細圓柱體的夾持裝置結構設計

肖學才 楊 琴 賈曉宇 張海軍 吳鋒杰

（1.嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興314001；2.嘉興學院數理與信息工程學院，浙江嘉興314001；3.嘉興市第二醫院呼吸科，浙江嘉興314001）

0 引言

隨著醫療技術的進步，手術操作中的自動化、智能化程度要求越來越高，自動實現一些細圓柱體件（穿刺針桿等）的抓取顯得非常有必要。細圓柱體由于本身剛度低，夾持時如果用力過大，容易出現變形，另外還有可能出現翹曲、鼓形、錐度過大等現象，使器件報廢[1-2]。為此，設計一套細圓柱體的夾持裝置，輔助醫療手術操作，提高手術操作效率，成為醫療器械設計中一個迫切需要解決的研究課題。

細圓柱體件由于直徑尺寸較小，通常小于5 mm，傳統的夾持裝置難以實現有效夾持，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計；其次，利用三維建模軟件，給出夾持裝置的結構模型；最后，對夾持裝置的執行部件自由度進行了計算，以驗證其運動的合理性。

1 方案設計

由于夾持物（細圓柱件）載荷較小，細圓柱體夾持裝置的驅動利用微型電機來實現，結構上主要由底板、支撐軸、微型電機、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 底座螺栓連接結構

其次，在底座上安裝微型電機加齒輪減速部件，通過電機輸出扭矩來帶動夾持裝置實現水平面內360°轉動，齒輪和夾持裝置通過4個M8螺釘連接固定，如圖2所示。齒輪減速部件中，小齒輪齒數取Z1=17，大齒輪齒數取Z2=3×17=51，傳動比為再次，在夾持裝置擺動關節處也采用電機與齒輪減速裝置來驅動，使臂板實現上下擺動，如圖3所示。

圖2 夾持裝置水平面360°轉動結構

圖3 夾持裝置擺動關節處結構

最后，為實現對細長圓柱體件的有效夾持，通過微型電機帶動大齒輪，然后齒輪通過臂板帶動手爪，使兩只爪向中間運動，實現夾緊動作，如圖4所示。

圖4 夾持裝置執行部件結構模型

與平面二維圖形相比，夾持裝置的三維結構模型更加直觀。根據上面的方案設計，利用三維建模軟件Solidworks繪制了整個夾持裝置的結構模型，如圖5所示。

圖5 夾持裝置結構模型

2 執行部件機構自由度

由機械原理[3]可知，機構要實現確定的運動，必須滿足一定條件，即機構原動件的數目與機構自由度數目相等。在細圓柱體夾持裝置中，執行部件機構最為關鍵。為此，根據前面繪制的執行部件結構模型，繪制其機構簡圖如圖6所示。

圖6 夾持裝置執行部件結構示意圖

容易看出，機構中具有7個活動構件、9個低副、2個高副，則根據機構自由度計算公式：

機構自由度與原動件的數目相等，表明機構具有確定的運動軌跡，驗證了機構設計的有效性。

3 結語

本文利用Solidworks三維建模軟件，完成了細圓柱體的夾持裝置結構設計，能夠實現細圓柱體的空間夾持功能，為細圓柱體的夾持裝置結構設計做了有益的探索。