[发明专利]一键锁紧被动式七自由度机械臂

说明书

技术领域

本发明涉及一种一键锁紧被动七自由度机械臂，用于计算机辅助临床医疗和牙科手术领域。

背景技术

目前人们使用临床医疗辅助器材大多为进口，价格昂贵，且多为电动，操作复杂，灵活性不高。在牙科手术领域，目前有一些通过机床上使用的万向微调磁性表座改进而成的辅助定位小型机械臂在使用之中，但该机械臂存在载荷轻、自由度少且缩紧不牢靠、用处单一等缺点。为解决以上这些问题，需要一种能被动一键锁紧的多自由度(大于等于六个自由度)机械臂装置。

经文献检索发现，中国专利申请号：200910092342.X，该专利技术公开了一种应用于光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂，包括导航臂，导航臂上依此设置A-F六个关节，其中关节A-D为被动式关节，E、F为主动式关节，主动关节E能够实现圆周上的转动，主动关节F能够实现半径方向摆动，所述导航臂上设有控制被动式关节的通断电开关。此发明的特点在于，结合光动力治疗中的特点，将“主动”自由度与“被动”自由度有机结合降低控制系统的复杂度，从而提高系统手术效果及系统刚度和可靠性。此发明的医用机械臂由于负载较小(载荷为末端夹持的激光笔)及设计形状的原因应用局限于光动力治疗，同时，该装置仍保留两个主动关节，电源、控制系统等附加设备依然存在，装置较多，关节锁紧复杂，且每个关节一个自由度，关节较多，维护要求高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有临床辅助机械臂机构的不足及国内该项研究设计的空白，提供一种用于计算机辅助临床医疗和牙科手术领域的被动七自由度一键缩紧机械臂，使其能一键锁紧，能承受一定的负载(如10kg)具有良好的通用性，并且保证较高的灵活度和完全被动性和简洁性，不因操作复杂、可靠性差而影响辅助医疗的效果和质量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电磁座、下球副、下挺杆机构、一键锁紧机构、上挺杆机构、上球副、末端夹持机构。连接方式为：电磁座由磁力固定于手术台侧，下球副与电磁座固定形成底座，下挺杆机构和上挺杆机构分别与一键锁紧机构中的两个对应圆锥凸轮(两圆锥凸轮为一个整体)接触，上挺杆机构与上球副中的钢球连接，该钢球末端连接末端夹持机构。

一键锁紧机构包括：旋钮、圆锥凸轮、大外筒盖、小外筒盖。连接方式为：大外筒盖、小外筒盖均为U形半圆柱外筒，圆锥凸轮是两个圆锥凸轮组成的一个整体，这两个圆锥凸轮分别放入对应的大外筒盖、小外筒盖中，接口部分套上轴套；圆锥凸轮前端中心与旋钮固接为一体，前端外部攻有螺纹，与对应轴套螺纹咬合，将旋钮及圆锥凸轮旋转运动转化成直线运动。两半大、小外筒盖之间通过螺栓连接在一起。另外，大外筒盖和小外筒盖在锁紧时会相互靠拢接触，产生摩擦力矩，锁紧中间旋转副。

本发明有两个结构功类似、功能相同的挺杆机构，即上、下挺杆机构。挺杆机构包括：内挺杆、弹簧、上下两个轴套、外筒。连接方式为：弹簧套于挺杆接近球副一端，弹簧一端与内挺杆上的台阶接触，另一端与对应球副台阶面接触，可使旋钮松开时使挺杆与钢球脱离接触；每根挺杆上与套筒对应的上下位置分别有凸出台阶用于安装轴套，便于挺杆上下滑动和装拆；外筒一端与锁紧机构外筒通过冒耳螺栓联接在一起，另一端与对应球副通过螺栓联接在一起，使支撑反力能传到机座。由于所在工作环境(力和力矩大小不同)不同，上、下挺杆机构在挺杆杆径、外筒直径方面略有不同(下挺杆较大)。

本发明中，末端夹持机构包括：松螺栓、左夹片、右夹片、压缩弹簧。连接方式为：右夹片前端圆柱攻有螺纹，通过螺纹连接于上钢球上，左右夹片形如老虎钳夹片，通过咬合松螺栓相互联接，左右夹片上均开有凹槽及其中的小凸台用于卡入压缩弹簧，使其在自然条件下夹片前端夹持部分为张紧状态，双头螺柱穿过上球副的轴套与钢球通过螺纹连接紧固在一起，这样可以适当增大末端夹持的空间活动角度。

本发明有两个结构相似、功能相同的球副机构：上球副和下球副。上、下球副均包括：钢球、球副罩、球副盖。连接方式为：下钢球焊接于连接在底座的圆柱螺栓上，钢球外半球套于球副罩下端，并与球副盖(套于钢球另一半球面)通过沉头螺栓联接在一起，球副套上端联接于对应外筒。这样钢球就可以在球套中自由旋转而又不脱离球套。上球副与之类似，只是上钢球不是固连于底座上，而与末端夹持机构联接。