[发明专利]球关节锁紧方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及人机交互式（又称被动式）机械臂和机器人的球关节锁紧方法及装置。

背景技术

球关节机构是是医疗器械行业普遍应用的一种机构。它具有三个旋转自由度，因而灵活性非常好，对于要求高灵活性的人机合作机械臂而言是一个非常不错的选择，由于球关节的加工工艺的特殊性以及自身的结构特点使得球关节的锁紧问题显得不是那么简单，一般应用中都是通过手动拧紧螺钉使球头和球瓦间的摩擦力增加从而实现锁紧，不能实现自动控制。

外科手术和微创手术中使用的医疗器械（机械臂）要求不但能够实现对前端关节位置的粗调与微调，还要求能够实现末端关节姿态的调整，这就使得球关节在手术器械中能得以广泛应用。球关节放在前端关节位置可以实现手术器械姿态的调整，这使得医生可以很方便的将手术器械放置在手术安全区或者从安全区手动将手术器械拉到手术区实施手术；球关节放在末端关节配以夹持机构可以实现末端器械的位置的微调以及姿态的调整。医生在实施手术的时候会频繁的改变手术器械的位置和姿态，这就要求医疗器械在其工作空间的任意位置都能够锁紧固定，这当然要求球关节在任意旋转角度位置处能够锁紧，并且能够承受一定的载荷力矩。

专利（CN201939648U）描述的是一种用于手术台的球关节的夹紧装置，该装置包括内设空腔的锁紧座、固定安装于锁紧座一端的固定块、锁紧座空腔内的万向球头和锁紧块、压在锁紧块上的压紧螺栓。操作手术台的人员可以根据需要旋转压紧扳手，控制压紧螺栓内进或外出。压紧螺栓内进时，压紧螺栓通过锁紧块将万向球头紧压在球头座上，手术台部件被固定住；压紧螺栓外出时，压紧螺栓、锁紧块、万向球头、球头座彼此分离，万向球头可以在锁紧座内任意转动，手术台部件可活动。该装置的特征在于，所述压紧螺栓和锁紧块的连接处设有碟形弹簧，压紧螺栓先压缩碟形弹簧再压迫万向球头，万向球头有一预压紧的过程，使得刚性压紧成为一个柔性压紧的过程，使得操作者比较省力，便于操作；万向关节压紧、松脱过程中，不再发生生硬的刚性形变，有效延长了各部件的使用寿命，降低成本。但上述装置只能用于手术台的调整，不适合用于机械臂和机器人产品当中，而且锁紧是通过手动拧进或拧出压紧螺栓的方式实现锁紧或放松，该方法的显著缺点是不能很快的在锁紧和放松状态之间切换，即锁紧的瞬时性很差。

专利（CN101214662A）描述的是一种球铰关节电动锁紧装置，该装置由球头杆、球关节座、推压球瓦、螺纹轴、滚珠支架环、止推端盖、键环、电机座、减速直流电机等构成。其锁紧放松的原理是：减速直流电机通电后带动螺纹轴旋转，螺纹轴通过其螺纹带动推压球瓦旋转，推压球瓦的旋转被滚珠限制，所以只能做直线运动，向下运动压紧球头杆的球头，实现制动锁紧；当改变电机的电流方向后，螺纹轴反向旋转，从而带动推压球瓦反向运动与球头杆分离，即实现放松。该装置的灵活性好、放松锁紧可靠、制动力矩大，在机械臂和机器人产品中具有广泛的应用。上述装置虽然能快速的在锁紧和放松之间切换，但其零件太多，结构复杂，若是实现精确的控制的话，还需要力或者位移传感器等附件；该锁紧装置若是在串联的机械臂或者机器人产品中多个同时使用的话，需要每个关节都要配备锁紧用的电机，这就使得产品的成本很高，同时控制几个电机的开关也不显得那么容易；该装置的另一个明显的不足在于它不能给球关节提供一定的预紧力，球关节在放松的状态下可能存在间隙，这对末端的定位会产生很大的偏差，影响使用性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种球关节锁紧方法及根据该方法所设计的装置，可实现球关节球头与连接套之间快速、多点的锁定，且具有结构简单，锁紧可靠、效果好之特点。

本发明首先一种球关节锁紧方法，其是将球关节上之球头套设于可与其活动锁紧或处于放松状态的连接套中，于所述球头的外周相应的位置，设置一与液压系统相连的抵压组件，通过液压系统提供的压力油的作用，迫使所述抵压组件瞬间紧压于所述球头外表面并同时使所述球头抵顶于与所述连接套的配合处，形成所述抵压组件和所述连接套对所述球头的多点摩擦连接锁紧；压力拆除时所述抵压组件及所述连接套自行回到原始位置，从而快速实现球关节在锁紧和放松状态之间的切换。

本发明上述方法具体的技术方案中，可于所述抵压组件中设置一弹性压套，通过液压系统高压油使该弹性压套产生膨胀变形而挤压所述球头，并使所述球头紧压于与所述连接套配合处位置上。

本发明上述方法进一步的技术方案中，还可设置一弹性构件于所述抵压组件上，以保持所述抵压组件对所述球头在处于与所述连接套放松状态时的转动无空隙。