肖学才 杨 琴 贾晓宇 张海军 吴锋杰

（1.嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴314001；2.嘉兴学院数理与信息工程学院，浙江嘉兴314001；3.嘉兴市第二医院呼吸科，浙江嘉兴314001）

0 引言

随着医疗技术的进步，手术操作中的自动化、智能化程度要求越来越高，自动实现一些细圆柱体件（穿刺针杆等）的抓取显得非常有必要。细圆柱体由于本身刚度低，夹持时如果用力过大，容易出现变形，另外还有可能出现翘曲、鼓形、锥度过大等现象，使器件报废[1-2]。为此，设计一套细圆柱体的夹持装置，辅助医疗手术操作，提高手术操作效率，成为医疗器械设计中一个迫切需要解决的研究课题。

细圆柱体件由于直径尺寸较小，通常小于5 mm，传统的夹持装置难以实现有效夹持，用力过大，则使其变形，用力过小，则让其滑落。本文首先给出夹持装置的方案设计；其次，利用三维建模软件，给出夹持装置的结构模型；最后，对夹持装置的执行部件自由度进行了计算，以验证其运动的合理性。

1 方案设计

由于夹持物（细圆柱件）载荷较小，细圆柱体夹持装置的驱动利用微型电机来实现，结构上主要由底板、支撑轴、微型电机、轴、齿轮减速部件、臂板等零部件组成。

首先，两块底板通过支撑轴连接在一起构成夹持装置的底座，其中，支撑轴与底板之间利用螺栓来连接，如图1所示。

图1 底座螺栓连接结构

其次，在底座上安装微型电机加齿轮减速部件，通过电机输出扭矩来带动夹持装置实现水平面内360°转动，齿轮和夹持装置通过4个M8螺钉连接固定，如图2所示。齿轮减速部件中，小齿轮齿数取Z1=17，大齿轮齿数取Z2=3×17=51，传动比为再次，在夹持装置摆动关节处也采用电机与齿轮减速装置来驱动，使臂板实现上下摆动，如图3所示。

图2 夹持装置水平面360°转动结构

图3 夹持装置摆动关节处结构

最后，为实现对细长圆柱体件的有效夹持，通过微型电机带动大齿轮，然后齿轮通过臂板带动手爪，使两只爪向中间运动，实现夹紧动作，如图4所示。

图4 夹持装置执行部件结构模型

与平面二维图形相比，夹持装置的三维结构模型更加直观。根据上面的方案设计，利用三维建模软件Solidworks绘制了整个夹持装置的结构模型，如图5所示。

图5 夹持装置结构模型

2 执行部件机构自由度

由机械原理[3]可知，机构要实现确定的运动，必须满足一定条件，即机构原动件的数目与机构自由度数目相等。在细圆柱体夹持装置中，执行部件机构最为关键。为此，根据前面绘制的执行部件结构模型，绘制其机构简图如图6所示。

图6 夹持装置执行部件结构示意图

容易看出，机构中具有7个活动构件、9个低副、2个高副，则根据机构自由度计算公式：

机构自由度与原动件的数目相等，表明机构具有确定的运动轨迹，验证了机构设计的有效性。

3 结语

本文利用Solidworks三维建模软件，完成了细圆柱体的夹持装置结构设计，能够实现细圆柱体的空间夹持功能，为细圆柱体的夹持装置结构设计做了有益的探索。