具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图10描述本发明的双自由度旋转机构。

本发明提供的一种双自由度旋转机构，包括支撑体1、第一旋转体2、第二旋转体3、第一线驱动装置和第二线驱动装置。其中，第一旋转体2可旋转的连接在支撑体1的第一端，第二旋转体3可旋转的连接在第一旋转体2上，且第一旋转体2和第二旋转体3的旋转轴线垂直。第一线驱动装置用于驱动第一旋转体2旋转，第二线驱动装置用于驱动第二旋转体3旋转。

支撑体1可以为圆柱体结构，两端面分别为第一端和第二端。

第一旋转体2可以为圆盘形结构，第一旋转体2的尾端端面可以与支撑体1的第一端平行设置，在第一旋转体2的尾端端面与支撑体1的第一端端面之间通过旋转轴进行旋转连接。其中，支撑体1、旋转轴以及第一旋转体2的中心线位于同一直线上，且第一旋转体2的旋转轴线与上述中心线共线。

第二旋转体3的尾端端面可以为圆形。在初始位置时，第二旋转体3的尾端端面与第一旋转体2的头端端面平行设置。第二旋转体3与第一旋转体2旋转连接，其旋转轴线与第一旋转体2的旋转轴线垂直。

第一线驱动装置，包括第一卷线组件和第一驱动线4。第一驱动线4折返设置，第一驱动线4的两端与第一卷线组件固定连接。第一卷线组件用于同时带动第一驱动线4的一端收回，另一端伸出，此时，第一驱动线4的中部为单向运动。第一驱动线4的中部与第一旋转体2的动力输入端环绕连接，当第一驱动线4的中部单向移动时，带动第一旋转体2进行旋转。

第二线驱动装置，包括第二卷线组件和第二驱动线5。第二驱动线5折返设置，第二驱动线5的两端与第二卷线组件固定连接。第二卷线组件用于同时带动第二驱动线5的一端收回，另一端伸出，此时，第二驱动线5的中部为单向运动。第二驱动线5的中部与第二旋转体3的动力输入端环绕连接，当第二驱动线5的中部单向移动时，带动第二旋转体3进行旋转。

如此，第一旋转体2和第二旋转体3的组合实现双自由度的旋转。第一线驱动装置和第二线驱动装置由于均为线驱动，传动件为驱动线，体积较小，相较于齿轮、传动轴、传动带等传动件，驱动线作为传动件可以减小双自由度旋转机构的体积。

在本发明的一个实施例中，在第一旋转体2的动力输入端设置有第一线槽6，第一驱动线4的中部环绕在第一线槽6的外侧。

在上述的第一旋转体2的尾端端面的中心设置第一圆盘，第一圆盘的轴线与第一旋转体2的旋转轴线重合，第一圆盘的中心设置有通孔，旋转轴穿过通孔与第一旋转体2传动连接。上述的第一线槽6沿第一圆盘的周面设置。第一驱动线4的中部环绕在第一线槽6的外侧，且两者接触时不发生相对滑动。

在本发明的一个实施例中，第二旋转体3靠近第一旋转体2的一端设置有第一连接臂7，第一连接臂7远离第二旋转体3的一端与第一旋转体2旋转连接，旋转轴线与第一旋转体2的旋转轴线垂直，且第一连接臂7上设置有第二线槽8，第二线槽8的轴线与第一线槽6的轴线垂直，第二驱动线5环绕在第二线槽8的外侧。

第二旋转体3的尾端端面设置有第一连接臂7，第一连接臂7可以设置在靠近第二旋转体3的尾端端面中心的位置。在第一旋转体2的头端端面与第一连接臂7相对应的位置设置有第二连接臂9，第二连接臂9靠近第一旋转体2中心的一侧与第一连接臂7远离第二旋转体3中心的一侧接触，两者通过转轴旋转连接。在第一连接臂7靠近第二旋转体3中心的一侧设置有第二圆盘，第二圆盘的轴线与转轴的轴线共线，且第一旋转体2的中轴线的延长线穿过第二圆盘的中心。第二线槽8设置在第二圆盘的外周面上。第二驱动线5可以由第一旋转体2的中心穿过，穿过后可直接套设在第二线槽8的外侧。

或者，第一连接臂7可以设置在第二旋转体3的尾端端面的边缘位置，可以沿第二旋转体3的尾端端面的某一直径线对称的设置两个第一连接臂7。同理，第二连接臂9设置在第一旋转体2的头端端面与第一连接臂7对应的位置，第一连接臂7位于靠近第二旋转体3中心的一侧，第二连接臂9位于远离第二旋转体3中心的一侧，两者通过转轴旋转连接。第二圆盘设置在第一连接臂7靠近第二旋转体3中心的一侧，第二圆盘的轴线与转轴的轴线共线。第二线槽8设置在第二圆盘的外周面上。第二驱动线5可以由第一旋转体2的边缘穿过，穿过后可直接套设在第二线槽8的外侧。

在本发明的一个实施例中，还包括外壳10，第一线驱动装置和第二线驱动装置均位于外壳10内，外壳10固定连接在支撑体1与第一端相对的第二端。

外壳10用于封装第一线驱动装置和第二线驱动装置，与第一线驱动装置和第二线驱动装置连接的第一驱动线4和第二驱动线5均可以由外壳10的一端穿出。因此，外壳10可以设置在支撑体1上，且位于与第一端相对的第二端。

当第一驱动线4和第二驱动线5穿出外壳10后，可直接穿入支撑体1，由支撑体1的第二端穿入，经过支撑体1后由支撑体1的第一端穿出。因此，在本发明的一个实施例中，在支撑体1内设置有贯穿支撑体1的第一端和第二端的第一线孔11和第二线孔12，为了防止第一驱动线4和第二驱动线5在运动过程中发生干涉，因此，将第一线孔11和第二线孔12错开设置。第一驱动线4通过第一线孔11由支撑体1的第二端延伸到支撑体1的第一端。第二驱动线5通过第二线孔12由支撑体1的第二端延伸到支撑体1的第一端。在第一旋转体2上设置有贯穿第一旋转体2两端面的第三线孔13，第二驱动线5穿过第二线孔12后，经第三线孔13穿过第一旋转体2，与第二旋转体3上的第二线槽8连接。

在本发明的一个实施例中，第一卷线组件包括第一电机14、第一齿轮组和第一卷轴15，第一卷轴15通过第一齿轮组与第一电机14传动连接，第一卷轴15用于与第一驱动线4的两端卷绕连接，第一卷轴15用于同时带动第一驱动线4的一端收回，另一端伸出。

其中，第一电机14位于外壳10的尾端，且第一电机14的驱动轴朝向外壳10靠近支撑体1的一端。第一齿轮组包括一个第一锥齿轮16和两个第二锥齿轮17。第一卷轴15设置两个，两个第一卷轴15同轴连接，且两者可相对旋转。

安装时，第一锥齿轮16与第一电机14的驱动轴传动连接，两个第二锥齿轮17上下相对同轴设置，且一个与外壳10的顶部旋转连接，一个与外壳10的底部旋转连接。两个第二锥齿轮17分别在第一锥齿轮16的上方和下方与第一锥齿轮16啮合传动，从而两个第二锥齿轮17反向旋转。位于上方的第一卷轴15与位于上方的第二锥齿轮17同步转动，位于下方的第一卷轴15与下方的第二锥齿轮17同步转动。第一驱动线4的两端分别与两个第一卷轴15固定连接。

使用时，第一电机14正向旋转，带动第一锥齿轮16旋转，与第一锥齿轮16啮合的两个第二锥齿轮17旋转且旋向相反，带动两个第一卷轴15旋转且旋向相反，使与第一卷轴15连接的第一驱动线4的两端实现一端向所在第一卷轴15上缠绕收回，一端脱离所在第一卷轴15伸出的效果。进而与第一线槽6连接的部分实现一侧向下运动，一侧向上运动的效果。在力偶的作用下，第一驱动线4带动第一旋转体2旋转，进而带动第二旋转体3绕轴旋转。当第一电机14反向旋转时，第一旋转体2反向旋转。

在本发明的一个实施例中，第二卷线组件包括第二电机18、第二齿轮组和第二卷轴19，第二卷轴19通过第二齿轮组与第二电机18传动连接，第二卷轴19用于与第二驱动线5的两端卷绕连接，第二卷轴19用于同时带动第二驱动线5的一端收回，另一端伸出。

第二电机18可以位于外壳10的尾端，且第二电机18的驱动轴朝向外壳10靠近支撑体1的一端。第二齿轮组包括两个组合齿轮和两个第三锥齿轮20，组合齿轮包括直齿轮21和设置在直齿轮21前侧的第四锥齿轮22。

安装时，其中一个直齿轮21为主动齿轮，另一个直齿轮21为从动齿轮，主动齿轮与第二电机18的驱动轴传动连接，从动齿轮位于主动齿轮沿径向的一侧且与主动齿轮啮合传动，两个直齿轮21上的第四锥齿轮22均位于直齿轮21远离第二电机18的一侧。两个第三锥齿轮20分别与外壳10底部旋转连接，且分别与两个第四锥齿轮22啮合传动，两个第三锥齿轮20均位于第四锥齿轮22的下方。两个第二卷轴19分别与两个第三锥齿轮20对应连接，第二卷轴19的底端与第三锥齿轮20的中心止转连接，第二卷轴19的顶端与外壳10的顶端旋转连接，两个第二卷轴19随第三锥齿轮20一同旋转。第二驱动线5的两端分别与两个第二卷轴19固定连接，第二驱动线5的中部与第二线槽8绕接。

在使用时，第二电机18正向旋转，带动主动齿轮旋转，主动齿轮带动从动齿轮旋转，主动齿轮和从动齿轮的旋转方向相反。设置在主动齿轮和从动齿轮上的第四锥齿轮22一同旋转，两个第四锥齿轮22的旋转方向相反。进一步的，第四锥齿轮22带动与之啮合的第三锥齿轮20旋转，两个第三锥齿轮20带动两个第二卷轴19旋转，两个第二卷轴19的旋转方向相反。与两个第二卷轴19连接的第二驱动线5实现一端向第二卷轴19的表面缠绕收回、一端脱离第二卷轴19的表面伸出的效果，进而在第二驱动线5的中部与第二线槽8绕接的位置，第二线槽8的顶端和底端其中一端受到向前的力，另一端受到向后的力，在力偶的作用下，第二线槽8发生旋转，从而带动第二旋转体3发生旋转。同理，当第二电机18反向旋转时，第二旋转体3进行反向旋转。

在本发明的一个实施例中，第一驱动线4沿支撑体1的长度方向延伸，穿出第一线孔11，为使第一驱动线4可以缠绕到轴线与支撑体1的长度方向平行的第一线槽6上，在第一旋转体2的尾端或者支撑体1的头端可以设置第一导向轮组件。

以第一导向轮组件设置在支撑体1的头端为例进行说明。第一导向轮组件包括两个第一导向轮23，两个第一导向轮23分别设置在第一线孔11的上方，其旋转轴线与第一线槽6的轴线垂直。当第一驱动线穿过第一线孔11后，由第一导向轮23的底部向前向上绕设，最后缠绕第一线槽6上。

第一连接臂7位于第二旋转体3的边缘位置时，需要使第二驱动线5延伸到第二旋转体3的边缘位置与第二线槽8连接。因此，可以使第三线孔13设置在第一旋转体2的边缘，第二驱动线5穿过后可直接与第二线槽8连接。但是第二旋转体3在自身旋转的过程中还需要跟随第一旋转体2进行旋转，若第二驱动线5由第一旋转体2的边缘穿过，在旋转过程中，第二驱动线5会发生缠绕，影响第二驱动线5的运动。

因此，在本发明的一个实施例中，针对上述情况，可将第三线孔13设置在第一旋转体2的中心，在第一旋转体2的头端端面上设置第二导向轮机构，第二导向轮机构用于将穿过第一旋转体2的第二驱动线5由第一旋转体2的中心导到第一旋转体2的边缘，使第二驱动线5与第二线槽8连接。

在该实施例中，上述的第二导向轮机构可以包括四个第二导向轮组件。每个第二导向轮组件包括第二导向轮24、第三导向轮25、第四导向轮26和第五导向轮27，一共四个导向轮，每个导向轮上均设置有用于容纳第二驱动线5的第三线槽。第二驱动线5穿过第二线孔12和第三线孔13来到第一旋转体2的前侧，通过第二导向轮机构绕制到第二线槽8上。

以位于第一旋转体2的右上方的一组第二导向轮组件为例对第二导向轮组件的具体结构进行说明。第二导向轮24可以位于第三线孔13的上方且偏右的位置，第二导向轮23的轴线与第一旋转体2的前端面平行。第三导向轮25位于第二导向轮24的上方且偏右的位置，第三导向轮25的转动轴线与第一旋转体2的前端面垂直。第四导向轮26位于第三导向轮25的上方且偏右的位置，第四导向轮26的转动轴线与第三导向轮25的轴线平行。第五导向轮27位于第四导向轮26的上方且偏右的位置，第五导向轮27的转动轴线与第二导向轮24的转动轴线平行。

当第二驱动线5的中部穿过第三线孔13后，第二驱动线5位于右侧的一段首先从第二导向轮24的底部向前向上绕过，然后从第三导向轮25的左侧向上，然后向右绕过，然后从第四导向轮26的底部向右向上绕过，然后从第五导向轮27的后侧向上向前绕过，最后缠绕到第二线槽8上。如此，通过第二导向轮组件可将第二驱动线5由第一旋转体2的中心导到第一旋转体2的边缘，可防止在旋转过程中打结。

其余三个第二导向轮组件分别设置在第一旋转体2的左上方、右下方和左下方，经上述的右上方的第二导向轮组件向左对称即得到位于左上方的第二导向轮组件，经左上方和右下方的第二导向轮组件向下对称即得到位于右下方和左下方的两个第二导向轮组件，四个第二导向轮组件结构相同，仅仅位置不同，此处不再对具体结构进行赘述。

在本发明的一个实施例中，为了保证第一驱动线4始终处于张紧状态，可以在外壳10内部设置一个第一张紧轮28，第一张紧轮28位于第一卷轴15与外壳10的前端之间，位于第一卷轴15与第一线槽6之间的第一驱动线4绕过第一张紧轮28，第一张紧轮28的顶部和底部均与外壳10滑动连接，在外壳10与第一张紧轮28之间还设置有第一紧固件。

在外壳10的顶部和底部与第一张紧轮28连接的位置设置有沿左右方向延伸的第一条形孔29，第一张紧轮28的上下两端均设置有外螺纹，第一张紧轮28的两端穿过第一条形孔29后，通过第一螺母30进行紧固，上述的第一螺母30即为第一紧固件。

在本发明的一个实施例中，为了保证第二驱动线5始终处于张紧状态，可以在外壳10内部设置两个第二张紧轮31，两个第二张紧轮31分别位于两个第二卷轴19与外壳10的前端之间，位于第二卷轴19与第二线槽8之间的第二驱动线5绕过第二张紧轮31，第二张紧轮31的顶部和底部均与外壳10滑动连接，在外壳10与第二张紧轮31之间还设置有第二紧固件。

在外壳10的顶部和底部与第二张紧轮31连接的位置设置有沿左右方向延伸的第二条形孔32，第二张紧轮31的上下两端均设置有外螺纹，第二张紧轮31的两端穿过第二条形孔32后，通过第二螺母33进行紧固，上述的第二螺母33即为第二紧固件。

本发明还提供一种体内原位生物打印装置，包括上述的双自由度旋转机构、直线驱动机构和打印溶液输送装置。

直线驱动机构用于驱动双自由度旋转机构沿与所述第一旋转体2的旋转轴线平行的方向移动，可以包括直线轨道34、滑板35、步进电机36和丝杠螺母机构37，滑板35的底部和直线轨道34滑动连接，丝杠螺母机构37包括与直线轨道34平行延伸的丝杠，丝杠一端与步进电机36传动连接，另一端与直线轨道34的端部旋转连接，丝杠的中部穿过滑板35，且与滑板35螺纹连接。步进电机36旋转，可通过丝杠带动滑板35沿直线轨道34直线移动。

打印溶液输送装置包括输送泵38、输送管39和打印针头40。第二旋转体3的内部中空且头端敞开，打印针头40位于第二旋转体3内且打印针头40的头端经第二旋转体3的头端穿出。支撑体1内设置有贯穿支撑体1的第一通道41，第一旋转体2设置有贯穿第一旋转体2的第二通道42，第二旋转体3设置有连通第二旋转体3内部的第三通道43，输送管39一端与输送泵38连接，另一端穿过第一通道41、第二通道42和第三通道43后，在第二旋转体3的内部与打印针头40的尾端连通。

本发明提供的体内原位生物打印装置，由于具有如上所述的双自由度旋转机构，使自身体积缩小，可伸入体内，可实现在小空间内进行打印工作的效果。

需要说明的是，当该双自由度旋转机构应用于体内原位生物打印装置时，由于支撑体1需要带动第一旋转体2和第二旋转体3伸入体内，长度较长，长度可以为300mm左右，外径为8mm～12mm。在图1中，为了表示方便，节省空间，将支撑体1分为两段表示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。