細(xì)圓柱體的夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肖學(xué)才 楊 琴 賈曉宇 張海軍 吳鋒杰

（1.嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興314001；2.嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江嘉興314001；3.嘉興市第二醫(yī)院呼吸科，浙江嘉興314001）

0 引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，手術(shù)操作中的自動(dòng)化、智能化程度要求越來越高，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一些細(xì)圓柱體件（穿刺針桿等）的抓取顯得非常有必要。細(xì)圓柱體由于本身剛度低，夾持時(shí)如果用力過大，容易出現(xiàn)變形，另外還有可能出現(xiàn)翹曲、鼓形、錐度過大等現(xiàn)象，使器件報(bào)廢[1-2]。為此，設(shè)計(jì)一套細(xì)圓柱體的夾持裝置，輔助醫(yī)療手術(shù)操作，提高手術(shù)操作效率，成為醫(yī)療器械設(shè)計(jì)中一個(gè)迫切需要解決的研究課題。

細(xì)圓柱體件由于直徑尺寸較小，通常小于5 mm，傳統(tǒng)的夾持裝置難以實(shí)現(xiàn)有效夾持，用力過大，則使其變形，用力過小，則讓其滑落。本文首先給出夾持裝置的方案設(shè)計(jì)；其次，利用三維建模軟件，給出夾持裝置的結(jié)構(gòu)模型；最后，對(duì)夾持裝置的執(zhí)行部件自由度進(jìn)行了計(jì)算，以驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)的合理性。

1 方案設(shè)計(jì)

由于夾持物（細(xì)圓柱件）載荷較小，細(xì)圓柱體夾持裝置的驅(qū)動(dòng)利用微型電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)上主要由底板、支撐軸、微型電機(jī)、軸、齒輪減速部件、臂板等零部件組成。

首先，兩塊底板通過支撐軸連接在一起構(gòu)成夾持裝置的底座，其中，支撐軸與底板之間利用螺栓來連接，如圖1所示。

圖1 底座螺栓連接結(jié)構(gòu)

其次，在底座上安裝微型電機(jī)加齒輪減速部件，通過電機(jī)輸出扭矩來帶動(dòng)夾持裝置實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪和夾持裝置通過4個(gè)M8螺釘連接固定，如圖2所示。齒輪減速部件中，小齒輪齒數(shù)取Z1=17，大齒輪齒數(shù)取Z2=3×17=51，傳動(dòng)比為再次，在夾持裝置擺動(dòng)關(guān)節(jié)處也采用電機(jī)與齒輪減速裝置來驅(qū)動(dòng)，使臂板實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)，如圖3所示。

圖2 夾持裝置水平面360°轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖3 夾持裝置擺動(dòng)關(guān)節(jié)處結(jié)構(gòu)

最后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長圓柱體件的有效夾持，通過微型電機(jī)帶動(dòng)大齒輪，然后齒輪通過臂板帶動(dòng)手爪，使兩只爪向中間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作，如圖4所示。

圖4 夾持裝置執(zhí)行部件結(jié)構(gòu)模型

與平面二維圖形相比，夾持裝置的三維結(jié)構(gòu)模型更加直觀。根據(jù)上面的方案設(shè)計(jì)，利用三維建模軟件Solidworks繪制了整個(gè)夾持裝置的結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

圖5 夾持裝置結(jié)構(gòu)模型

2 執(zhí)行部件機(jī)構(gòu)自由度

由機(jī)械原理[3]可知，機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)，必須滿足一定條件，即機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的數(shù)目與機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目相等。在細(xì)圓柱體夾持裝置中，執(zhí)行部件機(jī)構(gòu)最為關(guān)鍵。為此，根據(jù)前面繪制的執(zhí)行部件結(jié)構(gòu)模型，繪制其機(jī)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 夾持裝置執(zhí)行部件結(jié)構(gòu)示意圖

容易看出，機(jī)構(gòu)中具有7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、9個(gè)低副、2個(gè)高副，則根據(jù)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：

機(jī)構(gòu)自由度與原動(dòng)件的數(shù)目相等，表明機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

3 結(jié)語

本文利用Solidworks三維建模軟件，完成了細(xì)圓柱體的夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)圓柱體的空間夾持功能，為細(xì)圓柱體的夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了有益的探索。