CN101721234B - 一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于包括关节旋转机构和关节锁紧机构，关节旋转机构位于关节锁紧机构的上部，其中关节旋转机构包括关节转轴、关节轴承盖、关节轴承座和关节底盘，关节锁紧机构包括锁紧外套筒、摩擦环、梯形螺母、丝杠轴和电机，电机的输出轴带动丝杠轴运动，丝杠轴带动与其螺纹连接的梯形螺母运动，梯形螺母被其外部的锁紧外套筒周向固定住，只能上下运动，带动其上部的摩擦环上下运动，摩擦环与关节底盘接触产生摩擦力，离开摩擦力消除，而关节转轴与关节底盘螺纹连接，进而实现锁紧或松开关节转轴。本发明结构紧凑、操作和维护方便、锁紧与放松可靠、性能优良。

Description

一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节

技术领域

本发明涉及一种电动锁紧旋转关节，尤其是涉及一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，属于医疗外科手术辅助设备技术领域。 

背景技术

我们知道，在工业、农业和医疗等各个领域内都存在机械臂旋转关节的制动与放松的问题，而尤其是对于应用于医疗外科手术的机械臂来说，旋转关节的制动与放松的可靠性、锁紧力以及安全性等性能指标对旋转关节的结构提出了更高的要求，由于用于辅助微创外科手术的机械臂是固定在手术床上的，所以要求关节结构紧凑、体积小、重量轻，而目前不少的机械臂旋转关节的锁紧与放松都是通过电磁式制动器来实现的，不仅体积大、重量大，而且制动噪音也比较大，锁紧力不能根据需要进行调整，因此，设计出一种锁紧力可调、结构紧凑、可靠性好的旋转关节显得非常重要。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性好的用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节。 

本发明是通过以下技术方案来实现的： 

一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于包括关节旋转机构和关节锁紧机构，关节旋转机构位于关节锁紧机构的上部，其中： 

所述的关节旋转机构包括：关节转轴、关节轴承盖、关节轴承座和关节底盘，关节轴承盖位于关节转轴的上部，其与位于关节转轴外部的关节轴承座通过螺钉A固定连接，在关节转轴和关节轴承座之间还设置有轴承A、轴承B、关节轴承外套筒和关节轴承内套筒，关节轴承外套筒位于关节轴承内套筒的外部，而轴承A和轴承B则分别位于关节轴承外套筒和关节轴承内套筒的上部和下部，此外，上述的关节底盘则位于关节转轴的下部，并与其螺纹连接； 

所述的关节锁紧机构包括：锁紧外套筒、摩擦环、梯形螺母、丝杠轴和电机，摩擦环固定为梯形螺母上表面的环形槽中，而丝杠轴则通过其上部表面的梯形外螺纹与梯形螺母的梯形内螺纹配合连接，梯形外螺纹的长度大于梯形内螺纹的长度，在丝杠轴的下部还设置有内孔，其通过内孔与电机的输出轴键连接，而丝杠轴和锁紧外套筒之间还设置有轴承C，另外，电机与电机法兰通过螺钉C连接，而电机法兰则通过螺钉D与锁紧外套筒的下部法兰固定连接； 

上述的关节轴承座位于锁紧外套筒的上部，它们通过螺钉B固定在机架板上。 

上述的锁紧外套筒的内孔壁上开有圆弧槽A，而所述的梯形螺母的外圆周面上设置与圆弧槽A相配合的圆弧槽B，圆弧槽A和圆弧槽B之间插有圆柱销。 

上述的关节转轴的上部两侧设置有轴肩，其位于轴承A的上表面上。 

上述的关节轴承座下部两侧向内延伸形成台肩，其与轴承B的下表面接触。 

上述的丝杠轴上设置轴肩和轴用挡圈，轴肩位于轴承C的上部，而轴用挡圈则位于轴承C的下部。 

本发明的有益效果是： 

1、结构紧凑，在保证10Nm的锁紧力矩的情况下采用合适的材料加工制造后整个关节重量小于800g； 

2、操作和维护方便：操作者只需要按下操作开关电机就可以实现关节的锁紧与放松； 

3、锁紧与放松可靠、性能优良：通过控制电机的输出力就可以控制锁紧力的大小，通过控制电机的运动速度就可以控制锁紧与放松所需要的时间，通用性比较强； 

4、维护方便：当使用一段时间，由于摩擦磨损使得锁紧力矩有所下降时，只需要更换新的摩擦环就可以重新达到预期的锁紧力； 

本发明非常适用于神经外科、腹腔外科、胸腔外科和脊柱外科等微创手术的辅助机械臂中需要锁紧和放松的旋转关节。 

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图； 

图2为本发明所述的锁紧外套筒的结构示意图； 

图3为本发明所述的梯形螺母的结构示意图。 

图中主要附图标记含义为： 

1、关节转轴    2、关节轴承盖     3、螺钉A           4、轴承A 

5、关节轴承座  6、关节轴承外套筒 7、关节轴承内套筒 

8、关节底盘    9、摩擦环         10、轴承C          11、轴用挡圈 

12、螺钉D      13、电机法兰      14、螺钉C          15、电机 

16、丝杠轴     17、圆柱销        18、锁紧外套筒     19、螺钉B 

20、机架板     21、梯形螺母      22轴承B            23、圆弧槽A 

24、圆弧槽B 

具体实施方式

下面将结合附图，详细说明本发明的具体实施方式： 

图1为本发明一实施例的结构示意图；图2为本发明所述的锁紧外套筒的结构示意图；图3为本发明所述的梯形螺母的结构示意图。 

如图1至图3所示：用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，包括关节旋转机构和关节锁紧机构，关节旋转机构位于关节锁紧机构的上部，其中： 

关节旋转机构包括关节转轴1、关节轴承盖2、关节轴承座5和关节底盘8，关节转轴1是本发明的输出轴，其与负载相连，而关节轴承盖2位于关节转轴1的上部，其与位于关节转轴1外部的关节轴承座5通过螺钉A3固定连接，在关节转轴1和关节轴承座5之间还设置有轴承A4、轴承B22、关节轴承外套筒6和关节轴承内套筒7，关节轴承外套筒6位于关节轴承内套筒7的外部，而轴承A4和轴承B22则分别位于关节轴承外套筒6和关节轴承内套筒7的上部和下部，调节螺钉A3的预紧力的大小，就可以调节下轴承A4和轴承B22的轴向预载荷，保证了关节转轴1旋转时的低摩擦和稳定性。 

此外，上述的关节底盘8则位于关节转轴1的下部，并与关节转轴1螺纹连接，同时注入螺纹紧固胶水，以使得关节底盘8与关节转轴1可靠连接并同步转动，另，关节底盘8安装好后，不会与关节轴承座5相接触而产生摩擦力。 

上述的轴承A4和轴承B22的内圈与关节转轴1小间隙配合，外圈与关节轴承座5小间隙配合，另外，因为关节转轴1的上部两侧设置有轴肩，轴肩位于轴承A4的上表面上，以及所述的关节轴承座5下部两侧向内延伸形成台肩，台肩与轴承B22的下表面接触，则轴承A4内圈的轴向定位靠关节转轴1上的轴肩和关节轴承内套筒7来实现，外圈的轴向定位依靠关节轴承盖2和关节轴承外套筒6来定位，而轴承B22的内圈的轴向定位靠关节轴承内套筒7和关节底盘8来实现，外圈的轴向定位则依靠关节轴承外套6和关节轴承座5的台肩来实现。 

所述的关节锁紧机构包括锁紧外套筒18、摩擦环9、梯形螺母21、丝杠轴16和电机15，梯形螺母21的上表面上设置有环形槽，而摩擦环9就固定在梯形螺母21的环形槽中，使得摩擦环9和梯形螺母21相互之间受到额定外力时，不会发生圆周方向的相对运动，在梯形螺母21的外圆周面上设置圆弧槽B24，而与梯形螺母21接触的锁紧外套筒18的内孔壁上开有圆弧槽A23，圆弧槽A23和圆弧槽B24之间插有圆柱销17，这样圆柱销17就限制了梯形螺母21相对于锁紧外套筒18的圆周运动，而丝杠轴16则通过其上部表面的梯形外螺纹与梯形螺母21的梯形内螺纹配合连接，组成一个滑动丝杠副，梯形外螺纹的长度大于梯形内螺纹的长度，保证丝杠副在运动时不会使得梯形螺母21脱离丝杠轴16，而在丝杠轴16旋转时，梯形螺母21只能相对于锁紧外套筒18上下运动。 

在上述丝杠轴16的下部还设置有内孔，丝杠轴16通过内孔与电机15的输出轴键连接，电机15的输出轴转动时，动力和运动通过上述的键的链接方式传递到丝杠轴16上，连接键与电机15的输出轴及丝杠轴16内控的配合间隙很小，使得在运动时回差很小，另外，而丝杠轴16和锁紧外套筒18之间还设置有轴承C10，轴承C10为角接触球轴承，其内圈与丝杠轴16的下部外圆紧配合，没有相对运动，外圈与锁紧外套筒18的内孔紧配合，也没有相对运动，此外，因为丝杠轴16上还设置有轴肩和轴用挡圈11，其中，轴肩位于轴承C10的上部，而轴用挡圈11则位于轴承C10的下部，则轴承C10内圈的轴向定位依靠丝杠轴16的轴肩和轴向挡圈11来实现，而外圈的轴向定位则依靠锁紧外套筒18的内孔的台阶来实现。 

另外，电机15与电机法兰13通过螺钉C14连接，而电机法兰13则通过螺钉D12与锁紧外套筒18的下部法兰固定连接，此外，上述的关节旋转机构中的 关节轴承座5位于关节锁紧机构中的锁紧外套筒18的上部，它们通过螺钉B19固定在机架板20上。 

在本发明中，当电机15旋转时，带动与电机15输出轴相配合的丝杠轴16运动，丝杠轴16带动梯形螺母21运动，由于圆柱销17限制了梯形螺母21的周向转动，则梯形螺母21在丝杠轴16的驱动下只能上下运动，当梯形螺母21向上运动时，摩擦环9随之一起向上运动并与关节底盘8接触且产生压力，使摩擦环9与关节底盘8之间产生摩擦力，以阻碍关节转轴1的旋转运动，实现关节的锁紧；当梯形螺母21向下运动时，摩擦环9脱开关节底盘8，摩擦环9与关节底盘8之间的摩擦力减小直至消失，使关节转轴1可以自由转动，实现关节的放松。 

本发明结构紧凑、操作和维护方便、锁紧与放松可靠、性能优良。 

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于包括关节旋转机构和关节锁紧机构，关节旋转机构位于关节锁紧机构的上部，其中：

所述的关节旋转机构包括：关节转轴(1)、关节轴承盖(2)、关节轴承座(5)和关节底盘(8)，关节轴承盖(2)位于关节转轴(1)的上部，其与位于关节转轴(1)外部的关节轴承座(5)通过螺钉A(3)固定连接，在关节转轴(1)和关节轴承座(5)之间还设置有轴承A(4)、轴承B(22)、关节轴承外套筒(6)和关节轴承内套筒(7)，关节轴承外套筒(6)位于关节轴承内套筒(7)的外部，而轴承A(4)和轴承B(22)则分别位于关节轴承外套筒和关节轴承内套筒(7)的上部和下部，此外，上述的关节底盘(8)则位于关节转轴(1)的下部，并与其连接；

所述的关节锁紧机构包括：锁紧外套筒(18)、摩擦环(9)、梯形螺母(21)、丝杠轴(16)和电机(15)，摩擦环(9)固定为梯形螺母(21)上表面的环形槽中，而丝杠轴(16)则通过其上部表面的梯形外螺纹与梯形螺母(21)的梯形内螺纹配合连接，在丝杠轴(16)的下部还设置有内孔，其通过内孔与电机(15)的输出轴键连接，而丝杠轴(16)和锁紧外套筒(18)之间还设置有轴承C(10)，另外，电机(15)与电机法兰(13)通过螺钉C(14)连接，而电机法兰(13)则通过螺钉D(12)与锁紧外套筒(18)的下部法兰固定连接；

上述的关节轴承座(5)位于锁紧外套筒(18)的上部，它们通过螺钉B(19)固定在机架板(20)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于：所述的锁紧外套筒(18)的内孔壁上开有圆弧槽A(23)，而所述的梯形螺母(21)的外圆周面上设置与圆弧槽A(23)相配合的圆弧槽B(24)，圆弧槽A(23)和圆弧槽B(24)之间插有圆柱销(17)。

3.根据权利要求1所述的一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于：所述的关节转轴(1)的上部两侧设置有轴肩，其位于轴承A(4)的上表面上。 

4.根据权利要求1所述的一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于：所述的关节轴承座(5)下部两侧向内延伸形成台肩，其与轴承B(22)的下表面接触。

5.根据权利要求1所述的一种用于外科手术辅助臂的电动锁紧旋转关节，其特征在于：所述的丝杠轴(16)上设置轴肩和轴用挡圈(11)，轴肩位于轴承C(10)的上部，而轴用挡圈(11)则位于轴承C(10)的下部。 

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