CN102895025A

CN102895025A - 三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构

Info

Publication number: CN102895025A
Application number: CN2012103299482A
Authority: CN
Inventors: 刘达; 史震云; 马晨
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了一种三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，包括分离钳、连接套、腕式机构、操作杆，腕式机构包括末端垫片、第一关节球、中间垫片、第二关节球、固定垫片，末端垫片通过连接套与分离钳连接，底部垫片与操作杆连接；末端垫片与固定垫片之间连接有多对预紧丝和至少两对驱动丝，分离钳连接有至少一对驱动丝。驱动丝和预紧丝均为TiNi形状记忆合金丝，通过电流加热形状记忆合金(SMA)丝驱动，解决了现有手术器械的末端执行机构尺寸和重量大、结构复杂、工作空间和灵活性不够等问题。

Description

三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构

技术领域

本发明涉及一种应用于单孔腹腔微创手术的腕式末端执行器，尤其涉及一种三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构。

背景技术

单孔腹腔微创手术因其微创损伤小，出血少，术后恢复快而得到临床医师和患者的共同重视，成为目前世界上开展并增长最快的微创术式。在单孔腹腔微创手术过程中，往往需要对体内进行组织分离，会导致出现人体腹腔内出血。现有技术中，是先用剪刀对组织进行分离，然后用电凝钳进行止血，手术麻烦且时间长，凝血效果不理想。从目前的研究来看，现有的手术执行机构末端的尺寸偏大、工作空间和灵活性不够，增加了手术创伤和难度。传统的驱动方式不能够满足微创手术器械更简单、更微型的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，该执行器体积较小，通过电流加热形状记忆合金(SMA)丝驱动，解决了现有手术器械的末端执行机构尺寸和重量大、结构复杂、工作空间和灵活性不够等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，包括分离钳、连接套、腕式机构、操作杆，所述腕式机构包括依次布置的末端垫片、第一关节球、中间垫片、第二关节球、固定垫片，所述末端垫片与固定垫片之间连接有多对预紧丝，所述末端垫片通过所述连接套与所述分离钳连接，所述底部垫片与所述操作杆连接；

所述末端垫片与固定垫片之间连接有至少两对驱动丝，用于实现所述腕式机构的两个弯曲自由度；

所述分离钳连接有至少一对驱动丝，用于实现所述分离钳的开合自由度；

所述驱动丝和预紧丝均为TiNi形状记忆合金丝，所述驱动丝通过控制电线与控制系统连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，由于采用形状记忆合金丝为驱动丝，可大大减少执行器体积，通过电流加热形状记忆合金(SMA)丝驱动，解决了现有手术器械的末端执行机构尺寸和重量大、结构复杂、工作空间和灵活性不够等问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构的总体结构示意图；

图2为本发明实施例中腕式机构结构示意图；

图3为本发明实施例中分离钳结构示意图；

图4为本发明实施例中关节垫片结构示意图；

图5为本发明实施例中关节球的剖面结构示意图；

图6a为本发明实施例中连接套的立体结构示意图；

图6b为本发明实施例中连接套的底面结构示意图；

图7为本发明实施例中操作杆的截面结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其较佳的具体实施方式是：

包括分离钳、连接套、腕式机构、操作杆，所述腕式机构包括依次布置的末端垫片、第一关节球、中间垫片、第二关节球、固定垫片，所述末端垫片与固定垫片之间连接有多对预紧丝，所述末端垫片通过所述连接套与所述分离钳连接，所述底部垫片与所述操作杆连接；

所述分离钳的后端连接有四杆机构和连杆，所述连杆连接有一对夹持驱动丝和一对张开驱动丝。

所述腕式机构包括三对预紧丝和三对驱动丝。

所述末端垫片、中间垫片和固定垫片的外圈设有三对小孔，用于穿过三对驱动丝，内圈设有三对小孔，用于穿过三对预紧丝，还另外设有三对小孔，用来穿过所述分离钳的驱动丝和控制电线。

所述末端垫片、第一关节球、中间垫片、第二关节球和固定垫片的中部设有相通的通孔，用来穿过所述控制电线。

所述连接套设有两个导向孔和三对斜孔，所述两个导向孔用于穿过所述分离钳的驱动丝，所述三对斜孔用于穿过并固定所述腕式机构的预紧丝。

所述操作杆为带有中间通孔和多个边缘通孔的细长杆，所述中间通孔用于穿过所述控制电线和有利于散热。

本发明采用智能材料形状记忆合金(SMA)驱动，同时形状记忆合金还具有反馈作用，可以更好的控制分离钳夹持力的大小和腕式机构的弯曲幅度。在单孔腹腔微创手术过程中，方便手术器械的交叉使用，弥补了现有技术的不足。腕式机构可实现两个自由度的弯曲转动，采用形状记忆合金驱动，响应快且准确，手术应用稳定并且灵活工作空间大，保证手术的顺利进行。分离钳的加持力可以通过形状记忆合金丝反馈量化控制，手术过程中分离效果好，不会损伤器官。分离钳拆卸安装方便有利于清洗和消毒处理，且互换性非常好。整体结构设计合理紧密，可实现微型化和轻质化，机构主体采用医用工程塑料制作，可以冲洗消毒或高温消毒。

具体实施例：

如图1、图2、图3所示，包括控制电线1、操作杆2、腕式机构3、连接套4、分离钳5、末端垫片6、中间垫片7、固定垫片8、预紧TiNi形状记忆合金丝9、关节球10、关节驱动TiNi形状记忆合金丝11、四杆机构12、连杆13、夹持驱动TiNi形状记忆合金丝14、张开驱动TiNi形状记忆合金丝15。

其中：

分离钳5通过连接套4与腕式机构3的末端垫片6耦合，操作杆2与腕式机构3的固定垫片8耦合。控制电线1与控制系统连接，控制该腕式末端执行机构三个自由度的运动（腕式机构3的两个弯曲自由度和分离钳5的张合自由度）。

分离钳5由四杆机构12和连杆13控制实现张合，连杆13采用两对TiNi形状记忆合金丝驱动，通过驱动连杆13的推拉实现分离钳5的张开和夹持运动。TiNi形状记忆合金丝14通电加热收缩拉动连杆13使分离钳5夹持，当其冷却恢复到初始状态时，TiNi形状记忆合金丝15加热收缩反方向拉动即推动连杆13使分离钳5张开，两对合金丝处于两种相反的冷热状态，控制分离钳5的张合自由度。

腕式机构包括末端垫片6、中间垫片7、固定垫片8、三对预紧TiNi形状记忆合金丝9、两个关节球10和三对驱动TiNi形状记忆合金丝11，是一种具有两个自由度的混联机构。

如图4、图5所示，关节垫片外圈的三对小孔16穿过三对驱动TiNi形状记忆合金丝11，内圈的三对小孔17穿过三对预紧TiNi形状记忆合金丝，其余三对小孔18用来穿过分离钳5的夹持驱动TiNi形状记忆合金丝14、张开驱动TiNi形状记忆合金丝15以及控制电线1等。

关节球10的通孔25和关节垫片6、7、8的中间通孔20相通，用来通过控制电线1。三对具有记忆性的TiNi形状记忆合金丝11是驱动源，其中两对为主动丝，另外一对为被动丝，在三对驱动丝协调控制下可实现腕关节两个自由度的各种位姿；三对具有超弹性的TiNi形状记忆合金丝9起到对末端垫片6、中间垫片7和关节球10预紧的作用，使关节球10与关节垫片的凹球面19紧密接触，并保证末端垫片6和中间垫片7的转动一致。

如图6a、6b所示，连接套4的两个导向孔21是张开驱动TiNi形状记忆合金丝15反方向拉动连杆13的导向通道。腕式机构3的三对预紧TiNi形状记忆合金丝9穿过连接套4的三对斜通孔22并固定，将腕式机构3和连接套4紧紧连接在一块。挡块23卡住分离钳5的凹槽，起固定连接作用。从而连接套4将腕式机构3和分离钳5连成一体。

如图7所示，操作杆2为带有很多穿丝走线的通孔细长杆，采用高强度的轻质医用工程塑料制作，绝缘性且具有很好的耐腐蚀性，中间通孔24用来通过电线且有利于散热。

本发明的形状记忆合金驱动的微创手术腕式末端执行机构，TiNi形状记忆合金丝作为微型驱动器，可以提供较大的驱动力，同时简化了结构，实现了机构的微型化和轻质化。而且TiNi形状记忆合金丝还具有传感器的反馈作用，可以有效的控制分离钳5的加持力大小和张开幅度以及腕式机构3的弯曲幅度，并通过控制系进行实时反馈控制。

在单孔腹腔微创手术过程中，微创手术机器人夹持操作杆2的末端将该执行机构送往病灶区完成位置定位，控制系统通过对腕式机构3的三对驱动TiNi形状记忆合金丝11协同控制，实现手术执行机构在手术区域小范围的位置和姿态定位，通过对分离钳5的夹持驱动TiNi形状记忆合金丝14和张开驱动TiNi形状记忆合金丝15控制，实现分离钳5的张合的自由度，从而完成人体腹腔内组织器官的手术分离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，包括分离钳、连接套、腕式机构、操作杆，所述腕式机构包括依次布置的末端垫片、第一关节球、中间垫片、第二关节球、固定垫片，所述末端垫片与固定垫片之间连接有多对预紧丝，所述末端垫片通过所述连接套与所述分离钳连接，所述底部垫片与所述操作杆连接；

2.根据权利要求1所述的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，所述分离钳的后端连接有四杆机构和连杆，所述连杆连接有一对夹持驱动丝和一对张开驱动丝。

3.根据权利要求1所述的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，所述腕式机构包括三对预紧丝和三对驱动丝。

4.根据权利要求3所述的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，所述末端垫片、中间垫片和固定垫片的外圈设有三对小孔，用于穿过三对驱动丝，内圈设有三对小孔，用于穿过三对预紧丝，还另外设有三对小孔，用来穿过所述分离钳的驱动丝和控制电线。

5.根据权利要求1至4任一项所述的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，所述末端垫片、第一关节球、中间垫片、第二关节球和固定垫片的中部设有相通的通孔，用来穿过所述控制电线。

6.根据权利要求1至4任一项所述的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，所述连接套设有两个导向孔和三对斜孔，所述两个导向孔用于穿过所述分离钳的驱动丝，所述三对斜孔用于穿过并固定所述腕式机构的预紧丝。

7.根据权利要求1至4任一项所述的三根形状记忆合金丝驱动的腕式末端执行机构，其特征在于，所述操作杆为带有中间通孔和多个边缘通孔的细长杆，所述中间通孔用于穿过所述控制电线和有利于散热。