CN101919738B

CN101919738B - 多自由度柔性操作臂机构

Info

Publication number: CN101919738B
Application number: CN2010102595437A
Authority: CN
Inventors: 付庄; 王思远; 李光春; 赵言正
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-08-21
Filing date: 2010-08-21
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-08-21
Also published as: CN101919738A

Abstract

一种微创手术技术领域的多自由度柔性操作臂机构，包括：三级装配体、机械骨架和两级柔性手指机构，其中：三级装配体固定设置于机械骨架内，两级柔性手指机构设置于机械骨架和三级装配体的中心。本发明具有多自由度、体积足够小巧、且仅有一个柔性多级手指的手术器械，以进一步降低病人痛苦、加快恢复速度。

Description

多自由度柔性操作臂机构

技术领域

本发明涉及的是一种微创手术技术领域的装置，具体是一种多自由度柔性操作臂机构。

背景技术

微操作系统技术在医疗领域的运用很广，一个基于微操作系统技术在医疗方面最有前景的应用就是侵入式微创治疗，在目前的一些技术中，基于导管的诊断和治疗非常流行。虽然有很多商业的导管技术被运用，但是导管技术有弯曲角度受到限制，而且对于病人存在很大的风险。

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备进行的手术。微创手术无须开刀，只需在病人身上开1-3个0.5-1厘米的小孔，病人不留疤痕、无疼痛感、只需3-5天便可完成检查、治疗、康复全过程。然而目前的微创手术很多情况下依然需要开3个孔，来输入各种设备。因此微创手术设备依然有改进的余地，以最大限度的降低病人的痛苦。因此，单孔的多自由度柔性操作臂的研究和应用成为热点之一。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献号CN2586565记载了一种“可伸缩柔性臂装置”，包含有由直流电动机经减速器传动的转轴，一根柔性钢带在一个卷筒内卷绕于转轴上，而外端从卷筒的外圆开口伸出，转轴上还装有码盘、对准码盘装有光电开关。柔性钢带能携带检测装置在狭窄的管束间隙中移动检测，工作位置由光电开关和码盘组成的定位系统进行计数控制，从而实现细小工业管道管束间检测装置的移动及位置控制。

进一步检索发现，中国专利文献号CN2187524记载了一种“仿象鼻柔性机构”结构，是由多节并联机构串联而成。而每节并联机构由三个分支杆、上下两平台连接及铰链组成。由多节这样的并联机构串联起来，就构成了具有超多自由度的柔性臂机构。由于本机构能实现转动与移动的复合运动，因此具有较高的柔性避障钻洞能力。但上述结构由于尺寸与自由度的限制，还不能实现微型的多自由度柔性操作。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多自由度柔性操作臂机构，具有多自由度、体积足够小巧、且仅有一个柔性多级手指的手术器械，以进一步降低病人痛苦、加快恢复速度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：三级装配体、机械骨架和两级柔性手指机构，其中：三级装配体固定设置于机械骨架内，两级柔性手指机构设置于机械骨架和三级装配体的中心。

所述的三级装配体包括：依次位于机械骨架顶部、中部和底部的上层装配体、中层装配体和底层装配体。

所述的两级柔性手指机构包括：柔性手指、硅酮管、若干牵引钢丝、钢丝端盖、硅酮连接端子和底座，其中：硅酮管套接于牵引钢丝外部，牵引钢丝的一端与钢丝端盖固定连接，另一端缠绕设置于牵引钢丝步进电机上，钢丝端盖固定设置于柔性手指的顶端，硅酮连接端子设置于柔性手指的中部，底座安装于底层装配体的正中间。

本发明采用步进电机进行控制，能够精确的控制电机转动的角度，使得手指的弯曲完全能够精确的运动到所需要的位置。本发明不仅可以运用在医疗方面，还可以往其它精确控制方向发展。

附图说明

图1为机械骨架总体示意图；

图2为底层装配体的结构示意图；

图3中层装配体的结构示意图；

图4为两级柔性手指示意图；

图中：1三级装配体、2机械骨架、3两级柔性手指机构、4上层装配体、5中层装配体、6底层装配体、7平板底座、8旋转步进电机、9牵引钢丝步进电机、10旋转步进电机轴、11电机安装底座、12连接骨架、13探头、14光电开关、15光电开关安装底座、16固定底座、17柔性手指安装底座、18第二级柔性手指、19第一级柔性手指、20牵引钢丝、21钢丝端盖、22硅酮连接端子和23底座。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：三级装配体1、机械骨架2和两级柔性手指机构3，其中：三级装配体1固定设置于机械骨架2内，两级柔性手指机构3设置于机械骨架2和三级装配体1的中心。

所述的三级装配体1包括：依次位于机械骨架2顶部、中部和底部的上层装配体4、中层装配体5和底层装配体6。

所述的上层装配体4包括：平板底座7和旋转步进电机8，其中：旋转步进电机8固定设置于平板底座7上，平板底座7与机械骨架2固定连接并与底层装配体6连成整体，旋转电机通过旋转电机轴带动中层装配体5进行旋转。

所述的中层装配体5包括：六个个牵引钢丝步进电机9、旋转步进电机轴10、电机安装底座11、六个个连接骨架12和六个个光电开关14探头13，其中：连接骨架12固定设置于电机安装底座11的四周，旋转步进电机轴10固定设置于电机安装底座11的正中，牵引钢丝步进电机9围绕旋转步进电机轴10设置于电机安装底座11的一侧，光电开关14探头13固定设置于电机安装底座11的另一侧，牵引钢丝步进电机9用于柔性手指的弯曲控制，光电开关14为步进电机的零点位置，当步进电机通过零点位置后就开始作用于柔性手指，带动起弯曲。

所述的底层装配体6包括：六个个光电开关14、六个个光电开关安装底座15、固定底座16、柔性手指安装座17，其中：光电开关14固定设置于光电开关安装底座15的一侧，光电开关安装底座15的另一侧与固定底座16相连，柔性手指安装座17固定设置于固定底座16的正中且与两级柔性手指机构3活动连接，光电开关14的个数与光电开关14探头13以及牵引钢丝步进电机9数量相同，牵引钢丝连接在钢丝牵引钢丝步进电机9上面，钢丝牵引钢丝步进电机9的转动会带动柔性手指的弯曲。

所述的两级柔性手指机构3包括：第二级柔性手指18、第一级柔性手指19、六个牵引钢丝20、钢丝端盖21、硅酮连接端子22和底座23，其中：硅酮管19套接于牵引钢丝20外部，牵引钢丝20的一端与钢丝端盖21固定连接，另一端缠绕设置于牵引钢丝步进电机9上，钢丝端盖21固定设置于柔性手指18的顶端，硅酮连接端子22设置于柔性手指18的中部，底座23安装于底层装配体6的正中间，第一级手指19固定设置于所述两级柔性手指机构3的底座23上且六个所述牵引钢丝20穿过第一级手指19以控制第一级手指19的弯曲方向和角度，第二级手指18的顶端与所述两级柔性手指机构3的钢丝端盖21相连接且六个所述牵引钢丝20穿过第二级手指18以控制第二级手指18的弯曲方向和角度。

本装置具体通过以下方式进行工作：

1、将柔性手指18安装在其固定端9，使柔性手指自然伸直；

2、将固定底座16安装在操作平台上，然后再将光电开关的安装底座7通过轴承安装在固定底座上面，最后安装光电开关；

3、将中层装配体图2通过连接骨架12安装在底层装配体上面，然后调节电机的初始位置，使光电开关探头在0角度的位置；

4、安装上层装配体(1)，通过轴将中层装配体和上层装配体的步进电机进行连接，这样电机就可以带动中层装配体旋转。

5、将所有的机构安装好了后，进行导线的连接，确定导线和控制部分连接好后，通电测试各个电机以及光电开关的状况，确定无误后就可以进行柔性手指的操作。

6、确定手指末端要到达的区域，然后控制6台牵引步进电机控制柔性手指的弯曲方向和大小，以使得末端准确的到达所要求的区域。

7、到手指末端到达所需要的区域后，控制前端的记忆合金手抓，将目标物体抓住，并通过吸附腔将目标物体吸出来。

Claims

1.一种多自由度柔性操作臂机构，其特征在于，包括：三级装配体、机械骨架和两级柔性手指机构，其中：三级装配体固定设置于机械骨架内，两级柔性手指机构设置于机械骨架和三级装配体的中心；

所述的三级装配体包括：依次位于机械骨架顶部、中部和底部的上层装配体、中层装配体和底层装配体；

所述的上层装配体包括：平板底座和旋转步进电机，其中：旋转步进电机固定设置于平板底座上，平板底座与机械骨架固定连接并与底层装配体连成整体，旋转电机通过旋转电机轴带动中层装配体进行旋转；

所述的中层装配体包括：若干个牵引钢丝步进电机、旋转步进电机轴、电机安装底座、若干个连接骨架和若干个光电开关探头，其中：连接骨架固定设置于电机安装底座的四周，旋转步进电机轴固定设置于电机安装底座的正中，牵引钢丝步进电机围绕旋转步进电机轴设置于电机安装底座的一侧，光电开关探头固定设置于电机安装底座的另一侧，牵引钢丝步进电机用于柔性手指的弯曲控制，光电开关为步进电机的零点位置，当步进电机通过零点位置后就开始作用于柔性手指，带动起弯曲；

所述的底层装配体包括：若干个光电开关、若干个光电开关安装底座、固定底座、柔性手指安装座，其中：光电开关固定设置于光电开关安装底座的一侧，光电开关安装底座的另一侧与固定底座相连，柔性手指安装座固定设置于固定底座的正中且与两级柔性手指机构活动连接，光电开关的个数与光电开关探头以及牵引钢丝步进电机数量相同，牵引钢丝连接在钢丝牵引钢丝步进电机上面，钢丝牵引钢丝步进电机的转动会带动柔性手指的弯曲；

所述的两级柔性手指机构包括：第一级柔性手指、第二级柔性手指、若干牵引钢丝、钢丝端盖、柔性手指连接端子和底座，其中：第一级柔性手指套接于牵引钢丝外部，牵引钢丝的一端与钢丝端盖固定连接，另一端缠绕设置于牵引钢丝步进电机上，钢丝端盖固定设置于第二级柔性手指的顶端，柔性手指连接端子设置于第二级柔性手指的中部，底座安装于底层装配体的正中间。

2.根据权利要求1所述的多自由度柔性操作臂机构，其特征是，所述的柔性手指包括：第一级柔性手指和与之相连接的第二级柔性手指，其中：第一级柔性手指固定设置于所述两级柔性手指机构的底座上且若干所述牵引钢丝穿过第一级柔性手指以控制第一级柔性手指的弯曲方向和角度，第二级柔性手指的顶端与所述两级柔性手指机构的钢丝端盖相连接且若干所述牵引钢丝穿过第二级柔性手指以控制第二级柔性手指的弯曲方向和角度。