下壳体2和调节板4上，由于下壳体2始终静止，因此压簧给调节板4一个始终向上的推力。该推力同样作用到了拨杆401上，从而使拨杆401始终压在导向锁止槽8上，进而增大了拨杆401和导向锁止槽8之间的摩擦力，提高了拨杆401被锁止的可靠性。

本发明在使用时，当拨杆401处于图2所示位置时，锁止柱体7同时位于通孔501和凹槽601内，从而将下离合板5的动力传递给上离合板6。而遇到紧急情况或者失电时，需要对关节进行移动的情况下，工作人员旋转把手9，通过通过导向锁止槽8与压簧3的配合，调节板4转动的同时还能够向下运动，此时锁止柱体8在磁性调节板4的吸引力下向下运动，从而慢慢脱出上离合板6的凹槽601(仍位于下离合板5的通孔501内)，最终实现上下离合板的断开。当需要接合时，反向旋转把手9并同时转动关节以带动上离合板6转动，通过导向锁止槽8与压簧3的配合，调节板4能够在转动的同时上升并带动锁止柱体8向上运动，从而露出通孔501，当上离合板6转动某一位置时，可以继续旋转离合把手3，从而使锁止柱体8嵌入上离合板5的凹槽53内，完成下离合板5与上离合板6的接合动作。

本发明实施例还提供了一种集成关节，包括上述的手动离合装置。可以随时实现与驱动部分的接合和断开，在紧急或失电等情况下，可迅速实现集成关节的人工反向运动，提高了关节的控制灵活性。

本发明实施例还提供了一种手术机器人，包括上述的集成关节。减少了手术机器人关节紧急反向驱动响应时间，以及应急措施与操作反应时间，可以提高操作安全性。

需要说明的是，本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，发明人在此不再详述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手动离合装置，其特征在于：包括壳体，上壳体（1）与下壳体（2）固定连接构成壳体，且上壳体（1）与下壳体（2）连接时构成腔体，腔体内自下而上依次设置有调节板（4）、下离合板（5）和上离合板（6），下离合板（5）和上离合板（6）分别与输入端和输出端传动连接，下离合板（5）和上离合板（6）之间至少设置有两个锁止柱体（7），下离合板（5）上至少开有两个分别供锁止柱体（7）穿过的通孔（501），上离合板（6）上至少开有两个分别供锁止柱体（7）嵌入的凹槽（601），下离合板（5）和上离合板（6）之间通过锁止柱体（7）实现传动连接，调节板（4）为磁板，锁止柱体（7）为磁性材料制成，锁止柱体（7）能够吸附在调节板（4）上，调节板（4）的侧边设置有至少两个拨杆（401），壳体位于每个拨杆（401）处均开有与其相配合的导向锁止槽（8），每个导向锁止槽（8）均具有滑移斜面，且导向锁止槽（8）位于滑移斜面的两端均具有限位平面，所述每个导向锁止槽（8）分别包括位于上壳体（1）下端沿口的上半槽（102）和位于下壳体（2）上端沿口的下半槽（202），上半槽（102）和下半槽（202）的大小、形状均与拨杆（401）相匹配，当上壳体（1）与下壳体（2）固定连接构成壳体时，上半槽（102）与下半槽（202）组合构成导向锁止槽（8），上半槽（102）与下半槽（202）的结构相同。

2.根据权利要求1所述的手动离合装置，其特征在于，所述上壳体（1）与下壳体（2）分别开有上壳装配孔（101）和下壳装配孔（201），下离合板（5）具有下轴端（502），下轴端（502）与下壳装配孔（201）之间通过轴承实现连接，且输入端具有的传动轴通过与下轴端（502）的配合，实现输入端与下离合板（5）的传动连接，上离合板（6）具有上轴端（602），上轴端（602）与上壳装配孔（101）之间通过轴承实现连接，输出端具有的传动轴通过与上轴端（602）的配合，实现输出端与上离合板（6）的传动连接。

3.根据权利要求1所述的手动离合装置，其特征在于，所述锁止柱体（7）沿圆周方向均匀布置，通孔（501）的大小、形状与锁止柱体（7）相匹配，凹槽（601）的大小、形状与锁止柱体（7）相匹配。

4.根据权利要求1或2或3之一所述的手动离合装置，其特征在于，所述下离合板（5）和上离合板（6）之间沿周向均匀设置有六个锁止柱体（7），下离合板（5）位于下轴端（502）的外周沿周向均匀开有六个分别与锁止柱体（7）相配合的通孔（501），上离合板（6）位于上轴端（602）的外周沿周向均匀开有六个分别与锁止柱体（7）相配合的凹槽（601）。

5.根据权利要求1所述的手动离合装置，其特征在于，所述调节板（4）的侧边沿周向均匀设置有三个拨杆（401），壳体外周沿周向均匀开有三个安装拨杆（401）的导向锁止槽（8）。

6.根据权利要求1所述的手动离合装置，其特征在于，所述锁止柱体（7）为回转体。

7.根据权利要求6所述的手动离合装置，其特征在于，所述锁止柱体（7）为圆柱体；

或者锁止柱体（7）为椭球体；

或者锁止柱体（7）为前后两端为平面的椭球体。

8.根据权利要求1所述的手动离合装置，其特征在于，所述调节板（4）与下壳体（2）之间还具有弹性构件（3），弹性构件（3）的两端抵接于调节板（4）和下壳体（2）上为二者提供靠近或远离彼此的作用力。

9.一种集成关节，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的手动离合装置。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括权利要求9所述的集成关节。

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