CN109730777A - 一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人，包括用于辅助固定心脏组织的U型吸附结构，与所述吸附结构连接件圆头端连接的刚柔转换支撑臂，用于U型吸附结构的支撑，U型吸附结构内部气体的抽取和输送；安装在所述刚柔转换支撑臂末端的尾端连接结构。本发明U型吸附结构及仿生吸盘结构设计，可保证吸盘结构与心脏组织的充分接触和吸附固定作用，同时软硬度转换，可有效防止心脏组织的吸附损伤。通过气动方式实现对心脏组织的柔性吸附和结构软硬态转换。可解决常压下的柔性变形和真空硬化下刚性支撑问题，保证软体机器人在抽负压时气道的完整性。所有部件均可采用3D打印精密成型技术，易于制造，成本较低。

Description

一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，尤其涉及一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人。

背景技术

非体外循环冠状动脉搭桥术可显著改善心肌缺血、最大限度的避免设备对患者各脏器造成的损伤，在治疗重症冠心病方面效果显著。但是，为了达到良好的治疗效果，必须采用有效的技术和仪器对患者进行精确的检测，并借助先进的手术器械完成手术。

心脏固定器是非体外循环冠状动脉搭桥手术中必不可少的装置，它可以保证在心脏跳动情况下，其所固定的局部手术操作区域相对稳定，为微小血管吻合提供保障。但是，现有心脏固定器所提供的吸附力较为固定且需要手工调整，为了维持手术视野的稳定清晰，医生通常忽视患者心肌所能承受的压力进行固定，容易造成患者术后心脏固定区域出现心肌损伤、心脏水肿、心功能不全等。同时现有可调机械臂式固定器对心脏位置的调整幅度有限，固定后机械臂对心脏的固定生硬，导致桥血管吻合过程中血压变化较大，可能引起脑血管并发症等，手术风险大幅提高。

基于刚性机构的机器人广泛应用于医疗领域各类手术，但这类机器人的灵活性、适应性和安全性差，容易造成人体组织损伤。近年来，采用软性材料制作而成软体机器人,能够柔软连续地变形适应各类组织结构，通过气动等方式实现软体机构的动作及转换，可显著提高手术机器人系统的适应性和安全性。软体机器人技术作为一项新兴的前沿技术迅速发展，逐渐在医疗领域得到应用，已成为手术机器人技术的重要发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多通道切换和多功能的柔性吸附心脏辅助固定软体机器人，可根据环境需要进行步态的状态切换和功能实现。。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人，包括：

用于辅助固定心脏组织的U型吸附结构，所述U型吸附结构包括两组仿生吸盘阵列、U型结构主体、硬化隔离板、吸附结构连接件；

所述仿生吸盘阵列包括呈线性阵列分布在吸盘安装块上的若干仿生吸盘；所述吸盘安装块内部设有第一硬化气道，及与所述仿生吸盘相连的第一吸附气道；

所述U型结构主体开口方向的两端部分别安装所述仿生吸盘阵列；所述U型结构主体内设有第二硬化气道、第二吸附气道，所述第二硬化气道的两个入口、与所述第二吸附气道的一个入口均设置在所述U型结构主体闭合的端部，所述第二硬化气道的两个出口，及所述第二吸附气道的两个出口分布在所述U型结构主体开口方向的两端部；所述第二硬化气道、第二吸附气道分别与所述第一硬化气道、第一吸附气道气密导通；

所述第一硬化气道、第二硬化气道内填充固体硬化颗粒；

所述硬化隔离板安装在所述U型结构主体闭合的端部，所述硬化隔离板中部设有第三吸附气道，所述第三吸附气道两侧分别设有第三硬化气道；所述第三吸附气道与所述第二吸附气道的入口气密导通，两条第三硬化气道分别与所述第二硬化气道的两个入口气密导通；

所述吸附结构连接件包括圆头端和矩形端，所述矩形端与所述硬化隔离板连接；所述吸附结构连接件中部设有第四吸附气道，所述第四吸附气道两侧分别设有第四硬化气道；所述第四吸附气道与所述第三吸附气道气密导通，两条第四硬化气道分别与两条第三硬化气道气密导通；

与所述吸附结构连接件圆头端连接的刚柔转换支撑臂，用于U型吸附结构的支撑，U型吸附结构内部气体的抽取和输送；所述刚柔转换支撑臂中部设有硬化腔道，硬化腔道中心设有第五吸附气道，所述硬化腔道直径大于第五吸附气道外径，第五吸附气道外的硬化腔道内填充固体硬化颗粒；所述刚柔转换支撑臂内还设有两条第五硬化气道，两条第五硬化气道沿刚柔转换支撑臂的同一直径分设在硬化腔道的两侧；所述第五吸附气道与所述第四吸附气道气密导通，两条第五硬化气道分别与两条第四硬化气道气密导通；

安装在所述刚柔转换支撑臂末端的尾端连接结构，所述尾端连接结构中心设有第六吸附气道，所述尾端连接结构内还设有两条第六硬化气道、两条支撑臂硬化气道，所述第六吸附气道与所述第五吸附气道气密导通，两条第六硬化气道与两条第五硬化气道气密导通，两条支撑臂硬化气道与所述硬化腔体气密导通。

优选的，所述仿生吸盘阵列包括4-5枚仿生章鱼爪吸盘，所述仿生吸盘利用3D打印技术，使用邵氏硬度为40A的软质材料制作。

优选的，所述U型结构主体上还设有若干固体硬化颗粒入口。

优选的，所述第五吸附气道、第五硬化气道具有沿轴向间隔布置软体材料和刚性材料的管壁。

优选的，所述第三硬化气道为蜂窝状腔道。

优选的，所述硬化腔道横截面为沿所述刚柔转换支撑臂直径延伸的类长方形。

本发明的有益效果是：

1. 本发明U型吸附结构及仿生吸盘结构设计，可保证吸盘结构与心脏组织的充分接触和吸附固定作用，同时软硬度转换，可有效防止心脏组织的吸附损伤。

2. 本发明通过内置的气道分别作为仿生吸盘吸附腔道和结构硬化腔道，通过气动方式实现对心脏组织的柔性吸附和结构软硬态转换，驱动方式更加安全，气动方式结构简单，适用性较强。

3. 本发明所设计的柔性支撑臂设计两路固体颗粒硬化腔道和一路负压气道，主体采用软体材料制作，两路硬化腔道采用软体材料和硬质材料分节连接的设计方式，可解决常压下的柔性变形和真空硬化下刚性支撑问题，保证软体机器人在抽负压时气道的完整性。

4. 本发明结构简单，所有部件均可采用3D打印精密成型技术，易于制造，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的U型吸附结构1的结构示意图；

图3为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的仿生吸盘阵列101的结构示意图；

图4为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的U型结构主体102的结构示意图1；

图5为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的U型结构主体102的结构示意图2；

图6为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的硬化隔离板1033的结构示意图；

图7为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的吸附结构连接件104的结构示意图；

图8为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的刚柔转换支撑臂2的结构示意图；

图9为本发明实施例一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人的尾端连接结构3的结构示意图。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-2所示，本发明实施例的一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人，包括：

用于辅助固定心脏组织的U型吸附结构1，所述U型吸附结构1包括两组仿生吸盘阵列101、U型结构主体102、硬化隔离板103、吸附结构连接件104。

如图3所示，本发明实施例的所述仿生吸盘阵列101包括呈线性阵列分布在吸盘安装块上的4-5枚仿生吸盘；优选的，采用4枚仿生章鱼爪吸盘，仿生吸盘材质为邵氏硬度为35-40A的软质材料，利用3D打印技术。

优选的，吸盘安装块1011与U型结构主体102均采用软质材料的3D打印技术制作，其中软质材料邵氏硬度在35-40A，质地柔软，不会损失心脏组织。

为了进一步提高吸附效果，吸盘安装座1011上表面设计为阶梯面1015，阶梯面1015带有自中心向外逐渐加深的坡面，仿生吸盘1012均安装在坡面上；两组仿生吸盘阵列101安装时，将吸盘安装座1011的坡面向内相对，则两组仿生吸盘1012均向心倾斜，能够给心脏组织提供更贴合的接触承托面。

进一步，吸盘安装座1011上表面加工成弧面，仿生吸盘1012安装后，呈现碗状接触承托面。

所述吸盘安装块1011内部设有第一硬化气道1013，及与所述仿生吸盘1012相连的第一吸附气道1014；

如图2、4、5所示，本发明实施中U型结构主体102开口方向的两端部分别安装所述仿生吸盘阵列101；所述U型结构主体102内设有第二硬化气道1021、第二吸附气道1022，所述第二硬化气道1021的两个入口1021a、与所述第二吸附气道1022的一个入口1022a均设置在所述U型结构主体102闭合的端部，所述第二硬化气道1021的两个出口1021b，及所述第二吸附气道1022的两个出口1022b分布在所述U型结构主体102开口方向的两端部；所述第二硬化气道1021、第二吸附气道1022分别与所述第一硬化气道1013、第一吸附气道1014气密导通；具体的，两个仿生吸盘阵列101的两条第一硬化气道1013分别连接在第二硬化气道1021的两个出口1021b上，两个仿生吸盘阵列101的两条第一吸附气道1014连接在第二吸附气道1022的两个出口1022b上。

优选的，所述第一硬化气道1013、第二硬化气道1021内填充固体硬化颗粒；

第一吸附气道1014、第二吸附气道1022的管壁均采用软质材料与硬质材料结合，其中软质材料邵氏硬度在35-40A，硬质材料邵氏硬度在95-100A。

固体硬化颗粒和软硬结合的设计即可以使得气道随U型吸附结构1整体弯曲变形，又可以支撑整体结构，特别是在抽负压硬化时保持气道及整体结构的完整形状。

优选的，在本实施中的U型结构主体102上还设有2-4个固体硬化颗粒入口1023a，固体硬化颗粒入口1023a自U型结构主体102表面向下通入第二硬化气道1021，用于向内气道填充固体硬化颗粒，填充后需随即密封。

如图2、6所示，所述硬化隔离板103安装在所述U型结构主体102闭合的端部，本发明实施例中硬化隔离板103中部设有第三吸附气道1032，所述第三吸附气道1032两侧分别设有第三硬化气道1031；所述第三吸附气道1032与所述第二吸附气道1022的入口1022a气密导通，两条第三硬化气道1031分别与所述第二硬化气道1021的两个入口1021a气密导通；

为防止第一硬化气道1013、第二硬化气道1021中的固体硬化颗粒进入第三硬化气道1031，第三硬化气道1031采用孔径小于固体硬化颗粒直径的蜂窝状腔道。

如图2、7所示，本发明实施中吸附结构连接件104包括圆头端1041和矩形端1042，圆角化的外形设计可以防止结构接触组织时产生损伤；所述矩形端1042与所述硬化隔离板103连接；所述吸附结构连接件104中部设有第四吸附气道1044，所述第四吸附气道1044两侧分别设有第四硬化气道1043；所述第四吸附气道1044与所述第三吸附气道1032气密导通，两条第四硬化气道1043分别与两条第三硬化气道1031气密导通。

为了进一步保障U型吸附结构1具有足以维持自身形状的硬度，硬化隔离板103、吸附结构连接件104均采用邵氏硬度为100A的材料。

如图1、8所示，本发明实施中与所述吸附结构连接件104圆头端1041连接的刚柔转换支撑臂2，用于U型吸附结构1的支撑，以及U型吸附结构1内部气体的抽取和输送。刚柔转换支撑臂的整体长度为150mm, 最大外径为22mm、最小外径18mm。

刚柔转换支撑臂2中部设有硬化腔道201，硬化腔道201中心设有第五吸附气道203，第五吸附气道203通过机构固定连接孔204安装；所述硬化腔道201直径大于第五吸附气道203外径，所述刚柔转换支撑臂2内还设有两条第五硬化气道202，两条第五硬化气道202沿刚柔转换支撑臂2的同一直径分设在硬化腔道201的两侧；所述第五吸附气道203与所述第四吸附气道1044气密导通，两条第五硬化气道202分别与两条第四硬化气道1043气密导通；

刚柔转换支撑臂2整体采用软质材料制作，为了保证刚柔转换支撑臂2能够维持形状，并在抽负压时保持硬化，所述第五吸附气道203、第五硬化气道202具有沿轴向间隔布置软体材料和刚性材料的管壁，软体材料和硬质材料分节连接，软质材料的邵氏硬度为40A, 硬质材料的邵氏硬度为100A，同时第五吸附气道203外的硬化腔道201内填充固体硬化颗粒。

优选的，将硬化腔道201加工成横截面为沿所述刚柔转换支撑臂2直径延伸的类长方形，增加固体硬化颗粒的填充空间。

这样的设计方式不仅可以解决刚柔转换支撑臂2结构的的柔性变形和真空硬化下刚性支撑问题，还可以保证在气道抽真空时整个气道的完整性；支撑臂的空腔结构可以实现整个支撑臂的抽负压以及颗粒挤压硬化支撑。通过刚柔转换支撑臂2结构可以实现整个仿生软体机器人的柔性吸附、真空硬化固定和U型吸附结构1气体抽取和输送等功能。

如图1、9所示，本发明实施例中安装在所述刚柔转换支撑臂2末端的尾端连接结构3，所述尾端连接结构3中心设有第六吸附气道302，所述尾端连接结构3内还设有两条第六硬化气道301、两条支撑臂硬化气道303，所述第六吸附气道302与所述第五吸附气道203气密导通，两条第六硬化气道301与两条第五硬化气道202气密导通，两条支撑臂硬化气道303与所述硬化腔体201气密导通。

该尾端连接结构3包含的五路气路气道，一路第六吸附气道302用于吸附固定时吸负压的连接供应，两路支撑臂硬化气道303用于支撑壁的柔性变形和真空硬化的气压供应，两路第六硬化气道301用于U型吸附结构1、刚柔转换支撑臂2硬化的负压供应。该尾端连接结构3采用硬质材料设计。真空抽取及正压输送所需正负压气路控制系统可采用空压机、真空泵（0-0.9MPa）、换向阀（GPR3008L, AirTac）、PLC控制器及其他辅助部件设计完成，并通过计算机编程控制。

整个软体机器人的结构可采用多材料3D打印一体化精密成型技术制作完成。该软体机器人可以实现冠脉搭桥手术中心脏组织的柔性吸附固定和智能调节，在有效固定心脏组织的同时防止产生吸附损伤，可为冠脉搭桥术精准质控和冠心病基础研究提供精准高效的新工具，全面提升冠脉搭桥术质控技术与仪器水平，并为冠心病学基础研究提供新颖的科学仪器。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人，其特征在于，包括：

用于辅助固定心脏组织的U型吸附结构，所述U型吸附结构包括两组仿生吸盘阵列、U型结构主体、硬化隔离板、吸附结构连接件；

所述仿生吸盘阵列包括呈线性阵列分布在吸盘安装块上的若干仿生吸盘；所述吸盘安装块内部设有第一硬化气道，及与所述仿生吸盘相连的第一吸附气道；

所述U型结构主体开口方向的两端部分别安装所述仿生吸盘阵列；所述U型结构主体内设有第二硬化气道、第二吸附气道，所述第二硬化气道的两个入口、与所述第二吸附气道的一个入口均设置在所述U型结构主体闭合的端部，所述第二硬化气道的两个出口，及所述第二吸附气道的两个出口分布在所述U型结构主体开口方向的两端部；所述第二硬化气道、第二吸附气道分别与所述第一硬化气道、第一吸附气道气密导通；

所述第一硬化气道、第二硬化气道内填充固体硬化颗粒；

所述硬化隔离板安装在所述U型结构主体闭合的端部，所述硬化隔离板中部设有第三吸附气道，所述第三吸附气道两侧分别设有第三硬化气道；所述第三吸附气道与所述第二吸附气道的入口气密导通，两条第三硬化气道分别与所述第二硬化气道的两个入口气密导通；

所述吸附结构连接件包括圆头端和矩形端，所述矩形端与所述硬化隔离板连接；所述吸附结构连接件中部设有第四吸附气道，所述第四吸附气道两侧分别设有第四硬化气道；所述第四吸附气道与所述第三吸附气道气密导通，两条第四硬化气道分别与两条第三硬化气道气密导通；

与所述吸附结构连接件圆头端连接的刚柔转换支撑臂，用于U型吸附结构的支撑，U型吸附结构内部气体的抽取和输送；所述刚柔转换支撑臂中部设有硬化腔道，硬化腔道中心设有第五吸附气道，所述硬化腔道直径大于第五吸附气道外径，第五吸附气道外的硬化腔道内填充固体硬化颗粒；所述刚柔转换支撑臂内还设有两条第五硬化气道，两条第五硬化气道沿刚柔转换支撑臂的同一直径分设在硬化腔道的两侧；所述第五吸附气道与所述第四吸附气道气密导通，两条第五硬化气道分别与两条第四硬化气道气密导通；

安装在所述刚柔转换支撑臂末端的尾端连接结构，所述尾端连接结构中心设有第六吸附气道，所述尾端连接结构内还设有两条第六硬化气道、两条支撑臂硬化气道，所述第六吸附气道与所述第五吸附气道气密导通，两条第六硬化气道与两条第五硬化气道气密导通，两条支撑臂硬化气道与所述硬化腔体气密导通。

2.根据权利要求1所述的用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统，其特征在于，所述仿生吸盘阵列包括4-5枚仿生章鱼爪吸盘，所述仿生吸盘利用3D打印技术，使用邵氏硬度为40A的软质材料制作。

3.根据权利要求1所述的用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统，其特征在于，所述U型结构主体上还设有若干固体硬化颗粒入口。

4.根据权利要求1所述的用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统，其特征在于，所述第五吸附气道、第五硬化气道具有沿轴向间隔布置软体材料和刚性材料的管壁。

5.根据权利要求1所述的用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统，其特征在于，所述第三硬化气道为蜂窝状腔道。

6.根据权利要求1所述的用于术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统，其特征在于，所述硬化腔道横截面为沿所述刚柔转换支撑臂直径延伸的类长方形。