CN216098986U - 一种机器人末端快换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机器人末端快换装置，包括本体部，本体部与机械臂末端连接；更换部，更换部与本体部可拆卸连接；以及驱动锁紧部，驱动锁紧部包括推动杆及凸轮机构，推动杆可活动设置于本体部内，具有锁定位置和解锁位置，用于实现本体部与更换部的拆卸连接，凸轮机构安装于本体部，用于驱动推动杆运动。与现有技术相比，本机器人末端快换装置锁紧驱动方式为手动，使得整个装置体积大大减小的同时重量也急剧减小，从而避免末端过重导致的机械臂变形，非常适用于对整个机械臂刚性要求较高的场合；该快换接口尺寸小、重量轻，承载能力大，能够满足穿刺机器人穿刺末端伸入CT机扫描孔内使用的需求。

Description

一种机器人末端快换装置

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人末端快换装置。

背景技术

在实际工作中，同一台机械臂执行的任务往往具有多样性，而不同任务之间目标实体的形状、尺寸以及重量很可能存在较大差异亦或是任务所需功能当前机械臂末端不可实现，因此仅使用单一的末端执行器完全不能满足复杂的任务需求，现有解决方案是为机械臂本体配备不同的末端执行器以及工具库，从而能够根据工作任务手动或自动更换末端工具，大大提高了机械臂的普适性以及柔性。如何保证末端执行器与机械臂本体的可靠连接，这就需要设置关节快换接口。

关节快换接口是机械臂关节之间、本体与末端执行器之间相连接的部分，需要满足机械臂所需的强度与刚度连接要求，同时保证各关节及末端执行器之间的电源、数据连接畅通。快换接口是保证机械臂具有可维护性和通用性的必要条件，其能够通过较低的成本保证机械臂的长期稳定运行。

现有技术中的关节快换接口驱动方式往往采用气缸或者电机。穿刺手术机器人作为穿刺手术的执行部分，需要执行穿刺针穿入人体的动作，穿刺力的大小为10N左右，最大可达20N；同时穿刺手术机器人往往与CT机配合使用，实现CT图像引导下的远程可视化穿刺操作，这就要求穿刺手术机器人靠近穿刺末端的连杆尺寸小，重量轻，承载能力强，可以伸入CT机扫描孔内，所以无法采用上述气缸或者电机等现有技术。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种机器人末端快换装置，用以解决现有技术中穿刺机器人的快换接头需要尺寸小、重量轻、承载能力强的要求的技术问题。

本实用新型提供一种机器人末端快换装置，该机器人末端快换装置包括：本体部，本体部与机械臂末端连接；更换部，更换部与本体部可拆卸连接；以及驱动锁紧部，驱动锁紧部包括推动杆及凸轮机构，推动杆可活动设置于本体部内，具有锁定位置和解锁位置，用于实现本体部与更换部的拆卸连接，凸轮机构安装于本体部，用于驱动推动杆运动。

进一步的，凸轮机构包括凸轮，推动杆与凸轮接抵靠。

进一步的，当推动杆处于锁定位置时，推动杆与凸轮接触面的法线穿过凸轮的旋转中心。

进一步的，驱动锁紧部还包括至少一个锁紧件，当推动杆从解锁位置移动至锁定位置时，能够带动锁紧件运动，使本体部与更换部连接在一起。

进一步的，推动杆侧面形成有第一斜面，更换部内壁形成有朝向第一斜面的第二斜面，锁紧件设置于第一斜面与第二斜面之间，当推动杆从解锁位置移动至锁定位置时，第一斜面推动锁紧件朝向第二斜面运动，直至锁紧件与第一斜面、第二斜面以及本体部紧密抵接。

进一步的，第一斜面与第二斜面均为环形锥面，本体部包括主体结构与连接结构，连接结构为圆环形，环绕推动杆布置于主体结构靠近更换部的端面上，连接结构围绕其轴线均匀分布有多个圆孔，锁紧件与圆孔一一对应布置，锁紧件在第一斜面的驱动下能够穿过圆孔运动。

进一步的，驱动锁紧部还包括复位弹簧，复位弹簧一端抵接更换部，另一端抵接推动杆，当推动杆从解锁位置移动至锁定位置时，压缩复位弹簧。

进一步的，主体结构朝向更换部开设有多个柱塞孔，柱塞孔与圆孔一一对应，本体部还包括多个柱塞，柱塞具有弹性，一端插入到柱塞孔内，另一端延伸至柱塞孔外并与圆孔一一对应。

进一步的，本体部在远离更换部的端面上形成有定位凸台，定位凸台上开设有轴孔，凸轮机构还包括凸轮旋转轴，凸轮旋转轴与凸轮固定连接并且插入到轴孔内与轴孔转动连接。

进一步的，凸轮机构还包括旋转把手，凸轮旋转轴穿过轴孔与旋转把手固定连接，旋转把手能够通过凸轮旋转轴带动凸轮转动，驱动推动杆运动。

进一步的，更换部朝向本体部的端面上形成有定位柱，主体结构在朝向更换部的端面上对应形成有定位孔，定位柱与定位孔配合插接。

与现有技术相比，本机器人末端快换装置锁紧驱动方式为手动，由于不存在气缸以及电机等驱动设备和附加设备，使得整个装置体积(尤其是轴向长度)大大减小的同时重量也急剧减小，从而避免末端过重导致的机械臂变形，非常适用于穿刺手术机器人这种高运动精度中对整个机械臂刚性要求较高的场合；该快换接口尺寸小、重量轻，承载能力大，能够满足穿刺机器人穿刺末端伸入CT机扫描孔内使用的需求。

附图说明

图1为本实用新型提供的机器人末端快换装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的机器人末端快换装置处于锁紧状态时的剖视图；

图3为本实用新型提供的机器人末端快换装置处于释放状态时的剖视图；

图4为图1中机械臂连接结构的结构示意图；

图5为图1中更换部的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

请参见图1至图5，本机器人末端快换装置包括本体部1、更换部2以及驱动锁紧部3。其中本体部1安装在机械臂的末端，更换部2安装在可更换的执行器上并与本体部1可拆卸连接。驱动锁紧部3用于将本体部1与更换部2锁紧，驱动锁紧部3包括推动杆31和凸轮机构，其中推动杆31可活动设置于本体部1内，具有锁定位置和解锁位置两种位置，用于实现本体部1与更换部2的拆卸连接，凸轮机构也安装于本体部1，用于驱动推动杆31运动。当推动杆31从解锁位置运动至锁定位置时，本体部1与更换部2锁定，可以连接至机器人上进行使用；当推动杆31从锁定位置运动至解锁位置时，本体部1与更换部2可拆卸，可以进行更换。

在本实施例中，凸轮机构包括凸轮321，并且通过控制凸轮321的形状可以使得推动杆31与凸轮321接触面的法线穿过凸轮321的旋转中心。这样当推动杆31处于锁定位置时，施加在凸轮321上的合力方向垂直于凸轮321圆周面指向凸轮321回转中心，使得凸轮321与推动杆31之间可靠摩擦接触，不会发生回转，从而实现自锁。

并且驱动锁紧部3还包括至少一个锁紧件33，当推动杆31从解锁位置移动至锁定位置时，能够同时带动锁紧件33运动，使本体部1与更换部2连接在一起，本体部1能够带动更换部2运动。

具体地，在本实施例中，推动杆31的侧面形成有第一斜面311，更换部2内壁形成有在锁紧时朝向第一斜面311的第二斜面21，锁紧件33设置于第一斜面311与第二斜面21之间。当推动杆31从解锁位置移动至锁定位置时，第一斜面311推动锁紧件33朝向第二斜面21运动，直至锁紧件33与第一斜面311、第二斜面21以及本体部紧密抵接，从而实现本体部1与更换部2之间的固定锁紧。

为了使得连接更为牢固，供本体部1与更换部2之间力的作用更加均匀，更加平衡。在本实施例中，优选地将第一斜面311与第二斜面21均设为环形锥面，并且本体部1包括主体结构11与连接结构12。连接结构12环绕推动杆31布置于主体结构11靠近更换部2的端面上，连接结构12上对称开设有多个圆孔121，在本实施例中锁紧件33采用钢球并且并与圆孔121一一对应布置，锁紧件33在第一斜面311的驱动下能够穿过圆孔运动。第一斜面311与第二斜面21分别布置于连接结构12两侧，并且均朝向圆孔121。这样在第一斜面311与第二斜面21的推动作用下，钢球即锁紧件33就能够穿过圆孔121作往复运动。

具体地，当推动杆31从解锁位置移动至锁定位置时，推动杆31朝向更换部2运动，第一斜面311推动钢球穿过圆孔121朝向外侧运动，由于锁定位置状态的钢球还与第二斜面21抵接，朝外运动的过程中会在第二斜面21上施加垂直于第二斜面21的推力，该推力能够分解为径向方向与朝向本体部1方向的两个分离。由于第二斜面21为环形锥面并且钢球对称分布，因此各个钢球在径向方向上产生的分力相互抵消，只剩余朝向本体部1方向的分力，推动更换部2朝向本体部1运动，并将更换部2与本体部1压紧，使更换部2与本体部1牢固连接在一起。

在需要对更换部2进行更换时，将推动杆31从锁定位置移动至解锁位置，然后拉动更换部2与本体部1分离。在这个运动过程中，第二斜面21推动钢球朝内穿过圆孔121，使得更换部2与本体部1可分离。

优选地，为了便于分离，驱动锁紧部3还包括复位弹簧34，复位弹簧34一端抵接更换部2，另一端抵接推动杆31。当推动杆31从解锁位置移动至锁定位置时，压缩复位弹簧34。当分离时复位弹簧34的弹力释放，推动推动杆31从锁定位置回到解锁位置。

主体结构11朝向更换部2开设有多个柱塞孔111，柱塞孔111与圆孔121一一对应。本体部1还包括多个柱塞13，柱塞13具有弹性，一端插入到柱塞孔111内，另一端延伸至柱塞孔111外并与圆孔121一一对应。更换部2与本体部1连接锁紧时，更换部2将柱塞13压入到柱塞孔111内。当更换部2与本体部1分离时，柱塞13会弹出并挡住圆孔121，避免钢球从圆孔121中掉出。

在本实施例中，推动杆31从解锁位置运动锁定位置是由凸轮321来驱动的，凸轮321表面各处与旋转中心之间的距离不尽相同，因此当凸轮321旋转时，就能够驱动推动杆31运动。

因此优选地，本体部1在远离更换部2的端面上形成有定位凸台14，定位凸台14上开设有轴孔。凸轮机构还包括凸轮旋转轴322，凸轮旋转轴322与凸轮321固定连接并且插入到轴孔内与轴孔转动连接。

凸轮机构还包括旋转把手323，以方便工作人员转动凸轮321。凸轮旋转轴322穿过轴孔与旋转把手323固定连接，旋转把手323能够通过凸轮旋转轴322带动凸轮321转动，驱动推动杆31运动。为了更加稳固，最好凸轮旋转轴323中部与凸轮321固定连接，旋转把手323与凸轮旋转轴322两端同时固定连接。

为了便于安装，更换部2朝向本体部1的端面上形成有定位柱22，主体结构11在朝向更换部2的端面上对应形成有定位孔112，定位柱22与定位孔112配合插接，以便于更换部2与本体部1快速地定位并配合连接。本装置在使用时，首先将更换部2与本体部1连接，使得更换部2与主体结构11接触并将柱塞13压入到柱塞孔111内。然后转动旋转把手323，即将旋转把手323从图3所示位置顺时针旋转至图2所示位置。旋转把手323带动凸轮321旋转，驱动推动杆31从解锁位置运动至锁定位置。在此过程中，推动杆31的第一坡面与锁紧件33即钢球斜面相切，推动钢球穿过圆孔121朝外运动并压紧第二斜面21，同时还压紧复位弹簧34。复位弹簧34以及各个钢球施加在推动杆31上的压力的合力朝向本体部1，由于此时凸轮321与推动杆31的接触面法线过凸轮旋转轴322的旋转中心，作用力不会对凸轮321产生任何转矩，此时恰为凸轮321的自锁状态。

在需要进行更换时，逆时针转动旋转把手323，可以使用电机等机械设备带动旋转把手323转动，也可以通过手动的方式带动旋转把手323转动。通过凸轮旋转轴322将运动传递到凸轮321上，由于钢球与推动杆31的轴向压力以及复位弹簧34的推力作用使得推动杆31随着凸轮321的转动而轴向移动，同时钢球在圆孔121内径向向内移动，此时移动杆31与凸轮321的最小直径轮廓面相接触。由于钢球已经沿径向收缩，那么便可将更换部2取下，在取下的同时，柱塞13伸出到指定位置，配合圆孔121防止钢球掉落。当安装新的更换部2时，旋转把手323顺时针转动，推动杆31在凸轮321作用下轴向移动并通过第一坡面将钢球沿径向推出，同时钢球压紧在第二斜面21上使其轴向移动，最终实现图2所示的锁紧状态。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：本机器人末端快换装置锁紧驱动方式为手动，由于不存在气缸以及电机等驱动设备和附加设备，使得整个装置体积(尤其是轴向长度)大大减小的同时重量也急剧减小，从而避免末端过重导致的机械臂变形，非常适用于穿刺手术机器人这种高运动精度中对整个机械臂刚性要求较高的场合；该快换接口尺寸小、重量轻，承载能力大，能够满足穿刺机器人穿刺末端伸入CT机扫描孔内使用的需求。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人末端快换装置，其特征在于，其包括：本体部，所述本体部与机械臂末端连接；更换部，所述更换部与所述本体部可拆卸连接；以及驱动锁紧部，所述驱动锁紧部包括推动杆及凸轮机构，所述推动杆可活动设置于所述本体部内，具有锁定位置和解锁位置，用于实现所述本体部与所述更换部的拆卸连接，所述凸轮机构安装于所述本体部，用于驱动所述推动杆运动；所述凸轮机构包括凸轮，所述推动杆与所述凸轮抵接，所述凸轮机构还包括凸轮旋转轴，所述凸轮旋转轴与所述凸轮固定连接，所述凸轮机构还包括旋转把手，所述旋转把手与所述凸轮旋转轴固定连接以驱动所述凸轮转动。

2.根据权利要求1所述的机器人末端快换装置，其特征在于，当所述推动杆处于锁定位置时，所述推动杆与所述凸轮接触面的法线穿过所述凸轮的旋转中心。

3.根据权利要求2所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述驱动锁紧部还包括至少一个锁紧件，当所述推动杆从所述解锁位置移动至所述锁定位置时，能够带动所述锁紧件运动，使所述本体部与所述更换部连接在一起。

4.根据权利要求3所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述推动杆侧面形成有第一斜面，所述更换部内壁形成有朝向所述第一斜面的第二斜面，所述锁紧件设置于所述第一斜面与所述第二斜面之间，当所述推动杆从所述解锁位置移动至所述锁定位置时，所述第一斜面推动所述锁紧件朝向所述第二斜面运动，直至所述锁紧件与所述第一斜面、所述第二斜面以及所述本体部紧密抵接。

5.根据权利要求4所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述第一斜面与所述第二斜面均为环形锥面，所述本体部包括主体结构与连接结构，所述连接结构为圆环形，环绕所述推动杆布置于所述主体结构靠近所述更换部的端面上，所述连接结构围绕其轴线均匀分布有多个圆孔，所述锁紧件与所述圆孔一一对应布置，所述锁紧件在所述第一斜面的驱动下能够穿过所述圆孔运动。

6.根据权利要求2所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述驱动锁紧部还包括复位弹簧，所述复位弹簧一端抵接所述更换部，另一端抵接所述推动杆，当所述推动杆从所述解锁位置移动至所述锁定位置时，压缩所述复位弹簧。

7.根据权利要求5所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述主体结构朝向所述更换部开设有多个柱塞孔，所述柱塞孔与所述圆孔一一对应，所述本体部还包括多个柱塞，所述柱塞具有弹性，一端插入到所述柱塞孔内，另一端延伸至所述柱塞孔外并与所述圆孔一一对应。

8.根据权利要求1所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述本体部在远离所述更换部的端面上形成有定位凸台，所述定位凸台上开设有轴孔，所述凸轮旋转轴插入到所述轴孔内与所述轴孔转动连接。

9.根据权利要求8所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述凸轮旋转轴穿过所述轴孔与所述旋转把手固定连接，所述旋转把手能够通过所述凸轮旋转轴带动所述凸轮转动，驱动所述推动杆运动。

10.根据权利要求5所述的机器人末端快换装置，其特征在于，所述更换部朝向所述本体部的端面上形成有定位柱，所述主体结构在朝向所述更换部的端面上对应形成有定位孔，所述定位柱与所述定位孔配合插接。

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