CN117999152A - 关节锁定机构 - Google Patents

Abstract

一种关节锁定机构，包括闩锁组件和齿轮，该齿轮能相对于闩锁组件移动并包括齿轮齿。闩锁组件包括：致动器，能在收回位置与展开位置之间移动；第一闩锁和第二闩锁，各自包括适于与齿轮齿互锁的接合元件，各自能在解锁位置与锁定位置之间移动；可枢转联接器，包括联接到第一闩锁的第一端、联接到第二闩锁的第二端以及位于第一端与第二端之间的枢轴，该枢轴能旋转地联接到致动器。当致动器处于收回位置时，第一闩锁和第二闩锁都处于解锁位置。致动器从收回位置到展开位置的移动导致第一闩锁和第二闩锁中的一个而不是两个移动到锁定位置。

Description

关节锁定机构

技术领域

本发明涉及一种用于将可移动关节固定在其运动范围内的关节锁定机构，更具体地，尽管不是唯一地，涉及一种形成主控制器的一部分的关节锁定机构，其中关节锁定机构可以锁定主控制器的可移动关节。

背景技术

已知的远程控制系统包括处于操作员本地的主控制器和处于操作员远程的从设备，其中该系统允许操作员在远处操纵从设备(slavedevice，从动设备)。如果存在直接操纵的障碍，这种系统可能是有用的。例如，从设备可以用于实行微创外科手术，其中由于对患者内部组织和器官的进入(access，接触)受限，外科医生不可能直接操纵外科手术工具。其他示例可以包括军事应用(诸如炸弹处置)、紧急服务应用(诸如搜索和救援)以及科学研究活动(诸如在恶劣的环境(例如真空或高水平的反应(vacuumsorhighlevelsofreactivity)，在恶劣的环境中直接操纵可能是危险的或不可能的)中实行任务。

出于演示的目的，从此开始，远程控制机器人手术系统领域将成为焦点。然而，这并不排除本发明应用于其他领域，例如上面提到的那些领域。

在远程机器人外科手术中，需要主控制器来将外科医生的手的运动转换成远程机器人器械(instrument)的运动。已知的主控制器包括用于双手(两手操作(two-handed))控制的两个操纵臂，这允许用每只手同时控制机器人器械。

外科医生经由手指或整只手保持每个操纵臂的端部处的手柄，并移动手柄以控制机器人器械，同时他或她经由例如内窥镜图像监控机器人器械。操纵臂能够分为两类：主动式和被动式。主动操纵臂具有驱动每个关节的马达，这些马达允许维持整个操纵臂的姿态，而不管外科医生是否继续保持操纵臂的手柄。这意味着外科医生能够放开操纵臂，而不会有操纵臂在重力作用下掉落的风险，也不会有机器人器械复制对应运动而潜在伤害患者的风险。因此，减少了与操纵臂手柄掉落相关联的风险，并且外科医生可以容易地暂停对机器人器械的控制以执行不同的任务。

然而，已知的主动操纵臂是笨重的(bulky)，因为在使用过程中需要复杂的部件来一直驱动每个关节。对马达的驱动还会使外科医生的手的运动偏离预期的运动，这会减少外科医生能达到的准确度和精确度。

另一方面，被动操纵臂测量臂中每个关节的位置，但不主动驱动每个关节。这意味着当外科医生的手释放手柄时操纵臂将返回到“松弛(floppy)”状态，操纵臂将在重力的作用下下落。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种关节锁定机构，该机构包括齿轮和闩锁组件，齿轮能相对于闩锁组件移动并包括多个齿轮齿，闩锁组件包括：

致动器，能在收回位置(withdrawnposition，退出位置)与展开位置(deployedposition，部署位置)之间移动；

第一闩锁和第二闩锁，每个闩锁包括适于与齿轮齿互锁的接合元件，每个闩锁能在解锁位置与锁定位置之间移动，在解锁位置中，相应的闩锁与齿轮间隔开，在锁定位置中，相应的闩锁与齿轮接合，使得接合元件和齿轮齿互锁；

可枢转联接器，包括第一端、第二端和位于第一端与第二端之间的枢轴，使得第一端联接到第一闩锁，第二端联接到第二闩锁，并且枢轴能旋转地联接到致动器，其中：

当致动器处于收回位置时，第一闩锁和第二闩锁都处于解锁位置；以及

致动器从收回位置到展开位置的移动导致第一闩锁和第二闩锁中的一个而不是两个移动到锁定位置。

在被动操纵臂中，形成操纵臂一部分的可移动关节提供了一定的自由度，诸如围绕轴线旋转或沿着轴线平移。例如，操纵臂可以包括经由可移动关节联接到第二分支的第一分支。闩锁组件可以安装到第一分支上，而齿轮可以安装到第二分支上。例如，第二分支可以相对于第一分支旋转，在这种情况下，齿轮将是具有基本圆形横截面的可旋转齿轮。在另一示例中，第二分支可以相对于第一分支可伸缩地平移，在这种情况下，齿轮将是类似于齿轮齿条机构的齿条的线性齿轮。

借助于本发明，当致动器处于收回位置时，可移动关节(无论是可旋转的、可伸缩的还是其它的)可以继续在相应的自由度内自由地移动，使得第一闩锁和第二闩锁都处于解锁位置，从而与齿轮间隔开。

然而，如果有理由锁定可移动关节，则致动器可以移动到展开位置，使得第一闩锁和第二闩锁中的一个移动到锁定位置，并且相应闩锁的接合元件与齿轮齿互锁。因此，可移动关节可以被锁定在多个构造中的任何一个中，其中每个构造由齿轮相对于闩锁组件的位置限定。例如，这可以允许外科医生在致力于单独的任务时暂停对外科手术机器人的控制。

第一闩锁和第二闩锁每个都经由可枢转联接器联接到致动器，该联接器起到类似翘翘板(seesaw)(或跷跷板(teeter-totter))的作用，其中致动器是可枢转联接器围绕其枢转的支点。当致动器处于展开位置时，可枢转联接器可以枢转，使得只有一个闩锁朝向与齿轮接合(的方向)移动。

例如，如果齿轮是具有60个齿的可旋转齿轮(具有基本上圆形的横截面)，则每个闩锁的齿轮的分辨率是6°(360°/60)。这意味着每个闩锁可以在彼此相距6°的定向上锁定齿轮。然而，第一闩锁和第二闩锁可以相对于彼此和齿轮定位，使得当闩锁中的一个的接合元件与齿轮齿互锁时，另一闩锁的接合元件抵靠至少一个齿轮齿的最外边缘。可枢转联接器允许第一闩锁和第二闩锁中的任一个成为与齿轮齿互锁的闩锁，同时另一闩锁抵靠至少一个齿轮齿的最外边缘。

由于第一闩锁和第二闩锁能与处于不同定向上的齿轮接合，关节锁定机构的分辨率是每个闩锁的齿轮的分辨率的两倍。因此，在上面介绍的示例中，关节锁定机构的分辨率将是3°而不是6°。换句话说，每旋转3°，闩锁中的一个就可以与齿轮接合。例如，第一闩锁将在0°、6°、12°等(位置)处与齿轮接合，而第二闩锁将在3°、9°、15°等(位置)处与齿轮接合。

应当理解，相同的原理适用于线性齿轮，不同的是(except，除了)分辨率将被定义为距离而不是角度，该距离取决于线性齿轮的总长度及其包括的齿的数量。

关节锁定机构的分辨率越精细，可移动关节就可以越精确地锁定在它在致动器展开之前最后移动到的位置。然而，通常，更精细的分辨率也意味着齿更小，因此闩锁与齿轮之间可能的接合更弱。

通过设置两个闩锁，关节锁定机构的分辨率可以加倍(也就是说，做得两倍精细)，而不需要降低齿轮齿的尺寸。

尽管由相同的致动器致动，可枢转联接器允许两个闩锁彼此独立地与齿轮接合。因此，能够使用单个马达来致动两个闩锁，这最小化了与关节锁定机构相关联的成本、重量和体积(bulkiness)。

尽管两个闩锁的设置使关节锁定机构的分辨率加倍，但是当齿轮被定位成使得没有一个接合元件处于与齿轮齿互锁的最佳位置时，该致动器仍可能移动到展开位置。对此的一个解决方案是提供尖的齿轮齿和接合元件，使得两个接合元件不可能都抵靠相应齿轮齿的最外边缘。然而，这将需要复杂且昂贵的加工，并且所产生的接合元件和齿轮齿将易于快速磨损(除非它们由硬质材料制成)，这将进一步增加相关联的加工成本。

在本发明的实施例中，可枢转联接器可以是能弹性变形的。

这允许可枢转联接器在致动器处于展开位置但两个接合元件都抵靠相应齿轮齿的最外边缘的情况下弹性弯曲。在这种情况下，两个闩锁都被偏压朝向锁定位置，并且将继续如此，直到齿轮相对于闩锁组件在一个方向或另一个方向上轻微旋转，使得一个闩锁能够与齿轮接合，而另一个闩锁由于可枢转联接器围绕致动器枢转而与齿轮间隔开。

这避免了齿轮齿和接合元件需要足够尖的以避免两个接合元件与相应的齿轮齿抵接，同时还确保了接合元件之一与齿轮齿的正确互锁，并因此确保了可旋转关节的正确锁定。由于齿轮齿和对应的接合元件可能比其他情况下需要的更钝，所以相对于齿轮径向施加的压力减小，并且齿轮齿和接合元件的磨损相应减小。因此，能弹性变形的联接器减少了齿轮齿和接合元件的磨损，而不牺牲闩锁与齿轮之间的接合力。

在本发明的实施例中，接合元件可以包括多个闩锁齿。闩锁齿可以类似于齿轮齿被成形，使得它们紧密适配地互锁，当闩锁齿和齿轮齿互锁时，最大化彼此接触的表面积，从而最大化克服锁定所需的力。

在本发明的实施例中，齿轮具有基本上圆形的横截面，并且能围绕关节轴线旋转。在本发明的这些实施例中，可移动关节是可旋转关节，其允许通过围绕关节轴线旋转而获得旋转自由度。

在其他实施例中，齿轮是能垂直于关节轴线在纵向方向上移动的线性齿轮。因此，可移动关节是伸缩关节，其通过齿条相对于关节轴线的平移，允许平移自由度。

在本发明的实施例中，齿轮以及第一闩锁和第二闩锁各自成形为使得齿轮齿和接合元件相对于关节轴线倾斜，使得每个闩锁的倾斜的接合元件与倾斜的齿轮齿配合。

在本发明的这些实施例中，可旋转齿轮基本上是圆锥形或截头圆锥形，而能平移的线性齿轮可以具有例如形状呈梯形或直角梯形的横向横截面。

彼此互锁的接合元件和齿轮齿的表面相对于关节轴线倾斜。这意味着抵靠闩锁的径向力(即，相对于关节轴线径向地作用的力)被部分偏转并转换成轴向力(即，相对于关节轴线轴向地作用的力)，因此减小了传递到可枢转联接器的力，并减小了可枢转联接器出故障的可能性。

此外，表面倾斜的事实增加了当接合元件和齿轮齿互锁时彼此接触的表面积的尺寸，而不需要增加齿轮和/或闩锁的尺寸。更大的表面积减小了施加在闩锁和齿轮之间的压力，并进而减小了可能导致闩锁和齿轮更弱接合的材料变形。

在本发明的实施例中，闩锁组件还可以包括闩锁导向件，用于支撑每个闩锁，并在每个闩锁朝向和远离齿轮移动时导向每个闩锁。

当其中一个闩锁与齿轮接合时，齿轮齿可以对闩锁的接合元件施加剪切力(shearforce)。闩锁导向件可以被构造成支撑闩锁，以防止例如当剪切力施加在闩锁上时闩锁扭曲脱离位置。

闩锁导向件还可以被构造为导向闩锁，使得它们从解锁位置直接移动到锁定位置，反之亦然。当可枢转联接器能弹性变形并且闩锁被朝向锁定位置偏压时，这可能是特别有益的。如果没有闩锁导向件来导向闩锁，在接合元件之一能够与齿轮齿完全互锁之前，由于偏压，可能导致一个或两个闩锁扭曲。

在本发明的实施例中，如果齿轮是能旋转的(具有基本上圆形的横截面)，每个闩锁可以相对于闩锁导向件基本上径向于齿轮移动，或者如果齿轮是能平移的(线性的)，每个闩锁可以基本上垂直于齿轮移动。

在本发明的这些实施例中，当一个闩锁处于锁定位置时，由齿轮施加在该闩锁上的力主要分别沿切向或纵向方向。因此，在使用中，每个闩锁能基本上垂直于齿轮施加在其上的力移动。这减少了由齿轮施加到其中一个闩锁上的力将导致闩锁从锁定位置移动到解锁位置的可能性。然而，齿轮齿和接合元件可以成形为使得当处于锁定位置时，由齿轮施加在一个闩锁上的一些力分别在径向或横向方向上。提供径向/横向力(即，沿闩锁可移动方向的力)也是理想的，因为其可以防止闩锁由于切向/纵向力产生的摩擦而卡在锁定位置。

在本发明的实施例中，致动器能基本上垂直于关节轴线移动。

在本发明的这种实施例中，致动器可以基本上定位在第一闩锁与第二闩锁之间的中央。因此，致动器的基本垂直于关节轴线的运动使每个闩锁均匀地朝向齿轮移动。

致动器能基本垂直于关节轴线移动的事实也可以使其必须移动以使得闩锁在解锁位置与锁定位置之间移动的距离最小化。

在本发明的实施例中，可枢转联接器可以是第一可枢转联接器；闩锁组件可以包括第三闩锁和第四闩锁，每个闩锁包括适于与齿轮齿互锁的接合元件，每个闩锁能在解锁位置与锁定位置之间移动，在解锁位置，相应的闩锁与齿轮间隔开，在锁定位置，相应的闩锁与齿轮接合，使得接合元件和齿轮齿互锁；闩锁组件还可以包括第二可枢转联接器，该第二可枢转联接器包括第一端、第二端和位于第一端与第二端之间的枢轴，使得第一端联接到第三闩锁，第二端联接到第四闩锁，并且枢轴能旋转地联接到致动器；当致动器处于收回位置时，所有闩锁可以处于解锁位置；并且致动器从收回位置到展开位置的移动使得第一闩锁、第二闩锁、第三闩锁和第四闩锁中的一个而不是其他闩锁移动到锁定位置。

在本发明的这种实施例中，关节锁定机构的分辨率可以通过提供四个闩锁而不是两个闩锁来进一步提高。例如，如果齿轮是能旋转的(横截面基本上为圆形)并且每个闩锁的分辨率为6°，则整个关节锁定机构可以提供仅1.5°的分辨率。换句话说，尽管每个齿轮齿占据齿轮的6°，但是四个闩锁中的一个可以与齿轮接合处的齿轮的每个定向之间的角度将仅为1.5°。

如果齿轮是可平移的(线性的)，同样的原理也适用。例如，线性齿轮可能具有每个闩锁2mm的分辨率。因此，设置四个闩锁将使关节锁定机构的整体分辨率精细四倍，即0.5mm。

在本发明的实施例中，每个可枢转联接器可以经由辅助联接器可旋转地联接到致动器，辅助联接器包括第一端、第二端和定位在第一端与第二端之间的枢轴，第一可枢转联接器能旋转地联接到辅助联接器的第一端，第二可枢转联接器能旋转地联接到辅助联接器的第二端，并且枢轴能旋转地联接到致动器。

因此，所有四个闩锁可以通过单个致动器在解锁位置与锁定位置之间移动。这避免了与需要一个以上的致动器来移动各种闩锁相关联的增加的体积、重量和费用。

在本发明的实施例中，齿轮可以包括第一部分和第二部分，第一闩锁和第二闩锁能与该第一部分接合，第三闩锁和第四闩锁能与该第二部分接合；第一部分可以包括第一多个齿轮齿；以及第二部分可以包括偏离第一多个齿轮齿的第二多个齿轮齿。

在本发明的这种实施例中，第三闩锁和第四闩锁可以与第一闩锁和第二闩锁相同地构造，不同的是第三闩锁和第四闩锁能与齿轮的第二部分而不是第一部分接合。此外，齿轮的第二部分可以偏离第一部分，使得当齿轮定向在第一闩锁和第二闩锁可以分别与齿轮接合的两个位置之间的大约中途时，第三闩锁和第四闩锁中的一个可以替代地与齿轮接合。

这避免了需要将四个闩锁足够精确地间隔开，使得例如当齿轮通过非常精细的旋转间隔(诸如1.5°)旋转时，每个闩锁能与相同的多个齿轮齿接合。

应当理解，如果齿轮是可旋转的齿轮，第二多个齿轮齿相对于第一多个齿轮齿切向偏离。同时，如果齿轮是线性齿轮，第二多个齿轮相对于第一多个齿轮齿齿纵向偏离。

在本发明的实施例中，关节锁定机构可以进一步包括用于驱动致动器在收回位置和展开位置之间移动的驱动模块。驱动模块可以包括马达或任何其他合适的线性驱动部件。

在本发明的实施例中，关节锁定机构还可以包括致动器传感器，该致动器传感器适于在致动器处于收回位置或展开位置时进行感测。

在本发明的这种实施例中，一旦致动器已经到达收回位置或展开位置，由致动器传感器感测的信息可以用于精确地停止驱动致动器的马达。这防止了马达欠驱动或过驱动(underoroverdriving)致动器，这种欠驱动或过驱动会导致关节的锁定失败，或者由于马达用太大的力朝向齿轮驱动致动器而导致太大的力施加到诸如可枢转联接器的部件上。因此，致动器传感器允许精确可靠地控制驱动致动器的马达。

由致动器传感器感测的信息也可以用于向包括可旋转关节的设备的用户指示致动器的位置。用户由此可以接收到他或她对致动器的命令已经被执行以及可旋转关节被锁定或能自由旋转的确认。

在本发明的实施例中，关节锁定机构可以进一步包括关节传感器，该关节传感器适于测量齿轮相对于闩锁组件的位置，并因此测量可移动关节的构造。例如，该信息可用于确定包括可移动关节的操纵臂的姿态。然后，可以根据操纵臂的姿态向从动机器人发送命令，以便从动机器人跟随用户的移动。

如果齿轮是可旋转齿轮，关节传感器可以感测环形齿轮(girculargear)相对于闩锁组件的定向。如果齿轮是线性齿轮，则关节传感器可以感测线性齿轮相对于闩锁组件的平移位置。任何合适类型的传感器都可以用作位置传感器，诸如磁性编码器或光学编码器。

根据本发明的第二方面，提供了一种可锁定关节组件，包括根据本发明第一方面的关节锁定机构、第一分支和可移动地附接到第一分支的第二分支，其中：

闩锁组件被安装到第一分支上；

齿轮被安装到第二分支上；以及

当其中一个闩锁与齿轮接合时，第二分支相对于第一分支被锁定在适当的位置。

如果齿轮是可旋转的齿轮，则第一分支可以包括转子部分和定子部分中的一个，第二分支可以包括转子部分和定子部分中的另一个，其中转子部分能与定子部分接合，并且能在定子部分内围绕关节轴线旋转。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明，其中：

图1、图2和图3示出了根据本发明第二方面的实施例的可锁定关节组件的示意图，其中致动器处于收回位置；

图4示出了图1至图3中所示的可锁定关节组件的示意图，不同的是(except，除了)致动器处于展开位置且第一闩锁和第二闩锁被朝向锁定位置偏压；

图5和图6示出了图1至图3中所示的可锁定关节组件，不同的是致动器处于展开位置且第一闩锁处于锁定位置；

图7和图8示出了图1至图3中所示的可锁定关节组件，不同的是致动器处于展开位置且第二闩锁处于锁定位置；

图9和图10示出了根据本发明第二方面的不同实施例的可锁定关节组件的示意图；

图11、图12和图13示出了根据本发明第二方面的另一实施例的可锁定关节组件的示意图；

图14和图15示出了根据本发明第二方面的另一实施例的可锁定关节组件的示意图；以及

图16示出了根据本发明第二方面的另一实施例的可锁定关节组件的示意图。

具体实施方式

首先参考图1、图2和图3，根据本发明的实施例的关节锁定机构通常由附图标记2表示。关节锁定机构2包括齿轮4(特别是具有基本上圆形横截面的可旋转齿轮4)，该齿轮可围绕关节轴线6旋转，并包括多个齿轮齿8。

关节锁定机构2还包括闩锁组件12，该闩锁组件包括致动器14、第一闩锁16、第二闩锁18、闩锁导向件22和可枢转联接件24。第一闩锁16和第二闩锁18分别包括适于与齿轮齿8互锁的接合元件20。在本发明的该实施例中，每个接合元件20包括三个闩锁齿21，这些闩锁齿被成形为适配在齿轮齿8之间。

闩锁导向件22支撑每个闩锁16、18，并在每个闩锁朝向和远离齿轮4移动时导向每个闩锁16、18。特别地，闩锁导向件22包括用于每个闩锁16、18移动通过的通道23(如图3所示)，该通道从齿轮4基本上径向地延伸，使得每个闩锁16、18能相对于闩锁导向件22基本上垂直于关节轴线6移动。

具体参考图3，可枢转联接器24包括第一端26、第二端28和位于第一端26与第二端28之间的枢轴30。第一端26联接到第一闩锁16，第二端28联接到第二闩锁18，枢轴30可旋转地联接到致动器14。

致动器14能在收回位置和展开位置之间基本上垂直于关节轴线6移动。

在图1至图3中，致动器14处于收回位置，并且由于第一闩锁16和第二闩锁18经由可枢转联接器24联接到致动器14，所以第一闩锁16和第二闩锁18都处于解锁位置，在该解锁位置，相应的闩锁16、18与齿轮4间隔开。

现在参考图4，致动器14现在处于展开位置，已经从图1至图3中所示的收回位置移动。致动器14朝向展开位置的移动使得第一闩锁16和第二闩锁18朝向齿轮4移动。然而，在图4中，齿轮4被定向成使得每个闩锁16、18的接合元件20抵靠相应齿轮齿8的最外边缘。

在本发明的该实施例中，可枢转联接器24是能弹性变形的。这意味着，在致动器14处于展开位置但闩锁16、18都不能与齿轮4完全接合的情况下，可枢转联接器能够弯曲(flex，屈曲)。由于可枢转联接器24弯曲，两个闩锁16、18都被偏压朝向与齿轮4接合。

因此，当关节锁定机构2处于图4中所示的构造时，随着齿轮4的轻微转动，每个闩锁16、18将与齿轮4接合。然而，第一闩锁16和第二闩锁18相对于彼此以及相对于齿轮4定位，使得当闩锁16、18相对于闩锁组件处于特定定向时，最多有一个闩锁能够与齿轮接合。例如，如果齿轮在一个方向上轻微转动，则第一闩锁16能够与齿轮4接合(如图5和图6中所示)，如果齿轮4在另一个方向上轻微转动，则第二闩锁18能够与齿轮4接合(如图7和图8中所示)。

现在参考图5和图6，致动器14处于展开位置，齿轮4相对于闩锁组件定向，使得第一闩锁16处于锁定位置，而第二闩锁18由于可枢转联接器24围绕致动器14枢转而保留(remain，保持)在解锁位置。在锁定位置，第一闩锁16与齿轮4接合，使得接合元件20与齿轮齿8互锁。

类似地，在图7和图8中，致动器14处于展开位置，齿轮4被定向成使得第二闩锁18处于锁定位置，在该锁定位置，第二闩锁与齿轮4接合，使得接合元件20与齿轮齿8互锁。

当致动器14移动到展开位置时，可枢转联接器24允许每个闩锁16、18独立于另一个闩锁16、18移动到锁定位置，因此允许一对闩锁16、18由单个致动器操作。

现在参考图1至图8中的全部，关节锁定机构2形成可锁定关节组件32的一部分，该可锁定关节组件还包括第一分支34和可旋转地附接到第一分支34上的第二分支36。

闩锁组件12安装到第一分支34上，齿轮4安装到第二分支36上，使得第二分支能与齿轮4一起围绕关节轴线6并相对于闩锁组件12和第一分支34旋转。如图5至图8所示，当闩锁16、18中的一个与齿轮4接合时，第二分支36相对于第一分支34锁定在适当的位置。

具体参考图2，第一分支34包括定子部分35，第二分支36包括转子部分37。转子部分37能与定子部分35接合，并且能在定子部分35内围绕关节轴线6旋转。

现在参考图9和图10，可锁定关节组件132类似于图1至图8中所示的可锁定关节组件32(不同的是齿轮104基本上成形为截头圆锥形，以及每个闩锁116、118的接合元件120相对于关节轴线6倾斜，从而与齿轮104的截头圆锥形配合)。

由于齿轮齿108和接合元件120相对于关节轴线倾斜，当接合元件120中的一个与相应的齿轮齿108互锁时，彼此接触的表面积增加，而不需要增加任何部件的尺寸。因此，这增加了克服闩锁116、118之一与齿轮104的接合所需的力。

现在参考图11、图12和图13，可锁定关节组件232类似于图1至图8中所示的可锁定关节组件32。然而，闩锁组件212进一步包括第三闩锁240和第四闩锁242，每个闩锁包括适于与齿轮齿208互锁的接合元件220，类似于第一闩锁216和第二闩锁218。在本发明的该实施例中，第三闩锁240和第四闩锁242堆叠在第一闩锁216和第二闩锁218上方，使得第一闩锁216和第三闩锁240能基本上彼此平行地移动，第二闩锁218和第四闩锁242也能基本上彼此平行地移动。

此外，在本发明的该实施例中，将第一闩锁216和第二闩锁218联接到致动器214的可枢转联接器是第一可枢转联接器224，并且闩锁组件212进一步包括第二可枢转联接器244，除了其将第三闩锁240和第四闩锁242联接到致动器214之外，该第二可枢转联接器等同于第一可枢转联接器224。

闩锁组件212还包括辅助联接器250。辅助联接器包括第一端252、第二端254和位于第一端252与第二端254之间的枢轴256。第一可枢转联接器224能旋转地联接到辅助联接器250的第一端252，而第二可枢转联接器244能旋转地联接到辅助联接器250的第二端254。枢轴256能旋转地联接到致动器214，因此每个可枢转联接224、244经由辅助联接器250能旋转地联接到致动器214。

齿轮204包括第一部分246和第二部分248。第一部分246包括第一多个齿轮齿208，并且第一闩锁216和第二闩锁218能与第一部分246接合，使得相应的接合元件220与第一多个齿轮齿208互锁。第二部分248包括径向偏离(off-set)第一多个齿轮齿208的第二多个齿轮齿249。第三闩锁240和第四闩锁242能与第二部分248接合，使得相应的接合元件220与第二多个齿轮齿249互锁。

第二多个齿轮齿249相对于第一多个齿轮齿208的径向偏离(offsetting)意味着第一闩锁216和第三闩锁240不能彼此同时与齿轮204接合，尽管第一闩锁216和第三闩锁240能相对于齿轮204基本上沿着相同的径向线移动。第二闩锁218和第四闩锁242也是如此。因此，对于齿轮204的给定定向，第一闩锁216、第二闩锁218、第三闩锁240和第四闩锁242中只有一个可以与齿轮204接合。

当致动器214处于收回位置时，所有闩锁216、218、240、242都处于解锁位置。然后，当致动器处于展开位置时，第一可枢转联接器224、第二可枢转联接器244和辅助联接器250的组合允许第一闩锁216、第二闩锁218、第三闩锁240和第四闩锁242中的单个闩锁与齿轮204接合，使得相应的闩锁处于锁定位置。

现在参考图14和图15，可锁定关节组件332包括关节锁定机构402，该机构包括能平移的线性齿轮304，而不是前面附图中示例的那种可旋转齿轮。线性齿轮304在垂直于关节轴线6的纵向方向上平移，并且包括多个齿轮齿308。

关节锁定机构302还包括与图1至图8所示的闩锁组件12相类似的闩锁组件312，不同的是闩锁导向件322a、322b被定位成导向第一闩锁16和第二闩锁18，使得它们能垂直于线性齿轮304的移动而移动。换句话说，第一闩锁16和第二闩锁18能沿着相对于线性齿轮4横向延伸的轴线移动，而线性齿轮304能沿着纵向延伸通过线性齿轮304、闩锁导向件22和可枢转联接件24的轴线移动。第一闩锁16和第二闩锁18每个都包括适于与齿轮齿8互锁的接合元件20。

现在参考图16，可锁定关节组件432类似于图9和图10中所示的可锁定关节组件132，因为齿轮104基本上是截头圆锥形的。

在本发明的该实施例中，关节锁定机构402还包括驱动模块464，用于驱动致动器414在收回位置与展开位置之间运动。驱动模块464包括被配置成驱动致动器414的线性移动的马达466。

可锁定关节组件432(特别是第一分支434和第二分支436)形成操纵臂的一部分，该操纵臂又形成用于控制从动机器人(未示出)的主控制器(未示出)的一部分。

关节锁定机构402还包括与致动器414相关联的位置传感器(未示出)。位置传感器适于在所述致动器处于所述收回位置或所述展开位置时进行感测。

基于由位置传感器感测的信息，可以精确地控制马达466。换句话说，一旦致动器414已经到达收回位置或展开位置，马达466可以可靠地停止。这防止了马达466欠驱动或过驱动致动器414，这可能导致可锁定关节组件432的锁定失败，或者由于马达466朝向齿轮104用太大的力驱动致动器而将太大的力施加到诸如可枢转联接器424的部件上。

由位置传感器感测的信息也可以用于向主控制器的用户提供可旋转关节是被锁定还是可自由旋转的指示。

关节锁定机构402还包括角度传感器(未示出)，该角度传感器适于测量齿轮104相对于闩锁组件412围绕关节轴6旋转的角度。

主控制器可以包括处理器，并且测量的角度可以从角度传感器馈送到处理器。测量的角度可以被处理以确定包括可旋转关节的操纵臂的姿态，然后可以基于操纵臂的姿态将命令发送到从动机器人，使得从动机器人跟随用户的移动。

除非上下文另有说明，否则对于本发明的给定方面、特征或参数的偏好和选项应该被视为已经结合对于本发明的所有其他方面、特征和参数的任何和所有偏好和选项进行了公开。例如，类似于图14和图15中所示的线性齿轮304的线性齿轮应该被认为是已经结合具有第三闩锁和第四闩锁的闩锁组件(诸如图11、图12和图13中所示的闩锁组件212)进行公开。

Claims (16)

1.一种关节锁定机构，包括齿轮和闩锁组件，所述齿轮能相对于所述闩锁组件移动并包括多个齿轮齿，所述闩锁组件包括：

致动器，能在收回位置与展开位置之间移动；

第一闩锁和第二闩锁，各自包括适于与所述齿轮齿互锁的接合元件，各自能在解锁位置与锁定位置之间移动，在所述解锁位置中，相应的闩锁与所述齿轮间隔开，在所述锁定位置中，相应的闩锁与所述齿轮接合，使得所述接合元件和所述齿轮齿互锁；

可枢转联接器，包括第一端、第二端和位于所述第一端与所述第二端之间的枢轴，使得所述第一端联接到所述第一闩锁，所述第二端联接到所述第二闩锁，并且所述枢轴能旋转地联接到所述致动器，其中：

当所述致动器处于所述收回位置时，所述第一闩锁和所述第二闩锁都处于所述解锁位置；以及

所述致动器从所述收回位置到所述展开位置的移动导致所述第一闩锁和所述第二闩锁中的一个而不是两个移动到所述锁定位置。

2.根据权利要求1所述的关节锁定机构，其中，所述可枢转联接器是能弹性变形的。

3.根据权利要求1或2所述的关节锁定机构，其中，所述接合元件包括多个闩锁齿。

4.根据任一前述权利要求所述的关节锁定机构，其中，所述齿轮具有基本上圆形的横截面，并且能围绕关节轴线旋转，或者所述齿轮是能垂直于所述关节轴线在纵向方向上移动的线性齿轮。

5.根据权利要求4所述的关节锁定机构，其中，所述齿轮、所述第一闩锁和所述第二闩锁分别被成形为，使得所述齿轮齿和所述接合元件相对于所述关节轴线倾斜，并使得每个闩锁的所述倾斜的接合元件与所述倾斜的齿轮齿配合。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的关节锁定机构，其中，所述闩锁组件还包括闩锁导向件，用于支撑每个闩锁，并在每个闩锁朝向和远离所述齿轮移动时导向每个闩锁。

7.根据权利要求6所述的关节锁定机构，其中，如果所述齿轮是能旋转的，则每个闩锁相对于所述闩锁导向件能基本上径向地移动，或者如果所述齿轮是能平移的，则每个闩锁能基本上垂直于所述齿轮移动。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的关节锁定机构，其中，所述致动器能基本上垂直于所述关节轴线移动。

9.根据任一前述权利要求所述的关节锁定机构，其中：

所述可枢转联接器是第一可枢转联接器；

所述闩锁组件还包括第三闩锁和第四闩锁，所述第三闩锁和所述第四闩锁各自包括适于与所述齿轮齿互锁的接合元件，各自能在解锁位置与锁定位置之间移动，在所述解锁位置中，相应的闩锁与所述齿轮间隔开，在所述锁定位置中，相应的闩锁与所述齿轮接合，使得所述接合元件和所述齿轮齿互锁；

所述闩锁组件还包括第二可枢转联接器，所述第二可枢转联接器包括第一端、第二端和位于所述第一端与所述第二端之间的枢轴，使得所述第一端联接到所述第三闩锁，所述第二端联接到所述第四闩锁，并且所述枢轴能旋转地联接到所述致动器；

当所述致动器处于所述收回位置时，所有闩锁都处于所述解锁位置；以及

所述致动器从所述收回位置到所述展开位置的移动导致所述第一闩锁、所述第二闩锁、所述第三闩锁和所述第四闩锁中的一个而没有其他闩锁移动到所述锁定位置。

10.根据权利要求9所述的关节锁定机构，其中，每个可枢转联接器经由辅助联接器能旋转地联接到所述致动器，所述辅助联接器包括第一端、第二端和位于所述第一端与所述第二端之间的枢轴，所述第一可枢转联接器能旋转地联接到所述辅助联接器的第一端，所述第二可枢转联接器能旋转地联接到所述辅助联接器的第二端，并且所述枢轴能旋转地联接到所述致动器。

11.根据权利要求9或10所述的关节锁定机构，其中：

所述齿轮包括第一部分和第二部分，所述第一闩锁和所述第二闩锁能与所述第一部分接合，所述第三闩锁和所述第四闩锁能与所述第二部分接合；

所述第一部分包括第一多个齿轮齿；以及

所述第二部分包括偏离所述第一多个齿轮齿的第二多个齿轮齿。

12.根据任一前述权利要求所述的关节锁定机构，还包括用于驱动所述致动器在所述收回位置与所述展开位置之间移动的驱动模块。

13.根据权利要求12所述的关节锁定机构，其中，所述驱动模块包括马达。

14.根据任一前述权利要求所述的关节锁定机构，还包括致动器传感器，其适于在所述致动器处于所述收回位置或所述展开位置时进行感测。

15.根据任一前述权利要求所述的关节锁定机构，还包括关节传感器，其适于测量所述齿轮相对于所述闩锁组件的位置。

16.一种可锁定关节组件，包括根据任一前述权利要求所述的关节锁定机构、第一分支和能移动地附接到所述第一分支的第二分支，其中：

所述闩锁组件被安装到所述第一分支上；

所述齿轮被安装到所述第二分支上；以及

当所述闩锁中的一个与所述齿轮接合时，所述第二分支相对于所述第一分支被锁定在适当的位置。