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        細(xì)圓柱體的夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2020-11-29 14:06:08肖學(xué)才賈曉宇張海軍吳鋒杰
        機(jī)電信息 2020年33期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)模型

        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(lái)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(guò)大,容易出現(xiàn)變形,另外還有可能出現(xiàn)翹曲、鼓形、錐度過(guò)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(guò)大,則使其變形,用力過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)電機(jī)輸出扭矩來(lái)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(guò)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(lái)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(zhǎng)圓柱體件的有效夾持,通過(guò)微型電機(jī)帶動(dòng)大齒輪,然后齒輪通過(guò)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(jiǎn)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(yǔ)

        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。

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