CN115429434A - 阻尼关节、机械臂及手术机器人 - Google Patents

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CN115429434A CN202211148431.3A CN202211148431A CN115429434A CN 115429434 A CN115429434 A CN 115429434A CN 202211148431 A CN202211148431 A CN 202211148431A CN 115429434 A CN115429434 A CN 115429434A
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熊科
柳秋圆
王德倡
王羿儒
丁晓东
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张涵
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Abstract

本发明提供一种阻尼关节、机械臂及手术机器人，涉及机器人技术领域。阻尼关节包括阻尼器和轴承；所述阻尼器与所述轴承同轴设置；所述阻尼器包括同轴的第一转动件和第二转动件；所述第一转动件及所述轴承的内圈相连接，并形成共同转动的第一转动组；所述第二转动件与所述轴承的外圈相连接，并形成共同转动的第二转动组；所述第一转动组和所述第二转动组分别用于与第一关节臂和第二关节臂连接。本发明通过轴承传递轴向作用力，通过阻尼器提供相对旋转的阻尼，能够在一定程度上提高阻尼关节的可靠性和稳定性。

Description

阻尼关节、机械臂及手术机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种阻尼关节、机械臂及手术机器人。
背景技术
在例如手术机器人等的机械臂中，机械臂具有若干个自由度可以方便其末端主动或被动移动到需要的位置。机械臂在被动旋转关节甚至部分主动旋转关节处增加阻尼，可以在一定程度上避免旋转关节的两个关节臂的相对颤动，从而保持机械臂的各臂的运动稳定，提高位置稳定性，还可以在旋转关节的两个关节臂相对旋转到一位置后在一定程度上保持自锁。在手术机器人中，可以减小例如医生手部的生理颤抖带来的手术失误的可能性。
但是，由于机械臂的使用环境复杂，旋转关节的两个关节臂之间受力复杂，会存在承受重力或弯矩等情况，旋转关节的阻尼结构容易损坏，可靠性较低。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决相关技术中如何提高阻尼关节的可靠性和使用稳定性的问题。
为至少在一定程度上解决上述问题，第一方面，本发明提供一种阻尼关节，其包括阻尼器和轴承；所述阻尼器与所述轴承同轴设置；所述阻尼器包括同轴的第一转动件和第二转动件；所述第一转动件及所述轴承的内圈相连接，并形成共同转动的第一转动组；所述第二转动件与所述轴承的外圈相连接，并形成共同转动的第二转动组；所述第一转动组和所述第二转动组分别用于与第一关节臂和第二关节臂连接。
可选地，所述轴承为交叉滚子轴承。
可选地，阻尼关节还包括连接套，所述阻尼器包括中间孔，所述第一转动件及所述第二转动件与所述中间孔同轴设置；所述连接套穿设于所述中间孔，所述第一转动件及所述内圈通过所述连接套相连接。
可选地，所述第一转动件位于所述第二转动件沿轴向远离所述轴承的一侧；
所述连接套包括套体及连接座，所述套体穿设于所述中间孔设置，所述连接座包括相连接的第一连接段和第二连接段，所述第一连接段的延伸方向与所述轴向一致，所述第二连接段的延伸方向与所述轴向呈夹角设置，所述第一连接段与所述套体连接，所述第二连接段与所述第一转动件相连接；
所述第一连接段、所述第二连接段和所述第一转动件中的一个或多个用于与所述第一关节臂连接。
可选地，所述连接套包括套体，所述套体穿设于所述中间孔设置，所述套体在靠近所述轴承的一端设置有第一法兰，所述第一法兰与所述内圈通过紧固件连接。
可选地，阻尼关节还包括中间连接件，所述中间连接件位于所述第二转动件及所述外圈之间，且所述第二转动件及所述外圈通过所述中间连接件连接。
可选地，所述中间连接件包括齿轮，所述齿轮与所述第二转动件同轴设置，所述齿轮的中心位置设置有第一避位孔，所述齿轮用于与设置于所述第一关节臂的制动机构或驱动机构连接。
可选地，所述阻尼器还包括用于调整阻尼力的调整件，沿所述第二转动件的轴向上，所述调整件位于所述第二转动件及所述内圈之间；
沿所述第二转动件的径向上，所述中间连接件位于所述调整件的外侧，所述中间连接件上设置有连通结构，沿所述第二转动件的轴向上，所述连通结构与所述调整件的位置对应；
所述调整件包括沿径向设置的调整螺钉，所述连通结构设置为通孔，或者，所述调整件包括与所述第二转动件同轴设置的螺母，所述连通结构设置为螺纹孔，所述螺纹孔用于与压紧螺钉螺纹连接。
第二方面，本发明提供一种机械臂，其包括如上第一方面所述的阻尼关节。
第二方面，本发明提供一种手术机器人，其包括如上第二方面所述的机械臂。
本发明的阻尼关节、机械臂及手术机器人中，将阻尼器的第一转动件和轴承的内圈连接在一起，将阻尼器的第二转动件和轴承的外圈连接在一起，其中，第一转动件和轴承的内圈形成共同转动的第一转动组，第二转动件和轴承的外圈形成共同转动的第二转动组，再将第一转动组和第二转动组分别连接至第一关节臂和第二关节臂，可以利用轴承在第一关节臂和第二关节臂之间传递轴向作用力，例如可以通过轴承将第二关节臂悬挂于第一关节臂的下方，在第二关节臂相对于第一关节臂旋转的过程中，第二关节臂的重力均通过轴承传递至第一关节臂，可以大大降低阻尼器所承载的第二关节臂的重力，通过轴承传递轴向作用力，通过阻尼器提供相对旋转的阻尼，能够在一定程度上提高阻尼关节的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的实施例中阻尼关节分别与第一关节臂和第二关节臂连接的结构示意图；
图2为图1的另一视角的结构示意图；
图3为图2中A-A截面的剖视示意图；
图4为本发明的一种实施方式中阻尼器的结构示意图；
图5为本发明的实施例中阻尼关节的爆炸结构示意图。
附图标记说明：
1-阻尼器；11-第一转动件；12-第二转动件；13-中间套筒；14-中间孔；15-调整件；16-碟簧；2-轴承；21-内圈；22-外圈；3-连接套；31-套体；311-第一法兰；32-连接座；321-第一连接段；322-第二连接段；323-中间连接段；4-中间连接件；41-齿轮；411-第一避位孔；42-转接盘；421-第二避位孔；43-连通结构；5-第一关节臂；51-第一容置腔；6-第二关节臂；61-第二容置腔。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”、“一些实施方式”、“示例性地”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。这样，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
附图中Z轴表示竖向，也就是上下位置，并且Z轴的正向(也就是Z轴的箭头指向)表示上，Z轴的负向(也就是与Z轴的正向相反的方向)表示下；附图中X轴表示水平方向，并指定为左右位置，并且X轴的正向(也就是X轴的箭头指向)表示右侧，X轴的负向(也就是与X轴的正向相反的方向)表示左侧；附图中Y轴表示前后位置，并且Y轴的正向(也就是Y轴的箭头指向)表示前侧，Y轴的负向(也就是与Y轴的正向相反的方向)表示后侧；同时需要说明的是，前述Z轴、Y轴及X轴的表示含义仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
如图1至图5所示，本发明实施例提供一种阻尼关节，其包括阻尼器1和轴承2；所述阻尼器1与所述轴承2同轴设置所述阻尼器1包括同轴的第一转动件11和第二转动件12；所述第一转动件11及所述轴承2的内圈21相连接，并形成共同转动的第一转动组；
所述第二转动件12与所述轴承2的外圈22相连接，并形成共同转动的第二转动组；所述第一转动组和所述第二转动组分别用于与第一关节臂5和第二关节臂6连接。
需要说明的是，阻尼器1的结构形式不作为限制，第一转动件11和第二转动件12相对转动式时能够产生旋转阻力即可，在不违反本发明的设计构思的情况下，其可以是液压式也可以是其他形式。
如此，本发明的阻尼关节中，将阻尼器1的第一转动件11和轴承2的内圈21连接在一起，将阻尼器1的第二转动件12和轴承2的外圈22连接在一起，其中，第一转动件11和轴承2的内圈21形成共同转动的第一转动组，第二转动件12和轴承2的外圈22形成共同转动的第二转动组，再将第一转动组和第二转动组分别连接至第一关节臂5和第二关节臂6，可以利用轴承2在第一关节臂5和第二关节臂6之间传递轴向作用力，例如可以通过轴承2将第二关节臂6悬挂于第一关节臂5的下方，在第二关节臂6相对于第一关节臂5旋转的过程中，第二关节臂6的重力均通过轴承2传递至第一关节臂5，可以大大降低阻尼器1所承载的第二关节臂6的重力，本发明的阻尼关节中，通过轴承2传递轴向作用力，通过阻尼器1提供相对旋转的阻尼，能够在一定程度上提高阻尼关节的可靠性和稳定性，阻尼关节可以用于主被动关节中，例如可以用于关节康复设备、手术机器人中。
如图5所示，可选地，轴承2采用交叉滚子轴承。
交叉滚子轴承内圈21或外圈22是两分割的构造，轴承2间隙可调整，即使被施加预载，也能获得高精度地旋转运动，并且，因为滚子在呈90°的V型沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直排列，使交叉滚子轴承就可以承受较大的径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷，从而在例如第二关节臂6通过轴承2悬挂于第一关节臂5的情况下，交叉滚子轴承承受第二关节臂6自重和及第二关节臂6末端的其他臂和/或负载带来的弯矩，而阻尼器1仅提供阻尼力，阻尼关节能够取得较高的稳定性，避免阻尼器1因受力情况复杂而使用寿命降低。
如图3和图5所示，阻尼关节还包括连接套3，所述阻尼器1包括中间孔14，所述第一转动件11及第二转动件12与所述中间孔14同轴设置；所述连接套3穿设于所述中间孔14，所述第一转动件11及所述内圈21通过所述连接套3相连接。
示例性地，阻尼器1位于所述轴承2的轴向一侧；连接套3穿过中间孔14并与第一转动件11连接，连接套3的上端与位于上方的第一关节臂5连接，连接套3的下端与轴承2的内圈21连接。
一些情况下，没有连接套3时，需要直接将第一转动件11、轴承2的内圈21及第一关节臂5连接在一起，此时，对于阻尼器1的结构或者第一转动件11与轴承2的内圈21的连接结构具有一定的限制，例如，此时，第一转动件11需要能够与轴承2的内圈21能够接触，采用紧固件实现第一转动件11和内圈21的连接。
如此，阻尼器1形成有中间孔14，连接套3穿设于所述中间孔14，所述第一转动件11及所述内圈21通过所述连接套3相连接，可以降低对第一转动件11及内圈21的相对位置限制，例如，第一转动件11和内圈21可以在轴向向具有间隔，例如，第一转动件11可以布置于第二转动件12远离轴承2的一侧(例如上方)，可靠性高，实用性强。
进一步地，如图3所示，所述连接套3包括套体31，所述套体31穿设于所述中间孔14，所述套体31在靠近所述轴承2的一端设置有第一法兰311，所述第一法兰311与所述内圈21通过紧固件连接。
具体地，所述套体31可以插入所述轴承2的内孔设置，第一法兰311可以位于轴承2的上方也可以位于轴承2的下方，图3中，第一法兰311与套体31一体连接，且与套体31的下端端面间隔设置，装配时，套体31的下端插入轴承2的内圈21通孔内，第一法兰311的端面与轴承2的内圈21的端面贴合，一个或多个紧固件从上至下穿过第一法兰311并与轴承2的内圈21连接。当然，在一些情况下，第一法兰311也可以与套体31可拆卸连接。
进一步地，如图3和图5所示，所述第一转动件11位于所述第二转动件12沿轴向远离所述轴承2的一侧；
所述连接套3包括套体31及连接座32，所述套体31穿设于所述中间孔14设置，所述连接座32包括相连接的第一连接段321和第二连接段322，所述第一连接段321的延伸方向与所述轴向一致，所述第二连接段322的延伸方向与所述轴向呈夹角设置，所述第一连接段321与所述套体31连接，所述第二连接段322与所述第一转动件11相连接。
示例性地，第一转动件11和第二转动件12分别设置为第一盘状结构和第二盘状结构，阻尼器1还包括中间套筒13，中间套筒13形成有上述中间孔14，第一转动件11与中间套筒13固定连接，第二转动件12位于第一转动件11的下方且可相对于第一转动件11转动地与中间套筒13连接，具体连接方式此处不作说明，根据阻尼器1的种类可以有所区别。
如图5所示，其中示出了连接座32为阶梯套的情况，另外的实施方式中，连接座32可以包括多个折弯板。
如此，第一连接段321可以与套体31向贴合并通过沿径向设置的紧固件连接，第二连接段322可以在第一转动件11远离第二转动件12的一侧通过沿轴向设置的紧固件连接，便于通过连接套3实现第一转动件11及轴承2的内圈21之间的相对位置固定，且连接结构稳固，可靠性高。
另外，连接座32还可以包括中间连接段323，中间连接段323位于第一连接段321和第二连接段322之间，且分别与第一连接段321和第二连接段322连接，此时，第一连接段321和第二连接段322在轴向上和径向上均可以具有间隔，可以通过中间连接段323的形状设计适应阻尼器1的结构，例如适应中间套筒13在轴向凸出于第一转动件11的部分。
此时，可选地，所述第一连接段321、所述第二连接段322和所述第一转动件11中的一个或多个用于与所述第一关节臂5连接。
示例性地，第一关节臂5形成有用于容置阻尼关节的第一容置腔51，第一容置腔51的开口朝向第二关节臂6，第一容置腔51的底板中心位置设置有第一过孔，连接套3穿设于第一过孔，底板与第二连接段322相贴合，此时，紧固件可以依次穿过底板、第二连接段322后与第一转动件11连接。此时，第二连接段322和第一转动件11之间可以不必另外设置用于连接的紧固件，可以在实现与第一关节臂5连接的基础上，降低连接结构的复杂程度。当然，此时，第一过孔处同样可以设置用于与第一连接段321连接的连接结构，此处不作说明。
如图3和图5所示，阻尼关节还包括中间连接件4，所述中间连接件4位于所述第二转动件12及所述外圈22之间，且所述第二转动件12及所述外圈22通过所述中间连接件4连接。
也就是说，在使用时，在阻尼关节的轴向上，第二转动件12和轴承2的外圈22可以具有间隔，该间隔可以用于布置例如后文描述的调整件15等，能够降低对阻尼器1的结构限制，第二转动件12和轴承2的外圈22不必直接接触。
如图3和图5所示，此时，可选地，所述中间连接件4包括齿轮41，所述齿轮41与所述第二转动件12同轴设置，所述齿轮41的中心位置设置有第一避位孔411，所述齿轮41用于与设置于所述第一关节臂5的制动机构或驱动机构连接。
进一步地，当中间连接件4在轴向的尺寸较大时，为降低齿轮41的轴向厚度，中间连接件4还可以包括转接盘42，齿轮41相对转接盘42而言靠近第二转动件12设置，转接盘42上设有与第一避位孔411连通的第二避位孔421。
如图5所示，示例性说明第二转动件12、中间连接件4、轴承2的外圈22以及第二关节臂6的连接方式：第二关节臂6上形成有第二容置腔61，第二容置腔61的开口朝向第一关节臂5设置，紧固件依次穿过第二容置腔61的底板、轴承2的外圈22、转接盘42后与齿轮41连接，另外的紧固件穿过第二转动件12后与齿轮41连接。
在组装状态下，齿轮41位于第一容置腔51内，此时，齿轮41可以用于与机械臂的关节的制动机构连接，例如制动机构包括棘爪，齿轮41用于与棘爪连接，或者齿轮41用于与棘爪相匹配的棘轮传动连接，此时，第一容置腔51的侧壁设置有用于制动机构通过的第三避位孔。当然，在另外的实施方式中，机械臂的关节可以设置驱动机构，齿轮41与驱动机构的传动轮传动连接，此处不作详细说明。
进一步地，如图3至图5所示，所述阻尼器1还包括用于调整阻尼力的调整件15，沿所述第二转动件12的轴向上，所述调整件15位于所述第二转动件12及所述内圈21之间；
沿所述第二转动件12的径向上，所述中间连接件4位于所述调整件15的外侧，所述中间连接件4上设置有连通结构43，沿所述第二转动件12的轴向上，所述连通结构43与所述调整件15的位置对应。
示例性地，所述调整件15包括沿径向设置的调整螺钉，所述连通结构43设置为通孔。此时，可以将扳手等调整工具经连通结构43伸入至调整螺钉处进行调整螺钉的调整(此方案未示出)。
如图3所示，示例性地，调整件15包括与所述第二转动件12同轴设置的螺母，所述连通结构43设置为螺纹孔，所述螺纹孔用于与压紧螺钉螺纹连接。
以阻尼器1为机械摩擦式的方式产生阻尼为例，螺母与上文描述的中间套筒13螺纹连接，螺母靠近第二转动件12的一侧设置有一个或多个碟簧16，第二转动件12沿轴向的两侧均设置有耐磨片，通过调整螺母在轴向的位置，即可调整碟簧16的弹性力，从而可以调整第二转动件12与耐磨片之间的正压力，从而实现摩擦阻力调整。此时，当需要调整阻尼时，将压紧螺钉拧入螺纹孔，直至压紧螺钉与螺母的侧面抵接，螺母、第二转动件12、中间连接件4、轴承2的外圈22及第二关节臂6之间的相对位置保持不变，中间套筒13、第一转动件11、轴承2的内圈21及第一关节臂5之间的相对位置保持不变，相对转动第一关节臂5和第二关节臂6，螺母即被拧紧或拧松，从而实现阻尼调整。
此时，第一容置腔51或第二容置腔61的侧壁对应设置有用于与连通结构43连通的避位结构例如避位槽，其用于扳手等调整工具通过，此处不再详细说明。
应当理解，轴承2也可以位于阻尼器1的上方，其不作为限制。
本发明的又一实施例提供一种机械臂，其包括如上实施例所述的阻尼关节。
以图3所示方案示例性说明本发明的阻尼关节的装配方式：
通过紧固件从上至下将第二转动件12及齿轮41连接起来；
通过紧固件从上至下将第一法兰311和轴承2的内圈21连接起来；
将连接套3的套体31从下至上穿过中间孔14，将连接座32套入套体31上，通过紧固件将第一连接段321和套体31连接起来(此紧固件可以设置为包括弹簧销和/或螺钉)；
将第一关节臂5的第一过孔套在连接套3上，通过紧固件从上至下将第一容置腔51的底板、第二连接段322及第一转动件11连接起来；
通过紧固件从下至上将第二关节臂6、转接盘42、齿轮41连接起来。
本发明的又一实施例提供一种手术机器人，其包括如上实施例所述的机械臂。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变动与修改，这些变动与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阻尼关节，其特征在于，包括阻尼器(1)和轴承(2)；所述阻尼器(1)与所述轴承(2)同轴设置；所述阻尼器(1)包括同轴的第一转动件(11)和第二转动件(12)；所述第一转动件(11)及所述轴承(2)的内圈(21)相连接，并形成共同转动的第一转动组；所述第二转动件(12)与所述轴承(2)的外圈(22)相连接，并形成共同转动的第二转动组；所述第一转动组和所述第二转动组分别用于与第一关节臂(5)和第二关节臂(6)连接。
2.根据权利要求1所述的阻尼关节，其特征在于，所述轴承(2)为交叉滚子轴承。
3.根据权利要求1所述的阻尼关节，其特征在于，还包括连接套(3)，所述阻尼器(1)包括中间孔(14)，所述第一转动件(11)及所述第二转动件(12)与所述中间孔(14)同轴设置；所述连接套(3)穿设于所述中间孔(14)，所述第一转动件(11)及所述内圈(21)通过所述连接套(3)相连接。
4.根据权利要求3所述的阻尼关节，其特征在于，所述第一转动件(11)位于所述第二转动件(12)沿轴向远离所述轴承(2)的一侧；
所述连接套(3)包括套体(31)及连接座(32)，所述套体(31)穿设于所述中间孔(14)设置，所述连接座(32)包括相连接的第一连接段(321)和第二连接段(322)，所述第一连接段(321)的延伸方向与所述轴向一致，所述第二连接段(322)的延伸方向与所述轴向呈夹角设置，所述第一连接段(321)与所述套体(31)连接，所述第二连接段(322)与所述第一转动件(11)相连接；
所述第一连接段(321)、所述第二连接段(322)和所述第一转动件(11)中的一个或多个用于与所述第一关节臂(5)连接。
5.根据权利要求3所述的阻尼关节，其特征在于，所述连接套(3)包括套体(31)，所述套体(31)穿设于所述中间孔(14)设置，所述套体(31)在靠近所述轴承(2)的一端设置有第一法兰(311)，所述第一法兰(311)与所述内圈(21)通过紧固件连接。
6.根据权利要求1所述的阻尼关节，其特征在于，还包括中间连接件(4)，所述中间连接件(4)位于所述第二转动件(12)及所述外圈(22)之间，且所述第二转动件(12)及所述外圈(22)通过所述中间连接件(4)连接。
7.根据权利要求6所述的阻尼关节，其特征在于，所述中间连接件(4)包括齿轮(41)，所述齿轮(41)与所述第二转动件(12)同轴设置，所述齿轮(41)的中心位置设置有第一避位孔(411)，所述齿轮(41)用于与设置于所述第一关节臂(5)的制动机构或驱动机构连接。
8.根据权利要求6所述的阻尼关节，其特征在于，所述阻尼器(1)还包括用于调整阻尼力的调整件(15)，沿所述第二转动件(12)的轴向上，所述调整件(15)位于所述第二转动件(12)及所述内圈(21)之间；
沿所述第二转动件(12)的径向上，所述中间连接件(4)位于所述调整件(15)的外侧，所述中间连接件(4)上设置有连通结构(43)，沿所述第二转动件(12)的轴向上，所述连通结构(43)与所述调整件(15)的位置对应；
所述调整件(15)包括沿径向设置的调整螺钉，所述连通结构(43)设置为通孔，或者，所述调整件(15)包括与所述第二转动件(12)同轴设置的螺母，所述连通结构(43)设置为螺纹孔，所述螺纹孔用于与压紧螺钉螺纹连接。
9.一种机械臂，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的阻尼关节。
10.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求9所述的机械臂。
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