CN107718040B - 机器人刚度可控关节及其刚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人刚度可控关节及其刚度控制方法，属于机器人技术领域。它包括弹性支撑芯柱（10），在所述的弹性支撑芯柱（10）上轴向分布若干法兰走线盘（12）；所述的弹性支承芯柱（10）两端固接有接头，两端的接头之间连接有圆柱硅胶壁（2）；所述的圆柱硅胶壁（2）内壁嵌有外层弹性骨架（22）；外层弹性骨架（22）内侧布置有内层弹性骨架（24）；所述的外层弹性骨架（22）和内层弹性骨架（24）之间通过变形层（23）相连。通过变形层（23）实现了刚度可控关节的柔性工作状态与刚性工作状态之间的切换。

Description

机器人刚度可控关节及其刚度控制方法

技术领域

本发明涉及一种微创介入手术器械的刚度可控结构，特别涉及一种机器人刚度可控关节及其刚度控制方法。

背景技术

微创介入手术作为外科手术的重要突破之一，自20世纪初以来得到了快速的发展。虽然微创介入手术给病人带来了明显的好处，诸如明显减少创伤、减少术后疼痛及恢复时间、降低手术风险和并发症等，但是其对医生的技能提出了更高的要求。为解决上述问题，连续体机器人技术被引用到了上述领域。现今微创介入手术中，连续体机器人的辅助能够给医生提供良好的手眼协调一致性和舒适的体验。

通过对现有技术的文献检索发现，Robert M. Ohline等人公布了一种可操纵的绳驱动内窥镜机器人（专利号：US 8721530 B2），其具有细长的本体结构，包括可操纵的远端关节部分和自动控制的近端关节部分。当内窥镜机器人前进时，使用者操纵远端关节部分，并通过绳索驱动近端关节部分，使得近端部分按照特定曲线运动。其他的一些文献，如一种绳驱动导管机器人装置及其控制装置（专利号:US 20150088161 A1）、模块化的主动弯曲介入导管及其运动方法（专利号：CN103083781A），对微创介入手术中连续体机器人的发展均做了一些有益的工作，但是仍然存在以下的共性问题：在连续体机器人的运动过程中，由于各段关节之间的运动存在耦合效应，运动精度会受到很大的影响；且当连续体机器人运动到达目标位姿附近并进行干预操作时，关节会由于缺乏足够的刚度而弯曲，给手术精确性和稳定性带来负面影响。

发明内容

本发明目的在于克服用于微创介入手术中连续体机器人已有技术的不足,提供一种可减弱关节运动耦合来实现末端位姿的微调，同时又可提升干预操作期间关节刚度来保证手术稳定性的机器人刚度可控关节及其刚度控制方法。

本发明通过以下技术手段实现上述目的：

机器人刚度可控关节包括弹性支撑芯柱，在所述的弹性支撑芯柱上轴向分布若干法兰走线盘；所述的弹性支撑芯柱两端固接有接头，两端的接头之间连接有圆柱硅胶壁；所述的圆柱硅胶壁内壁嵌有外层弹性骨架；所述外层弹性骨架内侧布置有内层弹性骨架，内层弹性骨架包括轴向弹性支撑结构，和若干组沿轴向分布的径向弹性支撑结构；所述的外层弹性骨架和内层弹性骨架之间通过变形层相连，外层弹性骨架、内层弹性骨架和变形层形成变刚度结构部分；该变形层有两种形式：一种为可改变内层弹性骨架和外层弹性骨架之间距离的距离变形层，一种为改变材料自身刚度的刚度变形层；所述接头和法兰走线盘上设置有绳孔道，所述的绳孔道用于穿过驱动和控制关节结构运动的绳索。

该机器人刚度可控关节的变刚度结构部分；一种形式通过改变内层弹性骨架和外层弹性骨架之间的距离来改变变刚度结构的刚度；即内层弹性骨架和外层弹性骨架距离近时，结构刚性小，距离远时，结构刚度大；另一种形式通过改变变形层材料自身刚度来改变变刚度结构的刚度；通过上述方式实现了刚度可控关节的柔性工作状态与刚性工作状态之间的切换。当刚度可控关节处于柔性工作状态下，可以自由运动；而当其处于刚性工作状态下，运动自由度均被锁定，结构的刚性得到提升，关节具有很好的支撑稳定性。

所述的外层弹性骨架包括若干根平行轴向且按圆周均布的外层条形金属片和一个与所有外层条形金属片均固连的外层环形金属片；所述内层弹性骨架的轴向弹性支撑结构由若干根平行轴向且按圆周均布的内层条形金属片组成；所述内层弹性骨架的每组径向弹性支撑结构由若干两两相连的内层连接片组成，它们的两两相连处与轴向弹性支撑结构相连；所述外层条形金属片和内层条形金属片的数量一致，两两对应。所述的外层条形金属片与内层条形金属片在圆周均匀布置，使得变形层在驱动内层弹性骨架运动的过程中，刚度可控关节内部所受内力达到平衡的状态，故而减小了刚度状态的切换对机器人刚度可控关节本身的运动精度的影响。

上述距离变形层为若干形状记忆合金金属片组成；所述形状记忆合金金属片一端与外层弹性骨架固接，另一端与内层弹性骨架固接。通过形状记忆合金金属片的驱动作用，即由电流的热效应作用改变形状记忆合金金属片的形状，改变变刚度结构部分外层弹性骨架和内层弹性骨架之间的距离，实现变刚度结构部分的壁厚变化，从而使得刚度可控关节在刚性工作状态和柔性工作状态之间的切换。同时，形状记忆合金金属片的驱动方式简单便捷，有利于整个微创介入手术系统的微型化。

上述形状记忆合金金属片的材料相变温度在40°C～60°C之间。由于该发明机器人刚度可控关节应用在血管介入微创手术中，作业环境在人体内部，因而上述距离变形层所选取的形状记忆合金的材料相变温度应稍高于人体内部的环境温度，这样可保证形状记忆合金金属片在人体中对变刚度结构良好的驱动效果，同时也可忽略其温度变化对人体环境的影响。

上述弹性支撑芯柱中间固接有圆柱套筒；上述外层条形金属片通过外层连接片与上述圆柱套筒相连接；其中外层连接片穿过内层弹性骨架的空隙。由于外层条形金属片内嵌在硅胶壁中，且其本身与弹性支撑芯柱通过圆柱套筒和外层连接片固接，因此在刚度状态发生改变时，外层弹性骨架本身不会发生变化，其与弹性支撑芯柱一同为该刚度可控关节提供辅助支撑作用。

上述距离变形层为可充放气的气囊结构。距离变形层可采用可充放气的气囊结构，通过外部气泵的充放气实现变刚度结构部分的刚度状态变化。在充气状态下，变刚度结构部分具有很好的刚度；而在放气的状态下，变刚度结构部分刚度较低，处于柔性状态。

上述刚度变形层为低熔点液态金属、电流变液、磁流变液材料组成。可在外层弹性骨架和内层弹性骨架之间的填充上述刚度可变材料，形成刚度变形层，通过外部电场、磁场或者温度场的控制下，使刚度变形层本身的状态由液态和固态之间相互切换，实现变刚度结构部分的刚柔状态切换。

所述的弹性支撑芯柱两端的接头，一端为阳接头，另一端为阴接头，阳接头为凸台结构，阴接头为凹槽结构。通过相邻机器人刚度可控关节之间阴接头和样街头的配合，将多个刚度可控关节连接在一起，可实现在不同工作要求下各关节的刚度状态独立控制。

本专利提出的机器人刚度可控关节，不仅能够通过各关节独立的刚度控制来实现其末端位姿的微调，保证其运动精度，更能通过刚度控制来弥补干预过程中关节刚度不够而导致弯曲的问题，提高手术精确性和稳定性，对血管介入微创手术的发展具有重要意义。

附图说明

图1为本发明机器人刚度可控关节整体结构外观示意图；

图2为本发明机器人刚度可控关节的变刚度结构示意图；

图3为本发明机器人刚度可控关节柔性工作状态结构示意图；

图4为本发明机器人刚度可控关节柔性工作状态变刚度驱动部分局部放大结构图；

图5为本发明机器人刚度可控关节刚性工作状态结构示意图；

图6为本发明机器人刚度可控关节刚性工作状态变刚度驱动部分局部放大结构图；

图7为本发明机器人刚度可控关节变刚度控制系统示意图；

图中标号名称，1阳接头；2圆柱硅胶壁；3阴接头；4圆柱电极棒；5外层条形金属片；6内层条形金属片；7外层连接片；8内层连接片；9导线；10弹性支撑芯柱；11圆柱套筒；12法兰走线盘；13形状记忆合金金属片；14外层环形金属片；15外部稳压电源；16导线；17接线盘；18第一关节；19第二关节；20第三关节；21末端执行器；22外层弹性骨架；23变形层；24内层弹性骨架。

具体实施方式

下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1为本发明机器人刚度可控关节的整体结构外观示意图，机器人刚度可控关节主要由连续体结构部分和变刚度结构部分组成。图2为本发明机器人刚度可控关节的变刚度结构部分示意图，所述的变刚度结构部分包括外层弹性骨架、变形层和内层弹性骨架。

本发明机器人刚度可控关节的刚度控制方法为通过驱动变形层来改变变刚度结构部分的刚度实现关节刚度状态的切换。根据变形层材料和驱动方式的不同，可将变形层分为以下两种形式：一种为距离变形层，采用形状记忆合金金属片或者可充放气的气囊结构；另一种为刚度变形层，由低熔点液态金属、电流变液、磁流变液材料组成。若变形层为由形状记忆合金金属片组成的距离变形层，那么刚度驱动方式采用电流传热驱动形状记忆合金金属片变形，进而控制变刚度结构部分内层弹性骨架与外层弹性骨架的距离变化，从而实现关节刚度的变化；若变形层为可充放气的气囊结构的距离变形层，那么可通过外部气泵的充放气实现变刚度结构部分的刚度状态变化；若变形层为低熔点液态金属、电流变液、磁流变液材料组成的刚度变形层，可在外部电场、磁场或者温度场的控制下，控制刚度变形层本身的状态由液态和固态之间相互切换，实现变刚度结构部分的刚柔状态切换。下面针对刚度可控关节中，变形层采用形状记忆合金金属片实现刚度状态切换的方式进行详细说明。

本发明所涉及的机器人刚度可控关节，其柔性工作状态结构示意图如图2所示，刚性工作状态结构示意图如图4所示。所述的机器人的刚度可控关节包括弹性支撑芯柱，在所述的弹性支撑芯柱上轴向分布若干法兰走线盘；所述的弹性支撑芯柱两端固接有接头，两端的接头之间连接有圆柱硅胶壁；所述的圆柱硅胶壁内壁嵌有外层弹性骨架；所述外层弹性骨架内侧布置有内层弹性骨架，内层弹性骨架包括轴向弹性支撑结构，和若干组沿轴向分布的径向弹性支撑结构；所述的外层弹性骨架和内层弹性骨架之间通过变形层相连，外层弹性骨架、内层弹性骨架和变形层形成变刚度结构部分；所述的外层弹性骨架包括若干根平行轴向且按圆周均布的外层条形金属片和一个与所有外层条形金属片均固连的外层环形金属片；所述内层弹性骨架的轴向弹性支撑结构由若干根平行轴向且按圆周均布的内层条形金属片组成；所述内层弹性骨架的每组径向弹性支撑结构由若干两两相连的内层连接片组成，它们的两两相连处与轴向弹性支撑结构相连；所述外层条形金属片和内层条形金属片的数量一致，两两对应。上述距离变形层由若干形状记忆合金金属片组成；所述形状记忆合金金属片一端与外层弹性骨架固接，另一端与内层弹性骨架固接。上述弹性支撑芯柱中间固接有圆柱套筒；上述外层条形金属片通过外层连接片与上述圆柱套筒相连接；其中外层连接片穿过内层弹性骨架的空隙。所述的弹性支撑芯柱两端的接头，一端为阳接头，另一端为阴接头，阳接头为凸台结构，阴接头为凹槽结构。

所述的外层条形金属片、内层条形金属片、外层连接片和内层连接片由金属材料制成，所述的弹性支撑芯柱和形状记忆合金金属片可以采用镍钛合金（Ni-Ti）、金镉合金（Au-Cd）或者铜锌合金（Cu-Zn），这三种材料均可从市场购买获得，所选用的形状记忆合金材料应具有双程记忆效应（即某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状的特性），且其相变温度应在人体环境温度之上一定范围（40°C～60°C较为合适）。同时，刚度可控关节的弹性支撑芯柱选用形状记忆合金材料的目的是，需要利用材料本身的超弹性来实现芯柱本身的不可压缩特性，这样才能保证关节在弯曲过程中的实际弯曲模型和理论模型具有一致性。在所述的阴接头上嵌有两个圆柱电极棒4，所述的电极棒通过导线分别与外层条形金属片和内层条形金属片相连，所述的形状记忆合金金属片与外部稳压电源相连以通过电流传热的方式实现自身温度变化从而驱动自身形状变化，连接方式如图6所示。

所述的阴接头、阳接头和法兰走线盘上设置有绳孔道，所述的绳孔道用于穿过驱动和控制关节结构运动的绳索。所述的外层连接片分布在两相邻绳孔道圆心连线的垂直平分线上，因此不会影响到绳索的走线。

图3和图5所示分别为刚度可控关节柔性工作状态变刚度驱动部分局部放大结构图和刚度可控关节刚性工作状态变刚度驱动部分局部放大结构图。当刚度可控关节处于室温（低于形状记忆合金金属片的材料相变温度）时，其变刚度结构部分处于柔性工作状态，此时形状记忆合金金属片处于未激活状态，其截面形状为“一”，如图3所示，此时外层条形金属片与内层条形金属片紧靠在一起，变刚度结构部分整体壁厚处于最薄状态，刚性很小；当通过外部稳压电源在形状记忆合金金属片两端施加电流作用，所述的形状记忆合金金属片温度上升到其相变温度以上时，内部金相组织会发生变化（由马氏体组织转变为奥氏体组织），由于形状记忆合金材料本身的形状记忆效应，形状记忆合金金属片处于激活状态，截面形状恢复成初始设定的“Z”，如图5所示，从而内层条形金属片向内侧运动，使得外层条形金属片与内层条形金属片分隔开，变刚度结构部分内外壁撑开，形成工字形结构，壁厚增加，刚性大大增加，此时变刚度结构部分处于刚性工作状态；当外部稳压电源关闭后，形状记忆合金金属片上的热量通过周围结构和空气散失，其温度下降到室温（相变温度以下），内部金相组织由奥氏体组织转变为马氏体组织，由于形状记忆效应，形状记忆合金金属片的截面形状由“Z”恢复成处于未激活状态下的截面形状“一”，刚性减小，其变刚度结构部分处于柔性工作状态。依照上述方式实现了刚度可控关节的柔性工作状态与刚性工作状态之间的切换。

图6为本发明刚度可控关节的变刚度控制系统示意图。该系统包括刚度可控的连续体机器人以及其刚度控制电路。所述的连续体机器人包括第一关节18、第二关节19、第三关节20以及末端执行器21，所述的第一关节18、第二关节19和第三关节20均为刚度可控关节，两两之间通过阴接头3和阳接头1的配合连接在一起，所述的末端执行器21可以为微型相机或者手术刀具等医疗工具，所述的刚度可控关节的变刚度结构部分通过导线16将接线盘上的电极棒与外部稳压电源15的正负极连接在一起，给各个关节的电极棒4分别供电。在工作过程中，可以通过对刚度可控关节的控制，改变其刚柔状态，极大提高手术中连续体机器人的性能：当连续体机器人刚开始运动时，控制第一关节18、第二关节19和第三关节20处于柔性工作状态，此时连续体机器人具有很好的灵活性，可以沿着预定轨迹运动；当运动到目标位置附近时，控制第一关节18、第二关节19处于刚性工作状态，第三关节20仍然处于柔性工作状态，此时锁定了第一关节18和第二关节19的运动自由度，仅有第三关节20可以自由运动，即可以进行连续体机器人末端位姿的微调，运动精度会有很大的提升；当末端位姿微调的过程完成时，控制第一关节18、第二关节19和第三关节20均处于刚性工作状态，此时连续体机器人的运动自由度均被锁定，可以通过末端执行器21进行相应的手术干预操作任务，操作过程中机器人的关节由于具有较好的刚性，为手术过程提供了足够的操作支撑，手术精度和稳定性可得到很好的保证。

Claims (9)

1.一种机器人刚度可控关节，其特征在于：

包括弹性支撑芯柱（10），在所述的弹性支撑芯柱（10）上轴向分布若干法兰走线盘（12）；

所述的弹性支撑芯柱（10）两端固接有接头，两端的接头之间连接有圆柱硅胶壁（2）；

所述的圆柱硅胶壁（2）内壁嵌有外层弹性骨架（22）；

所述外层弹性骨架（22）内侧布置有内层弹性骨架（24），内层弹性骨架（24）包括轴向弹性支撑结构，和若干组沿轴向分布的径向弹性支撑结构；

所述的外层弹性骨架（22）和内层弹性骨架（24）之间通过变形层（23）相连，外层弹性骨架（22）、内层弹性骨架（24）和变形层（23）形成变刚度结构部分；该变形层（23）有两种形式：一种为可改变内层弹性骨架（24）和外层弹性骨架（22）之间距离的距离变形层，一种为改变材料自身刚度的刚度变形层；

所述接头和法兰走线盘（12）上设置有绳孔道，所述的绳孔道用于穿过驱动和控制关节结构运动的绳索。

2.根据权利要求1所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

所述的外层弹性骨架（22）包括若干根平行轴向且按圆周均布的外层条形金属片（5）和一个与所有外层条形金属片（5）均固连的外层环形金属片（14）；

所述内层弹性骨架（24）的轴向弹性支撑结构由若干根平行轴向且按圆周均布的内层条形金属片（6）组成；

所述内层弹性骨架（24）的每组径向弹性支撑结构由若干两两相连的内层连接片（8）组成，它们的两两相连处与轴向弹性支撑结构相连；

所述外层条形金属片（5）和内层条形金属片（6）的数量一致，两两对应。

3.根据权利要求1或2所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

上述距离变形层为若干形状记忆合金金属片（13）组成；所述形状记忆合金金属片（13）一端与外层弹性骨架（22）固接，另一端与内层弹性骨架（24）固接。

4.根据权利要求3所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

上述形状记忆合金金属片（13）的材料相变温度在40°C～60°C之间。

5.根据权利要求2所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

上述弹性支撑芯柱（10）中间固接有圆柱套筒（11）；上述外层条形金属片（5）通过外层连接片（7）与上述圆柱套筒（11）相连接；其中外层连接片（7）穿过内层弹性骨架（24）的空隙。

6.根据权利要求1所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

上述距离变形层为可充放气的气囊结构。

7.根据权利要求1所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

上述刚度变形层为低熔点液态金属、电流变液、磁流变液材料组成。

8.根据权利要求1所述的机器人刚度可控关节，其特征在于：

所述的弹性支撑芯柱（10）两端的接头，一端为阳接头（1），另一端为阴接头（3），阳接头（1）为凸台结构，阴接头（3）为凹槽结构。

9.根据权利要求1所述的机器人刚度可控关节的刚度控制方法，其特征在于包括以下过程：

该机器人刚度可控关节的变刚度结构部分，通过以下两种方式之一实现了刚度可控关节的柔性工作状态与刚性工作状态之间的切换；

第一种方式：通过改变内层弹性骨架（24）和外层弹性骨架（22）之间的距离来改变变刚度结构的刚度；即内层弹性骨架（24）和外层弹性骨架（22）距离近时，结构刚性小，距离远时，结构刚度大；

第二种方式：通过改变变形层（23）材料自身刚度来改变变刚度结构的刚度。

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