扭簧式机械臂关节抗扭矩机构的制作方法

本实用新型属于医疗器械技术领域，具体地说，特别涉及一种扭簧式机械臂关节抗扭矩机构。

背景技术：

随着医疗科技的不断进步和工业自动化的发展，越来越多的机器人应用到了医疗行业中，比如CT机、手术机器人、内窥镜控制机器人等。医疗机器人在医疗检查中，能够实现精确移动和定位，也能够解决人工操作带来的抖动、身体疲劳等问题。但同时，医用机器人与工业机器人不同在于，医疗机器人对安全性要求较高，所以会引入较多安全性措施。

在医用多自由度机器人中，串联结构是较为常用的一种，但由于较长的手臂，在末端往往承受较大重力。机器人运动关节主要由电机和减速器组成，在俯仰运动中，减速器主要承受扭矩，当前端负载较重时，且运动到最远端时，减速器承受较大扭矩。为了保证医用机器人的安全性，防止出现突然掉落的情况，往往采用提高电机功率或加大减速器扭力来实现机械臂的安全控制，但这样在增加成本的同时会增大机器人关节的体积。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种扭簧式机械臂关节抗扭矩机构。

本实用新型技术方案如下：一种扭簧式机械臂关节抗扭矩机构，减速器外圈的固定盘与转动底座相固定，减速器的输出轴与俯仰臂连接，其特征在于：在所述减速器的旁边设置定位轴，该定位轴与俯仰臂可转动连接，且定位轴与转动底座相固定，在所述定位轴上安装扭簧座，所述扭簧座上套装扭簧，该扭簧的内钩与扭簧座连接，扭簧的外钩与俯仰臂连接。

采用以上技术方案，减速器的输入轴与电机连接，当电机驱动减速器运转的时候，减速器的输出轴带动俯仰臂转动，扭簧被拉伸，向俯仰臂及减速器施加反向扭矩，随着俯仰臂转动角度的增大，扭簧提供的反向扭矩越大，从而起到平衡一定扭矩的作用，这样有效防止了医用机器人机械臂发生滑落，并且不会增大机械臂关节的体积，改造容易，改造成本低，在各种类型的医用机器人上均适用。

所述俯仰臂由平行并对称布置的俯仰左臂和俯仰右臂构成，俯仰左、右臂的根部位于转动底座上的缺口中，所述俯仰左臂的根部套装于减速器的输出轴上，并通过螺钉固定，所述俯仰右臂的根部通过轴承与转动底座上的定位轴相支承。以上结构俯仰左、右臂之间能够形成容置空间，以便于布置其它零件；仰左、右臂与转动底座接合紧密，能有效减小占用空间，且俯仰左臂与减速器的输出轴连接牢固、可靠，俯仰臂相对转动转动底座转动的灵活性好。

所述定位轴为空心轴，该定位轴位于减速器与扭簧座之间，三者的轴心线在一条直线上。以上结构定位轴具有减重的作用，并且定位轴的中心孔可用于穿设线束，有利于电线走线及布置；减速器、定位轴和扭簧座一字排开设置，既便于装配，又能够确保扭簧平衡扭矩的效果。

为了使结构更加紧凑，所述定位轴的左端通过轴承与俯仰右臂的根部支承，定位轴的右端一体形成定位盘，该定位盘通过螺钉与转动底座相固定。

所述扭簧座为左大右小的三段式台阶轴结构，扭簧座左端面与定位盘相贴合，扭簧座通过螺钉与定位盘固定。以上结构扭簧座造型简单，加工制作容易，成本低，不仅与定位轴之间连接的牢固性好，而且有利于在扭簧座上分段布置对应的零件。

为了减重及方便走线，在所述扭簧座上沿其轴心线开设有通孔。

在所述扭簧座的中段套装扭簧，该扭簧的内钩与扭簧座上对应开设的沟槽挂接，扭簧的外钩与挂轴相挂接，该挂轴固定于俯仰右臂上。以上方案扭簧安装结构简单，拆装方便、快捷，并且扭簧与扭簧座及挂轴之间连接的可靠性好。

在所述扭簧的外面罩设有扭簧罩，该扭簧罩的左端敞口，扭簧罩右端的中部通过轴承与扭簧座右端的小径段相支承。当扭簧被拉伸的时候，扭簧罩能一起运转，一方面不会影响扭簧平衡扭矩的性能；另一方面，扭簧罩具有防护作用，能够防止扭簧意外脱落伤人，从而增强了安全性。

所述挂轴的右端垂直穿过扭簧罩的右端壁，在挂轴的右端头固套有对扭簧罩限位的防松挡块，所述扭簧在左右方向上由挂轴上的台阶面和扭簧罩共同限位。以上结构通过防松挡块对扭簧罩定位，能有效防止扭簧罩发生脱落，进一步增强了安全性；同时，扭簧不会在左右方向上发生窜动，平衡扭矩的性能有保障。

有益效果：本实用新型通过扭簧来平衡减速器的扭矩，一方面能有效防止医用机器人的机械臂发生滑落，消除了安全隐患；另一方面，可适当的降低减速器的扭矩、体积及电机功率，使得整体体积减小，有效地节约了成本；同时，加入扭簧后，在电机突然失控时，扭簧还可起到缓冲作用，有效地降低了风险。本实用新型具有设计合理，结构简单、紧凑，易于装配，安全可靠，改造容易，改造成本低等特点，在各种类型的医用机器人上均适用。

附图说明

图1为医用机器人的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为图1的B-B剖视放大图。

图4为图2的C-C剖视放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1、图2所示，医用机器人的机械臂为串联式结构，由第一关节a、第二关节b和第三关节c组成，第一关节a为俯仰关节，决定整个机械臂的上下移动；第二关节b和第三关节c决定机械臂在平面的移动。在机械臂的末端可能会设置有医疗检查装置，因此根据物理学原理，若末端较重，则第一关节a在上下运动时，会承受较大力矩。若在机器人设计时，电机或减速器的力矩的选型余量不足，不能平衡向下的重力，就有可能造成机械臂的滑落，从而对人体造成危险；若选择足够力矩余量的电机或减速器，有可能会增加关节体积，增大成本。而本实用新型利用扭簧来平衡扭矩，则可以很好地解决上述问题。

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型利用扭簧平衡扭矩的结构如下：

减速器2嵌装于转动底座1中，减速器2外圈的固定盘与转动底座1相固定，减速器2的输入轴向左伸出，并能与电机(图中未画出)连接。俯仰臂由平行并对称布置的俯仰左臂3和俯仰右臂4构成，俯仰左臂3与俯仰右臂4之间通过螺钉及轴固定连接在一起，俯仰左、右臂的根部位于转动底座1上的缺口中。俯仰左臂3的根部套装于减速器2的输出轴上，并通过螺钉固定。俯仰右臂4的根部中嵌装定位轴5，该定位轴5为空心轴，定位轴5的左端通过轴承8与俯仰右臂4的根部支承，定位轴5的右端一体形成定位盘5a，该定位盘5a通过螺钉与转动底座1相固定。

在定位轴5的右侧设置扭簧座6，定位轴5位于减速器2与扭簧座6之间，三者的轴心线在一条直线上。扭簧座6优选为左大右小的三段式台阶轴结构，扭簧座6左端面与定位盘5a相贴合，扭簧座6通过螺钉与定位盘5a固定，在扭簧座6上沿其轴心线开设有通孔。在扭簧座6的中段套装扭簧7，该扭簧7的内钩与扭簧座6上对应开设的沟槽挂接，扭簧7的外钩与挂轴10的右部相挂接，该挂轴10的左端固定于俯仰右臂4上。

在扭簧7的外面罩设有扭簧罩11，该扭簧罩11的左端敞口，扭簧罩11右端的中部通过轴承与扭簧座6右端的小径段相支承。挂轴10的右端垂直穿过扭簧罩11的右端壁，在挂轴10的右端头固套有对扭簧罩11限位的防松挡块12，扭簧7在左右方向上由挂轴10上的台阶面和扭簧罩11共同限位。

本实用新型的工作原理如下：

当电机驱动减速器2运转的时候，减速器2的输出轴带动俯仰臂转动，扭簧7被拉伸，向俯仰臂及减速器施加反向扭矩，随着俯仰臂转动角度的增大，扭簧7提供的反向扭矩越大，从而起到平衡一定扭矩的作用。

在设计上述抗扭矩关节时，要注意扭簧的选型，需保证满足下列公式，保证带有扭簧的机械臂能够正常工作：

L1_max＜L2+L_G

其中，L1_max为扭簧能够提供的最大扭矩，L2为机械臂在匀速向下运动时提供的扭矩，L_G为机械臂重力力矩。

另外，若单个扭簧不能抵抗足够的扭矩，则可将多个扭簧并联使用，则抗扭矩值＝单个扭簧抗扭矩值X扭簧数量。

在机械臂的其他关节，如第二关节、第三关节也可使用类似的抗扭矩结构，其原理与关节一一致。

尽管以上结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但本实用新型不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示，如更改定位轴的结构及安装方式，或者改变扭簧座的造型，或者俯仰臂的结构等，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。