CN112451098A - 机械臂转动关节 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械臂转动关节，其为了解决如何使患者操作台远端调整结构的各移动及转动关节具有调整灵活，锁紧力矩大，无锁紧间隙或锁紧间隙小的技术问题，其包括自转轴座、自转轴、自转支撑座、谐波减速器、抱闸座、抱闸、锁紧螺母、限位块、轴承压盖、轴承挡圈、轴承垫片、上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承和深沟球轴承；自转轴与自转轴座固定连接，自转轴通过上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承与自转支撑座转动连接，限位块与自转轴的轴肩连接，轴承压盖上端面设有限位缺口，限位块嵌入轴承压盖上端面的限位缺口中；抱闸与抱闸座固定连接；深沟球轴承连接于谐波减速器波发生器与抱闸座之间。本发明广泛用于微创手术机器人***。

Description

机械臂转动关节
技术领域
本发明涉及微创手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种机械臂转动关节。
背景技术
参考授权公告号为CN109091237B，名称为微创手术器械辅助***的中国发明专利以及授权公告号为CN109091238B、名称为分体式微创手术器械辅助***的中国发明专利，微创手术器械操控***被设计为在内窥镜下，由医生在手术室内操作，控制手术器械做手术的设备***。医生坐在医生操作台前，通过观看3D影像显示器，操作医生机械臂，医生可如同平常手术般，利用患者机械臂精准的控制手术器械执行各种手术动作。
为适应手术室内紧凑环境的现实情况，患者操作台大多采用悬吊式布局，即患者机械臂及近端被动调整结构位于手术操作上方区域，手术前可以根据病人手术部位的不同而在小范围内灵活调整。患者操作台远端被动调整结构主要包括底座、立柱、横梁及横梁转动等部分，其放置位置应尽量远离手术区域，避免污染手术环境的同时还可以为医生安装、更换无菌套袋及手术器械等术中、术前操作提供充足空间。为此，远端调整结构各处关节应具有强度高，调整灵活及锁紧牢固、无间隙的特点，以实现患者机械臂大范围、快速的位置调整，及安全、精确的位置锁定功能。
目前的患者操作台远端调整结构因关节锁紧力矩小，且存在锁紧间隙，其整体结构强度较低，安装在其远端的患者机械臂运动精度也随之下降，进而对手术安全性造成不良影响。为适应现代化微创手术的需要，如何使患者操作台远端调整结构的各移动及转动关节具有调整灵活，锁紧力矩大，无锁紧间隙或锁紧间隙小的优点，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何使患者操作台远端调整结构的各移动及转动关节具有调整灵活，锁紧力矩大，无锁紧间隙或锁紧间隙小，提供了一种机械臂转动关节。
本发明提供的机械臂转动关节，包括自转轴座、自转轴、自转支撑座、谐波减速器、抱闸座、抱闸、锁紧螺母、限位块、轴承压盖、轴承挡圈、轴承垫片、上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承和深沟球轴承；
谐波减速器包括谐波减速器柔轮、谐波减速器刚轮和谐波减速器波发生器；
自转轴与自转轴座固定连接，自转轴设有配合锥面，自转轴座设有与配合锥面；
自转轴通过上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承与自转支撑座转动连接，自转轴设有轴肩和轴身，上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承与自转轴的轴身连接，通过轴肩、轴承挡圈及轴承垫片对上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承进行轴向定位，轴承垫片位于上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承之间；自转支撑座内部设有凸台，轴承压盖通过紧固件与自转支撑座的上端面连接；锁紧螺母与自转轴的上端连接；
限位块与自转轴的轴肩连接，轴承压盖上端面设有限位缺口，限位块嵌入轴承压盖上端面的限位缺口中；
通过螺钉将谐波减速器柔轮、轴承挡圈与自转轴的下端连接，抱闸座及谐波减速器刚轮通过螺钉与自转支撑座的下端固定连接；谐波减速器刚轮的刚轮内侧齿廓与波减速器柔轮的柔轮外侧齿廓啮合；谐波减速器波发生器通过螺钉与抱闸的抱闸轴连接；深沟球轴承连接于谐波减速器波发生器与抱闸座之间；抱闸与抱闸座固定连接。
优选地，自转轴座设有螺纹通孔。
优选地，自转轴设有键槽，自转轴座设有键槽，自转轴的键槽和转轴座的键槽通过螺钉嵌入连接键。
优选地，自转支撑座设有螺纹通孔。
本发明的有益效果是：结构紧凑，强度高，承载能力大，手动调整灵活，锁紧可靠无间隙。
本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是机械臂转动关节的结构示意图；
图2是机械臂转动关节的分解图。
图中符号说明：
1.自转轴座，2.自转轴，3.自转支撑座，4-1.谐波减速器柔轮，4-2.谐波减速器刚轮，4-3.谐波减速器波发生器，5.抱闸座，6.抱闸轴，7.抱闸，8.锁紧螺母，9.连接键，10.限位块，11.轴承压盖，12.轴承挡圈，13.轴承垫片，14.圆锥滚子轴承，15.深沟球轴承，16.轴承小垫片。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和2所示，机械臂转动关节包括自转轴座1、自转轴2、自转支撑座3、谐波减速器、抱闸座5、抱闸7、锁紧螺母8、连接键9、限位块10、轴承压盖11、轴承挡圈12、轴承垫片13、圆锥滚子轴承14、深沟球轴承15、轴承小垫片16。
谐波减速器包括谐波减速器柔轮4-1、谐波减速器刚轮4-2、谐波减速器波发生器4-3，
自转轴座1上加工有螺纹通孔17，螺纹通孔17通过紧固件与患者操作台上的横梁固定连接，以将横梁绕轴线一1-1转动产生的转矩传递至自转轴2上，自转轴2与自转轴座1通过锁紧螺母8及连接键9实现轴向及周向连接，。自转轴2上加工有配合锥面18及螺纹19，自转轴座1上同样加工有配合锥面20，二者通过锥面配合及螺纹锁紧结构实现轴向定位；采用锥面配合，可以有效提高两零件的安装精度，消除装配间隙，提高关节轴向承重能力。锁紧螺母8与自转轴2上的螺纹19连接。自转轴2上加工有键槽21，自转轴座1上同样加工有键槽22，二者尺寸相同。连接键9通过螺钉23嵌入键槽21及键槽22内，以实现自转轴及自转轴座的周向定位。由此，当横梁带动自转轴座绕轴线一1-1转动时，作用在自转轴座1上的转矩通过连接键9传递至自转轴2上，进而带动自转轴2绕轴线一1-1转动。连接键9与键槽21、键槽22采用过盈配合，能够有效消除传动间隙，并承受较高转矩，有效提高关节强度。
自转支撑座3上同样加工有螺纹通孔24，螺纹通孔24通过紧固件与患者操作台的立柱连接。自转支撑座3与自转轴2之间装有两个圆锥滚子轴承14，圆锥滚子轴承14的内圈与自转轴2过盈连接配合，圆锥滚子轴承14的外圈安装在自转支撑座3内壁。当自转轴座3及自转轴2一起绕轴线一转动时，自转支撑座3固定不动。自转轴2上加工有轴肩25，两个圆锥滚子轴承的内圈安装在自转轴2的轴身26上并通过轴肩25及轴承挡圈12、轴承垫片13实现轴向定位。轴承垫片13套在轴身26上，轴承垫片13位于两个圆锥滚子轴承14之间。自转支撑座3内部加工有凸台27，轴承压盖11通过紧固件28与自转支撑座3的上端面连接，圆锥滚子轴承14的外圈由此通过凸台27及轴承压盖11实现轴向定位。圆锥滚子轴承采用X型布局，能够有效提高关节结构强度及负载承受能力。
自转轴2的轴肩25上加工有槽口29，轴承压盖11上端面加工有限位缺口30，限位块10通过螺钉31嵌入槽口29内部，随自转轴2一起转动的同时在限位缺口30内摆动。当限位块10侧面与限位缺口30侧面接触时，关节即转动至极限角度。关节转动的角度范围可通过限位缺口30的开口角度范围灵活调整。
关节的锁紧制动功能通过抱闸实现，为提高抱闸的制动效果，尽量消除关节的锁紧间隙，在自转轴2与抱闸轴之间安装谐波减速器，抱闸轴与谐波减速器的输入端(波发生器)安装，自转轴与谐波减速器的输出端(柔轮)安装。当自转轴带动谐波减速器柔轮以较低的角速度、较高的扭矩绕轴线一旋转时，经过反向增速作用，与谐波减速器波发生器连接的抱闸轴则会以较高的角速度、较低的扭矩旋转。抱闸通过对低扭矩、高转速的抱闸轴进行制动，进而实现对高扭矩、低转速的自转轴进行锁紧。且谐波减速器加工精度很高，不存在回程间隙，关节可实现无间隙锁紧。
通过螺钉32将谐波减速器柔轮4-1、轴承挡圈12与自转轴2的下端连接，谐波减速器柔轮4-1可随自转轴绕轴线一1-1转动。轴承挡圈12抵靠下方的圆锥滚子轴承14的内圈。抱闸座5及谐波减速器刚轮4-2通过螺钉33与自转支撑座3的下端固定连接。装配后，谐波减速器刚轮4-2的刚轮内侧齿廓34与波减速器柔轮4-1的柔轮外侧齿廓35紧密啮合。谐波减速器波发生器4-3安装在波减速器柔轮4-1内部，并通过螺钉36与抱闸7的抱闸轴6连接。谐波减速器波发生器4-3与抱闸座5之间装有深沟球轴承15，深沟球轴承15的内圈与谐波减速器波发生器4-3的转轴过盈连接，深沟球轴承15的外圈安装在抱闸座5的轴承座孔37内部，并通过螺钉38及轴承小垫片16实现轴向定位。当自转轴2连同谐波减速器柔轮4-1绕轴线一转动时，柔轮外侧齿廓35与固定安装的刚轮内侧齿廓34逐齿啮合并发生均匀形变，进而挤压并驱动谐波减速器波发生器4-3及抱闸轴绕轴线增速转动。抱闸7通过螺钉39与抱闸座5固定安装，并与抱闸轴的方形端40连接以实现对抱闸轴的制动与释放作用。
当关节需要转动时，抱闸7通电释放，抱闸轴6可以自由转动，在远离关节处施加一较小作用力，因力臂较长，作用于轴线一的力矩便足够转动关节。当关节需要锁紧时，抱闸断电制动，抱闸轴锁紧，并经谐波减速器的增扭作用，自转轴座上的制动力矩足以将横梁锁定在当前位置。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种机械臂转动关节，其特征在于，包括自转轴座、自转轴、自转支撑座、谐波减速器、抱闸座、抱闸、锁紧螺母、限位块、轴承压盖、轴承挡圈、轴承垫片、上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承和深沟球轴承；
所述谐波减速器包括谐波减速器柔轮、谐波减速器刚轮和谐波减速器波发生器；
所述自转轴与自转轴座固定连接，所述自转轴设有配合锥面，所述自转轴座设有与配合锥面；
所述自转轴通过上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承与自转支撑座转动连接，所述自转轴设有轴肩和轴身，所述上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承与自转轴的轴身连接，通过轴肩、轴承挡圈及轴承垫片对上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承进行轴向定位，所述轴承垫片位于上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承之间；所述自转支撑座内部设有凸台，所述轴承压盖通过紧固件与自转支撑座的上端面连接；所述锁紧螺母与自转轴的上端连接；
所述限位块与自转轴的轴肩连接，所述轴承压盖上端面设有限位缺口，所述限位块嵌入轴承压盖上端面的限位缺口中；
通过螺钉将谐波减速器柔轮、轴承挡圈与自转轴的下端连接，所述抱闸座及谐波减速器刚轮通过螺钉与自转支撑座的下端固定连接；所述谐波减速器刚轮的刚轮内侧齿廓与波减速器柔轮的柔轮外侧齿廓啮合；所述谐波减速器波发生器通过螺钉与抱闸的抱闸轴连接；所述深沟球轴承连接于谐波减速器波发生器与抱闸座之间；所述抱闸与抱闸座固定连接。
2.根据权利要求1所述的机械臂转动关节，其特征在于，所述自转轴座设有螺纹通孔。
3.根据权利要求1所述的机械臂转动关节，其特征在于，所述自转轴设有键槽，所述自转轴座设有键槽，所述自转轴的键槽和转轴座的键槽通过螺钉嵌入连接键。
4.根据权利要求1所述的机械臂转动关节，其特征在于，所述自转支撑座设有螺纹通孔。
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