CN220463947U - 一种具有扭簧平衡机构的旋转关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有扭簧平衡机构的旋转关节，用于悬挂式串联机械臂，包括第一活动件、第二活动件和扭簧，其中，第一活动件用于与后端负载连接。第一活动件和第二活动件转动连接，且转动轴线与旋转关节的关节轴线重合。扭簧设于第一活动件和第二活动件之间，用于提供平衡扭矩以配合旋转关节的电机平衡后端负载生成的重力扭矩。扭簧的两端分别与第一活动件和第二活动件连接，且扭簧与第一活动件和第二活动件的连接中至少有一个是可调节的，以调整扭簧的初始刚度。扭簧提供的平衡扭矩平衡了部分或全部的重力扭矩，从而减轻电机负荷，减小关节体积、延长电机寿命、提高机械臂工作安全性。

Description

一种具有扭簧平衡机构的旋转关节

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种具有扭簧平衡机构的旋转关节。

背景技术

在医疗手术机器人中，常用结构为机器人台车本体一侧悬挂出一支或多支串连式机械臂结构，这些结构的旋转关节一般都需要电机驱动。对于在竖直方向旋转的关节，由于一端负载在重力作用下会产生向下的旋转扭矩，所以一般需要电机输出反向的扭矩以保持平衡。

当串连的机械臂连杆较长时，负载重力的力臂很大，产生的重力扭矩也很大，这就对电机的输出能力要求很高，往往就会出现一个很细的连杆不得不安装一个很粗的电机的情况，不仅外形丑陋，电机长时间在大扭矩条件下工作也会发热严重、寿命降低。同时，如果电机不安装抱闸，则会有断电掉落的危险，不仅会损坏机械臂，更有损伤患者的危险。但如果安装抱闸，则电机尺寸又会增加不少，这往往不是产品开发者所希望看到的。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种具有扭簧平衡机构的旋转关节，通过扭簧提供的平衡扭矩来平衡部分或全部的重力扭矩来减轻电机负荷，从而减小关节体积、延长电机寿命、提高机械臂工作安全性。

本实用新型的技术方案为：

一种具有扭簧平衡机构的旋转关节，用于悬挂式串联机械臂，包括第一活动件、第二活动件和扭簧，其中，第一活动件用于与后端负载连接；

所述第一活动件和所述第二活动件转动连接，且转动轴线与所述旋转关节的关节轴线重合；所述扭簧设于所述第一活动件和所述第二活动件之间，用于提供平衡扭矩以配合所述旋转关节的电机平衡后端负载生成的重力扭矩；

所述扭簧的两端分别与所述第一活动件和所述第二活动件连接，且所述扭簧与所述第一活动件和所述第二活动件的连接中至少有一个是可调节的，以调整所述扭簧的初始刚度。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述扭簧的一端安装于所述第一活动件上的一个第一安装位，另一端安装于所述第二活动件上的一个第二安装位；

所述第一活动件上设有多个所述第一安装位，和/或所述第二活动件上设有多个所述第二安装位。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述扭簧的轴线与所述关节轴线重合；

当所述第一活动件上设有多个所述第一安装位时，多个所述第一安装位沿所述关节轴线的周向均布；当所述第二活动件上设有多个所述第二安装位时，多个所述第二安装位沿所述关节轴线的周向均布。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第一安装位和/或所述第二安装位为扭簧卡槽，所述扭簧的外伸脚卡入对应的所述扭簧卡槽实现安装。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第一活动件和所述第二活动件间设有限位结构，用于限制所述第一活动件相对所述第二活动件旋转的旋转行程以保证所述扭簧在整个所述旋转行程中始终具有扭力。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述限位结构包括限位柱和沿所述关节轴线的周向设置的行程槽，所述第一活动件和所述第二活动件中的任意一个上设有所述限位柱，另一个上设有所述行程槽，所述限位柱滑动连接于所述行程槽内。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第一活动件和所述第二活动件间设有两个所述限位结构，两个所述限位结构关于所述关节轴线中心对称设置。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第一活动件和所述第二活动件沿所述关节轴线的轴向设置；

所述第一活动件包括第一底板和转轴，所述转轴设于所述第一底板朝向所述第二活动件一侧的表面；所述第二活动件包括第二底板和轴套，所述轴套设于所述第二底板朝向所述第一活动件一侧的表面；所述轴套套设于所述转轴并与其转动连接，实现所述第一活动件和所述第二活动件的转动连接；

所述扭簧套设于所述轴套，其两端分别与所述第一底板和所述第二底板连接。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第二底板朝向所述第一活动件一侧的表面上还设有环形侧壁，所述环形侧壁设于所述轴套的外侧，且，所述环形侧壁和所述轴套之间形成扭簧空间，所述扭簧装配于所述扭簧空间内。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第一活动件上设有沿所述关节轴线的轴向设置且经过所述第一底板和所述转轴的贯穿孔，所述贯穿孔用于布线。

某一实施例中的具有扭簧平衡机构的旋转关节，所述第一底板朝向所述第二活动件一侧的表面上设有至少一个第一安装位，所述第一安装位为凸设于所述第一底板上的两个间隔设置的凸块形成的弹簧卡槽，所述扭簧的一个外伸脚卡入所述弹簧卡槽实现与所述第一活动件的连接。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本实用新型提供的具有扭簧平衡机构的旋转关节，通过设置扭簧，扭簧能够提供平衡扭矩来平衡部分或全部的重力扭矩，减轻电机的负荷，从而降低对电机输出能力的要求，使得可以选用小体积的电机，从而减小关节的体积。同时，电机可以在相对较小的扭矩调节下工作，从而延长电机寿命、提高安装有本实用新型旋转关节的机械臂工作时的安全性。

且，对于安装有本实用新型旋转关节的机械臂，可以通过选择合适弹性系数的扭簧，在电机断电情况下通过扭簧产生平衡扭矩与后端负载产生的重力扭矩实现自平衡，从而节省抱闸结构，进一步减小旋转关节的尺寸。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。

图1为本实用新型的一种具有扭簧平衡机构的旋转关节的剖面示意图；

图2为本实用新型的一种具有扭簧平衡机构的旋转关节的结构示意图；

图3为本实用新型的一种第一活动件的结构示意图；

图4为本实用新型的一种第二活动件的结构示意图；

图5为本实用新型的一种具有扭簧平衡机构的旋转关节的部分结构示意图；

图6为第一活动件、第二活动件和扭簧的运动示意图一；

图7为第一活动件、第二活动件和扭簧的运动示意图二；

图8为本实用新型的一种具有扭簧平衡机构的旋转关节的安装示意图。

附图标记说明：

1：第一活动件；2：第二活动件；3：扭簧；4：挡圈；5：轴承；6：第一底板；7：转轴；8：第二底板；9：轴套；10：环形侧壁；11：扭簧卡槽；12：外伸脚；13：限位柱；14：行程槽；15：后端负载；16：电机；17：安装面。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

参看图1至图7，本实施例提供一种具有扭簧平衡机构的旋转关节，用于悬挂式串联机械臂，包括第一活动件1、第二活动件2和扭簧3。其中，第一活动件1与后端负载15连接，即与机械臂中的执行端或靠近之执行端的结构连接；第二活动件2可以与机械臂的基座或靠近基座的结构连接；当然，第一活动件1和第二活动件2与外部连接时，也可以调换位置，使得第二活动件2与后端负载15连接，此处不做限制。

第一活动件1和第二活动件2转动连接，转动轴线与旋转关节的关节轴线重合，且，第一活动件1和第二活动件2沿关节轴线的轴向设置。第一活动件1包括第一底板6和转轴7，转轴7设于第一底板6朝向第二活动件2一侧的表面。第二活动件2包括第二底板8和轴套9，轴套9设于第二底板8朝向第一活动件1一侧的表面。轴套9套设在转轴7上与其转动连接，从而实现第一活动件1和第二活动件2的转动连接。

沿关节轴向上，将相对靠近第一活动件1的一端/侧称为后端或后端侧，相对靠近第二活动件2的一端/侧称为前端侧。转轴7外侧壁靠近前端的部分上设有环形凹槽，第二底板8上的前端侧表面上设有对应环形凹槽后端侧侧壁的平台，一挡圈4从前端套设在转轴7上，挡圈4的后端表面与平台贴合，挡圈4具有一定的弹性使得其内圈能够嵌入转轴7外侧壁上的环形凹槽，同时挡圈4还具有一定的刚性，使得能够起到连接第一活动件1和第二活动件2使两者不会发生轴向的移动。优选在转轴7和轴套9之间设置一对角接触球轴承5，配合挡圈4实现第一活动件1和第二活动件2紧密装配的同时能够顺滑地转动。

在第一底板6和第二底板8上设置安装孔，用于与外部构件连接。在第一活动件1上设有沿关节轴线的轴向设置且经过第一底板6和转轴7的贯穿孔，贯穿孔可以方便旋转关节布线。

扭簧3设置在第一活动件1和第二活动件2之间，用于提供平衡扭矩以配合旋转关节的电机16平衡后端负载15生成的重力扭矩。具体，扭簧3的两端分别与第一活动件1和第二活动件2连接，且扭簧3与第一活动件1和第二活动件2的连接中至少有一个是可调节的，从而使得可以调整扭簧3的初始刚度，进一步使得在第一活动件1相对第二活动件2转动的相同旋转行程内扭簧3产生的平衡力区间可以调整。需注意，一般初始情况下，扭簧3都处于预压缩状态。

更具体的，第二底板8朝向第一活动件1一侧的表面上还设有环形侧壁10，环形侧壁10设于轴套9的外侧，且，环形侧壁10和轴套9之间形成扭簧空间。扭簧3装配于扭簧空间内并套设在转轴7上。

第一底板6的前端侧表面上设有至少一个第一安装位，第二底板8的后端侧表面上设有至少一个第二安装位，第一安装位和第二安装位中至少一个的数量大于一，而扭簧3的两端分别安装于一个第一安装位和一个第二安装位上，从而使得可以调整扭簧3的初始刚度。较为优选的，当有多个第一安装位时，多个第一安装位沿关节轴线的周向均布；当有多个第二安装位时，多个第二安装位沿关节轴线的周向均布。在本实施例中，第一底板6上设有两个第一安装位，两个第一安装位关于关节轴线中心对称设置；第二底板8上也设有两个第二安装位，两个第二安装位关于关节轴线中心对称设置。

如图3所示，第一安装位可以是凸设在第一底板6的后端侧表面上的两个间隔设置的凸块形成的扭簧卡槽11，扭簧3的一个外伸脚12卡入扭簧卡槽11实现与第一底板6的连接。如图4所示，第二安装位可以是设置在第二底板8前端侧表面上端扭簧卡槽11，不过该处的扭簧卡槽11因环境的不同在结构上与第一底板6上的不同。当然在其他实施例中，第一安装位和第二安装位的具体结构以及和扭簧3两端的连接方式都可以有其他选择，此处不做限制。

在第一活动件1和第二活动件2之间设有限位结构，用于限制第一活动件1相对第二活动件2旋转的旋转行程，从而保证扭簧3在整个旋转行程中始终具有扭力。具体，限位结构可以包括限位柱13和沿关节轴线的周向设置的行程槽14，第一活动件1和第二活动件2中的任意一个上设有限位柱13，另一个上设有行程槽14，限位柱13滑动连接于行程槽14内。行程槽14的两端即为限位柱13运动的起点和终点。行程槽14的弧长尺寸，决定了关节旋转的行程。

如图3和图4所示，在本实施例中，限位柱13设置在第一底板6的前端侧表面上，行程槽14设置在第二底板8的后端侧表面。为增加旋转关节的稳定性和可靠性，可在第一活动件1和第二活动件2间设置两个限位结构，两个限位结构关于关节轴线中心对称设置。

在安装时，如图8所示，第一活动件1与后端负载15连接，旋转关节的电机16的壳体也就是固定端上连接安装面17，第二活动件2与安装面17连接，电机16的输出轴与负载在贯穿孔实现连接。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，用于悬挂式串联机械臂，包括第一活动件、第二活动件和扭簧，其中，第一活动件用于与后端负载连接；

所述第一活动件和所述第二活动件转动连接，且转动轴线与所述旋转关节的关节轴线重合；所述扭簧设于所述第一活动件和所述第二活动件之间，用于提供平衡扭矩以配合所述旋转关节的电机平衡后端负载生成的重力扭矩；

所述扭簧的两端分别与所述第一活动件和所述第二活动件连接，且所述扭簧与所述第一活动件和所述第二活动件的连接中至少有一个是可调节的，以调整所述扭簧的初始刚度。

2.根据权利要求1所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述扭簧的一端安装于所述第一活动件上的一个第一安装位，另一端安装于所述第二活动件上的一个第二安装位；

所述第一活动件上设有多个所述第一安装位，和/或所述第二活动件上设有多个所述第二安装位。

3.根据权利要求2所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述扭簧的轴线与所述关节轴线重合；

当所述第一活动件上设有多个所述第一安装位时，多个所述第一安装位沿所述关节轴线的周向均布；当所述第二活动件上设有多个所述第二安装位时，多个所述第二安装位沿所述关节轴线的周向均布。

4.根据权利要求3所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第一安装位和/或所述第二安装位为扭簧卡槽，所述扭簧的外伸脚卡入对应的所述扭簧卡槽实现安装。

5.根据权利要求1所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第一活动件和所述第二活动件间设有限位结构，用于限制所述第一活动件相对所述第二活动件旋转的旋转行程以保证所述扭簧在整个所述旋转行程中始终具有扭力。

6.根据权利要求5所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述限位结构包括限位柱和沿所述关节轴线的周向设置的行程槽，所述第一活动件和所述第二活动件中的任意一个上设有所述限位柱，另一个上设有所述行程槽，所述限位柱滑动连接于所述行程槽内。

7.根据权利要求6所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第一活动件和所述第二活动件间设有两个所述限位结构，两个所述限位结构关于所述关节轴线中心对称设置。

8.根据权利要求1所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第一活动件和所述第二活动件沿所述关节轴线的轴向设置；

所述第一活动件包括第一底板和转轴，所述转轴设于所述第一底板朝向所述第二活动件一侧的表面；所述第二活动件包括第二底板和轴套，所述轴套设于所述第二底板朝向所述第一活动件一侧的表面；所述轴套套设于所述转轴并与其转动连接，实现所述第一活动件和所述第二活动件的转动连接；

所述扭簧套设于所述轴套，其两端分别与所述第一底板和所述第二底板连接。

9.根据权利要求8所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第二底板朝向所述第一活动件一侧的表面上还设有环形侧壁，所述环形侧壁设于所述轴套的外侧，且，所述环形侧壁和所述轴套之间形成扭簧空间，所述扭簧装配于所述扭簧空间内。

10.根据权利要求8所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第一活动件上设有沿所述关节轴线的轴向设置且经过所述第一底板和所述转轴的贯穿孔，所述贯穿孔用于布线。

11.根据权利要求8所述的具有扭簧平衡机构的旋转关节，其特征在于，所述第一底板朝向所述第二活动件一侧的表面上设有至少一个第一安装位，所述第一安装位为凸设于所述第一底板上的两个间隔设置的凸块形成的扭簧卡槽，所述扭簧的一个外伸脚卡入所述扭簧卡槽实现与所述第一活动件的连接。