外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構的製作方法
2023-12-07 08:15:36
專利名稱：外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種液壓鎖緊機構，尤其是涉及一種外科手術機械臂關節鎖緊動
力機構，屬於醫療器械技術領域。
背景技術：
近來，計算機、醫療外科技術和醫療機器人三者有機結合的微創外科機械臂技術 已成為眾多學者和科研機構關注的國際前沿研究熱點之一。這一新型的多學科交叉領域的 發展被認為是外科治療手段的一種標誌性的進步，國內醫療器械設備的研究和開發力度越 來越大。目前，對於被動(無電機驅動)穿剌定位的機械臂，能在臨床應用的很少，其中一個 重要原因是尚未找到手術機械臂合適的關節鎖緊結構和鎖緊驅動裝置。特別是對於小型、 輕便和高剛度的機械臂的關節鎖定，還未發現基於液壓驅動的關節鎖緊機構。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種機械臂關節鎖緊動力機構，以提供關
節鎖緊液壓動力源，保證機械臂在無電機驅動的情況下，根據運動學解算後的關節角度，各
個關節能夠剛性固定，從而使機械臂能夠作為外科手術穿剌定位和支撐裝置。 為解決上述技術問題，本實用新型提供一種外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機
構，包括牽引機構和升降壓機構，還包括鎖緊力發生器，所述牽引機構設置於地面，通過鋼
絲與升降壓機構的活塞頂杆固聯，所述牽引機構踩板，踩板與鋼絲相聯接；所述升降壓機構
包括筒體，所述筒體的支撐板與升降支柱固聯；所述升降壓機構的中心軸和升降支柱的軸
線均為垂直方向；所述鎖緊力發生器與升降壓機構均為對稱結構且二者共軸，並通過鎖緊
力發生器外圍的活套螺母鎖固。 所述牽引機構包括踩板、手柄、鋼絲繩、支承板組件和底板，其功能是牽引鋼絲繩， 控制鋼絲繩的伸縮。所述鋼絲繩穿過設置於踩板中間底部的開口螺母，一端與扣緊套固聯， 另一端與升降壓機構的活塞頂杆固聯；所述支撐板組件包括上側板和兩垂直側板，支撐板 組件通過螺釘與底板固聯；踩板一端與固定在支撐板組件的一垂直側板上的踩板銷相聯， 並以踩板銷軸線為轉動軸做旋轉運動，手柄一端與手柄支撐杆可轉動聯接，手柄支撐杆與 底板通過螺釘連接，手柄頂杆與手柄相焊接，手柄頂杆與踩板自由接觸。 工作時，通過踩板和手柄分別對B點和A點加力，牽引鋼絲繩向下運動；當鬆開手 柄或踩板，由於另一端的彈簧要恢復形變，必然牽引與鋼絲繩連接的踩板向上運動。由於有 支撐板組件上方側板的限制，踩板行程具有上止點，其下止點為踩板和底板的接觸點，從而 使鋼絲繩回到原來位置，實現了鋼絲繩的拉伸和收縮。 本實用新型中，所述升降壓機構包括彈簧和彈簧座、活塞頂杆、筒體、支撐板和升 降支柱。所述筒體底部中間開小孔，彈簧座緊貼筒體底面，其上安裝有彈簧；活塞頂杆位於 彈簧上平面，它與鋼絲繩固聯，可在液壓缸座中間孔內上下運動。頂杆的上止點是液壓缸座 的下表面，其下止點為彈簧座上端面，頂杆的行程實際上決定了彈簧的壓縮量，彈簧、彈簧座和活塞頂杆均與筒體共軸，筒體外側的凸臺與支撐板連接，支撐板的右側開有與筒體軸 心線平行的螺紋孔，升降支柱穿過該螺紋孔並固定在螺紋孔內。所述升降支柱上設置有轉 動銷，給轉動銷加力可使升降支柱旋轉，可以實現機械臂關節液壓鎖緊動力機構整體上下 移動，以此來改變機械臂工作空間。 本實用新型中，所述鎖緊力發生器包括關節軸、液壓缸、液壓缸座、液壓活塞、第一 摩擦錐、第二摩擦錐和活套螺母。所述關節軸安裝於液壓缸中間，在關節軸的中部，通過內 卡環、外卡環及卡環座使關節軸與液壓缸在軸向固聯，支撐螺套與液壓缸下端為螺紋固聯， 支撐螺套在下端沿徑向開半圓形槽，該半圓形槽與定位銷配合安裝，使液壓缸在圓周方向 與液壓缸座的裝配位置固定。關節軸為中空結構，用於提供液壓油的油路。在與關節軸的 軸線垂直方向對稱的開有兩個通孔，便於液壓油流向關節軸外側。在關節軸1外側、卡環座 的下方依次設置有密封套一、限位套、密封套二、第一摩擦錐和第二摩擦錐，在關節軸下部 外側、第二摩擦錐的下方設置有定位環，流出的液壓油經過限位套，到達限位套上部的密封
套一和下部密封套二。在緊靠密封套的下面安裝有兩個摩擦錐，他們貼合於一起，從整體上 看，形成了一個中空的柱體，所述兩個摩擦錐沿其軸線方向均開有窄槽，受到軸向推力後可 以沿徑向收縮。兩個摩擦錐沿軸線方向向下的位移受到安裝於關節軸上的定位環的限制。 液壓活塞置於關節軸內，當向上運動時，油路內容積減少，使液壓油在密封套一和密封套二 之間產生壓力，推動密封套二壓緊第一摩擦錐和第二摩擦錐，使關節軸與液壓缸在周向鎖 緊，這樣便實現了關節的鎖定。 當腳對踏板加力，或者通過手柄給踩板加力時，牽引鋼絲繩向下運動，而鋼絲繩與 活塞頂杆固聯，活塞頂杆向下壓緊儲能彈簧，彈簧收縮，活塞頂杆跟隨下移，使液壓系統的 活塞垂直向下運動，機械臂內容積增大，內壓下降，從而使機械臂的各個關節鬆開。當腳離 開踏板(或手脫離手柄)，由於儲能彈簧的回彈，使活塞頂杆向上運動，液壓系統的活塞垂 直向上運動，壓縮機械臂內腔容積，液壓系統內壓增大，從而使關節鎖定。這樣便提供了液 壓機械臂關節的鎖緊力矩，從而實現機械臂關節鎖緊和鬆開控制。 本實用新型所達到的有益效果 本實用新型的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，利用牽引機構、升降壓機 構和鎖緊力發生器，提供了關節鎖緊液壓動力源，保證了機械臂在無電機驅動的情況下，根 據運動學解算後的關節角度，各個關節能夠剛性固定，從而使機械臂能夠作為外科手術穿 剌定位和支撐裝置。
圖1為外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構的升降壓機構和鎖緊力發生器示 意圖； 圖2為外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構的牽引機構示意圖。 在圖中1.關節軸2.卡環座3.內卡環4.外卡環5.密封套16.限位套 7.密封套2 8.摩擦錐l 9.摩擦錐2 10.筒體11.液壓缸12.液壓活塞13.定位環 14.活套螺母 15.支撐螺套 16.定位銷 17.液壓缸座 18.活塞頂杆 19.蓋形螺母 20.圓螺母一 21.圓螺母二 22.轉動銷 23.升降支柱24.支撐板25.螺釘26.彈 簧 27.彈簧座 28a、28b.定位套 29.鋼絲套30.鋼絲繩 31.開口螺母 32.扣緊套33.踩板銷34.支撐板組件35.底板36.支撐杆37.手柄頂杆38.手柄39.踩板具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步詳述。 圖1為外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構的升降壓機構和鎖緊力發生器示 意圖；圖2為外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構的牽引機構示意圖。 本實用新型提供一種外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，包括牽引機構40 和升降壓機構41，還包括鎖緊力發生器42，所述牽引機構40設置於地面，通過鋼30與升降 壓機構41的活塞頂杆18固聯，所述牽引機構40包括踩板39，踩板39與鋼絲30相聯接； 所述升降壓機構包括筒體IO，所述筒體10的支撐板24與升降支柱23固聯；所述升降壓機 構41的中心軸和升降支柱23的軸線均為垂直方向；所述鎖緊力發生器42與升降壓機構41 均為對稱結構且二者共軸，並通過鎖緊力發生器42外圍的活套螺母14鎖固。 所述牽引機構包括踩板39、手柄38、鋼絲繩30、支承板組件34和底板35，其功能 是牽引鋼絲繩30，控制鋼絲繩30的伸縮。所述鋼絲繩30穿過設置於踩板39中間底部的 開口螺母31，一端與扣緊套32固聯，另一端與升降壓機構的活塞頂杆18固聯；支撐板組件 34由上側板和兩垂直側板焊接而成(另一塊是哪能一塊)，並通過螺釘與底板35固聯；踩 板39 —端與固定在支撐板組件34的一垂直側板上的踩板銷33相聯，並以踩板銷軸線為轉 動軸做旋轉運動。手柄38 —端與手柄支撐杆36轉動聯接，手柄支撐杆36與底板35通過 螺釘連接，手柄頂杆37與手柄38相焊接，手柄頂杆37與踩板39自由接觸。所述開口螺母31與踩板39為螺紋孔配合。 所述鋼絲繩30外表面套有鋼絲套29，在緊靠支撐板組件的上側面板處、鋼絲繩30
外表面設置有第一定位套28a，鋼絲繩30的導向和定位由定位套和鋼絲套29實現。第一定
位套28a的另一重要作用是防止鋼絲繩在長期拉伸過程中被磨損或被切斷。 所述第一定位套28a與支撐板組件34的上側板接觸面為一球面。 工作時，通過踩板39和手柄38分別對B點和A點加力，牽引鋼絲繩30向下運動；
當鬆開手柄38或踩板39，由於另一端的彈簧要恢復形變，必然牽引與鋼絲繩連接的踩板39
向上運動。由於有支撐板組件上方側板的限制，踩板行程具有上止點，其下止點為踩板和底
板的接觸點，從而使鋼絲繩回到原來位置，實現了鋼絲繩的拉伸和收縮。 本實用新型中，所述升降壓機構包括彈簧26和彈簧座27、活塞頂杆18、筒體10、支
撐板24和升降支柱23。所述筒體10底部中間開小孔，彈簧座27緊貼筒體10底面，其上安
裝有彈簧26 ;活塞頂杆18位於彈簧26上平面，它與鋼絲繩30固聯，可在液壓缸座中間孔
內上下運動。活塞頂杆18的上止點是液壓缸座的下表面，其下止點為彈簧座上端面，活塞
頂杆的行程實際上決定了彈簧的壓縮量，彈簧26、彈簧座27和活塞頂杆18均與筒體10共
軸，筒體10外側的凸臺與支撐板連接，支撐板27的右側開有與筒體10軸心線平行的螺紋
孔，升降支柱23穿過該螺紋孔並固定在螺紋孔內。所述升降支柱23上設置有轉動銷22，給
轉動銷加力可使升降支柱旋轉，可以實現機械臂關節液壓鎖緊動力機構整體上下移動，以
此來改變機械臂工作空間。 在鋼絲繩30外表面靠近筒體10底部安裝有第二定位套28b和鋼絲套29，定位套 和鋼絲套起導向和定位作用。[0025] 所述筒體10外側的凸臺與支撐板可通過螺釘連接。 所述升降支柱上端安裝有蓋形螺母19和圓螺母一 20，其下端靠近支撐板24底面 安裝圓螺母二 21，升降支柱和支撐板通過圓螺母一 20和圓螺母二 21固定。 所述小孔下底面為一球面，所述球面與第二定位套28b相配合。 本實用新型中，所述鎖緊力發生器包括關節軸1、液壓缸11、液壓缸座17、液壓活 塞12、第一摩擦錐8、第二摩擦錐9和活套螺母14。所述關節軸1安裝於液壓缸11中間，在 關節軸1的中部，通過內卡環3、外卡環4及卡環座2使關節軸1與液壓缸11在軸向固聯， 支撐螺套15與液壓缸11下端為螺紋固聯，支撐螺套15在下端沿徑向開半圓形槽，該半圓 形槽與定位銷16配合安裝，使液壓缸11在圓周方向與液壓缸座17的裝配位置固定。關節 軸1為中空結構，用於提供液壓油的油路。在與關節軸1的軸線垂直方向對稱的開有兩個 通孔，便於液壓油流向關節軸外側。在關節軸1外側、卡環座2的下方依次設置有密封套一 5、限位套6、密封套二 7、第一摩擦錐8和第二摩擦錐9，在關節軸1下部外側、第二摩擦錐9 的下方設置有定位環13，流出的液壓油經過限位套6，到達限位套6上部的密封套一和下部 密封套二。在緊靠密封套2的下面安裝有兩個摩擦錐，他們貼合於一起，從整體上看，形成 了一個中空的柱體，所述兩個摩擦錐沿其軸線方向均開有窄槽，受到軸向推力後可以沿徑 向收縮。兩個摩擦錐沿軸線方向向下的位移受到安裝於關節軸上的定位環13的限制。液 壓活塞置於關節軸內，當向上運動時，油路內容積減少，使液壓油在密封套一和密封套二之 間產生壓力，推動密封套二壓緊第一摩擦錐8和第二摩擦錐9，使關節軸1與液壓缸在周向 鎖緊，這樣便實現了關節的鎖定。 以上各結構特徵可以以任何組合的方式存在於本實用新型中。 當腳對踩板39加力，或者通過手柄38給踩板39加力時，牽引鋼絲繩30向下運動，
而鋼絲繩30與活塞頂杆18固聯，活塞頂杆向下壓緊儲能彈簧26，彈簧26收縮，活塞頂杆跟
隨下移，使液壓系統的活塞垂直向下運動，機械臂內容積增大，內壓下降，從而使機械臂的
各個關節鬆開。當腳離開踏板(或手脫離手柄)，由於儲能彈簧的回彈，使活塞頂杆向上運
動，液壓系統的活塞垂直向上運動，壓縮機械臂內腔容積，液壓系統內壓增大，從而使關節
鎖定。這樣便提供了液壓機械臂關節的鎖緊力矩，從而實現機械臂關節鎖緊和鬆開控制。 本實用新型的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，能使外科手術機械臂內腔
液壓油的壓力達到8-12Mpa ;其二，卸壓後，機械臂內腔液壓油的壓力不超過O. 2Mpa，而機
械臂工作壓力為8Mpa，機械臂在手術過程中比較安全；其三，機械臂動力機構使各個關節
同時鎖定和同時鬆開；第四，該機械臂關節液壓鎖緊動力機構體積小、結構緊湊；第五，使
用踩板和手柄兩種操控方式，操作簡單方便；第六，外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構
與機械臂可隨時分離，便於安裝、維護和攜帶；另外，通過簡單修改外科手術機械臂關節液
壓鎖緊動力機構的某些結構參數，可以提供不同級別的驅動能力。本實用新型可用於設計
外科手術機械臂的各種關節鎖緊機構，也可以應用於其它液壓鎖緊裝置。 以上示意性的對本實用新型實施方式進行了闡述，該闡述沒有局限性。附圖中所
示的也只是本實用新型的基本實施方式，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的技
術人員或研究人員受其啟示，在不脫離本實用新型創造宗旨的情況下，採用其它類似拓撲
結構、其它類似關節鎖緊驅動裝置，或者只是改變杆件尺寸，不經創造性的設計出與該技術
方案相似的結構形式，均應屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求一種外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，包括牽引機構(40)和升降壓機構(41)，其特徵在於還包括鎖緊力發生器(42)，所述牽引機構(40)設置於地面，通過鋼絲(30)與升降壓機構(41)的活塞頂杆(18)固聯，所述牽引機構(40)包括踩板(39)，踩板(39)與鋼絲(30)相聯接；所述升降壓機構包括筒體(10)，所述筒體(10)的支撐板(24)與升降支柱(23)固聯；所述升降壓機構(41)的中心軸和升降支柱(23)的軸線均為垂直方向；所述鎖緊力發生器(42)與升降壓機構(41)均為對稱結構且二者共軸，並通過鎖緊力發生器(42)外圍的活套螺母(14)鎖固。
2. 根據權利要求1所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於所述 牽引機構還包括手柄(38)、支承板組件(34)和底板(35)，所述鋼絲繩(30)穿過設置於踩 板(39)中間底部的開口螺母(31)，一端與扣緊套(32)固聯；所述支撐板組件(34)包括上 側板和兩垂直側板，支撐板組件(34)通過螺釘與底板(35)固聯；踩板(39) —端與固定在 支撐板組件(34)的一垂直側板上的踩板銷(33)相聯；手柄(38) —端與手柄支撐杆(36) 可轉動聯接，手柄支撐杆(36)與底板(35)通過螺釘連接，手柄頂杆(37)與手柄(38)相焊 接，手柄頂杆(37)與踩板(39)自由接觸。
3. 根據權利要求2所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於所述 開口螺母(31)與踩板(39)為螺紋孔配合。
4. 根據權利要求2所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於所述 鋼絲繩(30)外表面套有鋼絲套(29)，在緊靠支撐板組件的上側面板處、鋼絲繩(30)外表面 設置有第一定位套(28a)。
5. 根據權利要求4所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於所述 第一定位套(28a)與支撐板組件(34)的上側板接觸面為一球面。
6. 根據權利要求1或2所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於 所述升降壓機構還包括彈簧(26)和彈簧座(27)，所述筒體(10)底部中間開小孔，彈簧座 (27)緊貼筒體(10)底面，其上安裝有彈簧(26);活塞頂杆(18)位於彈簧(26)上平面，彈 簧(26)、彈簧座(27)和活塞頂杆(18)均與筒體(10)共軸，筒體(10)外側的凸臺與支撐板 (24)連接，支撐板(24)的右側開有與筒體(10)軸心線平行的螺紋孔，升降支柱(23)穿過 該螺紋孔並固定在螺紋孔內；所述升降支柱(23)上設置有轉動銷(22)。
7. 根據權利要求6所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於在鋼 絲繩(30)外表面靠近筒體(10)底部安裝有第二定位套(28b)。
8. 根據權利要求6所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於所述 筒體(10)外側的凸臺與支撐板(24)通過螺釘連接。
9. 根據權利要求6所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其特徵在於所述 升降支柱上端安裝有蓋形螺母(19)和圓螺母一 (20)，其下端靠近支撐板(24)底面安裝圓 螺母二 (21)，升降支柱(23)和支撐板(24)通過圓螺母一 (20)和圓螺母二 (21)固定。
10. 根據權利要求l-5或7-9任一項所述的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，其 特徵在於所述鎖緊力發生器包括關節軸(1)、液壓缸(11)、液壓缸座(17)、液壓活塞(12)、 第一摩擦錐(8)、第二摩擦錐(9)和活套螺母(14)，所述關節軸(1)安裝於液壓缸(11)中 間，在關節軸(1)的中部，通過內卡環(3)、外卡環(4)及卡環座(2)使關節軸(1)與液壓缸 (11)在軸向固聯，支撐螺套(15)與液壓缸(11)下端為螺紋固聯，支撐螺套(15)在下端沿徑向開半圓形槽，該半圓形槽與定位銷(16)配合安裝，所述關節軸(1)為中空結構，在與關 節軸(1)的軸線垂直方向對稱的開有兩個通孔，在關節軸(1)外側、卡環座(2)的下方依次 設置有密封套一 (5)、限位套(6)、密封套二 (7)、第一摩擦錐(8)和第二摩擦錐(9)，在關節 軸(1)下部外側、第二摩擦錐(9)的下方設置有定位環(13)，所述第一摩擦錐(8)和第二摩 擦錐(9)沿其軸線方向均開有窄槽。
專利摘要本實用新型公開了一種外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，包括牽引機構和升降壓機構，還包括鎖緊力發生器，所述牽引機構設置於地面，通過鋼絲與升降壓機構的活塞頂杆固聯，所述牽引機構踩板，踩板與鋼絲相聯接；所述升降壓機構包括筒體，所述筒體的支撐板與升降支柱固聯；所述升降壓機構的中心軸和升降支柱的軸線均為垂直方向；所述鎖緊力發生器與升降壓機構均為對稱結構且二者共軸，並通過鎖緊力發生器外圍的活套螺母鎖固。本實用新型的外科手術機械臂關節液壓鎖緊動力機構，提供了關節鎖緊液壓動力源，保證了機械臂在無電機驅動的情況下，根據運動學解算後的關節角度，各個關節能夠剛性固定，從而使機械臂能夠作為外科手術穿刺定位和支撐裝置。
文檔編號A61B19/00GK201492456SQ200920230600
公開日2010年6月2日 申請日期2009年8月24日 優先權日2009年8月24日
發明者唐粲, 張建偉, 程勝 申請人:崑山市工業技術研究院有限責任公司