专利名称：具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗设备。特别是涉及一种可灵活运用于喉部外科手术中的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架。
背景技术：
刚体在空间内任意位姿的定位问题，普遍性存在于工业、农业、医疗等各个行业内。早期的定位支架多应用于工业生产中，多采用电动、液压、气动等方式驱动，该类支架虽然具有刚度大，承载能力强的特点，但其结构都比较复杂，体积庞大，不适于人手操作。近年来，随着外科手术技术的发展，尤其是微创手术技术的成熟，外科手术急需结构简单，操作方便，安全可靠的定位支架，将医生和护士从长时间的单一性劳动中解脱出来，如微创手术中腹腔镜的固定。国外对于医用被动支架的研究比较多，如JohnHopkins大学设计的被动支架，具有七个自由度和锁紧功能，能满足空间刚体的定位和锁紧功能。但由于该机构是针对针刺等微小器具设计的，不具备重力补偿功能，因此，只适用于重量轻的物体定位。国内关于该类型的机构研究仍处于单个自由度逐个锁紧的阶段，多自由度，具有同时锁紧的支架尚未出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有六个自由度的被动式定位和重力补偿功能，能使较重的末端工具在人手操作下达到空间任意位姿。并利用其锁紧机构对末端工具进行刚性定位的、可灵活运用于喉部外科手术中的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架。
本发明所采用的技术方案是一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，包括重力补偿机构，直线关节机构，肩关节机构，中间关节机构，球关节机构，其中，直线关节机构设置在重力补偿机构的上端，直线关节机构的顶端通过小臂与肩关节机构的一端垂直连接，肩关节机构的另一端通过大臂与中间关节机构的一端连接，中间关节机构的另一端通过前臂与球关节机构相连。
所述的重力补偿机构包括有下底座；通过螺纹连接在下底座内侧的调整螺堵；位于下底座内侧且下端面与调整螺堵的顶端接触用于配重调整的配重弹簧；位于配重弹簧上端面的导杆的下部分。
所述的直线关节机构包括有设置在下底座上端的上底座；位于下底座和上底座内的导杆，在导杆下部的一侧固定连接有平键A，在下底座的内侧面上与平键A对应的位置处开有与平键A配合的键槽，从而形成导杆的导向机构；分别连接在上底座内周的上、下两端的自润滑轴承；设置在自润滑轴承之间的套筒；通过外螺纹分别与下底座、上底座底部的内螺纹相连接的调整螺母；一端头通过平键B与导杆的上端连接的小臂，在导杆的顶端通过内六角螺钉连接有用于固定导杆与小臂的连接的轴端挡圈。
上底座的上部外周面上还设置有左、右两个弹性锁紧瓣，锁紧螺栓穿入弹性锁紧瓣的内孔中，盖形螺母位于上底座一侧的弹性锁紧瓣的限位槽内，并通过螺纹与锁紧螺栓的一侧相连接；扳手的内六角孔与锁紧螺栓的另一侧的外六角形轴相连接；轴端挡圈通过开槽盘头螺钉与锁紧螺栓相连接。
上底座的上部外周面上还可以设置有伞形手轮和与之相连的螺栓，用于锁紧导杆的螺栓通过螺纹穿过上底座上端的螺纹孔与导杆接触。
所述的肩关节机构包括有与小臂过盈连接的肩关节轴；上、下端面分别与小臂的内腔的上、下壁接触，而外柱面与小臂内腔的内壁轴孔配合的大臂的左端，并且大臂左端的轴孔与肩关节轴构成转动副；在大臂左端内腔的槽内还设置有肩关节摩擦块，肩关节摩擦块的柱面一侧与肩关节轴柱面配合，而位于大臂内的左推杆的左端面与肩关节摩擦块右端竖直平面接触。
所述的中间关节机构包括有大臂与前臂端面接触，下盖固定在大臂右端的底面；转动轴悬浮在大臂右部及前臂左部的内腔中；盖形螺母和其上部六角薄螺母通过螺纹连接在转动轴下端，构成双螺母调整机构；转动轴上位于六角薄螺母之上依次为碟簧挡圈、碟簧组合和推力球轴承，推力球轴承的下圈与转动轴配合，推力球轴承的上圈与下盖的内孔配合，下推块位于推力球轴承之上与转动轴间隙配合，下推块的外柱面与大臂右端内孔腔内壁间隙配合；下推块左侧平面与大臂的轴线垂直；左推块位于大臂右部腔内，左推块的斜面与下推块的斜面接触，左推块的左侧竖直平面与左推杆的右端面接触；上盖固定在前臂左端的顶面上；上推块与转动轴间隙配合，上推块与前臂左端内腔内壁间隙配合，上推块的右侧竖直平面与前臂的轴线垂直；右推块位于前臂左端空腔内，右推块的斜面与上推块的斜面接触，右推块的右侧竖直平面与右推杆的左端面连接；导向花键通过右旋内螺纹与转动轴上部右旋外螺纹连接，导向花键的底面与上推块的顶面接触，导向花键与上盖花键配合；转动轴上端通过方形轴段与伞形手轮的内方孔连接；轴端挡圈通过开槽盘头螺钉固定在转动轴的上端。
所述的中间关节机构包括有嵌入大臂的右端内部与大臂连接的前臂的左端部；前臂的左端部内设置有转动轴，转动轴的下部呈圆锥面，转动轴的顶部连接有用于驱动转动轴的扳手；转动轴与大臂右端上部螺纹连接，转动轴的下部圆锥面与贯穿大臂的左推杆、贯穿前臂的右推杆接触，转动轴的下端面与前臂的左端底部接触。
所述的中间关节机构包括有上盖与前臂连接，伞形手轮与转动轴连接，推力球轴承与转动轴连接，推力球轴承上、下面分别与伞形手轮及上推块接触，上推块与右推块斜面接触，右推块与位于前臂内的右推杆接触，前臂与大臂连接，下推块与左推块斜面接触，左推块与位于大臂内的左推杆接触，下盖与大臂连接，转动轴贯穿上盖、上推块、前臂、下推块、大臂后，底部与下盖花键连接。
所述的球关节机构包括有套在前臂右端部的球套；嵌入在球套内并形成有内球面的球关节摩擦块，球关节摩擦块的左端面与设置在前臂内的右推杆的右端面接触；嵌入在球套内，一半与球关节摩擦块吻合组成运动副，另一半形成有外伸杆的转动球；通过盖形螺母固定在外伸杆上的连接杆构成。所述的球套的外周形成有开槽及对称的两个销孔，与其对应，球关节摩擦块的外柱面开有两个槽，圆柱销贯穿球套外周的销孔嵌入在球关节摩擦块外柱面的两个槽内，并通过轴用钢丝挡圈固结在球套上。
所述的球关节机构包括有球套通过螺栓螺母与前臂连接，转动球与球套及球关节摩擦块接触，右推杆与球关节摩擦块接触。
本发明的第二技术方案是一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，包括重力补偿及直线关节机构，肩关节机构，中间关节机构，球关节机构，其中，重力补偿及直线关节机构通过肩关节机构与大臂连接，大臂与中间关节机构的一端连接，中间关节机构的另一端通过前臂与球关节机构相连。
所述的重力补偿直线关节机构包括有底座；套在底座上部外侧的小臂；形成在底座上与小臂相对应的位置上的长槽；对小臂的上下运动进行导向的圆柱销；在小臂一侧形成有安装孔，螺栓与锁紧扳手安装在小臂的安装孔内，扳动锁紧扳手相对螺栓旋转，夹紧小臂从而夹紧底座将直线关节锁紧；在底座内侧底部设置有配重块，软绳的一端与配重块的上部连接，软绳的另一端绕过安装在底座顶部的横杆上的导轮，与圆柱销连接，构成小臂的配重结构；小臂另一侧形成有构成肩关节机构的连接结构。
本发明的第三技术方案是一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，包括重力补偿机构，肩部连接机构，中间关节机构，球关节机构，其中，重力补偿机构通过肩部连接机构与大臂连接，大臂的另一端与中间关节机构的一端连接，中间关节机构的另一端通过前臂与球关节机构相连；其中，所述的重力补偿机构的构成是上底座与下底座通过螺纹连接，弹簧置于下底座内腔中，弹簧上端与导杆的底部接触，导杆以相对上底座上下直线运动和绕上底座的轴线相对上底座转动的结构与上底座内壁配合，并通过位于上底座上端的锁紧机构固定；所述的肩部连接机构的构成是大臂通过平键与导杆连接，轴端档圈通过内六脚螺钉将大臂与导杆的轴端连接。
本发明的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架具有以下有益效果(1)该机构具有6个自由度，位置和姿态解耦，可以满足手术器械的定位要求。
(2)位置机构由一个竖直关节和两个水平关节组成，其中竖直关节采用配重弹簧进行重力补偿，使手动定位轻便快捷。
(3)机构整体采用被动式驱动方式，机械机构简洁，成本低廉。
(4)碟簧作为柔性环节，可以调整手轮旋转产生的锁紧力对各个关节的分力，最终实现三个关节，五个自由度的同时锁紧。
(5)调整螺堵可以根据负载重量调整配重弹簧的压缩量，从而实现变负载情况下的重力补偿功能。
(6)采用了双臂等长结构，使被动支架双臂总长一定时，末端支撑设备具有最大的运动空间。
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的直线运动关节、肩关节结构示意图；图3是本发明的中间关节、球关节结构示意图；图4是本发明直线运动关节另一实施例的结构示意图；图5是本发明中间关节第二实施例的结构示意图；图6是本发明中间关节第三实施例的结构示意图；图7是本发明球关节另一实施例的结构示意图；图8是本发明的第二实施例的部分结构示意图；图9是本发明的第三实施例的部分结构示意图。
其中1-下底座 2-调整螺堵3-配重弹簧4-平键A5-开槽半沉头螺钉 6-导杆7-调整螺母 8-调整螺母9-自润滑轴承10-套筒11-上底座 12-自润滑轴承13-开槽盘头螺钉14-轴端挡圈 15-扳手16-锁紧螺栓17-小臂 18-轴端挡圈19-内六角螺钉 20-平键B 21-肩关节轴22-肩关节摩擦块23-大臂 24-左推杆25-盖形螺母26-内六角螺钉 27-普通圆柱销28-上盖29-内六角螺钉 30-伞形手轮31-轴端挡圈32-开槽盘头螺钉 33-转动轴34-导向花键35-上推块 36-右推块37-前臂38-右推杆 39-调整螺母40-球套41-圆柱销 42-轴用钢丝挡圈43-球关节摩擦块44-转动球 45-连接杆46-盖形螺母47-下盖 48-内六角螺钉49-下推块 50-推力球轴承 51-碟簧挡圈52-六角薄螺母 53-盖形螺母 54-碟簧组合55-左推块 57-伞形手轮 58-螺栓59-外伸杆 60-底座61-配重块
62-软绳 63-圆柱销 64-小臂65-锁紧扳手 66-螺栓 67-导轮68-横杆 69-大臂 70-左推杆71-转动轴 72-前臂 73-右推杆74-扳手 75-上盖 76-内六角螺钉77-手轮 78-转动轴 79-推力球轴承80-上推块 81-右推块 82-前臂83-右推杆 84-左推杆 85-右推块86-下盖 87-下推块 88-螺钉89-大臂 90-右推杆 91-前臂92-球关节摩擦块 93-转动球 94-螺栓95-螺母 96-球套 97-长槽98-连接结构 99-内六角螺钉 100-平键101-大臂102-上底座103-下底座104-弹簧107-导杆 108-轴端挡圈A-直线关节机构 B-肩关节机构 C-中间关节机构D-球关节机构E-重力补偿机构F-重力补偿机构G-重力补偿机构 H-肩部连接机构具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架做出详细说明。
如图1所示，本发明的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，包括重力补偿机构E，直线关节机构A，肩关节机构B，中间关节机构C，球关节机构D，其中，直线关节机构A设置在重力补偿机构E的上端，直线关节机构A的顶端通过小臂17与肩关节机构B的一端垂直连接，肩关节机构B的另一端通过大臂23与中间关节机构C的一端连接，中间关节机构C的另一端通过前臂37与球关节机构D相连。
如图2所示，所述的重力补偿机构E包括有下底座1；通过螺纹连接在下底座1内侧的调整螺堵2；位于下底座1内侧且下端面与调整螺堵2的顶端接触，用于配重的配重弹簧3；位于配重弹簧3上端面的导杆6的下部分。配重弹簧3套入导杆6的凸台上。
所述的直线关节机构A包括有设置在下底座1上端的上底座11；位于下底座1和上底座11内的导杆6，在导杆6下部的一侧固定连接有平键A4，在下底座1的内侧面上与平键A4对应的位置处开有与平键A4配合的键槽，从而形成导杆6的导向机构；分别连接在上底座11内周的上、下两端的自润滑轴承9、12；设置在自润滑轴承9、12之间的套筒10；通过内外螺纹分别与下底座1上部外螺纹、上底座11底部的内螺纹相连接的调整螺母7、8；一端头通过平键B20与导杆6的上端连接的小臂17，在导杆6的顶端通过内六角螺钉19连接有用于固定导杆6与小臂17的连接的轴端挡圈18。
在上底座11的上部外周面上还设置有左、右两个弹性锁紧瓣，锁紧螺栓16穿入弹性锁紧瓣的内孔中，盖形螺母25位于上底座11一侧的弹性锁紧瓣的限位槽内，并通过螺纹与锁紧螺栓16的一侧相连接；扳手15的内六角孔与锁紧螺栓16的另一侧的六角形轴相连接；轴端挡圈14通过开槽盘头螺钉13与锁紧螺栓16相连接。
如图4所示，在上底座11的上部外周面上还可以设置有伞形手轮57和与之相连的螺栓58，用于锁紧导杆6的螺栓58通过螺纹穿过上底座11上端的螺纹孔与导杆6接触。
如图2所示，所述的肩关节机构B包括有与小臂17过盈连接的肩关节轴21，肩关节轴21通过下端的内六角螺钉26与小臂17固定连接；上、下端面分别与小臂17的内腔的上、下壁接触，而外柱面与小臂17内腔的内壁轴孔配合的大臂23的左端，并且大臂23左端的轴孔与肩关节轴21构成转动副；在大臂23左端内腔的槽内还设置有肩关节摩擦块22，肩关节摩擦块22的柱面一侧与肩关节轴21柱面配合，而位于大臂23内的左推杆24的左端面与肩关节摩擦块22右端竖直平面接触。
如图3所示，所述的中间关节机构C包括有由大臂23右端面上的轴孔与前臂37左端面上的突出轴段组成转动副，大臂23的右端顶面与前臂37左端的底面相接触；普通圆柱销27一端固定在前臂37左端面的孔内，另一端嵌入大臂23右端顶面上的限位槽内，组成限位机构；即，大臂23与前臂37端面接触，下盖47通过内六角螺钉48固定在大臂23右端的底面；转动轴33悬浮在大臂23右部及前臂37左部的内腔中；盖形螺母53和其上部六角薄螺母52通过螺纹连接在转动轴33下端，构成双螺母调整机构；转动轴33上位于六角薄螺母52之上依次为碟簧挡圈51、碟簧组合54和推力球轴承50，推力球轴承50的下圈与转动轴33配合，推力球轴承50的上圈与下盖47的内孔配合，下推块49位于推力球轴承50之上与转动轴33间隙配合，下推块49的外柱面与大臂23右端内孔腔内壁间隙配合；下推块49左侧平面与大臂23的轴线垂直；左推块55位于大臂23右部腔内，左推块55的斜面与下推块49的斜面接触，左推块55的左侧竖直平面与左推杆24的右端面接触；上盖28通过内六角螺钉29固定在前臂37左端的顶面上；上推块35与转动轴33间隙配合，上推块35与前臂左端内腔内壁配合，上推块35的右侧竖直平面与前臂37的轴线垂直；右推块36位于前臂37左端空腔内，右推块36的斜面与上推块35的斜面接触，右推块36的右侧竖直平面与右推杆38的左端面连接；导向花键34通过右旋内螺纹与转动轴33上部右旋外螺纹连接，导向花键34的底面与上推块35的顶面接触，导向花键34与上盖28花键配合；转动轴33上端通过方形轴段与伞形手轮30的内方孔连接；轴端挡圈31通过开槽盘头螺钉32固定在转动轴33的上端。
所述的中间关节机构C还可以采用如图5所示的结构嵌入大臂69的右端内部与大臂69连接的前臂72的左端部；前臂72的左端部内设置有转动轴71，转动轴71的下部呈圆锥面，转动轴71的顶部连接有用于驱动转动轴71的扳手74；转动轴71与大臂69右端上部螺纹连接，转动轴71的下部圆锥面与贯穿大臂69的左推杆70、贯穿前臂72的右推杆73接触，转动轴71的下端面与前臂72的左端底部接触。从而转动扳手74带动转动轴71相对大臂69转动，转动轴71推动左推杆70、右推杆73分别向左、右运动，转动轴71底部压紧前臂72的左端与大臂69的右端贴紧，前臂72不能相对大臂69转动，将中间关节锁紧。
所述的中间关节机构C还可以采用如图6所示的结构，包括有上盖75通过内六角螺钉76与前臂82连接，伞形手轮77与转动轴78螺纹连接，推力球轴承79与转动轴78连接，推力球轴承79上、下面分别与伞形手轮77及上推块80接触，上推块80与右推块81斜面接触，右推块81与位于前臂82内的右推杆83接触，前臂82与大臂89连接，下推块87与左推块85斜面接触，左推块85与位于大臂89内的左推杆84接触，下盖86与大臂89通过内六角螺钉88连接，转动轴78贯穿上盖75、上推块80、前臂82、下推块87、大臂89后，底部与下盖86花键连接。
旋转伞形手轮77相对转动轴78转动，花键连接限制转动轴78转动，伞形手轮77通过推力球轴承79向下压上推块80，上推块80通过斜面向右压紧右推块81，右推块81与右推杆83接触，转动轴78下端花键向上压紧下推块87，下推块87通过斜面向左压紧左推块85，左推块85向左压紧左推杆84，左推块85、右推块81分别向上、下压紧大臂89、前臂82，前臂82不能相对大臂89转动，将中间关节锁紧。
如图3所示，所述的球关节机构D包括有套在前臂37右端部的球套40；嵌入在球套40内并形成有内球面的球关节摩擦块43，球关节摩擦块43的左端面与设置在前臂37内的右推杆38的右端面接触；嵌入在球套40内，一半与球关节摩擦块43配合组成运动副，另一半形成有外伸杆59的转动球44；通过盖形螺母46固定在外伸杆59上的连接杆45构成。盖形螺母46通过内螺纹与转动球44的外伸杆59的外螺纹连接将连接杆45固定在转动球44外伸杆上。所述的球套40的外周形成有开槽及对称的销孔，与其对应，球关节摩擦块43的外柱面开有两个槽，圆柱销41贯穿球套40外周的销孔嵌入在球关节摩擦块43外柱面的两个槽内，并通过轴用钢丝挡圈42固结在球套40上。
所述的球关节机构D还可以采用如图7所示的结构，包括有球套96通过螺栓96通过螺栓94、螺母95与前臂91连接，转动球93与球套96及前臂91的内球面接触，球关节摩擦块92与转动球93接触，设置在前臂91内的右推杆90与球关节摩擦块92接触。
本发明的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，还可以采用如下的第二实施方式构成，如图1、图8所示，包括有重力补偿及直线关节机构F，肩关节机构B，中间关节机构C，球关节机构D，其中，重力补偿及直线关节机构F通过肩关节机构B与大臂23连接，大臂23与中间关节机构C的一端连接，中间关节机构C的另一端通过前臂37与球关节机构D相连。
所述的重力补偿及直线关节机构F包括有底座60；套在底座60上部外侧的小臂64；形成在底座60上与小臂64相对应的位置上的长槽97；贯穿小臂64和底座60侧面的长槽97，对小臂64的上下运动进行导向的圆柱销64；在小臂64一侧形成有安装孔，螺栓66与锁紧扳手65安装在小臂64的安装孔内，扳动锁紧扳手65相对螺栓66旋转，夹紧小臂64从而夹紧底座60将直线关节锁紧；在底座60内侧底部设置有配重块61，软绳62的一端与配重块61的上部连接，软绳62的另一端绕过安装在底座60顶部的横杆68上的导轮67，与圆柱销63连接，构成小臂64的配重结构；小臂64另一侧形成有构成肩关节机构B的连接结构98。
在本第二实施方式中的中间关节机构C、球关节机构D仍采用第一实施方式中所示的结构。
本发明的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，还可以采用如下的第三实施方式构成，如图9所示，包括重力补偿及直线关节机构G，肩部连接机构H，中间关节机构C，球关节机构D，其中，重力补偿及直线关节机构G通过肩部连接机构H与大臂101连接，大臂101与中间关节机构C的一端连接，中间关节机构C的另一端通过前臂37与球关节机构D相连；其中，所述的重力补偿及直线关节机构G的构成是上底座102与下底座103通过螺纹连接，弹簧104置于下底座103内腔中，弹簧104上端与导杆107的底部接触，导杆107以相对上底座102上下直线运动和绕上底座102的轴线相对上底座102转动的结构与上底座102内壁配合，并通过位于上底座102上端的锁紧机构固定，所述的锁紧机构仍采用如图2所示的通过扳手进行锁紧的连接结构；所述的肩部连接机构H的构成是大臂101通过平键100与导杆连接，轴端档圈108通过内六脚螺钉99将大臂101与导杆107的轴端连接。
在本第三实施方式中的中间关节机构C、球关节机构D仍采用第一实施方式中所示的结构。
下面将说明本发明外科手术机器人被动式支架的动作实施过程。
1.支架六自由度运动本发明外科手术机器人被动式支架在未锁紧状态下包括六个自由度的运动直线关节竖直运动操作人员驱动球套40末端，球套40所受竖直方向的分力带动前臂37，前臂37通过中间关节带动大臂23，大臂23通过肩关节带动小臂17，小臂17带动导杆6相对于上底座11上、下运动，自润滑轴承9、12组合确保直线运动轨迹的精确度，平键4A与下底座1的键槽配合对导杆6进行导向，防止导杆6相对下底座1转动，配重弹簧3补偿导杆6所承受的支架的重力，使得导杆6的上下运动灵活。
肩关节水平转动(大臂水平转动)操作人员驱动球套40末端，球套40所受水平方向垂直于大臂23的分力带动小臂17，小臂17驱动大臂23绕肩关节轴21转动，小臂17的内腔上、下壁与大臂23左端上、下端面配合对大臂23运动定位，肩关节轴21及小臂17内腔左侧内壁共同对大臂23的转动导向。
中间关节水平转动(小臂水平转动)操作人员驱动球套40末端，球套40末端水平面内垂直于前臂37的分力驱动前臂37绕转动轴33转动，前臂37左端底面及大臂23右端顶面为转动定位，前臂37左端的突出轴段与大臂23右端顶面的轴孔配合对转动运动导向，前臂37左端底面固结的圆柱销27与大臂23右端顶面的限位槽配合限制前臂37相对大臂23的转动范围，六角薄螺母52及导向花键34压缩碟簧组合54产生的压紧力在转动轴位置处对前臂37左端产生的力矩补偿前臂37重力转矩，提高定位面定位的可靠性。
球关节转动(转动球姿态调整转动)操作人员驱动转动球44外伸杆使转动球44在空间内相对于球套40转动，球套40的内腔球面对转动球44的转动运动进行定位，圆柱销41防止球套40跟随转动球44绕前臂轴线转动。
2.支架各关节锁紧动作直线关节锁紧，扳动扳手15驱动锁紧螺栓16相对于盖形螺母25转动，锁紧螺栓16的左端面与盖形螺母25分别向右、左压缩上底座11的左右弹性锁紧瓣，两个弹性锁紧瓣抱紧导杆6使之固定，将直线关节锁紧；肩关节、中间关节、球关节锁紧，逆时针旋转伞形手轮30，导向花键34与六角薄螺母52及盖形螺母53的相对距离减小，六角薄螺母52推动碟簧挡圈51压缩碟簧组合54，碟簧组合54压紧推力球轴承50，导向花键34和推力球轴承50分别向下和向上挤压上推块35、下推块49，上推块35、下推块49分别向下、上挤压右推块36、左推块55，由于右推块36、左推块55的斜面作用，右推块36、左推块55分别向右、左挤压右推杆38、左推杆24，同时上推块35、下推块49分别向下、上挤压前臂37、大臂23。左推块推左推杆24向左将肩关节摩擦块22压紧在肩关节轴21上，产生的摩擦阻力矩使肩关节摩擦块22不发生相对肩关节轴21的转动，将肩关节锁紧；当左推块55、右推块36分别向上、下压紧大臂23、前臂37时，大臂23和前臂37的接触面产生摩擦力矩，使前臂37不能相对大臂23转动，将中间关节锁紧；右推杆38将球关节摩擦块43压紧在转动球44的左球面上，转动球44的右球面被压紧在球套40的内球面上，转动球44的左、右两侧产生的摩擦力矩使转动球将球关节锁紧。
3、调整机构的调整动作调整调整螺堵2相对下底座1的位置，调节配重弹簧3的压缩量，进而调整配重弹簧3对导杆6重力作用的补偿效果；通过调整调整螺母7相对与下底座1的位置，调节上底座11相对与下底座1的位置，进而可以使导杆6及支架处于合适的工作位置；调整调整螺母39相对于前臂37右端的位置，调节球套40相对于前臂37的位置，对右推杆38的锁紧运动初始位置进行调节，进而可以调整右推块36、上推块35的初始锁紧位置，调整螺母39在支架的使用过程中可以补偿部分锁紧零件的磨损量。
权利要求
1.一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，包括重力补偿机构(E)，直线关节机构(A)，肩关节机构(B)，中间关节机构(C)，球关节机构(D)，其中，直线关节机构(A)设置在重力补偿机构(E)的上端，直线关节机构(A)的顶端通过小臂(17)与肩关节机构(B)的一端垂直连接，肩关节机构(B)的另一端通过大臂(23)与中间关节机构(C)的一端连接，中间关节机构(C)的另一端通过前臂(37)与球关节机构(D)相连。
2.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的重力补偿机构(E)包括有下底座(1)；通过螺纹连接在下底座(1)内侧的调整螺堵(2)；位于下底座(1)内侧且下端面与调整螺堵(2)的顶端接触用于配重调整的配重弹簧(3)；位于配重弹簧(3)上端面的导杆(6)的下部分。
3.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的直线关节机构(A)包括有设置在下底座(1)上端的上底座(11)；位于下底座(1)和上底座(11)内的导杆(6)，在导杆(6)下部的一侧固定连接有平键A(4)，在下底座(1)的内侧面上与平键A(4)对应的位置处开有与平键A(4)配合的键槽，从而形成导杆(6)的导向机构；分别连接在上底座(11)内周的上、下两端的自润滑轴承(9、12)；设置在自润滑轴承(9、12)之间的套筒(10)；通过外螺纹分别与下底座(1)、上底座(11)底部的内螺纹相连接的调整螺母(2、8)；一端头通过平键B(20)与导杆(6)的上端连接的小臂(17)，在导杆(6)的顶端通过内六角螺钉(19)连接有用于固定导杆(6)与小臂(17)的连接的轴端挡圈(18)。
4.根据权利要求3所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，上底座(11)的上部外周面上还设置有左、右两个弹性锁紧瓣，锁紧螺栓(16)穿入弹性锁紧瓣的内孔中，盖形螺母(25)位于上底座(11)一侧的弹性锁紧瓣的限位槽内，并通过螺纹与锁紧螺栓(16)的一侧相连接；扳手(15)的内六角孔与锁紧螺栓(16)的另一侧的外六角形轴相连接；轴端挡圈(14)通过开槽盘头螺钉(13)与锁紧螺栓(16)相连接。
5.根据权利要求3所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，上底座(11)的上部外周面上还设置有伞形手轮(57)和与之相连的螺栓(58)，用于锁紧导杆(6)的螺栓(58)通过螺纹穿过上底座(11)上端的螺纹孔与导杆(6)接触。
6.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的肩关节机构(B)包括有与小臂(17)过盈连接的肩关节轴(21)；上、下端面分别与小臂(17)的内腔的上、下壁接触，而外柱面与小臂(17)内腔的内壁轴孔配合的大臂(23)的左端，并且大臂(23)左端的轴孔与肩关节轴(21)构成转动副；在大臂(23)左端内腔的槽内还设置有肩关节摩擦块(22)，肩关节摩擦块(22)的柱面一侧与肩关节轴(21)柱面配合，而位于大臂(23)内的左推杆(24)的左端面与肩关节摩擦块(22)右端竖直平面接触。
7.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的中间关节机构(C)包括有大臂(23)与前臂(37)端面接触，下盖(47)固定在大臂(23)右端的底面；转动轴(33)悬浮在大臂(23)右部及前臂(37)左部的内腔中；盖形螺母(53)和其上部六角薄螺母(52)通过螺纹连接在转动轴(33)下端，构成双螺母调整机构；转动轴(33)上位于六角薄螺母(52)之上依次为碟簧挡圈(51)、碟簧组合(54)和推力球轴承(50)，推力球轴承(50)的下圈与转动轴(33)配合，推力球轴承(50)的上圈与下盖(47)的内孔配合，下推块(49)位于推力球轴承(50)之上与转动轴(33)间隙配合，下推块(49)的外柱面与大臂(23)右端内孔腔内壁间隙配合；下推块(49)左侧平面与大臂(23)的轴线垂直；左推块(55)位于大臂(23)右部腔内，左推块(55)的斜面与下推块(49)的斜面接触，左推块(55)的左侧竖直平面与左推杆(24)的右端面接触；上盖(28)固定在前臂(37)左端的顶面上；上推块(35)与转动轴(33)间隙配合，上推块(35)与前臂左端内腔内壁间隙配合，上推块(35)的右侧竖直平面与前臂(37)的轴线垂直；右推块(36)位于前臂(37)左端空腔内，右推块(36)的斜面与上推块(35)的斜面接触，右推块(36)的右侧竖直平面与右推杆(38)的左端面连接；导向花键(34)通过右旋内螺纹与转动轴(33)上部右旋外螺纹连接，导向花键(34)的底面与上推块(35)的顶面接触，导向花键(34)与上盖(28)花键配合；转动轴(33)上端通过方形轴段与伞形手轮(30)的内方孔连接；轴端挡圈(31)通过开槽盘头螺钉(32)固定在转动轴(33)的上端。
8.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的中间关节机构(C)包括有嵌入大臂(69)的右端内部与大臂(69)连接的前臂(72)的左端部；前臂(72)的左端部内设置有转动轴(71)，转动轴(71)的下部呈圆锥面，转动轴(71)的顶部连接有用于驱动转动轴(71)的扳手74；转动轴(71)与大臂(69)右端上部螺纹连接，转动轴(71)的下部圆锥面与贯穿大臂(69)的左推杆(70)、贯穿前臂(72)的右推杆(73)接触，转动轴(71)的下端面与前臂(72)的左端底部接触。
9.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的中间关节机构(C)包括有上盖(75)与前臂(82)连接，伞形手轮(77)与转动轴(78)连接，推力球轴承(79)与转动轴(78)连接，推力球轴承(79)上、下面分别与伞形手轮(77)及上推块(80)接触，上推块(80)与右推块(81)斜面接触，右推块(81)与位于前臂(82)内的右推杆(83)接触，前臂(82)与大臂(89)连接，下推块(87)与左推块(85)斜面接触，左推块(85)与位于大臂(89)内的左推杆(84)接触，下盖(86)与大臂(89)连接，转动轴(78)贯穿上盖(75)、上推块(80)、前臂(82)、下推块(87)、大臂(89)后，底部与下盖(86)花键连接。
10.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的球关节机构(D)包括有套在前臂(37)右端部的球套(40)；嵌入在球套(40)内并形成有内球面的球关节摩擦块(43)，球关节摩擦块(43)的左端面与设置在前臂(37)内的右推杆(38)的右端面接触；嵌入在球套(40)内，一半与球关节摩擦块(43)吻合组成运动副，另一半形成有外伸杆(59)的转动球(44)；通过盖形螺母(46)固定在外伸杆(59)上的连接杆(45)构成；所述的球套(40)的外周形成有开槽及对称的两个销孔，与其对应，球关节摩擦块(43)的外柱面开有两个槽，两个对称分布的圆柱销(41)贯穿球套(40)外周的开槽嵌入在球关节摩擦块(43)外柱面的两个槽内，并通过轴用钢丝挡圈(42)固结在球套(40)上。
11.根据权利要求1所述的具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，所述的球关节机构(D)包括有球套(96)通过螺栓(94)螺母(95)与前臂(91)连接，转动球(93)与球套(96)及前臂(91)的内球面接触，球关节摩擦块(92)与转动球(93)接触，设置在前臂91内的右推杆(90)与球关节摩擦块(92)接触。
12.一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，包括重力补偿及直线关节机构(F)，肩关节机构(B)，中间关节机构(C)，球关节机构(D)，其中，重力补偿及直线关节机构(F)通过肩关节机构(B)与大臂(23)连接，大臂(23)与中间关节机构(C)的一端连接，中间关节机构(C)的另一端通过前臂(37)与球关节机构(D)相连，所述的重力补偿直线关节机构(F)包括有底座(60)；套在底座(60)上部外侧的小臂(64)；形成在底座(60)上与小臂(64)相对应的位置上的长槽(97)；贯穿小臂(64)和底座(60)侧面的长槽(97)，对小臂(64)的上下运动进行导向的圆柱销(64)；在小臂(64)一侧形成有安装孔，螺栓(66)与锁紧扳手(65)安装在小臂(64)的安装孔内，扳动锁紧扳手(65)相对螺栓(66)旋转，夹紧小臂(64)从而夹紧底座(60)将直线关节锁紧；在底座(60)内侧底部设置有配重块(61)，软绳(62)的一端与配重块(61)的上部连接，软绳(62)的另一端绕过安装在底座(60)顶部的横杆(68)上的导轮(67)，与圆柱销(64)连接，构成小臂(64)的配重结构；小臂(64)另一侧形成有构成肩关节机构(B)的连接结构(98)。
13.一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，其特征在于，包括重力补偿及直线关节机构(G)，肩部连接机构(H)，中间关节机构(C)，球关节机构(D)，其中，重力补偿及直线关节机构(G)通过肩部连接机构(H)与大臂(101)连接，大臂(101)与中间关节机构(C)的一端连接，中间关节机构(C)的另一端通过前臂(37)与球关节机构(D)相连；其中，所述的重力补偿及直线关节机构(G)的构成是上底座(102)与下底座(103)通过螺纹连接，弹簧(104)置于下底座(103)内腔中，弹簧(104)上端与导杆(107)的底部接触，导杆(107)以相对上底座(102)上下直线运动和绕上底座(102)的轴线相对上底座(102)转动的结构与上底座(102)内壁配合，并通过位于上底座(102)上端的锁紧机构固定；所述的肩部连接机构(H)的构成是大臂(101)通过平键(100)与导杆连接，轴端档圈(108)通过内六脚螺钉(99)将大臂(101)与导杆(107)的轴端连接。
全文摘要
本发明公开一种具有重力补偿功能的被动式手动锁紧支架，包括重力补偿机构，直线关节机构，肩关节机构，中间关节机构，球关节机构，其中，直线关节机构设置在重力补偿机构的上端，直线关节机构的顶端通过小臂与肩关节机构的一端垂直连接，肩关节机构的另一端通过大臂与中间关节机构的一端连接，中间关节机构的另一端通过前臂与球关节机构相连。本发明具有6个自由度，位置和姿态解耦，可以满足手术器械的定位要求；竖直关节采用配重弹簧进行重力补偿，使手动定位轻便快捷；整体机械机构简洁，成本低廉；碟簧作为柔性环节，可最终实现三个关节，五个自由度的同时锁紧；本发明还可以实现变负载情况下的重力补偿功能；末端支撑设备具有最大的运动空间。
文档编号A61B1/00GK1969772SQ20061012984
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者王树新, 丁杰男, 罗海风, 梁修滢, 朱峰 申请人:天津大学