一种多自由度被动机械臂的制作方法

本发明涉及一种多自由度被动机械臂，属于机械臂领域。

背景技术：

在机器人微创手术中，术前医生需要手动调整被动关节来调整末端机构的空间位置。在完成设置后将机器人被动关节锁紧，只依靠远程控制的机器人主动关节来完成微创手术操作。在此过程中，被动关节必须实现关节的可靠性锁紧，增加机器人微创手术的可操作性，并保障手术的安全性。市面上现有的微创手术机器人被动臂结构复杂，体积大。

中国专利cn108214481a公开了一种可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，然而出现断电的情况下，其传动链仍然会受到影响，从而影响手术的安全性；且该主被动机械臂的自由度多，稳定性弱。

随着国内医疗技术水平的不断发展，将机器人技术与传统的微创手术相结合，被普遍认为是一种有效地解决传统微创技术缺点的方法，对医学机器人结构体积精小化，以及安全性、稳定性有待进一步改进提升，以满足医院等对高安全性、高稳定性机器人的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了提高被动机械臂在初始状态及断电的情况下的安全性和稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自由度被动机械臂，包括球形关节一、球形关节二和中心旋转关节，球形关节一通过连杆一与中心旋转关节的一端连接，中心旋转关节的另一端通过连杆二与球形关节二连接，所述连杆一和连杆二为中空腔体，所述中心旋转关节内设置钢球传动机构，所述连杆二内设置推杆；其特征在于，连杆一内设置电动推杆，电动推杆与球形关节一之间设置压力传感器，电动推杆与钢球传动机构之间设置弹性部件，钢球传动机构与球形关节二之间设置推杆；电动推杆通电向钢球传动机构，对两端施加压力，弹性部件发生形变，推动钢球传动机构，通过推杆将电动推杆产生的力传递至球形关节二。

优选地，所述球形关节一主要由球头一和球关节座一构成，球关节座一一端内部为球窝，球窝与球头一贴合，球关节座一另一端与连杆一连接；球头一包括第一轴体和连接在第一轴体一端的第一头部，其中所述第一轴体上设有径向由外向内凹陷的第一凹槽。

更为优选地，所述球头一的第一头部上设置向内凹陷的赤道槽，球形关节座一上设置与赤道槽相匹配的定位螺丝，定位螺丝一端嵌入赤道槽，使得球形关节一在一个方向上限定转动自由度。

具体地，所述中心旋转关节包括转动关节座一、转动关节座二以及设置于两者之间的摩擦片一和摩擦片二，摩擦片一和摩擦片二为环状片；所述摩擦片一通过螺钉固定于转动关节座二上，摩擦片一内径与钢球传动机构接触；所述摩擦片二通过螺钉固定于转动关节座一上，摩擦片二的环状侧面与摩擦片一的环状侧面接触，摩擦片二的内径小于摩擦片一的外径，摩擦片二的外径大于摩擦片一的外径。

优选地，所述球形关节二主要由球头二和球关节座二构成，球关节座二内部一端为球窝，与球头二贴合，球关节座二另一端与连杆二连接；球头二包括第二轴体和连接在第二轴体一端的第二头部，其中所述第二轴体上设有径向由外向内凹陷的第二凹槽。

优选地，所述电动推杆为笔式电动推杆，所述弹性部件为碟簧；笔式电动推杆两端设置笔式推杆座，笔式推杆座分别位于笔式电动推杆和压力传感器之间、以及笔式电动推杆与碟簧之间。

具体地，还包括球碗，球碗的球窝与钢球传动机构的钢球贴合；在碟簧与钢球传动机构之间设置球碗一，在钢球传动结构与推杆之间设置球碗二。

优选地，所述球关节座一另一端与连杆一螺纹连接；球关节座二另一端与连杆二通过螺纹连接。

优选地，所述中心旋转关节两端设置内螺纹，中心旋转关节与连杆一和连杆二通过螺纹连接。

优选地，所述钢球传动机构的钢球为碳化钨球。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的多自由度被动机械臂，在电动推杆与中心旋转关节之间设置碟簧，在初始装配时就使碟簧具有一定初始压缩量，这样在被动机械臂调节过程中，机械臂就有一定的锁紧力，通过调节碟簧的初始压缩量从而调节关节的初始预紧力，使被动臂在未锁死时人手的力可以轻松调节，而该预紧力又可以克服被动臂和前端重物的自身重力，关节不会垮掉下垂；当电动推杆工作时，碟簧将电动推杆的推力转化为自身的弹性势能，因此，在突然断电的情况下，由于电动推杆自锁碟簧形变量不变，法向力不会突然卸掉，因此不会发生传动链突然中断而发生手术危险的现象，保障了手术时设备的安全性。

(2)本发明的多自由度被动机械臂，球形关节的轴体上开有槽体，使两个球关节的旋转角度范围更大。

(3)本发明的多自由度被动机械臂，摩擦片一和摩擦片二之间的法向力引起的摩擦力能阻止中心转动关节的运动，将中心转动关节锁死。

(4)本发明的多自由度被动机械臂，通过将球头一上设置赤道槽，在一个方向上限定了机械臂的自由度，使得本发明球形-旋转-球形三关节被动臂结构实现六自由度旋转，从而提高机械臂的结构稳定性。

(5)本发明的多自由度被动机械臂，钢球传动机构实现三维力的传递，在此基础上，仅通过一个驱动源就可以控制两个球形关节、一个中心转动关节三个关节六个自由度的锁死，机械臂体积小，质量轻，结构更紧凑、简洁；刚度大，负载能力强；多自由度工作范围大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明多自由度被动臂结构示意图；

图2是本发明多自由度被动臂剖面结构示意图；

图3是本发明中心转动关节结构示意图；

图4是本发明球形关节一自由度示意图。

图中标记：1-球形关节一，2-球形关节二，3-中心旋转关节，4-连杆一，5-连杆二，6-钢球传动机构，7-电动推杆，8-碟簧，9-推杆，10-压力传感器，11-球头一，12-球关节座一，13-赤道槽，14-定位螺丝，111-第一头部，112-第一轴体，113-第一凹槽，21-球头二，22-球关节座二，211-第二凹槽，212-第二轴体，213-第二头部，31-转动关节座一，32-转动关节座二，33-摩擦片一，34-摩擦片二，35-球碗一，36-球碗二，71-笔式推杆座。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1-2所示的本发明所述一种自由度被动机械臂，包括球形关节一1、球形关节二2和中心旋转关节3，球形关节一1通过连杆一4与中心旋转关节3的一端连接，中心旋转关节3的另一端通过连杆二5与球形关节二2连接，所述连杆一4和连杆二5为中空腔体，所述中心旋转关节3内设置钢球传动机构6，所述连杆二5内设置推杆9；其特征在于，连杆一4内设置电动推杆7，电动推杆7与球形关节一1之间设置压力传感器10，电动推杆7与钢球传动机构6之间设置弹性部件，钢球传动机构6与球形关节二2之间设置推杆9；电动推杆7通电向钢球传动机构6，对两端施加压力，弹性部件发生形变，推动钢球传动机构6，通过推杆9将电动推杆7产生的力传递至球形关节二2。

本实施例中，弹性部件为碟簧8。具体地，碟簧8为反向叠法将24片碟簧串联构成。

以上为被发明的核心内容，在电动推杆7与中心旋转关节3之间设置碟簧8，由于碟簧8将电动推杆7的推力转化为自身的弹性势能，因此作用在各关节上的法向力大小＝叠簧的形变量*弹性系数，在突然断电的情况下，由于电动推杆自锁碟簧形变量不变，法向力不会突然卸掉，因此不会发生传动链突然中断而发生手术危险的现象，保障了手术时设备的安全性。

本实施例中，碟簧8具有刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷的优点。保证了结构的稳定性，因为在初始装配时就使碟簧8具有一定初始压缩量，这样在被动机械臂调节过程中，机械臂就有一定的锁紧力，通过调节碟簧8的初始压缩量从而调节关节的初始预紧力，使被动臂在未锁死时人手的力可以轻松调节，而该预紧力又可以克服被动臂和前端重物的自身重力，关节不会垮掉下垂。

本实施例中，通过设置压力传感器10，用于检测锁紧过程中力的大小。

在优选的实施方式中，所述球形关节一1主要由球头一11和球关节座一12构成，球关节座一12内部一端为球窝，球窝与球头一11贴合，球关节座一12另一端与连杆一4连接；球头一11包括第一轴体112和连接在第一轴体112一端的第一头部111，第一轴体112上设有径向由外向内凹陷的第一凹槽113。通过设置第一凹槽113使球形关节一1的旋转角度范围更大。

更为优选地，所述球头一11的第一头部111上设置向内凹陷的赤道槽13，球形关节座一12上设置与赤道槽13相匹配的定位螺丝14，定位螺丝14一端嵌入赤道槽13，对球形关节一1在一个方向上限定转动自由度。如图4所示，赤道槽13限制了x方向的转动自由度，减少了一个球形关节的自由度，使原本三自由度的球形关节一1变为两个自由度，本实施例中，被动机械臂为六自由度机械臂。

具体地，如图2和图3所示，所述中心旋转关节3包括转动关节座一31、转动关节座二32以及设置于两者之间的摩擦片一33和摩擦片二34，摩擦片一33和摩擦片二34为环状片；所述摩擦片33一通过螺钉固定于转动关节座二32上，摩擦片一33内径与钢球传动机构6接触；所述摩擦片二34通过螺钉固定于转动关节座一31上，摩擦片二34的环状侧面与摩擦片一33的环状侧面接触，摩擦片二34的内径小于摩擦片一33的外径，摩擦片二34的外径大于摩擦片一33的外径。摩擦片一33和摩擦片二34之间的法向力引起的摩擦力能阻止中心转动关节的运动，将中心转动关节3锁死。

优选地，所述球形关节二2主要由球头二21和球关节座二22构成，球关节座二22一端内部为球窝，球窝与球头二21贴合，球关节座二22另一端与连杆二5连接；球头二21包括第二轴体212和连接在第二轴体212一端的第二头部213，其中所述第二轴体212上设有径向由外向内凹陷的第二凹槽211。通过设置第二凹槽211使球关节二2的旋转角度范围增大。

优选地，所述电动推杆7为笔式电动推杆，笔式电动推杆两端设置笔式推杆座71，笔式推杆座71分别位于笔式电动推杆和压力传感器10之间、以及笔式电动推杆与碟簧8之间，提高其稳定性。

具体地，还包括球碗，球碗的球窝与钢球传动机构6的钢球贴合；在碟簧8与钢球传动机构6之间设置球碗一11，在钢球传动结构6与推杆9之间设置球碗二35。提高钢球传动机构6与电动推杆7、推杆9之间接触的稳定性。

优选地，所述球关节座一1另一端与连杆一4螺纹连接；球关节座二2另一端与连杆二5通过螺纹连接。

优选地，所述中心旋转关节3两端设置内螺纹，中心旋转关节3与连杆一4和连杆二5通过螺纹连接。

优选地，所述钢球传动机构6的钢球为碳化钨球。

本实施例中，被动机械臂结构，球形关节一1通过法向力产生的摩擦力锁定。五个钢球构成了钢球传动机构6，实现了力的三维传递，球链将连杆一4内部笔式电动推杆7产生的力传递到球形关节二2，在默认中心转动关节3内部通道光滑的情况下，对五个球体分别作力平衡受力分析，可知当近端第一个球体受到推力f时，远端第五个球体对内部推杆9的推力也为f，从而无损失的实现了力的链传递，球形关节二2也同样受到法向力产生的摩擦力而锁死。

中心转动关节3内通过五个碳化钨球链进行传力，当法向力试图分离中心转动关3时，摩擦片一33和摩擦片二34之间的法向力引起的摩擦力能阻止中心转动关节3的运动，将中心转动关节3锁死。从而通过一个驱动源实现了两个球关节、一个中心转动关节3同时锁死。

由于碟簧8具有一定弹性压缩量，初始状态下预设一定的压缩变形量，使被动臂各关节在初始未通电状态下就有一定的锁紧力，能保持在某个姿态同时也能手动调节。断电的情况下，笔式电动推杆不会收回，碟簧8变形量还在，不会使传动链突然中断，保证了手术时设备的安全性。

实施例2

如图1-2所示的本发明所述一种自由度被动机械臂，包括球形关节一1、球形关节二2和中心旋转关节3，球形关节一1通过连杆一4与中心旋转关节3的一端连接，中心旋转关节3的另一端通过连杆二5与球形关节二2连接，所述连杆一4和连杆二5为中空腔体，所述中心旋转关节3内设置钢球传动机构6，所述连杆二5内设置推杆9；其特征在于，连杆一4内设置电动推杆7，电动推杆7与球形关节一1之间设置压力传感器10，电动推杆7与钢球传动机构6之间设置弹性部件，钢球传动机构6与球形关节二2之间设置推杆9；电动推杆7通电向钢球传动机构6，对两端施加压力，弹性部件发生形变，推动钢球传动机构6，通过推杆9将电动推杆7产生的力传递至球形关节二2。

本实施例中，弹性部件为碟簧8。具体地，碟簧8为反向叠法将24片碟簧串联构成。

以上为被发明的核心内容，在电动推杆7与中心旋转关节3之间设置碟簧8，由于碟簧8将电动推杆7的推力转化为自身的弹性势能，因此作用在各关节上的法向力大小＝叠簧的形变量*弹性系数，在突然断电的情况下，由于电动推杆自锁碟簧形变量不变，法向力不会突然卸掉，因此不会发生传动链突然中断而发生手术危险的现象，保障了手术时设备的安全性。

本实施例中，碟簧8具有刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷的优点。保证了结构的稳定性，因为在初始装配时就使碟簧8具有一定初始压缩量，这样在被动机械臂调节过程中，机械臂就有一定的锁紧力，通过调节碟簧8的初始压缩量从而调节关节的初始预紧力，使被动臂在未锁死时人手的力可以轻松调节，而该预紧力又可以克服被动臂和前端重物的自身重力，关节不会垮掉下垂。

本实施例中，通过设置压力传感器10，用于检测锁紧过程中力的大小。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。