一种流体压力锁定装置的制作方法

本实用新型涉及一种机械锁定装置，特别是一种流体压力锁定装置。

背景技术：

现有技术中，将若干节短杆件或短管件进行依次连接得到整体的一根长杆或长管，得到的结构根据需求和应用场景可为多种结构。如图1所示，为长杆的一种常见结构，在使用时长杆的一端可进行固定，另一端作为活动端可连接作用工具（照明指示灯、反射镜、钩子等），相邻的两节短杆之间通过螺丝、螺杆与螺帽的配合进行连接和锁定，或是通过铰接、焊接等方式来实现。在使用时，相互相邻的短杆和短杆之间的连接与调节只能通过操作螺母和螺丝来实现锁定，劳动强度大、费时费力。

技术实现要素：

本实用新型的实用新型目的是，针对上述问题，提供了一种结构简单的流体压力锁定装置，通过将连杆设计为中空结构，并借助流体在流体通道内的快速传递而产生的锁定力矩，可将n个锁定组件同步进行锁定和解锁，从而使与锁定组件相连接的各连杆也同步被锁定，锁定时间能够从传统上的10s以上达到1秒范围内、锁定快捷。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种流体压力锁定装置，包括动力组件、待锁定件和n个锁定组件，n个锁定组件按顺序依次连接，与动力组件连接的第1个锁定组件为始端锁定组件，第n个锁定组件作为末端锁定组件，所述待锁定件安装于末端锁定组件上或是通过推动组件与末端锁定组件连接；相邻的两个锁定组件之间通过连杆相连接，所述连杆的内部为中空结构；所述n为≥1的整数；

每一个锁定组件均包括有中空套体、内连接头、锁定体和第一密封圈，所述内连接头安装在中空套体内，所述锁定体部分插入中空套体的内部并安装于中空套体上，所述锁定体与内连接头相互分离设置、且于中空套体内的锁定体的端部与内连接头的端部具有间隙，在锁定体和内连接头的内部均贯穿有通孔，所述第一密封圈套装在锁定体上并位于锁定体的外壁与中空套体的内壁之间；

所述动力组件通过连杆与始端锁定组件的内连接头连通，始端锁定组件的锁定体通过连杆与下一锁定组件连通，各锁定体组件内的通孔与各连杆的内部相连通后形成一流体通道，所述动力组件向流体通道内注入流体并在流体通道内产生一锁定力，各个锁定组件在该锁定力的控制下进行锁定或解锁动作，以将n个锁定组件进行同步锁定或解锁；在非锁定状态下，所述锁定体可在中空套体的纵向空间上任意摆动α角和/或可在中空套体的横截面方向沿着中空套体的内壁周向转动0至360度。

作为优选实施方式，所述中空套体的内径从一端至另外一端由大至小依次设置，包括大口径端和小口径端，所述小口径端的端部为弧面或锥面设置；所述内连接头位于大口径端，所述锁定体设置于小口径端；

所述锁定体为内部贯通有通孔的锁定球体，在非锁定状态下，所述锁定球体可在中空套体的纵向空间上任意摆动α角，α角的摆动范围是0至60度或90至174度；处于非锁定状态下的锁定球体，还可在中空套体的横截面方向沿着中空套体的内壁周向转动0至360度。

上述方案中，所述锁定球体的外壁相切于中空套体的内壁上，且各切线向中空套体的外部依次延长至相交、得到一圆锥体，该圆锥体的锥角为∠a，3度≤∠a≤20度。

上述方案中，所述中空套体的大口径端的内壁上设置有限位螺纹，所述限位螺纹远离锁定体设置，且在内连接头的外壁上设置有与所述限位螺纹相匹配的螺纹。

上述方案中，所述锁定组件还包括用以密封大口径端的第二密封圈，绕内连接头的外壁设置有一凹槽，所述第二密封圈安装在所述凹槽内。

上述方案中，作为另一种优选实施方式，所述锁定体为内部贯通有通孔的圆柱体结构或圆锥体结构，在非锁定状态下，所述锁定体可在中空套体的横截面方向沿着中空套体的内壁周向转动0至360度。

上述方案中，作为另一种优选实施方式，所述锁定体为内部贯通有通孔的圆台体，在非锁定状态下，所述锁定体可在中空套体的横截面方向沿着中空套体的内壁周向转动0至360度。

上述方案中，当所述锁定组件的数量为≥2时，先将所述锁定组件进行串接、或并接、亦或是串并混接后，再连接在两根相邻的连杆之间。

上述方案中，作为优选实施方式，所述流体为高压气体或可流动的液体。

上述方案中，所述动力组件包括储气罐、空气压缩机、二位三通电磁阀和压力稳定系统，所述空气压缩机的输入端与储气罐连接，所述二位三通电磁阀的入口与空气压缩机的输出端连接，二位三通电磁阀的出口通过连杆与始端锁定组件上的内连接头相连接，二位三通电磁阀的排气口安装有所述压力稳定系统；所述二位三通电磁阀连接有一控制开关。

所述连杆和锁定组件均为不锈钢材质或其他硬质金属材质。

所述待锁定件具体可以为腹腔镜、吸盘、钩子或其他应用场所所需的工具。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型的锁定装置主要由动力组件、待锁定件和n个锁定组件构成，相邻的两个锁定组件之间通过连杆进行连接，所述连杆的内部为中空结构；所述n为≥1的整数；且每一个锁定组件均包括有中空套体、内连接头、锁定体、第一密封圈和第二密封圈。在使用时，通过动力组件（例如带有储气罐的空气压缩机）向流体通道内迅速充入具有一定压力的气体或液体，各锁定组件受到内部气压和外部大气压的相互作用，产生一压力差，该压力差将锁定体推向低压部分，同时该压力差在垂直于流体通道的方向上分解得到一静摩擦力，所述静摩擦力乘以锁定体的横截面长度得到锁定体的静摩擦力矩，相当于锁定力矩。即通过动力组件的控制，同步实现各锁定组件的同步锁定或解锁，锁定时间可由传统10秒以上降低至1秒内，锁定迅速快捷、操作简单。

2.本实用新型的锁定装置根据使用场景和需求，将主要由中空套体、内连接头、锁定体、第一密封圈构成的锁定组件设置为不同结构，具体是所述锁定体的结构有所不同（分为球体、圆柱体、圆锥体、或圆台体），在非锁定状态下，不管何种结构下的锁定体均可在中空套体的横截面方向沿着中空套体的内壁周向转动0至360度。当所述锁定体为球体结构时，所述锁定体可在中空套体的纵向空间上任意摆动α角，设单个锁定组件可摆动的角度范围为k，则将n个锁定组件依次串接得到的锁定装置可调节的范围是(n-1)×k，故安装在末端锁定组件的待锁定件可随实际需要来调节，使用灵活性高、角度调节范围大，使用更为方便。

3.本实用新型的锁定组件设有第一密封圈和第二密封圈，第一密封圈可将中空套体的小口径端封闭，第二密封圈可将中空套体的大口径端封闭，故在第一密封圈和第二密封圈的作用下流体通道内的流体不会泄露、同时外界的气压也无法进入流体通道内，保证整个流体通道处于完全密闭的空间，整个锁定装置更加安全稳定、耐用。

4、本实用新型的锁定装置借助流体自身产生的压力与外界大气压强的作用原理，实现对n根连杆的同步锁定，无需每个锁定组件都加入气缸、电机等复杂电气件，整体结构简单、成本低。

附图说明

图1是现有技术中若干根短杆连接得到的长杆的一种结构示意图。

图2是本实用新型一种流体压力锁定装置的一种结构示意图。

图3是单个锁定组件的一种剖面结构示意图。

图4是单个锁定组件的另一种剖面结构示意图。

图5是单个锁定组件的另一种剖面结构示意图。

图6是2个锁定组件反向串联的一种剖面结构示意图。

图7是2个锁定组件并接后的剖面结构示意图。

图8所述锁定组件受力锁定原理的结构示意图。

图9是单个锁定组件摆动的一种状态示意图。

图10-1是单个锁定组件摆动前的状态示意图。

图10-2是图10-1中的单个锁定组件摆动后的状态示意图。

图中标号为：1、连杆，2、锁定组件，2-1、中空套体，2-2、内连接头，2-3、锁定体，2-4、第一密封圈，2-5、第二密封圈，3、待锁定件，4、动力组件，5、通孔，6、间隙，7、限位螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对实用新型的具体实施进一步说明，但不用以限制本实用新型。

实施例1

如图2所示，一种流体压力锁定装置，包括动力组件4、待锁定件3和n个锁定组件2，n个锁定组件2按顺序依次连接，与动力组件4连接的第1个锁定组件2作为始端锁定组件，第n个锁定组件2作为末端锁定组件，待锁定件3通过推动组件与末端锁定组件连接或是直接安装在末端锁定组件上。作为一种具体实施例，所述推动组件可以由活塞、气缸、活塞杆、单向阀组成，该推动组件一方面接收末端锁定组件2上的锁定体2-3输送来的流体，通过流体控制推动组件对待锁定件的夹持或固定。相邻的两个锁定组件2之间通过连杆1进行连接，所述连杆1的内部为中空结构；所述n为≥1的整数。

所述待锁定件3具体可以为腹腔镜、吸盘、钩子或其他应用场所所需的工具。

每一个锁定组件2均包括有中空套体2-1、内连接头2-2、锁定体2-3和第一密封圈2-4，所述内连接头2-2安装在中空套体2-1内。所述锁定体2-3部分插入中空套体2-1的内部并安装于中空套体2-1上。所述锁定体2-3与内连接头2-2相互分离设置、且于中空套体2-1内的锁定体2-3的端部与内连接头2-2的端部具有间隙6。在锁定体2-3和内连接头2-2的内部均贯穿有通孔5。所述第一密封圈2-4套装在锁定体2-3上并位于锁定体2-3的外壁与中空套体2-1的内壁之间。所述锁定体2-3和内连接头2-2具体还需通过螺丝、螺钉或焊接的方式固定于中空套体2-1上。

各内连接头2-2与连杆1的连接、各锁定体2-3与连杆1的连接均为紧密连接，无流体渗漏，均为密封状态的刚性连接。

所述动力组件4通过连杆1与始端锁定组件的内连接头2-2连通，始端锁定组件的锁定球通过连杆1与下一锁定组件2连通。各锁定组件内的通孔5与各连杆1的内部相连通后形成一流体通道。所述动力组件4向流体通道内注入流体，并通过所述流体在流体通道内产生的锁定力控制各个锁定组件2的锁定或解锁动作，以将n各锁定组件2进行同步锁定或解锁。在非锁定状态下，所述锁定体可在中空套体2-1的纵向空间上任意摆动α角和/或可在中空套体2-1的横截面方向沿着中空套体2-1的内壁周向转动0至360度。

本实施例中，如图3所示，所述锁定体2-3为内部贯通有通孔5的锁定球体。在非锁定

状态下，α角的摆动范围是0至60度或90至174度。处于非锁定状态下的锁定球体，除了可在纵向空间上进行摆动外，还可在中空套体2-1的横截面方向沿着中空套体2-1的内壁周向转动0至360度。设单个锁定组件2可调节的角度范围为k，则将n根连杆1依次连接得到的锁定装置可调节的范围是(n-1)×k。

如图9所示，在纵向方向上，以中空套体2-1的内部（即通孔5）为中心（即o），锁定球体在中空套体2-1的纵向空间上从中心位置向中空套体2-1的右侧内壁摆动α角，此摆动范围是0至60度。即不管锁定球体不管是朝哪一个方向的摆动，从中空套体2-1的中心向中空套体2-1的内壁摆动的α角为0至60度。此α角的大小与连杆的规格大小以及锁定角∠a的大小有关，经本实用新型人研究，此情况下的α角在45至50度范围内锁定效果最优。

在中空套体2-1的纵向方向上，若锁定球体从中空套体2-1内壁的一侧摆动至中空套体2-1内壁的另一侧，如图10-1、图10-2所示。具体如图所示，从中空套体2-1的右侧（即o1）向中空套体2-1的左侧（即o2）内壁摆动α角，此α角的最大值，即α角为90至174度。此α角的大小与连杆的规格大小以及锁定角∠a的大小有关，经本实用新型人研究，此情况下的α角在90至100度范围内较为实用。

需要说明的是：上述对锁定球体的摆动角度的示意说明仅从图进行具体说明而已，不用以对α的限制，连杆1随锁定球体的转动实际可在纵向方向上进行任意的摆动。

当所述锁定体2-3为球体时，所述中空套体2-1的内径从一端至另外一端由大至小依次设置。包括大口径端和小口径端，所述小口径端的端部为弧面或锥面设置。所述内连接头2-2位于大口径端，所述锁定体2-3设置于小口径端。将中空套体2-1设计为一端大、另一端小，可以使锁定球体在安装时从大口径端穿入，但锁定球体无法从小口径端滑出，同时被小口径端上的第一密封圈2-4固定。

上述方案中，当所述锁定体2-3为球体结构时，所述锁定体2-3的外壁相切于中空套体2-1的内壁上，且各切线向中空套体2-1的外部依次延长至相交、得到一圆锥体。该圆锥体的锥角为∠a，3度≤∠a≤20度。将所述锁定球体设计为此参数可显著提高锁定力矩，锁定更加牢固，且从锁定状态转换为解锁状态时，锁定组件2不会被锁死。

所述中空套体2-1的大口径端的内壁上设置有限位螺纹7，所述限位螺纹7远离锁定体2-3设置，且在内连接头2-2的外壁上设置有与所述限位螺纹7相匹配的螺纹。所述限位螺纹7用于在安装内连接头2-2时，起到卡位的作用，起到内连接头2-2与锁定体2-3一直保持设置的间隙6距离。

本实施例中，为进一步增强锁定组件2的气密性，所述锁定组件还包括用以密封大口径端的第二密封圈2-5，绕内连接头2-2的外壁设置有一凹槽，所述第二密封圈2-5安装在所述凹槽内。

所设置的第一密封圈2-4和第二密封圈2-5均为耐磨的软质o圈，所述第一密封圈2-4将锁定体2-3这一端的中空套体2-1密封，第二密封圈2-5将内连接头2-2这一端的中空套体2-1密封，在第一密封圈2-4和第二密封圈2-5的配合使用下，能够保证整个流体通道处于完全密闭的环境，故能够保证锁定装置的锁定稳定性。并且第一密封圈2-4的设置还能保证锁定体2-3处于转动/摆动状态时，还能一直保持对中空套体2-1的密封。

作为优选实施方式，当所述锁定组件2的数量为≥2时，所述锁定组件2先进行串接、或并接、亦或是串并混接后，再连接在两根相邻的连杆1之间。为节约成本和简化锁定装置结构的目的，所述锁定组件2的数量一般为1个即可达到锁定目的。采用2个或2个以上是为了提高整个锁定装置的调节角度的灵活性亦或是应用场景的需要。

当为2个或2个以上的锁定组件2时，如图6所示，为两个锁定组件2的反向串联示意图，当然也可以正向串联。如图7所示，为两个锁定组件2并接的结构示意图，当所述锁定体2-3为球体时，单个连杆1角度的调节和摆动组合更为灵活，即单个锁定组件2可调节的角度范围可由原来的k变为2k，则将n个锁定组件2依次连接得到的锁定装置可调节的范围是2(n-1)×k。当然，对于3个以上的锁定组件2的连接方式不在此一一列举，凡在本实用新型的意旨范围内均落入本实用新型的保护范围。

本实施例中，所述流体具体为高压气体或可流动的液体，可流动的液体具体可以是水或其他液体。

所述连杆1、锁定体2-3、内连接头2-2和中空套体2-1优选为不锈钢材质或其他硬质金属材质。

所述动力组件4包括储气罐、空气压缩机、二位三通电磁阀和压力稳定系统，所述空气压缩机的输入端与储气罐连接，所述二位三通电磁阀的入口与空气压缩机的输出端连接，二位三通电磁阀的出口通过连杆1与始端锁定组件上的内连接头相连接，二位三通电磁阀的排气口安装有所述压力稳定系统；所述二位三通电磁阀连接有一控制开关。

本实用新型在使用时：令所述锁定球体的直径为20mm，锥角∠a为8度。启动动力组件4工作，具体是空气压缩机通电并产生气压，打开二位三通电磁阀，在压力稳定系统的控制下，向中空结构的连杆1内输送2.0mpa的压力，由于各连杆1和各锁定组件2通过流体通道相互连通，2.0mpa的压力依次快速传递至各连杆1内，每个锁定组件2上的锁定体2-3均受到27牛顿米的锁定力矩，即在密闭的流体通道内通过充入具有一定强度的压力，即可同时锁定各锁定球体，从而将各连杆1锁定。经本实用新型人的模型试验，当n=5，锁定球体=4时，通过控制电磁阀的通电和断电可以实现0.1秒内的锁定或解锁，具备超过人的肩、肘和腕关节三关节串联系统的自由度。

所述锁定体2-3的受力锁定的原理示意图，如图8所示：该球体的球心为o1，cd是球体的直径（即第一密封圈2-4的安装位置）、球体的半径为r1，以球体与中空套体2-1的接触面中的接触点作为相切点，并做切线向中空套体2-1的外部延长相交于a点，得到一圆锥体。图8所示的相切圆心为o2，ef为其直径，半径为r2为该圆锥体的一种剖面结构示意图。图中所示ef平行cd，得到圆锥体的锥角为∠a，3度≤∠a≤20度。两个圆的参数，具体为：o1到o2长度是r1的0.026到0.174倍，r2是r1的0.99965到0.98481倍。本实用新型人已根据上述参数作出本实用新型的模型，通过操作一个控制开关即可进行锁定/解锁的动作，反应迅速，锁定时间相较于传统的可提高10倍，锁定效率极为显著。

本锁定组件2中的锁定体2-3为球体时，是利用第一密封圈2-4将球体分为两个相互密闭部分，与流体通道连接部分接入压力流体，产生压力差f1，压力差将球体推向低压部分，由于锥度的原因，产的n倍（∠a在3度到20度时是38.2倍到5.7倍）垂直于球头的球面的压力f2，所产生的静摩擦力等于f2乘以摩擦系数。静摩擦力乘以球体的半径等于静摩擦力矩，相当于锁定力矩，即动力组件4启动，流体通道内瞬间充满气压，然后在各个锁定组件2上的球体依次受力产生一锁定力矩，瞬间受力被锁定，各连杆1在调节至适宜角度后瞬间被锁定。

本流体压力锁定组件2的锁定点（即球体与中空套体2-1的接触点）位于接近锁定球体最大圆的一个圆内，和常见的顶杆方式锁定不同，具体是将锁定组件的顶杆顶在球头的一个面不同，不管是围绕连杆1长轴旋转或摆动，各向的锁定力矩大致相等，锁定稳定而可靠。

本实施例中的所述锁定装置除了具备上述锁定效率和锁定特点外，还具有如下显著优点：1、可以在非锁定状态下、在中空套体2-1的纵向方向上摆动0至60度或90至174度；2、处于非锁定状态下的锁定球体，除了可在纵向空间上进行摆动外，还可在中空套体2-1的横截面方向沿着中空套体2-1的内壁周向转动0至360度。锁定装置对连杆1的调节角度大、灵活性高，故在使用过程，对待锁定件的位置调整/角度调节均更为灵活与实用，并且快捷。

实施例2

如图4所示，所实施例1所不同的是：所述锁定体2-3为内部贯通有通孔5的圆柱体结构或圆锥体结构，在非锁定状态下的连杆1可绕与之相连接的锁定体2-3周向转动0至360度。即该结构的锁定装置在工作时同样在动力组件4的控制下，通过向流体通道内充入/收回流体以实现对锁定体2-3的瞬间锁定或解锁。由于锁定体2-3的结构有不同，对于连杆1的调节角度有所区别，本结构的锁定体2-3，只能在非锁定状态下，所述连杆1绕与之相连接的锁定体2-3周向转动0至360度。虽然不能进行上下一定幅度的调节，但其实现结构较球体更为简单，可满足部分应用场景的需求。

实施例3

如图5所示，所实施例1所不同的是：所述锁定体2-3为内部贯通有通孔5的圆台体，在非锁定状态下的连杆1可绕与之相连接的锁定体2-3周向转动0至360度。即该结构的锁定装置在工作时同样在动力组件4的控制下，通过向流体通道内充入/收回流体以实现对锁定体2-3的瞬间锁定或解锁。由于锁定体2-3的结构有不同，对于连杆1的调节角度有所区别，本结构的锁定体2-3，只能在非锁定状态下，所述连杆1绕与之相连接的锁定体2-3周向转动0至360度。虽然不能进行上下一定幅度的调节，但其实现结构较球体更为简单，可满足部分应用场景的需求。

上述实施例2和实施3中，所述锁定装置的组成机构虽然在非锁定状态下与现有的角度调节范围不大，但是其工作原理与实施例1相同，在工作时通过操作一个控制开关即可实现整个装置的锁定/解锁的动作，反应迅速，锁定时间相较于传统的可提高10倍，锁定效率极为显著，依然有技术突破。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。