CN202943645U - 被动式一键锁死七自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种被动式一键锁死七自由度机械臂，包括夹持装置、上下臂、锁紧机构和固定装置组成，所述锁紧机构由锁把、圆柱销、主传动轴、第一平面螺纹盘、平键、第一卡爪、第二卡爪、第三卡爪、卡爪导环、第四卡爪、第五卡爪、第六卡爪、第二平面螺纹盘和六角螺母组成，其中第一、二、三卡爪和第一平面螺纹盘设置在主传动轴上，所述卡爪导环的沟槽与第一卡爪、第四卡爪的凸台进行配合，对卡爪进行径向导向。卡爪导环轴向固定于主传动轴，周向通过卡爪导环上的凸出部分内嵌于上轴套固定；卡爪导环与第一卡爪、第四卡爪进行间隙配合。本实用新型通过旋紧锁把实现多关节机械臂迅速定位，结构简单，可靠性与耐用性高。

Description

被动式一键锁死七自由度机械臂

技术领域

本实用新型涉及临床外科手术，属于医疗器械技术领域，具体地，涉及一种被动式一键锁死七自由度机械臂。

背景技术

近年来，国内医疗器械设备的研究和开发力度日益增大，手术机械臂因其在外科手术中高稳定性与占空间小的特点也越来越受到人们的重视。但至目前为止，对于被动式（无电机驱动）定位的机械臂、尤其对于能够一键锁死多自由度的机械臂，能在临床应用的很少，其中一个重要原因是尚未找到手术机械臂合适的关节锁紧机构和联动锁紧机构。

经检索，中国实用新型专利“多关节机械臂快速定位锁紧机构”（申请号201020184031.4，公开号为CN201685265U）可达到一键锁死7自由度这一功能，该专利技术“主要由旋紧装置(1)和多关节机械臂(2)组成，其特征在于：旋紧装置(1)由旋钮(11)、上弹簧座(12)、压紧弹簧(13)、弹簧舱(14)、螺杆(15)和下弹簧座(16)组成，压紧弹簧(13)套装置入弹簧舱(14)，并同时置入上弹簧座(12)和制有螺杆(15)的下弹簧座(16)内，旋钮(11)通过上弹簧座(12)、弹簧舱(14)与下弹簧座(16)上的螺杆(15)螺接；多关节机械臂(2)由结构相似的两组杆件组成，每组杆件主要由上弹簧座(12)或下弹簧座(16)、与其一体的中空臂(21)、调节内杆(22)、球头舱(23)、球头(24)和球头套(25)组成，调节内杆(22)置于中空臂(21)中，球头(24)置入球头舱(23)中，球头套(25)套过球头(24)和球头舱(23)与中空臂(21)螺接，使球头(24)与球头舱(23)抱紧。”

但上述的实用新型专利设计利用弹簧和钢珠构成联动锁紧机构，稳定性尤其是长期使用后的稳定性不佳，且因为挤压钢珠时接触应力较大，导致该机构所能承受的负载较小、使用劳损较大，而且长期使用后还需调节内杆长度以抵消磨损影响，重新安装不便。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种被动式一键锁死七自由度机械臂，能够一键锁死多关节、实现快速稳定定位，并且可承受较大负载，耐用性高。

为实现上述目的，本实用新型提供一种被动式一键锁死七自由度机械臂，包括夹持装置、上臂、锁紧机构、下臂和固定装置组成；其中：

所述夹持装置通过螺纹与上球臂相连；

所述上臂由上球臂、第一钢球、上球套、上轴套、上传动轴组成，上球臂通过螺纹与第一钢球连接，上传动轴末端凹面与第一钢球接触，内置于上轴套中，另一端与锁紧机构中的卡爪外端接触，上球套和上轴套通过螺纹连接并与上球臂、第一钢球一起构成了一个球铰，该球铰通过上传动轴传递的轴向力进行摩擦锁死；

所述锁紧机构由锁把、圆柱销、主传动轴、平面螺纹盘、平键、卡爪和六角螺母组成，其中锁把通过圆柱销固接到主传动轴上；卡爪与平面螺纹盘通过螺纹连接配合，平面螺纹盘通过键连接固定于主传动轴；六角螺母通过螺纹与主传动轴相连，六角螺母固定于上轴套内；卡爪导环轴向固定于主传动轴，周向通过卡爪导环上的凸出部分内嵌于上轴套固定；

所述下臂由下球臂、第二钢球、下球套、下轴套、下传动轴组成，下球臂通过螺纹与第二钢球连接，下传动轴末端凹面与第二钢球接触，内置于下轴套中，另一端与卡爪外端接触，下球套和下轴套通过螺纹连接并与下球臂、第二钢球一起构成了一个球铰，该球铰通过下传动轴传递的轴向力进行摩擦锁死。

优选地，所述锁紧机构中设有两个平面螺纹盘及六个卡爪，其中第一、二、三卡爪与第一平面螺纹盘通过螺纹连接配合，第一平面螺纹盘通过键连接固定于主传动轴，第四、五、六卡爪与第二平面螺纹盘通过螺纹连接配合，第二平面螺纹盘通过键连接固定于主传动轴。

优选地，所述卡爪导环与第一卡爪、第四卡爪进行间隙配合。

优选地，所述第一平面螺纹盘的平面上有沿阿基米德螺线排布的矩形螺纹。

优选地，所述上传动轴通过与上轴套内部突起间隙配合来得到径向固定。

优选地，所述夹持装置由紧固螺栓和夹持爪组成，紧固螺栓通过螺纹连接到夹持爪上，夹持爪通过螺纹与上球臂相连。

优选地，所述固定装置由固定爪和固定螺栓组成，其中固定爪通过螺纹连接与下球臂相连，固定螺栓通过螺纹连接到固定爪上。

优选地，所述机械臂处于锁紧状态时，上传动轴与第一钢球抱死，下传动轴与第二钢球抱死。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1.本实用新型调节好机械臂角度后，只需旋转一个把手就可一键锁死机械臂全部共7个自由度。

2.本实用新型由于使用了螺纹传动，机械臂自锁性能好、稳定性佳，可承受较大负载，并且在锁紧时所需拧紧力较小。螺纹结构工作时多圈螺纹分担压力，表面压应力小，使得零件工作时损耗小，长期使用后仍能保证安全、稳定，零件使用寿命长。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型结构的外观图；

图2为本实用新型结构的分解示意图；

图3为锁紧机构的部份关键零件的侧视图。

图中：紧固螺栓1、夹持爪2、上球臂3、第一钢球4、上球套5、上轴套6、上传动轴7、锁把8、圆柱销9、主传动轴10、第一平面螺纹盘11、平键12、第一卡爪13、第二卡爪14、第三卡爪15、第四卡爪17、第五卡爪18、第六卡爪19、第二平面螺纹盘20、六角螺母21、下轴套22、下传动轴23、下球套24、第二钢球25、下球臂26、固定爪27、固定螺栓28。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1、2、3所示，本实施例提供一种被动式一键锁死七自由度机械臂，包括由夹持装置、上臂、锁紧机构、下臂和固定装置组成。

如图1、2所示，所述夹持装置由紧固螺栓1和夹持爪2组成。紧固螺栓1通过螺纹连接到夹持爪2上，夹持爪2通过螺纹连接与上球臂3相连。该夹持装置的目的在于夹持手术所需器材，夹持爪2的弧面凹槽用来方便夹持针筒等圆形器材。

如图2所示，所述上臂由上球臂3、第一钢球4、上球套5、上轴套6和上传动轴7组成，其中上球臂3通过螺纹与第一钢球4连接，上球套5和上轴套6通过螺纹连接并与上球臂3、第一钢球4一起构成了一个球铰，该球铰可以通过上传动轴7传递的轴向力进行摩擦锁死。上传动轴7一端与第一钢球4接触，另一端穿过上球套5与锁紧机构中的卡爪外端相接触。上传动轴7通过与上轴套5内部突起间隙配合来得到径向固定。当锁紧机构中的第一卡爪13、第二卡爪14、第三卡爪15向外扩张时，产生的径向力推动上传动轴7压紧第一钢球4，使得上臂球铰摩擦锁死。

如图2、3所示，所述锁紧机构由锁把8、圆柱销9、主传动轴10、第一平面螺纹盘11、平键12、第一卡爪13、第二卡爪14、第三卡爪15、卡爪导环16（图中未标出）、第四卡爪17、第五卡爪18、第六卡爪19、第二平面螺纹盘20和六角螺母21组成，其中锁把8通过圆柱销9固接到主传动轴10上；第一平面螺纹盘11通过平键12连接到主传动轴10上；第一平面螺纹盘11的平面上有沿阿基米德螺线排布的矩形螺纹；第一卡爪13、第二卡爪14、第三卡爪15与第一平面螺纹盘11通过该螺纹配合，构成一个类似三角卡盘的结构，通过第一平面螺纹盘11的旋转可使第一卡爪13、第二卡爪14、第三卡爪15向外扩张，从而产生径向力并最终推动上传动轴7对上球铰进行锁死，由于采用螺纹传动，系统带有优秀的自锁功能稳定性佳，并且使用时比较省力；卡爪导环16轴向固定于主传动轴10，周向通过卡爪导环16上的凸出部分内嵌于上轴套6固定；卡爪导环16通过沟槽与第一卡爪13、第四卡爪17进行间隙配合，目的在于限制卡爪只能进行径向运动、防止卡爪随平面螺纹盘进行周向运动；第四卡爪17、第五卡爪18、第六卡爪19和第二平面螺纹盘20也是类似组成方式；六角螺母21通过螺纹与主传动轴10相连，六角螺母21固定于上轴套6内，当主传动轴10旋转时，六角螺母21和锁把8产生轴向力压紧上轴套6和下轴套22，形成摩擦锁死。

如图1、2所示，所述下臂由下轴套22、下传动轴23、下球套24、第二钢球25和下球臂26组成，下臂的构成方式与上臂基本一致。其中下球臂26通过螺纹与第二钢球25连接，下球套24和下轴套22通过螺纹连接并与下球臂26、第二钢球25一起构成了一个球铰，该球铰可以通过下传动轴23传递的轴向力进行摩擦锁死。下传动轴23一端与第二钢球25接触，另一端穿过下球套24与锁紧机构中的卡爪外端相接触。当锁紧机构中的第四卡爪17、第五卡爪18、第六卡爪19向外扩张时，产生的径向力推动下传动轴23压紧第二钢球25，使得下臂球铰摩擦锁死。

如图1、2所示，所述固定装置由固定爪27和固定螺栓28组成，其中固定爪27通过螺纹连接与下球臂26相连，固定螺栓28通过螺纹连接到固定爪27上。该固定装置的目的在于将机械臂固定在手术台的支架或导轨上。

使用时，调节好机械臂角度后，进行锁死。锁死时转动锁把8，锁把8通过圆柱销9对主传动轴10施加扭矩、拧紧主传动轴10末端的螺纹，使得锁把8的底部和六角螺母21分别挤压上轴套6和下轴套22，最终使得上、下轴套6、22接触处互相挤压，形成摩擦力矩，造成转动铰的锁死；与此同时，主传动轴10通过轴上的平键12带动第一平面螺纹盘11和第二平面螺纹盘20旋转，平面螺纹盘通过矩形传动螺纹的作用使得第一卡爪13、第二卡爪14、第三卡爪15和第四卡爪17、第五卡爪18、第六卡爪19在卡爪导环16的导向下向外扩张、推动上传动轴7和下传动轴23，最后把第一钢球4和第二钢球25分别压紧在上球套5和下球套24上，形成摩擦力矩，造成两个球铰的锁死，最终达成一键锁死七自由度的目的，使得机械臂稳定地固定在指定角度。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (8)

1.一种被动式一键锁死七自由度机械臂，包括夹持装置、上臂、锁紧机构、下臂和固定装置组成，其特征在于：所述夹持装置通过螺纹与上球臂相连；

所述上臂由上球臂、第一钢球、上球套、上轴套、上传动轴组成，上球臂通过螺纹与第一钢球连接，上传动轴末端凹面与第一钢球接触，内置于上轴套中，另一端与锁紧机构中的卡爪外端接触，上球套和上轴套通过螺纹连接并与上球臂、第一钢球一起构成了一个球铰，该球铰通过上传动轴传递的轴向力进行摩擦锁死；

所述锁紧机构由锁把、圆柱销、主传动轴、平面螺纹盘、平键、卡爪和六角螺母组成，其中锁把通过圆柱销固接到主传动轴上；卡爪与平面螺纹盘通过螺纹连接配合，平面螺纹盘通过键连接固定于主传动轴；六角螺母通过螺纹与主传动轴相连，六角螺母固定于上轴套内；卡爪导环轴向固定于主传动轴，周向通过卡爪导环上的凸出部分内嵌于上轴套固定；

所述下臂由下球臂、第二钢球、下球套、下轴套、下传动轴组成，下球臂通过螺纹与第二钢球连接，下传动轴末端凹面与第二钢球接触，内置于下轴套中，另一端与卡爪外端接触，下球套和下轴套通过螺纹连接并与下球臂、第二钢球一起构成了一个球铰，该球铰通过下传动轴传递的轴向力进行摩擦锁死。

2.根据权利要求1所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述锁紧机构中设有两个平面螺纹盘及六个卡爪，其中第一、二、三卡爪与第一平面螺纹盘通过螺纹连接配合，第一平面螺纹盘通过键连接固定于主传动轴，第四、五、六卡爪与第二平面螺纹盘通过螺纹连接配合，第二平面螺纹盘通过键连接固定于主传动轴。

3.根据权利要求2所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述卡爪导环与第一卡爪、第四卡爪进行间隙配合。

4.根据权利要求2所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述第一平面螺纹盘的平面上有沿阿基米德螺线排布的矩形螺纹。

5.根据权利要求1所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述上传动轴通过与上轴套内部突起间隙配合来得到径向固定。

6.根据权利要求1-5任一项所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述夹持装置由紧固螺栓和夹持爪组成，紧固螺栓通过螺纹连接到夹持爪上，夹持爪通过螺纹与上球臂相连。

7.根据权利要求1-5任一项所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述固定装置由固定爪和固定螺栓组成，其中固定爪通过螺纹连接与下球臂相连，固定螺栓通过螺纹连接到固定爪上。

8.根据权利要求1-5任一项所述的被动式一键锁死七自由度机械臂，其特征在于：所述机械臂处于锁紧状态时，上传动轴与第一钢球抱死，下传动轴与第二钢球抱死。

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