CN106859770A - 一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，包括若干节相同的气动驱动器单元连接而成。气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层。驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维。基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。所提出的操作臂具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。

Description

一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法
技术领域
本发明属于多自由度微创手术操作臂领域，具体涉及一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法。
背景技术
随着科学技术发展和人们对医疗服务质量要求的日益增长，微创手术作为临床治疗新模式正逐步获得广泛应用。微创手术相对于传统开放式手术具有创口小、出血少、疼痛轻、术后恢复快等优点，已经成为医疗手术的主流方式。未来微创手术向着自然腔道和伤口更少、更小的方向发展。
目前微创手术操作臂多是直臂，具有较高的结构刚性。然而，传统机械式结构使得这类手术臂的运动自由度少，即使通过多机械关节组合来实现多自由度，也会由于刚度不足带来操作力难以施加到末端工具上、整体灵活度不高、运动空间不足等问题，这些问题直接导致了传统微创手术需要多至4到5个创口。同时，过多的机械结构体装配形成许多缝隙，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。
因此，探索新的驱动和刚度调控机构是未来的发展方向，如何制造出既有多自由度，又具有刚度可调性和生物安全性的微创手术操作臂是研究的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，该手术操作臂具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。
为了达到上述目的，一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，包括若干节相同的气动驱动器单元连接而成，气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层，驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维，基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。
所述刚度调节层包括在交错固定在驱动层外壁上的环状尼龙纤维束，环状尼龙纤维束外侧设置有硅橡胶薄膜，硅橡胶薄膜两端分别与两个基座连接，驱动层外壁与硅橡胶薄膜内壁之间构成密闭层，密封层连接抽真空口。
所述气孔上设置有密封筋。
所述腔体为三个，等角度设置在硅橡胶层内。
一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，根据所需尺寸，选取模具，模具包括中模、圆柱、薄壁件、底座、内圆柱和外模；
步骤二，将中模固定在底座上，将三个薄壁件放置在中模内部，圆柱放置在三个薄壁件内，浇铸液体硅橡胶后，置于真空干燥箱中固化；
步骤三，脱模后，在通孔中插入内圆柱，将PDMS的主剂与固化剂按质量比10:1均匀混合后倒入内圆柱与硅橡胶层间，置于真空干燥箱中固化；
步骤四，脱模后，将尼龙纤维按双螺旋的方式缠绕在硅橡胶层的外表面；
步骤五，将缠绕好尼龙纤维的驱动层放在外模内，在缝隙中填充硅橡胶后，置于真空干燥箱中固化，脱模后通过粘接剂将基座固定在驱动层上，使气孔密封腔体；
步骤六，将环状尼龙纤维束自上而下交错地粘贴在连接基座的驱动层外壁上，再用粘接剂将硅橡胶薄膜粘贴在两端基座上，形成对刚度调节层的封装，即完成气动驱动器单元。
所述步骤六中，环状尼龙纤维束的制作过程如下，将尼龙纤维平行排布，用粘接剂将尼龙纤维粘接成纤维束，将纤维束卷成环状尼龙纤维束。
所述步骤二中，液体硅橡胶采用Dragon Skin 30，液体硅橡胶的A、B组分按体积比1:1均匀混合。
所述步骤三中，PDMS采用Dow Corning Sylgard 184。
所述步骤五中的硅橡胶和步骤六中的橡胶薄膜均采用A、B组分体积比1：1配置的Ecoflex0020。
所述粘接剂采用Sil-Poxy。
与现有技术相比，本发明的装置通过若干节相同的气动驱动器单元连接而成，在使用时能够改变所述驱动器的节数，得到不同长度的操作臂，以适应不同微创手术背景。本装置的气动驱动器单元无机械结合面，采用整体封装，无外露机械结构体，为生物安全的抗菌结构设计提供了新思路，为医疗器械的多频次低成本使用提供安全保证。制造操作臂所用的材料都是轻质柔性材料，与柔软的人体组织相适应，能极大程度地减小刚性损伤。本装置具有主动调控能力，灵活性好，运动范围大，且尺寸小，适用于单孔微创手术，有效减少创口数量及尺寸。
进一步的，本发明的刚度调节层以纤维阻塞原理为基础，利用尼龙纤维材料实现了传统机械臂杆结构难以做到的刚度调节功能。
本发明的制作方法能够根据不同需求选择不同的模具，通过浇铸和固化制作气动驱动器单元的半成品，再在半成品表面缠绕尼龙纤维，本方法提出了复合材料驱动层方案，对硅橡胶进行了各向异性改造，实现无机械关节的多自由度运动。
附图说明
图1为本发明气动驱动器单元的示意图；
图2为本发明气动驱动器单元的装配示意图；
图3为本发明气动驱动器单元正视图；
图4为本发明气动驱动器单元的截面图；
图5为本发明气动驱动器单元中驱动层示意图；
图6为本发明气动驱动器单元中驱动层透视装配示意图；
图7为本发明气动驱动器单元中驱动层的正视图；
图8为本发明气动驱动器单元中驱动层的截面图；
图9为本发明基座的透视示意图；
图10为本发明未封装气动驱动器单元的示意图；
图11为本发明所使用模具示意图；
图12为制造气动驱动器单元过程中缠绕径向束缚纤维示意图；
图13为制造气动驱动器单元过程中粘接基座示意图；
图14为本发明制造环状尼龙纤维束的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至14，一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，包括若干节相同的气动驱动器单元连接而成，气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座7，驱动器包括外部的刚度调节层2，刚度调节层2内部设置有驱动层1，驱动层1包括具有通孔10的圆环柱形硅橡胶层3，硅橡胶层3上开设有若干腔体4，硅橡胶层3内表面覆盖有PDMS层5，硅橡胶层3外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维6，基座7上设置有与腔体4相对应的气孔8，以及与刚度调节层2相对应的抽真空口13，气孔8上设置有密封筋9。
刚度调节层2包括在交错固定在驱动层1外壁上的环状尼龙纤维束11，环状尼龙纤维束11外侧设置有硅橡胶薄膜12，硅橡胶薄膜12两端分别与两个基座7连接，驱动层1外壁与硅橡胶薄膜12内壁之间构成密闭层，密封层连接抽真空口13。
优选的，腔体4为三个，等角度设置在硅橡胶层3内。
一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，根据所需尺寸，选取模具，模具包括中模14、圆柱15、薄壁件16、底座17、内圆柱18和外模19，模具在商业三维造型软件Catia(Dassault System)中设计，再将数据导入3D打印机(XJRP-SPS600B)中，激光头在机械臂带动下对液态光敏树脂(DSM Somos14120)逐层扫描，最后得到实体树脂模具；
步骤二，中模14的内径为19mm，圆柱15的直径为12mm，将中模14固定在底座17上，将三个薄壁件16放置在中模14内部，圆柱15放置在三个薄壁件16内，浇铸液体硅橡胶后，置于真空干燥箱中，在50℃下烘烤45分钟固化；
步骤三，脱模后，在通孔10中插入内圆柱18，内圆柱18的直径为10mm，将PDMS的主剂与固化剂按质量比10:1均匀混合后倒入内圆柱18与硅橡胶层3间，置于真空干燥箱中，在50℃下烘烤3小时固化；
步骤四，脱模后，将直径为0.33mm的尼龙纤维6按双螺旋的方式缠绕在硅橡胶层3的外表面；
步骤五，将缠绕好尼龙纤维6的驱动层放在外模19内，外模内径为21mm，在缝隙中填充硅橡胶后，置于真空干燥箱中，在50℃下烘烤1.5小时固化，脱模后通过粘接剂20将基座7固定在驱动层1上，使气孔8密封腔体4；
步骤六，将尼龙纤维21平行排布，用粘接剂20将尼龙纤维21粘接成“梳子”状纤维束，将“梳子”状纤维束卷成环状尼龙纤维束11；
步骤七，将环状尼龙纤维束11自上而下交错地粘贴在连接基座7的驱动层1外壁上，再用粘接剂20将硅橡胶薄膜12粘贴在两端基座7上，形成对刚度调节层2的封装，即完成气动驱动器单元。
优选的，步骤二中，液体硅橡胶采用Dragon Skin 30，液体硅橡胶的A、B组分按体积比1:1均匀混合。步骤三中，PDMS采用Dow Corning Sylgard 184。步骤五中的硅橡胶和步骤六中的橡胶薄膜12均采用A、B组分体积比1：1配制的Ecoflex 0020。粘接剂20采用Sil-Poxy。
多自由度刚度可变气动手术操作臂由一系列尺寸、结构和功能完全相同的气动驱动器单元连接而成，每节驱动器都能实现多自由度弯曲和刚度调控功能。驱动器具有双层同心管状的总体结构，由驱动层1和刚度调节层2组成，通过增加驱动层1内部腔体4内气压来实现指定方向弯曲；刚度调节功能则是通过抽真空的方式实现。
驱动层1中，在初始状态，硅橡胶层3中的腔体4通过基座7上的气孔8与外界联通，腔体4内气压与大气压相同，因此不产生变形；在驱动过程中，高压气体通过基座7上的气孔8通入腔体4，硅橡胶材料具有各向同性且不可压缩的特质，刚度小处更易膨胀，由于硅橡胶层3壁厚小，故通入气体的腔体4会沿径向膨胀以及沿轴向伸长，由此产生弯曲变形。所述驱动层1中的PDMS材料由于硬度大、弹性差，复合在硅橡胶层3内壁上，能有效阻止驱动时腔体4向内部膨胀，使驱动器的中心圆形通孔10保持稳定，在驱动变形过程中不干扰手术器械。所述复合在驱动层1外壁上的双螺旋尼龙纤维6用于束缚腔体4向外膨胀，单向螺旋缠绕会造成驱动过程中驱动器的扭曲，双向的螺旋缠绕能使产生的扭曲相互抵消。通过PDMS材料和尼龙纤维材料对硅橡胶层3的各向异性改造，能保证在驱动过程中，硅橡胶层3内的腔体4不沿径向膨胀，只沿轴向伸长。所述由硅橡胶材料、PDMS材料和尼龙纤维材料复合而成的管状驱动层1，能很好地实现多自由度弯曲变形，在驱动过程中，驱动层1径向尺寸保持稳定。通过选择性地向不同腔体4通入不同气压的气体，根据腔体4及气压大小的搭配，驱动层1能够完成各个方向、连续角度的弯曲变形。
刚度调节层2通过抽真空的方式调节刚度。当刚度调节层2与外界大气相连通时，尼龙纤维束11间的摩擦力很小，驱动器处于“自由变形”或“软”状态；当对刚度调节层2进行抽真空操作时，外界大气压迅速将尼龙纤维束11紧紧压在一起，形成纤维阻塞，此时纤维间的摩擦力大大提高，使得内部的驱动层1无法沿轴向伸长或缩短，从而实现驱动器的“锁定”或“硬”状态。通过调节所述刚度调节层2内的真空度，可以连续地控制驱动器的刚度变化。
由驱动层1和刚度调节层2组成的驱动器，能实现多自由度弯曲和刚度调控功能。在使用过程中，将多节所述驱动器简单串接成操作臂，可以选择性地驱动某节驱动器往某方向弯曲，同时也可以选择性地调控各节驱动器的刚度，从而实现操作臂整体的多自由度运动和刚度调节。

Claims (10)

1.一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，其特征在于，包括若干节相同的气动驱动器单元连接而成，气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座(7)，驱动器包括外部的刚度调节层(2)，刚度调节层(2)内部设置有驱动层(1)，驱动层(1)包括具有通孔(10)的圆环柱形硅橡胶层(3)，硅橡胶层(3)上开设有若干腔体(4)，硅橡胶层(3)内表面覆盖有PDMS层(5)，硅橡胶层(3)外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维(6)，基座(7)上设置有与腔体(4)相对应的气孔(8)，以及与刚度调节层(2)相对应的抽真空口(13)。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，其特征在于，所述刚度调节层(2)包括在交错固定在驱动层(1)外壁上的环状尼龙纤维束(11)，环状尼龙纤维束(11)外侧设置有硅橡胶薄膜(12)，硅橡胶薄膜(12)两端分别与两个基座(7)连接，驱动层(1)外壁与硅橡胶薄膜(12)内壁之间构成密闭层，密封层连接抽真空口(13)。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，其特征在于，所述气孔(8)上设置有密封筋(9)。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，其特征在于，所述腔体(4)为三个，等角度设置在硅橡胶层(3)内。
5.权利要求1所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据所需尺寸，选取模具，模具包括中模(14)、圆柱(15)、薄壁件(16)、底座(17)、内圆柱(18)和外模(19)；
步骤二，将中模(14)固定在底座(17)上，将三个薄壁件(16)放置在中模(14)内部，圆柱(15)放置在三个薄壁件(16)内，浇铸液体硅橡胶后，置于真空干燥箱中固化；
步骤三，脱模后，在通孔(10)中插入内圆柱(18)，将PDMS的主剂与固化剂按质量比10:1均匀混合后倒入内圆柱(18)与硅橡胶层(3)间，置于真空干燥箱中固化；
步骤四，脱模后，将尼龙纤维(6)按双螺旋的方式缠绕在硅橡胶层(3)的外表面；
步骤五，将缠绕好尼龙纤维(6)的驱动层放在外模(19)内，在缝隙中填充硅橡胶后，置于真空干燥箱中固化，脱模后通过粘接剂(20)将基座(7)固定在驱动层(1)上，使气孔(8)密封腔体(4)；
步骤六，将环状尼龙纤维束(11)自上而下交错地粘贴在连接基座(7)的驱动层(1)外壁上，再用粘接剂(20)将硅橡胶薄膜(12)粘贴在两端基座(7)上，形成对刚度调节层(2)的封装，即完成气动驱动器单元。
6.根据权利要求5所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，其特征在于，所述步骤六中，环状尼龙纤维束(11)的制作过程如下，将尼龙纤维(21)平行排布，用粘接剂(20)将尼龙纤维(21)粘接成纤维束，将纤维束卷成环状尼龙纤维束(11)。
7.根据权利要求5所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，其特征在于，所述步骤二中，液体硅橡胶采用Dragon Skin 30，液体硅橡胶的A、B组分按体积比1:1均匀混合。
8.根据权利要求5所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，其特征在于，所述步骤三中，PDMS采用Dow Corning Sylgard 184。
9.根据权利要求5所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，其特征在于，所述步骤五中的硅橡胶和步骤六中的硅橡胶薄膜(12)均采用A、B组分体积比1：1配置的Ecoflex 0020。
10.根据权利要求5所述的一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，其特征在于，所述粘接剂(20)采用Sil-Poxy。
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