CN106388937B - 一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂 - Google Patents

Abstract

一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，包括上下两端的大基座，中心尼龙线穿过中间的多个薄片并固定在两端的大基座上形成驱动骨架，三个以上的小气动臂对称分布粘结固定在沿平行于中心尼龙线方向驱动骨架的外周上，小气动臂的外周环绕有复合薄膜，复合薄膜的外壁自上而下粘贴着可通过调节真空进行刚度调节的环状尼龙纤维，环绕在大基座外侧的复合薄膜的外壁处固定密封卡箍，密封卡箍外侧固定有用密封扎带封装的封装外套，封装外套及复合薄膜外壁间构成密闭腔体，该密闭腔体设有抽真空口，小气动臂是由复合薄膜卷绕在小顶部基座和小底部基座上形成的密封腔体，该密封腔体设有驱动气体入口孔，本发明具有能产生较大复杂变形及刚度保持等优点。

Description

一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂

技术领域

本发明涉及微创手术多自由度手术臂技术领域，特别涉及一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂。

背景技术

微创手术具有出血少、伤口小、预后好、麻醉风险降低、疼痛轻等优点，越来越受到临床医务人员的青睐，微创手术治疗方式的改进也就成为了无法避免的科学问题。稳定性好、对接触组织的低损伤或无损伤及良好的生物抗菌性等都成了热门的研究课题。相较传统的手术方式，Intuitive Surgical公司的Da Vinci手术机器人作为目前国际上已经多次应用于临床并被引进国内的机器人而尤为知名。而该公司也先后申请了有关多自由度手术臂的专利(WO 2007146987 A3和WO 2007120952 A3)。

虽然DaVinci机器人已有相较传统人工手术操作有极大的进步，可是因刚性的操作器件而引起的固有操作缺陷依然有待提升。而截至目前，国内据教育柔性手术操作臂研究的学者也在增加，天津大学相关科研团队发明了一种微创外科手术的主从一体式机械臂并对传统机械臂结构进行了改进(公开号：CN101889900B和CN 102973317A)；哈尔滨工业大学(公开号：CN102973317A)基于齿轮啮合及丝杠传动等机械原理，设计了一款多自由度微创外科手术操作臂。虽然上述结构在一定的程度上实现了手术臂多自由度的要求，但大多是以多机械关节，拉线电机等形式实现的。由于过多的机械结构装配形成许多缝隙，易成为细菌和病垢的藏匿区，即使采用灭菌措施也很难彻底消毒。同时，刚性机械关节的刚度又容易对人体造成伤害。

西安交通大学发明了相应的基于DE材料电气混合驱动及气驱动的多自由度手术操作臂(申请号：2015106704243和2015106713492)，为微创手术操作臂的柔性多自由度发展提供了一个新的思路。DE材料因其轻质量、较低的能耗、易于改性、能经受较大变形等优点成为了该领域的研究热点，并且被广泛应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，具有质量轻、能耗低、能产生较大及复杂变形，对人体刚性损伤更少、气路更少，更易控制形状及刚度保持等优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，包括上下两端的大基座22，中心尼龙线13穿过中间的平行排布的多个薄片21并固定在两端的大基座22上形成驱动骨架，三个以上的用于驱动整体弯曲的小气动臂对称分布粘结固定在沿平行于中心尼龙线13方向驱动骨架的外周上，小气动臂的外周环绕有第一复合薄膜23，环绕后的第一复合薄膜23的外壁自上而下交错粘贴着可通过调节真空进行刚度调节的环状第二尼龙纤维15，环绕在大基座22外侧的第一复合薄膜23的外壁处固定密封卡箍，密封卡箍外侧固定有用密封扎带20封装的封装外套19，封装外套19及第一复合薄膜23外壁间构成密闭腔体，该密闭腔体设有抽真空口18。

所述的小气动臂是由第二复合薄膜24卷绕在小顶部基座1和小底部基座2上形成的密封腔体，该密封腔体设有驱动气体入口孔3。

所述的小顶部基座1和小底部基座2且均带有可通入驱动气体的驱动气体入口孔3，小顶部基座1的驱动气体入口孔3连接处设有密封筋4，小顶部基座1的驱动气体入口孔3为通孔，小底部基座2的驱动气体入口孔3为半截孔，小顶部基座1和小底部基座2采用3D打印制造。

所述的第一复合薄膜23和第二复合薄膜24是将通过对介电弹性体DE材料进行单向预拉伸而形成的矩形薄膜6内夹平行分布的第一尼龙纤维7形成三明治结构。

所述的薄片21中心设有中心孔10，四周设有单根气动臂固定槽9，薄片21上还设有可提供组织取样的取样孔8；大基座22中心设有固定环11，四周设有单根气动臂固定槽9，大基座22上还设有可提供组织取样的取样孔8，中心尼龙线13穿过中心孔10固定在大基座22上的固定环11上。

所述的封装外套19为Ecoflex0030硅橡胶套，A,B组分的调配为1:1，其中加入纳米铜离子，搅拌均匀并倒入模具中，在室温下固化后脱膜制成。

一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂的制备方法，包括以下步骤：

1)用细圆柱状钢条5通过驱动气体入口孔3将小顶部基座1和小底部基座2连接，形成单根小气动臂的骨架；

2)制备单根小气动臂：

2.1)对介电弹性体DE进行沿长度方向单向预拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形长度排列第一尼龙纤维7，第一尼龙纤维7之间相互平行；将另一张拉伸后的矩形薄膜6与之粘接，形成三明治结构的第二复合薄膜24；

2.2)将第二复合薄膜24卷绕在单根小气动臂骨架外侧；

2.3)抽掉细圆柱状钢条5，驱动气体与单根小气动臂的内部腔体通过小顶部基座1的驱动气体入口孔3连通；

3)用两根粗柱状钢条12通过取样孔8依次连接2个大基座22及若干薄片21，使2个大基座22分位于柱体两端，在薄片21的中心孔10穿过一根中心尼龙线13，中心尼龙线13两端固定在2个大基座22的固定环11上，形成驱动骨架；

4)将步骤2)所得多个单根小气动臂沿步骤3)所得驱动骨架上的单根气动臂固定槽9分别粘接于驱动骨架外侧，形成内驱动结构；

5)制备驱动单元：

5.1)对介电弹性体DE进行沿长度方向单向预拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形长度排列第一尼龙纤维7，第一尼龙纤维7之间相互平行；将另一张拉伸后的矩形薄膜6与之粘接，形成三明治结构的第一复合薄膜23；

5.2)将第一复合薄膜23卷绕在内驱动结构外侧；

5.3)抽掉粗圆柱状钢条12，使大基座22与薄片21上对应取样孔8相通，得到驱动单元；

6)在驱动单元外周自下而上错层环绕粘接多个由第二尼龙纤维15组成的尼龙纤维束，再于两端套上密封卡箍；

7)在第二尼龙纤维束15及密封卡箍外周套上封装外套19，封装外套19两端用密封扎带20将封装外套19紧固。

所述的尼龙纤维束是用一条胶带14将第二尼龙纤维15粘接成“梳子”状，并按驱动单元的外径卷绕而成。

本发明的有益效果为：

(1)借助中心尼龙线13对于手术操作臂整体沿长度方向上伸长的自由度的约束。

(2)借助通过对于每个小气动臂周向环绕多根尼龙纤维从而改变DE材料的各向异性而实现单根小气动臂在增大内部气压下产生变形时的径向自由度约束。

(3)借助大基座22及若干薄片21结构进行中心尼龙线13及小气动臂的定位，以上结合可实现整体臂体实现所需的方向的弯曲。

(4)结合尼龙纤维在真空状态下的由“软”变“硬”的特性实现在驱动后在指定位置的刚度及形态保持。

(5)可将所得单节多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂进行多节的结构拼装，将每个小气动臂气路进行简单对应串联，每节尼龙纤维进行单独作用，可实现较大长度在空间内的弯曲变形及实现复杂弯曲形状。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中图1b为图1a剖视图。

图2为小顶部基座1的示意图，其中图2b为图2a的剖视图。

图3为小底部基座2的示意图，其中图3b为图3a的剖视图。

图4为通过细圆柱钢条5连接小顶部基座1与小底部基座2而成单根小气动臂的骨架。

图5为复合薄膜24或复合薄膜23的示意图，图5a为俯视图，图5b为图5a的A-A面剖视。

图6为抽掉细圆柱钢条5之后的单根小气动臂结构图。

图7为辅助固定单根气动臂的薄片21结构图。

图8为大基座22结构图。

图9为通过粗圆柱体12连接两个大基座22及数个薄片21而成的驱动骨架。

图10为将四根单根气动臂固定在骨架上得到的内驱动结构，其中图10b为图10a剖视图。

图11为将第一复合薄膜23缠绕在内驱动结构的外层图。

图12为抽掉两根粗圆柱钢条12的示意图。

图13为单节驱动单元结构图，其中图13b为图13a剖视图。

图14为尼龙纤维粘接成束示意图。

图15为气动驱动臂与刚度调节外套组装图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

参照图1，一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，包括上下两端的大基座22，中心尼龙线13穿过中间的平行排布的多个薄片21并固定在两端的大基座22上形成驱动骨架，四个用于驱动整体弯曲的小气动臂对称分布粘结固定在沿平行于中心尼龙线13方向的驱动骨架的外周上，四个小气动臂的外周环绕有第一复合薄膜23，环绕后的第一复合薄膜23的外壁自上而下交错粘贴着可通过调节真空进行刚度调节的环状尼龙纤维15，环绕在大基座22外侧的第一复合薄膜23的外壁处固定有一个第一密封卡箍16和三个第二密封卡箍17，密封卡箍外侧固定有用密封扎带20封装的封装外套19，封装外套19及第一复合薄膜23外壁间构成密闭腔体，该密闭腔体设有抽真空口18。

所述的小气动臂是由第二复合薄膜24卷绕在小顶部基座1和小底部基座2上形成的密封腔体，该密封腔体设有驱动气体入口孔3。

参照图2和图3，所述的小顶部基座1和小底部基座2且均带有可通入驱动气体的驱动气体入口孔3，小顶部基座1的驱动气体入口孔3连接处设有有助于密封的密封筋4，小顶部基座1的驱动气体入口孔3为通孔，小底部基座2的驱动气体入口孔3为半截孔，小顶部基座1和小底部基座2采用3D打印制造。

参照图4，借助细圆柱钢条5连接小顶部基座1和小底部基座2，形成单根小气动臂的骨架。

参照图5，所述的第一复合薄膜23和第二复合薄膜24是将通过对介电弹性体DE材料进行单向预拉伸而形成的矩形薄膜6内夹平行分布的第一尼龙纤维7形成三明治结构。

参照图6，将第二复合薄膜24缠绕在图4中单根小气动臂的骨架上的小顶部基座1及小底部基座2的外周，然后抽掉中心的细圆柱钢条5，实现单根小气动臂的制备。

参照图7、图8，图7和图8分别为用于在四个方向固定单根小气动臂所需的薄片21及大基座22，薄片21中心设有中心孔10，四周设有单根气动臂固定槽9，薄片21上还设有可提供组织取样的取样孔8；大基座22中心设有固定环11，四周设有单根气动臂固定槽9，大基座22上还设有可提供组织取样的取样孔8。参照图9，两根粗圆柱体钢条12通过取样孔8连接两个大基座22及数个薄片21可形成取得骨架，大基座22和薄片21上均有可用来在四个方向上配合粘接固定单根气动臂固定槽9，中心尼龙线13穿过中心孔10固定在大基座22上的固定环11上，以尽量保证在操作臂整体弯曲时中心线方向无明显伸长，实现操作臂轴向伸长自由度的约束。

所述的封装外套19为Ecoflex0030硅橡胶套，A,B组分的调配为1:1，其中加入纳米铜离子，搅拌均匀并倒入模具中，在室温下固化后脱膜制成。

参照图10，将四根小气动臂依次粘接固定在骨架薄片21及大基座22外侧的固定槽9上，形成内驱动结构。

参照图11、图12、图13，将第一复合薄膜23缠绕在图10中的内驱动结构的外层，而后抽掉两根粗圆柱钢条12，得到驱动单元。

参照图14，用胶带14将第二尼龙纤维15粘接成“梳子”状，形成尼龙纤维束。

参照图15，将多个图14中的尼龙纤维束自上而下分层交错环绕粘接在手术操作臂柔性驱动层外周，而后在两个大基座22外周的第一复合薄膜23上分别套上一个第一密封卡箍16和三个第二密封卡箍17；将封装外套19套在第一复合薄膜23最外侧，并利用两端处于第一密封卡箍16、三个第二密封卡箍17的槽相对应位置的密封扎带20将封装外套19紧固，得到多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，如图1所示，抽真空口18外接抽真空设备。

所述的封装外套19采用Ecoflex0030硅胶制备：A、B组分的调配为1:1，并加入纳米铜离子搅拌均匀并倒入模具中，在室温下固化24小时即脱膜成形。

本发明的工作原理为：

多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂通过增加单侧内部腔体内气压来实现指定方向的弯曲，从而达到多自由度变形驱动；刚度调功能则是通过抽真空的方式实现，当刚度调节封装外套19内部气室与外界大气压想通时，尼龙纤维间的摩擦力很小，多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂处于自由变形态或“软”状态；当对刚度调节封装外套19内气室进行抽真操作时，外界大气迅速压将尼龙纤维紧紧的压在一起，从而纤维间的摩擦力也大大的提高，使得多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂在圆柱形母线方向无法伸长或缩短，从而实现变形的“锁定”或者“硬”状态。

应用时，首先利用真空泵通过抽真空口18对第一复合薄膜23外壁及封装外套19形成的封闭腔体抽真空，从而施加负压，在外界大气压下，第二尼龙纤维15间的摩擦力迅速增加，多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂的整体刚度则迅速提高，成为稳定的直杆状。当多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂顺利进入人体腹腔或自然腔道后，需要调节姿态实现单节弯曲时，一定程度提高第一复合薄膜23外壁与封装外套19形成的封闭腔体内真空度，同时增大欲弯曲方向对侧相应的由第二复合薄膜24包裹在小顶部基座1及小底部基座2外周形成的小气动臂腔体内的气压，使该侧的小气动臂伸长，此时由于排布在中心的两个大基座22和若干个薄片21对小气动臂通过单根气动臂固定槽9的限位及中心尼龙线13对整体结构沿中心线方向伸长自由度的约束，从而表现为整体方向上的对侧弯曲变形，通过相较大气压下的内部合理的正气压及外部合理的真空度配合，可使得多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂稳定地完成预期地运动变形效果。

如果将多个多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂做以简单地串联连接，便能实现较长地多节多自由度刚度可调气动柔性微创手术操作臂，在较为复杂地肠道及腹腔手术中，能够更加灵活地依靠两部分气动配合实现安全手术。

一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂的制备方法，包括以下步骤：

1)用细圆柱状钢条5通过驱动气体入口孔3将小顶部基座1和小底部基座2连接，形成单根小气动臂的骨架，如图4所示；

2)制备单根小气动臂：

2.1)对介电弹性体DE进行沿长度方向单向预拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形长度排列第一尼龙纤维7，第一尼龙纤维7之间相互平行；将另一张拉伸后的矩形薄膜6与之粘接，形成三明治结构的第二复合薄膜24，如图5所示；

2.2)将第二复合薄膜24卷绕在单根小气动臂的骨架外侧；

2.3)抽掉细圆柱状钢条5，驱动气体与单根小气动臂的内部腔体通过小顶部基座1的驱动气体入口孔3连通，如图6所示；

3)用两根粗柱状钢条12通过取样孔8依次连接2个大基座22及若干薄片21，使2个大基座22分位于柱体两端，在薄片21的中心孔10穿过一根中心尼龙线13，中心尼龙线13两端固定在2个大基座22的固定环11上，形成驱动骨架，如图9所示；

4)将步骤2)所得多个单根小气动臂沿步骤3)所得驱动骨架上的单根气动臂固定槽9分别粘接于驱动骨架外侧，形成内驱动结构，如图10所示；

5)制备驱动单元：

5.1)对介电弹性体DE进行沿长度方向单向预拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形长度排列第一尼龙纤维7，第一尼龙纤维7之间相互平行；将另一张拉伸后的矩形薄膜6与之粘接，形成三明治结构的第一复合薄膜23，如图5所示；

5.2)将第一复合薄膜23卷绕在内驱动结构外侧，如图11所示；

5.3)抽掉粗圆柱状钢条12，使大基座22与薄片21上对应取样孔8相通，得到驱动单元，如图12、图13所示；

6)在驱动单元外周自下而上错层环绕粘接多个由第二尼龙纤维15组成的尼龙纤维束，再于两端套上一个第一密封卡箍16和三个第二密封卡箍17，如图15所示；

7)在第二尼龙纤维束15及第一密封卡箍16、第二密封卡箍17外周套上封装外套19，封装外套19两端用密封扎带20将封装外套19紧固，如图1所示。

参照图14，所述的尼龙纤维束是用一条胶带14将第二尼龙纤维15粘接成“梳子”状，并按驱动单元的外径卷绕而成。

Claims (5)

1.一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，其特征在于：包括上下两端的大基座(22)，中心尼龙线(13)穿过中间的平行排布的多个薄片(21)并固定在两端的大基座(22)上形成驱动骨架，三个以上的用于驱动整体弯曲的小气动臂对称分布粘结固定在沿平行于中心尼龙线(13)方向整体驱动骨架的外周上，小气动臂的外周环绕有第一复合薄膜(23)，环绕后的第一复合薄膜(23)的外壁自上而下交错粘贴着能够通过调节真空进行刚度调节的环状第二尼龙纤维(15)，环绕在大基座(22)外侧的第一复合薄膜(23)的外壁处固定密封卡箍，密封卡箍外侧固定有用密封扎带(20)封装的封装外套(19)，封装外套(19)及第一复合薄膜(23)外壁间构成密闭腔体，该密闭腔体设有抽真空口(18)；

所述的第一复合薄膜(23)和第二复合薄膜(24)是将通过对介电弹性体(DE)材料进行单向预拉伸而形成的矩形薄膜(6)内夹平行分布的第一尼龙纤维(7)形成三明治结构；

所述的薄片(21)中心设有中心孔(10)，四周设有单根气动臂固定槽(9)，薄片(21)上还设有能够提供组织取样的取样孔(8)；大基座(22)中心设有固定环(11)，四周设有单根气动臂固定槽(9)，大基座(22)上还设有能够提供组织取样的取样孔(8)，中心尼龙线(13)穿过中心孔(10)固定在大基座(22)上的固定环(11)上。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，其特征在于：所述的小气动臂是由第二复合薄膜(24)卷绕在小顶部基座(1)和小底部基座(2)上形成的密封腔体，该密封腔体设有驱动气体入口孔(3)。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂，其特征在于：所述的小顶部基座(1)和小底部基座(2)且均带有能够通入驱动气体的驱动气体入口孔(3)，小顶部基座(1)的驱动气体入口孔(3)连接处设有密封筋(4)，小顶部基座(1)的驱动气体入口孔(3)为通孔，小底部基座(2)的驱动气体入口孔(3)为半截孔，小顶部基座(1)和小底部基座(2)采用3D打印制造。

4.一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂的制备方法，包括以下步骤：

1)用细圆柱状钢条(5)通过驱动气体入口孔(3)将小顶部基座(1)和小底部基座(2)连接，形成单根小气动臂的骨架；

2)制备单根小气动臂：

2.1)对介电弹性体(DE)进行沿长度方向单向预拉伸成矩形薄膜(6)，然后沿矩形长度排列第一尼龙纤维(7)，第一尼龙纤维(7)之间相互平行；将另一张拉伸后的矩形薄膜(6)与之粘接，形成三明治结构的第二复合薄膜(24)；

2.2)将第二复合薄膜(24)卷绕在单根小气动臂骨架外侧；

2.3)抽掉细圆柱状钢条(5)，驱动气体与单根小气动臂的内部腔体通过小顶部基座(1)的驱动气体入口孔(3)连通；

3)用两根粗柱状钢条(12)通过取样孔(8)依次连接2个大基座(22)及若干薄片(21)，使2个大基座(22)分位于柱体两端，在薄片(21)的中心孔(10)穿过一根中心尼龙线(13)，中心尼龙线(13)两端固定在2个大基座(22)的固定环(11)上，形成驱动骨架；

4)将步骤2)所得多个单根小气动臂沿步骤3)所得驱动骨架上的单根气动臂固定槽(9)分别粘接于驱动骨架外侧，形成内驱动结构；

5)制备驱动单元：

5.1)对介电弹性体(DE)进行沿长度方向单向预拉伸成矩形薄膜(6)，然后沿矩形长度排列第一尼龙纤维(7)，第一尼龙纤维(7)之间相互平行；将另一张拉伸后的矩形薄膜(6)与之粘接，形成三明治结构的第一复合薄膜(23)；

5.2)将第一复合薄膜(23)卷绕在内驱动结构外侧；

5.3)抽掉粗圆柱状钢条(12)，使大基座(22)与薄片(21)上对应取样孔(8)相通，得到驱动单元；

6)在驱动单元外周自下而上错层环绕粘接多个由第二尼龙纤维(15)组成的尼龙纤维束，再于两端套上密封卡箍；

7)在第二尼龙纤维(15)及密封卡箍外周套上封装外套(19)，封装外套(19)两端用密封扎带(20)将封装外套(19)紧固。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度刚度可调气动柔性手术操作臂的制备方法，其特征在于：所述的尼龙纤维束是用一条胶带(14)将第二尼龙纤维(15)粘接成“梳子”状，并按驱动单元的外径卷绕而成。