CN114523480A - 一种超声探头快换横向手抓装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种超声探头快换横向手抓装置。本发明包括放置台及抓手单元；抓手单元包括定位部，定位部上回转配合有执行凸轮，执行凸轮通过驱动组件驱动而产生回转动作；执行凸轮的旁侧铰接布置有摆杆，摆杆的内端与执行凸轮间形成抵靠关系，从而可在执行凸轮的回转动作下带动摆杆产生铰接动作；定位部处还布置有彼此配合以便夹紧和放松超声探头的固定卡爪和活动卡爪，固定卡爪安装在定位部上，活动卡爪与摆杆的外端固接，从而在摆杆产生摆动动作时，活动卡爪可主动产生相对固定卡爪的相近及相离动作。本发明既具有合理的受力分布，又有较高的工作效率，且易于控制，可为超声探头更换过程的自动化提供基础保障。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种超声探头快换横向手抓装置。
背景技术
超声探头在医疗领域有着广泛的应用；目前，超声探头都是由医生手握使用。在扫查部位发生变化时，医生需要更换探头，就必须自己亲身去取。而在一些特殊的情况下，医生无法到达现场，就无法开展扫查作业。随着机器人领域的发展，远程控制机械臂来实现扫查作业成为可能。但已有的一些远程扫查设备中，在需要更换超声探头时，仍然需要专业人员走到机械臂前进行手动更换，工作过程复杂、效率低下，且容易造成病人和医护人员的交叉感染。实现超声探头更换工作的自动化，可以降低医护人员的工作强度，提高工作效率。现有的机器人抓持装置，往往需要电、气或液控系统进行驱动，结构复杂、体积庞大，且增加了整个装置的控制难度，并不适用于超声探头的更换工作，亟待解决。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种超声探头快换横向手抓装置，其具备构造简洁紧凑和动作可靠稳定的优点，既具有合理的受力分布，又有较高的工作效率，且易于控制，可为超声探头更换过程的自动化提供基础保障。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种超声探头快换横向手抓装置，包括用于放置超声探头的放置台以及用于对放置台处超声探头执行抓取操作的抓手单元；其特征在于：所述抓手单元包括定位部，定位部上回转配合有执行凸轮，执行凸轮通过驱动组件驱动而产生回转动作；执行凸轮的旁侧铰接布置有摆杆，摆杆的内端与执行凸轮间形成抵靠关系，从而可在执行凸轮的回转动作下带动摆杆产生铰接动作；定位部处还布置有彼此配合以便夹紧和放松超声探头的固定卡爪和活动卡爪，固定卡爪安装在定位部上，所述活动卡爪则与摆杆的外端固接，从而在摆杆产生摆动动作时，活动卡爪可主动产生相对固定卡爪的相近及相离动作。
优选的，所述执行凸轮为正多边形，所述驱动组件包括彼此同轴且端面贴合布置的主动下柱体和从动上柱体，主动下柱体和从动上柱体的相邻端面处均布置轮齿，各轮齿均同向倒伏从而形成可轴向脱离啮合的锯齿状啮合构造；从动上柱体通过回位压簧同轴连接所述执行凸轮，所述驱动组件还包括用于压迫主动下柱体产生相对从动上柱体的相近动作的顶锥和驱使主动下柱体复位的复位弹簧；定位部具备可供主动下柱体产生轴向往复动作的柱状筒腔，柱状筒腔内布置导向凸棱，主动下柱体及从动上柱体的外壁处相应设置与导向凸棱构成导向配合的导向槽，主动下柱体处导向槽的槽长大于或等于导向凸棱长度；主动下柱体处轮齿数目为从动上柱体处轮齿数目的一半，且主动下柱体处导向槽开设在自身轮齿的齿顶端处，与主动上柱体处导向槽数目和位置相匹配的从动上柱体处导向槽则开设在自身轮齿的齿底端处；
当主动下柱体轴向往复位移一次时，以从动上柱体的转动角度为a，则a＝180°/n，其中n为执行凸轮的边数。
所述执行凸轮外形为莱洛三角形状，且从动下柱体上的轮齿数目为六组，主动下柱体上轮齿数目为三组并与从动下柱体处轮齿间形成啮合关系。
优选的，所述定位部包括外形呈直径上粗下细的二段式阶梯轴状的外壳体，外壳体具备内径上大下小的二段式的阶梯腔，阶梯腔的小内径段构成所述柱状筒腔，阶梯腔的大内径段布置所述执行凸轮；执行凸轮的回转轴回转配合在定位部上，且执行凸轮的轮面上沿回转轴轴线周向均布两组以上的定位孔，从动上柱体的顶端面处相应凸设定位销从而插接在所述定位孔内，进而连接所述执行凸轮；所述回位压簧套设在定位销上。
优选的，外壳体的大内径段的腔壁处设置有复位压簧，所述复位压簧的顶端向摆杆处延伸并固定在摆杆的内端处；复位压簧和执行凸轮位于摆杆杆身的两相对侧处。
优选的，所述定位部还包括用于封闭外壳体的大直径端的上盖板和用于封闭外壳体的小直径端的下环板；所述上盖板处同轴布置回转轴承从而用于与执行凸轮的回转轴间形成回转配合；所述下环板的环腔构成可供顶锥伸入的避让腔。
优选的，所述上盖板法兰配合在外壳体上；下环板处轴向凸设有销钉，从而与外壳体的相应端面间形成插接配合。
优选的，所述顶锥外形呈锥尖朝上的圆锥状；每组放置台上均相应凹设有可供一台超声探头放置的放置槽，一组放置台和一组顶锥匹配构成一对快换单元。
优选的，所述固定卡爪和活动卡爪均包括爪臂和用于面抵靠超声探头的其中两相对侧壁的四方板状的贴板，贴板的两短边端向超声探头的另外两相对侧壁处延伸有爪端；固定卡爪和活动卡爪作相向运动至行程末端时，固定卡爪和活动卡爪处贴板及爪端彼此围合形成可供超声探头卡入的夹持区域。
优选的，外壳体的外壁处布置有安装耳，以便用于安装固定卡爪的爪臂。
本发明的有益效果在于：
1)、抛弃了传统的自动化快换装置所具备的结构复杂和成本高昂等一系列固有缺陷。本发明另辟蹊径的采用了无液压等复杂系统的纯机械化联动结构；在工作时，可通过机械臂或其他自动动力臂机构来驱动抓手单元，并伴随抓手单元处驱动组件的动作，随之实现两组卡爪相对指定的超声探头的夹持和放松动作。针对目前活动卡爪的结构复杂性，本发明仅采用了执行凸轮与摆杆的配合，通过对一套机构的同向挤压，即可实现活动卡爪相对固定卡爪的相近夹持和相离放松功能，构造简单，动作稳定，使用灵活度高。
综上，本发明具备构造简洁紧凑和动作可靠稳定的优点，既通过两组卡爪的配合使得其夹持动作受力分布合理，又因驱动组件和执行凸轮的存在使之具备较高的工作效率，且易于控制，可为超声探头更换过程的自动化提供基础保障。
2)、对于驱动组件而言，实际操作时可选用如棘轮棘爪组件甚至的动力电机等，只需能实现对执行凸轮的回转驱动功能即可。考虑到本发明力求结构简洁化和紧凑化，甚至希望能尽可能少的采用外接动力，因此，本发明采用了独特的柱面齿轮咬合结构。在工作时，定位部被机械臂驱动并位移至顶锥处，此时定位部下行，顶锥抵住主动上柱体并轴向施力，使得主动上柱体产生上行运动并推动从动上柱体上行；当从动上柱体处导向槽脱出导向凸棱时，从动上柱体失去导向凸棱的周向约束，此时在回位压簧的作用和柱面齿轮咬合结构的斜齿咬合的协同作用下，从动上柱体被轴向推动并沿轮齿斜面产生周向旋转，直至从动上柱体旋转至重新与主动上柱体完成轮齿啮合。以从动下柱体上的轮齿数目为六组，主动下柱体上轮齿数目为三组为例，此时主动下柱体轴向往复位移一次时，以从动上柱体的转动角度为60°，也即每60°就重新与主动下柱体啮合一次。当采用上述60°范例时，执行凸轮可以外形为莱洛三角形状，以确保整体动作的顺畅度。
显然，通过采用上述结构，本发明的核心构件也即定位部可完全抛开外接动力如电源设备等，而只需通过简单的机械联动构造，即可实现对执行凸轮的驱动功能。执行凸轮动作可带动摆杆动作，摆杆再带动活动卡爪动作，最终完成本发明既定的对超声探头的抓取和放松功能。
3)、从动上柱体与执行凸轮间可以通过止转轴配合彼此，也可以如本发明所述的采用两组以上的定位销插接彼此，只需能在保证两者止转配合从而准确传递扭矩的同时，又能实现从动上柱体的往复直线动作即可。当采用定位销时，回位压簧可以直接布置在定位销上，以方便实现其弹力蓄能和释力效果。
4)、对于摆杆而言，可以利用活动卡爪的自重等来实现自复位，也可以采用本发明所述的复位压簧来实现自复位；甚至通过变换弹簧位置，使用复位拉簧实现自复位亦可。
5)、定位部为两端封闭的二段式阶梯套筒结构。定位部顶端封闭以便安置可回转的执行凸轮；定位部的底端通过下环板半封闭，以便顶锥的顶端能伸入下环板环腔内，最终压迫主动下柱体产生轴向上行动作，使用灵活可靠。考虑到对中性，顶锥优选采用圆锥体结构，以保证本发明工作的高可靠性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为定位部的立体结构示意图；
图3为执行凸轮与摆杆的配合状态图；
图4为导向凸棱的布置位置图；
图5为执行凸轮的立体结构示意图；
图6为主动下柱体和从动上柱体的装配示意图；
图7为主动下柱体和从动上柱体的配合状态爆炸图；
图8为固定卡爪和活动卡爪的配合状态图；
图9为上盖板的立体结构示意图；
图10为下环板的立体结构示意图；
图11为放置台与顶锥的配合状态图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
a-超声探头
10-放置台 20-定位部 20a-导向凸棱
21-外壳体 21a-安装耳 22-上盖板 23-下环板 23a-销钉
30-执行凸轮 31-定位孔 40-摆杆
50-摆杆 51-固定卡爪 52-活动卡爪
61-主动下柱体 62-从动上柱体 62a-定位销
63-回位压簧 64-顶锥 65-复位弹簧
70-复位压簧
具体实施方式
为便于理解，此处结合图1-11，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
本发明的具体结构如图1-11所示，其主要结构包括带有放置槽的放置台10和顶锥64；放置台10和顶锥64共同构成探头座；放置槽用于放置超声探头a；顶锥64用于驱动组件的定位与启动。在顶锥64上方布置可位移的定位部20。其中：
定位部20包括上盖板22、外壳体21和下环板23。如图9所示的，上盖板22上端内部有安装轴承的沉孔；上盖板22边缘有吊耳，用于配合外壳体21上边缘处的配合耳，以便于两者螺栓紧固连接。外壳体21 下表面布置销孔，从而与如图10所示的下环板23处的销钉23a间插接固定。至于外壳体21内部，则布置有阶梯孔状的内腔，其中：外壳体 21的大内径段处设置用于安装复位压簧70的锚点以及用于铰接摆杆40 的铰接点。同时，外壳体21的小内径段则凸设有长度方向平行外壳体 21轴向的导向凸棱20a。外壳体21下端外壁布置安装耳21a，从而用于与固定卡爪51的爪臂间形成螺栓紧固连接。定位部20最终的安装结构参照图1-2所示。
在所述的大内径段处回转配合有如图3及图5所示的执行凸轮30，执行凸轮30依靠位于小内径段内的驱动组件来实现回转动作。驱动组件包括主动下柱体61、从动上柱体62、复位弹簧65和回位压簧63。复位弹簧65套在主动下柱体61上，主动下柱体61利用自身的导向槽滑轨配合在外壳体21内部的导向凸棱20a中。从动上柱体62同样利用自身的导向槽安装在外壳体21内部的导向凸棱20a处。回位压簧63安装在从动上柱体62上表面的定位销62a上。
实际装配时，以图3-10所示结构为例，本发明可使用莱洛三角形形成执行凸轮30。此时，执行凸轮30的回转轴通过轴承配合安装在上盖板22处。摆杆40通过铰接点安装在外壳体21处，摆杆40外端通过螺栓螺母与活动卡爪52紧固相连；复位压簧70固定在外壳体21上端内壁处并与摆杆40相配合。对于固定卡爪51而言，其通过螺栓螺母与外壳体21下端外壁处的配合耳紧固相连。此外，驱动组件中的从动上柱体62上表面有三个定位销62a，定位销62a可在传动机构中的执行凸轮30的定位孔31内上下移动。每当从动上柱体62转动时，定位销62a 就会施加转矩带动执行凸轮30转动，且每次转动60°。当执行凸轮30 每次转动60°时，摆杆40就会被顶起或回位。摆杆40的内端分别有一面与复位压簧70和执行凸轮30接触，执行凸轮30转到齿顶较高处，复位压簧70压缩，摆杆40被顶起，执行凸轮30转到齿顶较低处，复位压簧70释放，摆杆40回位，以完成活动卡爪52的往复摆动目的。
实际工作时，驱动组件中的主动下柱体61与外壳体21内部的导向凸棱20a相配合，主动下柱体61可通过导向槽沿导向凸棱20a上下滑动。当主动下柱体61被顶起上行时，复位弹簧65就被压缩；当主动下柱体61失去顶升力时，复位弹簧65释力，将主动下柱体61沿导向凸棱20a下滑复位。
驱动组件所包含的主动下柱体61与从动上柱体62，是通过间歇运动来完成工作的。每当驱动组件工作一次，从动上柱体62都会转动60°，并且转过60°后会在回位压簧63作用下，从动上柱体62与外壳体21 内部的导向凸棱20a卡住，完成自锁。
为便于理解本发明，此处给出本发明的具体工作流程如下：
本发明开始工作前，两卡爪处于如图8所示的松开状态。
本发明工作时，外部的机械臂带动定位部20向下移动，探头座上顶锥64推动驱动组件工作，驱动组件带动执行凸轮30转动，执行凸轮30推动摆杆40动作，随后摆杆40带动活动卡爪52产生相对固定卡爪 51的相近动作。此时，活动卡爪52和固定卡爪51从松开状态转变为如图1所示的抓紧状态，从而抓起超声探头a。
更具体为：驱动组件的主动下柱体61被顶锥64顶起后，沿着外壳体21处定位凸棱20a向上滑动，复位弹簧65开始压缩；同时，从动上柱体62被顶起并沿定位凸棱20a上升，回位压簧63开始压缩，定位销 62a在执行凸轮30的定位孔31内向上移动。当从动上柱体62处导向槽脱出定位凸棱20a顶端后，也即从动上柱体62失去导向槽的周向约束后，由于回位压簧63始终给予从动上柱体62一个下压力，此时从动上柱体62会沿着主动下柱体61的齿型斜面而产生滑动和旋转动作。当从动上柱体62转过60°后，从动上柱体62处另外的轮齿会直接卡在定位凸棱20a上端，完成锁止。再后，从动上柱体62处定位销62a带动执行凸轮30转动60°；执行凸轮30转动60°后，其齿顶较高一处顶起摆杆40。摆杆40内端被顶起的同时，复位压簧70压缩。此过程中活动卡爪52相对于固定卡爪产生合拢动作，从而夹紧超声探头a，实现如图 1所示的抓持功能。
当完成工作后，外部的机械臂带动定位部20下移，将超声探头a 放回原本位置。由于顶锥64和放置台10一一对应布置，因此一旦超声探头a被放入指定放置台10的放置槽内，必然顶锥64会顶动一次主动上柱体，使得执行凸轮30会再次转动60°，转到齿顶较低的位置；此时，在复位压簧70的释力作用下，摆杆40复位，活动卡爪52相对于固定卡爪51产生张开动作，实现同步的释放超声探头a功能，同时为下一次抓取进行准备，此时完成一个工作循环。
综上可知，本发明具有如下优点：
1、本发明通过驱动组件和莱洛盘特性的执行凸轮30相配合，可以实现驱动组件在一次工作中，执行凸轮30能够实现旋转一定角度，并能够完成自锁的功能，进而达到对两卡爪的张开或合拢动作的驱动和限定效果。相比现有结构而言，本发明单纯依靠机械联动结构，就实现了超声探头a的自动切换流程，效率较高，自动化动作也避免了病人和医护人员的交叉感染风险，一举多得。
2、本发明采用的导向槽式间歇机构结构简单，使用可靠，所占用的空间小，结构更为紧凑；部分零件更换或维修更为方便，成本更加低廉，主要传动部件可批量生产。
3、本发明使用操作便捷。本发明工作主要依靠弹簧势能驱动相应部件工作，省去了电或气或液驱动结构，使与之配合的机械控制系统结构更为简单，且容易实现各部件运动的协调，同时大幅度提高工作效率。
4、本发明的相应机构也可用于类似场合的抓持作业，使之具有更广的使用范围和使用场景。
综上所述，本发明设计新颖，结构合理，布局紧凑，使用灵活，工作可靠，能够满足超声探头甚至是其他物品的无人化更换需求，成效显著。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (10)
1.一种超声探头快换横向手抓装置，包括用于放置超声探头的放置台(10)以及用于对放置台(10)处超声探头执行抓取操作的抓手单元；其特征在于：所述抓手单元包括定位部(20)，定位部(20)上回转配合有执行凸轮(30)，执行凸轮(30)通过驱动组件驱动而产生回转动作；执行凸轮(30)的旁侧铰接布置有摆杆(40)，摆杆(40)的内端与执行凸轮(30)间形成抵靠关系，从而可在执行凸轮(30)的回转动作下带动摆杆(40)产生铰接动作；定位部(20)处还布置有彼此配合以便夹紧和放松超声探头的固定卡爪(51)和活动卡爪(52)，固定卡爪(51)安装在定位部(20)上，所述活动卡爪(52)则与摆杆(40)的外端固接，从而在摆杆(40)产生摆动动作时，活动卡爪(52)可主动产生相对固定卡爪(51)的相近及相离动作。
2.根据权利要求1所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述执行凸轮(30)为正多边形，所述驱动组件包括彼此同轴且端面贴合布置的主动下柱体(61)和从动上柱体(62)，主动下柱体(61)和从动上柱体(62)的相邻端面处均布置轮齿，各轮齿均同向倒伏从而形成可轴向脱离啮合的锯齿状啮合构造；从动上柱体(62)通过回位压簧(63)同轴连接所述执行凸轮(30)，所述驱动组件还包括用于压迫主动下柱体(61)产生相对从动上柱体(62)的相近动作的顶锥(64)和驱使主动下柱体(61)复位的复位弹簧(65)；定位部(20)具备可供主动下柱体(61)产生轴向往复动作的柱状筒腔，柱状筒腔内布置导向凸棱(20a)，主动下柱体(61)及从动上柱体(62)的外壁处相应设置与导向凸棱(20a)构成导向配合的导向槽，主动下柱体(61)处导向槽的槽长大于或等于导向凸棱(20a)长度；主动下柱体(61)处轮齿数目为从动上柱体(62)处轮齿数目的一半，且主动下柱体(61)处导向槽开设在自身轮齿的齿顶端处，与主动上柱体(62)处导向槽数目和位置相匹配的从动上柱体(62)处导向槽则开设在自身轮齿的齿底端处；
当主动下柱体(61)轴向往复位移一次时，以从动上柱体(62)的转动角度为a，则a＝180°/n，其中n为执行凸轮(30)的边数。
3.根据权利要求2所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述执行凸轮(30)外形为莱洛三角形状，且从动下柱体(61)上的轮齿数目为六组，主动下柱体(61)上轮齿数目为三组并与从动下柱体(61)处轮齿间形成啮合关系。
4.根据权利要求2或3所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述定位部(20)包括外形呈直径上粗下细的二段式阶梯轴状的外壳体(21)，外壳体(21)具备内径上大下小的二段式的阶梯腔，阶梯腔的小内径段构成所述柱状筒腔，阶梯腔的大内径段布置所述执行凸轮(30)；执行凸轮(30)的回转轴回转配合在定位部(20)上，且执行凸轮(30)的轮面上沿回转轴轴线周向均布两组以上的定位孔(31)，从动上柱体(62)的顶端面处相应凸设定位销(62a)从而插接在所述定位孔(31)内，进而连接所述执行凸轮(30)；所述回位压簧(63)套设在定位销(62a)上。
5.根据权利要求4所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：外壳体(21)的大内径段的腔壁处设置有复位压簧(70)，所述复位压簧(70)的顶端向摆杆(40)处延伸并固定在摆杆(40)的内端处；复位压簧(70)和执行凸轮(30)位于摆杆(40)杆身的两相对侧处。
6.根据权利要求4所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述定位部(20)还包括用于封闭外壳体(21)的大直径端的上盖板(22)和用于封闭外壳体(21)的小直径端的下环板(23)；所述上盖板(22)处同轴布置回转轴承从而用于与执行凸轮(30)的回转轴间形成回转配合；所述下环板(23)的环腔构成可供顶锥(64)伸入的避让腔。
7.根据权利要求5所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述上盖板(22)法兰配合在外壳体(21)上；下环板(23)处轴向凸设有销钉(23a)，从而与外壳体(21)的相应端面间形成插接配合。
8.根据权利要求2或3所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述顶锥(64)外形呈锥尖朝上的圆锥状；每组放置台(10)上均相应凹设有可供一台超声探头放置的放置槽，一组放置台(10)和一组顶锥(64)匹配构成一对快换单元。
9.根据权利要求2或3所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：所述固定卡爪(51)和活动卡爪(52)均包括爪臂和用于面抵靠超声探头的其中两相对侧壁的四方板状的贴板，贴板的两短边端向超声探头的另外两相对侧壁处延伸有爪端；固定卡爪(51)和活动卡爪(52)作相向运动至行程末端时，固定卡爪(51)和活动卡爪(52)处贴板及爪端彼此围合形成可供超声探头卡入的夹持区域。
10.根据权利要求9所述的一种超声探头快换横向手抓装置，其特征在于：外壳体(21)的外壁处布置有安装耳(21a)，以便用于安装固定卡爪(51)的爪臂。
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